BRPI0400195B1

BRPI0400195B1 - Válvula de segurança para um acoplamento de vedação com um tubular dentro de um furo de poço

Info

Publication number: BRPI0400195B1
Application number: BRPI0400195-8A
Authority: BR
Inventors: Raul Araujo
Original assignee: Varco Shaffer Inc
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2015-03-03
Also published as: BRPI0400195A; NO336196B1; US6857634B2; US20040164494A1; NO20040728L

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VÁLVULA DE SEGURANÇA PARA UM ACOPLAMENTO DE VEDAÇÃO COM UM TUBULAR DENTRO DE UM FURO DE POÇO".

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção refere-se a um conjunto de válvula de segurança (BOP comumente utilizado para a vedação com tubulares de campo de petróleo. Mais particularmente, esta invenção refere-se a aperfeiçoamentos nos insertos metálicos fornecidos dentro dos mecanismos de vedação do conjunto de vedação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [002] As válvulas de segurança utilizadas nas operações de recuperação de hidrocarbonetos têm sido tradicionalmente fabricadas com êmbolos radialmente opostos que movem-se para dentro para vedar contra o tubular, então movem-se para fora para deixar uma junta de ferramenta passar pelo BOP. Cada êmbolo de vedação contém um elastômero relativamente grande para executar a vedação desejada tanto com o tubular quanto com o êmbolo oposto. [003] De modo a fornecer BOPs mais confiáveis capazes de suportar diferenciais de pressão mais altos, insertos metálicos foram fornecidos dentro do elastômero dos êmbolos do BOP. A Patente U.S. 4.229.012 descreve uma válvula de segurança do tipo de êmbolo com insertos metálicos como mostrado na Figura 3A. Placas metálicas estão posicionadas acima e abaixo das porções de vedação, e um pino estende-se através de cada porção de vedação lateral e para dentro das placas. Um mecanismo de conexão é fornecido para conectar as porções laterais a um êmbolo de obturador. A válvula de segurança descrita na Patente U.S. 4.332.367 inclui insertos metálicos adjacentes cada um configurado como mostrado na Figura 3. Os insertos metálicos descritos na Patente U.S. 4.444.404 estão configurados para deslizarem circunferencialmente em relação a insertos adjacentes durante o processo de expansão ou de redução do diâmetro de vedação da válvula de segurança. A Patente U.S. 4.550.895 descreve barras de reforço metálicas as quais estão embutidas no elastômero de cada êmbolo de um BOP. Os insertos metálicos descritos na Patente U.S. 5.011.110 incluem flanges que estendem-se circunferencialmente para encaixarem dentro do recesso de um inserto adjacente. [004] As válvulas de segurança têm utilizado os insertos metálicos os quais movem-se um em relação ao outro no modo de uma íris para variar o diâmetro de um furo de BOP. A Patente U.S. 6.296.225 descreve um BOP com insertos metálicos projetados para moverem-se deste modo dentro de cada êmbolo oposto do BOP. A Patente U.S. 6.367.804 descreve insertos com um pilar para interconectar o corpo superior e o corpo inferior de cada inserto. As Figuras 9 e 11 fornecem vistas em perspectiva de um inserto adequado de acordo com a Patente '804. [005] Os BOPs da técnica anterior têm várias desvantagens as quais limitaram a sua aceitação na indústria de exploração e recuperação de petróleo e gás. Algumas das limitações nos BOPs da técnica anterior referem-se ao grande diâmetro da válvula de segurança, a qual idealmente é tão pequena quanto possível tanto na altura vertical quanto no diâmetro total, enquanto que também vedando confiavel-mente contra uma ampla gama de elementos tubulares. Apesar dos BOPs que utilizam os insertos metálicos serem capazes de suportar pressões mais altas do que os BOPs sem tais insertos, os insertos metálicos têm dificuldade em vedar confiavelmente contra um alto diferencial de pressão através do BOP fechado. Técnicas aperfeiçoadas são assim requeridas para fornecer um BOP mais confiável o qual não tenha as desvantagens da técnica anterior, possa ser fabricado e mantido a um custo relativamente baixo, e o qual substancialmente minimize ou impeça a extrusão do material de vedação do BOP. [006] As desvantagens da técnica anterior são superadas pela presente invenção. Uma válvula de segurança aperfeiçoada e um êm-bolo de vedação para a válvula de segurança estão daqui em diante descritos, com o conjunto de vedação incluindo uma pluralidade de insertos metálicos com características aperfeiçoadas comparado com os insertos da técnica anterior.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [007] O BOP da presente invenção proporciona uma alta confiabilidade de vedação, enquanto que também vedando com tubulares sobre uma ampla gama de diâmetros externos de tubulares. Os insertos metálicos estão tipicamente colocados em uma disposição circun-ferencial e de flange. Cada um dos insertos tem uma configuração geralmente triangular, e estes estão dispostos para deslizarem em um modo de íris uns em relação aos outros. O número de insertos circun-ferencialmente espaçados fornecidos dependerá das especificações de diâmetro de vedação do BOP. Os insertos podem estar colocados em uma disposição para expandir em uma direção horária ou anti-horária. [008] É uma característica da invenção que o ângulo da face externa para cada inserto seja de aproximadamente 20° a aproximadamente 30° em relação à face dianteira. [009] Uma característica relativa do inserto é que a face oposta do inserto triangular está inclinada de aproximadamente 10° a aproximadamente 30° em relação a uma tangente ao furo, po r meio disto, fornecendo um conjunto de BOP altamente confiável com um diâmetro relativamente pequeno.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0010] Figura 1 é uma vista lateral, parcialmente em corte transversal, de uma modalidade exemplar da válvula de segurança de a-cordo com a presente invenção. [0011] Figura 2 é uma vista em corte transversal de topo que ilustra os insertos metálicos nos conjuntos de vedação, com o conjunto de êmbolo inferior mostrado em acoplamento com um tubular, e o conjunto de êmbolo superior mostrado na sua posição de diâmetro expandido. [0012] Figura 3 é uma vista ilustrativa de um dos insertos metálicos genericamente mostrados nas Figuras 1 e 2. [0013] Figura 4 é outra vista do inserto mostrado na Figura 3, com um inserto adjacente mostrado em linhas tracejadas. [0014] Figura 5 ilustra os insertos circunferencialmente dispostos posicionados para vedar o conjunto de BOP em um tubular de grande diâmetro, com o material de vedação removido para clareza. [0015] Figura 6 é uma vista de topo que ilustra os insertos circunferencialmente dispostos posicionados para um acoplamento de vedação com um tubular de pequeno diâmetro, com o material de vedação removido para clareza. [0016] Figura 7 ilustra em maiores detalhes o ligeiro espaço adjacente a um ressalto antiextrusão.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS [0017] O conjunto de BOP 10 inclui um alojamento 11 com um furo central para receber um tubo de perfuração DP e os conjuntos de blocos de êmbolos radialmente opostos 12, 14 cada um incluindo um conjunto de vedação de borracha ou material elastômero 16, 18 para um acoplamento de vedação com o tubo de perfuração DP ou outro tubular que passe através do BOP. Cada um dos conjuntos de vedação inclui uma pluralidade de insertos 20, como mostrado nas Figuras 2 e 3, com os insertos dispostos dentro do conjunto de vedação para formarem uma disposição 22 de insertos metálicos dentro de cada conjunto de bloco de êmbolo. A extremidade radialmente para fora de cada conjunto de bloco de êmbolo está adaptada para acoplamento com a extremidade de um êmbolo hidraulicamente acionado (não mostrado). Os êmbolos opostos convencionais para acionar os êmbolos são bem conhecidos na técnica, e estão tipicamente incluídos no conjunto de BOP. Êmbolos hidraulicamente acionados adequados estão descritos nas Patentes da técnica anterior acima discutidas, e estão incorporados por referência aqui. [0018] Os insertos metálicos 20 de forma geralmente triangular como mostrado na Figura 3 cooperam uns com os outros para expandir e contrair radialmente em um modo uniforme enquanto movendo-se em relação aos insertos adjacentes em um padrão de íris. Cada inser-to 20 é geralmente triangular no sentido que o seu corpo superior 24 e o seu corpo inferior 26 têm uma configuração geralmente triangular quando olhando para baixo em um inserto ao longo de um eixo geométrico geralmente paralelo ao eixo geométrico central do tubular e assim do furo do BOP. Um inserto 20 adequado inclui um corpo superior 24 com um ressalto esquerdo 28 e um recesso direito 30. O corpo inferior 26 similarmente pode incluir um ressalto esquerdo 32 (ver Figura 4) e um recesso direito 34. O ressalto superior 28 e o ressalto inferior 32 (ver Figura 4) assim cada um preenche parcialmente os respectivos recessos ou cavidades 30, 34 para interconectar os insertos circunferencialmente sobrepostos na disposição. Em modalidades alternativas, o ressalto e o recesso no corpo inferior podem ser opostos ao ressalto e ao recesso no corpo superior. O ressalto superior pode alternativamente ser fornecido em um lado do inserto e o recesso inferior fornecido no lado oposto do inserto. [0019] Como mostrado na Figura 3, o corpo superior 24 e o corpo inferior 26 de cada inserto de forma triangular 20 estão, cada um, dotados com uma face traseira 36, uma face oposta radialmente para fora 38, e uma face dianteira 40. Na modalidade preferida, a face traseira 36 está inclinada de aproximadamente 20° a aproximadamente 30° em relação à face dianteira 40, a qual é geralmente tangente o furo no ponto de contato com o tubo de perfuração DP, como mostrado nas figuras de 5 a 7. A face oposta radialmente para fora 38 no corpo superior e inferior de cada inserto está, de preferência, inclinada de a-proximadamente 50° a 80° em relação à face dianteira 40. Se o ângulo da face radialmente para fora 38 for aumentado para mais do que a-proximadamente 40° em relação a uma tangente ao furo, mais área fica disponível para o material elastomérico atuar na face radialmente para fora e assim desejavelmente forçar o inserto para um acoplamento mais apertado com o inserto adjacente. Um ângulo além de 40°, no entanto, também restringe efetivamente o comprimento das cavidades 30, 34 nos corpos superior e inferior para receber os ressaltos correspondentes, ou aumenta o comprimento radial de cada inserto e assim o diâmetro de cada conjunto de vedação, e assim o diâmetro total do BOP. [0020] Para obter um diâmetro de BOP relativamente pequeno desejado, a faixa angular acima para a face oposta 38 maximiza a capacidade dos insertos 20 deslizarem confiavelmente para dentro na direção do centro do furo e para fora afastando do centro do furo em uníssono com outros insertos durante o fechamento e a abertura da disposição. Esta característica ainda minimiza o atrito de deslizamento de cada inserto evitando cargas excessivas sobre as superfícies deslizantes do inserto durante o fechamento da disposição de segmentos. [0021] Cada inserto 20 pode estar dotado com um corpo superior e inferior como acima discutido, e uma nervura integral 50 conectando os corpos superior e inferior de cada inserto. O projeto da nervura 50 permite uma borracha ou material elastomérico entre os insertos metálicos na disposição, com a nervura de cada inserto interconectando o corpo superior e o corpo inferior para posicionar cada inserto dentro do conjunto de vedação para alcançar o resultado desejado. A nervura 50 de cada inserto assim inclui uma superfície dianteira 52 a qual fica espaçada radialmente para fora da superfície radialmente mais interna 54 do inserto, e uma superfície radialmente externa 56 espaçada radialmente para dentro de uma superfície radialmente mais externa 58 de cada inserto. Os insertos 20 podem ser fornecidos na porção semicircular de cada conjunto de bloco de êmbolo 12, 14, e podem também ser fornecidos em cada um do par de membros de perna 62 e 63 (ver Figura 2) que estendem-se radialmente para fora de uma extremidade de cada porção semicircular. [0022] De acordo com uma modalidade preferida, um ressalto an-tiextrusão direcionado radialmente para dentro 46 em cada inserto 20 estende-se da face dianteira 40 do corpo superior 24 do inserto para minimizar o espaço de extrusão o qual de outro modo ocorrería ou no BOP de pequeno diâmetro, no BOP de grande diâmetro, ou em ambos. A resistência da borracha ou do elastômero à extrusão diminui dramaticamente quando exposta a altas temperaturas. Pelo fechamento deste espaço de extrusão com o ressalto 46 em cada inserto, o BOP pode ser mais confiavelmente utilizado em operações de alta temperatura e/ou de alto diferencial de pressão. O ressalto antiextru-são 46 está fornecido no corpo superior de cada inserto, já que o topo do conjunto de vedação 16, 18 está sujeito ao maior diferencial de pressão e é assim mais provável de experimentar a extrusão do material elastomérico. Um ressalto antiextrusão 46 e um rasgo correspondente para receber este ressalto poderia também ser fornecido no corpo inferior de cada inserto. [0023] O ressalto antiextrusão 46 projeta-se do corpo superior de cada inserto e desliza para dentro de um rasgo 44 (ver Figuras 3 e 4) dentro do corpo superior de um inserto metálico adjacente. O rasgo 44 tem uma espessura para receber o ressalto antiextrusão 46, e diminui significativamente o espaço de extrusão e fornece uma contenção au- mentada da borracha, por meio disto aperfeiçoando o desempenho de vedação sob as condições de operação tanto convencional quanto de alta pressão. Cada ressalto antiextrusão 46 assim estende-se em uma direção oposta da face traseira 36 em relação à face dianteira 40 do inserto 20. O ressalto antiextrusão está principalmente projetado para minimizar o espaço de extrusão entre o diâmetro externo do tubular dentro do BOP e a face dianteira 40 de cada inserto metálico na disposição. Minimizando este espaço de extrusão, a capacidade de cada inserto suportar e restringir o material de vedação no material elasto-mérico durante as operações de vedação de êmbolos múltiplos fica significativamente aumentada. [0024] Cada ressalto antiextrusão 46 inclui uma porção de ressalto inicial a qual está rebaixada de uma ponta 25 de preferência arredondada de cada corpo superior 24. A posição do ressalto antiextrusão é uma função da gama de diâmetros externos de tubo pretendida para vedar confiavelmente com o conjunto de vedação que inclui os inser-tos 20, com os insertos fornecendo o suporte desejado para uma operação de vedação confiável. Uma disposição de segmentos exemplar de acordo com a presente invenção móvel em um padrão de íris está determinada para uma operação confiável dentro de um conjunto de vedação para uma gama de tubulares de um tubo de diâmetro externo de 8,89 cm (3,5 pol.) até um tubo de diâmetro externo de 19,36 cm (7,625 pol.). O ressalto antiextrusão 46 fica, de preferência, posicionado substancialmente a meio caminho entre a gama máxima e mínima de diâmetros externos de tubo, a qual para o projeto acima seria um tubo de diâmetro externo de 14,92 cm (5,875 pol.). O ressalto antiextrusão está localizado próximo do tubo de diâmetro externo 14,92 cm (5,875 pol.) mas evita interferência entre o tubo de perfuração DP e o ressalto 46, como mostrado na Figura 7. Nesta posição, o ressalto antiextrusão 46 minimiza o espaço de extrusão entre os segmentos na disposição de íris e o tubo de diâmetro externo de 14,92 cm (5,875 pol.). Para o menor diâmetro externo de tubo, por exemplo, um diâmetro externo de 8,89 cm (3,5 pol.), o espaço de extrusão é maior, e aumenta com o tubo de diâmetro maior. Uma vez que as pontas dos segmentos ficam mais juntas, o ressalto 46 não pode fornecer tanto suporte para a borracha, mas ainda fornece substancialmente mais suporte do que os segmentos da técnica anterior sem o ressalto anti-extrusão. [0025] A localização preferida do ressalto antiextrusão deve ser apreciada pelo reconhecimento da posição do ressalto na disposição de íris quando o espaço de extrusão é o menor, por exemplo, o tubo de diâmetro externo de 8,89 cm (3,5 pol.). O ressalto 46 não deve contactar o tubo antes que o corpo superior 24 do inserto contacte o tubo, ou o ressalto 46 pode ser destruído já que provavelmente este seria pequeno demais para suportar as tensões de contato criadas durante o acoplamento de vedação do conjunto de vedação com o tubo. Con-seqüentemente, o ressalto 46 fica idealmente localizado em uma posição ditada por uma faixa média entre o tubo de diâmetro externo mínimo e máximo determinado para utilização com o conjunto de BOP. [0026] A extensão do espaçamento do ponto de vértice imaginário 70 do corpo superior 24 de cada inserto triangular para o início 72 de cada ressalto 46 variará com as especificações de cada válvula de segurança, mas de preferência, o espaçamento entre o ponto 70 e o ponto de início 72 de cada ressalto antiextrusão será de pelo menos 5% da média ou diâmetro nominal do BOP, o que assim fornece um acoplamento de vedação com um tubular de menor diâmetro e um tubular de maior diâmetro. O ressalto antiextrusão estende-se do ponto 72 ao longo da porção em rampa curva 64 (ver Figuras 3 e 7) e então termina na superfície de face 66, a qual pode ser substancialmente paralela à face dianteira 40 do corpo superior 24. A porção radialmente para fora de cada ressalto antiextrusão estende-se ao longo da inclinação 68 de volta para a face dianteira do corpo superior. O rasgo 44 no inserto adjacente está dimensionado para receber o ressalto 46. [0027] Pelo espaçamento do ressalto antiextrusão da porção radialmente interna do inserto, existe uma menor probabilidade de ter uma conexão tubular "pendurada" em uma parte relativamente fina e assim fraca do ressalto antiextrusão, o que podería danificar o ressalto antiextrusão. Conseqüentemente, configurando o ressalto antiextrusão 46 como acima discutido reduz substancialmente a probabilidade de ex-trusão do material elastomérico, no entanto, torna efetivamente o ressalto antiextrusão forte e, portanto, resistente a danos se uma conexão tubular ficar pendurada em um inserto. [0028] Apesar das modalidades preferidas da presente invenção terem sido ilustradas em detalhes, fica aparente que modificações e adaptações das modalidades preferidas ocorrerão àqueles versados na técnica. No entanto, deve ser expressamente compreendido que tais modificações e adaptações estão dentro do espírito e escopo da presente invenção como apresentado nas reivindicações seguintes.

Claims

1. Válvula de segurança para um acoplamento de vedação com um tubular dentro de um furo de poço, que compreende: um corpo de válvula de segurança (11) com um furo central; um par de conjuntos de blocos de êmbolos opostos (12, 14), cada conjunto de bloco de êmbolo (12, 14) incluindo um bloco de êmbolo em uma extremidade interna de uma haste de cilindro; e um conjunto de vedação (16, 18) carregado por cada bloco de êmbolo e radialmente móvel para um acoplamento e desacoplamento de vedação com o tubular, cada conjunto de vedação (16, 18) incluindo uma vedação resiliente para acoplar vedantemente o tubular e uma pluralidade de insertos (20) pelo menos substancialmente embutidos na vedação resiliente para impedir a extrusão da vedação resiliente; sendo que cada inserto (20) inclui um corpo superior geralmente em forma triangular (24) e um corpo inferior geralmente em forma triangular (26), cada corpo superior (24) e corpo inferior (26) tendo uma face dianteira (40), uma face traseira (36) e uma face oposta radialmente para fora (38); caracterizado pelo fato de que cada inserto (20) compreender ainda: uma nervura (50) interconectando fixamente o corpo superior (24) e o corpo inferior (26); um ressalto antiextrusão (46) que estende-se da face dianteira (40) do corpo superior (24); e uma ranhura antiextrusão (44) na face traseira (36) do corpo superior (24) para receber o ressalto antiextrusão (50) de um inserto adjacente (20).

2. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de insertos (20) movem- se em um padrão de íris para alterar uma dimensão radial para permitir a vedação em torno de uma faixa de tubulares tendo diâmentros externos diferentes.

3. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a face traseira (36) está inclinada de 60° a 70° em relação a uma tangente ao furo central no corpo de válvula de segurança (11)

4. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a face oposta radialmente para fora (38) está inclinada de aproximadamente 10° a aproximadamente 40° em relação a uma tangente ao furo central no corpo de válvula de segurança (11).

5. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada um do corpo superior (24) e do corpo inferior (26) inclui um ressalto (28, 32) que estende-se circun-ferencialmente de uma da face dianteira (40) e da face traseira (36), e uma cavidade (30, 34) da outra da face dianteira (40) e da face traseira (36) para receber um ressalto adjacente (28, 32).

6. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a o ressalto antiextrusão (46) de cada inserto (20) inclui uma porção em rampa curva (64) que começa com um ponto de início (72) espaçado radialmente para fora de uma porção radialmente mais interna da face dianteira (40).

7. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que um espaçamento radial entre um vértice imaginário (70) do corpo superior (24) e o ponto de início (72) de cada porção em rampa curva (64) é de pelo menos 5% de um diâmetro nominal do válvula de segurança.

8. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o ressalto antiextrusão (46) de cada inserto (20) inclui uma superfície de face (66) espaçada radialmente para fora da porção em rampa curva (64) e substancialmente paralela à face dianteira (40) do corpo superior (240.

9. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a nervura (50) de cada inserto (20) inclui uma superfície dianteira (52) espaçada radialmente para fora de uma superfície radialmente mais interna (54) do inserto (20) e uma superfície traseira (56) espaçada radialmente para dentro de uma superfície radialmente mais externa (58) do inserto (20).

10. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ainda pelo fato de que: a vedação resiliente possui uma porção geralmente semicircular e um par de membros de perna opostos (62, 63), cada qual estendendo-se radialmente para fora de cada extremidade da porção semicircular; e insertos metálicos adicionais são posicionados dentro de cada um dos membros de perna (62, 63).

11. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que uma abertura radial entre um vértice imaginário (70) no corpo superior (24) e o ponto de início (72) de cada porção em rampa curva (64) é de pelo menos 5% de um diâmetro nominal do válvula de segurança.

12. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a face traseira (36) está inclinada de 20° a 30° em relação à face dianteira (40).

13. Válvula de segurança de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a referida pluralidade de insertos (20) movem-se em um padrão de íris para alterar uma dimensão radial para permitir a vedação em torno de uma faixa de tubulares tendo diâmentros externos de 89 mm (3,5 polegadas) a 194 mm (7,625 polegadas).