NO337311B1

NO337311B1 - Brønnstrupeventilanordning og fremgangsmåte for hurtig lukking av en strupeventil

Info

Publication number: NO337311B1
Application number: NO20064520A
Authority: NO
Inventors: Dean Arnison; David Spencer; Dominic Stott
Original assignee: Vetco Gray Inc
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-05
Publication date: 2016-03-07
Also published as: GB2431945B; NO20064520L; GB0619914D0; US20070095411A1; GB2431945A; SG131878A1; US7287739B2

Description

Oppfinnelsen vedrører en brønnstrupeventilanordning og en fremgangsmåte for hurtig lukking av en strupeventil, slik det fremgår av den innledende del av henholdsvis patentkrav 1 og 9.

Bakgrunn

Olje- og gassbrønner benytter typisk en strupeventil for å styre strømningen fra produksjonsrøret. Strupeventilen har et strupeelement som beveger seg i et strupeventilhus for å variere strømningsarealet. Én kjent type strupeventil, spesielt for havbunnsproduksjon, har en stegaktuator for variering av stillingen til strupeelementet. En aktuatorstang strekker seg fra aktuatoren og inn i inngrep med strupeelementet. Aktuatoren har typisk et girspor tilkoblet en stegmotor, som når den drives fører til rotasjon av en gjenget drivskrue. Drivskruen går i inngrep med en gjenget del av aktuatorstangen for å bevege stangen lineært som respons på rotasjonen. Strupeventiler lages av materialer som gjør de i stand til å motstå erosjon grunnet høye strømningsrater og kornet materiale i brønnfluidet.

Havbunnsproduksjonstrær har et antall ventiler som kan åpnes og lukkes for styring av brønnfluidet. Ventilene er typisk sluseventiler som drives enten i en helt lukket eller helt åpen stilling. På grunn av de eroderende forholdene benyttes sluseventiler ikke som strupeventiler. Havbunnsstrupeventiler blir typisk ikke benyttet som sikkerhetsventiler fordi de lukker for langsomt ved et nødstilfelle. Dersom en havbunnsstrupeventil effektivt kunne blitt benyttet som en sikkerhetsstengeventil, ville færre ventiler vært nødvendig på et ventiltre.

Én kjent løsning for bruk av en strupeventil også som en sikkerhetsstengeventil omfatter å forsyne strupeventilaktuatoren med en kuleskrue som drives av et hydraulisk stempel for å rotere strupeventilens ROV-tvangsstyring (ROV - remote operated vehicle). Denne konstruksjonen er imidlertid kompleks og forholdsvis stor. En annen løsning er å benytte en hydraulisk aktuator med en gruppe akkumulatorer. I dypere vann vil mengden av nødvendig akkumulering imidlertid være omfattende. I en annen tilnærming, US patentskrift 6,315,264, beskrives en strupeventil som er modifisert for hurtig lukking.

US patentskrifter 6,202,287 A og 6,315,264 Bl beskriver en brønnstrupeventil for regulering av trykk og strømningsrate i en fluidstrøm i en brønn. Et strupeventilhus er forsynt med en strømningspassasje og et strupeelement er anordnet i strupeventilhuset for lineær bevegelse i forhold til strupeventilhuset. En aktuatorstang rager fra et aktuatorhus til strupeelementet. En drivmekanisme er arrangert i aktuatorhuset for selektivt å bevege stangen inn og ut.

Sammendrag av oppfinnelsen

Ulempene med den kjente teknikk overvinnes med en brønnstrupeventilanordning og en fremgangsmåte for hurtig lukking av en strupeventil, slik det fremgår av den karakteriserende del av henholdsvis patentkrav 1 og 9. Ytterligere fordelaktige trekk fremgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

I denne oppfinnelsen blir en hurtiglukkingsanordning montert mellom en hovedsakelig konvensjonell strupeventilaktuator og et strupeventilhus. Ved aktuering fører hurtiglukkingsanordningen til at aktuatorhuset og aktuatorstangen beveger seg unisont med hverandre i en lukkeretning i forhold til strupeventilhuset. Denne bevegelsen fører til at strupeelementet lukker strømningspassasjen.

I den foretrukkete utførelsesformen omfatter hurtiglukkingsanordningen et hydraulisk kammer som fører til bevegelsen av aktuatorhuset i lukkeretningen. Videre, i det viste eksemplet har hurtiglukkingsanordningen ei fjær som forspenner aktuatorhuset i en åpningsretning i forhold til strupeventilhuset. Det hydrauliske kammeret overvinner forspenningen av fjæra for å føre til lukkebevegelsen. Når det hydrauliske trykket frigjøres, beveger fjæra aktuatorhuset tilbake til driftsstillingen.

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er et utsnittsriss av en strupeventilanordning i samsvar med denne oppfinnelsen, og viser strupeventilen i en lukket stilling og hurtiglukkingsmekanismen i en utvidet breddestilling. Figur 2 er et forstørret utsnittsriss av en del av strupeventilanordningen i figur 1, og viser strupeelementet i en åpen stilling og hurtiglukkingsanordningen i en utvidet breddestilling. Figur 3 er et forstørret riss som figur 1, men viser hurtiglukkingsanordningen i en sammentrukket stilling.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Det henvises til figur 1. Brønnstrupeventilanordningen 11 har en konvensjonell strupeventil 13 som kan være av et flertall typer. I denne utførelsesformen har strupeventilen 13 et strupeventilhus 15 med et innløp 17 og et utløp 19 som er 90 grader i forhold til hverandre. Ei ytre burhylse (eng: cage outer sleeve) 21 og ei indre burhylse (eng: cage inner sleeve) 23 omfatter sylindriske elementer med åpninger som er anordnet ved forbindelsen mellom innløpet 17 og utløpet 19. Et strupeelement 25 beveger seg lineært langs og på aksen til utløpet 19. Åpningene strekker seg gjennom de indre og de ytre hylsene 21, 23, og stillingen til strupeelementet 25 bestemmer hvor mange åpninger som er blokkert og hvor mange som er åpne. I figurene 1 og 3 er alle åpningene i den indre hylsa 23 blokkert, slik at enhver strømning fra innløpet 17 til utløpet 19 forhindres. I figur 2 er åpningene i den indre og ytre hylsa 21, 23 åpne.

Strupeelementene 21, 23, 25 kan være av et flertall typer. I denne utførelsesformen omfatter elementet 25 et sylindrisk element i flere deler som omfatter i det minste ett, og fortrinnsvis to ringformete tetningselementer 26. Strupeelementet 25 er sentralt montert på en aktuatorstang 27 som beveger seg lineært. Aktuatorstangen 27 strekker seg gjennom en endeplate 29 til strupeventilhuset 15, til en aktuator 31.

Aktuatoren 31 er også konvensjonell og kan være av et flertall typer. I denne utførelsesformen har aktuatoren 31 et aktuatorhus 33, som ved kjent teknikk ville vært tilkoblet direkte til endeplaten 29 til strupeventilhuset 15. I denne utførelsesformen er aktuatorhuset 33 anordnet i avstand fra endeplaten 29. Aktuatoren 31 har én eller flere stegmotorer 35 som driver et girspor 37 som roterer en drivskrue 39 når stillingen til strupeelementet 25 skal endres. Drivskruen 39 har indre gjenger som går i inngrep med ytre gjenger på en del av aktuatorstangen 27. Aktuatorstangen 27 holdes fra å rotere på konvensjonell måte, slik at rotasjon av drivskruen 39 fører til at aktuatorstangen 27 beveger seg lineært langs aksen til aktuatorstangen 27.

En hurtiglukkingsanordning 43 er montert mellom aktuatorhuset 33 og strupeventilhuset 15. Hurtiglukkingsanordningen 43 har en strupeventilplate 45, som er en monteringsplate som er montert til strupeventilhusets endeplate 29. Fester 47 strekker seg fra strupeventilplaten 45 inn i endeplaten 29 for festing av hurtiglukkingsanordningen 43 til strupeventilen 13. Hurtiglukkingsanordningen 43 har også en aktuatorplate 49 på den motsatte enden. Aktuatorplaten 49 er boltet til en endeplate til aktuatoren 31, så som med fester 51. Platene 45 og 49 har hull gjennom sine sentre, gjennom hvilke aktuatorstangen 27 løper.

Hurtiglukkingsanordningen 43 omfatter en hydraulisk sylinder 53 som er montert til én av platene 45, 49. I denne utførelsesformen er sylinderen 53 montert til platen 45, men den kan være montert på motsatt måte. Sylinderen 53 strekker seg mot platen 49 og ender i kort avstand fra denne. Et stempel 55 er tilkoblet platen 49 og strekker seg inn i sylinderen 53. Aktuatorstangen 27 strekker seg konsentrisk gjennom sylinderen 53 og stemplet 55. Sylinderen 53 og stempelet 55 kan anses å være en indre hylse med en utvidbar lengde som omgir aktuatorstangen 27. Stemplet 55 og sylinderen 53 har forstørrete områder som samvirker og tetter mot hverandre slik at de danner et hydraulisk væskekammer 57 (figur 3). Når hydraulisk væsketrykk blir tilført kammeret 57, vil stemplet 55 trekke aktuatoren 31 mot strupeventilen 13 sammen med aktuatorstangen 27. Hydrauliske væskepassasjer strekker seg gjennom sideveggen til sylinderen 53 for tilføring av hydraulisk væsketrykk til kammeret 57.

I dette eksemplet er fjærer 59 montert mellom platene 45 og 49, slik at de presser dem fra hverandre. Alternativt kan stempelet 55 og sylinderen 53 lages dobbeltvirkende for å føre til returnering ved tilføring av hydraulisk væske. Stempelet 55 og sylinderen 53 er anordnet på den sentrale aksen til platene 45, 49. Aktuatorstangen 27 strekker seg gjennom stempelet 55, men tetter ikke mot eller er ikke festet til dette. Bevegelse av stempelet 55 fører ikke til bevegelse av aktuatorstangen 27 i forhold til aktuatoren 31. Fjærene 59 er i denne utførelsesformen anordnet utenfor sylinderen 53 og med avstand rundt omkretsen til sylinderen 53. Hver fjær 59 er montert på en fjærføring 61 som støtter opp fjærene 59. To hydrauliske tilførsler til stegmotorene 35 er vist montert inne i fjærføringene 59. Føringene 61 er sammentrekkbare fra lengdene vist i figur 1 til lengdene vist i figur 3.

En første ytre hylsedel 63 er stasjonært montert til aktuatorplaten 49. En andre ytre hylsedel 65 er stasjonært montert til strupeventilplaten 45. De ytre hylsedelene 63, 65 omgir fjærene 59 og er konsentriske med aksen til aktuatorstangen 27. De ytre hylsedelene 63, 65 glir i forhold til hverandre med tetning, fra den utstrakte stillingen vist i figur 1 til den inntrukkete stillingen vist i figur 3. Det ringformete kammeret mellom de ytre hylsedelene 63, 65 og stempelet og sylinderen 55, 53 er fylt med ei væske som står i forbindelse med en akkumulator (ikke vist) som tjener til å balansere det indre trykket i de ytre hylsedelene 63, 65 med det hydrostatiske trykket på utsiden.

Hurtiglukkingsanordningen 43 har en antirotasjons- og fjærprekompresjonsanordning for å forhindre rotasjon av strupeventilen 13 i forhold til aktuatoren 31. I denne utførelsesformen omfatter antirotasjonsanordningen et føringsmottak 67 montert radialt utenfor de ytre hylsene 63, 65. Føringsmottaket 67 kan enten være montert til platen 49 som vist, eller til platen 45. En føringspinne 69 er montert til den andre av platene, som i dette tilfellet er platen 45. Føringspinnen 69 strekker seg parallelt med aksen til aktuatorstangen 27 og går i glidende inngrep med føringsmottaket 67.

Figur 1 viser brønnstrupeventilanordningen 11 i drift, i en lukket stilling, men med hurtiglukkingsanordningen 43 i sin normale, utstrakte stilling. Strupeelementet 25 blokkerer åpningene med burelementet 23, og hindrer strømning fra innløpet 17 til utløpet 19.

For å tillate strømning aktuerer operatøren stegmotoren 35, som videre roterer den gjengete skruen 39 et ønsket inkrement. Denne rotasjonen gjør at aktuatorstangen 27 trekker seg tilbake og trekker strupeelementet 25 til en tilbaketrukket stilling. Denne bevegelsen eksponerer noen av åpningene gjennom burelementet 23 slik at strømning fra innløpet 17 til utløpet 19 kan skje, som vist i figur 2. Hurtiglukkingsanordningen 43 forblir i sin normale utstrakte stilling enten strupeventilen 13 er åpen som i figur 2 eller lukket som i figur 1, eller delvis åpen (ikke vist).

For å lukke strupeventilen 13 tilfører operatøren hydraulisk væsketrykk til kammeret 57, som vist i figur 3. Dette gjør at platene 45, 49 beveger seg mot hverandre. Hele aktuatoren 31 vil bevege seg mot strupeventilen 13, sammen med aktuatorstangen 27. Denne bevegelsen gjør at strupeelementet 25 beveger seg til den lukkete stillingen. Under denne bevegelsen beveger aktuatorstangen 27 seg unisont med aktuatorhuset 33, slik at ingen kraft behøver å tilføres motorene 35 (figur 1). Aktuatorstangen 27 forblir i den samme stillingen i forhold til aktuatorhuset 33. Strupeelementet 25 beveger seg en lengde lik forskjellen mellom den utstrakte og inntrukkete stillingen til hurtiglukkingsanordningen 43. Dersom strupeelementet 25 var i en delvis åpen stilling når hurtiglukkingsanordningen ble aktuert, i stedet for den helt åpne stillingen i figur 2, ville den bli beveget mindre mot høyre enn det vist i figur 3. Lengden til strupeelementet 25, som omfatter tetningsplatene 26, er valgt slik at det vil blokkere alle åpningene gjennom strupeventilburhylsen 23, uavhengig av stillingen til strupeelementet 25 i forhold til strupeventilhylsene 23 når hurtiglukkingsanordningen 43 blir aktuert.

Når det hydrauliske trykket i kammeret 57 lettes, vil fjærene 59 skyve aktuatorplaten 49 og aktuatoren 31 bakover fra platen 45 til den utstrakte stillingen i figurene 1 og 2. Aktuatorstangen 27 beveger seg også unisont med aktuatorhuset 31 under denne ekspansjonsbevegelsen. Strupeelementet 25 vil gjeninnta den samme stillingen i forhold til hylsene 21, 23 som den hadde før hurtiglukkingsanordningen 43 ble aktuert.

Oppfinnelsen har betydelige fordeler. Hurtiglukkingsanordningen kan monteres til eksisterende strupe- og aktuatoranordninger med meget små modifikasjoner. Hurtiglukkingsanordningen gjør at strupeventilen kan fungere som en sikkerhetsventil idet den kan lukkes hurtig.

Claims

1. Brønnstrupeventilanordning omfattende: - et strupeventilhus (15) med en strømningspassasje; - et strupeelement (25) anordnet i strupeventilhuset (15) for lineær bevegelse i forhold til strupeventilhuset (15) for å variere et strømningsareal gjennom strømningspassasjen; - et aktuatorhus (33); - en aktuatorstang (27) som strekker seg fra aktuatorhuset (33) til strupeelementet (25), for lineært å bevege strupeelementet (25); - en drivmekanisme i aktuatorhuset (33) for selektivt å strekke ut og trekke inn stangen; karakterisert vedat anordningen videre omfatter en hurtiglukkingsanordning (43) montert mellom aktuatorhuset (33) og strupeventilhuset (15), hvilken hurtiglukkingsanordning (43) omfatter: - en aktuatorplate (49) som er stasjonært montert til aktuatorhuset (33); - en strupeventilplate (45) som er stasjonært montert til strupeventilhuset (15); - en sylinder (53) som er montert til én av platene (45, 49) og som strekker seg mot den andre av platene; - et stempel (55) som er montert til den andre av platene og som strekker seg inn i sylinderen (53); - hvorved aktuatorstangen (27) strekker seg konsentrisk gjennom stempelet (55) og sylinderen (53); og - et returorgan anordnet for å presse aktuatorplaten (49) og strupeventilplaten (45) fra hverandre, hvorved tilførsel av hydraulisk væsketrykk fører til at aktuatorplaten (49) beveger seg mot strupeventilplaten (45); og - at fjerning av hydraulisk væsketrykk fører til at returorganet presser aktuatorplaten (49) vekk fra strupeventilplaten (45).

2. Anordning i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat hurtiglukkingsanordningen (43) omfatter et hydraulisk kammer (57) for å føre til bevegelsen av aktuatorhuset (33) i lukkeretningen.

3. Anordning i samsvar med patentkrav 1 eller 2,karakterisert vedat hurtiglukkingsanordningen omfatter en ytre hylsesammenstilling (63, 65) som er sammentrekkbar fra en utstrukket stilling til en sammentrukket stilling; hvorved sylinderen (53) og stempelet (55) er anordnet konsentrisk i den ytre hylsesammenstillingen (63, 65).

4. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 3,karakterisert vedat returorganet omfatter en fjær (59) montert mellom platene (45, 49) for å presse platene i en åpningsretning.

5. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 4,karakterisert vedat sylinderen (53) og stempelet (55) er sentrert på platene (45, 49).

6. Anordning i samsvar med patentkrav 3 eller 4,karakterisert vedat den ytre hylsesammenstillingen omfatter en ytre hylse (63) med en første del montert til aktuatorplaten (49) og en andre del (65) montert til strupeventilplaten (45), hvorved den første (63) og den andre (65) delen er i tetningsinngrep med hverandre og er sammentrekkbare når aktuatorplaten (49) beveger seg i lukkeretningen, der den ytre hylsen (63) konsentrisk omgir sylinderen (53) og stempelet (55); og at - fjæren (59) er montert mellom platene (45, 49) i et ringformet rom mellom den ytre hylsen (63) og sylinderen (53) for pressing av platene (45,49) i en åpningsretning.

7. Anordning i samsvar med et av patentkravene 1 til 6,karakterisert vedat den ytterligere omfatter: - et føringsmottak (67) som er stasjonært montert til én av platene (45, 49); og - et føringselement (69) som er stasjonært montert til den andre av platene og som er i glidende inngrep med føringsmottaket (67) når aktuatorplaten (49) beveger seg i lukkeretningen, hvorved føringselementet (69) og føringsmottaket (67) har en lengdeakse som er forskjøvet fra en sentral akse til platene (45,49) for å forhindre rotasjon av platene i forhold til hverandre.

8. Anordning i samsvar med et av kravene 1 til 3 og 5 til 7,karakterisert vedat returorganet er dobbeltvirkende stempel (55) og sylinder (53) for å presse platene (45) og (49) fra hverandre ved tilførsel av hydraulisk væske.

9. Fremgangsmåte for hurtig lukking av en strupeventil (13) med et strupeventilhus (15), et strupeelement (25) båret i strupeventilhuset (15) for lineær bevegelse i forhold til strupeventilhuset (15), et aktuatorhus (33), en aktuatorstang (27) som strekker seg fra aktuatorhuset (33) til strupeelementet (25) for lineært å bevege strupeelementet (25), og en drivmekanisme i aktuatorhuset (33) for selektivt å strekke ut og trekke inn stangen (27),karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: (a) å montere en hurtiglukkingsanordning (43) mellom aktuatorhuset (33) og strupeventilhuset (15); og (b) med hurtiglukkingsanordningen (43), å bevege aktuatorhuset (33) og stangen (27) unisont med hverandre i en lukkeretning i forhold til strupeventilhuset (15) for å føre til at strupeelementet (25) beveger seg til en lukket stilling.

10. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat trinn (b) omfatter å tilføre hydraulisk væsketrykk til hurtiglukkingsanordningen (43).

11. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat: - trinn (a) omfatter forspenning av hurtiglukkingsanordningen (43) mot en åpen stilling med en fjær (59); - trinn (b) omfatter å tilføre hydraulisk væsketrykk til hurtiglukkingsanordningen (43) for å bevege aktuatorhuset (33) i lukkeretningen; og hvorved fremgangsmåten ytterligere omfatter: - å frigjøre det hydrauliske væsketrykket fra hurtiglukkingsanordningen (43) og med fjæren (59) å bevege aktuatorhuset (33) mot den åpne stillingen.

12. Fremgangsmåte i samsvar med et av patentkravene 9 til 11,karakterisert vedat den ytterligere omfatter å forhindre rotasjon av aktuatorhuset (33) i forhold til strupeventilhuset (15) under gjennomføring av trinn (b).