BRPI0713850A2 - aparelho para isolar uma zona de pressão alta de uma zona de pressão baixa e conjuntos de vedação - Google Patents

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BRPI0713850A2
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Hydril Usa Mfg Llc
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    • E21B33/061Ram-type blow-out preventers, e.g. with pivoting rams
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Abstract

APARELHO PARA ISOLAR UMA ZONA DE PRESSãO ALTA DE UMA ZONA DE PRESSãO BAIXA E CONJUNTOS DE VEDAçãO. A presente invenção refere-se a um conjunto de vedação disposto dentro de um canal de vedação radial engajado com a vedação de uma cobertura dentro de um furo. O conjunto de vedação inclui uma superfície de vedação radial, uma superfície de vedação axial, uma superfície de saída, e uma superfície de pré-carga axial. O conjunto de vedação é empurrado em direção à parede longitudinal e fora da parede radial do canal de vedação radial quando a pressão em uma zona de pressão alta aumenta.

Description

"APARELHO PARA ISOLAR UMA ZONA DE PRESSÃO ALTA DE UMA ZONA DE PRESSÃO BAIXA E CONJUNTOS DE VEDAÇÃO"
Campo da Invenção
As realizações descritas no presente referem-se, de forma geral, a protetores contra explosões (Blowout Preventers - BOP) utilizados na indústria de petróleo e gás. Especificamente, as realizações selecionadas referem-se a protetores contra explosões com um conjunto de vedação inovador para vedar entre zonas de alta pressão e de baixa pressão.
Antecedentes da Invenção
O controle de poços é um aspecto importante da exploração de petróleo e gás. Ao perfurar um poço, por exemplo, dispositivos de segurança devem ser colocados no lugar para evitar lesões aos trabalhadores e danos aos equipamentos resultantes de eventos inesperados associados às atividades de perfuração.
A perfuração de poços envolve a penetração de uma série de substratos geológicos subterrâneos, ou "camadas". Ocasionalmente, o orifício de um poço penetrará em uma camada que possui uma pressão de formação substancialmente mais alta que a pressão mantida no orifício do poço. Quando isso ocorre, afirma-se que o poço "levou um chute". O aumento da pressão associado a um chute geralmente é produzido por um fluxo de entrada de fluidos de formação (que podem ser um líquido, gás ou sua combinação) no orifício do poço. O chute de pressão tende a propagar-se a partir de um ponto de entrada no orifício superior do poço (de uma região sob alta pressão para uma região sob baixa pressão). Caso se permita que o chute atinja a superfície, fluido de perfuração, ferramentas do poço e outras estruturas de perfuração podem explodir para fora do orifício do poço. Estas "explosões" podem resultar na destruição catastrófica do equipamento de perfuração (incluindo, por exemplo, a armação de perfuração) e lesões substanciais ou morte do pessoal da armação.
Devido ao risco de explosões, dispositivos conhecidos como protetores contra explosões ("BOPs") são tipicamente instalados acima da cabeça do poço na superfície ou no fundo do mar em disposições de perfuração em águas profundas para vedar efetivamente um orifício de poço até que possam ser tomadas medidas ativas para controlar o chute. BOPs podem ser ativados de tal forma que os chutes sejam adequadamente controlados e "circulados para fora" do sistema. Existem vários tipos de BOPs, dos quais os mais comuns são os protetores contra explosões anulares e protetores contra explosões do tipo aríete. Deste ponto em diante, protetores contra explosões do tipo aríete serão discutidos com mais detalhes.
Com referência à Figura 1, é exibido um exemplo de BOP do tipo aríete 100. O BOP do tipo aríete 100 inclui tipicamente um corpo 102 e pelo menos duas coberturas em disposição oposta 104. Coberturas 104 podem ser fixadas ao corpo 102, por exemplo, com parafusos e/ou uma articulação, de forma que a cobertura 104 possa ser removida para manutenção.
Alternativamente, conforme exibido na Figura 1, coberturas 104 podem ser fixadas ao corpo 102 utilizando um mecanismo de trava radial 106 para permitir o deslizamento e a rotação das coberturas 104 quando necessário para manutenção.
Encaixado em cada cobertura 104, encontra-se um aríete acionado por pistão 108. Tipicamente, os aríetes 108 são aríetes com orifícios variáveis ou canos que, quando ativados, movem-se para encaixar e rodear ferramentas de poços e/ou canos de perfuração para vedar o orifício do poço, aríetes de corte que, quando ativados, movem-se para encaixar e cortar fisicamente qualquer cano de perfuração e/ou ferramentas de poços no orifício de poço ou aríetes cegos que, quando ativados, movem-se para encaixar e fechar o orifício de poço quando nenhum cano de perfuração estiver presente. Aríetes 108 podem encontrar-se em locais opostos entre si ao longo de um eixo 112 e podem vedar-se entre si próximos ao centro de um orifício de poço 110. Mais discussões sobre protetores contra explosões do tipo aríete e vedações de alta pressão são fornecidas na Patente Norte-Americana n° 6.554.247 ("a patente '247"), emitida para Berckenhoff, atribuída ao cessionário da presente invenção e integralmente incorporada ao presente como referência.
Como ocorre com qualquer ferramenta utilizada na perfuração de poços de petróleo e gás, os protetores contra explosões necessitam ser vedados e fixados para evitar potenciais danos ao ambiente circunvizinho e ao pessoal de trabalho. BOPs do tipo aríete podem incluir, por exemplo, vedações sob alta pressão entre as coberturas e o corpo do BOP para evitar vazamento de fluidos. Em muitos casos, as vedações sob alta pressão são vedações elastoméricas e deverão ser verificadas regularmente para garantir que os componentes elastoméricos não tenham sido cortados, deformados permanentemente ou deteriorados, por exemplo, por meio de uma reação química com o fluido de perfuração no orifício do poço.
Com referência agora à Figura 2 (tomada da patente '247), um exemplo de BOP do tipo aríete 200 inclui uma portadora de vedação facial sob alta pressão 202 para vedar entre uma cobertura 104 e um corpo 102. A portadora de vedação facial 202 é disposta em uma ranhura 204 formada na cobertura 104 em volta do eixo 112. A portadora de vedação facial 202 inclui dois anéis de vedação elastoméricos 206, 208 e um mecanismo de orientação 210. Os anéis de vedação 206, 208 encaixam de forma vedante as superfícies do corpo 102 e da cobertura 104, enquanto o mecanismo de orientação 210 orienta a portadora de vedação facial 202 da cobertura 104 em direção ao corpo 102. Uma preocupação com uma vedação deste tipo é que, em um BOP, a cobertura e o corpo do BOP podem necessitar ser maiores para acomodar uma vedação facial. A portadora de vedação facial 202 é retida, por exemplo, no interior de uma superfície facial 212 da cobertura 104 para vedação contra o corpo 102. Isso necessita que a cobertura 104 (e o corpo correspondente 102) sejam radialmente maiores para reter o conjunto de vedação facial 104 que o que pode ser necessário para uma vedação radial. Além disso, vedações faciais podem ser mais suscetíveis a uma perda de integridade de vedação. Ao vedar-se ao longo de imperfeições e defeitos (tais como arranhões, cortes e abrasões) em superfícies de vedação, as superfícies de face podem ser mais susceptíveis a vazamentos ao longo da vedação.
Com referência agora à Figura 3A, é exibido esquematicamente um exemplo de uma vedação radial 302. A Figura 3A é retirada da Patente Norte americana n° 3.887.198 (emitida para McCIure et al e integralmente incorporada ao presente como referência). Conforme exibido, a vedação radial 302 é disposta em uma ranhura 306 de um eixo 304 e vedações entre o eixo 304 e o corpo 308. Um fluido F entra através de um espaço 310 entre o eixo 304 e o corpo 308 para a ranhura 306. O fluido F entra sob alta pressão e impulsiona a vedação radial 302 para encaixe vedante com um outro espaço 312 entre o eixo 304 e o corpo 308. De forma similar, em um outro exemplo esquemático exibido na Figura 3B, uma vedação radial 302 pode incluir adicionalmente um anel 314 para garantir espaçamento apropriado da vedação radial 302 entre o corpo 308 e o eixo 304. A Figura 3B é retirada da Patente Norte americana n° 3.970.321 (emitida para Dechavanne e integralmente incorporada ao presente como referência). Uma preocupação com esses tipos de conjuntos de vedação, entretanto, pode referir-se à incapacidade de vedação sob baixas pressões. Sob baixa pressão, por exemplo, a vedação radial 302 pode não conter fluido F suficiente para pressurizar e impulsionar a vedação radial 302 em encaixe de vedação com o espaço 312.
Com referência agora à Figura 4, é exibido um outro exemplo de BOP do tipo aríete 400 que inclui uma vedação radial 408. A vedação radial 408 é disposta em uma ranhura 406 formada em uma cobertura 404 em volta do eixo 112. O retentor 407 é utilizado para reter a vedação radial 408 no interior da ranhura 406. A vedação radial 408 veda entre a cobertura 404 e um corpo 402. Conforme exibido, a vedação radial 408 inclui diversos anéis 410 que podem fornecer suporte estrutural para a vedação radial 408. Uma preocupação com as vedações radiais é que, sob alta pressão, o corpo 402 pode expandir-se em volta do eixo 112, enquanto a cobertura 404 permanece com dimensões relativamente estáveis. Nesta condição, a vedação radial 408 pode não ser capaz de vedar eficientemente entre o corpo 408 e a cobertura 404.
Conseqüentemente, existe a necessidade de um conjunto de vedação para vedar entre superfícies sob alta pressão sem sacrificar capacidades de vedação sob baixa pressão.
Descrição Resumida da Invenção
Em um aspecto, realizações descritas no presente referem-se a um aparelho para isolar uma zona de alta pressão de uma zona de baixa pressão. O aparelho compreende uma cobertura encaixada no interior de um orifício ao longo de um eixo, uma ranhura de vedação radial localizada em um dentre a cobertura e o orifício, em que a ranhura de vedação radial compreende uma parede radial e uma parede longitudinal, e um conjunto de vedação disposto na ranhura radial. O conjunto de vedação compreende uma superfície de vedação radial, uma superfície de vedação axial, uma superfície de ventilação, uma superfície de carga prévia axial e um anel de reforço ao lado da parede longitudinal e unido ao menos parcialmente ao conjunto de vedação. Pelo menos uma parte da superfície de ventilação e da superfície de vedação radial são previamente carregadas de forma radial e pelo menos uma parte da superfície de carga prévia axial e da superfície de vedação axial são previamente carregadas de forma axial.
Em um outro aspecto, as realizações descritas no presente referem-se a um conjunto de vedação disposto no interior de uma ranhura de vedação radial para encaixe vedante de uma cobertura no interior de um orifício. O conjunto de vedação compreende uma superfície de vedação radial, uma superfície de vedação axial, uma superfície de ventilação, uma superfície de carga prévia axial, um anel de reforço unido ao menos parcialmente ao lado da superfície de vedação axial e pelo menos uma ventilação para permitir comunicação entre uma zona de alta pressão e a superfície de ventilação. A superfície de vedação radial encaixa de forma vedante contra o orifício e a superfície de vedação axial encaixa de forma vedante contra uma parede longitudinal da ranhura de vedação radial. Além disso, o conjunto de vedação é impulsionado em direção à parede longitudinal e para longe de uma parede radial da ranhura de vedação radial ao aumentar a pressão em uma zona de alta pressão.
Em um outro aspecto, as realizações descritas no presente referem-se a um conjunto de vedação disposto no interior de uma ranhura de vedação radial para encaixe vedante de uma cobertura no interior de um orifício. O conjunto de vedação compreende uma portadora de vedação, uma superfície de vedação radial, uma superfície de vedação axial, uma superfície de ventilação, uma superfície de carga prévia axial, um elemento de vedação disposto sobre a superfície de vedação radial e um elemento de vedação disposto sobre a superfície de vedação axial. O elemento vedante disposto sobre a superfície de vedação radial encaixa-se de forma vedante contra o orifício e o elemento de vedação disposto sobre a superfície de vedação axial encaixa-se contra uma parede longitudinal da ranhura de vedação radial. Além disso, o conjunto de vedação é impulsionado em direção à parede longitudinal e para longe de uma parede radial da ranhura de vedação radial ao aumentar a pressão em uma zona de alta pressão.
Outros aspectos e vantagens da presente invenção serão evidentes a partir da descrição a seguir e das reivindicações anexas.
Breve Descrição das Figuras
A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um protetor contra explosões do tipo aríete do estado da técnica.
A Figura 2 é uma vista em seção cruzada de uma portadora de vedação sob alta pressão do estado da técnica entre uma cobertura e um corpo BOP de um protetor contra explosões do tipo aríete.
A Figura 3A é uma vista em seção cruzada de uma vedação sob alta pressão do estado da técnica disposta em uma ranhura em volta de um eixo.
A Figura 3B é uma vista em seção cruzada de uma vedação sob alta pressão do estado da técnica com um anel para vedação em volta de um eixo.
A Figura 4 é uma vista em seção cruzada de uma vedação do estado da técnica disposta entre uma cobertura e um corpo de BOP de um protetor contra explosões do tipo aríete.
A Figura 5A é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 5B é uma vista em perspectiva de um conjunto de vedação de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 6 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 7 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial de acordo com uma realização da presente invenção. A Figura 8 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial sob baixa pressão de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 9 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial sob alta pressão de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 10 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 11 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 12 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 13 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 14 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação de acordo com uma realização da presente invenção.
A Figura 15 é uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação disposto em uma ranhura de vedação radial de acordo com uma realização da presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
Em um aspecto, as realizações descritas no presente fornecem um aparelho de vedação entre zonas de alta pressão e de baixa pressão. Em um outro aspecto, as realizações descritas no presente fornecem um aparelho para vedar entre uma cobertura e um orifício de um protetor contra explosões do tipo aríete. Além disso, em um outro aspecto, as realizações descritas no presente fornecem um aparelho de vedação para vedar entre uma cobertura e um orifício de um protetor contra explosões do tipo aríete sob alta pressão e baixa pressão.
Com referência agora às Figuras 5A e 5B, é exibido um conjunto de vedação 500 de acordo com uma realização da presente invenção. A Figura 5A exibe uma seção cruzada do conjunto de vedação completo 500 exibido na Figura 5B. Na Figura 5B, o conjunto de vedação é ilustrado como possuindo um formato oval, como pode ser utilizado em volta de uma cobertura de um protetor contra explosões do tipo aríete, mas os técnicos comuns no assunto apreciarão que a presente invenção não se limita a nenhum formato específico. Em uma outra realização, por exemplo, o conjunto de vedação pode possuir um formato circular.
Desta forma, o conjunto de vedação 500 inclui um corpo de vedação 500 com um anel de reforço 502 ao menos parcialmente unido a ele. Em uma realização, apenas uma parte do anel de reforço 502 pode ser unida ao conjunto de vedação 500. Alternativamente, em uma outra realização, todo o anel de reforço 502 pode ser unido ao conjunto de vedação 500. Independentemente, o anel de reforço 502 pode ser unido ao conjunto de vedação 500 por qualquer meio conhecido na técnica, incluindo, mas sem limitar-se a adesão ou vulcanização. O conjunto de vedação 500 inclui adicionalmente uma superfície de vedação radial 506, uma superfície de vedação axial 508, uma superfície de ventilação 510 e uma superfície de carga prévia axial 512. Em uma realização, a superfície de ventilação 510 pode incluir uma ranhura de liberação da superfície de ventilação 514. Em uma outra realização, a superfície de carga prévia axial 512 pode incluir uma ranhura de liberação de superfície de carga prévia axial 516. Além disso, o conjunto de vedação 500 pode compreender qualquer material viscoelástico conhecido na técnica (tal como borracha e elastômeros). Além disso, o anel de reforço 502 pode compreender qualquer material metálico conhecido na técnica (tal como aço ou titânio), além de qualquer resina termoplástica ou termorretrátil e reforço de material conhecido na técnica (tal como epóxi com fibra de carbono ou fibra de vidro).
Com referência agora à Figura 6, é exibida uma seção cruzada de um conjunto de vedação 500 disposto entre um orifício 604 e uma cobertura 602 de acordo com uma realização da presente invenção. Conforme exibido, a cobertura 602 encaixa o orifício 604 em volta de um eixo 600, de tal forma que o conjunto de vedação 500 encaixe de forma vedante o orifício 604 para isolar uma zona de alta pressão 605 de uma zona de baixa pressão 606. Embora realizações da presente invenção sejam descritas no presente em termos da sua capacidade de aplicação a um aparelho BOP, os técnicos comuns no assunto apreciarão que a presente invenção pode ser utilizada em qualquer aplicação de vedação sob pressão. Desta forma, os termos "cobertura" e "orifício" são utilizados genericamente e não deverão limitar-se a uma aplicação de protetor contra explosões. Portanto, o termo "cobertura" pode ser utilizado para descrever um membro macho e o termo "orifício" pode ser utilizado para descrever um membro fêmea em uma aplicação de vedação macho e fêmea.
Conforme exibido, um conjunto de vedação 500 é disposto em uma ranhura de vedação radial entalhada 608 da cobertura 602. A ranhura de vedação radial 608 inclui uma parede longitudinal 609 e uma parede radial 610. Da forma utilizada no presente, o termo "ranhura" é utilizado genericamente para definir qualquer canal, entalhe, etapa ou ressalto que possa permitir a disposição do conjunto de vedação no seu interior. Em uma realização, o conjunto de vedação 500 pode ser retido no interior da ranhura de vedação radial 608 por um retentor de vedação 607. O retentor de vedação 607 pode ser fixado de forma removível à cobertura 602, por exemplo, por meio de um parafuso, conforme exibido na Figura 6. Em uma outra realização, uma ventilação sob alta pressão 612 pode ser utilizada para permitir a comunicação fluida entre a zona de alta pressão 605 e a superfície de ventilação 510 do conjunto de vedação 500. Além disso, a ventilação sob alta pressão 612 pode fornecer fluido sob alta pressão para ventilar a ranhura de liberação da superfície 514 (quando presente) do conjunto de vedação 500. Em uma outra realização, um espaço de alta pressão 614 e um espaço de baixa pressão 616 podem ser isolados pelo conjunto de vedação 500. Liberação de alta pressão 614 pode fornecer o fluido sob alta pressão da zona de alta pressão para a ranhura de liberação da superfície de carga prévia axial 516 (quando presente) do conjunto de vedação 500. Conforme exibido na Figura 6, a superfície de vedação axial 508 do conjunto de vedação 500 encaixa de forma vedante contra a parede longitudinal 609 da ranhura de vedação radial 608. De forma similar, a superfície de vedação radial 506 do conjunto de vedação 500 encaixa de forma vedante contra uma superfície do orifício de BOP 604.
Com referência agora à Figura 7, é exibida uma vista em seção cruzada do conjunto de vedação 500 disposto entre a cobertura 602 e o orifício de BOP 604 de acordo com uma realização da presente invenção. Conforme exibido, o conjunto de vedação 500 é disposto no interior de uma ranhura de vedação radial 608 da cobertura 602. Os técnicos comuns no assunto apreciarão, entretanto, que as realizações da presente invenção não estão limitadas à ranhura de vedação radial disposta no interior da cobertura. Alternativamente, o conjunto de vedação pode ser disposto no interior de uma ranhura de vedação radial do orifício BOP. Independentemente, conforme exibido na Figura 7, no lugar de um retentor de vedação (tal como 607 da Figura 6), um braço 702 do orifício de BOP 604 pode ser utilizado para reter o conjunto de vedação 500 entre a cobertura 602 e o orifício de BOP 604. Desta forma, os técnicos comuns no assunto apreciarão que as realizações da presente invenção não se limitam ao uso de um retentor de vedação para reter o conjunto de vedação entre a cobertura e o orifício de BOP.
Conforme exibido, um espaço de alta pressão 614 pode permitir que o fluido da zona de alta pressão 605 comunique-se com a ranhura de liberação de superfície de ventilação 514 e uma ranhura de liberação de superfície de carga prévia axial 516 do conjunto de vedação 500. Especificamente, a superfície de ventilação 510 pode compreender uma ventilação sob alta pressão 612A para permitir que o fluido da zona de alta pressão 605 comunique-se com a ranhura de liberação 514 através de uma abertura de alta pressão 614 e a superfície de carga prévia 512 pode compreender uma ventilação de alta pressão 612B para permitir que o fluido da zona de alta pressão 605 comunique-se com a ranhura de liberação 514 por meio do espaço de alta pressão 614. Desta forma, os técnicos comuns no assunto apreciarão que as realizações da presente invenção podem possuir a ventilação sob alta pressão disposta no interior da cobertura (conforme exibido na Figura 6) ou orifício do BOP ou pode possuir a ventilação de alta pressão disposta no interior do próprio conjunto de vedação (conforme exibido na Figura 7). Além disso, os técnicos comuns no assunto apreciarão que a presente invenção não se limita a uma série de ventilações de pressão, conforme também indicado na Figura 7.
Com referência agora à Figura 8, é exibida uma vista em seção cruzada do conjunto de vedação 500 em um estado previamente carregado entre a cobertura 602 e o orifício de BOP 604 de acordo com uma realização da presente invenção. Especificamente, conforme exibido, o conjunto de vedação 500, a cobertura 602 e o orifício de BOP 604 são expostos a pressão de operação relativamente baixa, de tal forma que o espaço de alta pressão 614 e o espaço de baixa pressão 616 podem ser pequenos ou completamente fechados. Sob baixas pressões de operação, o conjunto de vedação 500 é capaz de conter os fluidos de zonas de alta pressão 605 sem expansão radial de corpo de BOP em volta do eixo 600. Sob essas baixas pressões de operação, o conjunto de vedação 500 encaixa-se de forma vedante entre a cobertura 602 e o orifício de BOP 604, de forma a isolar a zona de alta pressão 605 da zona de baixa pressão 606. Desta forma, o conjunto de vedação 500 encontra-se em um estado de carga prévia, de tal forma que o conjunto de vedação 500 seja deformado elasticamente no interior da ranhura de vedação radial 608. Especificamente, quando elasticamente deformado no estado de carga prévia, o conjunto de vedação 500 possui forças Si-S4 que agem sobre as superfícies 506, 508, 510 e 512 do conjunto de vedação 500. A superfície de vedação radial 506 possui uma força de carga prévia Si exercida pela superfície do orifício de BOP 604 na direção da superfície de ventilação 510. A superfície de vedação axial 508 possui uma força de carga prévia S2 exercida pela parede longitudinal 609 na direção da superfície de carga prévia 512. A superfície de ventilação 510 possui uma força de carga prévia S3 exercida pela parede radial 610 da ranhura de vedação radial 608 na direção da superfície de vedação radial 506. Além disso, a superfície de carga prévia 512 possui uma força de carga prévia S4 exercida pelo retentor de vedação 607 na direção da superfície de vedação axial 508.
Quando deformadas elasticamente em um estado previamente carregado em baixa pressão de operação, ranhuras de liberação 514, 516 (quando presentes) podem fornecer alívio para o conjunto de vedação 500. Como o conjunto de vedação 500 pode ter seu volume restringido quando contido no interior da ranhura de vedação radial 608 sob baixas pressões de operação, ranhuras de liberação 514,516 podem fornecer regiões de volume em excesso, de forma a permitir que o material do conjunto de vedação 500 flua quando deformado elasticamente.
Além disso, em algumas realizações, o anel de reforço 502 do conjunto de vedação 500 pode fornecer sustentação estrutural para o conjunto de vedação 500. Conforme exibido na Figura 8, por exemplo, o conjunto de vedação 500 pode deformar-se elasticamente sob baixa pressão de operação quando restrito no interior da ranhura de vedação radial 608. Para evitar que o material do conjunto de vedação 500 se desloque para o espaço de baixa pressão 616, o anel de reforço 502 pode ser posicionado ao lado da parede longitudinal 609 para sustentar o corpo do conjunto de vedação 500. Preferencialmente, o anel de reforço 502 pode ser composto de um material com módulo de elasticidade inferior ao orifício 604 do corpo de BOP. Além disso, conforme exibido, o anel de reforço 502 possui uma razão de aspecto de cerca de 2:1 para maximizar a rigidez e a área de união enquanto o tamanho é minimizado. Os técnicos comuns no assunto apreciarão, entretanto, que as realizações da presente invenção não se limitam a um tamanho, formato ou configuração específica do anel de reforço. Em uma outra realização, por exemplo, o anel de reforço pode ser segmentado, de tal forma que o conjunto de vedação possui o anel de reforço ao longo de partes selecionadas do conjunto de vedação no lugar de um anel contínuo em volta de todo o conjunto de vedação. Nesta realização, partes selecionadas do anel de reforço podem ser alternadas com partes de um elastômero para permitir a expansão radial e compressão do anel de reforço conforme o necessário. As partes do anel de reforço e as partes do elastômero podem entrelaçar-se ou unir-se entre si. Isso pode permitir a fabricação de um conjunto de vedação mais econômico, com elastômero substituído por metal para partes selecionadas do anel de reforço. Além disso, em uma outra realização, o anel de reforço pode ser uma mola enrolada, de tal forma que possa também expandir-se radialmente e comprimir- se conforme o necessário.
Com referência agora à Figura 9, é exibida uma vista em seção cruzada do conjunto de vedação 500 disposto entre a cobertura 602 e o orifício de BOP 604 de acordo com uma realização da presente invenção. Na Figura 9, o conjunto de vedação 500, a cobertura 602 e o orifício 604 do corpo de BOP são expostos a uma pressão de operação relativamente alta. Como resultado da pressão de operação elevada, o corpo de BOP expande-se ou aumenta de tamanho em volta do eixo 600, de tal forma que o orifício 604 possa aumentar de tamanho. Em um corpo de BOP avaliado em 103.400 kPa, por exemplo, que experimente pressões de mais de 137.900 kPa para testes de pressão conforme exigido pelo Instituto Norte americano do Petróleo, o orifício de BOP e o corpo foram observados em expansão radial de mais de 0,203 cm. À medida que o orifício de BOP aumenta de tamanho, o espaço de alta pressão 614 e o espaço de baixa pressão 616 podem aumentar de tamanho em comparação com os exibidos na Figura 8. De forma similar, o volume eficaz da ranhura de vedação radial 608 pode aumentar de tamanho em comparação com o exibido na Figura 8.
Na Figura 9, fluidos da zona de alta pressão 605 são capazes de entrar na ranhura de vedação radial 608. Especificamente, os fluidos entram através do espaço de alta pressão 614 para agir sobre a ranhura de liberação 516 da superfície de carga prévia axial 512 e entram através da ventilação de alta pressão 612 para agir sobre a ranhura de liberação 514 da superfície de ventilação 510. As pressões de fluidos que agem sobre as superfícies 512, 514 resultam em uma força resultante de pressão P que age sobre o conjunto de vedação 500 que impulsiona o conjunto de vedação 500 em direção à superfície de vedação radial 506 e à superfície de vedação axial 508. Além disso, à medida que o orifício 604 do corpo de BOP aumenta de tamanho, o conjunto de vedação 500 pode não se encontrar mais em um estado previamente carregado. Desta forma, quando em uma configuração de baixa pressão de operação conforme exibido na Figura 8, o conjunto de vedação 500 pode ser previamente carregado elasticamente pela restrição de volume no interior da ranhura de vedação radial, a cobertura e o orifício de BOP para isolar de forma vedante as zonas de alta pressão e de baixa pressão. Por outro lado, sob pressão de operação relativamente alta, fluidos da zona de alta pressão agem sobre o conjunto de vedação 500 para fixar de forma vedante a cobertura e o orifício de BOP.
Com referência agora à Figura 10, é exibido um conjunto de vedação 500 de acordo com uma realização da presente invenção. Conforme exibido, o conjunto de vedação 500 compreende diversos compostos. Os diversos compostos podem incluir um composto de baixo durômetro 1002 e um composto de alto durômetro 1004. O composto de baixo durômetro 1002 pode incluir uma superfície de vedação radial 506 e uma superfície de vedação axial 508. Além disso, o composto de alto durômetro 1004 pode incluir uma superfície de ventilação 510, uma superfície de carga prévia axial 512 e ranhuras de liberação 514, 516. Desta forma, o composto de baixo durômetro 1002 pode encaixar de forma vedante a superfície do orifício de BOP 604 e a parede longitudinal 609 da ranhura de vedação radial 608, enquanto o composto de alto durômetro 1004 pode encaixar de forma vedante a superfície do retentor de vedação 607 e a parede radial 610 da ranhura de vedação radial 608. Dever-se-á compreender que os técnicos comuns no assunto apreciarão que a presente invenção não se limita a uma configuração específica ou quantidade dos diversos compostos para o conjunto de vedação. Em uma outra realização, por exemplo, a ranhura de vedação pode incluir três ou mais compostos diferentes em que o composto de durômetro mais alto inclui a superfície de ventilação e a superfície de carga prévia axial, um composto de durômetro médio inclui a superfície de vedação radial e o composto de durômetro mais baixo inclui a superfície de vedação axial. Além disso, conforme exibido na Figura 10, duas ventilações de pressão 612A e 612B são utilizadas para ventilar fluidos da zona de alta pressão 605 para o conjunto de vedação 500, uma primeira ventilação de pressão 612A em comunicação com a ranhura de liberação 514 e uma segunda ventilação de pressão 612B em comunicação com a ranhura de liberação 516.
Com referência agora à Figura 11, é exibida uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação 500 de acordo com uma realização da presente invenção. Especificamente, o conjunto de vedação 500 é composto de um único composto multidurômetro, em que o durômetro do conjunto de vedação 500 aumenta na direção D. Desta forma, o durômetro do conjunto de vedação 500 aumenta da superfície de vedação radial 506 para a superfície de ventilação 510 e da superfície de vedação axial 508 para a superfície de carga prévia axial 512. Os técnicos comuns no assunto apreciarão, entretanto, que a presente invenção não se limita a nenhum composto multidurômetro específico ou nenhum gradiente de durômetro específico.
Com referência agora à Figura 12, é exibida uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação 500 que possui mecanismos de orientação 1202 de acordo com uma realização da presente invenção. Conforme exibido, os mecanismos de orientação 1202 são dispostos sobre a superfície de ventilação 510 e a superfície de carga prévia axial 512. Desta forma, os mecanismos de orientação 1202 impulsionam o conjunto de vedação 500 em direção à parede longitudinal 609 e para longe da parede radial 610 da ranhura de vedação radial 608. Os técnicos comuns no assunto apreciarão que os mecanismos de orientação podem ser de qualquer tipo conhecido na técnica (tais como molas ou elastômeros). Desta forma, a constante de mola ou durômetro de mecanismos de orientação 1202 pode ser selecionada de forma a resultar em uma quantidade preferida de carga prévia para o conjunto de vedação 500.
Com referência agora à Figura 13, é exibida uma vista em seção cruzada de um conjunto de vedação 500 que possui um reforço de tecido 1302 de acordo com uma realização da presente invenção. Conforme exibido, o reforço de tecido 1302 estende-se da superfície de vedação radial 506 até a superfície de vedação axial 508 de um conjunto de vedação 500. Desta forma, em uma realização, o anel de reforço 502 é ao menos parcialmente unido ao reforço de tecido 1302 do conjunto de vedação 500. O reforço de tecido pode ser utilizado para reforçar o conjunto de vedação ao vedar entre a zona de alta pressão e a zona de baixa pressão. O material de reforço de tecido pode também ser composto de qualquer material de tecido conhecido na técnica, tal como KEVLAR®, disponível por meio da DuPont. Além disso, conforme exibido na Figura 13, o conjunto de vedação 500 pode também incluir um mecanismo de orientação 1202 localizado na intersecção da superfície de ventilação 510 e da superfície de carga prévia axial 512. De forma similar à realização exibida na Figura 12, o mecanismo de orientação 1202 impulsiona o conjunto de vedação 500 em direção à parede longitudinal 609 e para longe da parede radial 610 da ranhura de vedação radial 608. Os técnicos comuns no assunto apreciarão que a presente invenção não se limita a nenhuma configuração específica de mecanismos de orientação 1202 ou reforço de tecido 1302.
Com referência agora à Figura 14, é exibido um conjunto de vedação 1400 que inclui uma portadora de vedação 1404 e uma série de elementos de vedação 1410A, 141OB de acordo com uma realização da presente invenção. Especificamente, um elemento de vedação 141OA é disposto em uma ranhura de superfície de vedação radial 1406 de um conjunto de vedação 1400 e um elemento de vedação 141OB é disposto na ranhura de superfície de vedação axial 1408 do conjunto de vedação 1400. Elementos de vedação 1410A, 1410B podem ser de qualquer tipo conhecido na técnica, tais como anéis ou borracha moldada. Conforme exibido na Figura 14, o elemento de vedação 141OA é um anel e o elemento de vedação 141OB é borracha moldada. A portadora de vedação 1404 pode ser composta de qualquer material conhecido na técnica. Preferencialmente, a portadora de vedação 1404 pode ser composta de um material com módulo de elasticidade inferior à cobertura ou ao orifício de BOP do corpo de BOP. A portadora de vedação 1404 pode ser composta, por exemplo, de titânio quando o orifício de BOP for composto de aço. Além disso, o conjunto de vedação 1400 pode incluir mecanismos de orientação 1202.
Em uma realização, sob baixas pressões de operação, podem ser utilizados mecanismos de orientação para fazer com que elementos de vedação 1410A, 141OB encaixem de forma vedante o orifício de BOP 604 e a cobertura 602. Sob alta pressão de operação, em que o orifício de BOP 604 expande-se rapidamente, fluido da zona de alta pressão pode impulsionar a portadora de vedação 1404 do conjunto de vedação 500 em direção à superfície de vedação radial 506 e à superfície de vedação axial 508. Nas duas circunstâncias, os elementos de vedação 1410A, 141OB da portadora de vedação 1404 podem ser utilizados para encaixar de forma vedante o orifício de BOP 604 e a cobertura 602 para isolar zonas de alta pressão e de baixa pressão.
Em uma realização, sob baixas pressões de operação, podem ser utilizados mecanismos de orientação 1202 para fazer com que elementos de vedação 1410A, 141OB encaixem de forma vedante o orifício de BOP 604 e a cobertura 602. Sob altas pressões de operação, em que o orifício de BOP 604 expande-se radialmente, fluido da zona de alta pressão pode impulsionar a portadora de vedação 1404 do conjunto de vedação 500 em direção à superfície de vedação radial 506 e à superfície de vedação axial 508. Nas duas circunstâncias, elementos de vedação 1410A, 141OB da portadora de vedação 1404 podem ser utilizados para encaixar de forma vedante o orifício de BOP 604 e a cobertura 602 para isolar zonas de alta pressão e de baixa pressão.
Conforme discutido acima, os técnicos comuns no assunto apreciarão que, em uma realização da presente invenção, a ranhura de vedação radial pode ser disposta no orifício de BOP ou na cobertura. Conforme exibido, por exemplo, na Figura 15, a ranhura de vedação radial 608 que possui uma parede longitudinal 609 e uma parede radial 610 é disposta no orifício de BOP 604. Sob altas pressões de operação, os fluidos da zona de alta pressão 605 comunicam-se com a ranhura de liberação 514 do conjunto de vedação 500 por meio da ventilação sob alta pressão 612. Além disso, os fluidos da zona de alta pressão 605 podem ser fornecidos para a ranhura de liberação da superfície de carga prévia 516 por meio do espaço de alta pressão 614. Desta forma, com as pressões elevadas que agem sobre o conjunto de vedação 500, o conjunto de vedação 500 é impulsionado em direção à parede longitudinal 609 e para longe da parede radial 610 da ranhura de vedação radial 608.
Os técnicos comuns no assunto apreciarão que a presente invenção não se limita a uso na indústria de produção de petróleo, mas pode também ser empregada em qualquer campo em que seja necessária a vedação radial de uma superfície em expansão. Além disso, embora realizações da presente invenção tenham exibido até aqui o conjunto de vedação como sendo uma vedação estática na qual a cobertura permaneceu substancialmente estacionária com relação ao orifício de BOP, conjuntos de vedação de acordo com uma realização da presente invenção podem também ser utilizados em aplicações de vedação dinâmica. Uma cobertura circular pode, por exemplo, girar em volta de um eixo, de forma similar a uma haste que gira em volta de um eixo, com relação a um orifício. Alternativamente, uma cobertura pode realizar movimento recíproco ao longo de um eixo, similar a um pistão em movimento recíproco ao longo de um eixo, com relação a um orifício. Nessas realizações, um conjunto de vedação de acordo com uma realização da presente invenção pode ser utilizado para encaixar com vedação dinâmica a cobertura com o orifício. Nessas aplicações, entretanto, a cobertura gira preferencialmente em uma baixa velocidade angular ou realiza movimento recíproco com uma baixa freqüência com relação ao orifício, para maximizar a vida útil do conjunto de vedação.
Além disso, os técnicos comuns no assunto apreciarão que as realizações da presente invenção podem ser utilizadas para fornecer repetidamente o encaixe de vedação entre o corpo de BOP e a cobertura. Como o conjunto de vedação pode deformar-se elasticamente apenas quando restrito pela ranhura de vedação radial, o conjunto de vedação pode evitar deformação permanente. Desta forma, o conjunto de vedação pode ser utilizado para fornecer repetidamente um encaixe de vedação sob muitos ciclos de baixa pressão de operação e alta pressão de operação, sem arriscar a integridade do conjunto de vedação.
Além disso, os técnicos comuns no assunto apreciarão que realizações da presente invenção podem ser utilizadas em conjunto com outras vedações. Uma realização da presente invenção pode ser utilizada, por exemplo, com uma vedação facial ou outras vedações radiais. Desta forma, a presente invenção não se limita ao uso de conjuntos de vedação descritos no presente.
Convenientemente, as realizações descritas no presente podem fornecer um conjunto de vedação para vedação eficiente entre um corpo de BOP e uma cobertura sob baixa pressão de operação. Além disso, as realizações descritas no presente podem fornecer um conjunto de vedação que pode vedar eficientemente entre um corpo de BOP e uma cobertura sob altas pressões de operação, particularmente se o corpo de BOP possuir a tendência de expansão sob essas pressões. Além disso, as realizações descritas no presente podem fornecer um conjunto de vedação para vedação eficiente entre um corpo de BOP e uma cobertura sob baixas e altas pressões de operação, em que um dentre o corpo de BOP e a cobertura gira com relação ao outro. Embora a presente invenção tenha sido descrita com relação a uma quantidade limitada de realizações, os técnicos no assunto, de posse do benefício do presente relatório descritivo, apreciarão que podem ser idealizadas outras realizações que não abandonam o escopo da presente invenção conforme aqui descrito. Conseqüentemente, o escopo da presente invenção deverá ser limitado apenas pelas reivindicações anexas.

Claims (33)

1. APARELHO PARA ISOLAR UMA ZONA DE PRESSÃO ALTA DE UMA ZONA DE PRESSÃO BAIXA, compreendendo: uma cobertura engajada dentro de uma perfuração junto com um eixo; um canal de vedação radial localizado em uma das coberturas ou perfuração em que o canal de vedação radial compreende uma parede radial e uma parede longitudinal; e um conjunto de vedação disposto no canal de vedação radial, o conjunto de vedação compreendendo: uma superfície de vedação radial, uma superfície de vedação axial, uma superfície de saída, uma superfície de pré-carga axial, e um anel de segurança (backup) adjacente à parede longitudinal e pelo menos parcialmente ligado ao conjunto de vedação; em que pelo menos uma porção da superfície de saída e a superfície de vedação radial são pré-carregadas radialmente; e em que pelo menos uma porção da superfície de pré-carga axial e a superfície de vedação axial são pré-carregadas axialmente.
2. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo pelo menos uma saída de pressão alta para permitir que o fluido se comunique entre a zona de pressão alta e a superfície de saída do conjunto de vedação.
3. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que, sob pressão operacionalmente alta, o conjunto de vedação é empurrado contra a parede longitudinal e fora da parede radial no canal de vedação radial.
4. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjunto de vedação compreende pelo menos um mecanismo polarizado.
5. APARELHO, de acordo com a reivindicação 4, em que pelo menos um mecanismo polarizado é selecionado do grupo consistindo de molas, elastômeros e borrachas.
6. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, adicionalmente compreendendo um retentor de vedação removidamente seguro a uma das coberturas ao furo.
7. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que a cobertura rotaciona em torno do eixo em relação à perfuração.
8. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que a cobertura corresponde ao eixo em relação à perfuração.
9. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjunto de vedação compreende um veículo de vedação e uma pluralidade e elementos de vedação.
10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o conjunto de vedação compreende pelo menos um dentre o grupo consistindo de elastômeros, borracha sintética e borracha natural.
11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 10, em que o conjunto de vedação compreende compostos múltiplos.
12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 10, em que o conjunto de vedação é um composto de compostos multi-durômetros.
13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 10, em que o conjunto de vedação adicionalmente compreende reforço de tecido.
14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que a superfície de saída compreende um canal de liberação.
15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que a superfície de pré-carga axial compreende um canal de liberação.
16. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o anel de segurança (backup) compreende um dentre um anel continuo, um anel segmentado, e uma mola enrolada.
17. CONJUNTO DE VEDAÇÃO, disposto dentro de um canal de vedação radial para encaixar com vedação uma cobertura dentro de uma perfuração, o conjunto de vedação compreendendo: uma superfície de vedação radial; uma superfície de vedação axial; uma superfície de saída; uma superfície de pré-carga axial; um anel de segurança pelo menos parcialmente ligado de forma adjacente à superfície de vedação axial; e pelo menos uma saída para permitir comunicação entre uma zona de pressão alta e a superfície de saída; em que a superfície de vedação radial se encaixa com vedação contra a perfuração e a superfície de vedação axial se encaixa com vedação contra a parede longitudinal do canal de vedação radial; e em que o conjunto de vedação é empurrado em direção da parede longitudinal e fora da parede radial do canal de vedação radial quando a pressão na zona de pressão alta aumenta.
18. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, em que o conjunto de vedação compreende mecanismos polarizados.
19. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, adicionalmente compreendendo um retentor de vedação removidamente seguro a uma das coberturas e ao furo para reter a conjunto de vedação dentro do canal de vedação radial.
20. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, em que o conjunto de vedação compreende um veiculo de vedação e uma pluralidade de elementos de vedação.
21. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, em que o conjunto de vedação compreende pelo menos um dentre o grupo consistindo de elastômeros, borracha sintética e borracha natural.
22. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 21, em que o conjunto de vedação compreende compostos múltiplos.
23. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 21, em que o conjunto de vedação é um composto de multi-durômetro.
24. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 21, em que o conjunto de vedação adicionalmente compreende reforço de tecido.
25. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, em que a superfície de saída compreende um canal de liberação.
26. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, em que a superfície de pré-carga axial compreende um canal de liberação.
27. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 17, em que o anel de segurança compreende um dentre um anel continuo, um anel segmentado, e uma mola enrolada.
28. CONJUNTO DE VEDAÇÃO disposto dentro de um canal de vedação radial para encaixar com vedação uma cobertura dentro de uma perfuração, o conjunto de vedação compreendendo: um veículo de vedação; uma superfície de vedação radial; uma superfície de vedação axial; uma superfície de saída; uma superfície de pré-carga axial; um elemento de vedação disposto na superfície de vedação radial; e um elemento de vedação disposto na superfície de vedação axial; em que o elemento de vedação disposto na superfície de vedação radial se encaixa com vedação contra o furo e o elemento de vedação disposto na superfície de vedação axial se encaixa com vedação contra uma parede longitudinal do canal de vedação radial; e em que o conjunto de vedação é empurrado em direção à parede longitudinal e fora da parede radial do canal de vedação radial quando a pressão na zona de pressão alta aumenta.
29. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 28, em que um módulo de elasticidade de um material do veiculo de vedação é menor que o módulo de elasticidade da perfuração.
30. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 29, em que o veiculo de vedação é composto de titânio.
31. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 28, adicionalmente compreendendo pelo menos uma saída para permitir comunicação entre a zona de pressão alta e a superfície de saída.
32. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 28, adicionalmente compreendendo pelo menos um mecanismo polarizado.
33. CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 28, em que pelo menos um dos elementos de vedação é moldado em borracha.
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