BRPI0713246A2

BRPI0713246A2 - dispositivo de vendação

Info

Publication number: BRPI0713246A2
Application number: BRPI0713246-8A
Authority: BR
Inventors: Tom Henning
Original assignee: Peak Well Solutions As
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2012-10-09
Also published as: EP2041392B1; EP2041392B8; EP2041392A1; DK2041392T3; WO2008020759A1; CA2656827A1; TNSN08524A1; EP2041392A4; MX2009000011A; NO20063285A; NO324763B1; US20100187763A1

Abstract

DISPOSITIVO DE VEDAçãO. A presente invenção se relaciona a um dispositivo de vedação compreendendo uma vedação (1) que é introduzida em uma manga (7), em que a manga (7) fica situada em um tubo-base (11) compreendendo aberturas de válvula (12), e onde o dispositivo de vedação fará a vedação entre a manga (7) e o tubo-base (11). A invenção é caracterizada pelo fato de que a vedação (1) é mantida no lugar através de anéis de suporte (2), onde os anéis de suporte são manitdos no lugar por anéis de travamento (3), onde os anéis de travamento (3) se encaixem em um encaixe de travamento adequado interno (6) na manga (7), onde a manga (7) inclui uma porção roscada (8), onde uma porca de travamento (5) compreendendo um encaixe de travamento adequado exterior (6) fica disposta atarraxada na porção roscada da manga (7) sendo apertada suficientemente para manter os anéis de travamento (3), os anéis de suporte (2) e a vedação (1) no lugar, na manga (7).

Description

"DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO"

A presente invenção se relaciona a um dispositivo de vedação a ser usado em condições severas, tais como condições em que a pressão varia fortemente, condições em que a temperatura varia fortemente, e condições em que o ambiente., é quimicamente agressivo. Além disso, o dispositivo de vedação de acordo com a presente invenção deve atender à exigência de possuir um funcionamento seguro e livre de manutenções durante um longo tempo. A indústria petrolífera usa uma grande variedade de dispositivos de vedação em todas as fases dos processos que levam à condução de óleo e gás, a partir de um reservatório subterrâneo, até a superfície e para o usuário final. A presente invenção se relaciona particularmente a dispositivos de vedação a serem usados sob o solo, mas as vantagens dos dispositivos de vedação de acordo com a presente invenção também podem encontrar seu uso em outro contexto, onde existe a necessidade por dispositivos de vedação robustos.

Após o preenchimento dos recipientes de óleo e gás, as chamadas válvulas cimentadoras são usadas no trabalho de cimentação. As válvulas cimentadoras formam partes da tubulação de produção, e são dispostos de tal modo que elas possam ser abertas e fechadas conforme necessário durante o trabalho de cimentação. As válvulas cimentadoras ficam sujeitas a esforços grandes e variados, tais como grandes diferenciais de pressão, temperaturas elevadas e/ou grandes variações de temperatura, esforços físicos fortes e também um ambiente químico muito severo.

Um tipo de válvula cimentadora compreende uma manga interna que pode ser deslizada de um lado para outro para abrir e fechar as aberturas radiais de uma válvula, ou aberturas de passagem, em um tubo base, respectivamente, e uma válvula cimentadora aberta forma uma comunicação entre o interior e o exterior da tubulação de produção. 0 tubo-base é atarraxado como uma parte da tubulação de produção, e assim a válvula cimentadora forma uma seção de tubulação da tubulação de produção.

Para assegurar que a válvula cimentadora está lacrada quando a manga interna está situada em sua posição fechada, dispositivos de vedação em formato de anel são dispostos entre o lado de fora da manga interna e o interior do tubo base. Estes dispositivos de vedação em formato de anel ficam normalmente situados em ranhuras ou encaixes circundantes que são usinados ou, de outro modo, ficam dispostos na manga. Apesar dos dispositivos de vedação que, deste modo, circundam a manga, serem de um tipo muito robusto e resistente, foi demonstrado que a grande pressão diferencial que surge nas válvulas cimentadoras contribui para esticar e deformar os dispositivos de vedação, de tal modo que os dispositivos de vedação são arrancados dos seus encaixes, ficam comprimidos entre a manga e as portas de passagem da válvula no tubo base, e assim são cortados totalmente ou parcialmente quando a válvula cimentadora é aberta ou fechada. Isto leva novamente a uma considerável redução da capacidade de vedação dos dispositivos de vedação, uma vez que em certos casos eles também podem entrar e passar totalmente através das aberturas de passagem da válvula.

Outro inconveniente dos dispositivos de vedação convencionais é que eles ficam sujeitos ao que é chamado de erosão. Quando as válvulas são abertas, isto é, a manga desliza em relação ao tubo-base e a vedação fica exposta pela porta de passagem da válvula, um intenso fluxo de liquido sobre a vedação exposta pode levar a um desgaste completo ou parcial da vedação e assim a vedação perde totalmente ou parcialmente sua função de vedação.

Há uma faixa limitada de materiais que são adequados para uso em vedações deste tipo. Um modo de dispor o anel de vedação no encaixe de vedação é dilatar por aquecimento o anel de vedação quando ele for colocado na manga e no encaixe de vedação. Quando o anel de vedação esfria, ele fica apertado no lugar, no encaixe de vedação. Porém, este método limita a escolha do material, visando resistência à temperatura e aos esforços, resistência química e tolerância à pressão.

Algumas das substâncias químicas às quais a vedação pode ficar exposta no recipiente compreendem ácido fórmico, ácido clorídrico, soluções salinas, gases ácidos tal como H2, etc.. É um problema conhecido que as temperaturas elevadas podem tornar as vedações quebradiças. Gás pode penetrar no material de vedação e formar bolhas de gás que fazem a vedação "estourar". Dependendo da composição da borra e do material da vedação, as vedações podem ser dissolvidas na borra. A combinação destes fatores, que às vezes também ocorrem concorrentemente, torna difícil a escolha do material de vedação. Quando, além disso, a vedação tiver que ter certas qualidades mecânicas para habilitar a instalação, a escolha é mais limitada ainda.

As vedações convencionais normalmente compreendem Teflon. 0 Teflon tem a tendência de se expandir e de amolecer em temperaturas elevadas, mas se retrai novamente quando a temperatura cai. Para evitar a expansão térmica, entretanto, um material chamado Devlon V tem sido usado. 0 Devlon V é mecanicamente mais forte do que o Teflon e suporta diferenciais de pressão mais altos do que, por exemplo, o Teflon. Embora o Devlon V também se expanda em temperaturas elevadas, ele não se expande tanto quanto o Teflon. O Devlon V tem um ponto de fusão de 216 °C. Se as vedações serão usadas em ambientes com temperaturas ainda mais altas, há um material chamado Peek que suporta até 333 °C. Se o Teflon ou o Peek for usado em ambientes com H2S, as vedações incharão e se tornarão quebradiças com o passar do tempo. Há outros materiais que podem ser usados, mas isto pode custar outras qualidades. 0 preço também é um fator que, logicamente, é levado em consideração: o Devlon V é consideravelmente mais caro do que Teflon, e o Peek é consideravelmente mais caro do que o Devlon V-.

As vedações devem ser flexíveis o bastante para ser colocadas na manga da válvula cimentadora e dentro de um encaixe arranjado para esse propósito. Se as exigências de esforços mecânicos da vedação forem particularmente severas, a vedação, com o material de vedação eleita, será muito rígida para ser colocada na manga.

Com as limitações que existem com respeito à construção mecânica e seleção de materiais, os sistemas de vedação convencionais de hoje não suportam um diferencial de pressão maior do que aproximadamente 100 bar. Além disso, as várias condições desfavoráveis dos recipientes, acima mencionadas, fazem com que os sistemas de vedação convencionais atuais se deteriorem rapidamente, e a acima mencionada tolerância a uma pressão diferencial de aproximadamente 100 bar é rapidamente reduzida a baixos níveis inaceitáveis.

É então um objetivo da presente invenção prover um dispositivo de vedação que, numa extensão muito menor do que os dispositivos de vedação convencionais acima mencionados, é prejudicado pelas ditas desvantagens. De acordo com a presente invenção, este objetivo é alcançado com um dispositivo de vedação que é particularizado pelas características que aparecem na reivindicação independente 1. Mais características vantajosas e formas de incorporação são apresentadas nas reivindicações independentes.

A seguinte é uma descrição detalhada de uma forma de caracterização eleita, com referência às figuras anexas, em que:

A Fig. 1 ilustra um sistema de vedação convencional;

As Figs. 2 e 3 ilustram seções longitudinais de uma válvula cimentadora provida com o dispositivo de vedação de acordo com a presente invenção, e

As Figs. 4 e 5 ilustram em detalhe ampliado o dispositivo de vedação de acordo com a presente invenção.

A Fig. 1 ilustra um sistema de vedação convencional junto com uma manga 20 em uma válvula cimentadora. Uma vedação no formato de um anel "O" 21 fica disposta em um encaixe 22 que circunda a manga 20. O encaixe 22 na manga 20 é grande o bastante para conter anéis adicionais 23, 24, cujo propósito é proteger o anel "O" 21, mas estes anéis adicionais 23, 24 não contribuem para suportar e reter o anel "O" no lugar por meio de forças dirigidas radialmente e exteriormente. Os anéis 23, 24 são semelhantes ao anel "O" 21, pref erivelmente fabricado em Teflon, e por via de regra, semelhante ao anel "O" 21, devem ser aquecidos e colocados na manga 20 para ficarem no lugar.

A presente invenção provê um dispositivo de vedação 10 (vejam-se as figs. 2 a 5) , que compreende uma vedação 1, por exemplo na forma de um anel de vedação, que é mantida no lugar por meio de anéis de suporte 2. Os anéis de suporte 2 funcionam como chavetas de formato adaptado, em que ambos contribuem para ficarem presos ao redor da vedação .1, sendo que eles mesmos são "chavetados" ou presos em posição por meio de anéis de travamento exteriores 3. Os anéis de travamento exteriores 3 têm por sua vez um formato que se ajusta em encaixes de travamento 6 adequados na manga 7. A manga 7 compreende uma porção roscada 8 e também possivelmente uma porção em baixo-relevo .9 que contribuem para reduzir o diâmetro 11 da manga. Quando o dispositivo de vedação 10 é montado, primeiro um anel de travamento exterior 3 é introduzido na porção em baixo relevo da manga 7, fazendo este anel de travamento exterior 3 se encostar e se engatar com o encaixe de travamento 6. Então um anel de suporte .2 é introduzido na porção em baixo relevo da manga 7, fazendo o anel de suporte 2 se encostar e se engatar com o anel de travamento exterior 3. Então, o anel de vedação 1 é introduzido na porção em baixo relevo da manga 7, fazendo o anel de vedação 1 se encostar e se engatar com o encaixe de travamento 6. Então, depois do outro anel de suporte 2 e - do outro anel de travamento 3, antes uma porca de travamento 5, compreendendo encaixes de travamento 6 adequados, é atarraxada na porção roscada 8 da manga 7, e apertada suficientemente para prender os anéis de travamento 3, os anéis de suporte 2 e a vedação 1 no lugar, e possivelmente aplicar ao anel de vedação 1 uma pré-determinada pressão/pré-tensão/compressão. O dispositivo de vedação 10 de acordo com a presente invenção fica disposto de tal um modo que uma pressão diferencial aplicada fará com que a vedação 1, os anéis de suporte 2 e os anéis de travamento 3 fiquem inter-travados para assim proteger contra erosão.

0 dispositivo 10 de vedação de acordo com a presente invenção permite muito maior liberdade de escolha de materiais para a vedação 1. Como os anéis de suporte 2 e os anéis de travamento 3 são arranjados para suportarem uma grande parte dos esforços mecânicos, e como a própria vedação 1 pode ser colocada no lugar sem a necessidade de, antes, ser expandida por aquecimento, ou introduzida por meio de força na manga 1 e em um encaixe de travamento, os materiais para a vedação 1 podem ser escolhidos dentro de uma extensão muito maior, tendo boas propriedades de vedação, térmicas, químicas, de pressão, e de erosão. 0 material do qual os anéis de suporte 2 são fabricados também pode ser adaptado para o mesmo uso que o material do qual a vedação 1 é feita, e também pode ser manufaturado do mesmo material que o da vedação 1. Os anéis de travamento 3 serão fabricados preferivelmente do mesmo material que a manga 7, mas também podem ser fabricados de outro material, por exemplo, um material tendo propriedades que se pode dizer que estejam entre as do material do qual a manga 7 é fabricada, e as do material do qual os anéis de suporte 2 são fabricados, com respeito à dureza, resistência, expansibilidade, etc. A porca de travamento 5 é, via de regra, fabricada do mesmo material que a manga 7, ou equivalente.

De acordo com a presente invenção, é uma característica importante que seja permitido que o dispositivo de vedação 10 se expanda quando a pressão e a temperatura aumentam. 0 dispositivo de vedação 10 é arranjado de tal modo que a vedação 1 suporta melhor a pressão mais alta à qual o dispositivo de vedação fica sujeito. Em pressão mais alta, os anéis de suporte 2 ficarão pressionados mais fortemente contra a vedação, e assim a vedação 1 é comprimida junto e se expande na direção radial. Isto contribuirá novamente para um aumento da pressão da vedação 1 contra o interior do tubo base 11, o que contribui para uma melhor vedação. Os anéis de suporte 2 e o amoldamento entre o anéis de suporte 2 e a vedação 1 previne, porém, que as vedações sejam esmagadas, pressionadas ou sugadas para fora do encaixe no qual a vedação 1 fica situada, e através das aberturas de válvula 12, quando a vedação 1 é exposta a esforços. Além disso, o anéis de suporte 2 e o amoldamento entre os anéis de suporte 2 e a vedação 1 prevenirão que a vedação 1 seja deslocada em relação ao, ou fique retorcida para fora do encaixe no qual a vedação 1 reside.

De acordo com uma forma de caracterização eleita da presente invenção, a vedação e o anéis de suporte 2 são providos com uma configuração de lingüeta-e-encaixe, por exemplo na forma de elevações 13 ou "asas" em cada lado na direção axial da vedação 1, que combinam com encaixes correspondentes nos anéis de suporte 2 (vejam-se as figs. 4 e 5) , que contribuem para segurar a vedação 1 na localização correta entre os anéis de suporte 2, ambos visando prevenir que a vedação 1 seja sugada para fora e visando prevenir que ela fique retorcida em relação aos anéis de suporte 2. Outras configurações compreendem uma "cauda- de-andorinha", um encaixe em formato de "U", encaixe em formato de "V", encaixe em formato de gota, etc., dependendo do que for considerado ótimo para cada caso particular.

De acordo com outra forma de caracterização vantajosa da presente invenção, os anéis de suporte 2 são providos com um lábio que recobre parcialmente a vedação 1 (vejam-se as figs. 4 e 5) . Os anéis de suporte 2 podem possivelmente ser moldados de tal modo que os anéis de suporte 2 circundem parcialmente a vedação 1. Tais projetos contribuem, em uma extensão ainda maior, para manter a vedação 1 no lugar entre os anéis de suporte 2.

De acordo com uma forma de caracterização vantajosa adicional da presente invenção, os anéis de suporte 2 e os anéis de travamento 3 são projetados de tal maneira que os anéis de suporte 2 são mantidos no lugar entre os anéis de travamento 3, por exemplo com os anéis de travamento 3 compreendendo lábios em formato de chaveta que se projetam parcialmente sobre os anéis de suporte 2, e assim previnem que os anéis de suporte 2 fiquem muito salientes ou pulem para fora da sua posição alocada entre os anéis de travamento 3 (vejam-se as figs. 4 e 5) .

De acordo com uma forma de caracterização vantajosa adicional da presente invenção, o dispositivo de vedação 10 funcionará como um raspador contra o interior do tubo base 11, para assim assegurar que a superfície de vedação entre o dispositivo de vedação 10 e o tubo base 11 permaneça livre de cimento e outras partículas não desejadas. Em ambientes salinos o sal pode se cristalizar e se acumular ao redor da vedação. Em tais casos o dispositivo de vedação também funcionará como um raspador, sem que a. própria vedação seja cortada ou danificada pelos cristais de sal.

De acordo com outro aspecto adicional da presente invenção, a resistência e a durabilidade do dispositivo de vedação 10 podem ser melhoradas mais ainda provendo-se a válvula cimentadora com aberturas de ventilação ovais 12 (vejam-se as figs. 2-4). Dando à porta de válvula 12 um formato oval, a distribuição de tensão no tubo base 11 será melhorada, e isto é algo que resulta em uma resistência à tração consideravelmente melhor. A vantagem mais significativa de prover aberturas ovais 12 é, contudo, que a abertura como a vedação 1 "vê" é consideravelmente menor, tendo assim uma abertura menor e mais fina para se expandir, mesmo se a área da abertura de passagem da válvula, na prática, se torna quase duas vezes tão grande quanto para aberturas redondas convencionais. Percebe-se que o dispositivo de vedação 10 fica sujeito à maior carga mecânica durante a abertura ou fechamento da válvula de cimento, expondo o dispositivo de vedação 10 às aberturas de válvula 12. Adicionalmente a abertura de válvula 12 pode, com vantagem ser projetada como uma fresta, de modo que a borda da vedação 1, que se dobra em volta, se torna menos aguda. Um ângulo de afunilamento favorável pode ser de aproximadamente 20°. Além disso, o interior da abertura de válvula 12 é algo arredondado.

O dispositivo de vedação 10 de acordo com a presente invenção pode ser adaptado ao ambiente e aos esforços aos quais a válvula cimentadora será sujeita, adaptando-se os materiais dos anéis de suporte 2 e da vedação 1 e possivelmente também se projetando para os casos individuais de utilização e de condições de uso.

De acordo com a presente invenção, o dispositivo de vedação 10 também pode ser instalado em equipamentos existentes que precisem de vedações robustas e livres de manutenção.

Testes têm demonstrado que o dispositivo de vedação 10 de acordo com a presente invenção suporta facilmente pressões diferenciais de 250 bar, mais que o dobro dos sistemas de vedação convencionais de hoje. Escolhendo outros materiais é possível aumentar consideravelmente a resistência.

A presente invenção provê um dispositivo de vedação mais forte, durável e livre de manutenção. Pelo fato de que o anéis de suporte 2 e os anéis de travamento 3 são configurados de tal modo que eles possam suportar mais do que o máximo de forças mecânicas às quais a vedação 1 fica sujeita, pelo fato de que a configuração com anéis de suporte 2 e anéis de travamento 3 assegura que a vedação 1 fica mais bem mantida no lugar e pelo fato de que a vedação 1 pode ser introduzida na manga .7 sem a vedação 1 precisar ser flexível, muito mais materiais podem ser usados para a vedação 1. Além disso, o dispositivo de vedação 10, em todo caso, é configurado de tal modo que a resistência, a vida útil e a utilidade são radicalmente melhoradas em relação às soluções convencionais atuais.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1."DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", compreendendo uma vedação (1) que é introduzida em uma manga (7), onde a manga (7) fica situada em um tubo base (11) incluindo aberturas de válvula (12) , e onde o dispositivo de vedação fará a vedação entre a manga (7) e o tubo base (11), caracterizado pelo fato de que a vedação (1) é mantida no lugar por anéis de suporte (2), onde os anéis de suporte (2) são mantidos no lugar por anéis de travamento (3), onde os anéis de travamento (3) se encaixam em um encaixe de travamento adequado interno (6) na manga (7), onde a manga (7) inclui uma porção roscada (8) , onde uma porca de travamento (5) compreendendo um encaixe de travamento adequado exterior (6) fica disposta atarraxada na porção roscada da manga (7) sendo apertada suficientemente para manter os anéis de travamento (3) , os anéis de suporte (2) e a vedação (1) no lugar, na manga (7).

2."DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os anéis de suporte (2) são dispostos para funcionar como chavetas de formato adaptado, ambos contribuindo para ficarem presos ao redor da vedação (1) e os quais eles mesmos são chavetados ou presos em posição pelos anéis de travamento exteriores (3) .

3."DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o formato adaptado de chaveta compreende uma configuração de lingüeta-e-encaixe, um encaixe de "cauda-de-andorinha", um encaixe em formato de "U", um encaixe em formato de "V", e/ou um encaixe em formato de gota.

4."DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o anéis de suporte (2) são fabricados dos mesmos materiais que a vedação (1), ou equivalentes.

5."DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que os anéis de travamento (3) são fabricados do mesmo material que a manga (7), ou equivalente.

6. "DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que a porca de travamento (5) é fabricada do mesmo material que a manga (7), ou equivalente.

7. "DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o encaixe de travamento interno (6) é tanto usinado na manga (7) como atarraxado nela ou, de outro modo, é disposto na manga (7) . .

8. "DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o encaixe de travamento interno (6), os anéis de travamento (3), os anéis de suporte (2) , a vedação (1) e também a porca de travamento (5) são todos dispostos para serem atarraxados na manga (7).

9. "DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o encaixe de travamento interno (6), os anéis de travamento (3), os anéis de suporte (2), a vedação (1) e também a porca de travamento (5) são todos dispostos para se encaixarem em um recesso na manga (7).

10. "DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que as aberturas de válvula (12) têm formato oval na direção longitudinal do tubo base (11) .

11.

"DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO", de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que as aberturas de válvula (12) têm formato de. fresta com um ângulo de afunilamento de aproximadamente 20°.