NO322951B1 - Kompositt-broplugg for lave trykk og hoye temperaturer - Google Patents

Abstract

En lavtrykks, høytemperatur, kompositt-broplugg. Bropluggen omfatter en stamme med et flertall av kiler eller kilebelte anbrakt rundt denne. En festekile er initiert festet til nevnte stamme og i plan berøring med kilebeltet for å tvinge kilebeltet radielt utover inn i en gripende berøring med et borehull. Et elastomer-tetningselement er anbrakt på stammen og presset sammen mellom festekilen og en skulder på stammen for å ekspandere pakningselementet radielt utover og inn i en tettende inngripen med borehullet. Et flertall av skraller oppholdt i en skrallehylse griper tak i stammen for å forhindre at pluggen løsner. Stammen, kilebeitet, festekilen og skrallehylsen er fortrinnsvis er laget av ikke-metalliske, komposittmaterialer for lett boring.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører nedihullsverktøy for bruk i brønner med høy temperatur, og mer spesielt til en broplugg for høy temperatur laget hovedsakelig av ikke-metalliske komposittmaterialer.

Ved boring og overhaling av oljebrønner benyttes et stort utvalg av nedihullsverktøy. Det er for eksempel, men uten at dette skal være begrensende, ofte ønskelig å tette produksjonsrør eller andre rør i brønnens foring, slik at man når man ønsker å pumpe sement eller en annen blanding ned i produksjonsrøret og tvinge blandingen ut i en formasjon. Da er det nødvendig å tette produksjonsrøret med hensyn til brønnens foring og forhindre at sementblandingens fluidtrykk løfter produksjonsrøret ut av brønnen. Pakninger og broplugger laget for disse generelle formålene er vel kjent innen faget.

Når det er ønskelig å fjerne slike nedihullsverktøy fra et borehull, er det ofte enklere og rimeligere å frese eller bore disse ut, i stedet for å implementere en komplisert opphentingsoperasjon. Ved fresing brukes en fresekutter for å slipe pakningen eller pluggen, for eksempel, eller minst de ytre komponentene av disse, ut av borehullet. Fresing er en relativt langsom prosess, men den kan benyttes på pakninger eller broplugger med relativt harde komponenter så som erosjonsbestandig hardt stål. En slik pakning er fremlagt i US-patent nr. 4.151.875 (Sullaway), overdratt søker og solgt under varemerket "EZ DISPOS AL"-pakning. Andre nedihullsverktøy i tillegg til pakninger og broplugger kan også bores ut.

Ved boring brukes en borekrone for å skjære og slipe nedihullsverktøyets komponenter for å fjerne det fra borehullet. Dette er en mye raskere operasjon enn fresing, men krever at verktøyet er laget av materialer som borehodet kan håndtere. Mykt og middels hardt støpejern har blitt brukt på de trykkbærende komponentene, sammen med noen messing- og aluminiumsdeler. Pakninger av denne typen omfatter klempakningene "EZ DRILL®" og "EZ DRILL SV®" levert av Halliburton.

EZ DRILL- pakningen og broplugg og EZ DRILL SV-pakningen er laget for å kunne fjernes raskt fra borehullet ved hjelp av enten roterende- eller kabelverktøy-boremetoder. Mange av komponentene i disse borbare pakningsanordningene er låst sammen for å forhindre at de spinner rundt når de bores, og de hardere kilebeltene har spor slik at de kan brytes opp i mindre biter. Typisk brukes standard "tre-konet" roterende borekroner.

Utboring av jernkomponenter fordrer imidlertid visse teknikker. Ideelt benytter operatøren endringer i rotasjonshastighet og kronevekt for å bryte opp metalldelene og reetablere kronegjennomtrengning dersom kronegjennomtrengning opphører mens det bores. Et fenomen kjent som "kronesporing" kan opptre, hvorved borekronen forblir i en bane og ikke lenger skjærer seg ned i nedihullsverktøyet. Når dette skjer, må man ta opp kronen til over boreflaten og raskt på nytt sette kronen mot pakningen eller pluggen og anvende vekt, mens man fortsetter rotasjonen. Dette hjelper til å bryte opp det etablerte kronemønsteret og hjelper til å reetablere kronegjennomtrengning. Dersom denne prosedyren følges, støter man sjelden på problemer. Imidlertid er det ikke sikkert at operatøren anvender disse teknikkene eller til og med forstår når kronesporing har funnet sted. Resultatet er at boretidene økes voldsomt, da kronen simpelthen sliter seg inn i nedihullsverktøyets overflate i stedet for å skjære ned i det og bryte det opp.

Selv om støpejernskomponenter kan være nødvendige for de høye trykkene og temperaturene som de er konstruert for, har man fastslått at det i mange brønner er trykk mindre enn 68.948 kPa (10.000 psi) og temperaturer mindre enn 218°C (425°F). Derfor er slike kjente nedihullsverktøy en slik robust konstruksjon, så som pakninger og broplugger beskrevet over, ikke nødvendig ved mange anvendelser.

For slike brønnforhold har verktøy blitt laget der minst en av komponentene, inkludert kilebeltet og trykkbærende komponenter, er laget minst delvis av ikke-metalliske materialer, så som plast av maskinstandard. Slike verktøy er fremlagt i US-patentnumre 5.271.468, 5.224.540 og 5.390.737, overdratt til søker. Disse verktøyene selges under varemerket "FAS DRILL®". Plastkomponentene i disse verktøyene lar seg mye lettere bore enn støpejern og nye boremetoder kan tas i bruk som bruker alternative borekroner så som kompaktkroner med polykrystalldiamant, eller lignende, i stedet for standard tre-konet kroner.

Både norsk patentsøknad 1999 2241 og US 3.976.133 viser en pakning med et pakningselement. Pakningen låses til borehullet ved bruk av en kile.

Disse kjente verktøyene som bruker ikke-metalliske komponenter benytter to sett med kilebelter, et på hver side av pakningselementene for å låse verktøyet i borehullet og for å forhindre at det løsner. Dette er spesielt nyttig i situasjoner med høyt trykk for å sikre at verktøyet ikke uønsket beveges i borehullet. Ikke alle brønnforhold har imidlertid slike trykknivåer, og den foreliggende oppfinnelse er laget for å henvende seg til slike mindre krevende brønnforhold. Den foreliggende oppfinnelse benytter et enkelt sett kilebelter for å holde verktøyet i borehullet, mens en mengde skralleverk holder verktøyet slik at det ikke løsner. Dette fører til en kostnadsreduksjon sammenlignet med eksisterende plugger og pakninger.

Det er således frembrakt en pakningsanordning til bruk i et borehull, innbefattende en stamme og et pakningselement anbrakt på nevnte stamme for en tettende inngripen med borehullet når denne er i en tettende stilling; en enkelt festekile anbrakt på nevnte stamme og som har en festekileavsmalnet flate på denne; et enkelt kilebeltesett anbrakt rundt nevnte stamme for en låsende inngripen med borehullet når nevnte pakningselement er i nevnte tettende stilling og med en kileavsmalnende overflate som griper tak i nevnte festekileavsmalnende overflate, idet pakningsanordningen videre er kjennetegnet ved en skrallehylse anbrakt på nevnte stamme og som definerer et skrallehulrom i dette; og en skralle anbrakt i nevnte skrallehulrom og som har tenner tilpasset for låsende inngripen med nevnte stamme for å holde nevnte stamme i en fast stilling med hensyn til nevnte pakningselement.

Den foreliggende oppfinnelse kan beskrives som en pakningsanordning for bruk i et borehull og bestående av en stamme, et pakningselement anbrakt på stammen for en tett tilpasning med borehullet når den er i en tettende posisjon, en festekile ("wedge") anbrakt på stammen og med en festekileavsmalnende flate på denne, en kile eller kilebelte ("slip") anbrakt på stammen for en låsende inngripen med borehullet når pakningselementet er i den tettende posisjonen og med en kileavsmalnende flate som griper inn i den festekileavsmalnende flaten, en skrallehylse anbrakt på stammen og som definerer et skrallehulrom deri, og et skralleverk anbrakt i skrallehulrommet og som har tenner derpå tilpasset for en låsende inngripen med stammen. Fortrinnsvis er skrallehylsen, kilebeltet, festekilen og stammen laget av i hovedsak ikke-metalliske materialer. Selve skrallen eller skralleverket er fortrinnsvis laget av et metallisk materiale.

I en foretrukket utførelse har stammen en skulder som er tilliggende en side av pakningselementet, og festekilen er anbrakt på en motsatt side av pakningselementet fra skulderen. Stammen er forholdsvis bevegelig i forhold til festekilen for i lengderetningen å presse sammen pakningselementet og ekspandere dette radialt utover til en tettende posisjon. Den festekileavsmalnende flaten er på en motsatt side av festekilen fra pakningselementet.

Skrallehylsen i er konstant berøring med en ende av kilebeltet. Denne enden av kilebeltet er på en motsatt side av kilebeltet fra den kileavsmalnende flaten. Der er i det alt vesentlige ingen relativ bevegelse mellom skrallehylsen og kilebeltet i lengderetningen med hensyn til stammen.

Oppfinnelsen kan også beskrives som en pakningsanordning til bruk i et borehull og bestående av en stamme, et pakningselement anbrakt på stammen for tettende å gripe tak i borehullet når den er i en tettende posisjon, en festekile anbrakt på stammen og med en i hovedsak plan festekileavsmalnende overflate på denne, og en kile anbrakt på stammen og med en i hovedsak plan kileavsmalnende flate på denne som griper tak i den festekileavsmalnende flaten. Kjente kilebelter og festekiler bruker krumlinjede flater som, når det gjelder ikke-metalliske materialer, har blitt funnet å i blant binde og ikke fungere jevnt. Den plane flateberøringen mellom festekilen og kilebeltet i den foreliggende oppfinnelse unngår dette bindeproblemet.

Uttrykt på en annen måte, er den foreliggende oppfinnelse en pakningsanordning til bruk i et borehull og bestående av en stamme, et pakningselement anbrakt på stammen for tett å slutte seg mot borehullet når det er i en tettende stilling, en festekile anbrakt på stammen og med en i hovedsak plan festekileavsmalnende flate på denne, en kile anbrakt på stammen og med en i hovedsak plan kileavsmalnende flate på denne som griper tak i den festekileavsmalnende flaten, en skrallehylse anbrakt på stammen og som definerer et skrallehulrom i dette, og en skralle eller skralleverk anbrakt i skrallehulrommet og som har tenner på denne tilpasset for en låsenede inngripen med stammen for å holde stammen i en fast posisjon med hensyn til pakningselementet. Kilebeltet og festekilen er laget av ikke-metalliske materialer og skrallehylsen og stammen er også fortrinnsvis laget av ikke-metalliske materialer. Skrallen er metallisk.

En rekke formål og fortrinn ved oppfinnelsen vil bli tydelige når den følgende detaljerte beskrivelsen av den foretrukne utførelsen leses sammen med tegningene som illustrerer en slik utførelse. Fig. IA og IB viser et lengdesnitt av komposittbropluggen for lavt trykk og høy temperatur ifølge den foreliggende oppfinnelse, idet den føres ned i et borehull.

Fig. 2 viser bropluggen sett fra dens øvre ende.

Med henvisning nå til tegningene, og mer spesielt til fig. IA og IB, er det der vist en kompositt-broplugg for lave trykk og høye temperaturer, ifølge den foreliggende oppfinnelse og i hovedsak vist til ved hjelp av henvisningstallet 10. Anordningen 10 er konstruert for å fungere i et borehull 12 med en foring 14 i dette. Foringen 14 har en indre flate 16.

Anordningen 10 føres inn i borehullet 12 på et setteverktøy 18 av en type som er generelt kjent i faget. Setteverktøyet 18 kan være et elektrisk kabelverktøy, et glatt ståltrådverktøy, et kveilrørsverktøy eller et mekanisk setteverktøy.

Anordningen 10 omfatter en sentral stamme 20 med sentrale åpninger 22 i denne.

Ved den øvre enden av de sentrale åpningene 20 i stammen 20 er der en forstørret boring 24 gjennomskåret av fire radielt orienterte hull 26.

Setteverktøyet 18 har en stangdel 28 som holdes på plass i boringen 24 på stammen 20 ved hjelp av fire skjærsplinter 30 som anbringes gjennom hullene 26.

I den illustrerte utførelsen er anordningen 10 en broplugg og har en stammeplugg 32 anbrakt i en øvre del av den sentrale åpningen 22. Starnmebolten 32 holdes på plass ved hjelp av boltene 34. Et tetnihgshjelpemiddel, så som en O-ring 36, gir en tettende inngripen mellom stammepluggen 32 og stammen 20. Dersom anvendelsen krever fluid strømning gjennom anordningen 10, utelates simpelthen stammepluggen 32 og boltene 34, slik at fluid kan strømme gjennom den sentrale åpningen 22 på stammen 20.

En skrallehylse 38 er anbrakt rundt den øvre enden av stammen 20 og forbundet med denne ved hjelp av en bolt 40. Setteverktøyet 18 har også en settehylse 39 som griper tak i skrallehylsen 38 ved dennes øvre ende 41.

Skrallehylsen 38 definerer en avsmalnet eller konisk boring 42 i denne. Et flertall av skraller 44 er anbrakt i den koniske boringen 42 i skrallehylsen 38. Derfor kan også den koniske boringen 42 beskrives som et skrallehulrom 42. Skrallene 44 holdes løst sammen som en enhet ved hjelp av en låsering 46. Hver skralle 44 har et flertall av radielt innoverrettede skralletenner 48. Skralletennene 48 er tilpasset for å gripe tak i og gripe inn i for å låse seg med den ytre flaten 50 på stammen 20 når anordningen 10 er i en satt posisjon, som vil bli ytterligere beskrevet.

Skrallehylsen 38 har en nedre flate 51 som strekker seg radielt og avsmalner svakt oppover med hensyn til stammen 20. Under skrallehylsen 38 er et flertall av kiler eller kilebelte 52 som holdes sammen av en enhet rundt stammen 20 ved hjelp av en øvre låsering 54 og en nedre låsering 56. Hver kile 52 har et flertall av harde knapper eller innsatser 58 støpt i disse som er tilpasset for å gripe inn i den indre flaten 16 på foringen 14 når anordningen 10 er i en satt posisjon, som vil bli ytterligere beskrevet.

De øvre ender 60 av kilebeltet 52 er svakt avsmalnende for å være konforme med den nedre enden 52 av skrallehylsen 38. Øvre ende 60 på kilebeltet 52 er i konstant berøring med den nedre enden 51 på skrallehylsen 38.

En festekile 62 er avskjærbart festet til stammen 20 ved hjelp av en skjærsplint 64. Festekilen 62 har et flertall av avsmalnende flater eller plane overflater 66, der plan flate tilsvarer en kile eller kilebelte 52. Avsmalnende plane flater 66 på festekilen 62 strekker seg oppover og inn i kilebeltet 54 og griper inn mot en tilsvarende avsmalnet flat eller plan overflate 68 på den nedre innsiden av hver kile eller kilebelte 52. Som vil bli beskrevet i ytterligere detalj, forhindrer den plane berøringen mellom overflatene 68 på kilebeltet 52 med overflatene 66 på festekilen 62 den bindingen som kan være et problem på kjente kurveformede kilebelteflater og festekileflater, i det minste når komponentene er laget av ikke-metalliske materialer.

Under den nedre enden 70 på festekilen 62 er der et elastomerisk pakningselement eller tetning 72.

Med henvisning nå også til fig. IB, er pakningselementet 72 understøttet eller båret ved dets nedre ende ved hjelp av en oppoverrettet skulder 74 på stammen 20. Stammen 20 har en avskrådd nedre ende 76 som hjelper til å for å lede anordningen 10 forbi små hindringer i borehullet 14, idet anordningen 10 kjøres ned i brønnen på setteverktøyet 18.

Anordningen 10 er konstruert for å være en kompositt-broplugg for lavt trykk og høy temperatur, og stammen 20, stammepluggen 32, skrallehylsen 38, kilebeltet 52 (unntatt innsatsene 58), og festekilen 62 er fortrinnsvis laget av komposittmaterialer så som teknologiplast. Slike materialer lar anordninger 10 lett bores ut av borehullet 12 når det ikke er påkrevet, hvilket også er tilfellet med det myke elastomermaterialet i pakningselementet 72. Skrallene 44 er fortrinnsvis av metall, men er så små at de ikke utgjør problemer ved boringen.

I den foretrukne utførelsen har materialene en driftstemperatur på opp til 177°C (350°F). Bropluggskonstruksjonen vil holde trykk opp til 13.789 kPa (2.000 psi) til 20.680 kPa

(3.000 psi) fra under pluggen. Dette gjør at sement kan plasseres på toppen av pluggen.

Ved drift kobles anordningen 10 til setteverktøyet 18, som beskrevet tidligere, og kjøres inn i foringen 14 i borehullet 12 til det ønskede stedet. Setteverktøyet 18 aktueres slik at stangen 28 trekker oppover på stammen 20, mens settehylsen 39 holder skrallehylsen 38 og skrallen 44 på plass og forhindrer at skrallehylsen og skrallen beveger seg. Denne oppoverrettede trekkingen på stammen 20 tvinger festekilen 62 oppover på innsiden av kilebeltet 52. Den avsmalnende, plane berøringen mellom flatene 66 på festekilen 62 og flatene 66 på kilebeltet 52 gjør at kilebeltet beveges glatt radielt utover, bryter eller frikobler seg fra den øvre låseringen 54 og den nedre låseringen 56, til slutt tvinges kilebeltet 52 utover tilstrekkelig langt slik at innsatsene 58 griper fast i den indre flaten 16 på foringen 14 som ligger inntil denne, hvilket virker til å holde anordningen 10 på plass i borehullet.

Når kilebeltet 52 på den måten beveges radielt utover, vil man se at de øvre endene 60 på kilebeltet glir langs den nedre enden 51 på skrallehylsen 38. Selv om disse flatene er svakt avsmalnende som beskrevet tidligere, er der i hovedsak ingen relativ bevegelse i lengderetningen mellom kilebeltet og skrallehylsen.

Straks kilebeltet 52 er satt, kan festekilen 62 ikke lenger bevege seg oppover med hensyn til kilebeltet, og en videre oppoverrettet trekking på stammen 20 resulterer i at skjærsplinten 64 brytes slik at stammen trekkes oppover med hensyn til festekilen 62. De som er kyndige i faget vil se at skulderen 74 på stammen 20 dermed beveges oppover mot den nedre enden 70 på festekilen 62 som presser sammen pakningselementet 72, og ekspanderer det radielt utover til en tettende inngripen med foringens 14 indre flate 16.

Straks anordningen 10 på den måten er satt i inngripende og tettende stilling i forhold til foringen 14 i borehullet 12, stoppes bevegelsen av setteverktøyet 18. Elastomermaterialet i pakningselementet 72 vil tvinge stammen 20 nedover, med mindre stammen holdes på plass på annen måte. Dette oppnås ved hjelp av griping av tennene 48 i skrallen 44 som holder stammen 20 for å forhindre at den glir ned igjen. På grunn av skrallens 44 kilevirking i den koniske boringen 42 og skrallehylsen 38, vil en økning av den nedoverrettede kraften anvendt på stammen 20 medføre en økning av tennenes 48 griping på stammens ytre flate 50.

Straks pakningselementet 72 er presset tilstrekkelig sammen for å ekspanderes utover til en tettende inngripen med foringens 14 indre flate 16, vil en ytterligere belastning på stammen 22 ved hjelp av stangen 28 på setteverktøyet 18 bryte skjærsplintene 30, hvilket frigjør setteverktøyet fra anordningen 10 slik at setteverktøyet kan trekkes ut av borehullet 12, mens anordningen 10 etterlates der.

Som tidligere diskutert, gjør komposittmaterialene i de fleste av komponentene i anordningen 10 det mulig å bores raskt og lett ut av borehullet 14 når det ikke lenger skal brukes.

Claims (10)

1. Pakningsanordning (10) til bruk i et borehull, innbefattende en stamme (20) og et pakningselement (72) anbrakt på nevnte stamme for en tettende inngripen med borehullet (12) når denne er i en tettende stilling; en enkelt festekile (62) anbrakt på nevnte stamme og som har en festekileavsmalnet flate (66) på denne; et enkelt kilebeltesett (52) anbrakt rundt nevnte stamme for en låsende inngripen med borehullet (12) når nevnte pakningselement (72) er i nevnte tettende stilling og med en kileavsmalnende overflate (68) som griper tak i nevnte festekileavsmalnende overflate (66), idet pakningsanordningen videre er karakterisert ved en skrallehylse (38) anbrakt på nevnte stamme (20) og som definerer et skrallehulrom i dette; og en skralle (44) anbrakt i nevnte skrallehulrom og som har tenner (48) tilpasset for låsende inngripen med nevnte stamme for å holde nevnte stamme i en fast stilling med hensyn til nevnte pakningselement.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte kilebelte og festekile er laget av et ikke-metallisk materiale.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte stamme har en skulder på denne tilliggende en side av nevnte pakningselement og at nevnte festekile er anbrakt på en motsatt side av nevnte pakningselement fra nevnte skulder, der nevnte stamme er relativt bevegelig med hensyn til nevnte festekile for i lengderetningen å presse sammen nevnte pakningselement og ekspandere dette radielt utover til nevnte tettende posisjon.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at nevnte festekileavsmalnende flate er på en motsatt side av nevnte festekile fra nevnte pakningselement.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte skrallehylse er i konstant berøring med en ende av nevnte kile eller kilebelte.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at nevnte ende av nevnte kile eller kilebelte er på en motsatt side av nevnte kile eller kilebelte fra nevnte kileavsmalnende overflate.

7. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at der i det alt vesentlige ikke er noen relativ bevegelse mellom nevnte skrallehylse og nevnte kile eller kilebelte i en lengderetning med hensyn på nevnte stamme.

8. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at skrallehylsen er laget av et ikke-metallisk materiale.

9. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte skralle er laget av et metallisk materiale.

10. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte stamme er laget av et hovedsakelig ikke-metallisk materiale.