NO20121179A1 - Metalltetning med myk overflate og teknikk for fremstilling - Google Patents

Abstract

En tetningssammenstilling mellom et brønnhodehus som har en boring og en foringsrørhenger, håret indre tetningsben for forsegling mot henger og et ytre tetningsben for forsegling mot hus. En forlengelse strekker seg nedover fra ytre tetningsben og er forbundet til en nesering som har en nedadrettet skulder som hviler på hengerskulderen for å tilveiebringe et reaksjonspunkt for settingsoperasjoner. En forseglende overflate på tetningsbenene blir varmebehandlet for å oppnå en lavere lokalisert teknisk strekkgrense for å tilveiebringe forbedret forsegling mens en opprettholder mekanisk lastevne.

Description

Denne oppfinnelsen omhandler generelt brønnhodesammenstillinger og spesielt en lokalisert varmebehandlingsprosess som selektivt mykner den ytre hu-doverflaten av en metalltetning for forbedret forsegling når den blir deformert.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Tetninger blir brukt mellom indre og ytre brønnhode-rørelementer for å in-neholde internt brønntrykk. Det indre brønnhodeelementet kan være en foringsrør-henger lokalisert i et brønnhodehus og som støtter en streng av foringsrør som strekker seg inn i brønnen. En tetning eller pakning forsegler mellom foringsrør-hengeren og brønnhodehuset. Alternativt kunne det indre brønnhodeelementet være et produksjonsoppheng som støtter en streng av produksjonsrør som strekker seg inn i brønnen for strømningen av produksjonsfluid. Produksjonsopphenget lander i et ytre brønnhodeelement, som kan være et brønnhodehus, et ventiltre eller et produksjonsrørhode. En pakning eller tetning forsegler mellom produksjonsopphenget og det ytre brønnhodeelementet.

Et mangfold av tetninger lokalisert mellom de indre og ytre brønnhodeele-mentene har blitt anvendt i tidligere teknikk. Tetninger ifølge tidligere teknikk inkluderer elastomeriske og delvis metall- og elastomeriske ringer. Tetningsringer iføl-ge tidligere teknikk dannet fullstendig av metall for å danne metall-til-metall tetninger ("MS") blir også anvendt. Tetningene kan bli satt ved et hydraulisk aktivert kjørende verktøy, eller de kan bli satt som svar på vekten av strengen av forings-rør eller produksjonsrør. Én type metall-til-metall tetning ifølge tidligere teknikk har tetningshus med indre og ytre vegger atskilt av en sylindrisk slisse, som danner en "U" fasong. En energiserende ring blir presset inn i slissen i tetningen for å deformere de indre og ytre veggene fra hverandre til forseglende kontakt med de indre og ytre brønnhodeelementer, som kan ha mothakespor (wickers) dannet på dem. Den energiserende ringen er typisk et fast kile-formet element. Deformasjonen av tetningens indre og ytre vegger overskrider den tekniske strekkgrensen for materialet av tetningsringen, og gjør deformasjonen permanent. Andelen av de indre og ytre tetningsvegger kan imidlertid ikke tilveiebringe den best mulige tetning fordi metallet som omfatter tetningen er relativt hardt. Det eksisterer imidlertid et dilem-ma fordi tetningen også må være i stand til å håndtere de mekaniske lastene den blir utsatt for.

Det eksisterer et behov for en teknikk som tar fatt på tetningsproblemene beskrevet over. Det eksisterer spesielt et behov for en teknikk for å forbedre for- seglingsevnen for tetninger uten å gå på akkord med lastkapasiteten for tetningen. Den følgende teknikken kan løse disse problemene.

Oppsummering av oppfinnelsen

En varmebehandlingsprosess vil bli utøvet til en forseglende overflate av en metall-til-metall tetning brukt i en tetningssammenstilling. Varmebehandlingen re-duserer hardheten lokalt ved det forseglende overflatearealet. Det blir utnyttet in-duksjonsvarmespoler som direkte varmetilførsel til den forseglende overflaten ved en kontrollert rate. Ved å kontrollere varmetilførsel til den forseglende overflaten av tetningen, er det mulig å sirkulere mellom øvre og nedre kritiske transformasjonstemperaturer som resulterer i dannelse av kuleformede karbider i ferrittmat-riksen av tetningen. Denne mikrostrukturene forandringen strekker seg til en begrenset bredde etablert ved det totale forseglende arealet og vil være begrenset til en dybde under overflaten på maksimalt 0,500 tommer. Bredden av mykgjort region vil være fiksert men dybden vil være direkte proporsjonal med varighet av eksponering for topptemperaturer. Denne dybden vil variere i forhold til mengden fjerning av bruksmateriale som vil bli fjernet ved endelig maskinering og også på styrkekravene i det forseglende arealet. Det er fordelaktig å redusere styrke av den forseglende overflaten til omtrent en teknisk strekkgrense i et område på 25 til 35, mens en beholder et område på 50 til 70K teknisk strekkgrense for basismaterialet. Basismateriale utnyttet for denne oppfinnelsen kan være standard AISI G1030 lav karbon stål med en teknisk strekkgrense i valset tilstand på omtrent 60K.

En tetningssammenstilling er lokalisert mellom et brønnhodehus som har en boring og en foringsrør-henger. Huset er typisk lokalisert ved en øvre ende av en brønn og tjener som et ytre brønnhodeelement. Foringsrør-hengeren har en oppadrettet skulder for å støtte en nedre andel av tetningssammenstillingen. En metall-til-metall tetningssammenstilling har et indre tetningsben med en indre vegg som forsegler mot den sylindriske veggen av foringsrør-henger og et ytre tetningsben med en ytre veggoverflate som forsegler mot brønnhodehusboring. Tetningsoverflatene har blitt mykgjort ved varmebehandlingsprosessen forklart over. Tet-ningsbena danner en U-formet lomme eller slisse. En forlengelse strekker seg nedover fra det ytre tetningsbenet og er knyttet til en nesering som har en nedadrettet skulder som hviler på foringsrør-hengerskulderen for å tilveiebringe et reaksjonspunkt for settingsoperasjoner.

En låsering holdt på plass innen en fordypning dannet i en øvre indre andel av neseringen holder tetningen til neseringen og sørger for gjenvinning. En oppadrettet skulder dannet på en øvre andel av neseringen kontakter den nedre overflaten av det indre tetningsbenet. Den oppadrettede skulderen blir kontaktet ved den nedre overflaten i løpet av settingsoperasjoner og motstår kreftene utøvet i løpet av settingsoperasjoner.

Når en energiserende ring blir drevet inn i den U-formede slissen av tetningsbenene, bli tetningsbenene tvunget utover til forseglende kontakt med de indre og ytre brønnhodeelementene. Den mykgjorte forseglende overflaten deformeres mot brønnhodeelementene. Mothakespor dannet på brønnhodeelement-overflatene biter inn i de mykgjorte forseglingsoverflatene av tetningen. Dette tilveiebringer en forbedret tetning.

Avkopling av hardheten av materialet brukt for forsegling og materialet brukt for håndtering av mekaniske laster sørger for skadetoleranse og nedlåsing (lock-down) utførelseskombinasjoner som ikke er mulig med tetninger med homogen styrke.

Det er en fordel ved denne oppfinnelsen at tilvirkning av en tetning med va-riert styrke er relativt enkelt og mindre kostbar enn en design som forsøker å oppnå de samme mekaniske attributter gjennom plettering med et materiale med lavere styrke. Forsegling blir videre forbedret uten å gå på akkord med mekanisk last-håndteringskapasitet.

Det er ønskelig å maskinere ringromstetninger fra materialer med høyere styrke ettersom mekaniske lastkrav fra trykk og termisk vekst fortsetter å øke. Et tetningshusmateriale med varierende hardhet gjennom sitt tverrsnitt løser problemene ved å tilveiebringe en relativt myk ytre hud for forbedret mothakesporbitt (wicker bite) og skadetoleranse mens det tilveiebringer et hardere indre skall for håndtering av gjentatt ekstremt trykk og mekaniske laster.

Kort beskrivelse av tegningene:

Figur 1 er et tverrsnittsriss av en tetningssammenstilling med det mykgjorte forseglende arealet, i en usatt posisjon, i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 2 er et forstørret tverrsnittsriss av tetningssammenstillingen ifølge Figur 1 i en satt posisjon, i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen; Figur 3 er et tverrsnittsriss av en varmespiral for å mykne tetningsarealet av tetningen, i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Refererer til figur 1, en andel av en tetningssammenstilling er vist mellom et ytre brønnhodeelement, så som et brønnhodehus 10 som haren boring 12 med mothakespor 14 dannet derpå og et indre brønnhodeelement, så som en forings-rør-henger 18 med mothakespor 20 dannet på en utvendig andel. Hus 10 er typisk lokalisert ved en øvre ende av en brønn og tjener som det ytre brønnhodeelement 10. Alternativt, kunne brønnhodehus 10 være en produksjonsrør spole eller et ventiltre og foringsrør-henger 18 kunne i steden være et produksjonsoppheng, plugg, sikkerhetsventil eller annen anordning. Foringsrør-hengeren 18 haren oppadrettet skulder 19 for å støtte en nedre andel av tetningssammenstillingen. En metall-til-metall tetningssammenstilling har et indre tetningsben 22 med en indre vegg 24 som forsegler mot den sylindriske veggen av foringsrør-henger 18. Tetningsring 23 har et ytre tetningsben 26 med en ytre veggoverflate 28 som tetter mot brønn-hodehusboring 12. Veggoverflatene 24, 28 kan være krummet og jevne og kan være mykere enn materialet av resten av tetningsringen 23. Bredden av den mykgjorte regionen av veggoverflatene 24, 28 kan være fiksert og dybden vil variere etter som anvendelsen krever det. Denne dybden vil for eksempel variere i forhold til mengden fjerning av bruksmateriale som vil bli fjernet på endelig maskinering av tetningsringen 23 og også av styrkekravene i det forseglende arealet. Prosessen for å oppnå disse mykgjorte veggoverflatene 24, 28 vil bli forklart videre under.

Tetningsbein 22, 26 på tetningsring 23 danner en U-formet lomme eller slisse 30. En forlengelse 32 kan strekke seg nedover fra ytre ben 26 og kan ha en gjenget forbindelse 34. Forlengelsen 32 har en nedadrettet skulder 36 som hviler på en oppadrettet skulder 38 dannet på en nesering 37. Den gjengede forbindel-sen 34 forbinder tetningsringen til neseringen 37. En nedre andel 39 av neseringen hviler på den oppadrettede skulderen 19 av foringsrør-hengeren 18 for å tilveiebringe et reaksjonspunkt i løpet av settingsoperasjoner. En ringformet flik 40 stikker frem oppover fra neseringen 37 ved et punkt over den gjengede forbindel-sen 34. Den ringformede fliken 40 kontakter en nedre overflate 42 av det indre tetningsbenet 22.

Refererer til figur 2, en energiserende ring 41 blir typisk tvunget nedover ved et hydraulisk aktuert kjørende verktøy (ikke vist) eller vekten av en streng for å tvinge den inn i slissen 30. Den energiserende ringen 41 deformerer de indre og ytre tetningsbenene 22, 26 av tetningshuset mot det ytre brønnhodeelementet 10 og det indre brønnhodeelementet 18. De mykgjorte veggoverflatene 24, 28 av tetningsbenene 22, 26 forenkler deres deformasjon mot mothakesporprofiler 14, 20 av de ytre og indre brønnhodeelementer 10, 18 for å bevirke en tetning.

Refererer til figur 3, en utførelsesform av oppfinnelsen viser en andel av tetningsringen og varmebehandlingsprosessen for mykgjøring av veggoverflatene 24, 28 av tetningsbenene 22, 26. Induksjonsvarmespiraler 50 kan være viklet rundt periferien og den indre diameter av tetningsring 23 slik at induksjonsvarmespiraler 50 er i kontakt med forseglende veggoverflater 24, 28. Induksjonsspiralfø-ringer 52 knytter spiraler 50 til en elektrisk kraftkilde 54. Kilde 54 forsyner og styrer krafttilførsel til spiralene 50 for å styre varmetilførselen til veggoverflatene 24, 28. Sirkulering mellom øvre og nedre kritiske transformasjonstemperaturer for metallet av tetningsring 23 forårsaker en mikrostrukturen endring i materialet som omfatter tetningsringen 23. Varighet av sykluser kan være omkring én time per kvadrat-tomme av maksimalt tverrsnitt og typisk er det krevet å utføre bare én syklus. Kritisk transformasjonstemperatur er punktet hvor signifikante mikrostrukturforand-ringer forekommer. Siden varmebehandling er en funksjon av tid og temperatur, kan disse mikrostrukturforandringene manifestere seg ved den nedre temperaturen men eksponert ved den temperaturen i en lengre varighet eller ved å ekspone-re stålet for høyere temperaturer i en kortere tidsperiode. Disse mikrostrukturforandringene medfører transformering av karbider fra lamellær perlitt til sfærodisert. Det kritiske transformasjonstemperaturområde er 1340 °F til 1495 °F for AISI G1030 stål. Muligheter for andre grader kan være AISI H4130 eller H8630. Kritisk temperatur for AISI 4130 er 1395 °F til 1490 °F og for H8630 er den 1355 °F til 1460 °F. Sfæroidale karbider blir dannet i en ferrittmatriks omfattende tetningsringen 23. Denne mikrostrukturene endringen kan strekke seg til en begrenset bredde ("W") etablert ved det totale forseglende areal, som er definert ved de forseglende veggoverflater 24, 28, og kan være begrenset til en dybde under overflaten ("D") på 0,500 tommer maksimalt på forseglende veggoverflater. I denne utfø-relsesformen, kan bredden W av mykgjort region på forseglende veggoverflater 24, 28 være fiksert mens dybden D kan være direkte proporsjonal med varighet av eksponering fortopptemperaturer. Dybde D kan variere i forhold til mengde fjerning av bruksmateriale som vil bli fjernet ved endelig maskinering og også på styr kekravene i det forseglende arealet. I denne utførelsesformen er tetningsben 22, 26 omtrent 0,5 tommer tykt og den mykgjorte regionen kan ha en dybde D som strekker seg gjennom hele (0,500 tommer) tykkelsen av hvert av benene uten å ha en skadelig virkning på ytelse. Tykkelsen av tetningsben 22, 26 kan imidlertid variere med anvendelse. Alternativt kunne dybden D være mindre enn tykkelsen av tetningsbenene 22, 26 og således ha en dybde i et område fra 0,2 til ,5 tommer.

Basismaterialet anvendt for tetningen i denne eksempel-utførelsesformen kan være standard AISI G1030 stål med lavt karboninnhold med en teknisk strekkgrense i valset tilstand i et område på 40 til 50K og en endelig strekkfasthet i et område på 50 til 70K. Styrken av de forseglende veggoverflater 24, 28 under-kastet varmebehandlingsprosessen beskrevet over, kan bli mykgjort for å oppnå en teknisk strekkgrense i et område på 25 til 35K. Det gjenværende av tetningsringen 23 ikke påvirket ved varmebehandlingsprosessen bevarer en teknisk strekkgrense på omtrent 60K. Basisarealet av tetning 23 fra bunnen av slisse 50 nedover skulle være omtrent ved det opprinnelige teknisk strekkgrensenivået. Denne variasjonen i tekniske strekkgrenser tillater at tetningsring 23 bevarer mekanisk lastkapasitet mens den forbedrer forseglbarhet av de forseglende veggoverflatene 24, 28 på grunn av deres evne til å deformere enklere mot mothakesporprofiler 14, 20. Videre kan overflatehardhet av mykgjort region være omtrent i et område fra HBW 90 til omkring HBW 110 og andre ikke-mykgjorte arealer kan ha en overflatehardhet i omtrent et område fra HBW 130 til omkring HBW 150.

Denne skriftlige beskrivelsen bruker eksempler for å vise oppfinnelsen, inkludert den beste modus, og også muliggjøre at en hvilken som helst fagperson kan praktisere oppfinnelsen, inkludert tilvirkning og anvendelse av hvilke som helst anordninger eller systemer og utførelse av hvilke som helst inkorporerte metoder. Disse utførelsesformene er ikke tenkt å begrense omfanget av oppfinnelsen. Det patenterbare omfanget av oppfinnelsen er definert ved kravene, og kan inkludere andre eksempler som forekommer for fagpersonene. Slike andre eksempler er tenkt å være innen omfanget av kravene hvis de har strukturelle elementer som ikke avviker fra den ordrette uttrykksmåten av kravene, eller hvis de inkluderer ekvivalente strukturelle elementer med ubetydelige forskjeller fra den ordrette uttrykksmåten i kravene.

Claims (19)

1. Brønnhodesammenstilling med en akse, omfattende: et ytre brønnhodeelement som har en boring; et indre brønnhodeelement lokalisert i boringen; motstående tetningsoverflater i boringen og på en utvendig andel av det indre brønnhodeelementet; en tetningsring mellom de indre og ytre brønnhodeelementene som har et indre ringformet element og et ytre ringformet element som omskriver en andel av det indre ringformede elementet, det indre ringformede elementet har en innadrettet profil og det ytre ringformede elementet har en utadrettet profil; en varmebehandlet tetningsoverflate dannet på minst én av de innadrettede og utadrettede profilene, hvori den varmebehandlede tetningsoverflaten har en lavere teknisk strekkgrense enn en rest av tetningsringen; og en ringformet energiserende ring som har en nedre ende som kan settes inn mellom de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen, slik at når den nedre enden av den energiserende ringen blir satt inn mellom de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen, blir de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen presset radialt fra hverandre for å plassere minst én varmebehandlet tetningsoverflate til forseglende kontakt med tetningsoverflaten av ett av de indre og ytre brønnhodeelementene.

2. Sammenstilling ifølge krav 1, videre omfattende en ringformet forlengelse som strekker seg nedover fra og lokalisert under tetningsringen, forlengelsen har en nedre overflate som lander på en skulderandel av det indre brønnhodeelemen-tet; den ringformede forlengelsen har en høyere teknisk strekkgrense enn den varmebehandlede tetningsoverflaten.

3. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori sfæroidale karbider er innen den varmebehandlede tetningsoverflaten.

4. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori et materiale av tetningsringen er stål som har en teknisk strekkgrense i et område fra omtrent 40 til 50K; og den tekniske strekkgrensen for den varmebehandlede tetningsoverflaten er i et område fra omtrent 25 til 35K.

5. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori et forseglende areal er definert ved en bredde av varmebehandlet tetningsoverflate og dybden av den varmebehandlede tetningsoverflaten er 0,200 til 0,500 tommer dyp inn i den ene eller andre av profilene på de indre eller ytre ringformede elementene.

6. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori den varmebehandlede tetningsoverflaten er definert som en prosentandel av en tykkelse av det ene eller andre av de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen i området fra 40 til 100 % av tykkelse.

7. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen danner en U-formet lomme som den energiserende ringen settes inn i; og en nedre ende av den varmebehandlede overflaten er tilgrensende en nedre ende av lommen.

8. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori minst ett av de indre eller ytre brønnho-deelementene omfatter et sett av flettverk dannet på tetningsoverflatene, hvori den varmebehandlede tetningsoverflaten deformeres på flettverkene etter setting av tetningssammenstillingen.

9. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori en U-formet lomme-base for tetningsring forbinder de indre og ytre ringformede elementene under lomme, en forlengelse strekker seg nedover fra basisnesering festet til forlengelse og base, forlengelse og nesering har større teknisk strekkgrense enn varmebehandlet tetningsoverflate.

10. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori en hardhet for den varmebehandlede tetningsoverflaten er i det omtrentlige området av HBW 90 til HBW 110; og en hardhet for den gjenværende andelen av tetningsringen er i det omtrentlige området av HBW 130 til omkring HBW 150.

11. Sammenstilling ifølge krav 1, hvori den varmebehandlede overflaten omfatter varmebehandlede tetningsoverflater på hver av de innadrettede og utadrettede profilene.

12. Tetningssammenstilling for en undervanns-brønnhodesammenstilling, omfattende: en metall tetningsring for forsegling mellom indre og ytre brønnhodeele-menter, i en undervanns-brønnhodesammenstilling, tetningsringen har et indre ringformet element og et ytre ringformet element som omskriver en andel av det indre ringformede elementet, de indre og ytre ringformede elementene er sam-menføyd ved en base, det indre ringformede elementet har en innadrettet profil og det ytre ringformede elementet har en utadrettet profil; en ringformet energiserende ring som har en nedre ende som kan settes inn mellom de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen, slik at når den nedre enden av den energiserende ringen blir satt inn mellom de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen, blir ytre vegger av de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen presset radialt bort fra hverandre for å plassere den varmebehandlede tetningsoverflaten til forseglende kontakt med ett av de indre ytre brønnhodeelementene; en ringformet forlengelse som strekker seg nedover fra og lokalisert under tetningsringen, forlengelsen har en nedre overflate for landing på en andel av det indre brønnhodeelementet og har en oppadrettet skulder i kontakt med det indre ringformede elementet av tetningsringen; og en varmebehandlet tetningsoverflate dannet på minst én av de innadrettede og utadrettede profilene, hvori den varmebehandlede tetningsoverflaten har en lavere teknisk strekkgrense enn basen, den ringformede forlengelsen og den energiserende ringen.

13. Sammenstilling ifølge krav 12, hvori sfæroidale karbider er innen den varmebehandlede tetningsoverflaten.

14. Sammenstilling ifølge krav 12, hvori et materiale av tetningsringen er stål som har en teknisk strekkgrense i et område fra omtrent 40 til 50K; og den tekniske strekkgrensen for den varmebehandlede tetningsoverflaten er i et område fra omtrent 25 til 35K.

15. Sammenstilling ifølge krav 12, hvori et forseglende areal er definert ved en bredde av varmebehandlet tetningsoverflate og dybden av den varmebehandlede tetningsoverflaten er 0,200 til 0,500 tommer dyp inn i den ene eller andre av profilene på de indre eller ytre ringformede elementene.

16. Sammenstilling ifølge krav 12, hvori den varmebehandlede tetningsoverflaten er definert som en prosentandel av en tykkelse av det ene eller andre av de indre og ytre ringformede elementene av tetningsringen i området fra 40 til 100 % av tykkelse.

17. Sammenstilling ifølge krav 12, hvori minst ett av de indre eller ytre brønn-hodeelementene omfatter et sett av flettverk dannet på tetningsoverflatene, hvori den varmebehandlede tetningsoverflaten deformeres på flettverkene etter setting av tetningssammenstillingen.

18. Fremgangsmåte for fremstilling av en tetningssammenstilling, omfattende å: tilveiebringe en stållegering tetningsring for installering mellom indre og ytre brønnhodeelementer som har, et indre ringformet element og et ytre ringformet element som omskriver en andel av det indre ringformede elementet, det indre ringformede elementet har en innadrettet profil og det ytre ringformede elementet har en utadrettet profil; og varme minst én av de innadrettede eller utadrettede profilene til en transformasjonstemperatur mens en holder en gjenværende andel av den forseglende ringen under transformasjonstemperaturen, og derved senke den tekniske strekkgrensen av minst én profil under en teknisk strekkgrense for den gjenværende andelen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, som videre omfatter trinnet med å sirkulere varmetilførsel mellom øvre og nedre kritiske transformasjonstemperaturer for stål-legeringen for å selektivt danne sfæroidale karbider i tetningsringen.