NO161137B

NO161137B - PACKAGE FOR USE IN AN OIL BROWN SYSTEM OR LIKE.

Info

Publication number: NO161137B
Application number: NO81813642A
Authority: NO
Inventors: Andrew C Harvey; David H Mcfadden
Original assignee: Foster Miller Ass
Priority date: 1980-02-29
Filing date: 1981-10-28
Publication date: 1989-03-28
Also published as: DE3175707D1; NO813642L; AU7033581A; NO161137C

Description

Denne oppfinnelse angår teknologi for utvinning av olje eller liknende under jordoverflaten, og mer bestemt angår den en pakning som angitt i ingressen til det etterfølgende patentkrav 1. This invention relates to technology for the extraction of oil or the like below the earth's surface, and more specifically it relates to a seal as stated in the preamble to the subsequent patent claim 1.

Forskjellige tetnings- eller pakningsarrangementer er Various sealing or packing arrangements are

blitt foreslått for avtetning av petroleumproduserende brønner. Et typisk tetningsarrangement er av "baffle"-typen, der én has been proposed for sealing petroleum-producing wells. A typical sealing arrangement is of the "baffle" type, where one

eller flere sylindere er anordnet sammentrykket i lengderetnin-gen. Typiske materialer for disse typer deformerbare tetninger er elastomer og spesielle komponenter såsom grafitt, asbest og tråd. Ved teknikker for forbedring av oljegjenvinning, samt i brønner som benyttes ved geotermisk produksjon, må pakningen ofte avtette foringsrøret eller rør-ringrommet under forhold med høy temperatur, høyt trykk og korrosive overflateomgivelser. Som eksempler på teknikkens stand for pakningen kan nevnes DE Off.skrift nr. 2 931 779, GB patentskrift nr. 1 501 280 og US patentskrift nr. 4 178 020. På grunn av de ugunstige omgivelser og andre tekniske fordringer i forbindelse med slike anvendelser, er det nødvendig å ha en meget varig tetning som kan utnyttes forholdsvis enkelt. or several cylinders are arranged compressed in the longitudinal direction. Typical materials for these types of deformable seals are elastomer and special components such as graphite, asbestos and wire. In techniques for improving oil recovery, as well as in wells used for geothermal production, the gasket must often seal the casing or pipe annulus under conditions of high temperature, high pressure and corrosive surface environments. As examples of the state of the art for the gasket can be mentioned DE Off.skrift no. 2 931 779, GB patent no. 1 501 280 and US patent no. 4 178 020. Due to the unfavorable environment and other technical requirements in connection with such applications , it is necessary to have a very durable seal that can be used relatively easily.

Det nye og særegne ved pakningen ifølge foreliggende oppfinnelse er i første rekke at tetningsringen er fremstilt av et duktilt, metallisk materiale, slik at tetningsringen under påvirkning av hydraulikktrykket deformeres plastisk radielt utad gjennom ringåpningen til tettende anlegg mot foringsrørets motstående overflate. Fordelaktige utføringsformer av pakningen er angitt i de etterfølgende krav 2-9. The new and distinctive feature of the gasket according to the present invention is primarily that the sealing ring is made of a ductile, metallic material, so that the sealing ring is plastically deformed radially outwards through the ring opening to seal against the opposite surface of the casing under the influence of the hydraulic pressure. Advantageous embodiments of the package are specified in the following claims 2-9.

Pakningen er en kompakt anordning som gir en varig og formbar tetning som er særlig anvendbar i ugunstig undergrunns-miljø der høye trykk og høye temperaturer og korrosivt miljø hersker. The gasket is a compact device that provides a durable and malleable seal that is particularly applicable in unfavorable underground environments where high pressures and high temperatures and corrosive environments prevail.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende beskrivelse av spesielle utføringsformer i sammenheng med tegningen, hvor: Fig. 1 er et diagram som viser en typisk anvendelse av en pakning ifølge oppfinnelsen, Further features and advantages of the invention will be apparent from the following description of special embodiments in connection with the drawing, where: Fig. 1 is a diagram showing a typical application of a seal according to the invention,

Fig. 2 er et snitt langs linjen 2-2 på fig. 1, Fig. 2 is a section along the line 2-2 in fig. 1,

Fig. 3 er et snitt lik fig. 2, men i større målestokk, av pressformkomponenter i pakningen vist i fig. 2, Fig. 4iog 5 er skjematiske riss av pakningen som viser tetningsringen i opprinnelig tilstand (fig. 4) og i brukstilstand (fig. 5) , Fig. 6 er et snitt, lik fig. 2, men i større målestokk, som viser en pakningsring i driftstilstand, Fig. 7 er et diagram som angir egenskaper ved pakningsringer av forskjellige materialer med form lik den som er vist i bruk i pakningen vist i fig. 1 og 2, Fig. 8 er et snitt gjennom en annen pakningsring-utforming, og Fig. 9 er et snitt lik fig. 8 gjennom pakningsringen i brukstilstand. Fig. 1 viser et foringsrør 10 som strekker seg nedad fra jordoverflaten til et oljereservoar 12 eller annen geologisk undergrunnsformasjon. I foringsrøret 10 er anordnet et enhetlig produksjonsrørsystem som innbefatter rørseksjoner 14, 16 (og annet hensiktsmessig, ikke vist utstyr) og en paknings-enhet 20 med en øvre kopling 22 som er forbundet med rørseksjonen 14 og en nedre koplingsseksjon 24 som er forbundet med rørsek-sjonen 16. Ytterligere detaljer ved pakningen fremgår av fig. 2. Foringsrøret 10 har en innvendig diameter på ca. 16 cm. Pakningen omfatter en rørformet hoveddel 2 6 av varmebehandlet verktøystål (f.eks. 414 0) som er ca. 38 cm lang og avgrenser en gjennomgående kanal 28 med ca. 6,3 cm diameter. En ringformet flens 30 er utformet i ett stykke med hoveddelen 26 og har en utvendig diameter på ca. 15 cm og en aksiell høyde på ca. 3,2 cm. På oversiden 32 er utformet en ringformet, rundtløpende utsparing 34 (fig. 3) som opptar hylse 36, og i flensens 30 underside er utformet en skrå, ringformet pressformflate 38. I anlegg mot flensen 30 ligger et sett på to pressformringer 40, 50 som er festet ved hjelp av mutter 54 som er innskrudd på nedre ende åv røret 26. I pressformringen 4 0 er utformet to pressformf later 42, 44 som hver skråner med 1<X>A grad. Skrå pressformflate 52 er likeledes utformet i ringen 50. Fig. 3 is a section similar to fig. 2, but on a larger scale, of die components in the package shown in fig. 2, Fig. 4 and 5 are schematic views of the gasket showing the sealing ring in its original state (fig. 4) and in use (fig. 5), Fig. 6 is a section, similar to fig. 2, but on a larger scale, showing a packing ring in operating condition, Fig. 7 is a diagram indicating characteristics of packing rings of various materials of a shape similar to that shown in use in the packing shown in fig. 1 and 2, Fig. 8 is a section through another sealing ring design, and Fig. 9 is a section similar to fig. 8 through the sealing ring in working condition. Fig. 1 shows a casing pipe 10 which extends downwards from the earth's surface to an oil reservoir 12 or other underground geological formation. In the casing 10 is arranged a unitary production piping system including pipe sections 14, 16 (and other appropriate equipment, not shown) and a packing unit 20 with an upper coupling 22 which is connected to the pipe section 14 and a lower coupling section 24 which is connected to the pipe section 16. Further details at the packing can be seen from fig. 2. The casing 10 has an internal diameter of approx. 16 cm. The gasket comprises a tubular main part 2 6 of heat-treated tool steel (e.g. 414 0) which is approx. 38 cm long and delimits a continuous channel 28 with approx. 6.3 cm diameter. An annular flange 30 is formed in one piece with the main part 26 and has an external diameter of approx. 15 cm and an axial height of approx. 3.2 cm. An annular, circumferential recess 34 (Fig. 3) is formed on the upper side 32, which accommodates a sleeve 36, and an inclined, annular press-form surface 38 is formed on the underside of the flange 30. In contact with the flange 30 is a set of two press-form rings 40, 50 which is fixed by means of a nut 54 which is screwed into the lower end of the tube 26. In the press forming ring 40, two press form surfaces 42, 44 are formed, each sloping by 1<X>A degree. Inclined press die surface 52 is likewise designed in the ring 50.

En metallring 60 med trapesformet tverrsnitt er anordnet i hver utsparing som avgrenses av motstående formflater 38, 42 og 44, 52. Hver ring har en bredde eller radiell utstrekning på 1,75 cm, en høyde ved dens indre omkretsflate 62 på 1,25 cm, en høyde ved dens ytre omkretsflate 64 på 0,75 cm. De øvre og nedre flater 66, 68 på hver ring 60 er fastklemt mellom motstående ekstruderings-pressformflater 38, 42 og 44, 52 når pressformringene 40, 50 klemmes mot flensen 30 ved hjelp av mutteren 54. A metal ring 60 of trapezoidal cross-section is disposed in each recess bounded by opposing molding surfaces 38, 42 and 44, 52. Each ring has a width or radial extent of 1.75 cm, a height at its inner circumferential surface 62 of 1.25 cm , a height at its outer circumferential surface 64 of 0.75 cm. The upper and lower surfaces 66, 68 of each ring 60 are clamped between opposing extrusion die surfaces 38, 42 and 44, 52 when the die rings 40, 50 are clamped against the flange 30 by means of the nut 54.

Hoveddelen 2 6 har ved sin øvre ende en åpning 70 som strekker seg langs en del av et 0,65 cm syrefast stålrør 72 som har en bruddstyrke på ca. 2800 kp/cm<2> og via et overgangsstykke 74 er forbundet med en strømningskanal 82 utformet i flensen The main part 2 6 has at its upper end an opening 70 which extends along part of a 0.65 cm acid-proof steel pipe 72 which has a breaking strength of approx. 2800 kp/cm<2> and via a transition piece 74 is connected to a flow channel 82 formed in the flange

30. Koplingen 22 er sveiset til hoveddelen 26 og har innvendige gjenger 7 6 i inngrep med rørseksjonen 14 mens nedre ende av hoveddelen 26 har utvendige gjenger 78 på hvilke koplingen 24 30. The coupling 22 is welded to the main part 26 and has internal threads 7 6 in engagement with the pipe section 14, while the lower end of the main part 26 has external threads 78 on which the coupling 24

er opptatt. is busy.

Ytterligere detaljer ved pressformflensen 30 og pressformringene 40, 50 er vist i fig. 3. Et gjengehull 80 i flensens 30 overside 32 opptar koplingsstykket 74. Kanalen 82 strekker seg til et utløp i en sylindrisk pressform-utsparingsflate 84 (som har en diameter på ca. 10,8 cm). Ekstruderingsflaten 38 skråner nedad og utad i en vinkel på iVi grad og strekker seg til en leppe 86. Ringen 40 har liknende, ringformete aksialt-løpende flater 90, 92 i hvilke er utformet portåpninger til gjennomgående kanal 88, og liknende ringformete ekstruderings-lepper 94, 96. Ringen 50 har en liknende ringformet vegg 100 ved innerkanten av den skrå ekstruderingsflate 52 og en ringformet leppe 102 ved ekstruderingsflatens 52 ytre omkrets. Med ekstruderingsringene 4 0 og 50 fastspent på flensen 3 0 avtetter tetningene 48 i sporene 46 forbindelsene mellom ringene og der dannes to ringformete utsparinger med trapesformet tverrsnitt, som hver har samme form og hver har ca. 1,9 cm radiell lengde. I hver utsparing er anordnet en metallring 60 hvis skråflater 66, 68 er fastspent og tetter mot utsparingens øvre og nedre ekstruderingsflater. j Further details of the press-form flange 30 and the press-form rings 40, 50 are shown in fig. 3. A threaded hole 80 in the upper side 32 of the flange 30 receives the coupling piece 74. The channel 82 extends to an outlet in a cylindrical die recess surface 84 (which has a diameter of about 10.8 cm). The extrusion surface 38 slopes downwards and outwards at an angle of iVi degree and extends to a lip 86. The ring 40 has similar, annular axially running surfaces 90, 92 in which port openings for through channel 88 are formed, and similar annular extrusion lips 94 , 96. The ring 50 has a similar annular wall 100 at the inner edge of the inclined extrusion surface 52 and an annular lip 102 at the outer circumference of the extrusion surface 52. With the extrusion rings 40 and 50 clamped onto the flange 30, the seals 48 in the grooves 46 seal the connections between the rings and two annular recesses with a trapezoidal cross-section are formed, each having the same shape and each having approx. 1.9 cm radial length. A metal ring 60 is arranged in each recess, the inclined surfaces 66, 68 of which are clamped and seal against the upper and lower extrusion surfaces of the recess. j

Hydraulikkfluid som innføres gjennom ledningen 72 og koplingen 74 strømmer gjennom kanalen 82 og virker mot den innvendige overflate 62 på den øvre ring 60A og gjennom kanalen 88 til den nedre utsparing og virker likeledes mot overflaten 62 på ringen 60B, som antydet ved piler 110. Når fluidtrykket i retning radielt utad på ringens bakside 62 øker, deformeres hver ring først elastisk og deretter plastisk idet ringen tvinges med ekstruderingseffekt gjennom leppene til hver pressform, hvorved der dannes en ring med større diameter og overflateareal, med et ekstrudert tetningsringparti 112 og med ytterflate 64 i anlegg mot foringsrørets 10 innside 114 som antydet i fig. 5 og 6. Hydraulic fluid introduced through line 72 and coupling 74 flows through channel 82 and acts against inner surface 62 of upper ring 60A and through channel 88 to lower recess and likewise acts against surface 62 of ring 60B, as indicated by arrows 110. When the fluid pressure in the radially outward direction on the back side 62 of the ring increases, each ring is deformed first elastically and then plastically as the ring is forced with an extrusion effect through the lips of each die, thereby forming a ring with a larger diameter and surface area, with an extruded sealing ring portion 112 and with outer surface 64 in contact with the inside 114 of the casing 10 as indicated in fig. 5 and 6.

Det nødvendige fluidtrykk er en funksjon av pressformvinkelen, den nødvendige radielle utvidelse, ringmaterialet og ringens geometri. Diagrammet på fig. 7 viser det nødvendige drivtrykk for ringer av aluminium- og titanmateriale som funksjon av den totale pressformvinkel. Pakningen er konstruert til å tåle en maksimal temperatur på 343'C med en effektiv levetid som funksjon av det differensialtrykk den opptar. I tilfeller hvor potensielt store trykkrefter virker på tetnings-ringpartiet' 112 ved maksimale temperaturer og i situasjoner med lang levetid (mer enn ett år), kan et pakningsfluid 116 anbringes på toppen av tetningsringen 112 for å minske eller eliminere trykkforskjellen over tetningen og i stor grad minske metallkrypingseffekt. Det hydrauliske trykk kan om ønskelig økes ved i pakningen 20 mellom tilførselsrøret 72 og kanalen 82 å anordne organer som øker det effektive stempelareal. Tetningseffekten kan modifiseres ved å forandre ringens geometri, f.eks. ved å endre tetningsareal eller forandre ringens ytre kantform. Rifler 120 eller annen overflatebehand-ling på overflaten 64 virker til at ringen får effektiv tetning mot ujevn overflate på foringsrøret. Ved å endre ringens opprinnelige geometri, pressformvinkelen eller ringens tykkelse kan det effektive tetningsareal justeres, og den anvendte tetningsring 112 kan forsterkes ved deformasjonsherdningseffek-ter. Passende beskyttelsesmidler kan anvendes for å minske omgivelsenés påvirkning, såsom ringkorrosjon, til et minimum. The required fluid pressure is a function of the die angle, the required radial expansion, the ring material and the ring geometry. The diagram in fig. 7 shows the required drive pressure for rings of aluminum and titanium material as a function of the total press die angle. The gasket is designed to withstand a maximum temperature of 343'C with an effective lifetime as a function of the differential pressure it occupies. In cases where potentially large compressive forces act on the seal ring portion' 112 at maximum temperatures and in long life situations (more than one year), a packing fluid 116 can be placed on top of the seal ring 112 to reduce or eliminate the pressure difference across the seal and in large degree to reduce the metal creep effect. The hydraulic pressure can, if desired, be increased by arranging in the gasket 20 between the supply pipe 72 and the channel 82 devices that increase the effective piston area. The sealing effect can be modified by changing the geometry of the ring, e.g. by changing the sealing area or changing the ring's outer edge shape. Fluting 120 or other surface treatment on the surface 64 ensures that the ring gets an effective seal against the uneven surface of the casing. By changing the ring's original geometry, the press form angle or the ring's thickness, the effective sealing area can be adjusted, and the used sealing ring 112 can be reinforced by deformation hardening effects. Suitable protective agents can be used to reduce environmental influences, such as ring corrosion, to a minimum.

Pakningsarrangementet er en kompakt anordning med et minimum komponenter som danner en varig og tilpasningsdyktig tetning som er særlig anvendbar i ugunstig miljø. Et annet tetningsarrangement er vist i fig. 8 og 9. Liknende komponenter i denne figur er angitt med merkete henvisningstall, f.eks. foringsrør 10'. Tetningsringen 60' er sammensatt av en titanring 130 med parallelle over- og undersider 132, 134 anordnet med glidepasning mellom parallelle, radieltløpende pressformflater med null grader innbyrdes vinkel, og'en varme-krympet aluminiumring 13 6 anordnet i en ringformet utsparing i den ytre omkretsflate 64'. Aluminiuminnsatsen 136 bærer rifler 138 som rager utenfor titanringens 130 ytterside 64'. En innerring 140 av aluminium (1100-0) med trapesformet tverrsnitt er anordnet innenfor titanringen 130 med ringens 140 ytre omkretsflate 142 i anlegg mot ringens 130 indre omkretsflate. Ringens 140 skråttløpende over- og underside ligger an mot ekstruderingsflater 38' og 42' på pressformelementene. The packing arrangement is a compact device with a minimum of components that form a durable and adaptable seal that is particularly applicable in adverse environments. Another sealing arrangement is shown in fig. 8 and 9. Similar components in this figure are indicated with marked reference numbers, e.g. casing 10'. The sealing ring 60' is composed of a titanium ring 130 with parallel upper and lower sides 132, 134 arranged with a sliding fit between parallel, radially running press mold surfaces with a zero degree mutual angle, and'a heat-shrunk aluminum ring 13 6 arranged in an annular recess in the outer circumferential surface 64'. The aluminum insert 136 carries ridges 138 which project outside the outer side 64' of the titanium ring 130. An inner ring 140 of aluminum (1100-0) with a trapezoidal cross-section is arranged inside the titanium ring 130 with the outer circumferential surface 142 of the ring 140 in contact with the inner circumferential surface of the ring 130. The inclined upper and lower sides of the ring 140 abut against extrusion surfaces 38' and 42' of the press mold elements.

Hydraulisk trykk gjennom ledningskanalen 82' virker mot aluminiumringens 14 0 innvendige overflate 62' og tvinger ringen utad i en ekstruderingsprosess som virker mot titanringens 13 0 innvendige overflate. Titanringen ekspanderer radielt gjennom "nullvinkel"-pressformen til den i fig. 9 viste stilling med aluminiumtetningen 13 6 i anlegg mnot foringsrørets 10' vegg 114' som vist i fig. 9. Hydraulic pressure through the conduit 82' acts against the inner surface 62' of the aluminum ring 140 and forces the ring outwards in an extrusion process which acts against the inner surface of the titanium ring 130. The titanium ring expands radially through the "zero angle" die to that of FIG. 9 shown position with the aluminum seal 13 6 in contact with the wall 114' of the casing 10' as shown in fig. 9.

Claims

1. Gasket for use in an oil well system or similar, e.g. a well packing (20) for placement in an elongated casing (10), comprising a main part (26) having a cylindrical outer surface and a circumferential recess having an annular opening extending completely around the outer surface of the main part, a sealing ring (60) which is completely occupied in the recess and has an external peripheral surface (64) for sealing against the casing wall and an internal peripheral surface (62), and a port opening (90, 92) in the recess for introducing hydraulic fluid into the recess, characterized in that the sealing ring (60) is made of a ductile, metallic material, so that the sealing ring, under the influence of the hydraulic pressure, deforms plastically radially outwards through the ring opening to seal against the opposite surface of the casing (114).

2. Gasket according to claim 1, characterized by opposite press-form surfaces (38, 42, 44, 52) in the recess, which surfaces slope towards each other in a direction radially outwards towards the ring opening, and that the sealing ring (60) has a trapezoidal cross-section with the side surfaces of the ring in sealing facility against the inclined press mold rafts.

3. Gasket according to claim 2, characterized in that the total angle between the opposing press mold surfaces (38, 42, 44, 52) is less than 50°.

4. Gasket according to one of the preceding claims, characterized by means (120, 138) on the outer peripheral surface of the ring (60) for improving the effectiveness of the seal against the surface of the casing (10).

5. Packing according to one of the preceding claims, > characterized in that the metal in the ring (60) is selected from aluminum and titanium and alloys thereof.

6. Gasket according to one of the preceding claims, characterized in that the radial cross-sectional width of the metal ring (60) is greater than the space between the outer surface of the main part (26) and the inner surface (114) of the casing (10), and that the radial cross-sectional width of the recess is greater than the metal ring (60) radial cross-sectional width.

7. Gasket according to one of the preceding claims, characterized in that the ring (60) includes an inner, annular component (140) of soft metal and an outer, annular component (130) of harder metal.

8. Gasket according to claim 2 or 3 and claim 7, characterized by radially running press-form surfaces with a mutual angle of 0° in the recess between the inclined press-form surfaces and the ring opening, and that the inner annular component (14 0) has a trapezoidal cross-section and that the outer annular component ( 130) has a rectangular cross-sectional shape.

9. Gasket according to claim 8, characterized in that the inner annular component (140) is made of aluminum and the outer annular component (130) is made of titanium.