NO324763B1 - Tetningsanordning - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for gjentagende mekanisk utløsning av forskjellige typer brønnutstyr, idet anordningen omfatter et fjærelement (4) og et strengelementet (1). Oppfinnelsen er særpreget ved at anordningen omfatter en dreiehylse (7), der det mellom streng-elementet (1) og dreiehylsen (7) er anordnet dreieflater (1', 1 "; 2', 2"), der det ene settet med dreie-flater (V, 1 ") har samme stigning og det andre settet med dreieflater (2', 2") har en annen stigning, der anordningen er innrettet til å fremtvinge en relativ dreiebevegelse mellom strengelementet (1) og dreiehylsen (7) som forutsetning for en aksial bevegelse, der graden av dreiehylsens (7) dreiebevegelse er avhengig av kraften som er påført anordningen, fjærens (4) stivhet og dreieflatenes stigning (1', 1 "; T, 2"), idet anordningen er innrettet til å frigjøre sin opplagrede energi når dreiehylsen (7) har dreid såpass mye at dreiehylsens (7) anleggsflate (3") ikke lenger har aksialt anlegg mot en endestykkets (6) anleggsflate (3'), hvorpå dreiehylsen (5) og strengelementet (1) vil forskyve seg i forhold til ende-stykket (6) og dermed tillater fjæren (4) å utløse sin opplagrede energi.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et tetningsorgan for bruk under tøffe forhold, så som sterkt varierende trykkforhold, sterkt varierende temperaturforhold og et kjemisk belastende miljøforhold. I tillegg skal tetningsorganet ifølge foreliggende oppfinnelse oppfylle krav om pålitelig og vedlikeholdsfri funksjon over lang tid.

I oljeindustrien anvendes en lang rekke tetningsorganer under alle trinn i prosessene som bevirker til å føre olje og gass fra et underjordisk reservoar, opp til overflaten og frem til sluttbruker. Foreliggende oppfinnelse vedrører spesielt tetningsorganer for bruk nede i grunnen, men fordelene ved tetningsorganene ifølge foreliggende oppfinnelse vil også kunne finne anvendelse i andre sammenhenger der det er behov for robuste tetningsorganer.

Ved komplettering av olje- og gassbrønner anvendes såkalte sementeringsventiler under sementeringsarbeidet. Sementeringsventilene danner del av produksjonsrøret og er innrettet slik at de kan åpnes og lukkes etter behov under sementeringsarbeidet. Sementeringsventiler er utsatt for sterke og varierende belastninger så som store trykkforskjeller, høye temperaturer og/eller store temperatursvingninger, sterke fysiske belastninger samt et svært tøft kjemisk miljø.

En type sementeringsventiler omfatter en indre hylse som kan skyves frem og tilbake for å henholdsvis lukke og åpne radielle ventilåpninger eller -porter i et basisrør, idet en åpen sementeringsventil danner kommunikasjon mellom produksjonsrørets innside og utside. Basisrøret skrus inn som en del av produksjonsrøret slik at sementeringsventilen utgjøren rørseksjon av produksjonsrøret.

NO 317034, meddelt Baker Hughes Inc., beskriver eh pakning med et settestempel satt på pakningskroppen. Pakningen monteres hydraulisk forut for behandling eller sementering. Pakningen er utstyrt med en glidemuffeventil som er åpen under innføring. Etter at pakningen er satt, frigjøres setteverktøyet fra ventilen. Ventilen kan deretter manøvreres ved håndtering av rørstrengen. Rørstrengen kan løsgjøres og gjeninnkoples i pakningskroppen for å avgjøre hvorvidt ventilen er stengt, ved måling av trykkforholdene ved overflaten. NO 317034 viser videre pakninger som tetter mellom glidemuffeventilen og basisrøret det er anordnet i, idet pakningene skal sørge for at ventilelementet er tett når glidemuffeventilen befinner seg i lukket stilling.

For å sørge for at sementeringsventilen er tett når den indre hylse befinner seg sin lukkende posisjon, er det anordnet ringformede tetningsorganer mellom utsiden av den indre hylsen og innsiden av basisrøret. Disse ringformede tetningsorganer ligger gjerne i omkringliggende spor som er frest ut eller på annen måte anordnet i hylsen. Selv om tetningsorganet som på dette vis omringer hylsen er av et meget robust og motstandsdyktig slag, har det vist seg at de høye differensielle trykk som oppstår ved sementeringsventilene, bidrar til å strekke og deformere tetningsorganene på en slik måte at tetningsorganene blir dratt ut av sitt spor, kommer i klem mellom hylsen og ventilportene i basisrøret, og dermed kappes helt eller delvis når sementeringsventilen åpnes eller lukkes. Dette fører igjen til at tetningsevnen til tetningsorganene reduseres betraktelig, idet de i visse tilfeller også kan vaskes helt ut gjennom ventilportene.

En annen svakhet ved konvensjonelle tetningsorganer er at de er utsatt for såkalt utvasking. Når ventilen åpnes, d.v.s. hylsen skyves i forhold til basisrøret, og tetningen eksponeres av ventilporten, vil en heftig væskestrømning over den eksponerte tetningen kunne føre til at tetningen helt eller delvis slites ned og dermed helt eller delvis miste sin tettende virkning;

Det er et begrenset utvalg av materialer som egner seg til bruk for tetninger av dette slaget. En måte å anordne tetningsringen i tetningssporet, er å varmeutvide tetningsringen før den tres over hylsen og in i tetningssporet. Når tetningsringen avkjøles, vil den stramme seg på plass i tetningssporet. Denne metoden begrenser imidlertid materialvalget med tanke på styrke og motstandsdyktighet i forhold til temperatur-, kjemikalie-, og trykktoleranse.

Noen av de kjemikalier tetningen kan utsettes for nede i brønnen omfatter maursyre, saltsyre, saltholdige løsninger, sure gasser så som H2S etc. Det er et kjent problem at høye temperaturer kan gjøre tetningene sprø. Videre kan gass trenge inn i tetningsmaterialet og danne gassbobler som fører til at tetningen "blåses opp". Avhengig av sammensetningen av boreslammet og materialet til tetninger, kan tetninger løse seg opp i boreslam. Kombinasjonen av disse faktorene, som noen ganger også opptrer samtidig, gjør valget at tetningsmateriale vanskelig. Når tetningen i tillegg må ha bestemte mekaniske egenskaper for å muliggjøre montering, begrenses utvalget ytterligere.

Konvensjonelle tetninger omfatter gjerne Teflon. Teflon har en tendens til å utvide seg og bli bløtere ved høye temperaturer, men vil trekke seg tilbake igjen når temperaturen faller. For å unngå termisk ekspansjon har man blant annet anvendt et materiale som kalles Devlon V. Devlon V er mekanisk sterkere enn Teflon og vil tåle høyere differansetrykk en for eksempel Teflon. Selv om Devlon V også ekspanderer ved opphøyde temperaturer, ekspanderer den ikke i samme grad som Teflon. Devlon V har et smeltepunkt på 216 °C. Dersom tetningene skal brukes i miljøer med enda høyere temperaturer, finnes et materiale som kalles Peek som tåler opp til 333 °C. Dersom Teflon eller Peek anvendes i miljøer med H2S, vil tetningene svelle og bli sprø over tid. Da finnes andre materialer som kan brukes, men dette vil kunne gå på bekostning av andre egenskaper. Pris er også en faktor som naturligvis spiller inn: Devlon V er vesentlig dyrere enn Teflon og Peek er vesentlig dyrere enn Devlon V etc.

Tetningene må være fleksible nok til at de kan tres over sementeringsventilhylsen og ned i et dertil anordnet spor. Dersom kravene til tetningens mekaniske styrke er spesielt stor, vil tetningen av det foretrukne tetningsmaterialet være for hard til å tre over hylsen.

Med de begrensninger som finnes med hensyn til mekanisk oppbygning og materialvalg, tåler dagens konvensjonelle tetningssystemer ikke et større differensialt rykk enn ca 100 bar. I til legg f øre r de forskjellige ugunstige brønnforholdene nevnt ovenfor til at dagens konvensjonelle tetningssystemer raskt taper seg og at ovennevnte differansetrykktoleranse på ca 100 bar raskt forringes til uakseptabelt lave nivåer.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et tetningsorgan som i mye mindre grad enn de ovennevnte konvensjonelle tetningsorganer er beheftet med nevnte ulemper. Ifølge foreliggende oppfinnelse oppnås dette formål ved et tetningsorgan som er særpreget ved de trekk som fremkommer i de selvstendige krav 1. Ytterligere fordelaktige trekk og utførelser fremkommer av de uselvstendige krav.

I det følgende gis en detaljert beskrivelse av en fordelaktig utførelsesform under henvisning til det vedføyde figurer, der

Fig. 1 viser et konvensjonelt tetnihgssystem,

Fig. 2 og 3 viser langsgående utsnitt av en sementeringsventil forsynt med tetningsanordningen ifølge foreliggende oppfinnelse, og Fig. 4 og 5 viser mer detaljert tetningsanordningen ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 viser et konvensjonelt tetningssystem i forbindelse med en hylse 20 i en sementeringsventil. En tetning i form av en O-ring 21 er anbrakt i et spor 22 som omslutter hylsen 20. Sporet 22 i hylsen 20 er stort nok til å romme ytterligere ringer 23, 24 som har til oppgave å beskytte O-ringen 21, men disse ytterligere ringene 23, 24 bidrar ikke til å støtte og holde o-ringen på plass ved radielt utoverrettede krefter. Ringene 23, 24 er i likhet med O-ringen 21 fortrinnsvis tilvirket av teflon og må i likhet med O-ringen 21 som regel varmes opp dg tres over hylsen 20 for å få dem på plass.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et tetningsorgan 10 (ref. fig. 2 til 5) som omfatter en tetning 1, for eksempel i form av en tetningsring, som holdes på plass av støtteringer 2. Støtteringene 2 fungerer som formtilpassede kiler som både bidrar til å klemme rundt tetningen 1 og som selv kiles eller klemmes fast av ytre låseringer 3. De ytre låseringer 3 er igjen utformet slik at de passer inn i egnede låsespor 6 i hylsen 7. Hylsen 7 omfatter et gjenget parti 8 samt eventuelt et utsparret parti 9 som bidrar til å redusere hylsens diameter 11. Ved sammenstilling av tetningsorganet 10 tres først én ytre låsering 3 inn over det utsparrede partiet av hylsen 7, slik at denne ytre låseringen 3 går til anlegg og inngrep med låsesporet 6. Så tres en støttering 2 inn over det utsparrede partiet av hylsen 7, slik at støtteringen 2 går til anlegg og inngrep med den ytre låseringen 3. Så tres tetningsringen 1 over det utsparrede partiet av hylsen 7, slik at tetningsringen 1 går til anlegg og inngrep med låsesporet 6. Deretter følger den andre støtteringen 2 og den andre låseringen 3, før en låsemutter 5 omfattende egnede låsespor 6 skrus over hylsens 7 gjengede parti 8 og strammes opp tilstrekkelig til å holde låseringene 3, støtteringene 2 og tetningen 1 på plass, og eventuelt påføre tetningsringen 1 et forutbestemt press/forspenning/trykk. Tetningsorganet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse er innrettet slik at et påført differensialtrykk vil bevirke til at tetningen 1, støtteringene 2 og låseringene 3 låser seg inn i hverandre og dermed beskytter mot utvasking.

Tetningsorganet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse gir mye større frihet i materialvalg til tetningen 1.1 og med at støtteringene 2 og låseringene 3 er innrettet til å ta opp mange av de mekaniske belastninger og da tetningen 1 i seg selv kan settes på plass uten at den trenger å varmeutvides på forhånd eller tres med kraft over hylsen 1 og ned i et tetningsspor, kan materialer velges for tetningen 1 som i mye større grad har gode tetnings-, varme-, kjemikalie-, trykk-og slite-egenskaper. Materialet som støtteringene 2 er tilviket av kan også tilpasses bruken og materialét som tetningen 1 er dannet av, og kan også tilvirkes av samme materiale som tetningen 1. Låseringene 3 vil fortrinnsvis være tilvirket av samme materiale som hylsen 7, men kan også tilvirkes av et annet materiale, for eksempel et materiale som har egenskaper som kan sies å ligge i mellom det materialet som hylsen 7 er tilvirket av og materialet støtteringene 2 er tilvirket av med tanke på hardhet, seighet, ekspansjonsevne osv. Låsemutteren 5 er gjerne tilvirket av samme eller tilsvarende materiale som hylsen 7.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det et viktig trekk at tetningsorganet 10 tillates å ekspandere når trykk og temperaturer øker. Tetningsorganet 10 er innrettet slik at tetningen 1 får bedre støtte desto høyere trykk tetningsorganet 10 blir utsatt for. Ved høyere trykk vil støtteringene 2 trykke hardere rriot tetningen, idet tetningen 1 klemmes sammen og ekspanderer i radiell retning. Dette vil igjen bidra til å øke trykket fra tetningen 1 mot innsiden av basisrøret 11, noe som bidrar til å bedre tetningen. Imidlertid vil støtteringene 2 og utformingen mellom støtteringene 2 og tetningen 1 hindre tetningene i å bli presset, vasket eller sugd ut at sporet tetningen 1 ligger i og gjennom ventilåpningene 12 når tetningen 1 er eksponert for disse. I tillegg vil støtteringene 2 og utformingen mellom støtteringene 2 og tetningen 1 hindre tetningen 1 i å forskyves i forhold til eller vrenges ut av sporet som tetningen 1 ligger i.

Ifølge en fordelaktig utførelse av foreliggende oppfinnelse er tetningen 1 og støtteringene 2 forsynt med not-og-fjær-konfigurasjon, for eksempel i form av forhøyninger 13 eller "vinger" på hver side i aksial retning av tetningen 1 som passer overens med tilsvarende spor i støtteringene 2 (se fig. 4 og 5), som bidrar til å holde tetningen 1 på riktig plass mellom støtteringene 2, både med tanke på å hindre utsuging og med tanke på å hindre at tetningen 1 vrir seg i forhold til støtteringene 2. Andre konfigurasjoner omfatter svalehalespor, U-formet spor, V-formet spor, dråpeformet spor etc, alt etter hva som anses for å være optimalt for hvert enkelt tilfelle.

Ifølge en annen fordelaktig utførelse av foreliggende oppfinnelse er støtteringene 2 forsynt med en leppe som ligger delvis over tetningen 1 (ref. fig. 4 og 5). Støtteringene 2 kan eventuelt være utformet slik at støtteringene 2 delvis omslutter tetningen 1. Slike utforminger bidrar i enda større grad til at tetningen 1 holdes på plass mellom støtteringene 2.

Ifølge en yterligere fordelaktig utførelse av foreliggende oppfinnelse er støtteringene 2 og låseringene 3 utformet slik at støtteringene 2 holdes på plass mellom låseringene 2, for eksempel ved at låseringene 3 omfatter kileformede lepper som rager delvis over støtteringene 2 og dermed hindre støtteringen 2 i å bule for mye eller sprette ut av sin tilordnede posisjon mellom låseringene 3 (ref. fig 4 og 5).

Ifølge en yterligere fordelaktig utførelse av foreliggende oppfinnelse vil tetningsorganet 10 fungere som en skrape mot innsiden av basisrøret 11, for derved å sørge for at tetningsflaten mellom tetningsorganet 10 og basisrøret 11 holder seg fritt for sement og andre uønskede partikler. I saltholdige miljøer kan salt krystallisere seg ut og legge seg rundt tetningen. I slike tilfeller vil tetningsorganet også fungere som en skrape, uten at tetningen i seg selv blir skåret opp eller tar skade av saltkrystallene.

Ifølge et enda ytterligere aspekt ved foreliggende oppfinnelse kan styrken og holdbarheten til tetningsorganet 10 bedres enda med ved å forsyne sementeringsventilen med ovale ventilporter 12 (ref. fig. 2- 4). Ved å gi

ventilporten 12 en oval utforming vil strekkfordelingen i basisrøret 11 bli bedre, noe som resulterer i vesentlig forbedret strekkstyrke. Den mest vesentlige fordelen ved å tilveiebinge ovale porter 12 er likevel at åpningen som tetningen 1 "ser" er betydelig mindre, slik at den har en mindre eller finere åpning å ekspandere ut i, selv om arealet til ventilporten i praksis blir bortimot dobbelt så stort som ved konvensjonelle runde porter. Det forstås at tetningsorganet 10 utsettes for størst mekanisk belastning mens sementeringsventilen åpnes eller lukkes og tetningsorganet 10 eksponeres for ventilportene 12.1 tillegg kan ventilporten 12 med fordel utformes som et skyteskår, slik at kanten tetningen 1 bøyer seg rundt blir mindre skarp. En gunstig avsmalningsvinkel har vist seg å være ca. 20°. I

tillegg at innsiden av ventilporten 12 avrundes noe.

Tetningsorganet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse kan tilpasses det miljøet og de belastninger som sementeringsventilen skal utsettes for, ved at støtteringenés 2

og tetningens 1 materialer og eventuelt også utforming tilpasses de enkelte brukstilfeller og bruksforhold.

Ifølge foreliggende oppfinnelse kan tetningsorganet 10 også ettermonteres på eksisterende utstyr som har behov for robuste og vedlikeholdsfrie tetninger.

Tester har vist at tetningsorganet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse lett tåler differensialtrykk på 250 bar, mer en dobbelt så mye som dagens konvensjonelle tetningssystemer. Ved å velge andre materialer vil man ytterligere kunne ytterligere øke styrken atskillig.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et sterkere, vedlikeholdsfritt og holdbart tetningsorgan. Ved at støtteringene 2 og låseringene 3 er konfigurert slik at de kan oppta flere av de mekaniske kreftene som tetningen 1 utsettes for, ved at konfigurasjonen med støtteringer 2 og låseringer 3 sørger for at tetningen 1 holdes bedre på plass, og ved at tetningen 1 kan tres på hylsen 7 uten at tetningen 1 trenger å være fleksibel, åpnes det for at langt flere materialer kan anvendes for tetningen 1.1 tillegg er tetningsorganet 10 uansett konfigurert slik at styrken, levetiden og anvendeligheten øker radikalt i forhold til dagens konvensjonelle løsninger.

Claims (11)

1. Tetningsorgan omfattende en tetning (1) som er trædd på en hylse (7), der hylsen (7) befinner seg i et basisrør (11) som omfatter ventilporter (12) og der tetningsorganet skal tette mellom hylsen (7) og basisrøret (11), karakterisert ved at tetningen (1) er holdt på plass av støtteringer (2), der støtteringene (2) holdes på plass av låseringer (3), der låseringene (3) passer inn i et indre egnet låsespor (6) i hylsen (7), der hylsen (7) omfatter et gjenget parti (8), idet en låsemutter (5) omfattende et ytre egnet låsespor (6) er innrettet for å skrus over hylsens (7) gjengede parti (8) og å strammes opp tilstrekkelig til å holde låseringene (3), støtteringene (2) og tetningen (1) på plass utenfor hylsen (7).

2. Tetningsorgan ifølge krav 1, karakterisert ved at støtteringene (2) er innrettet til å fungere som formtilpassede kiler som både bidrar til å klemme rundt tetningen (1) og som selv kiles eller klemmes fast av de ytre låseringer (3).

3. Tetningsorgan ifølge krav 2, karakterisert ved at den formtilpassede kileutformingen omfatter en not-og-fjær-konfigurasjon, et svalehalespor, et U-formet spor, et V-formet spor, og/eller et dråpeformede spor.

4. Tetningsorgan ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at støtteringene (2) er tilvirket av samme eller tilsvarende materiale som tetningen (1).

5. Tetningsorgan ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at låseringene (3) er tilvirket av samme eller tjlsvarende materiale som hylsen (7).

6. Tetningsorgan ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at låsemutteren (5) er tilvirket av samme eller tilsvarende materiale som hylsen (7).

7. Tetningsorgan ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det indre låsesporet (6) enten er frest inn i hylsen (7) eller er skrudd på eller på annen måte anordnet utenpå hylsen (7).

8. Tetningsorgan ifølge krav 7, karakterisert ved at det indre låsesporet (6), låseringer (3), støtteringer (2), tetningen (1) samt låsemutteren (5) alle er innrettet slik at de kan skrus utenpå hylsen (7).

9.. Tetningsorgan ifølge krav 7, karakterisert ved at det indre låsesporet (6), låseringer (3), støtteringer (2), tetningen (1) samt låsemutteren (5) alle er innrettet slik at de passer inn i en utsparing i hylsen (7).

10. Tetningsorgan ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at ventilportene (12) er ovalt utformet i basisrørets (11) lengderetning.

11. Tetningsorgan ifølge krav 10, karakterisert ved at ventilportene (12) er utformet som skyteskår med en avsmalningsvinkel på ca 20°.