NO314516B1 - Brönnsikringsventil i kombinasjon med et styresystem - Google Patents

Abstract

Det er vist en hydraulisk forsterker som, når den brukes i tilknytning til et styresystem for en brønnsikringsventil (18), tillater bruk av lavere trykklasse på brønnhodeutstyret, samtidig som den gir tilstrekkelig hydraulisk trykk til å aktivere brønnsikringsventilen ved dybder som kan overskride 1200 m. En foretrukket utføringsform kompenserer for eventuelt fluidtap gjennom tetningene for å sikre effektiv drift. Systemet er enkelt og selvregulerende og kan alternativt installeres som en integrert del av brønnsikringsventilen eller umiddelbart under brønnsikringsventilen eller umiddelbart under brønnhodet.

Description

Denne oppfinnelse angår brønnsikringsventiler som styres fra overflaten og en styretrykk-forsterker som letter bruk av brønnhoder med lavere trykklasse for brønnsikringsventiler montert på betydelige dyp.

Enkelte steder er bruk av brønnsikringsventiler påbudt. Historisk har dette vært på steder så som i Mexicogolfen der brønner ble boret på den ytre kontinen-talsokkel til forholdsvis grunne dyp. Brønnsikringsventilene som ble brukt på disse steder, krevde styreledninger som gikk til overflaten, med brønnsikringsventilen generelt plassert ved dybder på ca. 300 m. Brønnsikringsventilen ble holdt i lukket stilling ved hjelp av en returfjær som var dimensjonert til å holde en hylse i den nødvendige stilling for at ventilen skulle være lukket mot de hydrostatiske krefter i styreledningen, samt eventuelle trykk i brønnboringen rundt brønnsikringsventilen.

Etter hvert som man begynte å bore dypere brønner og brønnsikringsventi-ler måtte plasseres stadig dypere under overflaten, ble den nødvendige kraft for returfjæren til å motstå disse krefter meget større med økende dybde. En løsning som ble benyttet tidligere, var således ganske enkelt å øke trykklassen til styre-komponentene, innbefattende brønnhodet, slik at de ville være egnet for de forventete trykk. Andre teknikker gikk ut på å bruke trykkamre for å utligne virknin-gen av hydrostatiske krefter eller utligningsteknikker for å nøytralisere virkningene av slike hydrostatiske krefter. US patent 4 660 646 viser bruk av trykkamre for utligning av returfjærkrefter. US patent 5 415 237 viser bruk av ventilarrangemen-ter for å oppnå den nødvendige trykkutligning på sleideventilen, for derved å mini-mere de krefter som er nødvendig for å aktivere hylsen mot en meget mindre returfjær.

Disse teknikker var forholdsvis kompliserte og krevde mange bevegelige deler og tetninger. Selv om de fyller sin oppgave å tillate bruk av brønnhoder med lavere trykklasse, selv ved anvendelser som innebærer betydelige dyp så som 3000 m, var kostnadene meget høye, og de mange komponenter som ble brukt, nødvendiggjorde utstrakt vedlikehold. Foreliggende oppfinnelse er følgelig blitt utviklet for på enkel måte å kunne benytte lavtrykks-brønnhoder, selv der brønn-sikringsventiler må plasseres temmelig dypt, i størrelsesorden dypere enn 3000 m, der brønnhode-trykklassen kan være temmelig minimal, så som 35 kPa, men brønnsikringsventilen likevel kan arbeide effektivt.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en brønnsikringsventil for en brønn med et brønnhode i kombinasjon med et styresystem, som angitt i de etterfølgende patentkrav.

Det er således vist en hydraulisk trykkforsterker som, når den brukes i tilknytning til et styresystem for en brønnsikringsventil, muliggjør bruk av lavere trykklasser for brønnhode-utstyr, samtidig som den gir tilstrekkelig hydraulisk trykk til å aktivere en brønnsikringsventil ved dybder som kan overskride 1200 m. En foretrukket utføringsform kompenserer for eventuelt fluidtap gjennom tetninger for å sikre effektiv drift. Systemet er enkelt og selvregulerende og kan alternativt installeres som en integral del av brønnsikringsventilen eller umiddelbart nær brønnsikringsventilen eller umiddelbart under brønnhodet.

Forsterkeren kan monteres ved eller nær overflaten eller nær brønnhodet,

for å gjøre tilgjengelighet og vedlikehold betydelig fettere. Den enkle konstruksjon innebærer at den er billig og lett å installere. På grunn av temmelig små endringer i utformingen, kan man oppnå hvilken som helst grad av forstørrelse som måtte bli nødvendig for aktuelle anvendelser og slike som trolig kan oppstå i fremtiden.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene hvor: Fig. 1 er et skjematisk oppriss av en typisk brønn-installasjon, og viser plas-seringen av forsterkeren, og Fig. 2 er et skjematisk detaljriss av forsterkeren, som viser hvorledes den virker. Fig. 1 viser en brønn 10 som har en pakning 12 som det strekker seg en produksjonsrørstreng 14 gjennom. Rørstrengen 14 strekker seg til overflaten til brønnhodet 16. Brønnhodet 16 er forbundet med rør for videre behandling og overføring av de produserte hydrokarboner. I rørstrengen 14 er det en brønn-sikringsventil 18 (engelsk: subsurface safety valve eller SSV), som fortrinnsvis er av klafftypen og er velkjent innen faget. En slik utførelse av denne ventiltype er vist i ovennevnte US patent 4 660 646. Ventilen 18 kan tenkes montert flere tusen meter under overflaten 20. For å aktivere ventilen 18 til åpen stilling, må trykk påføres fra overflaten gjennom styreledningen 22. Fagmenn på området vil innse at dersom ventilen 18 er 3000 m under overflaten, vil en fluidsøyle i styreledningen 22, som er 3000 m høy, virke på sleideventilen hvis bevegelse brukes til å holde klaffventilen åpen. For å gjøre ventilen 18 sviktstengt, anvendes vanligvis en returfjær som, ved tidligere konstruksjoner, måtte være stiv nok til å motstå i det minste den hydrostatiske fluidsøyle i styreledningen, så som 22. For å over-vinne kraften fra fjæren som virker på sleideventilen i brønnsikringsventilen 18 fra overflaten, måtte følgelig et trykk større enn det hydrostatiske trykk ved ventilen 18 påtrykkes ved overflaten. Grunnen til dette var at fjæren motsto alle de hydrostatiske krefter, og derfor måtte dens kraft overvinnes fra overflaten for å skaffe bevegelse i ventilen 18 for å få den til å stå åpen. Ettersom denne fjæren var stiv, krevdes det en stor kraft for å bevege den. Ved kjente konstruksjoner krevde således behovet for påføring av slike høye trykk fra overflaten, at brønnhodet 16 var kvalifisert for de forventete trykk i styresystemet og en betryggende sikkerhets-margin.

Som vist i fig. 1 anvender foreliggende oppfinnelse en forsterker, skjematisk vist som 24 i fig. 1. Forsterkeren 24 er forbundet med styreledningen 22 og med et trykkfluidinnløp 26 som er forbundet med en hydraulisk lavtrykksfluidkilde 28. En avlufting 30 er også anordnet. Selv om forsterkeren 24 er vist nær brønnhodet 16, kan den installeres hvor som helst nede i hullet langs rørstrengen 14 eller den kan utføres i ett med brønnsikringsventilen 18. Adgangen blir imidlertid bedre hvis den er montert nær brønnhodet 16.

Fig. 2 viser hvorledes den foretrukne utføringsform virker. Som vist i fig. 2, er innløpet 26 forbundet med en ventil 32. Ventilen 32 er forbundet med en ledning 34 samt med et kammer 36. Et stempel 38 er anordnet i et hus 40. En tetning 42 tetter rundt stempelet 38 og danner således et hulrom 36 med variabelt volum. En tetning 44 medvirker til å danne et hulrom 46 med variabelt volum. Hulrommets 46 tverrsnittsareal er mindre enn hulrommets 36 tverrsnittsareal. Ledningen 34 løper inn i hulrommet 46. Stempelet 38 har en ledning 48 som strekker seg fra dets nedre endeflate 50 til en ventil 52 som er montert nær den øvre endeflate 54. En fjær 56 er anordnet i et kammer 58. Tetningene 42 og 44 medvirker til å danne kammeret 58 hvis volum varierer når stempelet 38 beveger seg. Kammeret 58 har en ventil 60 som virker som en ventilator, som nedenfor forklart.

Et utløp 62 er forbundet med styreledningen 22.

Etter at komponentene nå er beskrevet, skal virkemåten til den spesielle utføringsform vist i fig. 2 forklares. Hensikten med treveisventilen 32, som kan lede trykk fra den hydrauliske fluidkilde 28 vekselvis til kammeret 36 eller ledningen 34, er å sikre at stempelet 38 har beveget seg tilstrekkelig oppover, slik at når det skyves nedover mot utløpet 62, vil en tilstrekkelig fluidmengde fortrenges for å sikre at brønnsikringsventilen 18 åpner fullstendig. Dersom det er noe kompressibelt fluid i kammeret 46, blir det fortrengt til kammeret 36 gjennom ventilen 52.

Med andre ord er ventilen 32 programmert til å innrette seg selv på linje med

kanalen 34 inntil trykk er bygget opp til en forutbestemt verdi. Ved å sette kammeret 46 under trykk, vil eventuelle kompressible fluider som kan ha kommet inn der gjennom lekkasje rundt tetningen 44, bli fortrengt gjennom ledningen 48 gjennom ventilen 52, som egentlig virker som en tilbakeslagsventil, idet den bare tillater strømning i ledningen 48 i retning mot den øvre endeflate 54, men ikke i den mot-satte retning. Dersom det finnes noe innesluttet kompressibelt fluid i kammeret 46, vil den således bli skjøvet ut gjennom ledningen 48 inn i kammeret 36 gjennom ventilen 52.

Trykket bygges så videre opp i ventilen 32, hvilket fører til at den omstilles til en stilling som setter innløpet 26 i forbindelse med kammeret 36, samtidig som ledningen 34 stenges. Trykk blir så tilført kammeret 36 som virker på stempel-flaten 54. Stempelet 38 beveges nedad under sammentrykking av fjæren 56 og fortrengning av fluid ut av kammeret 46 inn i utløpet 62. Forsterkningen er areal-forholdet mellom flaten 54 og flaten 50. For å la stempelet 38 bevege seg nedad, lar ventilen 60 fluid fortrenges ut av kammeret 58. Deretter, for å tillate ventilen 18 å lukke, minskes trykket ved fluidtrykkilden 28, hvilket bringer ventilen 32 til igjen å skifte stillinger, slik at trykket i kammeret 36 minskes. Dette kan gjøres ved å av-lurte kammeret 36 gjennom ventilen 32 i styresystemet ved overflaten 20, eller mer direkte ved ganske enkelt å la kamrene 36 og 46 utlignes gjennom ledningen 34 gjennom ventilen 52. Så snart dette skjer, får fjæren 56 tilstrekkelig kraft til å bevege stempelet 38 oppad når ventilen 60 lar fluid strømme inn i kammeret 58 for å lette stempelets 38 bevegelse. Fjæren 56 trenger bare å motvirke friksjon på stempelet 38, ettersom stempelet 38 på dette tidspunkt er nesten i hydraulisk balanse.

Enda en annen måte hvorved kamrene 36 og 46 kan utlignes, er ved bare å minske trykket i kammeret 36, hvilket tillater strømning gjennom ledningen 48 og ventilen 52 til å utligne kamrene 36 og 46. Ventilen 60 virker som en ventilator, som tidvis lar fluid unnslippe fra huset 40 når stempelet 38 omstilles mot utløpet 62 mens fluid tillates å strømme inn i kammeret 58 når stempelet 38 tilbakeføres ved hjelp av fjæren 56. Ventilen 60 kan være forbundet med ringrommet eller med et annet sted, så som overflaten, om ønskelig.

Det skal bemerkes at konstruksjonen virker like godt uten ventilene 32 og 52 og ventilen 60 erstattet av et avløpshull. I denne utføringsform sløyfes ledningen 34. Isteden tilføres trykket direkte ved innløpet 26 til kammeret 36 for å for-skyve stempelet 38. Stempelet 38 settes i stand til å bevege seg fordi det isteden-for ventilen 60 er et åpent avløp som lar fluid strømme inn i og ut av kammeret 58. Forsterkningen oppnås når stempelet 38 beveger seg under trykk i kammeret 36. Også her er forsterkningsforholdet forholdet mellom arealet til den øvre flate 54 og nedre flate 50. En ulempe med å sløyfe ventilene 32 og 52 og erstatte ventilen 60 med en åpning, er at i den grad det har vært noen lekkasje rundt tetningen 44, vil det ikke være noen mekanisme til å fjerne kompressible fluider fra stempelets 38 underside. Hvis for mye kompressibelt fluid samler seg i kammeret 46, kan det hende at stempelets 38 stempelslag ikke fører til tilstrekkelig aktivering av ventilen 18 slik at den bringes i åpen stilling. Denne situasjon kan oppstå over et lengre tidsrom, dersom det skjer lekkasje rundt tetningen 44.

Fagmenn på området kan nå se at når forsterkeren 24 brukes i tilknytning til et styresystem for en brønnsikringsventil 18, kan det nødvendige hydrauliske trykk oppnås ved ventilen 18 for åpning av denne, samtidig med bruk av en betydelig lavere trykkilde 28 og et brønnhode 16 av lavere trykklasse. Dersom f.eks. brønn-sikringsventilen 18 er ved 3000 m under overflaten, kan et brønnhode av trykklasse 35 000 kPa fremdeles brukes i tilknytning til forsterkeren 24.

Konstruksjonen av forsterkeren 24 som vist i fig. 2 er enkel og pålitelig, og gjør det med letthet mulig å oppnå dette formål.

Ovenstående beskrivelse av oppfinnelsen anskueliggjør og forklarer denne, og forskjellige endringer i størrelse, form og materialer, samt i detaljer ved den viste konstruksjon, kan utføres uten å avvike fra oppfinnelsestanken.

Claims (13)

1. Brønnsikringsventil (18) for en brønn (10) med et brønnhode (16) i kombinasjon med et styresystem, hvor styresystemet omfatter: en fluidtrykkilde (28); en forsterker (24) innrettet til å motta fluidtrykk fra kilden (28) og forsterke trykket; og et rørledningssystem for å lette tilkoplingen av trykkilden (28) til forsterkeren (24) og det forsterkete trykk fra forsterkeren til brønnsikringsventilen (18), og hvor forsterkeren (24) videre omfatter: et hus (40); et bevegelig stempel (38) i huset med et første stempelareal (54) i forbindelse med trykkilden (28) og et andre stempelareal (50) i forbindelse med brønn-sikringsventilen (18); idet stempelet (38) avgrenser et første hulrom (36) med variabelt volum nær det første stempelareal (54) og et andre hulrom (46) med variabelt volum nær det andre stempelareal (50).

2. Brønnsikringsventil ifølge krav 1, hvor det første stempelareal (54) er større enn det andre stempelareal (50).

3. Brønnsikringsventil ifølge krav 2, hvor stempelet (38) er forspent i en retning som minsker volumet i det første hulrom (36) med variabelt volum.

4. Brønnsikringsventil ifølge krav 3, hvor det første hulrom (36) med variabelt volum avgrenses av en første tetning (42) mellom stempelet (38) og huset (40), hvilken første tetning er montert nær det første stempelareal (54); og at det andre hulrom (46) med variabelt volum avgrenses av en andre tetning (44) mellom stempelet og huset, hvilken andre tetning (44) er montert nær det andre stempelareal (50).

5. Brønnsikringsventil ifølge krav 4, hvor stempelet (38) videre omfatter en passasje (48) mellom det første og andre stempelareal (54, 50) og en tilbakeslagsventil (52) som tillater strømning i passasjen (48) bare fra det andre stempelareal (50) til det første stempelareal (54).

6. Brønnsikringsventil ifølge krav 5, hvor rørledningssystemet videre omfatter en treveisventil (32) som selektivt kan forbinde fluidtrykkilden (28) med det andre eller første hulrom (46, 36) med variabelt volum.

7. Brønnsikringsventil ifølge krav 6, hvor treveisventilen (32) innledningsvis innretter fluidtrykkilden (28) til å bistå det andre hulrom (46) med variabelt volum med å fortrenge ut av det andre hulrom med variabelt volum minst noen kompressible fluider som kan ha kommet inn i slikt hulrom.

8. Brønnsikringsventil ifølge krav 7, hvor fortrengningen av minst noen kompressible fluider ut av det andre hulrom (46) med variabelt volum skjer gjennom en passasje (48) gjennom stempelet som tilbakeslagsventilen (52) er montert i.

9. Brønnsikringsventil ifølge krav 8, hvor treveisventilen (32) skifter stilling etter fortrengningen av minst noen kompressible fluider ut av det andre hulrom (46) med variabelt volum for å innrette fluidtrykkilden med det første hulrom med variabelt volum for å bevege stempelet (38) mot forspenningskraften.

10. Brønnsikringsventil ifølge ett av de foregående krav, hvor forspenningen utføres ved hjelp av en fjær (56).

11. Brønnsikringsventil ifølge krav 10, hvor fjæren (56) er montert i huset i et tredje hulrom (58) med variabelt volum, og at det tredje hulrom med variabelt volum har en passasje (60) som lar fluid strømme inn eller ut etter hvert som volumet til det tredje hulrom (58) med variabelt volum endres.

12. Brønnsikringsventil ifølge krav 11, hvor det tredje hulrom (58) med variabelt volum avgrenses av første og andre tetninger (42, 44).

13. Brønnsikringsventil ifølge et av de foregående krav, hvor forsterkeren er montert nær overflaten til en brønn under brønnhodet, slik at brønnhodet ikke ut-settes for det forsterkete trykk fra forsterkeren.