NO20110769A1 - Pakning for tetning mot en bronnvegg - Google Patents

Abstract

En pakning for tetning mot en indre sylindrisk stamme 10 og en brønn vegg 200, håret pakningselement med to grupper av ringformede segmenter 120 omkring stammen 10. Hvert segment 120 haren indre ende med en indre tetning 122 mot stammen 10, og en ytre ende som kan ekspandere radialt og gli over et nabosegments indre ende når de to ringformede segmentene presses aksialt mot hverandre. Et aktiveringsstempel 160 kan presse sammen segmentene 120 slik at segmentene glir inn i hverandre og tetter mot brønnveggen 200 i en rekke tetningsflater 130. Segmentene 120 kan fordelaktig lages av et elastisk materiale, og slik at segmentene nærmest midten av pakningselementet er mykere enn segmentene nær endene av pakningselementet. En fjærpakke 150 kan presse segmentene sammen etter hvert som de elastiske segmentene eldes og mister elastisitet. Segmentene 120 kan alternativt lages av et deformerbart materiale. Pakningen er spesielt egnet i åpne borehull eller i brønnrør med ujevn overflate.

Description

BAKGRUNN

Teknisk felt

Denne oppfinnelsen vedrører en pakning for tetning mot en brønnvegg.

Beslektet og kjent teknikk

Ved utvinning av hydrokarboner, dvs olje og/eller gass, bores produksjonsbrønner hvor hydrokarboner kan strømme opp fra en geologisk formasjon. I mange tilfeller bores også en eller flere injeksjonsbrønner hvor fluid pumpes inn for å øke trykket og/eller injisere kjemikalier for å stimulere produksjonen av hydrokarboner. Lignende brønner bores også i geotermiske anlegg.

En brønn tilvirkes typisk ved å bore et hull i en bergformasjon ved hjelp av en borestreng med roterende borekrone, trekke ut borestrengen, senke etforingsrør ned i borehullet og sementere det fast. Når sementen er herdet, føres en ny borekrone med mindre diameter gjennom foringen og borer et nytt segment av borehullet, trekkes ut og en ny foring sementeres fast til formasjonen. Prosessen gjentas til ønsket dybde er nådd, og kan også omfatte boring av sidebrønner, installasjon av ventiler, produksjonsrør og annet utstyr. Det er ikke alltid nødvendig å fore hele borehullet.

Prosessen å klargjøre en brønn for produksjon kalles "komplettering", og en fagkyndig vil kjenne mange detaljer som ikke omtales nærmere her. I det følgende brukes betegnelsen "brønnhull" både om et uforet, "åpent" borehull, og om et foret borehull. I begge tilfeller kan den indre overflaten av brønnhullet, dvs brann-veggen, ha groper eller forhøyninger, for eksempel fordi biter er slått løs fra berget ved boring, korrosjon i et foringsrør eller avleiringer av voks og kalk, såkalt "skall".

En brønn kan være inndelt i soner. Man kan for eksempel tenke seg brønnhull som strekker seg forbi to produksjonslag, og som deles i to soner av plugger under og over produksjonslagene og en plugg mellom dem. Pluggene tetter ringrommet mellom et indre rør og brønnveggen. Ved komplettering kan det være ønskelig å pumpe sand eller kjemikalier ned gjennom det indre røret og ut i den nederste sonen. Pluggen mellom sonene utsettes da for et trykk nedenfra. Deretter gjentas prosessen i sonen over. Pluggen mellom sonene utsettes da for et trykk ovenfra. En plugg for dette formålet utsettes følgelig for trykk fra begge sider, og må derfor tette i begge retninger. Det finnes også regler og standarder som sier at slike plugger skal tette i begge retninger. Kileankere for å holde pluggen fast i brønnveggen og andre kjente komponenter i pluggen omfattes ikke av den foreliggende oppfinnelsen og beskrives derfor ikke nærmere her.

US 2,399,766 A (Steward, 1946) beskriver en plugg som tetter mot en rørvegg ved hjelp av en elastisk hylse som presses sammen aksialt og derved ekspanderer radialt mot brønnveggen. Hvis brønnveggen har groper, vil hylsematerialet på begge sider av gropen tendere mot å trekke hylsen radialt ut fra gropen og derved motvirke tetning. Tilsvarende vil det elastiske materialet ved en forhøyning på brønnveggen søke å trekke hylsen radialt innover fra området rundt forhøyningen. Det kreves med andre ord ekstra kraft for å presse en elastisk hylse inn i groper og for å hindre lekkasje rundt forhøyninger. Disse problemene forsterkes hvis hylsen fremstilles av en stiv gummiblanding beregnet for å motstå høye trykk og temperaturer i dagens dype brønner. Steward viser også en rekke varianter av settemekanismer der en ledeskrue og en mutter roteres forhold til hverandre for å frembringe en aksial bevegelse mellom skrue og mutter. Aksialbevegelsen brukes til å aktivere kileankere i tillegg til den elastiske tetningshylsen.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å frembringe en forbedret tetning mellom en stamme og en brønnvegg. Stammen kan være tett og hindre enhver fluidgjennomstrømning, eller et rør som tillater fluid å strømme gjennom en indre, langsgående kanal i stammen.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Dette oppnås med en pakning for tetning mot en indre sylindrisk stamme og en brønnvegg, kjennetegnet ved et pakningselement omfattende minst to ringformede segmenter anbrakt koaksialt og aksialt forskyvbart på stammen, hvor hvert segment har en indre ende med en indre tetning mot stammen og en ytre ende i stand til å ekspandere radialt og gli aksialt over et nabosegments indre ende når de to ringformede segmentene presses aksialt mot hverandre, og et aksialforskyvbart aktiveringsstempel forbundet med minst ett segment, hvilket aktiveringsstempel er i stand til å påtrykke en aksial kraft som er tilstrekkelig stor til at segmentets ytre ende glir over nabosegmentets indre ende og ekspanderes radialt til tettende kontakt med brønnveggen.

I en foretrukket utførelse omfatter pakningselementet to grupper av segmenter orientert i motstående aksiale retninger der segmentene er laget av en elastomer, typisk en syntetisk gummiblanding. Segmentene kan alternativt lages av et deformerbart materiale.

Ved at pakningselementet er delt i flere ringformede segmenter kan det lettere tilpasse seg ujevnheter i brønnveggen, og danne flere uavhengige tetningsflater.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Oppfinnelsen beskrives nærmere i det følgende med referanse til de vedføyde tegningene, hvor like henvisningstall viser til like elementer, og hvor:

Figur 1 er en skjematisk fremstilling av et pakningselement ved innkjøring,

Figur 2 viser pakningselementet i figur 1 ekspandert mot en brønnvegg, og

Figur 3 viser en foretrukket utførelsesform av et ringformet segment.

DETALJERT BESKRIVELSE

Figur 1 viser skjematisk et langsgående snitt gjennom et sylindrisk pakningselement 100 anbrakt omkring en sylindrisk stamme 10. Pakningselementet 100 er i en ikke-ekspandert tilstand som brukes når pakningen kjøres inn i brønnen. Stammen 10 kan være hul, som vist i figurene 1 og 2, eller den kan være massiv som beskrevet i innledningen.

Pakningselementet 100 omfatteren rekke ringformede segmenter 120 som ligger etter hverandre langs den sylindriske stammen 10. De ringformede segmentene 120 er i utførelsesformen på figurene 1 og 2 ordnet symmetrisk om en senterdel 110, slik at segmentenes ytre ender vender bort fra senterdelen 110.

Det vises nå til den ene halvdelen 101 av pakningselementet 100 som vises til høyre i figur 1, og til figur 3 som viser et ringformet segment 120. Hvert segment 120 har en indre tetning 122 for tetning mot den ytre sylinderflaten på stammen 10. Tetningen 122 er illustrert ved to O-ringer, men det skal forstås at enhver tetning som motstår et differansetrykk som kan oppstå over segmentet 120 og som kan gli aksialt langs den ytre flaten av stammen 10 kan brukes i oppfinnelsen. En klemring 121 hindrer segmentets indre ende i å bevege seg radialt, og klemmer tetningen 122 mot stammen 10. Klemringen 121 kan fremstilles av et egnet metall, for eksempel en passende stålkvalitet.

Et endestykke 140 med støttering 141, en pakke tallerkenfjærer 150 og et aktiveringsstempel 160 i den nevnte rekkefølgen er anbrakt omkring stammen 10 og aksialt utenfor rekken av segmenter 120. Alle komponentene er aksialt glidbart opplagret på den ytre overflaten av stammen 10. Når aktiveringsstempelet beveges aksialt mot senterstykket 160, ekspanderes rekken av segmenter 120 radialt til tetning mot en brønnvegg 200 som vist i figur 2. Det skal forstås at senter-elementet 110 ikke er viktig for å oppnå denne effekten, og at det er tilstrekkelig å ha ett bevegelig aktiveringsstempel 160 i den ene enden av pakningselementet 100 og en stopper i den andre.

Endestykket 140 har en støttering 141 av stål for å hindre ekstrusjon i ringrommet mellom brønnveggen og stammen 10 når elementet 100 utsettes for trykk og temperatur i brønnen. Støtteringen 141 tetter i seg selv ikke mot brønnfluider.

Når aktiveringsstempelet låses i posisjonen illustrert i figur 2, er tallerkenfjærene 150 trykket sammen og virker på endestykket 140 med en aksialt rettet kraft som er proporsjonal med sammentrykningen (Hookes lov). Hvis elastomeren i segmentene 120 endres som følge av trykk eller temperatur eller fordi en gummiblanding eldes i brønnmiljøet, så vil tallerkenfjærene 150 presse sammen pakningselementet 100 selv om aktiveringsstempelet 160 ikke beveges.

Aktiveringsstempelet 160 kan være av en hvilken som helst kjent type, for eksempel et hydraulisk stempel, eller et stempel som beveges aksialt når en ledeskrue roteres i en mutter med indre gjenger. I mange anvendelser skal imidlertid pakningen stå permanent i brønnullet, f eks mellom to produksjonssoner, slik at en enkel mekanisme foretrekkes fremfor en mer komplisert og dyrere. Ett eksempel på en slik utførelsesform er et hydraulisk aktivert aktiveringsstempel med en en-veismekanisme, f eks en skrallemekanisme, som hindrer stempelet i å beveges tilbake.

Det vises nå til figur 2, som viser tilstanden etter at aktiveringsstempelet 160 er beveget mot senterdelen 110. Segmentene 120 er presset sammen aksialt, og segmentenes ytre ender har klatret opp på og over de indre enden på nabosegmentene. Segmentene 120 er ekspandert radialt mot brønnveggen 200 med en kraft som er tilstrekkelig stor til å hindre fluid i å passere i ringrommet mellom stammen 10 og brønnveggen 200.

Gruppen 101 kan i ekspandert tilstand minne om en stabel kopper tredd i hverandre med åpningene vendt mot aktiveringsstempelet 160. Av figur 2 fremgår at dersom trykket er rettet fra aktiveringsstempelet 160 mot senterdelen 110, så vil trykket bidra til å presse segmentene tettere mot brønnveggen i rekken av tetningsflater 130.

En tilsvarende gruppe 102 der segmentene er vendt i motsatt retning, dvs med åpningene mot venstre i figurene 1 og 2, tetter ekstra godt mot en trykkdifferanse fra venstre mot høyre i figurene 1 og 2. Pakningselementet 100, som omfatter både den første 101 og den andre gruppen 102 av ringformede segmenter 120, tetter dermed ekstra godt uavhengig hvilken retning trykkdifferansen har over pakningselementet 100.

Et element 101 med en rekke uavhengige segmenter 120 kan også tette bedre mot ujevne overflater enn en sammenhengende hylse kan. Dette skyldes at når en elastisk hylse ligger over en grop, så vil det elastiske hylsematerialet på begge sider av gropen søke å trekke hylsen ut av gropen, og derved motvirke at elastisk materiale trenger ned i gropen og tetter effektivt. Segmentene 120 er ikke festet i hverandre, og nabosegmenter trekker derfor ikke materiale ut av gropen på samme måte. Ett enkelt segment 120 har derfor lettere for å trenge inn i en grop i brønnveggen enn en sammenhengende hylse, slik at en rekke med uavhengige segmenter vil tette bedre mot gropen enn en sammenhengende hylse. Tilsvarende vil en rekke uavhengige segmenter 120 lettere omslutte en forhøyning i brønn-veggen ettersom segmentene kan beveges noe i forhold til hverandre. Resultatet er at en rekke segmenter 120 tetter bedre mot en ujevn brønnvegg enn en sammenhengende pakningshylse under ellers like betingelser. Segmenterte pakningselementer som beskrevet her er derfor velegnet i åpne brønnhull der bergveggen kan være mer ujevn enn innsiden av en typisk stålforing, eller som pakning i et gammelt rør med korrosjonsgroper og avleiringer.

I én utførelsesform er segmentene nærmest senterdelen 110 laget mykere enn segmentene i større aksial avstand fra senterdelen 110. Hensikten er å sikre at segmentene nærmest midten av pakningselementet 100 tetter mot brønnveggen 200 før segmentene lenger ute tetter, slik at ikke de ytterste segmentene tetter først og skaper unødig stor friksjon mot brønnveggen når de beveges mot hverandre mens pluggen settes. For å oppnå denne effekten har det ingen betydning om segmentene 120 nærmest senterdelen 110 har tynnere vegger enn dem lenger borte fra senterdelen 110, om segmentene har ulik konstruksjon på annen måte, om de er laget av ulike materialer eller gitt forskjellig stivhet på andre måter som er kjent for en fagkyndig.

Stivere segmenter i avstand fra senterdelen 110 kan i tillegg hindre ekstrusjon av de mykere segmentene langs pluggens lengdeakse. Derved kan det benyttes både relativt myke segmenter som enkelt former seg etter groper i og forhøyninger på brønnveggen og stivere segmenter som tåler høyere trykk og temperaturer i samme pakningselement.

Segmentene 120 kan alternativt lages av et materiale, for eksempel bly, som deformeres plastisk når pakningselementet 100 aktiveres. Denne utførelsesformen kan egne seg for plugger som skal stå permanent i en brønn, eller der trykk og temperatur gjør det vanskelig å oppnå tilstrekkelig tetning med syntetiske gummiblandinger.

Figur 3 viser en foretrukket utførelsesform av et ringformet segment 120 laget av et elastomert materiale, typisk en syntetisk gummiblanding. Segmentet 120 har en indre ende med en ytre stumpkonisk glideflate flate 123, og en ytre ende med en indre stumpkonisk glideflate 124. De to glideflatene 123 og 124 har samme stigning, og gjør det enkelt for et segments ytre ende å gli over den indre enden av et tilsvarende segment når pakningselementet 100 vist i figurene 1 og 2 aktiveres.

Den indre enden er videre forsynt med en indre tetning 122, vist som to O-ringer i aksial avstand fra hverandre. Enhver annen kjent tetning som kan gli aksialt på en ytre sylinderflate kan benyttes.

En klemring 121 er anbrakt omkring det elastiske segmentets indre ende. Klemringens funksjon er å klemme segmentets indre ende til anlegg mot en sylinderflate, og den kan fordelaktig fremstilles av stål eller et annet egnet materiale slik at den ikke utvider seg vesentlig i radial retning når segmentet utsettes for trykk.

Et pakningselement 101 med en rekke segmenter 120 tilveiebringer dermed en rekke av tetningsflater mot stammen 10 ved hver tetning 122 og mot brønnveggen ved anleggsflatene 130, og vil derfor kunne motstå mange små trykkdifferanser, eller et betydelig samlet differansetrykk fra én side, mens et tilsvarende element 102 kan motstå et tilsvarende differansetrykk rettet den andre veien langs pluggens akse. Pakningselementet 100 tilveiebringer dermed en forbedret tetning i et brønnhull.

Claims (10)

1. Pakning for tetning mot en indre sylindrisk stamme (10) og en brønnvegg (200),karakterisert ved et pakningselement (100) omfattende minst to ringformede segmenter (120) anbrakt koaksialt og aksialt forskyvbart på stammen (10), hvor hvert segment (120) har en indre ende med en indre tetning (122) mot stammen (10) og en ytre ende i stand til å ekspandere radialt og gli aksialt over et nabosegments indre ende når de to ringformede segmentene presses aksialt mot hverandre, og et aksialforskyvbart aktiveringsstempel (160) forbundet med minst ett segment (120), hvilket aktiveringsstempel (160) er i stand til å påtrykke en aksial kraft som er tilstrekkelig stor til at segmentets (120) ytre ende glir over nabosegmentets indre ende og ekspanderes radialt til tettende kontakt med brønnveggen (200).

2. Pakning i følge krav 1, hvor pakningselementet (100) omfatter en første (101) og en andre (102) gruppe ringformede segmenter (120), der den første gruppens indre ender er orientert i aksialt motsatt retning av den andre gruppens indre ender.

3. Pakning i følge krav 2, hvor en senterdel (110) er anbrakt mellom den første (101) og den andre (102) gruppen av segmenter.

4. Pakning i følge et av de foregående krav, hvor en klemring (121) er anbrakt omkring og i kontakt med den indre enden av segmentene (120, 120').

5. Pakning i følge et av de foregående krav, hvor segmentene (120) omfatter en ringformet kropp laget av et elastisk materiale.

6. Pakning i følge krav 5, hvor ulike segmenter (120) har ulik stivhet.

7. Pakning i følge krav 6, hvor segmentenes stivhet øker med avstanden fra aktiveringsstempelet (160).

8. Pakning i følge krav 1, hvor en fjærpakke (150) er passert mellom aktiveringsstempelet (160) og en gruppe av segmenter.

9. Pakning i følge krav 1, hvor et endestykke med støttering (140, 141) er anbrakt i enden av gruppen av segmenter.

10. Pakning i følge krav 1, hvor segmentene (120) er fremstilt av et deformerbart materiale.