NO834125L

NO834125L - Stempelstyrt sikkerhetsventil for broenner

Info

Publication number: NO834125L
Application number: NO834125A
Authority: NO
Inventors: Ronald Earl Pringle
Original assignee: Camco Inc
Priority date: 1983-02-03
Filing date: 1983-11-11
Publication date: 1984-08-06
Also published as: GB8332389D0; GB2134564A; US4444266A; FR2540550A1; GB2134564B

Description

Underjordisk brønnrør-sikkerhetsventiler blir brukt i brønner for å stenge av brønnfluidumstrømmen gjennom brønnrøret, hvilken ventil er forspent i en åpen stilling og blir lukket ved hjelp av et stempel som drives av hydraulisk styrefluidum som tilføres fra brønnoverflaten. Innretningene som forspenner ventilen i en stengt stilling må overkomme den hydrostatiske høyden i den hydrauliske styreledningen til stempelet. US-patent nr. 4.161.219 beskriver bruken av et eller flere stempler, med et lite tverrsnittsareal, som reduserer det hydrostatiske trykket i det hydrauliske styrefluidum. Dermed kan sikkerhetsventilen brukes ved større dybder i brønnen.

Ved å redusere stemplenes tverrsnittsarealer kan derfor de hydrostatiske trykkene reduseres. Reduksjon av styrestemplenes tverrsnittsarealer vil likevel øke kompresjonsbelastningen i stempelstengene og det kan medføre at stempelstengene bøyes eller knekkes, noe som dermed kan medføre at sikkerhetsventilen ikke fungerer.

Foreliggende oppfinnelse går ut på en stempeldrevet underjordisk rørsikkerhetsventil som gjør bruk av et stempel med lite areal for å redusere de hydrostatiske trykkene, men til-veiebringer også en konstruksjon som gjør det mulig fore styre-stemplene å oppta større totale belastninger, ved å la stempelstengene oppta strekkspenning istedenfor trykkspenning.

Foreliggende oppfinnelse går ut på en brønnrør-sikkerhetsventil som styrer fluidstrømmen gjennom et brønnrør og innbefatter et rørformet hus med en boring og en ventil-lukkeinnretning som beveger seg mellom åpen og lukket stilling for å stenge fluidum-strømmen gjennom boringen. En langsgående rørformet del beveger seg teleskopisk i huset, koaksialt med boringen for å styre ventil-lukkeinnretningens bevegelse. Forspenningsinnretningene forspenner den rørformede delen i en første stilling for at ventil-lukkeinnretningen skal bevege seg til stengt stilling. Foreliggende oppfinnelse går ut på å for-bedre innretningene som flytter den rørformede delen til en andre stilling for å åpne ventil-lukkeinnretningen og innbefatter minst et teleskopisk bevegelig stempel, i huset, som har forbindelse med hydraulisk fluidum som går gjennom brønnoverflaten for å aktivisere delen til den andre stilling, slik at ventildelen åpner. Stempelet har et lite tverrsnittsareal for å redusere det hydrostatiske trykket i hydraulikk-fluidet som virker på stempelet. Stempelet innbefatter en stempelstang som forløper oppover fra stempelet og har forbindelse med en rørformet del. Hydraulikkfluidum opptrer mot stempelstangen og stempelet, slik at disse oppnår strekkspenning, for at den rørformede delen skal beveges over i åpen stilling. Dette medfører at stempelstangen og stempelet kan oppta større belastninger enn om de må oppta trykkspenn-inger .

Et ytterligere trekk med den foreliggende oppfinnelsen er at forbindelsen mellom stempelstengene og den rørformede delen innbefatter minst en teleskopisk bevegelig langstrakt del,

med et større tverrsnittsareal enn stempelstangen, og den teleskopiske delen er festet mellom stempelstangen og den rørformede delen. Den langstrakte delen blir trykkutlignet i forhold til både det hydrauliske fluidum og trykkrørledningen i boringen, hvorved den forlengede delen kan ha et tilstrekkelig areal for å stå i mot kompresjonsbelastningene, men blir ikke påvirket av det hydrauliske styrefluidum eller trykket i røret.

Et ytterligere trekk med den foreliggende oppfinnelse er at

den forlengede delen innbefatter et stempel i hver ende og et hull som forløper gjennom den forlengede delen for å utligne det hydrauliske styrefluidum som virker på den forlengede delen og denne delen er utsatt for trykket i røret, mellom den forlengede delens stempler, for dermed å utligne trykket i røret på den forlengede delen.

Et ytterligere trekk med den foreliggende oppfinnelse er

å tilveiebringe en stoppeinnretning på stempelet, på den siden som ligger lengst fra den oppover forløpende stempelstangen, for å hindre kompresjonsbelastning på stempelet og stempel-

stangen i det tilfelle rørtrykket er større enn trykket i det hydrauliske styrefluidum.

Enda et ytterligere trekk med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en dødgang-forbindelse mellom stemepelstangen og den forlengede delen, for å hindre kompresjonsbelastning på stempelstangen'mens ventilen stenger, men vil fremdeles tillate at stemeplet og stempelstangen hjelper til å lukke ventilen i det tilfelle den rørformede delen sitter fast.

Andre og ytterligere trekk, egenskaper og fordeler vil være åpenbare ut fra den følgende beskrivelse og ut fra de vedlagte tegninger av en foretrukken versjon av oppfinnelsen.

Fig. IA, IB og 1C er videreføringer av hverande og er side-tverrsnitt, delvis utsnitt, av sikkerhetsventilen i

den foreliggende oppfinnelse, vist i åpen stilling, fig. 2 er et tverrsnitt langs linjen 2-2 i fig. IA,

fig. 3 er et tverrsnitt langs linjen 3-3 i fig. IA,

fig. 4A, 4B og 4C er videreføringer av hverandre og er like med figurene IA, IB og 1C, men viser sikkerhetsventilen i den foreliggende oppfinnelsen i stengt stilling.

Ettersom den foreliggende forbedringen av en underjordisk brønnrør-sikkerhetsventil vil bli vist, kun som illustrasjons-formål, innbefattet i en gjenvinnbar rør klaff-type sikkerhetsventil, vil det være underforstått at den foreliggende oppfinnelsen kan brukes i andre typer sikkerhetsventiler og i sikkerhetsventiler med forskjellige typer ventil-lukkeelementer. Ved henvisning til tegningene, og særlig til fig. IA, IB og 1C, er den underjordiske sikkerhetsventilen i den foreliggende oppfinnelsen generelt vist med henvisnings-tallet 10 og er vist som en ikke-gjenvinnbar type som kan koples til en brønnledning eller et brønnrør 11 slik som ved en gjenget muffe 12 i den ene ende og ,en gjenget tapp (ikke vist) i den andre enden for å kople sikkerhetsventilen

10 direkte til røret 11 i en olje- og/eller gassbrønn. Sikkerhetsventilen 10 innbefatter generelt en hoveddel eller

et hus 12, tilpasset for tilkopling i et brønnrør slik at den danner en del av dette og samtidig tillate brønnproduksjon gjennom denne under normale driftsforhold, men i hvilke brønn-rør sikkerhetsventilen 10 kan lukke eller bli lukket som reak-sjon på unormale forhold som kan fremkomme når brønnen over-produserer, ved ukontrollerte utblåsninger eller i det tilfellet det forekommer feil på brønnutstyret.

Sikkerhetsventilen 10 innbefatter generelt en boring 14, et sirkelformet ventilsete 16 (figur 1C), plassert rundt boringen 14, et ventil lukkeelement så som en klappventil 18 montert til hoveddelen 12 ved hjelp av en svingbolt 20. Når klaffen 18 er i øvre stilling, og ligger an mot ventilsetet 16 (figur 4C) er sikkerhetsventilen 10 lukket og hindrer dermed opp-gående strømning gjennom boringen 14 og brønnrøret 11. Et bevegelig rør eller rørformet del 22 er teleskopisk bevegelig i huset 12 og gjennom ventilsetet 16.

Som det best fremkommer i figur 1C, når den rørformede delen

22 er flyttet til en nedre stilling, presser delen 22 klaffen 18 bort fra ventilsetet 16. Ventilen 10 blir dermed holdt oppe i åpen stilling så lenge det bevegelige røret 22 er i sin nedre stilling. Når delen 22 beveges oppover tillates det at klaffen 18 beveges opp til setet 16 ved hjelp av inn-virkning av en fjær 24 og også ved hjelp av fluidumstrømmen som strømmer oppover gjennom boringen 14 i huset 12.

Forskjellige krefter kan tilveiebringes slik at de opptrer

på den rørformede delen 22 for å styre dens bevegelse, slik at den rørformede delen 22 under driftsforhold vil bli i sin nedre posisjon og holde klaffen 18 borte fra og av ventilsetet 16, slik at ventil 10 forblir åpen. Når unormale forhold opp-står vil den rørformede delen 22 bli flyttet oppover og tillate

at klaffen 18 lukker for å stenge av strømmen gjennom ventilen 10 og brønnrøret 11. Forspennings innretninger, så som en fjær 26 eller et kammer under trykk (ikke vist) kan dermed opptre mellom en skulder 28 på ventilens hoveddel 12 og en skulder 30 forbundet med den rørformede delen 22 for å gi den rørformede delen et ettergivende press i en oppadgående retning for å frigjøre klaffen 18, slik at denne lukker ventilen 10.

Sikkerhetsventilen 10 blir styrt ved å anvende eller overføre fluidum under trykk, så som hydraulisk styrefluidum, gjennom en styreføring eller ledning, så som styreledningen 32 som forløper opp til brønnoverflaten eller foringsringen (ikke vist) som forsyner et stempel med hydraulisk styrefluidum under trykk (dette vil beskrives i detalj) som igjen virker på den rørformede delen 22. Den rørformede delen 22 beveges nedover for å tvinge plassen 18 av ventilsetet 16 og til helt åpen stilling.

Hvis fluidum-styretrykket i ledningen 32 reduseres tilstrekkelig i forhold til kreftene som presser den rørformede delen 22 oppover, vil den rørformede delen 22 beveges oppover forbi setet 16 og tillate at klaffen 18 tvinger opp og lukker setet 16.

Beskrivelsen ovenfor av en rørsikkerhetsventil er generelt kjent. Likevel skal det bemerkes at sikkerhetsventilen 10 vil bli anbragt nede i et brønnhull og styreledningen 32 vil bli fylt med et hydraulisk fluidum som hele tiden utøver en nedad-gående kraft på et styrestempel i ventilen 10, uavhengig av om enten styretrykket utøves eller fjernes fra styreledningen 32 på grunn av det hydrostatiske trykket i styreledningen 32. Dette betyr at de oppadvirkende for spenningskreftene må være store nok til å overvinne de hydrostatiske trykk-kreftene som eksisterer i styreledningen 32. Dette vil dermed gi en be-grensning på hvor dypt sikkerhetsventilen 10 kan plasseres i en brønn. Sikkerhetsventilen i US-patent 4,161,219 tilveie-bringer én eller flere typer stangstempler med små tverrsnitt-arealer som reduserer fluidumets hydrostatiske krefter i styreledningen 32 og sikkerhetsventilen er dermed operabel ved større dybder. Imidlertid må tverrsnittarealet av tidligere kjente stempler være tilstrekkelige store til å stå imot de opptredende trykk-kreftene ellers vil de bli bøyd eller knekke og dermed medføre at sikkerhetsventilen ikke fungerer. For å kunne stå imot trykklasten er derfor tidligere kjente stempler begrenset med hensyn til hvor dypt de kan opereres, på grunn av de forlagte størrelser som er nødvendig for å motstå de kreftene som utøves på dem.

Den foreliggende oppfinnelse er rettet mot en forbedring av betjeningen av den rørformede delen 22, ved å anvende ett eller flere styrestempler som opererer med strekk, istedenfor trykk. Det er dermed mulig for stemplene å stå imot større krefter og ennå frembringe et lite tverrsnittsareal for å redusere hydrostatisk belastning. Ved å henvise til figurene IA og 2, tilveiebringes ett eller flere, helst to, sirkulære stenger 36 med en passende tetning som danner et stempel 40, som er teleskopisk bevegelig inne i en sylinder 42 i huset 12 på utsiden av den rørformede delen 22. Stemplene 40 er i forbindelse med hydraulikkfluidum i styreledningen 32 som strekker seg opp til brønnoverflaten slik at stemplene 40

kan aktiviseres nedover. I tillegg er de andre sidene av stemplene 40 utsatt for fluidumtrykk i boringen 14 i huset 12, som er trykket i røret 11, hvilket trykk opptrer mot stemplene 40 i en retning som har en tendens til å bevege stemplene 40 oppover. Stemplene har et lite tverrsnittsareal for å redusere de hydrostatiske kreftene av det hydrauliske fluidum som opptrer i styreledningen 32. Et viktig trekk i den foreliggende oppfinnelse er at stangen 36 strekker seg oppover fra stempelet 40 for å tilveiebringe en forbindelse med den rør-formede delen 22. Når trykket derfor utøves i styreledningen 30 opptrer styrehydraulikk-fluidum på stemplene 40 for at

stempelstengene 36 skal operere med strekk og man unngår dermed trykkbelastning på stempelstengene 36 og stempelstengene 36 kan dermed oppta større belastning. Dette gjør igjen at tverrsnittsarealet av stempelstengene 36 og stemplene 40 kan minimaliseres og medfører dermed at sikkerhetsventilen 10 kan bringes ned til mye større dyp enn tidligere kjente sikkerhetsventiler. For eksempel i en utgave av en sikkerhetsventil 10 med en størrelse på 89 mm er tverrsnittsarealet av de to

2

stemplene 40 lik 63,2 mm .

Det er å foretrekke at forbindelsen mellom stempelstengene

36 og den rørformede delen 22 omfatter en sirkulær ring 44 som er teleskopisk bevegelig i huset 12. Det er å foretrekke at forbindelsen mellom stempelstengene 36 og ringene 44 er en dødgang-forbindelse, slik at henholdsvis første og andre stopper 46 og 48 har forbindelse med stempelstengene 36 for samvirke med ringen 44 idet stempelstengene 36 beveger seg henholdsvis nedover og oppover. Når stempelet 40 beveger seg nedover på grunn av trykket fra styreledningen 32 får stopperen 46 samvirke med ringen 44 og beveger den nedover for å sette den rørformede delen 22 i bevegelse, noe som vil bli ytterligere beskrevet nedenfor. Den nedre stopperen 48 berører kun ringen 44, noe som vil bli beskrevet ytterligere nedenfor, for å assistere ved åpningen av sikkerhetsventilen 10 i det tilfelle den rørformede delen sitter fast under åpningsbevegelsen.

Ved å henvise til figurene IA og IB, tilveiebringes en eller flere forlengede deler 50 som er teleskopisk bevegelig i huset 12 og hvor én ende er festet til ringen 44 og som igjen har forbindelse med strømningsrøret 22 slik som ved et kop-lingsstykke 51, hvorved delene 50 beveges med strømningsrøret 22. De forlengede delene 50 er trykkutlignet i forhold til både det hydrauliske styrefluidum fra ledningen 32 og også med hensyn til rørtrykket i boringen 14 i huset 12. Det skal også bemerkes at de forlengede delene 50 har et større tverr snittsareal enn stempelstengene 36 og er derfor i stand til å motstå høyere trykkbelastning. På grunn av at de forlengede delene 50 er trykkutlignet har det hydrauliske styrefluidum og rørtrykket ikke noen virkning på de forlengede delenes bevegelse. Hver del 50 omfatter tetninger 52 og 54 som danner stempler i hver ende. Delene 50 omfatter også et hull 56 som har forbindelse med det hydrauliske styrefluidum fra ledningen 32, hvilke ledning 32 forløper hele veien gjennom delene 50, hvorved det hydrauliske styrefluidum utøver like og motsatte krefter på stemplene 52 og 54.

På samme måte strømmer rørtrykket i boringen 14 i huset 12 rundt den rørformede delen 22 og blir liggende mot utsiden av de forlengede delene 50 og utøver like og motsatte krefter på stemplene 52 og 54.

I tillegg tilveiebringes en stempelstang-forlengelse 60 som forløper nedover fra hvert stempel 40 og omfatter en stopper 60 som har samvirke med en skulder 64 (figur 4A) når ventilen

10 beveges til helt åpen stilling. Dette sikrer at stempelstangen 36 ikke vil bli utsatt for en trykkbelastning når sikkerhetsventilen 10 er åpen og rørtrykket i boringen 14 er større enn trykket i det hydrauliske styrefluidum i ledningen 32. Ved drift, når det hydrauliske styrefluidum i styreledningen 32 blir presset opp, beveger stemplene 40 seg nedover og stopperen 46 får samvirke med ringen 44, og de forlengede delene 50 bringes nedover og beveger den rørformede delen 22 nedover gjennom klaffen 18, og åpner sikkerhetsventilen 10. Stempelstengene 36 opererer med strekk og kan derfor være små nok til å minimalisere virkningen av hydrauliske fluidum-krefter. På den annen side er de forlengede delene 50 laget større og sterke nok til å oppta trykkspenning, men er trykkutlignet og er ikke påvirket av de hydrostatiske kreftene i styreledningen 32.

Når det er ønskelig å åpne ventilen 10, best vist i figurene 4A, 4B og 4C, blir trykket i styreledningen 32 utløst og forspenningsinnretningene, så som fjæren 26, beveger den rør-formede delen 22 oppover, hvilke igjen beveger de forlengede delene 50 oppover og dette medfører at ringen 44 får inngrep med stopperene 46 og bringer stemplene 40 oppover og klaffen 18 lukkes. I figur 4A skal det bemerkes at ringen 44 bunner mot en skulder 66 i huset 12, men stopperene 62 på stempelstengene 60 får samvirke med skulderen 64 i huset 12 for å skille stopperen 48 fra bunnen av ringen 44 og dermed hindre at rørtrykket i boringen 14 gir en trykkbelastning på det lille arealet av stempelstangen 36.

Likevel i det tilfellet der den rørformede delen 22 setter seg fast i huset 12 og ikke kan beveges til lukket stilling ved hjelp av forspenningsfjæren 26, vil rørtrykket i boringen 14

i huset 12, som vender mot bunnen av stemplene 40 opptre på stemplene 40, slik at stempelstengene 36 beveger seg oppover og dermed vil stopperene 48 få samvirke med ringen 44 og hjelpe forspenningsfjæren 26 med å bevege den rørformede delen 22 oppover for å åpne ventilen. Ettersom denne prosessen uønsket setter stempelstengene 36 under en trykkbelastning, er dette ikke et normalt driftsfenomen for sikkerhetsventilen 10, men brukes kun for å hindre at ventilen setter seg fast i åpen stilling.

Claims

1. I en brønnrør-sikkerhetsventil for styring av fluidum-strømmen gjennom et brønnrør omfatter et rørformet hus med en boring i og en ventil-lukkedel som beveger seg mellom åpen og lukket stilling for styring av fluidumstrømmen gjennom boringen, en lang rørformet del som er teleskopisk bevegelig i huset, koaksialt med boringen for styring av ventil-lukkedelens bevegelse, innretninger for forspenning av den rørformede delen i en første retning for å bevirke at ventil-lukkedelen beveges til den lukkede stilling, forbedringen av innretningene som beveger den rørformede delen i en andre retning for åpning av ventil-lukkedelen, karakterisert ved at minst ett stempel er teleskopisk bevegelig inne i og har sin langsgående akse inne i huset og på utsiden av den rørformede delen, nevnte stempel har forbindelse med det hydrauliske fluidum som går opp til brønnoverflaten for å bevirke at nevnte del beveges i den andre retning for å åpne nevnte ventildel og stempelet har et lite tverrsnittsareal for å redusere den hydrostatiske kraft-en av det hydrauliske fluidum som opptrer på stempelet, nevnte stempel har en stempelstang som forløper oppover fra stempelet for forbindelse med den rørformede delen, hvorved stempelstangen og stempelet opptrer med strekk med det hydrauliske fluidum til å bevege den rørformede delen til åpen stilling og dermed kan det tillates at stempelstangen og stempelet opptar større be lastninger .

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at forbindelsen mellom stempelstangen og den rørformede delen innbefatter minst én teleskopisk bevegelig forlenget del, med et større tverrsnittsareal enn stempelstangen og den forlengede delen er forbundet mellom stempelstangen og nevnte rør-formede del, og nevnte forlengede del er trykkutlignet i forhold til både det hydrauliske fluidum og rørtrykket i boringen.

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at den forlengede delen innbefatter et stempel i hver ende og et hull som forløper gjennom den forlengede delen for å utligne det hydrauliske fluidum og nevnte del som vender mot rørtrykket mellom den forlengede delens stempler for å utligne rørtrykket.

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen innbefatter stoppeinnretninger på nevnte stempel, som ligger lengst fra den oppover forløpende stempelstangen, for å hindre trykkbelastning på stempelet og stempelstangen i tilfelle rørtrykket er større enn trykket av det hydrauliske fluidum.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at forbindelsen med den oppoverrettede stempelstangen, til den rørformede delen, innbefatter en dødgang-forbindelse.

6. En brønnrør-sikkerhetsventil for styring av fluidum-strømmen gjennom et brønnrør innbefatter et rørformet hus med en boring og en ventil-lukkedel som beveges mellom åpen og lukket stilling, for styring av fluidumstrømmen gjennom boringen, en lang rørformet del som er teleskopisk bevegelig i huset koaksialt med boringen for styring av ventil-lukkedelens bevegelse, innretninger for forspenning av den rørformede delen i en første retning for å bevirke at ventil-lukkedelen beveges til en lukket stilling, forbedring av innretningene som beveger den rørformede delen i en annen retning for åpning av ventil-lukkedelen, karakterisert ved at minst ett stempel er teleskopisk bevegelig i huset, at en side av stempelet har forbindelse med det hydrauliske fluidum som når opp til brønnoverflaten for å påvirke den nevnte delen i en andre stilling for å åpne nevnte ventil-lukkedel, at den andre siden av stempelet som vender mot fluidtrykket i rørtrykk-ventil-huset har en tilbøyelighet til å bevege stempelet i den første retningen, at nevnte stempel har et lite tverrsnittsareal for å redusere den hydrauliske belastning fra det hydrauliske fluidum som opptrer på stempelet, at nevnte stempel har en stempelstang som forløper oppover fra stempelet for forbindelse til den rørformede delen, hvorved stempelstangen og stempelet opptrer med strekk og med det hydrauliske fluidum til å bevege den rørformede delen til den åpne stilling, at minst én teleskopisk bevegelig forlenget del har et større tverrsnittsareal enn stempelstangen og at den forlengede delen er forbundet mellom stempelstangen og nevnte rørformede del, en dødgang-forbindelse mellom stempelstangen og nevnte forlengede del, at nevnte forlengede del trykkutlignes i forhold til både det hydrauliske fluidum og rørtrykket i boringen i huset, og stoppeinnretninger på stempelet, på den siden som ligger lengst fra den oppover forløpende stempelstangen, for å hindre at stempelet og stempelstangen utsettes for trykkbelastning i det tilfellet rørtrykket er større enn trykket av det hydrauliske fluidum.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at den forlengede delen innbefatter et stempel i hver ende og et hull som forløper gjennom den forlengede delen for ) å utligne det hydrauliske fluidum og nevnte forlengede del som vender mot rørtrykket mellom den forlengede delens stempler for å utligne rørtrykket.