NO810641L - Hoeytemperaturpakning til bruk i et broennhull. - Google Patents

Abstract

En høytemperaturpakning til bruk i et brønn-hull er oppbygget med en kjerne (12) og en derpå anordnet sentral pakningsring (82) med koniske endeflater. På hver side av den sentrale pakningsring er det anordnet •symmetrisk om den sentrale pakningsring orienterte pakningsringer (78 og 80) som utad avstøttes av en res-pektiv ekspanderbar pakningssko (70, 72) av metall.Som pakningsmateriale foreslås særlig asbestfibre impregnert med en termoplast og sammenvevet med Inconel-tråd .

Description

Oppfinnelsen vedrører en høytemperaturpakning for bruk i et brønnhull, særlig av den geotermiske type. Man har hittil brukt høytemperaturpakninger og broplugger med et noen-lunde godt resultat for temperaturer opptil ca. 260°C. Over denne temperatur vil de kjente pakninger ikke kunne holde for høye differensialtrykk over lengre tid. Pakninger med støtte-elementer av mellomhård termoplast, såsom polytetrafluoretylen (Teflon), med tetningselementer av andre fluorkarbon-elastomerer såsom Fluorel og Viton har vært benyttet i dampinnsprøytnings-pakninger opp til ca. 290°C. Disse pakningene har en relativ lav temperatur før de utsettes for driftstemperaturen. Bruk av en slik pakning i et driftstemperaturområde ( rundt 290°C) resulterer i svikt i trykkholdingen som følge av et termoplasten oppfører ;seg uakseptabelt når den utsettes for en kompresjons-belastning for tilveiebringelse av den ønskede tetningsvirkning. Man har også benyttet pakninger av vevet asbest og Inconel-

tråd for pakninger for temperaturerer over 26 0°C, og slike elementer støttes vanligvis av ekspanderbare metallsko. Ved høye differensialtrykk vil det oppstå lekkasje som kan tolereres i en dampinnsprøytningsbrønn, men som vil være for stor for mange geotermiske anvendelser.

Med foreliggende oppfinnelse foreslås det en pakning som kan motstå høye differensialtrykk over lengre tidsrom ved temperaturer opp til så høyt som rundt 37 0°C. Stumkoniske pakningsringer av asbestfiber, impregnert med en mellomhård termoplast, såsom polytetrafluoretylen (Téflon) og sammenvevet med Inconel-tråd, omgir en kjerne på hver endeside av en sentral pakningsring med trekant-tverrsnitt. De stumpkoniske ringer støttes utad av ekspanderbare metallsko. De stumpkoniske ringer komprimeres mot senterringen når pakningen settes på plass i brønnhullet. Inconcel-tråden og asbesten vil gi mekanisk styrke og elastisitet ved høye temperaturer, idet termoplasten danner en brokomponent mellom asbest og trådfibre og hindrer damp- eller fluidummigrering gjennom pakningen. Metallskoene gir støtte til de mellom metallskoene komprimerte pakningselementer.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor

fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en plugg utført under utnyttelse av den inventive idé, og

fig. 2 viser pluggen i fig. 1 i fastspent eller montert tilstand i brønnhullets foringsrør.

Den viste plugg 10 er utført med en kjerne 12 som iet øvre parti har omløpende, nedadrettede tenner 14 på utsiden. Kjernens 12 nedre parti 16 er glatt, helt ned til den nedre enden 17, hvor det er utformet et gjengeparti. En strekkhylse 18 er skrudd inn i en øvre boring 26 i kjernen 12. Denne strekkhylsen 18 har et øvre utvendig gjengeparti 20 og

et nedre utvendig gjengeparti 24, hvormed det er skrudd sammen med kjernen 12. Omtrent midt på har strekkhylsen 18 et parti med redusert veggtykkelse 22. Flere hull 23 gir fluidumforbind-else mellom strekkhylsens innside og utside.

En nedre boring 28 i kjernen 12 er åpen nedad, ved 30.

Rundt kjernens øvre parti er det plassert en øvre kilemekanisme som innbefatter en overkastmutter 3 2 med en plan og ringformet øvre endeflate 34. Overkastmutteren er ved 36 skrudd på en holdehylse 38. Denne holdehylsen har en konisk boring 4 0 og er nederst utformet med en plan og ringformet endeflate 41. Inne i den koniske boring 40 er det plassert en splittring 46 med kileformet tverrsnitt. Splittringens ytterflate er orientert med i hovedsaken samme vinkel som veggen i den koniske boring 4 0 i holdehylsen 38, mens splittringen 4 6 innvendig er forsynt med oppadrettede tenner 48, med i hovedsaken samme avstand som de tidligere nevnte nedadrettede tenner 14 på kjernen 12. Pinner 42 og 44 går gjennom holdehylsen 38 og begrenser splittringens 46 aksiale bevegelse.

Under holdehylsen 38 er det rundt kjernen 12 anordnet flere fangkilder 40. Disse fangkiler 50 har serraterte sylindriske ytterflater 54 med omløpende kanaler 52. Inner-flåtene 56 til fangkilene danner sammen en konisk flate. Et sylindrisk metallbånd 58 er lagt rundt fangkilene 50 i kanalen 52 og tjener til å holde fangkilene i den i fig. 1 viste tilbake-trukkede stilling før pluggen settes, dvs. plasseres på ønsket sted i foringsrøret.. Fangkilenes 50 nedre ender hviler på en øvre flate 62 på en øvre kilering 60. Flaten 62 har i hovedsaken samme vinkel som fangkilenes indre flater 56. Kileringens 6 0 boring 64 er glatt og har større diameter enn ytterdiameteren for tennene 14 på kjernen 12. Den øvre kilerings 60 nedre flate 66 er relativ stumpkonisk. Den øvre kilering 60 holdes på kjernen 12 ved hjelp av flere maskinskruer 68 som er skrudd gjennom kileringen 60 og inn i kjernen 12.

En nedadrettet pakningssko 701igger an mot den øvre kilerings 60 nedre flate 66. Rundt kjernen 12 er det plassert pakningssegmenter, mellom den nedadrettede pakningssko 70 og en oppadrettet pakningssko 72. Pakningssegmentene er av asbestfiber impregnert med en mellomhård termoplast såsom Teflon, og sammenvevet med Inconel-tråd. Den vevnad som derved fremkommer legges i en form og pressformes til ønsket segmentform. Endepakningsringene 74 og 76, som har stumpkonisk form og i hovedsaken parallelle, radielt skrå-stilte endeflater, omgripes av pakningsskoene 7 0 og 7 2

som vist. Mellom endepakningsringen 74 og den sentrale pakningsring 82, som har i hovedsaken trekant-tverrsnitt, med endeflatene 84 og 86 konvergerende utover med i hovedsaken samme vinkel, er det plassert flere i hovedsaken like nedadrettede stumpkoniske pakningsringer 78 med en ytterdiameter som omtrent tilsvarer ytterdiameteren til pakningsskoen 70 før komprimering av pakningen. På lignende måte er flere i hovedsaken like oppadrettede stumpkoniske pakningsringer 80 plassert mellom senterpakningsringen 82 og endepakningsringen 76. Ringene 80 har på samme måte som ringene 78 i hovedsaken samme ytterdiameter i ukomprimert tilstand som pakningsskoene

70 og 72, og de har i hovedsaken parallelle, radielt skrånende endeflater, på samme måte som endepakningsringene 76 og 76. Den radielle skråvinkel for endeflatene til pakningsringene 74, 76, 78 og 80 er større enn vinkelen til endeflatene 84

og 86 på senterpakningsringen 82. Pakningselementet innbefatter således pakningssegmentene 74, 76, 78, 80 og 82.

Under pakningsskoen 72 er det en nedre kilering

90 som avstøtter pakningsskoen. Denne kilering 90 har en øvre konisk flate 92 og dens innerflate 96 er glatt og har større diameter enn diameteren til kjernen 12 i området 16. Kileringens 90 nedre flate 94 er konisk. Maskinskruer 98

(bare én er vist) er skrudd igjennom ringen 90 og inn i kjernen 12 og holder kileringen 90 på plass helt til pluggen

10 er satt.

Mellom den nedre kilering 90 og enderingen 110, som er skrudd på kjernen 12, er det plassert fangkiler 100 i form av krummede elementer plassert rundt kjernen 12. Fangkilene 100 har serraterte sylindriske ytterflater 102, mens deres inn-erflater 104 er orientert med i hovedsaken samme vinkel som den nedre flate 9 4 på den nedre kilering 90, og fangkilenes indre flate 104 går på denne nedre ringflate 94, som vist. En omløpende kanal 106 er anordnet på utsiden av den av fangkilene dannede ring og i kanalen 106 er det 1 lagt inn et metallbånd som holder fangkilene på plass helt til pluggen 10 er satt. Fangkilene 100 ligger an mot den plane øvre endeflaten 112

på enderingen 110.

De enkelte verktøydeler utenom pakningselementet fremstilles naturligvis av materialer som er i stand til å motstå høye temperaturer (37 0°C) uten å tape mekanisk styrke. Dette er særlig viktig ved valg av materiale for elementer så som pakningssko og strekkhylse, idet noen materialer, éksempel-vis messing, ikke vil være tilfredsstillende. Eksempelvis vil en strekkhylse av messing ikke muliggjøre tilstrekkelig inn-stillingssprekk på kjernen ved vanlige driftstemperaturer, fordi hylsen vil skjæres av ved en altfor lav kraftpåvirkning. Valg av egnede metaller for innstillings- og komprimeringskon-stuksjonen er naturligvis opp til fagmannen som ikke vil ha noen vanskeligheter i så.henseende. Bløttstål, fortrinnsvis utglødd, kan benyttes som erstatning for de messingkomponenter man vanligvis anvender i lavtemperaturpakninger.

Virkemåten til pakningen ifølge oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til figurene 1 og 2.

Pluggen 10 henges opp i et foringsrør 120

ved hjelp av et innstillingsverktøy 130. Dette kan være av i og for seg kjent type og aktiveres hengende i en wire, rør, eller en borestreng, men verktøyets mekaniske utførelse er ikke av betydning i forbindelse med foreliggende oppfinnelse. Innstillingsverktøyet 130 har en innstillingskjerne 132 med

en gjenget ende, i dette tilfelle koblingsringen 134, og kjernen 132 omgis av innstillingshylsen 136.

For setting av pluggen 10 beveges innstillingshylsen 136 nedover i forhold til innstillingskjernen 132. Hylsen 136 får kontakt med den plane ringflaten 34 på overkastmutteren 32 og vil skyve den, holde hylsen 38, og splittringen 46 nedover. Derved presses fangkilene 50 nedover og utover, idet de glir på den øvre flaten 62 på den øvre kilering 60.

Splittringen 56 kan gå nedover fordi tennene

48 på dens innerflate vender oppover, og den nedadrettede bevegelse av holdehylsen 38 vil gi klaring for en slik bevegelse. Fangkilenes 50 utadrettede bevegelse vil bevirke en bryting av metallbånden 58 slik at fangkilene 50 kan få kontakt med inner-veggen 122 i foringsrøret 120, og de serraterte fangkileflater 54 vil gripe tak i foringsrørveggen 122. Fastsettingen av de øvre fangkiler 50 vil stoppe en ytterligere nedadrettet bevegelse av innstillingshylsen 136. Fangkilene 50 hindres i å gå tilbake til utgangsstillingen som følge av samvirket mellom splittringens tenner 48 og tennene 14 på kjernen 12. Splittringen 46 holdes mot kjernen 12 som følge av den av holdehylsen 38 utøvede kilevirkning.

Når de øvre fangkiler 50 er satt trekkes innstillingskjernen 132 oppover. Den oppadrettede kraft overføres til kjernen 12 gjennom koblingsringen 124 og strekkhylsen 18, som koblingsringen 134 er skrudd sammen med (ved 20). Kjernens 12 oppadrettede bevegelser vil bevirke en avskjæring av maskinskruene 68 i den øvre kilering 60, fordi denne kilering holdes fast. Kjernens 12 bevegelse, overført gjennom enderingen 110, tvinger fangkilene 100 og den nedre kilering 90 oppover mot

den nedre pakningssko 72. Pakningssegmentet 7 4 komprimeres og

trykker mot den øvre pakningssko 7 0 som vil ekspandere mot den nedre flaten 66 i den øvre kilering 60, samtidig som den får kontakt med foringsrørveggen 122. En ytterligere oppadrettet bevegelse bevirker øket komprimering av samtlige pak-ningssegménter, hvorved deres effektive diameter øker slik at pakningssegmentene får kontakt med foringsrørveggen 122.

Deretter vil maskinskruene 98 i den nedre kilering 90 skjæres av, slik at den nedre kilering 90 tillates å bevege seg rela-tivt nedover og påvirke fangkilene 100, hvorved disse presses både nedover og utover og under dette bryter det omgivne metallbånd 108. Fangkilene 100 vil da få kontakt med forings-rørveggen 122. Når kjernen 12 fortsetter sin oppadrettede bevegelse, vil pakningssegmentene 74, 76, 78, 80 og 82 komprimeres ytterligere. Den nedre pakningssko 7 2 ekspanderer utover og får kontakt med boringsrørveggen 12 2, og avstøtes av den øvre flaten 92 på den nedre kilering 90. Når pakningssegmentene er komprimert til et visst punkt, og de nedre fang-' kiler 100 er presset mot foringsrørveggen 122 i så stert grad at en ytterligere oppadrettet bevegelse ikke lenger er mulig, vil den aksiale kraft fra kjernen 132 i verktøyet 130 over-skride skjærstyrken i det med redusert veggtykkelse utførte parti 22 i strekkhylsen 18, og strekkhylsen 18 vil derfor rives av som vist i fig. 2. Nå er pluggen 10 satt på plass (fig. 2). En oppadrettet kraft (eksempelvis som følge av et differensialtrykk) motvirkes av fangkilene 100. En nedadrettet kraft motvirkes av fangkilene 60, og tetningen bevirkes av de komprimerte pakningselementer mellom kjernen 12, foringsrør-veggen 122 og pakningsskoene 70 og 72.

Flere ulike konstruktive detaljer samvirker for tilveiebringelsen av en effektiv tetning når pluggen er satt. Den termoplastiske impregnering av asbestfibrene vil gi en brodannelse mellom fibermaterialet og den sammenvevede Inconel-tråd og vil hindre en damp- eller fluidummigrering gjennom pakningen i sterkere grad enn det hittil har vært mulig. Den av Inconel-tråd og asbestfiber tilformede vevnad gir pakningselementet en elastisitet som er mindre påvirket av ekstreme temperaturer enn ordinære elastomere elementer vil være, og derfor vil vevnaden bedre være i stand til å opprettholde "fjæringen" eller den induserte kompresjon av pakningen som gjør at pluggen vil være mer effektiv mot ret-ningsendringer i trykk og trykkvariasjoner. Den med trekantet tverrsnitt utførte senterpakningsring 82 bevirker en utadret-tet rotasjonsbevegelse av pakningsringene 74, 76, 78 og 80 fordi dens endeflater 84 og 86 er orientert med en mindre kjeglevinkel enn pakningsringene når settbelastningen pådras. Derved øker tetningsvirkningen mot foringsrørveggen 22, og det tilveiebringes en torsjonsmotkraft såvel som en i lengde-retningen virkende kompresjonsmotkraft, som holder pluggen på plass. Videre vil senterpakningsringen 82 gi en positiv tetning mot kjernen, fordi tetningsringene også vil virke innover. Stablingen av pakningsringene symmetrisk om senterpakningsringen resulterer i en effektiv tetning mot differensialtrykk i begge:retninger, fordi ytterkantene til de nedad-rettedepakningsringer vil presses til strammere tetningssam-virke ved øking av differensialtrykket nedenfra, mens større nedovervirkende differensialtrykk vil bevirke en bedre tetningsvirkning for de oppadrettede pakningsringer. Tetningsvirkningen vil i begge tilfeller skyldes trykkpåvirkningen på senterpakningsringen, som bevirker en radiell spredning av pakningsringene som vender mot retningen av det virkende trykk. Metallpakningsskoene ved hver ende av pakningen gir mekanisk støtte for pakningen idet de overspenner gapet mellom kileringene og foringsrørets vegg. Det tør således være klart at den nye pakning har mange fordeler sammenlignet med de kjente. Man oppnår en effektiv tetningsvirkning som kan bibe-holdes i lang tid selv ved høye differensialtrykk og høye temperaturer, opptil ca. 37 0°C. Tetningen virker også mot differensialtrykk i begge retninger, og tetningen er slik at tetningsvirkningen forsterkes ved trykkpådragning.

Oppfinnelsen er foran beskrevet nærmere i forbindelse med en plugg som er satt på plass i et foringsrør. Oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset til en slik spesi-ell anvendelse, idet pakningen også kan brukes for andre for-mål, og pakningen er også anvendbar i et åpent brønnhull,

det vil si uten foringsrør. Oppfinnelsen kan modifiseres på ulike måter uten at man derved går utenfor den inventive idé. Eksempelvis kan pakningen ha en senterpakningsring med trekantet tverrsnitt, hvor trekantens grunnlinje ligger på utsiden istedenfor inn mot kjernen, idet de stumpkoniske pakningsringer da vender fra senterringen. Trekantens grunnlinje vil da bli liggende tettende an mot foringsrørveggen eller borehullveggen, og de torsjons- og kompresjonsbelastede pakningsringer vil være ekspandert såvel mot kjernen som mot foringsrørveggen eller borehullveggen. Senterpakningsringen kan eksempelvis ha trapestverrsnitt, for øking av tetningsvirkningen. En begrens-ning i så henseende utgjøres av den økning av verktøylengden som et slikt trapestverrsnitt vil medføre.

Claims (13)

1. Pakningsanordning av den type som har en kjerne og midler for komprimering av et pakningselement som er plassert rundt kjernen, karakterisert ved at pakningselementet innbefatter en sentral pakningsring med to skrå tverrsnittsflater, et første sett av stumpkoniske pakningsringer på den ene siden av den sentrale pakningsring, og et andre sett av stumpkoniske pakningsringer på den andre siden av den sentrale pakningsring.

2. Pakningsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at pakningsringene i det ene sett vender mot pakningsringene i det andre sett.

3. Pakningsanordning ifølge krav 2, karakterisert ved at de skrå tverrsnittsflater konvergerer utover.

4. Pakningsanordning ifølge krav 1-3, karakterisert ved at pakningsringen ved den enden av hvert sett av pakningsringer som vender fra den sentrale pakningsring, har redusert ytterdiameter.

5. Pakningsanordning ifølge krav 4, karakterisert ved at hver av de nevnte endepakningsringer overgripes av en ytterkant av en pakningssko.

6. Pakningsanordning ifølge krav 1, karakterisert ved at pakningsringene i det ene sett vender fra pakningsringene i det andre sett.

7. Pakningsanordning ifølge krav 6, karakterisert ved at de skrå tverrsnittsflater divergerer utover.

8. Pakningsanordning ifølge krav 7, karakterisert ved at de skrå tverrsnittsflater har i hovedsaken samme skråvinkel.

9. Pakningsanordning ifølge krav 1-8, karakterisert ved at pakningsringene har i hovedsaken parallelle endeflater.

10. Pakningsanordning ifølge krav 9, karakterisert v e< i.d at pakningsringenes endeflater har en større skråvinkel enn den sentrale pakningsrings skrå tverr-, snittsflater.

11. Pakningsanordning ifølge krav 1-10, karakterisert ved at alle pakningsringene innbefatter asbest impregnert med en termoplast og sammenvevet med Inconel-tråd.

12. Pakningsanordning ifølge krav 11, karakterisert ved at termoplasten er en mellomhård termoplast.

13. Pakningsanordning ifølge krav 12, karakterisert ved at den mellomhårde termoplast er polytetrafluoretylen.