NO169616B - Roerskjoet - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår generelt olje- og gass-brønnrør, og har mer spesielt å gjøre med konstruksjon av høyttrykks rørskjøter som kan formes og innkjøres i en brønn for å motstå ekstreme fluidtrykk, og for tetning av skjøten for å hindre utslipp av væske eller gass under høyt trykk gjennom rørenhetene ved skjøtene.

Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en rørskjøt som angitt i ingressen til det etterfølgende krav 1. Som eksempel på en kjent rørskjøt av ovennevnte art kan nevnes NO patent nr.

162 167 og US patent nr. 2 258 066. Disse kjente rørskjøter er imidlertid ikke slik konstruert at de vil kunne tilfredsstille de fordringer som stilles til en rørskjøt ifølge foreliggende oppfinnelse, og som er omtalt i det følgende.

Leting etter olje og gassreserver har frembrakt undersøkelser på dypere og dypere formasjoner. Disse dypere formasjonene krever lengre strenger av produksjonsrør, foringsrør og borerør for bruk i undersøkelsene samt for produksjon av olje og gass. Slike brønner kan være utsatt for ekstremt høye trykk fra formasjons-soner. Den økete lengde av rørstrenger utsetter den øvre del av strengen for meget høye strekkbelastninger, og hvor det er høye trykk fra dypere formasjoner kan den øvre del også utsettes for høye interne trykk hvor det er lite eller intet oppveiende eksternt trykk på rørene. Med standard skjøter er det en grense for den dybde til hvilken en rørstreng kan kjøres.

Det har tidligere vært forsøk på å frembringe metall-mot-metall-tetninger som kan motstå de ekstreme trykk som en rør-skjøt må kunne motstå.

US patent nr. 2 893 759 viser en metall-mot-metall-tetning hvor forskjellig tettende skråning er anordnet på muffen og tappens tetningsflater for å generere et område av radiell deformasjon på tetningsflaten ved forming av forbindelsen. Tetningsflaten på tappn er utstyrt med større skråningsvinkel enn muffens tetningsflate, slik at det ved forming av forbindelsen etableres en linjekontakt mellom tetningsflåtene. Ved videre forming vil minst én av delene deformeres radielt for å generere en flatekontakt mellom tetningsflåtene. Siden tappens tetningsflate har større skråvinkel i forhold til den koaksielle akse av tappen og muffen, er den bakre ende av tappens tetningsflate den første til å komme i kontakt med den ringformete tetningsflate av muffen i begynnelsen av formingen.

Den koniske og kronetype av metall-mot-metall-tetnings-geometri som er i bruk idag for høytrykksskjøter i olje- og gassindustrien, har typisk tapp- og muffe-deler maskinert til den samme nominelle kontaktvinkel som målt fra rør-aksen. Denne vinkelen er i det typiske tilfelle mellom 2° og 15°, men kan være en hvilken som helst vinkel. En typisk konisk tetning av av en gitt bredde kunne ha både tapp- og muffe-tetninger maskinert til nominelt 14° for hele sin bredde. En kronetype-tetning på 14° er vist i US patent nr. 2 992 019, hvor kronetetning er anordnet på tappdelen og er maskinert med samme vinkel som den forseglete overflate på muffedelen.

Man har funnet at for parallelle eller nær parallelle kontaktflater såsom tetningsflåtene i koniske eller metall-mot-metall-tetninger av kronetypen, med den samme eller i det vesentlige samme vinkel, vil den bærende belastning fra den ledende kant av tetningen ved innledende sammenføring skifte til den bakre kant ved endelig sammenskruing. Avhengig av størrelsen av indusert radiell presspasning, kan den ledende kant av tetningen bli avlastet for all belastning når belastningen blir ført lenger og lenger bak mot den bakre kant av tetningen, med økning i metall-presspasningen. Ved meget høye nivåer av presspasning kan den bakre kant av tetningen motta bære-belastninger som er tilstrekkelig til å forårsake ikke bare unødig høye spenningsnivåer p.g.a. presspasning i tetningsområdet, men også ettergiving av materialet i en tet-ningsf late. Denne ettergiving eller plastisk metallflate-deformasjon, noen ganger også kalt riving, kan føre til at metall-mot-metall-tetningen mister sin evne til å motstå høye trykk. Av denne grunn har størrelsen av presspasning mellom tettende deler hittil være begrenset for å unngå at man når rivings-terskelen. Dette har imidlertid medført en tendens til å senke grensen for maksimum trykk for typiske metall-mot-metall-tetninger, særlig i rør med stor styrke og tykke vegger.

Metall-mot-metall-tetningen beskrevet i ovennevnte US patent nr. 2 893 759 er utformet med en helningsvinkel på tet-ningsf laten av tappdelen som er større enn helningsvinkelen av tetningsflaten på muffedelen. Dette må nødvendigvis bevirke at den bakre kant av tappens tetningsflate først kommer i kontakt med tetningsflaten på muffedelen, og at ved videre forming i det minste én av delene blir deformert radielt, slik at beslatningen på den ferdige tetning er sterkt forvrengt ved et spesielt punkt, typisk den bakre kant av tetningen.

Det er derfor et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en metall-mot-metall-tetning i en rørskjøt, som har en i det vesentlige jevn belastningsfordeling langs den aksielle utstrekning av metall-mot-metall-kontakten mellom han- og hun-delene.

Det er et videre formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en hylseskjøt med en tapp- og muffedel, hvor både innvendige og utvendige tetninger er anordnet, hvor belastnings-fordelingen over hver tetning er tilnærmet jevn.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en lekkasjesikker tetningsflate med høy styrke i en rørskjøt, som er bedre innrettet til å motstå de høye trykk og strekkbelastninger som opptrer i undersøkelser og produksjon i dype olje- og gassbrønn-formasjoner.

Disse formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en rørskjøt av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i karakteristikken til det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av rørskjøten er angitt i de øvrige, etterfølgende krav.

Ytterligere trekk og fordeler med oppfinnelsen kan bedre forstås fra den følgende beskrivelse av en foretrukket utfø-relse av oppfinnelsen, under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et snitt i lengderetningen av en fullt utformet rørskjøt som gjør bruk av prinsippene ifølge oppfinnelsen, hvor bare en del av skjøten er vist, mens resten er kuttet bort; Figur 2 er en representasjon av koniske tetningsflater på muffe- og tappdelene; Figur 3 er en representasjon av en kronetype-tetning på en tappdel for å tette med en konisk overflate på muffedelen; Figur 4 representerer en utformet tetningsflate på en muffe- og tappdel, og viser stress-fordelingen når tetningen er ferdigformet; Figur 5 viser den påtrykte belastning av en ferdig utformet tetningsflate, hvor helningsvinklene er i det vesentlige den samme for muffe- og tappdelene; Figur 6 viser koniske tetningsflater ifølge oppfinnelsen, hvor helningsvinkelen av tappens tetningsflate er mindre enn helningsvinkelen for muffens tetningsflate; Figur 7 viser en ferdig formet tetning mellom muffe- og tappdelene, hvor helningsvinkelen av tappdelen er mindre enn helningsvinkelen av muffedelen, og viser også stress-fordelingen over bredden av tetningsflaten; Figur 8 viser en kronetype-tetningsflate på en tappdel når den først blir utformet med en muffedel med konisk overflate; og Figur 9 viser en ferdig utformet tetningsflate av kronetype-overflate på en tappdel, og en konisk muffedel, og viser stress-fordelingen over den aksielle bredde av tetningsflaten. Figur 1 viser en typisk rørskjøt 10 omfattende en muffedel 20 og en tappdel 30 med to bratte gjenger 21 og 22. Rør-skjøten 10 har en utvendig tetning 40 og en innvendig tetning 50 for å tette mot ytre og indre trykkforskjeller forårsaket av væske eller gass under høyt trykk, enten inne i eller utenfor rørskj.øten. Figur 2 illustrerer en metall-mot-metall-tetning i bruk idag i olje- og gassindustrien. Disse tetningene omfatter deler som er maskinert til den samme nominelle kontaktvinkel fra røraksen. Figur 2 representerer en konisk metall-mot-metall-tetning, og kan bli brukt til å representere enten en innvendig tetning 50 eller en utvendig tetning 40 som på figur 1. For tilfellet med innvendig tetning, representerer elemen-

tet 70 tappdelen, mens elementet 80 representerer muffedelen. For tilfellet med utvendig tetning, representerer elementet 80 muffedelen (element 20 på figur 1), mens elementet 70 representerer tappdelen (element 30 på figur 1).

Kontaktvinkelen som vist på figur 2 for metall-mot-metall-tetninger ifølge tidligere teknikk, er vanligvis mellom 2° og 15°, men kan være en hvilken som helst vinkel. For eksempel kunne en typisk konisk tetning av nominelt 14° av enhver gitt bredde ha både tapp- og muffetetninger maskinert til nominelt 14° for hele bredde.

På liknende måte viser figur 3 en metall-mot-metall-tetning hvor elementet 71 representerer en kronetype-tetning hvor overflaten 72 er maskinert til 14° for kontakt med en nominelt 14° helning av elementet 81. Som beskrivelsen av figur 2 indikerte på en liknende måte, representerer elementet 81 muffedelen for en innvendig tetning, men elementet 71 er tappdelen, og vice versa for den eksterne tetning illustrert ved 40 på figur 1.

Figur 4 illustrerer en konisk type tetning, hvor elementene 70 og 80 representerer enten tapp- og muffeeelement (avhengig av om tetningen er innvendig tetning eller utvendig tetning), og hvor tetningsflåtene 70' og 80' er maskinert til i det vesentlige den samme vinkel. En stress-fordeling-representasjon er illustrert som en funksjon av aksiell kontaktlengde mellom kontaktoverflåtene 70' og 80' når over-flatene er ferdig formet. Figur 4 illustrerer at høyere stressnivåer i ett område av tetningsflaten, den bakre kant av overflaten, kan bli ekstremt høy. Den ledende og den bakre kant som brukt her er målt i forhold til den delen som har minst tykkelse av metall, det vil si i forhold til tapp-overflaten for en intern tetning, og muffeoverflaten for en ekstern tetning. Hvis stressnivået er ekstremt i en seksjon av tetningen, kan mettall-mot-metall-tetningen bli utsatt for tidlig riving, og den omliggende geometri kunne bli utsatt for øket hyppighet av stressindusert korrosjon- eller tretthets-feil. På liknende måte, hvis belastningen blir for høy, kan materialet gi etter og tillate passering av væske eller gass

som tidligere ble holdt inne.

Figur 5 illustrerer hvordan den ekstremt høye bærebelast-ning på tetningen med i det vesentlige likt skrånende overflater kan forårsake at delen 70 husker rundt den bakre ende av tetningsflaten, og kan til slutt føre til de problemer som er diskutert ovenfor. Figur 6 viser en tetningsflate ifølge foreliggende oppfinnelse, hvor tetningsflaten 75 er maskinert med en vinkel A' i forhold til sin akse, noe mindre enn vinkelen A av tetningsflaten 85 på elementet 80. Som nevnt ovenfor, hvis tetnings-anordningen fra figur 6 blir brukt som en innvendig tetning, representerer elementet 70 tappdelen 30 og elementet 80 representerer muffedelen 20. Da elementet 70, som representerer en tappdel av en innvendig tetning, først er utformet med hundelen eller muffedelen 80, gjør det først kontakt med muffedelen 80 ved en sylindrisk linje 100. Det er tydelig at bærebelastningen ved tidlig kontakt er vesentlig på den ledende kant av tappskulderen med den bakre kant på muffeskul-deren.

Det skulle være tydelig at figur 6 også representerer tilfellet for en utvendig tetning hvor elementet 70 representerer muffedelen og elementet 80 representerer tappdelen. Hvor figur 6 representerer en intert tetning, er elementet 70 som representerer tappdelen maskinert for en mindre skråkant eller helningsvinkel enn den på muffedelen 80. Hvor figur 6 representerer en ekstern tetning, er muffe-tetningsflaten 70 maskinert til en mindre vinkel enn den på tappdelen 80. Figur 7 viser elementene 70 og 80 i en ferdig formet tilstand, og indikerer med et stress mot lengdediagram neden-for tetningen, at stress som en funksjon av aksiell bredde er jevn, og i dette tilfelle en "Lf-form. Figur 8 representerer et muffeelement 81 og et tappele-ment 71 for en intern tetning i hvilken krone-overflaten 72 på element 71 er innrettet for tilpasning med den koniske overflate 82 på elementet 81. Ifølge oppfinnelsen er helningsvinkelen av overflaten 72 på element 71 maskinert til å være mindre enn helningsvinkelen av overflaten 82 på elementet 81, slik at den ledende kant av elementet 71 kontakter elementet 81 ved den sylindriske linje 76 rundt den koniske overflaten. Figur 8 illustrerer at vinkelen B' eller skråningen av elementet 71 rundt aksen av elementet 72 er mindre enn vinkelen B som represeterer helningsvinkelen av tetningsflaten 82 på elementet 81. Figur 9 viser krone-tetningsflaten 72 på elementet 71 i den fullt utformete stilling, og illustrerer stress-fordelingen over den aksielle bredde av tetningsflaten. Som illustrert er stress-fordelingen jevn i bredde, og er "U"-formet. Som diskutert under henvisning til figur 6 for de koniske tetningsflater, kan krone-tetningsflaten representert på figur 8 bli plassert i andre regioner av rørskjøten, og brukes enten for en innvendig tetning, en utvendig tetning eller både en innvendig og en utvendig tetning. I dette tilfelle ville et internt tetningselement 81 representere muffedelen, mens elementet 71 ville representere tappdelen. Likeledes, for en ekstern tetning som ved 40 på figur 1, ville elementet 81 representere tappdelen, mens elementet 71 ville representere muffedelen.

Ifølge oppfinnelsen som illustrert i tetningsanordningene på figurene 6 og 8, ville den nøyaktige mistilpasning av tetningsflåtene variere avhengig av tetningsvinkelen på de stivere deler, bredden av tetningsflaten, tykkelsen av den tynneste del i forhold til dens tettende diameter, tykkelsen av den tynnere del i forhold til tykkelsen av den tykkere del av tetningsområdet, ønskete toleranser, og andre faktorer. Det kan for eksempel bli vist at tetnings-mistilpasning for meget lave vinkeltetninger på ca. 12 mm i aksiell bredde kan være så lav som 1/4°, og høye vinkeltetninger av samme aksiell bredde kan kreve en mistilpasning på 1° eller mer for full-stendig balansering av bærebelastningen ved ferdig forming. Analyse av endelige elementer kan brukes som et verktøy for å verifisere den optimale tetningsvinkel-mistilpasning på enhver gitt tetning og forbindelses-geometri.

Tetningsflåtene ifølger oppfinnelsen kan brukes enten enkeltvis som en intern tetning, enkeltvis som en ekstern tetning eller kan brukes sammen i en rørskjøt med både en intern og en ekstern tetning.

Fra det foregående fremgår det at det har vært anordnet en tetningsflate for bruk i skjøter som forbinder rørformete deler brukt i olje- og gassbrønner. Forskjellige modifika-sjoner og endringer i de beskrevne struturer vil være åpenbare for fagfolk på området, uten å avvike fra oppfinnelsens område.

Claims (3)

1. Rørskjøt (10) omfattende rørformete tapp- og muffedeler (30, 20) for koaksial sammenpasning, minst én tetning (50, 40) med to motsvarende tetningsflater anordnet på minst én ende av tappdelen (30) eller muffedelen (20), samvirkende gjenger (21, 22) på tapp- og muffedelene (30, 20) for tiltrekking av skjøten (10) ved den innledende sammenskruing hvor de to motsvarende tetningsflater kommer i inngrep, samt et anslagsorgan som begrenser ytterligere tiltrekking av skjøten (10) ved endelig sammenskruing av denne, idet hver av de motsvarende tetningsflater oppviser en skråvinkel i forhold til de sammenførte tapp- og muffedelers (30, 20) felles akse, hvor den ene av de to motsvarende tetningsflater er anordnet på tappelementets (30) frie ende i det tilfellet hvor tetningen (50, 40) er en innvendig tetning (50), idet den andre av de to motsvarende tetningsflater er anordnet på muffeelementet (20) og skråvinkelen til muffeelementets tetningsflate er større enn skråvinkelen til tappdelens tetningsflate, og den ene av de to motsvarende tetningsflater er anordnet på tappelementet (30) i det tilfelle hvor tetnin- gen (40, 50) er en utvendig tetning (40), idet den andre av de to motsvarende tetningsflater er anordnet på muffedelen (20) og skråvinkelen til muffedelens tetningsflate er mindre enn skråvinkelen til tappdelens tetningsflate, karakterisert ved at anslagsorganet er anordnet mellom gjengenes (21, 22) aksiale lengde på et sted i avstand fra den innvendige eller utvendige tetning (40, 50), slik at ved koaksial sammenføring av de to motsvarende tetningsflater på enten den innvendige eller utvendige tetning (40, 50) blir opplagrings-belastningsfordelingen over de to motsvarende tetningsflater tilnærmet konstant.

2. Rørskjøt ifølge krav 1, karakterisert ved at tetningsflaten på enden av den ene av delene (30, 20) er én stumpkjegleformet tetningsflate av to eller flere stumpkjegleformete flater som er anordnet langs enden av nevnte del (30, 20).

3. Rørskjøt ifølge krav 1, karakterisert ved to par motsvarende tetningsflater hvorav den ene er anordnet ved enden av tappdelen (30) og den andre ved enden av muffedelen (20) på motsatte sider av gjengene (21, 22).