NO333568B1 - Pakningsanordning for a danne tetninger mot en omgivende rordel i en bronnboring - Google Patents

Abstract

En pakningsanordning innbefatter et elastomerpakningselement som er anbrakt på en indre hylse som omgir en sentral indre spindel. Den indre hylse og den indre spindel er orientert ved en avviksvinkel med hensyn til den sentrale akse av verktøyet, og derved tilveiebringer en rampesammenstilling som hjelper til med å sette pakningsanordningen. En forankringsring og en holdering er lokalisert på motsatte aksiale sider av pakningselementet og kontakter den omgivende rørdel.

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Området for oppfinnelsen

[0001]Den foreliggende oppfinnelse angår generelt pakning og tetningsanordning av typen benyttet innen en brønnboring.

2. Beskrivelse av relatert teknikk

[0002]US 2007/0131413 A1 omtaler en pakning for å tette mellom to rør i en brønn bestående av et rørstykke med en rampesammenstilling med en awiksvinkel i forhold til sentralaksen. Et elastomerpakningselement sammen med en forankringsring og holdering omgir rørstykket radialt. Pakningen er satt med både å bli aksialt flyttet radielt utover og bli aksialt komprimert.

[0003]US 2008/0296844 A1 omtaler en brønnpakning for bruk mellom to rør bestående av et pakningselement og en rampesammenstilling hvor pakningselementet blir både ekspandert radielt utover og komprimert. En holdering er mekanisk sammenlåst med pakningselmentet.

[0004]US 2010/0038072 A1 viser også en brønnpakning hvor pakningselementet både aksialt flyttes radialt utover og aksialt komprimeres.

[0005]Det er generelt to separate kategorier av utformingen for elastomerbrønnborings-pakningstetninger: de som er satt ved aksial kompresjon og de som er satt ved å bevege tetningselement radialt utover med en rampe. Begge av disse utforminger er problematiske når benyttet ved ekstreme brønn-boringsdybder hvori det er meget høye trykk og temperaturer som har en tendens til å forringe elastomerer. En kompresjonssatt pakningstetning er komprimert aksialt, som bevirker at tetningselementet ekspanderer radialt inntil det kontakter og tetter mot den indre radiale overflate av den omgivende foringsrør eller annen rørdel. Kompresjonssatte pakninger krever i seg selv store volumer av elastomer, som er meget kostbart. I tillegg kan det være vanskelig eller umulig å støpe kompresjonssatte pakningselementer fra visse spesialiserte elastomerer som er motstandsdyktige mot høye temperaturer og trykk. Også ved høye temperaturer, kan det elastomeriske tetningselement bli for mykt for å passende å utplassere anti-ekstrusjonsanordninger som forhindrer elastomeret fra å presses ut langs det aksiale rom mellom pakningen og det omgivende rør.

[0006]Rampesatte pakningselementer krever typisk at elastomertetningselement-et bindes til en stålinnsats. Det er i dag ikke gjennomførbart å binde elastomerer som er i høy grad motstandsdyktig mot høye temperaturer og trykk til slike inn-satser. Rampesatte tetninger har også en tendens til å lekke når trykk er påført til siden med det mindre tverrsnitt fordi trykket skyver tetningselementet ned rampen. Selv når en sperremekanisme er benyttet for å forsøke å holde tetningselementet på rampen, er det fremdeles noe iboende glidning som oppstår.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0007]Anordningene og fremgangsmåtene til den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en pakningsutførelse som overvinner et antall av problemer med den tidligere kjente teknikk. En pakningsutførelse i henhold til den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en sikker fluidtetning som er meget motstandsdyktig mot nedbrytning fra høye temperaturer og trykk.

[0008]Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en pakningsanordning for å danne tetninger mot en omgivende rørdel i brønnboring, idet pakningsanordningen omfatter et indre rørstykke med en sentral akse og som fremviser en rampesammenstilling som er anbrakt ved en awiksvinkel med hensyn til den sentrale akse; et elastomerpakningselement som radielt omgir det indre rørstykke og er satt ved både 1) å være aksialt flyttet radielt utover på grunn av aksial bevegelse langs rampesammenstillingen og 2) å være aksialt komprimert for å danne en elastisk tetning mot den omgivende rørdel; kjennetegnet ved at den videre omfatter en vesentlig stiv forankringsring som radielt omgir det indre rørstykke og danner en første kontakt mot den omgivende rørdel ved aksial bevegelse av forankringsringen på rampesammenstillingen; og holderingen fremviser en radial ytre overflate for å danne en kontakt med det omgivende rør og hvori en deformerbar hevet tapp er formet på den radiale ytre overflate.

[0009]Foretrukne utførelsesformer av pakningsanordningen er videre utdypet i kravene 2 til og med 7.

[0010]Under drift er pakningsanordningen innlemmet i en produksjonsrørstreng eller annen verktøystreng. Et pakningssetteverktøy er innlemmet i produksjonsrør-strengen tilstøtende pakningsanordningen. Produksjonsrørstrengen er så utplas-sert i en brønnboring sammen med setteverktøyet. Når en dybde eller lokalisering er blitt nådd ved hvilken det er ønskelig å sette pakningsanordningen, er sette-verktøyet aktuert for å bevege en settehylse aksialt. Settehylsen kontakter og beveger aktueringsringen til pakningsanordningen aksialt nedover med hensyn til den sentrale indre rørstykke av pakningsanordningen. Nedoverbevegelse av aktueringsringen bevirker at holderingen, indre hylse, pakningselement og forankringsringkomponenter beveger seg aksialt nedover med hensyn til det indre rørstykke. Når forankringsringen er brakt i kontakt med det omgivende rør, er nedoverbevegelse av forankringsringen med hensyn til det omgivende rør stoppet, og en metall-metallbarriere er dannet mellom forankringsringen og det omgivende rør.

[0011]Ettersom setteanordningen fortsetter å bevege seg aksialt nedover, er hylsen og aktueringsringen flyttet videre nedover med hensyn til den indre rørstykke. Pakningselementet er aksialt sammentrykket mellom holderingen og forankringsringen, og derved bevirker den og ekspanderer radialt utover for å danne en elastisk fluidtetning mot det omgivende rør.

[0012]Eventuelt vil nedoverbevegelse av settehylsen bevirke at aktueringsringen

flyttes radialt utover og inn i kontakt med det omgivende rør. Denne kontakt skaper en andre metall-til-metall barriere mellom pakningsanordningen og det omgivende rør. I foretrukne utførelser er aktueringsringen anordnet med minst et radialt hevet tapp (engelsk "pip") som kan knuses under setning av pakningsanordningen.

[0013]Et antall alternative utførelser er beskrevet. I en alternativ utførelse er forankringsringen sikkert festet til den indre hylse. I andre alternative utførelser er aktueringsringen og/eller holderingen frigjørbart festet til den indre hylse. I enda andre alternative utførelser er flere hevede tapper er anordnet på aktueringsringen og/eller forankringsringen. Videre kan de ytre radiale overflater til aktueringsringen og/eller forankringsringen være belagt med metall eller materiale som er bløtere enn materiale som former ringene.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0014]Fordelene og andre aspekter ved oppfinnelsen vil lett forstås av de som er faglært på området og bedre forstås med ytterligere referanse til de vedføyde tegninger i hvilke like referansenummer angir like eller liknende elementer utigjennom de forskjellige figurer i tegningene og hvori;

[0015]Figur 1 er side, tverrsnittriss av en eksemplifiserende produksjonsrørstreng med en pakningsanordning innlemmet deri som er konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

[0016] Figur 2 er et side, et fjerdedels tverrsnittsriss av pakningsanordningen i en ikke-sattposisjon.

[0017]Figur 3 er et side, et fjerdedels tverrsnittsriss av pakningsanordningen vist i figur 2, nå i en delvis satt posisjon.

[0018] Figur 4 er et side, et fjerdedels tverrsnittsriss av pakningsanordningen vist i figur 2 og 3 nå i en fullstendig satt posisjon.

[0019]Figur 5 viser en alternativ utførelse for en pakningsanordning i henhold til foreliggende oppfinnelse hvori forankringsringen er fast festet til den indre hylse.

[0020]Figur 6 viser en ytterligere alternativ utførelse for en pakningsanordning i henhold til den foreliggende oppfinnelse hvori aktueringsringen og holderingen er frigjørbart festet til den indre hylse.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSER

[0021]Figur 1 illustrerer en eksemplifiserende hydrokarbonproduksjonsbrønn 10 som er blitt boret gjennom jorden 12 og er blitt foret med foringsrør 14. En produksjonsrørstreng 16 er anbrakt innen foringsrøret 14, som er blitt ført inn fra overflaten (ikke vist) på en måte kjent på fagområdet. En sentral strømningsboring 18 er dannet langs lengden av produksjonsrørstrengen 16. Produksjons-rørstrengen 16 kan være dannet av et antall av sammenkoplet produksjonsrør-seksjoner, eller den kan være formet av kveilet rør. Et pakningssetteverktøy 20 er innlemmet i produksjonsrørstrengen 16. Setteverktøyet 20 opererer for å sette en pakning ved aksial bevegelse av en settehylse 22. Setteverktøyet 20 kan være aktuert elektrisk, hydraulisk, eller på andre måter som er kjent på fagområdet. To kommersielt tilgjengelige setteverktøy som vil være passende til bruk som sette-verktøyet 20 er Baker Huges Model "E-4" Wireline Setting Tool og "BH" hydraulisk setteverktøy, hvor begge er tilgjengelig kommersielt fra Baker Huges Incorporated i Houston, Texas.

[0022]En pakningsanordning 24, konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse, er også innlemmet i produksjonsrørstrengen 16 tilstøtende setteverktøyet 20. Pakningsanordningen 24 er vist i større detalj i figur 2 og 3. Pakningsanordningen 24 innbefatter et sentralt indre rørstykke 26 som danner en sentral strømningsboring 28. Det indre rørstykke 26 har en sentral akse langs sin lengde, som vist ved stiplet linje 30. Det indre rørstykke 26 fremviser en ytre radial overflate 32 som er vinklet med hensyn til den sentrale akse 30. Avviksvinkelen fra den sentrale akse 30 er illustrert ved vinkel 34 i figur 2.1 en nåværende foretrukket utførelse er avviksvinkelen tre grader. Det indre rørstykke 26 vil typisk være anordnet med gjengede aksiale ende, som er kjent på fagområdet, for å innbefatte pakningsanordningen 24 i produksjonsrørstrengen 16.

[0023]Pakningsanordningen 24 innbefatter også en øvre metallisk aktueringsring 36 som radielt omgir det indre rørstykke 26 og støter mot settehylsen 22 til sette-verktøyet 20. Aktueringsringen 36 er festet, ved sin nedre ende, til en vesentlig stiv holdering 38. Holderingen 38 er fortrinnsvis metallisk. Holderingen 38 fremviser en radial ytre overflate 40 med en hevet deformerbar tapp 42.

[0024]En indre hylse 44 omgir radielt det indre rørstykke 26 og er glidbart bevegbar med hensyn til det indre rørstykke 26. Hylsen 44 har en radielt utvendig fremstikkende flens 46 som støter mot en radielt innvendig fremstikkende flens 48 på holderingen 48. Hylsen 44 fremviser også en ytre rampeoverflate 50. Ringformet fluidtetninger 52 er fortrinnsvis anbrakt mellom hylsen 44 og det indre rørstykke 26.

[0025]Et elatomerpakningselement 54 omgir radielt hylsen 44 og er glidbart bevegbart på rampeoverflaten 50. Pakningselementet 54 innbefatter aksial endelepper 56 og 58. Den øvre leppe 56 er mekanisk sammenlåst med komplementær flens 60 på holderingen 38.

[0026]En vesentlig stiv forankringsring 62 omgir hylsen 44 og det indre rørstykke 26 og er glidbart bevegbar med hensyn til hylsen 44. Forankringsringen 62 er typisk metallisk. Forankringsringen 62 har en innoverrettet flens 64 som er formet og dimensjonert for å være komplementær til leppen 58 til pakningselementet 54. Leppen 58 og flensen 64 er mekanisk samlåst for å feste forankringsringen og pakningselementet 54 sammen. Bruken av mekaniske sammenlåsninger mellom leppene 56, 58 og flensene 60, 64 eliminerer behovet for å benytte bindemiddel for å feste elastomeren til pakningselementet 54 til en stiv komponent.

[0027]Under drift er pakningsanordnen 24 og setteverktøyet 20 ført inn i brønn-boringen 10 med produksjonsrørstrengen 16. Pakningsanordningen 24 er i den ikke-satte posisjon vist i figur 2. Når en dybde har blitt nådd hvori det er ønskelig å sette pakningen 24 er setteverktøyet 20 aktuert for å flytte settehylsen 22 aksialt nedover mot aktueringsringen 36 til pakningsanordningen 24. Aktueringsringen 36 presser holderingen 38 og hylsen 44 aksialt nedover med hensyn til det indre rørstykke 26. På grunn av avviksvinkelen 34 til den ytre radiale overflate 32, er pakningsanordningen 24 flyttet til posisjonen vist i figur 3 hvori forankringsringen 62 er flyttet radialt utover og inn kontakt med foringsrøret 14. Nedover aksial bevegelse av forankringsringen 62 med hensyn til rørstykket 26 er stoppet ved denne kontakt. Kontakten mellom pakningsanordningen 24 og foringsrøret 14 hjelper til med å forhindre eksklusjon av elastomermateriale som danner pakningselementet 54 aksialt utover mellom pakningsanordningen 24 og foringsrøret 14.

[0028]Ettersom settehylsen 22 er videre beveget aksialt nedover ved sette-verktøyet 20, er aktueringsringen 36 og hylsen 44 også flyttet aksialt nedover. På grunn av at nedover aksial bevegelse av forankringsringen 62 har blitt stoppet, vil nedoverbevegelse av holderingen 32 presse pakningselementet 34 mot forankringsringen 62. Pakningselementet 54 er aksialt sammenpresset mellom holderingen 38 og forankringsringen 62 og vil ekspanderes radialt utover, som vist i figur 4. Pakningselementet 54 vil bringes i kontakt med foringsrøret 14, og danner en elastisk fluidtetning mot foringsrøret 14. Ettersom holderingen 38 og hylsen 44 er flyttet aksialt nedover er hylsen 44 tillatt å gli nedover på den ytre radiale overflate 32 den indre rørstykke 26. Tetningene 52 tilveiebringer en fluidtetning mellom hylsen 44 og det indre rørstykke 26 slik at enhver fluidbane mellom hylsen 44 og den indre rørstykke 26 er stengt av. Ettersom pakningselementet 54 er satt ved kompresjon mellom holderingen 38 og forankringsringen 62 vil den radiale ekspansjon av pakningselementet 54 også aktivere tetningen 52.

[0029]Ettersom settehylsen 22 beveger seg aksialt fremdeles videre nedover, vil vinkelen 34 til den ytre radiale overflate 32 til det indre rørstykke 26 bevirke at holderingen 38 bringes i kontakt med foringsrøret 14. Initielt vil den hevede tapp 42 til holderingen 38 komme i kontakt med foringsrøret 14 (se figur 4). Videre nedadrettet trykk på holderingen 38 fra aktueringsringen 36 vil bevirke at tappen42 deformerer og flater seg ut for å bevirke at den ytre radiale overflate 40 til holderingen 38 bringes i kontakt med det omgivende foringsrør 14. Tappen 42 er en antiekstrusjonsmekanisme for elastomermaterialet som bygger opp pakningselementet 54. På grunn av at den indre overflate av foringsrøret 14 ikke er sylind-risk perfekt vil tappen 42 kompensere ved å formere mer hvor foringsrøret 14 er mindre (det vil si et mindre rom mellom foringsrøret 14 og holderingen 38) og deformere mindre når foringsrøret 14 er større. Denne variable deformasjon tillater tappen 42 og å kontakte den indre diameter av foringsrøret 14 rundt sin fullstend-ige omkrets. Holderingen 38 tilveiebringer en andre kontakt mellom pakningsanordningen 24 og foringsrøret 14 som hjelper til med å forhindre aksial ekstrusjon av elastomer materialet til pakningselementet 54 utover mellom pakningsanordningen 24 og foringsrøret 14.

[0030]I det tilfellet at pakningsanordningen 24 skal fjernes, er setteanordningen 20 aktuert for å flytte settehylsen 22 aksialt oppover med hensyn til pakningsanordningen 24, og derved reversere den aksiale kompresjon av pakningselementet 34. Hvis pakningsanordningen 24 er ment å fjernes, er settehylsen 22 og aktueringsringen 36 fortrinnsvis festet sammen via komplementære sperrefingre, flenser, forbindelsesvolter, gjening, eller på andre kjente måter innen fagområdet, slik at oppoverbevegelse av settehylsen 22 også vil bevege aktueringsringen 36 oppover. Ettersom aktueringsringen 36 er beveget oppover vil den bevirke at den festede holdering 38 også beveger seg oppover og derved hjelpe til med å frigjøre pakningselementet 34.

[0031]Alternative konstruksjoner for pakningssammenstillingen i henhold til foreliggende oppfinnelse er vist i figur 5 og 6. Figur 5 viser en alternativ pakningsanordning 24a hvori forankringsringen 62 til pakningsanordningen 24a er stivt festet til hylsen 44 vi en eller flere bolter 66 eller andre koplinger av en kjent type på fagområdet. Alternativt kan forankringsringen 62 være festet til en indre hylse merket 44' ved hjelp av skruing, kiling eller andre måter som er kjent på fagområdet. I tillegg er den radialt utoverforløpende flens 46 til den indre hylse 44' ikke tilstede, slik at holderingen 38' kan gli aksialt med hensyn til den indre hylse 44'. Når pakningsanordningen 44a er konstruert på denne måte vil nedoverbevegelse av settehylsen 22 bevirke at aktueringsringen 36, holderingen 38', hylse 44, pakningselement 54 og forankringsring 62 alle beveger seg aksialt nedover på den ytre radiale overflate 32 til det indre rørstykke til 26. Forankringsringen 62 vil kontakte foringsrøret 14, som tidligere beskrevet, for å danne en første mentall-til-metall tetning mellom pakningsanordningen 24a og foringsrøret 14. Deretter vil ytterligere nedover bevegelse av settehylsen 22 bevege aktueringsringen 36 og holderingen 38' nedover for aksialt sammenpressing av pakningselementet 54 mellom holderingen 38' og forankringsringen 62. Pakningselementet 54 vil skape en elastisk tetning mot foringsrøret 14. Holderingen 38' vil også bringes i kontakt med foringsrøret 14, som tidligere beskrevet, og vil danne en andre metall-til-metall tetning mellom pakningsanordningen 24a og foringsrøret 14.

[0032]Figur 6 illustrerer ytterligere alternativ utførelse for en pakningsanordning 24b, i henhold til den foreliggende oppfinnelse. I figur 6 er aktueringsringen 36 og holderingen 38 firgjørbart festet til den indre hylse 44 med bruk av en eller flere skjærdeler, slik som skjærskruer 68. Selv om både aktueringsringen 36 og holderingen 38 er vist frigjørbart festet til den indre hylse 44 i figur 6, vil de som er faglært på området forstå at både aktueringsringen 36 eller holderingen 38 kan være uavhengig festet til hylsen 44 på en frigjørbar måte uten at den andre er således festet. Pakningsanordningen 24b er operert på den vesentlig samme måte som pakningsanordningen 24 beskrevet tidligere. Imidlertid forhindrer skjærskruene 68 tidlig bevegelse av aktueringsringen 36 eller holderingen 38 som kan bevirke tidlig setting eller tidlig delvis setting av pakningsanordningen 24b.

[0033]I andre varianter for en pakningsanordning konstruert i henhold til den foreliggende oppfinnelse, kan en eller flere metalloppakkingsringer være tilført som en ekstrusjons barriere for pakningselementet 54.1 tillegg kan overflatene til holderingen 38 og/eller forankringsringen 62 som vil kontakte foringsrøret 14 være belagt med et bløtere metall, slik som sølv, eller annet materiale som er bløtere enn materiale benyttet for å forme ringene 38, 62. Ringene 38 og 62 er fortrinnsvis utformet fra et herdet metall, slik som et glødet (herdet) AISI 8620. En fordel med belegging (metallisering) er at materialet benyttet for å belegge ringene 38 og/eller 62 vil deformeres inn i enhver uoverenstemmelse eller åpninger innen foringsrøret

14 overflate for å hjelpe til med å forhindre at elastomermaterialet bygger opp pakningselementet 54 fra å presses mellom pakningsanordningen 24 og foringsrøret 14. Også hevede tapper, slik som tapp 42, kan være formet på forankringsringen 62 og flere hevede tapper kan være formet på begge eller den ene eller andre av holderingen 38 og forankringsringen 62.

[0034]Det skal forstås at den vinklede ytre radiale overflate 32 til det indre rørstykke 26 og hylsen 44 kollektivt tilveiebringer en rampesammenstilling som vil flytte pakningselementet 54, forankringsringen 62 og holderingen 38 radialt utover ettersom de er beveget aksialt med hensyn til det indre rørstykke 26.

[0035]De som er faglært på området vil forstå at komponentene til de forskjellige beskrevne pakningsanordninger 24, 24a, 24b kan være snudd om slik at pakningselementet 54 og andre komponenter er flyttet aksialt oppover med hensyn til det indre rørstykke 26.1 dette tilfellet kan setteverktøyet 20 være lokalisert under pakningsanordningen 24, 24a eller 24b i produksjonsrørstrengen 16.

[0036]De som er faglært på området vil forstå at mange modifikasjoner og forandringer kan gjøres i de eksemplifiserende utforminger og utførelser beskrevet heri og at oppfinnelsen kun er begrenset av kravene som følger og enhver ekvivalent derfra.

Claims (7)

1. Pakningsanordning (24) for å danne tetninger mot en omgivende rørdel i en brønnboring, idet pakningsanordningen (24) omfatter: et indre rørstykke (26) med en sentral akse (30) og som fremviser en rampesammenstilling som er anbrakt ved en awiksvinkel med hensyn til den sentrale akse (30); et elastomerpakningselement (54) som radielt omgir det indre rørstykke (26) og er satt ved både 1) å være aksialt flyttet radielt utover på grunn av aksial bevegelse langs rampesammenstillingen og 2) å være aksialt komprimert for å danne en elastisk tetning mot den omgivende rørdel;karakterisert vedat den videre omfatter en vesentlig stiv forankringsring (62) som radielt omgir det indre rørstykke (26) og danner en første kontakt mot den omgivende rørdel ved aksial bevegelse av forankringsringen (62) på rampesammenstillingen; og holderingen (38) fremviser en radial ytre overflate (32) for å danne en kontakt med det omgivende rør og hvori en deformerbar hevet tapp (42) er formet på den radiale ytre overflate (32).

2. Pakningsanordning (24) ifølge krav 1, karakterisert vedat forankringsringen (62) er mekanisk sammenlåst med pakningselementet (54).

3. Pakningsanordning (24) ifølge krav 1, karakterisert vedat det videre omfatter en vesentlig stiv holdering (38) som radielt omgir det indre rørstykke (26) og danner en andre kontakt mot den omgivende rørdel ved aksial bevegelse av holderingen (38) på rampesammenstillingen.

4. Pakningsanordning (24) ifølge krav 3, karakterisert vedat holderingen (38) er mekanisk sammenlåst med pakningselementet (54).

5. Pakningsanordning (24) ifølge krav 1, karakterisert vedat avviksvinkelen er omkring 3 grader.

6. Pakningsanordning (24) ifølge krav 1, karakterisert vedat rampesammenstillingen omfatter: en ytre radial overflate (50) til det indre rørstykke (26); og en hylse (44) som omgir det indre rørstykke (26) og er glidbart bevegbar på den ytre radiale overflate.

7. Pakningsanordning (24) ifølge krav 6, karakterisert vedat den videre omfatter en fluidtetning anbrakt mellom hylsen (44) og det indre rørstykke (26).