NO347017B1 - Pakningsarrangement for tettende gjennomføring av en borestreng - Google Patents

Description

PAKNINGSARRANGEMENT FOR TETTENDE GJENNOMFØRING AV EN BORE-STRENG

Oppfinnelsen vedrører et pakningsarrangement for tettende gjennomføring av en borestreng med geometriforskjeller mellom passerende borerør og skjøtekoplinger, nærmere bestemt ved at en pakningsholder tildanner et hus med et aksielt gjennomgående senterløp som i et parti omfatter en fleksibel pakningshylse, og et internt ringrom er avgrenset av et midtparti av pakningshylsen og pakningsholderen og står i fluidkommunikasjon med et eksternt ringrom som omslutter pakningsholderen, og pakningsarrangementet omfatter en anordning for lengdekompensering og avlasting av en pakningshylse som omslutter borestrengen.

Nærmere bestemt dreier det seg om en pakningshylse som typisk inngår i en roterbar tetningsanordning i et pakningsarrangement, idet pakningshylsen er innrettet til å ta opp geometriforskjeller mellom passerende borerør og rørkoplinger i en borestreng ved boring i petroleumsnæringen, blant annet ved trykkstyrt boring, (Managed Pressure Drilling (MPD) og Dual Gradient Drilling (DGD)). Pakningshylsen kan også benyttes der det er ønskelig å lukke om en borestreng, uten krav til at tetningsanordningen skal være roterbar, typisk ved sammenskruing av nye borerørslengder under boring. Pakningsarrangementet kan være montert på eller ved en overflateinstallasjon, være innlemmet i et stigerør mellom overflateinstallasjonen og en utblåsingssikring (BOP) på et brønnhode, eller være montert på toppen av en utblåsingssikring ved boring i åpen sjø. Anordningen skal tette mot borestrengen under boring og sementering og typisk dirigere returnert borevæske fra en brønn til et sideutløp under pakningsarrangementet til en pumpe og et ventilarrangement som kan arrangeres på forskjellige måter, avhengig av boreteknikken som benyttes i det aktuelle tilfellet.

En pakningshylse av denne art er typisk støpt i et polyuretanmateriale og kan være forsterket med innstøpte fibertau som er anbrakt i pakningshylsens lengderetning og er forankret i innstøpte stålringer i endetermineringer i pakningshylsen.

Pakningshylsen skal tette mot et differansetrykk fra undersiden eller oversiden, avhengig av trykkforholdene under operasjonen, samtidig som den skal motstå aksial friksjonslast fra passerende borerør, mens hylsen klemmer rundt røret. Friksjonslasten avhenger av lengden av et tettende midtparti i pakningshylsen, pakningshylsens utvendige aktiveringstrykk og friksjonen mellom pakningshylsen og borerøret. Pakningshylsens endetermineringer, som skal tåle kombinasjoner av strekk i og utbøying av pakningshylsen under aktivering av pakningsarrangementet, er den viktigste mekaniske begrensningen i forhold til det maksimale differansetrykket og friksjonslasten som hylsen kan opereres med.

Det er ønskelig å minimalisere pakningshylsens lengde, og dermed kontaktarealet mot borestrengen, for å redusere friksjonslasten og samtidig begrense pakningsarrangementets byggehøyde, samt å minimalisere et ringromsvolum som omgir pakningshylsen. Det er også ønskelig at pakningshylsen skal kunne tette rundt flere borerørs- og koblingsdimensjoner. Det må imidlertid tas hensyn til forhold som pakningshylsens fleksibilitet, bukling og tetningsareal mot borestrengen, og dette setter begrensninger ved minimalisering av pakningsarrangementets byggelengde når det gjelder å oppnå en best mulig funksjon.

En løsning som er kjent fra NO 341994 B1 består blant annet av en fleksibel pakningshylse som er innrettet til å ligge tettende an mot en borestreng med et utvendig trykk fra et fluid i et volumkompensert ringrom, i et utvendig hus, som kan være en del av en boreriser. Når pakningshylsen er aktivert, roterer den med borestrengen, mens rotasjonstetning og opplagring av tetningselementene ivaretas av pakningsglideringer i hver ende av anordningen.

US 2005/0241833 A1 beskriver en pakningssammenstilling for anvendelse i et roterende tetningsarrangement. En tykkvegget pakningshylse er i et første endeparti forankret i en festering, typisk ved at en hylseformet forlengelse av festeringen strekker seg aksielt inn i pakningshylsens endeparti. Et andre endeparti av pakningshylsen er forbundet med en stempelring. Tetningshylsen presses tettende mot et passerende rørlegeme ved at et første hydraulisk trykk presser stempelringen i retning av festeringen, eller ved at et andre hydraulisk trykk påføres den utvendige sideflaten av pakningshylsen.

US 2015/0345236 A1 viser en anordning for korrigering av feiljustering for å redusere feiljustering av et stykke oljefeltutstyr. Anordningen inkluderer et stempel som frembringer trykkrefter på et tetningselement. Stempelet er konfigurert for å oppta en aksial endring av tetningselementet og komprimere tetningselementet mot en borestreng ved hjelp av trykk på undersiden av stempelet.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, og øke en pakningshylses evne til å motstå differensialtrykk samt redusere og motstå friksjonslast fra en borestreng.

Oppfinnelsen tilveiebringer et pakningsarrangement, hvor en relativt tynnvegget, fleksibel pakningshylse og en pakningsholder avgrenser et internt ringrom som kan trykksettes. Endepartier i pakningshylsen tildanner endetermineringer som hver omfatter en ring som er aksialforskyvbar i pakningsholderen ved hjelp av én eller flere aktuatorer, for derved å holde en ikke aktivert pakningshylse utstrukket samt å tillate pakningshylsens aksielle utstrekning å reduseres når et midtparti av en trykkaktivert pakningshylse presses radielt mot et passerende borerør.

Aktuatorene kan være anordnet som ettergivende, ikke-styrte arrangementer, typisk som fjærende anordninger, eller som styrte arrangementer, typisk som hydrauliske arrangementer påvirket av et styrt, påført hydraulisk trykk.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt et pakningsarrangement for tettende gjennomføring av en borestreng med geometriforskjeller mellom passerende borerør og skjøtekoplinger, hvor

en pakningsholder tildanner et hus med et aksielt gjennomgående senterløp som i et parti omfatter en fleksibel pakningshylse, og

et internt ringrom er avgrenset av et midtparti av pakningshylsen og pakningsholderen og står i fluidkommunikasjon med et eksternt ringrom som omslutter pakningsholderen,

kjennetegnet ved at

pakningshylsen omfatter endetermineringer som er aksielt forskyvbare i pakningsholderen, idet

hver endeterminering er tilkoplet en aktuator innrettet til å kunne påføre pakningshylsen en aksiell strekkraft.

Hver aktuator kan være forsynt med fjærer innrettet til å skyve endetermineringene bort fra hverandre. En effekt av dette er at pakningsarrangementet kan forsynes med enkle og kostnadsbesparende aktuatorer.

Alternativt kan hver aktuator være tildannet som en hydraulisk stempelring innrettet til å skyve endetermineringene bort fra hverandre. En effekt av dette er at det oppnås bedre styring av aktuatorenes bevegelse.

Pakningsholderen kan være forsynt med stabiliseringsfjærer innrettet til å dempe stempelringenes anslag mot endestoppere i pakningsholderen. En effekt av dette er at det oppnås en mere skånsom bevegelse av aktuatorene.

Hver ring kan være forsynt med en støttekrage som er innrettet til å begrense utbøying av en overgangssone mellom hver endeterminering og pakningshylsens midtparti. En effekt av dette er at pakningshylsens levetid øker.

Støttekragene som er innrettet til å begrense utbøying av overgangssone mellom hver endeterminering og pakningshylsens midtparti, kan være integrert i pakningsholderen. En effekt av dette er at nevnte ringers utforming forenkles.

I det etterfølgende beskrives eksempler på foretrukne utførelsesformer som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor:

Fig. 1 viser i et aksialsnitt ei prinsippskisse av en første utførelse av et pakningsarrangement ifølge oppfinnelsen, hvor et passivt, fjæraktivert aktuatorarrangement påfører en pakningshylse en strekklast;

Fig. 2 viser i et aksialsnitt ei prinsippskisse av en andre utførelse av pakningsarrangementet ifølge oppfinnelsen, hvor et aktuator-arrangement som kan brukes i stigerørsapplikasjoner, ved hjelp av hydrostatisk trykk fra en væskesøyle i stigerøret sørger for at aktuator-arrangementet holder pakningshylsen utstrukket når den ikke er påført trykk fra utsiden; og

Fig. 3 viser i aksialsnitt ei prinsippskisse av en tredje utførelse av pakningsarrangementet ifølge oppfinnelsen, beregnet på bruk der det ikke er krav til rotasjon av pakningsarrangementet, hvor et styrt hydraulisk aktivert aktuator-arrangement sørger for lengdekompensering av pakningshylsen.

Alle posisjonsangivelser refererer til posisjonen vist på figurene.

På figurene er samme eller korresponderende elementer indikert med samme referansenummer. For klarhets skyld kan noen elementer være uten referansenummer på noen figurer.

En fagperson på området vil forstå at figurene er bare prinsippskisser. De relative forholdene mellom individuelle elementer kan også være fortegnet.

På figurene angir henvisningstallet 1 en pakningsholder som tildanner et hus som omslutter en relativt tynnvegget, fleksibel pakningshylse 2. Pakningshylsen 2 er innrettet til å kunne slutte tettende mot et parti av et borerør 3 som føres gjennom et senterløp 1a i pakningsholderen 1. Tetningsfunksjonen til pakningshylsen 2 mot borerøret 3 aktiveres med utvendig trykksetting fra et eksternt ringrom 4 som omslutter pakningsholderen 1 og avgrenses av et stigerør 14 (se figur 1). Et internt ringrom 2b som er avgrenset mellom pakningshylsen 2 og pakningsholderen 1, kommuniserer med det eksterne ringrommet 4 som omslutter pakningsholderen 1 gjennom åpninger 5 i pakningsholderen 1. Pakningshylsen 2 omfatter endetermineringer 6 som er festet i hver sin ring 7 aksielt forskyvbart opplagret i pakningsholderen 1.

Idet en skjøtekobling 9 mellom to borerør 3 passerer gjennom pakningshylsen 2, vides pakningshylsen 2 radielt ut mot pakningsholderen 1 og fortrenger et væskevolum fra det eksterne ringrommet 4 til en trykkompensator (ikke vist). Deformasjon, for eksempel bukling av den utvidede pakningshylsen 2 forhindres ved at ringene 7 blir skjøvet i hver sin aksiale retning og pakningshylsen 2 strekkes ut.

Når pakningshylsen 2 ikke er trykkaktivert for å slutte tettende om et borerør 3, er det en fordel om pakningshylsen 2 er i minst mulig kontakt med borerøret 3.

Pakningshylsen 2 kan holdes utstrakt ved hjelp av passive eller aktive aktuatorer, dvs. som ettergivende, ikke-styrte arrangementer, typisk som fjærende anordninger, eller som styrte arrangementer, typisk som hydrauliske arrangementer påvirket av et styrt, påført hydraulisk trykk, eller en kombinasjon av disse, slik det er vist på figurene 1, 2 og 3 og forklart nedenfor.

Figur 1 viser et passivt, ikke-styrt, fjæraktivert aktuator-arrangement 10 for lengdekompensering av pakningshylsen 2. Når pakningshylsen 2 aktiveres med et utvendig trykk fra ringrommet 4 mellom pakningsholderen 1 og stigerøret 14, og et midtparti 2a presses mot et parti av et borerør 3, bidrar et aksielt strekk i pakningshylsen 2 til å trekke ringene 7 i aksiell retning mot hverandre mens fjærer 10a som ligger støttende an mellom ringene 7 og en endeflate i en utsparing 1b i pakningsholderen 1, blir komprimert. Idet pakningshylsen 2 blir utvidet radielt av en passerende skjøtekobling 9, absorberes deformasjonen av pakningshylsen 2 ved at ringene 7 ved hjelp av aktuator-arrangementet 10 blir skjøvet fra hverandre og strekker pakningshylsen 2. Kraften som virker på ringene 7, er en kombinasjon av fjærkraft fra de komprimerte fjærene 10a og stivhet i pakningshylsen 2. Når pakningshylsen 2 ikke er påført et utvendig trykk for at den skal tette mot borerøret 3, strekkes pakningshylsen 2 i lengderetningen av fjærene 10a, og pakningshylsen 2 holdes åpen i pakningsholderen 1, dvs. pakningshylsen 2 ligger med klaring til borerøret 3. Et stempelareal 7b på motsatt side av fjærene 10a vil bli eksponert for trykket i det eksterne ringrommet 4 via kanaler 10b. Ventileringskanaler 10c sørger for at volumet omkring fjærene 10a ventileres. Stempelarealet 7b er tilpasset til fjærenes 10a kapasitet.

Figur 2 viser en balansert løsning, der en ringformet utsparing 1b som avgrenses av endeflater 7a på ringene 7, står i fluidkommunikasjon med ringrommet 4 via hydraulikkanaler 11a i pakningsholderen 1. Ventileringskanaler 11b sørger for at volumet omkring fjærene 12 ventileres til et lavtrykksområde over pakningshylsen 2.

Stabiliseringsfjærer 12 ligger støttende an mellom motsatt side av ringene 7 og en endestopperflate 1c i pakningsholderen 1. Idet pakningshylsen 2 blir utvidet radielt av en passerende skjøtekobling 9, vil stivheten til pakningshylsen 2 og et påført hydraulisk trykk fra det eksterne ringrommet 4 skyve ringene 7 fra hverandre, mens pakningshylsen 2 strekkes i lengderetningen.

Figurene 1-3 viser at ringene 7 er forsynt med støttekrager 8 som begrenser utbøyingen av den trykksatte pakningshylsen 2 i en overgangssone 2c mellom endetermineringene 6 og midtpartiet 2a av pakningshylsen 2 ved trykkaktivering av pakningshylsen 2 fra det eksterne ringrommet 4. Løsningen er særlig egnet for anvendelse der det ikke er krav til at pakningsholderen 1 skal kunne rotere.

Ved trykkstyrt boring (MPD) fra en overflateinstallasjon vil pakningsarrangementet ifølge oppfinnelsen typisk være montert innvendig i et borestigerør 200-500 meter under overflateinstallasjonens boredekk, forutsatt at den aktuelle havdybden er stor nok. Passiv lengdekompensering av pakningshylsen 2 er særlig formålstjenlig i et borestigerør 14 der hydrostatisk trykk fra væskesøylen i borestigerøret 14 vil utvide pakningshylsen 2 i radiell retning når pakningshylsen 2 ikke er aktivert med trykk fra det eksterne ringrommet 4. Dessuten unngår man utfordringer med hydrauliske distribusjonskanaler og tilkobling av hydraulikk fra utsiden for aktiv styring av lengdekompensering av pakningshylsen 2.

Figur 3 viser en løsning med styrt lengdekompensering av pakningshylsen 2, der en endeflate på hver ring 7 blir aktivt trykksatt via kanaler 13 i pakningsholderen 1 ved hjelp av et kontrollsystem (ikke vist). Strekking av pakningshylsen 2 blir samkjørt med avblødning av ringromstrykket 4 via nevnte kontrollsystem. Stabiliseringsfjærene 12 komprimeres, og væske evakueres på fjærsiden via kanaler 13a.

Nødvendige tetninger er ikke beskrevet, men er kjent for en fagmann.

Det bør bemerkes at alle de ovennevnte utførelsesformene illustrerer oppfinnelsen, men begrenser den ikke, og fagpersoner på området vil kunne utforme mange alternative utførelsesformer uten å avvike fra omfanget av de vedlagte kravene. I kravene skal referansenumre i parentes ikke sees som begrensende.

Bruken av verbet "å omfatte" og dets ulike former ekskluderer ikke tilstedeværelsen av elementer eller trinn som ikke er nevnt i kravene. De ubestemte artiklene "en", "ei" eller "et" foran et element ekskluderer ikke tilstedeværelsen av flere slike elementer.

Claims (6)

Patentkrav

1. Pakningsarrangement for tettende gjennomføring av en borestreng med geometriforskjeller mellom passerende borerør (3) og skjøtekoplinger (9), hvor

en pakningsholder (1) tildanner et hus med et aksielt gjennomgående senterløp (1a) som i et parti omfatter en fleksibel pakningshylse (2), og

et internt ringrom (2b) er avgrenset av et midtparti (2a) av pakningshylsen (2) og pakningsholderen (1), og står i fluidkommunikasjon med et eksternt ringrom (4) som omslutter pakningsholderen (1),

k a r a k t e r i s e r t v e d at

pakningshylsen (2) omfatter endetermineringer (6) som er aksielt forskyvbare i pakningsholderen (1), idet

hver endeterminering (6) er tilkoplet en aktuator (10, 11) innrettet til å kunne påføre pakningshylsen (2) en aksiell strekkraft.

2. Pakningsarrangement ifølge krav 1, hvor hver aktuator (10) er forsynt med fjærer (10a) innrettet til å skyve endetermineringene (6) bort fra hverandre.

3. Pakningsarrangement ifølge krav 1, hvor hver aktuator (10) er tildannet som en hydraulisk stempelring (7) innrettet til å skyve endetermineringene (6) bort fra hverandre.

4. Pakningsarrangement ifølge krav 1, hvor pakningsholderen (1) er forsynt med stabiliseringsfjærer (12) innrettet til å dempe stempelringenes (7) anslag mot endestoppere (1c) i pakningsholderen (1).

5. Pakningsarrangement ifølge krav 1, hvor hver ring (7) er forsynt med en støttekrage (8) som er innrettet til å begrense utbøying av en overgangssone (2c) mellom hver endeterminering (6) og hylsens (2) midtparti (2a).

6. Pakningsarrangement ifølge krav 1, hvor støttekrager (8) som er innrettet til å begrense utbøying av overgangssone (2c) mellom hver endeterminering (6) og hylsens (2) midtparti (2a), er integrert i pakningsholderen (1).