NO761073L - - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår strømningsregulatorinnretnin-

ger for olje- og gassbrenner, og mer bestemt regulerbare strupeventiler for måling av brønnfluidum.

Justerbare strupeventiler anvendes vanligvis i olje- og gassbrønner for å styre.en brønnfluidumstrøm. ikke bare tillater strupeventilene full åpning eller full stengning for fluidumstrøm-men, men gjør det også mulig å stille strømningshastigheten for et brønnfluidum på en bestemt verdi. • De vanligst brukte regulerbare strupeventiler er de som benytter en nålventil for øking eller minsking av det areal som er tilgjengelig for strømning nær en utløpsport i strupeventilen. Strupeventiler av denne type har en stamme som avsmalner mot et punkt ved dens ende slik at det dannes en nål. Stammen beveges i forhold til et sete for å variere strømningsarealet.

Ytelsen til kjente regulerbare strupeventiler har vært usikker ved alle anvendelser, bortsett fra slike hvor strømnings-hastigheten er forholdsvis lav. Kjente regulerbare strupeventiler har oppvist store trykktap over innretningene , hvilket medfører tap av nødvendig trykk videre nedstrøms.Ytelsen er ytterligere blitt svekket i st.rømanvendelser hvor mengder av sand eller annet flytende materiale medføres i brønnfluidet. Denne reduksjon av ytelse har oppstått som følge av den hurtige bortsliting og de-formering av komponentene i strupeventilen, så som ventilsetet,

på grunn av slipende materialer. Når dette skjer blir brønnfluidum-strømmen også mer turbulent. Ettersom turbulensen øker, tillegges det økede trykkfall til det trykkfall som er innebygget i selve nålventilen. Selv den vanlige strømningsbønnen (flow bean) kan bli vesentlig slitt ved slike anvendelser anvendelser, hvilket øker turbulensen og bevirker øket trykkfall.

Det foreligger således et klart behov for en effektiv robust regulerbar strupeventil som tillater lengere tidsrom mellom inspeksjoner eller utskiftinger og som kan opprettholde et høyere fluidumtrykk nedstrøms fra innretningen.

Slitasjeproblemer har tidligere også oppstått ved sik-kerhet sinhretninger i brønnhullet som anvendes for å stenge brøn-nene for opphør av brønnfluidumstrømmen når en forutbestemt strøm-ningshastighet eller volumstrøm overskrides. En har funnet at et arrangement med en konisk plugg og sete kan benyttes for å redusere slitasje på sikkerhetsventilkomponenter i brønnhullet, hvilket medfører vesentlig øket pålitelighet. En slik innretning er vist i US-PS 3 757 816.

Det skal bemerkes at "downhole" sikkerhetsventiler og regulerbare strupeventiler er totalt forskjellige innretninger. Hverken den grunnleggende konstruksjon eller formålene til innretningene er de samme.sikkerhetsventiler er innrettet for å stenge en brønn som reaksjon på en forutbestemt maksimal strøm-ningstilstand , mens regulerbare strupeventiler er beregnet på å måle produksjonsstrømmen av et brønnfluidum. videre er anvendel-æsstedene forskjellige , idet "downhole" sikkerhetsventiler benyttes under overflaten i brønnhullet , mens regulerbare strupeventiler benyttes under jordoverflaten.

Det er således ifølge oppfinnelsen tilveiebragt en ny regulerbar strupeventil for måling av strømmen av et brønnflui-dum , hvilken strupeventil tilveiebringer en større brønnfluidum-strøm for et gitt differensialtrykk enn det som er mulig ved tidligere strupeventiler.

Der er tilveiebragt en regulerbar strupeventil som arbeider med mindre støy og vibrasjoner enn kjente innretninger.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre en regulerbar strupeventil i en utformning som leder strømmen på en slik måte at man oppnår øket motstand mot slitasjepartikler som medfø-res i et brønnfluidum.

Ifølge oppfinnelsen er det videre tilveiebragt en regulerbar strupeventil med lenger effektiv levetid enn tidligere kjente strupeventiler.

Videre er det tilveiebragt en regulerbar strupeventil som virker til å redusere slitasje på andre brønnhodeelementer nedstrøms av strupeventilen.

Regulerbare strupeventiler ifølge foreliggende oppfinnelse er fullt regulerbare, gir selektiv innstilling av strøm- ningshastighetene for et -brønnfluidum. Den regulerbare strupeventil omfatter et hus med en innløpsport , gjennom hvilken et brønnfluidum kan strømme inn i ventilhuset. og en utløpsseksjon gjennom hvilken et brønnfluidum kan forlate ventilhuset. I ventilhuset samt nedstrøms av innløpsporten er et ringformet, innvendig konisk sete og en tilpasset konisk plugg som er innrettet til å beveges aksielt i forhold til setet for å avgrense en konisk ringformet portåpning for brønnfluidumstrømning. Den koniske plugg beveges for variabel regulering av arealet i den ringformete koniske åpning som dannes mellom setet og pluggen. En brønnfluidumstrøm som strømmer gjennom den koniske ringformete åpning vil bli sent-rert og ledet slik at den strømmer jevnt gjennom setet og gjennom nedstrømselementene i fluidumsystemet.

Andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av følgende beskrivelse i sammenheng med tegningen. Fig. 1 er et sideriss, delvis i snitt, av en utføringsform av en regulerbar strupeventil ifølge foreliggende oppfinnelse, hvor ventilhuset har en T-formet utforming. Fig. 2 er et utsnitt i større målestokk av ventilseksjonen i den regulerbare strupeventil i fig. 1.

på fig. 1 er illustrert en utføringsform av en regulerbar strupeventil ifølge foreliggende oppfinnelse. Strupeventilen har et ventilhus 10 med en innløpsåpning 12 gjennom hvilken et brønnfluidum kan strømme inn i huset, og en utløpsseksjon 14 gjennom hvilken brønnfluidet kan strømme ut. I denne utføringsform er ventilhuset 10 vist med én gjengeforbindelse 13 ved innløpsåp-ningen 12 og en gjengeforbindelse 15 ved utløpsseksjonen 14, selv-om andre typer forbindelser selvsagt kan benyttes. Innvendig i ventilhuset 10 og nedstrøms fra innløpsåpningen 12 er anordnet et ringformet konisk sete 26 og en tilsvarende konisk plugg 24.Pluggen 24 strekker seg gjennom setet 26 for å danne en konisk, ringformet strømningsåpning gjennom hvilken brønnfluidet kan pas-sere,<p>luggen 24 er aksielt bevegelig i forhold til setet gjennom et innstillingsområde innbefattende en stengt stilling hvor de to elementers koniske overflater bringes i anlegg mot hverandre.

Setet 26 er opplagret i en seteholder 28 som ved en gjengeforbindelse er forbundet med ventilhuset 10. Under setet 26 er anordnet et strømningsrør 29 som har innvendig diameter lik utløps- diameteren til setet 26. Strømn.i ngsrøret 29 holdes i ventilhuset 10 ved hjelp av gjenger 31 som forbinder strømningsrøret med sete-holderen 28. En O-ring 27 er plasert rett under setet 26 umiddelbart over gjengene 31.

r

En pakningsgland 16. er innført i det øvre parti av ventilhuset 10. Pakningsglanden 16 bærer en O-ring 36 som hindrer fluidumlekkasje gjennom strupeventilens topparti.Pakningsglanden 16 fastholdes ved hjelp av en gjenget glandholder 18 som skrues på gjenger 19 i ventilhuset.<p>akningsglanden 16 har en akselåpning ned gjenger for opptagelse av den gjengede stamme 22. Ved nedre parti av pakningsglanden 16 nær den gjengede stamme 22 er anordnet en pakning 34 samt en låsering 32. Pakningen 34 er en konvensjo-nell pakning som benyttes for tetning i ventiler slik at brønnflui-det i sin helhet vil strømme gjennom ventilen. I øvre del av pakningsglanden 16 er utformet et ringformet spor med en tetning

40 som gir ytterligere tetning over justeringsgjengene 17.

Stammen 22 strekker seg gjennom pakningsglanden 16 og omfatter et utvendig gjenget parti nær stammens midtseksjon. Stammen 22 strekker seg inn i strømningsløpet til ventilhuset 10

og er i sin nedre ende forsynt med en plugg 24. Stammen 22 er i sin øvre ende utformet med avflatede partier 42 for en nøkkel som kan brukes til å dreie, stammen 22. Stammen 22 virker til aksielt å bevege pluggen 24 trinnløst gjennom en sammenhengende rekke stillinger innbefattende full stengning.

En indikator 38 er anordnet rundt stammen 22 og passer inn i en utsparing i pakningsglanden 16. Indikatoren 38 virker til å angi stillingen til pluggen 24 og gir en avlesning som står i forhold til arealet til den ringformete strømningsåpning som dannes mellom pluggen 24 og setet 26..Indikatoren 38 innbefatter en rekke markeringer som muliggjør selektiv innstilling av volum-strømmen gjennom strupeventilen.

på fig.. 2 er vist i forstørret målestokk 24 og setet 26.

I denne figur er pluggen 24 noe tilbaketrukket fra setet 26 slik

at det dannes en ringformet strømningsåpning.Pluggen 24 kan re-guleres i forhold til setet 26 slik at arealet til den ringformete åpning kan varieres for å endre strømningen av et brønnfluidum gjen-. nom åpningen.Pluggen 24 er et konisk element med sammensatt konusvinkel. Vinkelen til den første konus er ved anleggsflaten 50 og er* ca. 45 grader målt i forhold til pluggens 24 akse. Den andre konusvinkel er vinkelen til spissen 52 som har en konisisitet på

ca. 8 grader i forhold til pluggaksen. Setet 26 er likeledes en konstruksjon med sammensatt vinkel. Setet 26 har en anleggsflate 54 med en konusvinkel på tilnærmet 45 grader og er tilpasset anleggsflaten 50på pluggen 24 slik at når pluggen 24 beveges aksielt i setet for å stenge utløpsåpningen bringes de respektive koniske overflater på de to elementer til innbyrdes anlegg. bet andre koniske området i setet 26 strekker seg langs innerflaten 58 som danner en vinkel på tilnærmet 8 grader med pluggaksen. Overflaten 58 ligger an mot spissen 52 når pluggen 24 beveges helt inn i setet

26, slik at det dannes en andre innbyrdes anliggende, tettende overflate mellom pluggen og setet. Både pluggen 24 og setet 26

er fortrinnsvis fremstilt av et slitefast materiale, som f.eks. wolfram-karbid , og elementer fremstilt av wolfram-karbid er funnet særlig motstandsdyktige mot slitasje på grunn av sandpartikler eller andre materialer med slipende egenskaper som er oppfanget eller suspendert i brønnfluidet.

<p>luggen 24 virker også til å meddele en retning til brønnfluidet som strømmer gjennom strupeventilen. Den koniske plugg 24 har et avkortet endeparti som rager gjennom setets -26 hed-strøms-åpning 56.Den.avkortete ende 23 frembringer en hvirvel med svak turbulens umiddelbart nedstrøms av endepartiet 23. Denne hvirvel sentraliserer fluidumstrømmen og minsker turbulens ved seteåpningen 56 ved å redusere resirkulasjon ved kantene til strømningsrøret 26. Den svake turbulenshvirvel, som er meget lo-kalt begrenset ved det avkortete endeparti 23, antas å være en funksjon av tre variable. Disse variable er diameteren til det avkortete'endeparti 23, den minste diameter eller nedstrømsdiame-teren til seteåpningen 56, og lengden av den indre overflate i setet 58 som er parallell med spissen 52 på pluggen 24. Disse tre variable er på tegningen angitt med henholdsvis d, D og L.

To forhold utgjør de kritiske konstruksjonskriteria for regulerbare strupeventiler ifølge foreliggende oppfinnelse. Disse forhold er som følger:

For oppnåelse av akseptable resultater ved foreliggende oppfinnelse må avkortningsforholdet ligge mellom 0,2 og 0,6,. dvs. diameteren til den avkortete ende 23, (d) er fra 20% til 60% av diameteren til den minste'seteåpning 56 (D), og banelengdeforholdet må være minst0,25, dvs. lengden av den koniske innerflate i setet 58 (L) må være minst 25% av den minste seteåpning 56 (D). Størrelsen av seteåpningen 56 vil variere i avhengighet av den ønskede volumstrøm (strømningsvolum pr. tidsenhet) med den spe-sielle anvendelse og den antatte størrelse av materialet som med-føres i fluidumstrømmen.

Ovennevnte verdier angir konstruksjonsbegrensninger innen hvilke de ønskede resultater oppnås. Innen disse grenser er et av-.kortningsforhold fra 0,25 til 0,50foretrukket for oppnåelse av go-de resultater. Det skal bemerkes at der ikke er noen drastisk . diskontinuitet i fordelaktige resultater ved avvikelse fra de an-befalte verdier, men en registrerbar nedgang i fordelaktige resultater finner tydelig sted dersom avkortningsforholdet økes over eller minskes under de foretrukne verdier.Likeledes vil en reduksjon av banelengdeforholdet under ca.0,25 minske.fordelene ved regulerbare strupeventiler ifølge foreliggende oppfinnelse, idet sentralisering av strømmen i dette tilfelle bare kan oppnås ved stadig lavere fluidum-volumstrømmer.

De resultater som oppnås ved en strupeventil som er kon-struert i samsvar med foreliggende oppfinnelse, er meget imponeren-de.. Et vesen.tlig lavere dif f erensialtrykk oppnås for en gitt volum-strøm, enn det som oppnås ved tidligere kjente strupeventiler. Denne egenskap er spesielt fordelaktig når en rekke produksjonsinn-retninger er nedstrøms i fordelingen, da det totale trykkfall redu-seres.

Regulerbare strupeventiler ifølg.e denne oppfinnelse er spesielt egnet for anvendelse i brønner med en vesentlig mengde sand eller annet slipende materiale i brønnfluidet. Det er velkjent at de strupeventiler som i dag benyttes, er meget utsatt for perma-nent ødeleggelse når de anvendes i slitasjefremmende omgivelser. Kjente strupeventiler settes ofte ut av drift på grunn av brønn-fluidets slipevirkning på ventilkomponenter, såsom setet, utløps-åpningen, og stammen.

Regulerbare strupeventiler ifølge oppfinnelsen arbeider usedvanlig godt under slipende strømningsforhold. Det skal bemerkes at fluidum-strømningsbanen gjennom en regulerbar strupeventil ifølge denne oppfinnelse er slik at fluidet innføres i ventilhuset og føres mot den ringformede åpning med en forholdsvis lavere hastighet enn strømningshastigheten mellom setet og pluggen, og er vesentlig parallell med overflatene til den ringformede åpning hvor den hurtigere strømning finner sted. Ved at pluggen meddeler retning til fluidumstrømmen ledes slipende materialer bort fra veg-gene og inn mot strømningsbanens midte. Det slipende materiale som føres med i brønnfluidet, antas å strømme langs pluggens overflate og gjennom åpningen som dannes mellom pluggen og setet uten å blan-des bak i ventilhuset. De slipende materialers støt mot strupeven-tilkomponentene•finner vesentlig sted på den utstrakte overflate til pluggspissén og den indre overflate i setet som danner den smaleste strømnings innsnevring i den ringformede åpning. Ved pluggens avkortete ende trekkes de medførte materialer mot strømnings-mønsterets midte der en hvirvel med svak turbulens settes opp.

Som følge av denne svake turbulensdannelses-sentraliserte karakter samt meget liten resirkulasjon av brønnfluidet, vil de medførte slipende materialer ikke skure mot overflaten til strupeventilens utløpsseksjon. videre har en funnet at strupeventiler ifølge foreliggende oppfinnelse ikke bare oppviser overraskende liten innvendig slitasje ved slipende strømfluider, men også at deres spe-sielle konstruksjon reduserer slitasje på brønnutstyr nedstrøms, av selve strupeventilene.

De strømningsmønstre som etableres for slipende materialer som medføres i brønnfluidene som strømmer gjennom regulerbare strupeventiler ifølge foreliggende oppfinnelse kombinert med den sammensatte vinkelkonstruksjon for pluggen og setet frembringer enestående og uventede resultater sammenlignet med tidligere kjente strupeventiler.

En ytterligere fordel som skyldes foreliggende oppfinnelse er at støy og vibrasjoner som normalt følger med regulerbare strupeventiler blir redusert. Ved at turbulensen i den rettete brønnfluidumstrøm blir mindre skapes mindre vibrasjoner i ventilhuset. Ved at den rettete strøm kan strømme effektivt og jevnt gjennom ventilhuset oppstår ikke slike støynivåer som vanligvis erfares ved regulerbare strømningsventiler.

Ovenstående beskrivelse av foreliggend e oppfinnelse har vært rettet mot en spesiell utføringsform som gjelder regulering av strømningen for et brønnfluidum, i forklarende og illustrerende hensikt. Det vil imidlertid være klart for en fagmann på området at- foreliggende oppfinnelse kan utføres i andre former for andre anvendelser. F.eks. kunne oppfinnelsen utføres som en regulerbar ventil for regulering av fluidums trøm i en strømningslinje i en prosess i et kjemisk anlegg. Det vil videre være klart for en fagmann at mange modifikasjoner og endringer i apparatet kan ut-føres uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og ramme. F.eks. kan ventilhuset ha forskjellig utforming eller ha flensforbindelser istedenfor det T-formete hus med gjengeforbindelser som vist. En fagmann på området vil kunne komme frem til andre modifikasjoner av oppfinnelsen, og av denne grunn bør de her viste■utføringsfor-mer anses som illustrerende og ikke begrensende for foreliggende oppfinnelse. Det er søkerens intensjon at kravene skal dekke alle slike ekvivalente modifikasjoner og variasjoner som faller innen-for oppfinnelsens sanne ånd og ramme.

Claims (10)

1. Regulerbar strupeventil for regulering av en strøm av brønnfluidum med slipende virkning,karakterisertved at den omfatter et ventilhus (10) med en innløpsåpning (12) gjennom hvilken brønnfluidum kan strømme inn i huset og en ut-løpsseksjon (14) , gjennom, hvilken brønnfluidet kan strømme ut av huset, samt et ven.tilsete (26) med en innvendig konisk overflate (54,58) anordnet i ventilhuset nedstrøms av innløpsåpningen, idet setet har en utløpsåpning (56) og idet setets koniske overflate har en lengde som er minst 0,25 ganger utløpsåpningens diameter, en aksielt bevegelig plugg (24) som strekker seg gjennom setet og har en konisk form tilsvarende den koniske form i setet , slik at den sammen med setet danner en konisk ringformet åpning, hvilken plugg har en avkortet nedstrømsende (23) med en diameter fra 0,2 til 0,6 ganger diameteren til setets utløpsåpning, samt organer for justerbar bevegelse av pluggen for variabel regulering av arealet i den koniske ringformede åpning mellom setet og pluggen.

2. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 1,karakterisert vedat den omfatter indikatororganer festet til organene for justerbar bevegelse av pluggen for angi-velse av det åpne areal i den ringformede åpning.

3. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 1,karakterisert vedat setet er opplagret i et holderorgan anordnet i husets utløpsseksjon, hvilket holderorgan danner et konstajt utløpsareal for et brønnfluidum.f"

4. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 1,karakterisert vedat setet og pluggen innbefatter motsvarende første og andre konforme koniske overflater, hvilke andre, overflater er beliggende oppstrøms av de første overflater og anordnet med en vinkel på ca. 45 grader til pluggens akse for å danne motstående koniske ringformede seteflater for stengning av den regulerbare strupeventil.

5. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 1,karakterisert vedat organene for justerbar bevegelse av pluggen omfatter en stamme festet til pluggen, hvilken stamme har et gjengeparti som dreier i et tilsvarende gjengeparti i huset..

6. Regulerbar strupeventil for regulering av en brønnflui-dumstrøm med slipevirkning, karakterisert vedat den. omfatter et ventilhus med en innløpsåpning som kommuniserer med en brønnfluidumkilde og en utløpsåpning for uttømning av brønnfluidet fra ventilhuset, et ventilsete anordnet i ventilhuset nedstrøms av innløpsåpningen, hvilket sete har første og andre innvendig koniske overflater, idet den første overflate er beliggende nedstrøms av den andre-overflate og danner en utløpsåpning, idet den første overflate har en lengde på minst 0,25 ganger diameteren på utløpsåpningen., en plugg med en første og andre konisk overflate innrettet til å samvirke med de motsvarende overflater i setet , hvilken plugg strekker seg gjennom setet for sammen med dette å danne en ringformet åpning, hvilken plugg har en avkortet nedstrømsende med en diameter fra 0,2 til 0,6 ganger diameteren på utløpsåpningen i setet, hvilken plugg er aksielt bevegelig gjennom et sammenhengende om-råde av valgfrie stillinger i forhold til setet, innbefattende en stilling hvor de samvirkende koniske overflater til pluggen og setet er i anlegg mot hverandre for å stenge den regulerbare strupeventil, samt organer for selektiv regulering av pluggens st"illing i forhold til setet for innstilling av arealet i den ringformede åpning for en ønsket strømning av brønnfluidum gjennom strupeventilen.

7. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 6, kara k,-t e r i s e r t ved at den omfatter indikatororganer som omgir organene for selektiv regulering for å angi arealet i den ringformede åpning tilsvarende pluggens stilling i setet.

8. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 6,karakterisert vedat pluggens første koniske overflate danner en vinkel på ca. 80 grader med pluggaksen og pluggens andre koniske overflate danner en vinkel på ca. 45 grader med pluggaksen.

9. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 6,karakterisert vedat organene for selektiv regulering innbefatter en stamme som strekker seg aksielt fra pluggens opp-strømsende og har utvendige, gjenger innrettet til å samvirke med tilsvarende gjengeparti på huset.

10. Regulerbar strupeventil som angitt i krav 6,karakterisert vedat setet og pluggen omfatter sintret wolframkarbid.