NO177285B - Reguleringsventil for vanninnspröyting - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en ventil for å regulering av trykket i et strømmende fluid, ifølge kravinnledningen.

Under produksjon av råolje og gass er det ofte ønskelig å sprøyte vann inn i undergrunnsf ormas j onene i en inn-sprøytingsbrønn. Vann beveger seg gjennom formasjonen og forskyver råolje som befinner seg der mot en produksjonsbrønn. Vann som sprøytes inn i undergrunnsf ormas j onen er i det typiske tilfelle vann som er blitt produsert i forbindelse med råolje i nærheten av innsprøytingsbrønnen. Vannet blir adskilt fra råoljen og pumpet til et antall innsprøytingsbrønner fra en sentral pumpestasjon. I andre tilfeller benytter man sjøvann. I et typisk produsert vanninnsprøytingssystem, genererer pumpene trykk på 300 kg/cm<2> eller mer.

Visse innsprøytingsbrønner vil tilpasse seg det innsprøytede vann bedre enn andre. Dette skjer av forskjellige grunner, for eksempel variasjoner i porøsiteten til undergrunns-formasjonen. Vann strømmer naturligvis lettere inn i brønner som gir mindre motstand mot strømmen. Det er imidlertid ofte ønskelig å dirigere større kvanta av vann inn i brønner som genererer større motstand mot strømningen. Derfor er det nødvendig å begrense strømmen inn i mange innsprøytingsbrønner. Dette er vanligvis gjort ved hjelp av forskjellige strupeventiler.

De vanligst brukte strupeventiler for vanninn-sprøytingsbrønner er slike som "Gray PBS Adjustable Choke", fremstilt av Gray Tool Company. Se også US 4 444 220. Denne type ventil benytter en vertikal, hul overdel med et innløp som er orientert i rett vinkel med hoveddelen. En spiss-enhet heves og senkes inne i hoveddelen for å blokkere eller begrense fluid-strømmen fra innløpet. Denne type ventil har oppfinneren funnet å være utsatt for mange feil, for et antall grunner. For det første er ventilen konstruert slik at den hurtige strømningen gjennom anordningen blir tvunget til å snu 90° ved innløpet. Det høye trykk og de store strømningshastighetene resulterer i slitasje på spissen, vibrasjon, og til slutt fullstendig atskillelse av spissen. Dette problem er spesielt alvorlig i strupeventiler som brukes i vanninnsprøytingsbrønner på grunn av (a) at vannet ofte inneholder sedimenter o.l. som øker slitasje på spissen, og (b) ekstremt høye trykkfall (i størrelsesordenen 200 kg/cm<2> eller mer) ofte forekommer, og resulterer i meget høye fluidhastigheter. Ytterligere problemer med denne type ventil er et resultat av bruken av pakningsmateriale (for å isolere stammer som benyttes til å heve og senke spissen fra de ytre omgivelser).

Videre har disse ventiler ofte mange deler, og dermed et komplisert system som er utsatt for feil. F eks blir et sete skrudd inn i ventilens hoveddel for å komme i kontakt med spissen for tetningsformål. Man har funnet at gjengene på denne tetning blir løse (igjen på grunn av de ekstreme forhold som det indre av ventilen blir utsatt for) og raskt eroderer/korroderer til det punkt hvor setet blir ubrukelig eller feiler. Dette problem er spesielt vanskelig på grunn av at setet er vanskelig å komme til, hvilket resulterer i en høy kostnad for reparasjon/utskifting. I alminnelighet vil mange typer av innvendige gjengede forbindelser i en strupeventil være utsatt for feil på grunn av erosjon og korrosjon.

Ventiler har vært foreslått for styring av fluida i andre anvendelser. US 1 925 531 beskriver f eks en ventil i hvilken et glidbart stempel 15 er installert i et sylinderformet ventilhus A. Det glidbare stempel styrer strømningen av fluid ved å gli rundt radielt monterte innløpsporter 4 i et hus. Det er åpenbart at fluid som strømmer gjennom ventilen ville ha høy hastighet og endre retning i eller nær porter eller kanter såsom på innløpsportene. Videre, når ventilen blir strupet, vil kantene på den glidende hylse bli utsatt for alvorlig erosjon/kor-rosjons -virkninger . Disse kombinerte virkninger ville resultere i feil på ventilen etter en kort tid.

Andre typer av ventiler med glidende hylser er foreslått (f eks US 2 676 611). I alle disse situasjonene har man funnet at en utsatt kant på hylsene og/eller en annen del av ventilen som er nødvendig for korrekt tetning blir utsatt for alvorlig erosjon/korrosjon-virkninger på grunn av sin utsatte tilstand. Andre ulemper ligger i bruken av et komplisert apparat som er utsatt for feil, og bruken av innskrudde fittings i ventilen. Det er derfor ønskelig å frembringe en strupeventil som er enklere i konstruksjon, og gir bedre pålitelighet og lettere service. Videre er det ønskelig å frembringe en ventil som ikke trenger innvendig gjengede forbindelser. Det er videre ønskelig å frembringe en strupeventil som minimaliserer antallet ganger én væskestrøm må endre retning, og som ikke forårsaker at væsken endrer retning ved en port eller utsatt innvendig kant. Det er ytterligere ønskelig å frembringe en ventil som ikke krever pakningsmateriale for å isolere fluid inne i ventilen.

En styreanordning er beskrevet i FR 1 588 442. Anordningen er innrettet for stempler med store kvanta som strømmer gjennom under høyt trykk og med stor hastighet. Den beskrevne styreanordning gir små tap. Foreliggende oppfinnelse angår imidlertid en ventil for reduksjon av trykket i et høytrykksfluid og er innrettet især for struping av en vannstrøm for vann-injeksjon i brønner for råoljeproduksjon.

En ventil for å redusere trykket av vann for inn-sprøyting inn i en petroleumsf ormas jon er beskrevet. Ventilen har en hul, langstrakt sylindrisk hoveddel med en horisontal akse, en sylinderformet glidende hylsedel er innrettet til å passe inne i hoveddelen i et nært tilpasset forhold med denne, den nevnte glidende hylse har en åpning langs sin lengdeakse, og denne åpning har et innsnevret område, en plugg med en front som vil i det vesentlige passe sammen med den nevnte innsnevring når denne del blir presset mot pluggen, og videre bestående av en første strømningspassasje, orientert for å ha sin akse i hovedsak parallelt med den nevnte horisontale akse, hvor den nevnte pluggdelen er festet til hoveddelen ved en første ende, en glidende tetningshylse montert på en annen ende av hoveddelen, der den nevnte tetningshylse har en annen strømningspassasje, hoveddelen, pluggen og den glidende hylse danner et første trykkstyrekammer, hoveddedelen, den nevnte glidende tetningshylse og den nevnte glidende hylse dannet et annet trykkstyrekammer og en anordning for selektivt å heve og senke trykket i det nevnte første og andre trykkstyrekammer slik at den innsnevrede del kan bli selektivt beveget langs den nevnte horisontale akse og mot den nevnte pluggdelen for å tette den første strømningspassasje.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor figur 1 viser et prosess-strømningsdiagram som viser strømmen av produsert vann i et oljefelt, figur 2 viser et tverrsnitt av ventilen sett fra siden, i åpen stilling, figur 3 viser et tverrsnitt av ventilen sett fra siden, i lukket stilling, figur 4 viser et tverrsnitt av ventilen sett forfra, langs A-A', figur 5 viser et isometrisk riss av

ventilen, delvis i utsnitt, i halvåpen stilling.

Figur 1 viser det miljø i hvilket den foreliggende oppfinnelse er best egnet. Råolje og vann blir produsert fra produksjonsbrønnen 1, og blir skilt i separatorutstyret 2. Produsert vann fra separatorutstyret blir satt under trykk ved innsprøyting i pumpen 3 som kan være en sentrifugalpumpe eller annen type pumpe som er kjent i teknikken. Produsert vann blir så pumpet til en eller flere produksjonsbrønner 4. For å regulere strømmen av produsert vann inn i innsprøytingsbrønnene, blir strupeventiler 5 benyttet til å begrense strømmen av produsert vann. Det kan også være mulig å benytte sjøvann istedenfor produsert vann. Isolasjonsventilen 21 kan også bli anordnet. Figur 2 og 3 viser strupeventilen i tverrsnitt sett fra siden, hhv i åpen og lukket stilling. Figur 4 viser ventilen langs snittlinjen A-A', og figur 5 viser ventilen i et isometrisk riss i åpen stilling. Ventilen har en generelt sylinderformet overdel 10 som inneholder en åpning. For å lette forklaringen henviser man her til ventilens oppstrømsende og nedstrømsende. Oppstrømsenden betyr i alminnelighet innløpssiden til ventilen og nedstrømsenden betyr i alminnelighet utløpet fra ventilen. Hoveddelen har flenser 8 og 9 ved hhv oppstrøms- og nedstrøms-enden .

Oppstrømsenden på hoveddelen 10 er montert ved hjelp av en flens 8 og en glidende tetningshylseanordning 11. Innsiden av tetningshylsen 11 er sylindrisk i form, ved en utvidelse på nedstrømsenden. Utvidelsen danner et ringformet rom 22 med hoveddelen 10 og den glidende hylse 12. Utvidelsen av den glidende tetningshylseanordning 11 er utvidet mot sin nedstrøms-ende. Den glidende tetningsanordning 11 er forbundet med hoveddelen 10 og inntaksrøret 6 oppstrøms ved hjelp av flenser og bolter av velkjent type.

Den glidende hylse 12 er generelt i form av en sylinder og er innrettet til å passe inne i hoveddelen 10. Det indre av den glidende hylse har en innsnevret del 14 som (fra oppstrøms-enden) konvergerer og deretter divergerer i en myk kurve. Pluggen 15 er montert på hoveddelen 10 på dens nedstrømsende ved flenser e.l. Pluggen 15 er generelt boss- eller konisk formet og inneholder en eller flere strømningspassasjer 16. Strømningspas-sasjene 16 er generelt parallelle med ventilens horisontale akse. Pluggen 15 og hoveddelen 10 er flenset til reduksjonsdelen 17 som konvergerer mot uttaksrøret 7 nedstrøms.

Pluggen 15, hoveddelen og den glidende hylse 12 danner et ringrom 13. Ringrommene 22 og 12 omfatter strømningspassasjer, hhv 18 og 19. Strømningspassasjene 18 og 19 er i sin tur forbundet med en anordning for selektivt å tilføre hydraulisk trykk 20.

Det kan også være nødvendig å installere pakninger (ikke vist), av en type som er vel kjent blant fagfolk på området, ved ett eller flere steder i ventilen. Pakning kan f eks være nødvendig mellom den glidende hylse og den glidende tetningsanordning, mellom pluggen og den glidende hylse, mellom den glidende hylse og hoveddelen, og mellom de forskjellige flenser.

I drift blir trykk tilført det produserte vann ved hjelp av pumpen 3. I fravær av noen aksjon fra anordningen for å tilføre hydraulisk trykk 20, strømmer en liten mengde vann ut av ventilen. Trykk som tilføres oppstrømssiden av den innsnevrede del 14 vil imidlertid bevege den glidende hylse 12 oppstrøms i huset 10. Ventilen er derfor en "fail safe" ventil i den forstand at den automatisk vil lukke seg, f eks hvis en anordning for selektiv tilføring av trykk 20 feiler. En anordning for selektiv tilføring av trykk 20 kan f eks være en pumpe.

Når det er ønskelig å lukke ventilen, kan trykk bli tilført ringrommet 22 med anordningen 20, eller utløst i ringrommet 13. Dette vil tvinge den glidende hylse mot pluggen 15, og dermed stoppe strømmen av vann. Når det er ønskelig å tillate strøm av vann gjennom ventilen, blir trykket i ringrommet 22 redusert og/eller trykket i ringrommet 13 blir relativt øket. Dette har den effekt at den glidende hylse 12 tvinges bort fra pluggen 15, og dermed tillater strøm av vann som vist på figur 2. Strømmen av vann blir styrt ved å øke eller redusere trykket i ringrommene 13 og 22, og dermed øke eller redusere rommet mellom den innsnevrede del 14 i glidehylsen 12, og pluggen 15. Væsken i rommene 22 og 13 kan være olje, hydraulisk fluid eller produsert vann som er fjernet fra strømningslinjen. Trykket skal fortrinnsvis tilføres med en sentrifugalpumpe.

Ventilen bør konstrueres av et materiale som stål, rustfritt stål e.l.

Fordelene med anordningen ifølge oppfinnelsen blir åpenbare ved gjennomgåelse av de tilhørende figurer. Man kan se at oppfinnelsen frembringer en ventil der fluidet strømmer i en i hovedsak rett bane, slik at man reduserer slitasje på ventilen. Videre blir fluidbanen endret bare langs myke kurvede overflater, og ikke over skarpe kanter. Man kan også se, at når ventilen, slites vil den innsnevrede delen og den bossformede plugg fremdeles tette, skjønt lenger nede i strømretningen. Videre er ventilen uten internt iskrudde fittings, hvilket reduserer muligheten for feil, og er av en enkel konstruksjon som forbedrer dens pålitelighet og produksjonsvennlighet.

Ventilen kunne videre benyttes eksempelvis til å senke trykket av naturgass eller annen fluida, eller til andre oppgaver.

Claims (5)

1. Ventil for å regulering av trykket i et strømmende fluid, som f eks ved struping av vannets innstrømningshastighet i en brønn for produksjon av råolje, omfattende et sylindrisk hus (10) med en indre sylindrisk glidehylse (12) som ligger tettende an mot husets indre og har et innsnevret parti (14), idet en med partiet (14) formoverensstemmende plugg (15) er anordnet nedstrøms for hylsen og omfatter oppstrøms kurvede flater for å isolere og regulere fluidstrømmen og hvor pluggen har første strømningspassasjer (16) som forløper i det vesentlige parallelt med husets senterakse og som utgjør en i det vesentlige rettlin-jet bane for fluidet, KARAKTERISERT VED at et første styrekammer (13) som er avgrenset av huset (10), pluggen (15) og hylsen (12), regulerer trykket aksialt mot hylsen (12) ved trykket fra et styrefluid, at et andre styrekammer (22) som er avgrenset av huset (10), hylsen (12) og en tetning (11) som er montert til husets (10) andre ende, regulerer trykket aksialt mot hylsen (12) i motsatt retning med et styrefluid, og at første og andre

strømningspassasjer (18, 19) er forbundet med første eller andre styrekamre (13, 22) og er uavhengig og operativt isolert fra trykkfluidet, idet trykket mot hylsen (12) regulerer dennes frem-og tilbakegående bevegelse uavhengig av fluidtrykket oppstrøms for dermed umiddelbart og direkte å kunne bevege det innsnevrede parti (14) bort fra eller mot pluggen (15) for fullstendig å avstenge eller åpne for fluidgjennomstrømningen gjennom de første strømningspassasjer (16).

2. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at pluggen har bossform.

3. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at pluggen er konisk.

4. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det innsnevrede parti (14) konvergerer og divergerer i en myk kurve.

5. Ventil ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at anordnin-gene (20) for selektivt å øke og nedsette trykket er uavhengig av trykkforholdene i ventilens nedstrømsende.