NO830249L - Metall-metalltetning. - Google Patents

Description

I dype høytemperatur-gassbrønner som nå bores vil visse tetninger i brønnhodet utsettes for et innvendig trykk på opptil over 2000 kp/cm , og disse tetningene må være slik at de kan virke pålitelig over en periode på flere år uten tilsyn. Driftstemperaturen i tetningsområdene kan ligge innenfor et område på minus 60° C og opptil pluss 320° C.

I brønnhoder benyttes vanligvis metallringpakninger i bolt-flensforbindelser og klemt mellom komponentender som er utformet med koniske flater. Disse konvensjonelle paknings-ringer er imidlertid ikke helt tilfredsstillende når de benyttes i slike høytrykksområder og høytemperaturområder som det her er tale om. Ettergivende pakninger vil ikke være fullt ut pålitelige, som følge av utilstrekkelig motstand mot kjem-iske angrep og høye driftstemperaturer.

I en meget anvendt konvensjonell tetningsanordning sammenpresses en metallpakning mellom koniske flater, så som i A.P.I.-ringer. Koblingene utføres slik at det fremkommer en bestemt klaring mellom de to koblingskomponenter, for der-

ved å muliggjøre en ønsket, adekvat sammenpressing av det mellomliggende pakningselement. I en annen tidligere kjent utførelse benyttes en ringformet pakning som utsettes for det indre trykk på en slik måte at en trykkøkning vil øke pakningsringtrykket og derved hindre lekkasje ved høye trykk.

Oppfinnelsen tar sikte på å tilveiebringe en metall-metalltetning for bruk i et høytrykksområde, eksempelvis slik det typisk forefinnes i et brønnhode på en gassbrønn med høyt trykk og høy temperatur. Det tas således sikte på å tilveiebringe en tetning mellom den utvendige flaten på en rørformet del og den innvendige flaten på en relativt massiv del,

hvilke deler skal ha en fast relativ aksialstilling under bruk. Den tilgjengelige kraft for utvikling av tetningsvirkningen bestemmes. Like koniske flater anordnes på de to deler, slik at det tilveiebringes en sampassing når de to deler bringes i den nevnte fikserte relative aksialstilling. Deler av den

rørformede dels utvendige flate maskineres bort slik at det blir igjen koniske landområder, eksempelvis i to aksialt sett nært inntil hverandre plasserte bånd, slik at når de to deler presses sammen for å innta den faste relative aksialstilling vil de tilveiebrakte tetningsbånd gi en elastisk tetning hvor man unngår en total plastisk deformasjon, men allikevel får den ønskede enhetsbelastning. Oppfinnelsen kan utnyttes i forbindelse med mange typer av stumpkoniske tetnings-rringrom.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene,,som viser en foretrukken utførelse. På tegningene viser

fig. 1 et halvsnitt gjennom en del av et brønnhode, med to

metall-metalltetninger ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et utsnitt i større målestokk av det område som er innrammet med strekpunkterte linjer i fig. 1, men på et tidlig fremstillingstrinn,

fig. 3 viser et utsnitt av det i fig. 1 viste ringelement,

i.samme målestokk som i fig. 2,

fig. 4 viser et utsnitt av ringelementet, i enda større målestokk, og

fig. 5 viser et utsnitt av tetningsarrangementet, innenfor det innrammede område i fig. 1, i samme målestokk som i fig. 2.

I fig. 1 er det vist en relevant del av brønnhodet i en dyp gassbrønn. Bare den her interessante del 10 av brønnhodet er vist, og omgivende og hosliggende deler er utelatt, og det samme gjelder for mulige innvendige deler, som monteres senere. I fig. 1 er det bare vist den høyre halvdel av brønnhodedelen, idet senterlinjen er betegnet med 12.

Fig. 1 viser en typisk anvendelse av en tetning ifølge oppfinnelsen.

Elementet 14 er et foringsrørhode med en øvre endeflens 16,

en boring 18, et opphengssete 20, et sete 22 for en forings-rør-rmedholder, og et vanlig ringspor 24 i flensflaten for opp-tak av en A.P.I.-tetningsring. I boringen 18 er det et oppheng 2 6 for den øvre enden av et foringsrør 28, hvilket oppheng innbefatter fangkiler 30 som virker mot utsiden av forings-røret nær, men ikke ved foringsrørets, 28 øvre ende. Fang-kilene påvirkes av en innstillbar nedholder 32. Nedholderen på sin side holdes av overgangsstykket 3 6 som er montert over foringsrørhodet og omgir den øvre del av foringsrøret 28. Denne overgangsdel er i realiteten en flensring 38, forsynt med ringspor for respektiv A.P.I.-ringer 40, 42 på de to endeflatene.

Foringsrøret 28 strekker seg opp forbi opphenget og inn i åpningen 44 i flensringen 38. Åpningen 44 er som vist avtrappet i diameter, slik at det dannes en nedre skulder 48 og en øvre skulder 50. En ringpakning 51 er lagt inn i ringrommet mellom flensringen 38 og foringsrøret 28, og over pakningen er det lagt en kompresjonsring 53. Deretter følger et ringelement 52 og et rørhode 54. Bolter 56 er ført gjennom flensen 16, flenseringen 38 og flensen 58 på rørhodet 54, og hver av disse bolter 56 trekkes til, for oppnåelse av flere hensikter mer eller mindre samtidig: A. Undersiden av overgangsdelen 36 (flensringen 38) skyver den øvre endeflaten til den innstilte nedholder ned til i flukt, med den øvre endeflaten i foringsrørhodet,

B. Den nedre A.P.I.-ring 40 sammenpresses i ringsporet,

6. i Ringelementet 52 legger seg an mot den øvre skulder 50

i flenseringen 38 og skyye3 derved den øvre endeflaten_ til kom-pres jonsringen 53 ned til i flukt med den øvre skulder 50,hvorved det tilveiebringes en aksial komprimering og eventuelt en radiell ekspansjon av pakningen 51, slik at det dannes en tetning mellom foringsrøret 28 og flenseringen 38. Tetningsvirk-

ningen kan her forsterkes ved^innsprøyting av et plastisk, trykksatt fluidum gjennom en enveisventil (ikke vist) i tverr-boringen 60, D. Det tilveiebringes en tetning mellom utsiden av forings-røret 28 og innsiden av ringelementet 52, ved 62,

E. Undersiden av rørhodet 54 skyves ned mot ringelementet

52, slik at ringelementet bringes til anlegg mot den øvre skulder 50,

F. Det tilveiebringes en tetning ved 64, mellom! ringelementet 52 og flenseringen 38,

G. Den øvre A.P.I.-ring 42 presses i ringsporet, og

H. Det tilveiebringes en tetning ved 65, mellom utsiden av ringelementet 52 og innsiden av rørhodet 54.

Oppnåelsen av alle disse virkninger ved tilstrekking av boltene 56 er så langt konvensjonell. Det som er nytt ifølge foreliggende oppfinnelse er utformingen av og tilveiebringelsen av tetningene nevnt foran under D og H. Da disse to tetninger i hovedsaken er like skal nedenfor bare tetningen under punkt H beskrives nærmere.

Når boltene 56 trekkes til vil ringelementet 52 og rørhodet 54 skyves i hverandre. Hvor langt ringelementets 5 2 hals 56 skal skyves inn i boringen 68 i rørhodet bestemmes av anslaget av rørhodet mot flensringen. Dette anslag er betegnet med 70.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en spesiell kontur på den utvendige flaten av til øvre enden iav-.den r.ør-formede del,, der hvor det skjer ét samvirke med boringsveggen i den omgivne relativt massive del, eksempelvis der hvor den øvre enden av ringelementets hals 56 omgis av rørhodet 54, i høyde med rørhodets flens 58, dvs. et område hvor rørhodet er relativt massivt. Nærmere om dette nedenfor i forbindelse med en omtale av figurene 2-4.

Av fig. 2 går det frem at i utgangspunktet er den utvendige flaten på ringelementets hals 60 forsynt med et konisk, om- løpende båndområde, og tilsvarende er den innvendige flaten i rørhodets boring forsynt med et tilsvarende konisk, omløp-ende båndområde 74. Dersom båndet 72 får berøring med båndet 74 i det øyeblikk boltene 56 gis den siste strammebevegelse,

så ville det tilveiebringes en tetning, men tetningstrykket ville være lik null. Hvis en slik konstruksjon ble tatt i bruk så ville det ikke kreve store trykkøkningen inne i brønnhodet før ujevn belastning, ujevn ekspansjon og/eller utbøying i ringelementets hals ville tillate en trykkutslipping mellom tetningsflåtene 72 og 74. Dersom båndet 72 gis en større ra-dius over hele sin bredde, hvilken radiusøkning er betegnet med X, så vil båndet 72 få utstrakt kontakt med båndet 74 før boltene 56 er helt tilstrammet, og en ytterligere tilstramming av boltene 56 vil da bevirke en ettergivende belastning av båndet 72 mot båndet 74. Dersom man tenker seg det ekstrem-tilfellet at X gjøres for stor, så vil en full tilstramming av boltene. 56 kunne resultere i en permanent og ødeleggende formering av halsen. Man beregner derfor den kompresjonstyrke som båndet 72 kan utsettes for, under utnyttelse av vanlige beregningsmetoder, og man beregner den verdien av X som vil gi aksepterbare spenningspåkjenninger.

For den type av brønnhodeutstyr 10 som oppfinnelsen særlig er beregnet for, vil det vanlige areal for båndene 72, 74 være så stort at når X gjøres så stor som verdien kan være utifrå beregninger, vil kontakttrykket være utilstrekkelig til å

kunne motståc.høye trykk (eksempelvis 2000 kp/cm ) i det forventede område av innvendige temperaturer (minus 60°C til 320°C) I samsvar med oppfinnelsen maskinerer man derfor vekk mesteparte av båndet 72. Dette er vist med verdien Y i fig. 3. Det blir alt så igjen to smale bånd Bl og B2, hvor altså halsradiusen er øket med verdien X^Når man så setter sammen komponentene og strammer boltene 65 fullstendig, vil tetningen 65 mellom den utvendige

flaten på halsen 66 og boringsveggen i rørhodet 54 bare tilveiebringes der hvor båndene Bl, B2 presses til sampassing med flaten 74. Båndene Bl, B2 har så små flatearealer at kontakttrykket som oppnås ved strammingen av boltene 56 vil være til-

strekkelig til å kunne holde igjen det forventede maksimale høye fluidumtrykk innenfor det forventede temperaturområde. Imidlertid gjøres båndene Bl, B2 store nok til at selv om de kan deformeres noe når de presses til sampassing med flaten 74, og selv om flaten 74 også kan deformeres noe, og selv om det ytre endeområde av halsen 66 kan utsettes for slike trykk-spenninger at det skjer en viss utbøyning, vil ingen av disse reaksjoner gi en varig deformasjon. Selv om det vil kunne forekomme en viss plastisk flyting så vil det bli en tilstrekkelig uavlastet elastisk spenning slik at den opprinnelige til-stand tilveiebringes ved en senere tilsiktet løsgjøring av boltene 56.

Fordelaktig kan båndene 72 hvor båndene Bl, B2 er utformet ha basis diameter i området 2,5-38 cm, og en konisitet på ca.

0,3 m pr. m (18° 15' 30" ) eller mindre, selv den inventive ide også kan anvendes i forbindelse med sentralt ribbede dob-beltkoniske tetningsringer (eksempelvis Graylocv (R) 1 )- ringer fra Gray Tool Company, Houston, Texa, USA - som kan ha koniske tetningsflater med en større vinkel.

Claims (7)

1. Metall-metalltetning for bruk i et høytrykksområde, eksempelvis slik det typisk forefinnes i et brønnhode på en gassbrønn med høyt trykk og høy temperatur, og innbe-fattende en rørformet del (28, 52) med en utvendig omkretsflate som fører til en ende, og en relativ massiv del (52, 58) med et kammer (eksempelvis dens boring) med en innvendig omkretsflate (74), hvilken rørformede del er koaksialt i det minste delvist opptatt i den nevnte kammer slik at den innvendige omkretsflate på den relativt massive del omgir den utvendige omkretsflate på den rørformede del, samt regulerbare festemidler (56) tilknyttet den rørformede del og den relativt massive del for skyving av den rørform-ede del inn i kammeret i den relativt massive del til en bestemt relativ aksial stilling av de to deler, karakterisert ved at den utvendige omkretsflate (72) er konisk og at den innvendige omkretsflate (74) har en i hovedsaken komplementær form over mesteparten av sin aksiale utstrekning, og den rørformede del har i det minste ett smalt båndparti hvor en omløpende ribbe .(iBIV B2)er utformet på utsiden av delen og innenfor den aksiale utstrekning og den nevnte utvendige flate, hvilket bånd er så utpreget at når festemidlene (56) reguleres for å bringe den rørformede del og den massive del til den nevnte relative aksialstilling, vil ribben ha sampassing med den koniske innvendige omkretsflate på den relativt massive del, med et ettergivende om-krefessamvirke i hvilket ribben er ufullstendig sammenpresset.

2. Metall-metalltetning ifølge krav 1, karakterisert ved at det forefinnes to tett inntil hverandre plasserte ribber; (Bl., B2) som hver har en radiell ytterflate som er konisk og komplementær til den koniske innvendige omkretsflate på den relativt massive del.

3. Metall-metalltetning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den relativt massive del er et rørhode (54), og at den rørformede del er halsen (66) på et foringsrør-ringelement (52).

4. Metall-metalltetning ifølge krav 3, karakterisert ved at ved den nevnte relative aksiale stilling er sampassingen mellom ribben eller ribbene med den innvendige omkretsflate tilstrekkelig til å tilveiebringe en tetning.

5. Metall-metalltetning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den relativt massive del er et fpringsrør-ringlgeme (52) , og at den rørformede del er den øvre endedelen til et foringsrør (28).

6. Metall-metalltetning ifølge krav 5, karakterisert ved at ved den nevnte relative aksialstilling er sampassingen mellom ribben eller ribbene og den innvendige omkretsflate tilstrekkelig til å tilveiebringe en tetning.

7. Metall-metalltetning, karakterisert ved at den innbefatter en relativt massiv ytre del (54) eller (52) med en boring (68) forsynt med en i hovedsaken radielt innoverrettet konisk flatedel i et omløpende bånd hvorved det tilveiebringes et tetningssete (74), en annen del (52 eller 28) med en rørformet vegg som nær en ende er forsynt med en i hovedsaken radielt utoverrettet konisk flatedel i et om-løpende bånd, en integrert anordning som tilveiebringer flere aksialsett tett inntil hverandre plasserte omløpende rygger eller ribber (Bl, B2) på den radielt utoverrettede koniske flatedel, innenfor den aksiale utstrekning av det nevnte omløpende bånd, hvilke to rygger eller ribber har radielt sett ytre omkretsflater som er anordnet for utstrakt flatekontakt med det nevnte tetningssete, og midler (56) som trekker den relativt massive del og den nevnte andre del aksialt sammen i en bestemt innbyrdes, i hovedsaken fiksert stilling, i hvilken de to bånds radielt sett ytre omkretsflater har et >etter-givende sampassing med det nevnte tetningssete.