NO335924B1 - Langstrakt pakningselement til nedihulls bruk - Google Patents

Description

Denne søknaden krever prioritet fra USforeløpige søknad nr. 60/296.666, innlevert 7. juni 2001.

Feltet for denne oppfinnelsen er pakninger eller plugger som gjennomgår store ekspansjoner når de settes, så som gjennom produksjonsrør, fulgt av setting i foringsrør eller et åpent hull.

I anvendelser gjennom produksjonsrør og i åpne hull er det nødvendig med ringformede tetninger som har mulighet for stor radial ekspansjon. For mekanisk satte elementer, jo større den nødvendige radiale ekspansjon er, jo alvorlig-ere er problemet med elementekstrusjon under belastninger med høye differanse-trykk. Ekstrusjon vil skje forbi enderingene som er plassert der for å kontrollere denne tilstanden. Forskjellige design av støtteringer har blitt prøvd, kun med begrenset suksess, unntatt der hvor ekstrusjonsåpningen rundt slike ringer holdes på et minimum. Denne situasjonen involverte vanligvis en tradisjonell anvendelse av en foringsrørpakning. Tidligere design i anvendelser med stor ekspansjon har til-latt at det finnes en åpning, som har vært tilstrekkelig stor til å tillate at det skjer ekstrusjon.

Et annet problem som plager kjente design av mekanisk satte pakninger har vært den manglende evne til å oppnå en korrekt setting over lengden av elementet. Dette skjedde fordi elementet ville bli skjøvet fra en første ende, og be-gynte å settes fra denne enden. Hvis den nære enden hvor settekraften ble påført kom i inngrep med foringsrøret eller det åpne hullet, ville ytterligere skyving ikke tillate at resten av elementet ble fast presset mot foringsrøret eller borehullet.

Den foretrukne utførelse av den foreliggende oppfinnelse løser disse manglene ved kjente design. Den har en mekanisme for å sette fra enden som befinner seg motsatt der hvor skyvekraften påføres. På grunn av dette kan svært lange elementer lett settes mekanisk. Tetningselementsammenstillingen inklude-rer en komposittstruktur, som effektivt lukker ekstrusjonsåpningen uavhengig av den store ekspansjonen. Selv om den foretrukne utførelse oppnår disse hensikt-ene, er omfanget av oppfinnelsen langt bredere, hvilket vil bli forklart i detalj nedenfor og illustrert i kravene.

Av interesse med hensyn på tidligere design er US-patent: 2.132.723; 2.254.060, 2.660.247; 2.699.214; 2.738.013; 2.738.014; 2.738.015; 3.392.785; 3.784.214; 4.258.926; 5.775.429; 5.904.354 og 5.941.313. Av nærmere interesse blant denne gruppen av patenter er 5.941.313. Den beskriver bruk av de former-bare kapper som omgir et materiale som er plassert deri. Denne strukturen sies å funksjonere som en hovedtetning eller et reserveelement for tetningen, men ikke begge deler. Kappen er et tynnvegget rørformet element som er dannet av et metallisk eller annet materiale som har tilstrekkelig fasthet og elastisitet til å bøyes uten å brytes i stykker. I enkelte utførelser er et fjærende materiale lagt oppå kappen, men det er ikke gjort noen foranstaltninger for å holde dette laget tilbake mot å ekstrudere ved setting. I en annen utførelse samvirker utvendige deforma-sjonsflater med kappen for å endre retningen på dens deformasjon. Det gis ingen forklaring på hvordan skyving på kappen i en annen ende resulterer i initial deformasjon av kappen mot den utvendige deformasjonsflate ved den første ende.

US 3392785 A omtaler en pakning for bruk i en brønn som settes med en uniform kraft langs hele pakningens lengde, og dette oppnås med et hulrom i tetningselementet.

US 5676384 A omtaler en pakning med antiekstruderingsmiddel. Pakningen benyttes for å tette det ringformede rom til en brønn eller rørboring.

Testing utført av søkerne har vist at én stor bekymring med trykksatte elementer er at elementets partier som er nærmere der hvor elementet skyves ekspanderer først. Dette har et potensiale for å svekke grepet til de gjenværende partier av elementet. Den foreliggende oppfinnelse overvinner dette problemet ved midlertidig avstivning av den enden som det skyves på, for å tillate at resten av tetningselementet får kontakt med foringsrøret eller brønnhullet. Deretter, med den fjerntliggende del av elementet mot en fast støtte, tvinges det nære parti av elementet inn i tettende kontakt, og den midlertidige avstivning overvinnes. Oppfinnelsen omfatter en rekke måter til å oppnå denne hensikten og forhindre eller minimalisere ekstrusjon etter setting.

Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en pakning til nedihulls bruk, med en opphulls og en nedhulls ende, omfattende: et legeme;

et første tetningselement på legemet med en første og en andre hylse, hvilke hylser er anordnet én på hver ende, den første hylse er bevegelig for å utvide tetningselementet til en satt posisjon ved kompresjon som er forårsaket av relativ bevegelse i forhold til den andre hylse;

videre kjennetegnet ved

et kraftfordelingselement som virker på det første tetningselement for å muliggjøre overføring av en kompresjonskraft som påføres fra bevegelse av den første hylse til initial bevegelse mot den satte posisjon av tetningselementet i et område ved den andre hylse.

Foretrukne utførelsesformer av pakningen er videre utdypet i kravene 2 til og med 20.

Et pakningselement, som er en komposittstruktur, er beskrevet. Komponenter inneholder tetningspartiet for å minimalisere ekstrusjon. Elementet holdes i strekk ved innkjøring for å minimalisere skade. I den foretrukne utførelse over-fører en sammenbruddshylse settekraft som påføres i en ende til den motsatte ende for å unngå problemet med utbuling av elementet ved der hvor det blir presset sammen, hvilket, hvis det ikke ble løst, kunne resultere i utilstrekkelig lavt tetningskontakttrykk i områder som er fjerntliggende fra der hvor skyvekraften påføres.

Detaljert beskrivelse av tegningene:

Fig. 1 er et utvendig riss, delvis i snitt, som viser de innerste komponenter ved spindelen; Fig. 2 er risset på fig. 1, og viser det innvendige tetningselement; Fig. 3 er risset på fig. 2, og viser lagene ovenfor det innvendige tetningselement; Fig. 4 er risset på fig. 3, og viser det ytre tetningselement som får kontakt med foringsrøret, røret eller borehullet; Fig. 5 er et innkjøringsriss av sammenstillingen, delvis i snitt; Fig. 6 er risset på fig. 5 i satt stilling; Fig. 7 er et snittriss langs linjene 7-7 på fig. 5; Fig. 8 er et snittriss langs linjene 8-8 på fig. 5;

Fig. 9 er et snittriss langs linjene 9-9 på fig. 5.

Med henvisning til fig. 1 og 2, har et legeme spindel 10, en øvre gjenge 12 og en nedre gjenge 14 for å muliggjøre innkjøring i en brønn. Den omfatter videre en stasjonær (første) hylse 16 og en bevegelig (andre) hylse 18. Hylsen 18 kan aktueres i en opphulls retning ved hjelp av kjente teknikker, så som bruk av hyd raulisk brønnhullstrykk mot et atmosfærisk kammer eller ved påføring av mekanisk eller hydraulisk trykk eller kombinasjoner av det ovenstående. Oppå spindelen 10 er det et par sylindere (sammenbruddshylser) 20 som fortrinnsvis har åpninger (hull) 22 for selektivt å svekke dem. Mellom hylsene 20 er det et avstandsstykke 24, som fortrinnsvis fordeler det som hovedsakelig ville være en linjekontakt mellom endene av hylsene 20 hvis de ble stablet ende mot ende. Avstandsstykket 24 kan ha motstående hunnmottakere for å tillate innsetting av endene av tilstøtende hylser 20, slik at de kan føres og holdes i innretting når en kraft påføres på den bevegelige hylse 18. Årsakene til bruk av hylsene 20 kan bedre forstås ved å stud-ere fig. 1 og 2 sammen. Som vist på fig. 2 spenner det innvendige (første) tetningselement 26 over hylser 20 og avstandsstykket 24, ettersom det strekker seg mellom den stasjonære hylse 16 og den bevegelige hylse 18. Det dekker også en tetningsring 28, som har en innvendig o-ring 30 for det formål å tette innvendig langs spindelen 10. Problemet som løses av hylsene 20 er at når den bevegelige hylse 18 settes i opphulls bevegelse, vil elementet 26, ved fravær av hylsene 20, være tilbøyelig til å bule ut og få kontakt med foringsrøret eller brønnhullet ved enden 32 istedenfor jevnt langs sin lengde, eller mer foretrukket fra den opphulls ende 34. Initial funksjon ved enden 32 er ikke ønskelig, fordi det kan forhindre tilstrekkelig kontakttrykk i å nå den opphulls ende 34 for en korrekt tetning.

Den foreliggende oppfinnelse søker å lede skyvekraften fra den bevegelige hylse 18 gjennom en annen mekanisme enn tetningen 26 over et forhånds-bestemt parti av dens lengde. Hylsene 20 har tilstrekkelig strukturell stivhet til å endre skyvekraften fra den bevegelige hylse 18 til det opphulls segment 34 av tetningselementet 26, slik at det opphulls segment først ekspanderer til kontakt med foringsrøret, røret eller brønnhullet. Etter at tilstrekkelig kontakttrykk har blitt utviklet, får ytterligere skyving av den bevegelige hylse 18 den ene eller begge hylsene 20 til å bryte sammen, hvilket gjør at skyvekraften fra den bevegelige hylse 18 går inn i den nedre ende 32 av tetningen 26 og skyver den ut til tettende kontakt på den måte som nettopp er utført for det opphulls segment 34. Åpning-ene 32 er designet til å tillate hylsene 20 å knekke ut etter at det opphulls segment 34 har kommet i tettende kontakt, ved hvilket punkt de i den foretrukne utførelse ikke tjener noe ytterligere vesentlig strukturelt formål. Tettende kraft på det nedre segment 32 av tetningen 26 bestemmes hovedsakelig av skyvekraften inn i det fjærende nedre segment 32 etter at det øvre segment har blitt satt. Fagpersoner innen området kan forstå at det kan brukes én eller flere hylser, og at hver hylse kan være rund eller ha en annen tverrsnittsform. Søylefastheten til flere hylser eller til og med en enkelt hylse 20 kan varieres langs dens lengde, ved hjelp av en rekke teknikker. Åpningen, mønsteret, antallet eller størrelsen kan varieres og/eller veggtykkelsen kan endres langs lengden. Forskjellige materialer kan brukes langs lengden. Hensikten med de forskjellige kombinasjoner som er beskrevet er å ha tilstrekkelig samlet søylefasthet til å overføre initial ekspansjon ved sammentrykking av tetningen 26, først til dens øvre segment 34, gjennom hylsen eller hylsene 20. Det er da foretrukket at etter utknekking, så spiller hylsene 20 en minimal rolle ved sammentrykkingen av resten av tetningen 26, mens man forstår at den blotte tilstedeværelse av den sammenbrutte hylse 20 i den nedre ende 32 ved sin blotte tilstedeværelse vil fordele noe skyvekraft fra den bevegelige hylse 18 til den nedre ende 32. Man bør også merke seg at hylsen eller hylsene 20 kan være hele sylindere, med eller uten en skjøt, eller en plate som er omgjort til sylindrisk form eller en annen form ved rulling. Som en annen teknikk til å justere deres søylefasthet, kan hylsene 20 ha langsgående korrugeringer. Istedenfor hylser kan det brukes andre strukturer som har søylefasthet til et punkt, og deretter vil knekke ut, for å få den ønskede bevegelse av tetningen 26, som beskrevet ovenfor. Noen eksempler er stablede koniske skiver, fjærer, staver og tilsvarende langstrakte strukturer som til sist bryter sammen, bøyes eller deformeres under belastning. Man kan også tenke seg materialer som har egenskaper som kan endres som respons på forskjellige felter eller strømmer som påføres på dem. Man kan også tenke seg en variabilitet i hardheten av tetningen 26 som virker sammen med hylsene 20, for å tillate at segmentet 34 er mindre bestandig mot ekspansjon, slik at det vil få tettende kontakt først, og resten blir progressivt eller brått stivere eller hardere for å fremme den ønskede retning av ekspansjon fra det opphulls segment 34 til det nedhulls segment 32 av tetningen 26.

Bortsett fra problemet med at man ikke får nok kontakttrykk for en god tetning, er det et annet mulig problem som løses med den foreliggende oppfinnelse. Dette problemet er elementekstrusjon gjennom endeåpninger etter setting. Løs-ningen ifølge den foretrukne utførelse er vist på fig. 3 og 4. Fig. 3 viser bruk av rør 36 og 38, som strekker seg respektivt fra hylser 16 og 18, og som kan ses i snitt riss øverst på fig. 3. Rørene 36 og 38 dekker fortrinnsvis ikke lengden av tetningen 26, idet de etterlater et åpent parti 40 mellom seg. Det foretrukne materialet er et rør av kontinuerlig aramid, Kevlar eller karbon som fastholdes mekanisk ved hylsene 16 og 18. Rørene 36 og 38 er fortrinnsvis laget av flettede fibere for å muliggjøre radial ekspansjon av ikke bare tetningen 26, men også av den ytre tetning 42 (fig. 4), som er montert i en fordypning 44 (fig. 2) i tetningen 26. I den foretrukne utførelse er fordypningen 44 sentralt montert, men sideforskjøvne lokaliseringer kan også brukes. Fordypningen 44 er valgfri, men dens bruk fremmer bestandigheten mot ekstrudering etter setting, hvilket vil bli forklart nedenfor. Tetningen 26 kan fortrinnsvis være en massiv gummimasse eller segmenter eller et partikkelmateriale. Et partikkelmateriale gir en ekstra fordel ved at det er i stand til å bevege seg fritt under setteoperasjonen og har større evne til å tilpasse seg til uregelmessigheter i brønnhullets form. Bruken av rør 36 og 38 gjør videre at partikkelmaterialet så som gummi er nyttig, fordi gummien er elastisk og kan lagre energi, som inneholdes i rørene 36 og 38. Disse sterke rørene er et vesentlig element for å holde tetningen 26 tilbake mot å ekstrudere forbi hylsene 16 eller 18. Rørene 36 og 38 kan brukes alene, eller de kan forsterkes med overliggende rør-segmenter 37 (se fig. 7), som er fastholdt til hylsene 16 og 18. Slike forsterknings-rør kan være av det samme materiale eller glassfibermatte eller vevet metallnett. De vil tilveiebringe ytterligere bestandighet mot ekstrusjon i et område hvor de mekaniske spenninger er størst.

Et annet trekk er bruken av et rør 46, som strekker seg fra hylsen 16 til hylsen 18 og er fast innfestet til begge. Det er fortrinnsvis en forsterket stålnett-hylse som tilveiebringer støtte for elementet 42 når det settes, fordi den ekspanderer til kontakt med foringsrøret, røret eller brønnhullet ovenfor og nedenfor elementet 42, slik at den virker som en ekstrusjonsbarriere for dette. Den faktiske hoved-tetningen skjer langs lengden av elementet 42 i kontakt med brønnhullet, røret eller foringsrøret. Under innkjøring holder røret 46 tetningen 26 i strekk for å redu-sere dens profil og beskytte den mot abrasjon når den kjøres inn i brønnen. I tillegg, ettersom dybden øker, hjelper den ytterligere hydrostatiske kraft som påføres på et ubalansert stempelområde i en hydrostatisk settemekanisme til med å holde tetningen 26 stram. Bruken av fordypningen 44 til å montere tetningen 42 sikrer at partier av røret 46 ekspanderer til kontakt med brønnhullet, foringsrøret eller røret både ovenfor og nedenfor tetningen 42, og fortrinnsvis i kontakt med det i begge ender for å forhindre ekstrusjon, og i en mindre grad, påføre en ytterligere tetningskraft.

Et barrieremateriale 48 som har en viss smøreevne kan valgfritt påføres over røret 46, men under tetningen 42. Det foretrukne materialet er PTFE og dets tilstedeværelse holder tetningen 42 tilbake fra å bindes til tetningen 26 gjennom røret 46. Andre materialer så som et formslippmiddel kan også brukes. Hensikten er å holde tilstøtende tetningskomponenter tilbake fra å bindes til hverandre. Hvis materialet videre fremmer glidning, pga sine smørende kvaliteter, så er ytelsen enda bedre. Som tidligere angitt etterlater rørene 36 og 38 et åpent parti 40 mellom seg, og barrierematerialet, fortrinnsvis i form av teip, kan spenne over dette åpne partiet 40, hvilket hindrer at gummi fra tetningen 42 binder seg til tetningen 26 ved det åpne parti 40. Tilstedeværelsen av barrierematerialet 48 gjør at tetningen 46 kan bevege seg til jevn kontakt med omgivelsene uten å vri seg eller at den binder seg fast.

Fagpersoner innen området vil forstå at pakningselementet som er beskrevet ovenfor sikrer at korrekt ekspansjon av det underliggende materialet eller fyllmaterialet i tetningen 26 begynner ved den ende som befinner seg lengst fra der hvor ekspansjonskraften påføres. Dette oppnås ved å kanalisere den påførte kraften på den fjerntliggende ende ved hjelp av en kraftoverføringsmekanisme, så som hylser 20. Pga sin design overvinnes kraftoverføringsmekanismen etter at det øvre segment 34 ligger fast mot en omgivende overflate, hvilket gjør at resten av tetningen 26 ved dens nedre segment 32 kan fullføre ekspansjonen. Mens dette pågår sikrer rør 36 og 38 og eventuelle reserverør mot ekstrusjon. Den ytre tetning 42 kan ekspandere mot den omgivende overflate og ovenfor og nedenfor være omgitt av partier av nettrøret 46. For ytterligere beskyttelse mot ekstrusjon, kan endene av hylsene 16 og 18 ha langsgående slisser som gir en effekt som lange fingre. Disse fingrene 50 spres mot det omgivende rom for å gi en ekstrusjonsbarriere. De kan initialt holdes sammen for innkjøring, for å holde dem ute av veien. I tillegg holder røret 46 innkjøringsprofilet lavt, så vel som at det funksjone-rer som en ekstrusjonsbarriere både for tetningen 26 og den ytre tetning 42.

Den ovenstående beskrivelse er representativ for den foretrukne utførelse og de forskjellige modifikasjoner og endringer som kan gjøres innenfor rammen av oppfinnelsen er klart angitt nedenfor i de vedføyde krav.

Claims (20)

1. Pakning til nedihulls bruk, med en opphulls og en nedhulls ende, omfattende: et legeme (10, 12, 14); et første tetningselement (26) på legemet (10, 12, 14) med en første og en andre hylse (16, 18), hvilke hylser (16, 18) er anordnet én på hver ende, den første hylse (16) er bevegelig for å utvide tetningselementet (26) til en satt posisjon ved kompresjon som er forårsaket av relativ bevegelse i forhold til den andre hylse (18); videre karakterisert vedet kraftfordelingselement som virker på det første tetningselement (26) for å muliggjøre overføring av en kompresjonskraft som påføres fra bevegelse av den første hylse (16) til initial bevegelse mot den satte posisjon av tetningselementet (26) i et område ved den andre hylse (18).

2. Pakning som angitt i krav 1, karakterisert vedat den første hylse (16) er anordnet nærmere nedhulls enden og den andre hylse (18) er anordnet nærmere opphulls enden.

3. Pakning som angitt i krav 1, karakterisert vedat kraftfordelingselementet videre omfatter minst ett rørformet element som strekker seg fra ved den første hylse (16) og er konfigurert til å ha begrenset søylefasthet, slik at den knekker ut etter den initiale bevegelse mot den satte posisjon av det første tetningselement (26) i et område ved den andre hylse (18).

4. Pakning som angitt i krav 1, karakterisert vedat kraftfordelingselementet omfatter en hardhets-variasjon i tetningselementet (26), hvor tetningselementet (26) er hardere ved den første hylse (16) enn den andre hylse (18).

5. Pakning som angitt i krav 1, karakterisert vedat kraftfordelingselementet omfatter minst én fjær som bryter sammen etter den initiale bevegelse mot den satte posisjon av tetningselementet (26) i et område ved den andre hylse (18).

6. Pakning som angitt i krav 3, karakterisert vedat det rørformede element er laget av et materiale hvis fasthet kan varieres med et påført felt eller en strøm for selektiv svekking etter den initiale bevegelse mot den satte posisjon av tetningselementet (26) i et område ved den andre hylse (18).

7. Pakning som angitt i krav 1, videre karakterisert vedminst ett rør (36, 38) som dekker det første tetningselement (26) og strekker seg fra minst den ene av den første og andre hylse (16, 18) over en del av lengden av det første tetningselement (26) for å motstå ekstrusjon av det første tetningselement (26) ved i det minste én av dets ender.

8. Pakning som angitt i krav 7, karakterisert vedat minst det ene rør (36, 38) videre omfatter forsterkning.

9. Pakning som angitt i krav 1, videre karakterisert vedet dekkrør (46), som strekker seg fra den første (16) til den andre hylse (18) og dekker det første tetningselement (26) på en slik måte at det holdes i strekk for innkjøring med sin profil redusert.

10. Pakning som angitt i krav 9, videre karakterisert veden ytre tetning (42) som dekker dekkrøret (46) slik at, ved bevegelse av den første hylse (16), ekspanderes dekkrøret (46) på motsatte sider av den ytre tetning (42) for å begrense ekstrusjon av dette.

11. Pakning som angitt i krav 10, videre karakterisert vedet glatt materiale som dekker dekkrøret (46) og i en sone hvor det glatte materialet er hovedsakelig dekket av den ytre tetning (42) for å minimalisere en tendens den første tetning (26) har til å bindes til den ytre tetning (42).

12. Pakning som angitt i krav 10, karakterisert vedat den første tetning (26) avgrenser en ytre fordypning (44) hvor den ytre tetning (42) er anordnet.

13. Pakning som angitt i krav 12, karakterisert vedat det minst ene rør (36, 38) omfatter to rør, hvor det ene (36) strekker seg en del av veien langs det første tetningselement (26), fra hver av den første og andre hylse (16, 18), for å avgrense et åpent parti langs det første tetningselement (26), idet den ytre fordypning (44) generelt er innrettet med det åpne parti.

14. Pakning som angitt i krav 13, karakterisert vedat et glatt materiale som dekker dekkrøret (46) og i en sone hvor det glatte materialet er hovedsakelig dekket av den ytre tetning (42) for å minimalisere en tendens den første tetning (26) har til å bindes til den ytre tetning (42).

15. Pakning som angitt i krav 1, karakterisert vedat minst den ene av den første og den andre hylse (16,18) er slisset for å tillate ekspansjon av denne ved kompresjon av det første tetningselement (26) for å minimalisere ekstrusjon av det første tetningselement (26).

16. Pakning som angitt i krav 3, karakterisert vedat kraftfordelingselementet omfatter en flerhet av sylindere (20) som er atskilt av avstandsstykker (24) for å fordele kompresjonskraft fra en sylinder (20) til en tilstøtende sylinder (20).

17. Pakning som angitt i krav 16, karakterisert vedat sylindrene (20) har en flerhet av åpninger (22) for å regulere deres søylefasthet.

18. Pakning som angitt i krav 17, karakterisert vedat sylindrene (20) har en tettet skjøt eller omfatter en plate som er rullet til en sylindrisk form.

19. Pakning som angitt i krav 18, karakterisert vedat sylindrene (20) har minkende søylefasthet, med den høyeste fasthet anordnet ved den første hylse (16).

20. Pakning som angitt i krav 3, karakterisert vedat fastheten til det formede element minker med avstand fra den første hylse (16).