NO803000L - Blandeventil til bruk i et borehull. - Google Patents

Description

Det er vanlig innenfor petroleumindustrien å inn-føre ulike fluider og slammasser i borehull eller brønnhull. Disse fluider og slammasser er vanligvis sammensatt av flere komponenter som blandes sammen på stedet. I noen tilfeller er det mulig å gjøre ferdig fluidet eller slammassen (heretter kalt fluidum) på overflaten og innføre fluidet i brønnen i^fluidumformen. Imidlertid vil i det i mange tilfeller være upraktisk eller umulig å blande komponentene over grunnen. •• Når eksempelvis et beønnhull. sementeres,-særlig ved press-sementering, benyttes additiver for endring av herdetiden og de fysiske karakteristika for sementen. Press-sementer ing kan benyttes for å isolere hosliggende soner i et brønnhull, .» for å avtette en sone med tapt sirkulasjon, for å reparere ".. foringslekkasjer, for å bøte på en opprinnelig defekt forings-sementeringsjobb, for å eliminere vanninntrengning i en prod-uksjonssoneå, og for mange andre formål. Ved et slikt arbeide blir vanligvis en foringsstrekning isolert i fra brønnboringen over, . om nødvendig også under. Det intervallet som skal press-sementeres blir perforert, med mindre det dreier seg om repa-rering av en foringslekkasje. Sement presses så gjennom og inn i formasjonen rundt intervallet. Avhengig av formålet, dybden og volumet til pressingen kan det være nødvendig å tilsette additiver til sementen for å retardere herdetiden, akselerere herdetiden, styre fluidumtapet i sementen, gelére sementen, redusere slamtettheten, gjøre slammet lettere eller tyngre, øke dets mekanisme styrke etter herding, redusere slammets virkning på sementen, forbedre bindingen, eller for å oppnå flere av de ovennevnte virkninger samtidig, samt også for å oppnå andre virkninger. Det er vanlig praksis å tilsette additiver på overflaten og så pumpe sementen ned i brønnen, eller å pumpe ned litt sement, deretter pumpe ned additiver, pumpe ned mer sement, enda mer additiver osv., og håpe at en akseptabel blanding skjer nede i hullet. Den førstnevnte prosedyre har den ulempe at et additiv som eksempelvis en akselerator eller et retarderingsmiddel vil begynne å virke så snart det får kontakt med sementen, og man vil aldri kunne være sikker på at den blandede sement vil nå ned til det ønskede området til riktig tid, slik at det foreligger en fare for tetning av rørstrengen 'dersom man har anslått for kort tid før sementen går inn i formasjonen. Tilsvarende vil man kunne få utilfredsstillende press-sementering dersom herdingen forsinkes og således skjer for lenge etter at sementen har fått kontakt med formasjonen. Den sistnevnte metodikk har også den ulempe at resultatet vil være usikkert, fordi., operatøren aldri vil ha positiv sikkerhet for at blandingen """ virkelig vil skje nede i hullet-og at man oppnår den ønskede binding geléring, herdetid etc. Som følge herav vil en opera-tør ha en tendens til å benytte en større andel additiver enn nødvendig, nettopp for å sikre at man oppnår den ønskede modifisering av sementens karakteristika. Dette er naturligvis forbundet med økede omkostninger, og det foreligger også en mulighet for at en for stor additivtilsetning vil blande seg med sementen og gi ønskede resultater.

Andre brønnoperasjoner, såsom fraksjonering, byr også på et antall problemer under utførelsen. Det vil av og til være ønskelig å kunne rette et høyttrykks-fraksjoneringsfluidum inn i en formasjon gjennom en rørstreng for å tilveiebringe den begynnende fraksjonering, og deretter, for å oppnå en adekvat volumstrømning for innføring av proppingsmidler i formasjonen, og foreta nedpumping i såvel rørstrengen som i det omgivende ringrom. Dette krever et eller annet ventil-arrangement umiddelbart over en pakning som benyttes for å isolere den sone som skal fraksjoneres, hvilket ventilarrange-ment er av mekanisk art og krever en eller annen manipulering av rørstrengen for å virke. Som følge herav foreligger det alltid en fare for operasjonssvikt. Andre velkjente brønn-behandlinger, såsom stimulering og surgjøring, krever også blanding av ulike komponenter for innføring i brønnen. Den anvendte blandingsmetodikk har de samme ulemper som nevnt foran i forbindelse med andre behandlinger, og i tillegg kommer at så godt som alle brønnbehandlingsoperasjoner som benyttes innbefatter en viss fare for personellet som følge av at det benyttes giftige fluidumkomponenter og også enkelte giftige reaksjonsprodukter, hvilket naturligvis særlig gjør seg gjeldende når blandingen skjer på overflaten'før innsprøyting.

Et forslag for å bøte'på i hvert fall noen av de ovennevnte mangler finner man i US patentskrift nr. 3 27 6 5 23.

Den ventilanordning som der beskrives innbefatter

et i hovedsaken sylindrisk hus med langs omkretsen avstandsplasserte åpninger. Flere fingerelementer ligger an mot

disse åpninger inne i huset. Når dif f erensial trykket over;,

.åpningene er større inne i huset vil fingerne presses over åpningen og tette dem. Er trykkforhoIdene omvendt vil fluidum-v trykket presse fingerne innover slik at fluidum kan strømme fra utsiden av huset, inn i anordningen og ned i hullet. Denne kjente anordning arbeider som en trykkreagerende ventil, men ••' har allikevel flere iboende mangler. Bruk av individuelle fingre øker faren for konstruksjonssvikt, hva enten fingerne er metallforsterket eller ikke, som følge av nedsliting og turbulens innvirkning. Fingerne påvirkes ikke bare av fluidet fra utsiden av huset, men presses også inn i hovedstrømmen ned gjennom løpet i huset.. Selv. om det'brukes en enhetlig del som omgir fingerne, slik tilfellet er i en alternativ ut-førelsesform, så er denne del utsatt for hovedstrømmen i løp-

et i huset. I tillegg kommer at dersom strømningsretningen reverseres og fluidum går oppover så vil tilbakestrømningen ha en tendens til å brekke fingerne opp i løpet, fordi det ikke finnes forsterkende motholdsorganer.

I motsetning til den forannevnte kjente anordning foreslås det ifølge, foreliggende oppfinnelse å benytte et ytre hus med langs omkretsen avstandsplasserte åpninger, hvilket hiis koaksialt omgir en sentral kjernedel hvorpå det er montert en, kopp-pakning, fortrinnsvis fremstilt av en elastomer. Kopp-pakningen er anordnet på nedstrømssiden av åpningene og når differensialtrykket er større i kjernedelens boring enn på utsiden av huset vil kopp-pakningens skjørt eller mansjetten presses mot innerveggen i huset og tilveiebringe en tetning.

Er trykket større på utsiden av huset enn inne i huset vil fluidum gå inn i verktøyet fra husets utside og inn i rør-strengen. Kopp-pakningen beskyttes mot slitasje og turbulent innvirkning ved at den er. montert rundt kjernedelen på oppstrøms-siden av der hvor strømmen gjennom kjernedelens løp eller boring går inn i blandekammeret. Kopp-pakningen faller sammen innover mot kjernedelen når trykket på utsiden av huset over-stiger trykket inne i rørstrengen, og derved gis kopp-pakningen en mekanisk støtte. Kopp-pakningen klapper sammen i en ringformet utsparing og vil således bringes ut av selve hovedstrømmen fra utsiden av huset. Dersom det er nødvendig å senke trykket i kjernedelens løp for å reversere strømmen^

i rørstrengen så vil fluidum gå inn i kjernedelen under kopp--, en, og går innover ved kjernedelens munning. Denne munningen • er fremstilt av metall. Under en sementering vil man normalt plassere additivene på utsiden av huset og føre sementen ned gjennom løpet i kjernedelen og øke trykket i ringrommet til-./, strekkelig til å innblande additivene.. På samme måte vil ■<*>fraksjoneringsfluidum kunne pumpes ned gjennom ringrommet for å øke strømningsvolumet så snart den begynnende fraksjoner- ;ing er oppnådd ved hjelp av en strømning gjennom rørstrengen. Additiver i forbindelse med fraksjoneringen kan innblandes ;på lignende måte som nevnt for.sementering.;Foran er det nevnt anvendelse i forbindelse med fraksjonering■og sementering. Den nye innretning kan naturligvis også med fordel benyttes ved tilsetting av additiver for surgjøring av en brønn, idet innføringen da skjer på lignende måte. Det samme gjelder for innføring av slamfjernings-blandinger, leirestabilisatorer, parafinstyringsreagenter, overflateaktive midler og mange andre blandinger som benyttes i forbindelse med fluiduminnsprøytingsprosesser. Fordelen ved blanding av giftige og reaktive kjemikalier under grunnen er at man oppnår større sikkerhet for personellet, samtidig som man også tar hensyn til miljøvernkrav etc. som idag stilles i forbindelse med håndtering av mer eller mindre giftige sub-stanser. ;Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det etter-følgende under henvisning til tegningne, hvor ;fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en blandeventil ifølge oppfinnelsen, anordnet i et brønnhull, med fluidum strømmende nedover i en rørstreng, ;fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom blandeventilen med kopp-pakningen klappet sammen under påvirkning av en strømning ned gjennom ringrommet mellom foringen og ;rørstrengen,;fig. 3 viser et lengdesnitt av blandeventilen;med en pakning og en .åpen sirkulasjonsventil i brønnboringen, hvorved fluidum sirjkulerer ned gjennom rørstrengen og inn i ringrommet, og ;fig. 4 viser et lengdesnitt som i fig. 3, men'med sirkulasjonsventilen lukket slik at fluidum strømmer ned så-." vel i rørstrengen som i ringrommet i brønnhullet.. ;Den i fig. 1 viste blandeventil 10 innbefatter;et muffelegeme 12 som er skrudd sammen med et sylindrisk hus 14 og en rørformet kjernedel 16. Huset 14 har over omkretsen-avstandsplasserte åpninger 18 i veggen. Muffen 12 og kjerne-, delen 16 har aksialt innrettede løp eller boringer 20 med hovedsakelig samme diameter. På utsiden av kjernedelen 16 ;er det utformet en skulder 22. En diffusornese 24 er skrudd på kjernedelen 16. Diffusornesen har et løp 26 hvis diameter øverst i hovedsaken er lik diameteren til løpet 20, men som har økende diameter nedover,' slik at det dannes en konisk utvidet åpning 28. Mellom kjernedelen 16 og huset 14 er det et ventilrom 30 som åpningene 18 står i forbindelse med. ;Under åpningene 18 er det en kopp-pakning 32 plassert på kjernedelen 16, med anlegg mot skulderen 22. Kopp-pakningen 32 er utformet med en øvre del,34 som ligger rundt og er festet til en pakningsring 35. Mellom kjernedelen 16 og pakningsringen 35 er det en fluidumtett forbindelse, tilveie-bragt ved hjelp av en O-ring-(unummerert). Kopp-pakningen 32 har videre en fleksibel skjørtdel eller mansjett 36. Kopp-pakningen 32 er fortrinnsvis tilformet av et elastomert materiale. Kopp-pakningen 3 2 holdes på kjernedelen 16 ved hjelp av diffusornesen 24, idet denne er utformet med et øvre part 38 med redusert ytterdiameter, etterfulgt av et nedre parti 40 med større diameter, og en innover avskrådd kant 42. Inne i huset 14 og under nesen 24 befinner blandekammeret 44 seg. Under blandekammeret 44 er det et nedre ventilløp 46, med mindre diameter enn blandekammeret. ;Blandeventilen kan naturligvis utføres på andre måter enn som vist i fig. 1. Eksempelvis kan man benytte en flerdobbelt kopp-pakning dersom man ønsker større paknings- ;sikkerhet. Isteden for som vist å bruke flere åpninger 13,;vil naturligvis en åpning i huset 14 kunne være tilstrekkelig. Muffen 12, huset 14 og kjernedelen 16 er vist som tre separate elementer som er skrudd sammen, men man kan naturligvis også utforme muffen 12 og kjernedelen 16 som en enhet, eller utforme muffen og huset som en enhet. Kopp-pakningen kan naturligvis' i,. anvendes uten bruk av pakningsringen 35, og blandekammeret kan også være kortere eller lengre enn vist. Istedenfor den . v viste kopp-pakning kan man naturligvis også benytte et pakningselement som monteres på husets innervegg og har en mansjett eller et skjørt som strkker seg innover mot kjernedelen.'' Et slikt pakningselement, fortrinnsvis utformet av en elastomer, vil reagere på trykkforskjeller på samme.måte som den . viste kopp-pakning, og kan settes inn i et ringspor i- huset, eller klemmes inn mellom sammenskrudde husdeler; ;I fig. 1 og 2 er blandeventilen 10 vist plassert;i et brønnhull 50. Brønnhullet er utforet med en foring 52,;og blandeventilen 10 er plassert inne i foringen 52 og inn-satt' som en del av en rørstreng hvis øvre del er betegnet med 54. Rørstrengens løp er betegnet med 56. Rørstrengens" nedre del er betegnet med 58 og løpet i den nedre del er betegnet med ;60. Under blandeventilen 10 er det anordnet en pakning 62;som utgjør en del av rørstrengen 58. Denne pakningen tetter rommet mellom foringen 52 og rørstrengen 58 og isolerer således ringrommet 64 over på pakningen 62 fra ringrommet 66 under pakningen 62. ;En egnet pakning som kan benyttes er- en pakning;som har betegnelsen CHAMP (reg.varemerkej II, og som er beskrevet på side 3475 i Halliburton Services Sales and Service Catalog number 40. Under pakningen 62 er det en ikke vist produksjons sone som fluidum kan pumpes inn i, eksempelvis ;for å tilveiebringe en fraksjonering, eller for andre be-handlingsformål . ;Som vist i fig. 1 kan fraksjoneringsfluidum;pumpes ned gjennom rørstrengens løp 56, gjennom blandeventilen 10 og inn i løpet 60 med tilstrekkelig trykk til å be- ;virke en fraksjonering. Ringrommet 64 er adskilt fra rør-strengens løp og fra blandekammeret 4 4 fordi trykket inne i ;blandeventilen 10 er så stort at det presser mansjetten 36;til kopp-pakningen 32 ut mot innerveggen i huset 14. Mellom kopp-pakningen 32 og kjernedelen 16 oppnås det som tidligere nevnt en tetning ved hjélp av en O-ring. Etterat den begynnende fraksjonering har funnet sted kan mer fluidum pumpes ned til formasjonen derved at man øker trykket i ringrommet 64,. Dette trykk vil da virke på kopp-pakningen 32 gjennom åpningene 18 i huset 14. Dette ekstra'1.fluidum kan naturligvis være et additiv eller det kan dreie seg om mer av samme fluidum som befinnerseg i rørstrengen, dersom man bare ønsker en øking av strømningsvolumet. Det økte trykk i ringrommet 64 bevirker.-at mansjetten 36 klapper sammen og går inn i ringutspåringen 38 på nesen 24. Fluidet kan da strømme ned' til blandekammeret 4 4 gjennom rommet 30, hvor fluidet vil møte fluidum som kommer fra det sentrale løp 20. De to fluidumstrømmer går så sammen videre ned i hullet. Denne koniske utforming av neseåpningen 28 bevirker en reduksjon av fluidumhastigheten ut i fra nesen 24, hvorved turgulensen reduseres. Tilsvarende skjer ved en redusering av erosjon som skyldes turbulens, særlig når fluidum fra utsiden av blandeventilen 10 presses ned gjennom ventilrommet 40 og til blandekammeret 44. Den skrå kanten ved enden av diffusornesen 24 er også beregnet til å dempe turbulensen ved overgangen fra ventilrommet 30 til blande-akmmeret 44. Mellon blandekammeret 44 og det nedre ventilløp 46 kan diameteren gradvis avta slik at man får en mer gradvis overgang, med tilhørende gradvis fluidumakselerering inn i løpet 60. Dersom det skulle være nødvendig å rense rør-strengen for fraksjoneringsfluidum etter at operasjonen er ferdig kan trykket i rørstrengens løp 56 reduseres og fluidum vil da bevege, seg ned i ringrommet 64, inn gjennom åpningene 18 og inn i ventilrommet 30, forbi kopp-pakningen 32, inn i løpet 36 og tilbake opp gjennom rørstrengen 54, ;i dennes løp 56.;Tilsettingen av. fluidum fra ringrommet 64 kan naturligvis også benyttes ved andre operasjoner, eksempelvis surgjøring, hvor blandeventilen plasseres relativt nært opp til overflaten og inhibitorer såvel som andre additiver blandes og deretter føres ned til den ønskede sone gjennom rørstrengen. På lignende måte kan slamfjernende fluider, overflateaktive midler etc. tilveiebringes under overflaten, med minimal fare, særlig giftfare, for operatøren. ;En to-trinns sementering, f.eks. for å stoppe saltinntrengning i. en brønn, kan også utføres. Et additiv som reagerer med saltet for dannelse av en gel kan pumpes*^ ned i ringrommet og gjennom blandeventilen, med rørstrengen avstengt ved overflaten, hvoretter man pumper en sement-blanding ned i rørstrengen for permanent avtetning av det gelerte salt.

Ønsker man et større anvendelesområde for blanding og sirkulasjon så kan blandeventilen 1.0 plasseres i en rør-streng som nevnt foran, men sammen med en pakning og sirkulasjonsventil, som vist skjematisk i fig. 3 og 4. En egnet pakning med tilhørende sirkulasjonsventil er betegnet med hne-holdsvis 70 og 72 og det kan her eksempelvis dreie seg om en pakning av type Halliburton RTTS Retrievable Test-Treat-Squeeze Packer som er beskrevet på sidene 3476 og 3477 i Halliburton Services Sales and Service Catalog number 40. Et slikt arrangement kan benyttes ved press-sementering idet sir-kulas jonsventilen benyttes for å plassere additiver i ringrommet 64 nær blandeventilen 10. Eksempelvis kan en bestemt mengde av en akselerator etterfulgt av et rent fluidum pumpes ned i rørstrengens løp 56, gjennom blandeventilen 10 og ut i ringrommet 64 gjennom den åpne sirkulasjonsventil 72, slik det er vist i fig. 3. Som følge av det hydristatiske trykk i rørstrengen under ventilen vil akseleratoren ikke bevege seg ned under sirkulasjonsventilen 72. Plasseres blandeventilen 10 umiddelbart over sirkulasjonsventilen vil akseleratoren snart stige opp til i høyde over åpningene 18, og vil holdes der som følge av at ringrommet 64 avstenges ved overflaten. Etter lukking av sirkulasjonsventilen 72 (fig.4) kan sement pumpes ned gjennom løpet 56 og til .blandeventilen 10, hvoretter trykket i ringrommet 6,4 økes og akseleratoren presses inn i ventilrommet 30 hvor- akseleratoren vil skyve til side pakningen 3 2 og gå inn i blandekammeret 44, hvor den naturlige turbulens gir en relativ jevn innblanding av additivet. Med foreliggende oppfinnelse oppnår man således

flere fordeler. Ikke bare kan man mer nøyaktig bestemme mengden av additivtilsettingen, men man får også forbedret tidsinnstilling med hensyn til herdingen, som følge av at blandingen skjer nede i hullet, i nærheten av pressområdet.

Mån oppnår også jevn sammenblanding av additiv og sement. Retardanter, geleringsmidler og andre additiver, som er nevnt foran, kan også- innblandes på samme fordelaktige måte. En to-trinns saltkontroll-sementering kan også utføres på denne . måten, dersom det ikke er nødvendig å drive formasjons-fluidene inn i formasjonen før geleringsmiddelet innføres,. Dersom det, som foran nevnt, er ønskelig å kunne foreta blandingen nær overflaten, kan dette enkelt oppnås ved at man.» bare beveger blandeventilen med tilhørende pakning og sirkulasjonsventil til et høyereliggende sted. Additiver kan også pumpes ned gjennom brønnens ringrom med sirkulasjonsventilen åpen, idet man da fyller ringrommet og pumper ekstra additiv ned i fra overflaten under selve sementeringen eller en annen operasjon som utføres, dersom det nødvendige additivvolum overskrider det ringromvolum som er tilgjengelig. Fluidet i ringrommet vil forskyves inn i rørstrengen under den begynnende ringromfylling.

Foran er foreliggende oppfinnelse beskrevet i forbindelse med visse foretrukne utførelser. Oppfinnelsen kan naturligvis modifiseres på flere måter som vil være selvfølgelige for fagmannen. Oppfinnelsen er derfor ikke begrenset til de spesielle konstruktive utførelser som er an-tydet og beskrevet. Blandeventilen er med hensyn til sin anvendelse heller ikke begrenset til bruk utelukkende innenfor petroleumindustrien. Over alt hvor man ønsker en blanding eller en tilsetting av to fluider, med trykkavhengig avstenging, kan man benytte en innretning som innbefatter den nye blandeventil.

Claims (18)

1. Blandeventil, karakterisert ved at den innbefatter en kjernedel med et gjennomgående løp, med hus rundt kjernedelen, med minst en åpning i veggen, og en tetningsinnretning mellom.kjernedelen og huset, hvilken tetningsinnretning reagerer på dif f erensialtrykk.

2. Blandeventil ifølge krav 1, karakterisert ved at tetningsinnretningen er anordnet i en avstand i ventilens lengderetning fra åpningen, eller åpningene.

3. Blandeventil ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at kjernedelen og huset er i hovedsaken^ sylindriske og koaksialt anordnet, med et mellomliggende ringrom.

4. Blandeventil ifølge krav 3, karakterisert ved •' at ringrommet er stengt på den siden av åpningen eller åpningene som vender fra ■ tetningensinnretningen.

5. Blandeventil ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at tetningsinnretningen innbefatter en første og en andre del, idet den første del danner et innfestingsparti og den andre delen danner et skjørt eller en mansjett.

6. Blandeventil ifølge krav 5, karakterisert ved atpakningsmansjetten, strekker seg radielt utover med en spiss vinkel i forhold til kjernedelens akse.

7. Blandeventil ifølge krav 6, karakterisert ved at tetningsmansjetten strekker seg aksielt vekk fra åpningen eller åpningene.

8. Blandeventil ifølge krav 7, karakterisert ved at pakningsmansjetten strekker seg radielt utover og at dens innfestingsdel er festet til kjernedelen.

9. Blandeventil ifølge et av kravene 5-8, karakterisert ved at i det minste pakningsmansjetten innbefatter en elastomer.

10. Blandeventil ifølge krav 1, karakterisert ved at tetningsinnretningen innbefatter en kopp-pakningsanordning.

11. Blandeventil ifølge krav 10, karakterisert ved athuset strekker seg aksialt forbi kjernedelen ved kopp-pakningen.

12. Blandeventil ifølge krav 11, k a r'a k t e r i s-e r t ved at huset er beregnet for tilknytning til et første rør ved en ende av ventilen, og at kjernedelen ér^ _ beregnet for tilknytning til et andre rør ved den motliggende-. ende av ventilen.

13. Verktøy beregnet for anbringelse i et brønnhull, karakterisert ved at det innbefatter .en koaksial kjernedel med omgivende hus, hvilken kjernedel har et gjejnomgående løp, i det et ringrom dannes mellom kjernedelen og huset, minst en åpning i husets vegg, og en fleksibel lukkeanordning anordnet i ringrommet.

14. Verktøy ifølge krav 13, karakterisert ved at den fleksible lukkeanordning er trykkresponderende.

15. Verktøy ifølge krav 13 eller 14 ,■ karakterisert ved at den fleksible lukkeanordning er plassert i en aksial avstand i fra åpningen eller' åpningene, og ved at huset og kjernedelen har tettende samvirke med hver-andre på motsatt side av åpningen eller åpningene i forhold til den nevnte forbindelse.

16. Verktøy ifølge krav 15, karakterisert ved at den fleksible lukkeanordning lukker i samsvar med et positivt trykkdifferensial på den siden av den fleksible lukkeanordning som er motliggende åpningen eller åpningene.

17. Verktøy ifølge krav 16, karakterisert ved at den fleksible lukkeanordning innbefatter en kopp-pakningsanordning.

18. Verktøy ifølge krav 17, karakterisert ved at den ikke forbundne ende av huset rager ut over den korresponderende ende av kjernedelen, og danner et blande-kammer.