NO317369B1 - Justerbar dyseventil - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen angår ventiler som kan anvendes nedihull og styres fra overflaten hydraulisk via styreledninger (10) eller ved hjelp av andre teknikker. Ventilen har en minimums-strømningskanal som fortrinnsvis er orientert langs sin lengdeakse og en sidestrømningskanal som åpner ved bevegelse av et ventillegeme (30) via påført styretrykk fra overflaten. Alternativt omfatter ventilen en avsmalnende nål (38) som er bevegelig i en innsnevring (52). Når ventillegemet (30) omstilles, blir ytterligere strømningsareal frilagt for styring av mottrykket av et fluid ved hjelp av en hydraulikktrykkstyring fra overflaten via styreledningen (10). Den hydrauliske styring kan skje med en enkelt styreledning (10) som virker på et stempel (26) som er festet til ventillegemet (30) med en returfjær (28)som virker mot slik bevegelse, eller alternativt, som kan utføres ved hjelp av et par styreledninger for å bevirke tilbakebevegelse av ventillegemet. Et trykksatt gasskammer (56) kan brukes til å virke som lukkekraften som motvirker påført trykk fra styreledningen (10) for tilbakeføring av ventilen til dens minimumsstrømnings- eller maksimums-strupestilling. Alternativt kan et akustisk eller elektrisk signal, eller et bevegelses- eller lyssignal eller annen type overflatestyrt signal, endre ventilstillingen.

Description

Denne oppfinnelse angår nedihull-strupeventiler hvis stilling kan justeres

over et driftsområde fra styreledninger eller andre signalteknikker fra overflaten.

En brønnsikringsventil (SSV) er en vanlig brukt type nedihullventil som styres mellom fullt åpen og fullt lukket stilling ved hjelp av styreledninger som strekker seg fra ventilen, vanligvis montert i en rørstreng til overflaten.

Andre anvendelser krever styring av strømningen i motsetning til på/av mu-lighetene hos en SSV. Et spesielt eksempel på dette er i forbindelse med anvendelse av en nedihull olje/vann-separator der ventilen brukes til å styre injeksjons-volumstrømmen av vannet tilbake inn i formasjonen. Ettersom formasjoner endrer injeksjonsevne eller motstand motfluidinjeksjon overtid, er en måte å oppretthol-

de et tilnærmet konstant mottrykk på separatoren, å justere utløps-volum-strømmen av separert vann tilbake til formasjonen. Anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse letter denne prosess ved at den er trinnløst regulerbar mellom en maksimums- og minimumsstrømning for et gitt oppstrømstrykk i separatoren.

Tidligere har man benyttet reserve-styreventiler i borestrenger som en sig-nalkilde for overføring av informasjon fra brønnen til overflaten, der spylefluid strømmer gjennom strengen og virker som overføringsmediet. En slik ventil er vist i US patent 4 519 574. Denne ventil er basert på nedihull-trykkforskjeller i tilknyt-ning til en hjelpe-kraftkilde for å betjene en solenoid som styrer en tilhørende hyd-raulikkrets for posisjonering av ventillegemet i én av to ytterstillinger.

Videre viser NO 304613 et forbedret verktøy for å styre strømningshastig-heten til sement ned i en brønn for å styre konsolideringen av en formasjon.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en enkel ven-tilkonstruksjon som muliggjør struping med styring fra overflaten via en styreledning eller annen signalteknikk. Et annet formål med en utføringsform av foreliggende oppfinnelse, er å tillate en minimumsstrømning via en sentral åpning, slik at verktøy kan føres gjennom ventilen mens den er i sin minimumsstrømnings- eller maksimums-strupestilling. Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe forbedret styring av nedihull-operasjoner, der den nødvendige følsom-het for endrete forhold som krever regulering av påførte trykk i fluider som tilføres nedihull.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved et mottrykk-styresystem samt

en nedihull-strupeventilenhet, som angitt i de etterfølgende henholdsvis krav 1 og 4. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige krav.

Oppfinnelsen angår således ventiler som kan anvendes nedihull og styres fra overflaten hydraulisk via styreledninger eller ved hjelp av andre teknikker. Ventilen har en minimums-strømningskanal som fortrinnsvis er orientert langs sin lengdeakse og en side-strømningskanal som åpner ved bevegelse av et ventillegeme via påført styretrykk fra overflaten. Alternativt omfatter ventilen en konisk nål som er bevegelig i en innsnevring. Når ventillegemet omstilles, blir ytterligere strømningsareal frilagt for styring av mottrykket av et fluid ved hjelp av en hydrau-Iikktrykk-styring fra overflaten via styreledningen. Den hydrauliske styring kan skje med en enkelt styreledning som virker på et stempel som er festet til ventillegemet med en returfjær som virker mot slik bevegelse, eller alternativt, som kan utføres ved hjelp av et par styreledninger for å bevirke tilbakebevegelse av ventillegemet. Et trykksatt gasskammer kan brukes til å virke som lukkekraften som motvirker påført trykk fra styreledningen for tilbakeføring av ventilen til dens minimums-strømnings- eller maksimums-strupestilling. Alternativt kan et akustisk eller elektrisk signal, eller et bevegelses- eller lyssignal eller annen type overflatestyrt signal, endre ventestillingen.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1a - 1d er oppriss, sett i snitt, av den foretrukne utføringsform av oppfinnelsen,

Fig. 2 er et snitt langs linjen 2-2 på fig. 1c,

Fig. 3a og 3b er snitt for maksimums- og minimumsstillingene som linje 3-3 på fig. 1 c for ventillegemet, Fig. 4 er et delt snitt-oppriss som viser en alternativ utføringsform av stru-peventilen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Som ovenfor nevnt er nedihull-strupeventiler egnet for mange forskjellige

anvendelser. I den foretrukne utføringsform er anvendelsen fluidinjeksjon i formasjonen. Ettersom formasjonen kan være variabel med hensyn til sin evne til å absorbere det injiserte fluid, kan en strupeventil brukes når et fluid injiseres fra overflaten inn i formasjonen for å stimulere påfølgende produksjon. Alternativt, ved brønner som produserer ved hjelp av en brønnpumpe, kan separeringen av pro-dusert vann fra hydrokarbonene utføres nede i brønnen, idet brønnpumpens ut-gangstrykk driver det produserte fluid gjennom en separator der de overliggende hydrokarboner fortsetter til overflaten, mens vannet, som er tyngre, reinjiseres.

For å gjøre slikt separeringsutstyr effektivt, må utstrømningen fra en separator,

som kan være av syklon-typen, reguleres for effektiv separering av vannet fra hy-drokarbonlaget. Mens det overliggende hydrokarbonlag enkelt kan reguleres ved overflaten, vil utløps-vannlaget som reinjiseres i formasjonen møte varierende evne hos formasjonen til å absorbere utløps-vannstrømmen. Følgelig kan anordningen A ifølge foreliggende oppfinnelse, i dens foretrukne anvendelse, installeres i vannutløpet fra en nedihull-separatorfor å regulere vannstrømmen ut av separatoren tilbake til formasjonen. Anordningen A styres fra overflaten ved hjelp av en styreledning eller -ledninger 10 som løper til overflaten. Sammenstillingen vist i fig. 1a - 1d er således installert i vannutløpet til separatoren som ikke er vist.

Som vist i fig. 1a - 1d, har anordningen A en øvre kappe 12 med en gjenge 14 for tilkobling til utløpet hos en separator (ikke vist). Den øvre kappe 12 er forbundet med et hus 16 ved en gjenge 18. Den nedre kappe 20 er forbundet med huset 16 ved en gjenge 22.

Selv om flere styreledninger 10 er vist i fig. 1a, vil fagmenn på området inn-

se at en enkelt styreledning 10 er tilstrekkelig for utstrekning fra overflaten til nær den øvre kappe 12. I den foretrukne utføringsform, står styreledningens 10 grener i forbindelse med diskrete hulrom 24 og 24' som står i forbindelse med hvert sitt stangstempel, henholdsvis 26 og 26'. Fagmenn på området vil innse at hvilket som helst antall enkelt-stangstempler så som 26, kan brukes, eller alternativt kan hulrommet 24 og 24', istedenfor å være diskrete sylindriske boringer, være et fel-

les, ringformet hulrom og anvende et ringformet stempel 26. En av ulempene ved å bruke et ringformet stempel, er at returfjæren 28 må motstå en større hydrosta-tisk kraft fra trykket i styreledningen 10, og må derfor, for en gitt dybde, være stive-re enn alternativet, som er å bruke sylinderformete hulrom, så som 24 og 24', i sammenheng med stangstempler så som 26 og 26'. Fagmenn på området vil også innse at antallet stempler, så som 26, kan varieres, så vel som deres diamet-re, for å tilpasses den spesielle anvendelse.

Et rørformet ventillegeme 30 er montert i huset 16. Ventillegemet 30 har en øvre boring 32 som er innrettet i flukt med boringen 34 i den øvre kappe 12. En nål 38 er forbundet med ventillegemet 30 ved en gjenge 36. Nålen 38 kan ha en konisk profil, en parabolsk profil, eller en rett profil. Som vist på fig. 2, har nålen 38 åpninger 40,42, 44 og 46, som alle står i fluidforbindelse med boringen 32. Hvilket som helst antall åpninger, så som 40, kan benyttes uten å avvike fra oppfinnelsestanken. Blant alle åpningene og sentralt anbrakt, som vist i fig. 2, strekker nålen 38 seg ut og nedad langs lengdeaksen 50 til en innsnevring 52 og en nedre kappe 20. Nålen 38 har en konisk 54 (fig. 1c) ved sin nedre ende. Når således skråflaten 54 er i stillingen vist i fig. 1d, skapes den minste ringformete åpning i innsnevringen 52, som vist i fig. 3b. Omvendt, når skråflaten 54 er i sin øvre stilling, som vist i fig. 1c, er innsnevringens 52 maksimale åpning tilgjengelig, som vist i fig. 3a. Skråvinkelen og innsnevrings-utformingen kan varieres uten å avvike fra oppfinnelsestanken.

Som vist i fig. 1 b, er returfjæren 28 i et ringformet hulrom 56. Fjæren 28

ligger an mot en øvre ring 58, hvorav én er festet til hver av ringstemplene så som 26. Hver av ringene 58 har en skulder 60 som ligger an mot en skulder 62 på det rørformete ventillegeme 30. Når således trykket økes i styreledningen 10, og derved hever trykket i hulrommene 24 og like hulrom 24', vil stempelet eller stemplene 26 og/eller 26' tvinge ringen 58 nedad. Det skal bemerkes at hvert av stemplene, så som 26 og 26', har et spor 64 som opptar en pal 66 for å feste ringen 58 kollektivt til alle stemplene så som 26 og 26' som benyttes. Hvert av stemplene 26 har en øvre tetningsenhet 68 og en nedre føringshylse 70. Tetningsenheten 68 isolerer styreledning-trykkene i ledningen 10 fra trykket Pi oppstrøms for innsnevringen 52. Hul rommet 56 er ikke avtettet fra boringene 32 eller 34, som vist i fig. 1c. Den nedre ende av fjæren 28 ligger an mot en ring 72 som ligger an mot og understøttes av den nedre kappe 20. En foring 74 styrer ventillegemets 30 bevegelse og er selv opplagret i den nedre kappe 20. I utføringsformen vist i fig. 1a — 1d, eksisterer trykket Pi også i hulrommet 56. Fagmenn på området vil innse forskjellige måter å aktivere ventillegemet 30 på. For eksempel kan et par styreledninger føres ned til overflaten. Én styreledning 10 er allerede vist, og en annen som er vist med brutte linjer ved 76, kan stå i forbindelse med kammeret 56 med passende tetninger mellom ventillegemet 30 og den nedre kappe 20, samt mellom huset 16 og den nedre kappe 20. Foringen 74 kan for eksempel alternativt betrak-tes som en tetning som vil tillate fullstendig utskifting av fjæren 28 og aktivering oppihull av ventillegemet 30 med styreledningstrykk i ledningen 76. Alternativt kan fjæren 28 skiftes ut uten bruk av en andre styreledning 76, hvis kammeret 56 er avtettet med et fluid under tilstrekkelig trykk til å motstå de hydrostatiske krefter som forventes fra styreledningens 10 påvirkning av stempelet eller stemplene 26.

I disse situasjoner vil nedadrettet slag av stempelet 26 øke trykket i kammeret 56 etter hvert som dets volum minskes. Avlasting av trykk fra overflaten i styreledningen 10, vil tillate ekspansjon av et kompressibelt fluid i kammeret 56 for å skyve ventillegemet 30 i oppadretningen. Selv om et trykksatt, kompressibelt fluid innfø-res i kammeret 56 for å virke som en oppadrettet kraft på stemplene 26, kan en returfjær så som 28, men betydelig mindre stiv, også brukes til å medvirke til tilba-keføringen av ventillegemet 30 til stillingen der maksimal åpning ved innsnevringen 52 foreligger.

Idet det nå vises til fig. 4, skal en alternativ utføringsform for å oppnå sam-me formål, beskrives. Fig. 4 er noe skjematisk tegnet, og alternativene for betje-ning av ventillegemet 30 som beskrevet i forbindelse med fig. 1a - 1d, gjelder også for konstruksjonen ifølge fig. 4. I fig. 4 er et hus generelt vist som 78. En tilkobling 80 opptar en styreledning fra overflaten (ikke vist). Ventillegemet 82 har en sentral boring 84 og en rundtløpende flens 86, med en O-ring 88 montert i et spor 90. O-ringen 88 ligger bevegelig an mot en ringformet flate 92 i huset 78 for derved å avgrense et kammer 94 med variabelt volum. En tetning 96 som er montert i huset 78, ligger an mot ventillegemet 82 for derved tettende å isolere hulrommet 94 med variabelt volum. En returfjær 98 er anordnet i et kammer 100 som avgrenses mellom huset 78 og ventillegemet 82 under kammeret 94 med variabelt volum. Huset 78 har et innvendig rundtløpende utspring 102 som virker som en styring for ventillegemet 82 og som anlegg for fjæren 98. Fjærens 98 andre ende ligger an mot den rundtløpende flensen 86.

Ventillegemet 82 har en sentral boring 104 og én eller flere sideporter 106.1 den høyre del av fig. 4, befinner portene 106 seg rett overfor utspringet 102, og er følgelig effektivt avtettet, om enn ikke nødvendigvis væsketett. Den motsatte ende av ventillegemets 82 bevegelse er vist i den andre del av fig. 4, hvor sideportene 106 nå befinner seg helt nedenfor utspringet 102. I denne stillingen angir pilene 108 og 110 at strømning foregår gjennom portene 106 samt den sentrale boring 104. I den andre ytterstillingen representerer boringen 104 den tilgjengelige strømningsbane for strømning. Det fremgår således at utføringsformen vist i fig. 1a - 1d, i likhet med den som er vist i fig. 4, er ikke beregnet på å utgjøre en strupeventil som lukker fluidtett. Den kan imidlertid være utformet på en slik måte, uten å avvike fra oppfinnelsestanken. Den ytterligere fordel ved utføringsformen vist i fig. 4, er at boringen 104 er sentralt anordnet. Ved en spesiell anvendelse der huset 78 er i en rørstreng og verktøy må nedfores, vil således plasseringen av boringen 104 sentralt om lengdeaksen 118, tillate at verktøy som passer i boringen 104, kan plasseres nedihull under huset 78.

Fagmenn på området vil innse at påvirkning av ventillegemet 82 kan skje på forskjellige måter. Hvis det således er installert en tetning 120, som effektivt isolerer kammeret 100, kan returfjæren 98 erstattes av et trykksatt, kompressibelt fluid som tidligere omtalt. Alternativt kan en hjelpeforbindelse inn til kammeret 100, når den er avtettet med tetninger 88 og 120, brukes til å tvinge ventillegemet 82 opp-over mot en stilling som bringer portene 106 rett overfor utspringet 102 for maksimal struping.

Det skal bemerkes at fordelene ved anordningen A ifølge foreliggende oppfinnelse, som vist i den foretrukne utføringsform ifølge fig. 1a - 1d og i den alterna-tive utføringsform ifølge fig. 4, er at den kan brukes som en nedihull-strupeventil med styring fra overflaten, og således muliggjøre en reguleringsmulighet for stør-relsen av struping som reaksjon på forhold nede i brønnen. Selv om forskjellige hydrauliske påvirkningsmekanismerfor ventillegemet 30 eller 82 er blitt vist, vil fagmenn på området innse at bevegelsen også kan oppnås ved hjelp av en trinn-motor, vist skjematisk i fig. 4, som S. Trinnmotoren S, kombinert med kraft neden-fra eller fra overflaten, kan brukes til å justere en stilling, og følgelig størrelsen av ønsket struping. Signaler fra overflaten til ventillegemet nede i brønnen, så som 30 og 82, kan avstedkommes på mange måter, for eksempel ved mekanisk bevegelse, akustiske signaler, elektriske signaler, og/eller signaler som overføres via fiberoptisk kabel, for å nevne noen få. Muligheten til å styre en nedihull-strupeventil i sann tid, kan forbedre funksjonen til mange nedihull-operasjoner, særlig operasjoner for separering av olje og vann nede i brønnen, som anvendes i sammenheng med en nedihull-pumpe. Skade på formasjonen kan minimeres eller elimineres. Når formasjonens injiseringsevne endres, kan en slik endring avføles ved hjelp av trykk som måles i systemet eller gjennom andre midler, og et signal fra slike målinger genereres for å overføres til styresystemet for anordningen A. I den foretrukne utføringsform er en enkelt styreledning 10, som virker på et stempel 26 med en returfjær 28, den enkleste og foretrukne løsning for variering av størrelsen av innsnevringene 52, som kreves for å reagere på endringer i brønn-forholdene og for å styre mottrykk i separatoren. Skråflaten 54 kan endres for å bevirke at endringen i åpent areal ved innsnevringen 52 skjer hurtigere og mer gradvis. Nålen 54 og innsnevringen 52 bør være laget av erosjonsbestandige materialer, så som borholdig inconel®, keramiske materialer, wolframkarbid eller stel-litt®. Eventuelt kan nålens 54 utforming være slik at det oppnås fullstendig avstengning. Tetninger kan også være anordnet i huset 20 eller den koniske skråflaten 54 for å lette dannelsen av en bobletett avstengning, om nødvendig.

I et spesielt eksempel på anordningen A ifølge foreliggende oppfinnelse, kan det åpne areal gjennom åpningene 40 - 46 være ca. 54 cm<2>, med et maksi-malt strømningsareal ved innsnevringen 52 på 7,5 cm<2>, og minimums-strømnings-arealet ved innsnevringen 52 lik 2,4 cm<2>. I utføringsformen vist i fig. 1a - 1d, er innsnevringens størrelse ca. 3 cm og slaglengden er ca. 12,7 cm. Andre utfor-minger av skråvinklene 54, innsnevrings-diametrene 52, og slaglengdene, kan brukes uten å avvike fra oppfinnelsestanken.

Den foretrukne utføringsform ifølge fig. 1a - 1d tilveiebringer en enkel og økonomisk anordning A som kan bygges billig og kan arbeide pålitelig for nøyaktig strupestyring nede i brønnen fra overflaten. Utføringsformen ifølge fig. 4 har i til-legg fordelene med en sentral boring 104 som gjør det mulig å nedføre verktøy gjennom boringen for utførelse av ytterligere brønnoperasjoner gjennom anordningen A.

Claims (8)

1. Mottrykk-styresystem for en undergrunns-separator omfattende et ventilhus (16), et ventillegeme (30) omfattende en bevegelig nål (38) i en innsnevring som er utformet i ventilhuset (16) karakterisert ved et styresystem som be-tjenes fra overflaten av en brønn for å bevege nålen (38).

2. Styresystem ifølge krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en styreledning (10) fra overflaten forbundet med ventilhuset (16), og at ventilhuset (16) omfatter et stempel (26) som er driftsmessig forbundet med nålen (38), idet styreledningen (10) overfører et trykk til stempelet (26) for selektiv bevegelse av nålen (38).

3. Styresystem ifølge krav 2, karakterisert ved at stempelet (26) spennes mot krefter som påføres gjennom styreledningen (10).

4. Nedihull-strupeventilenhet omfattende et ventilhus (16), et ventillegeme (30) som er bevegelig i ventilhuset (16) og haren åpen gjennomgående boring (32), idet ventillegemet (30) har minst én sideåpning som i betydelig grad sperres av ventilhuset (16) i en første stilling av ventillegemet (30) og som er i det minste del-vis åpen i en andre stilling av ventillegemet, karakterisert ved et styresystem som strekker seg fra ventilhuset (16) til overflaten for å aktivere ventillegemet (30).

5. Ventil ifølge krav 4, karakterisert ved at styresystemet omfatter en rørledning for å overføre trykk fra overflaten til ventilhuset (16), og at ventillegemet (30) og ventilhuset (16) mellom seg avgrenser et hulrom (56) med variabelt volum, idet ventillegemet (30), ved påføring avtrykk i hulrommet, beveges i en retning fra den første til den andre stilling.

6. Ventil ifølge krav 5, karakterisert ved at ventilhuset (16) og ventillegemet (30) avgrenser et ringformet hulrom (56) som omfatter en returfjær (28) som understøttes av ventilhuset (16) og påfører en kraft på ventillegemet (30), som tvinger det tilbake til dets første stilling.

7. Ventil ifølge krav 6, karakterisert ved at fluidtrykk-variasjon i rørledningen muliggjør plassering av ventillegemet (30) i et antall stillinger, innbe-fattende den første og andre stilling.

8. Ventil ifølge krav 5, karakterisert ved at styresystemet anven-der minst ett av følgende signaler for å aktivere ventillegemet (30) fra overflaten: akustiske signaler, bevegelsessignaier, materialspenningssignaler, elektriske signaler, eller lyssignaler.