"MONTAGEM DE VEDAÇÃO, MONTAGENS DE CABEÇA DE POÇO EMÉTODO DE VEDAÇÃO DE UM ESPAÇO ANULAR"
Campo da invenção
Esta invenção refere-se, em geral, a montagens de cabeça depoço e, em particular, a uma vedação para a vedação entre membros decabeça de poço externos e internos.
Antecedentes da Invenção
As vedações são usadas entre os membros tubulares externo einterno de cabeça de poço para conter a pressão interna do poço. O membrointerno de cabeça de poço pode ser um suspensor de tubagem que suportauma coluna de tubagem que se estende no poço para o fluxo do fluido deprodução. O suspensor de tubagem assenta em um membro externo decabeça de poço, o qual pode ser um alojamento de cabeça de poço, umaárvore de natal ou uma cabeça de tubagem. Um obturador ou vedação vedaentre o suspensor de tubagem e o membro de cabeça de poço externo.Alternativamente, o membro de cabeça de poço interno poderia ser umsuspensor de revestimento localizado em um alojamento de cabeça de poço epreso a uma coluna do revestimento estendida no poço. Uma vedação ouobturador veda entre o suspensor de revestimento e o alojamento de cabeçade poço.
Uma variedade de vedações desta natureza tem sido empregadana técnica anterior. As vedações da técnica anterior incluem anéiselastoméricos parcialmente de metal e elastoméricos. Os anéis de vedação datécnica anterior feitos inteiramente de metal, para a formação de vedações demetal para metal, também são empregados. As vedações podem ser ajustadaspor meio de uma ferramenta de operação ou podem ser ajustadas em respostaao peso da coluna do revestimento ou tubagem. Um tipo de vedação de metalpara metal da técnica anterior tem paredes externa e interna separadas poruma fenda cônica. Um anel energizante é pressionado na fenda para deformaras paredes externa e interna, separadamente, para o engate vedante com osmembros de cabeça de poço externo e interno. O anel energizante é ummembro cuneiforme sólido. A deformação das paredes externa e internaexcede o limite de escoamento do material do anel de vedação, tornando adeformação permanente.
O crescimento térmico entre o revestimento ou tubagem e acabeça de poço pode ocorrer, particularmente, com as cabeças de poçolocalizadas na superfície, em vez de submersas. O fluido do poço que flui paracima através da tubagem aquece a coluna da tubagem e, ao um grau menor, orevestimento circundante. O aumento de temperatura pode fazer com que osuspensor de tubagem e/ou suspensor de revestimento se mova axialmenteuma pequena quantidade em relação ao membro de cabeça de poço externoou um ao outro. Durante o aquecimento transiente, o suspensor de tubageme/ou suspensor de revestimento também pode se mover radialmente devido àsdiferenças de temperatura entre os componentes e as diferentes taxas deexpansão térmica a partir da qual os materiais do componente são construídos.Se a vedação tiver sido ajustada como resultado de uma ação de soldagem,onde um deslocamento axial dos anéis energizantes induz um movimentoradial da vedação contra suas superfícies correspondentes, então, as forças devedação podem ser reduzidas se houver movimento na direção axial devidoaos efeitos térmicos ou de pressão. Uma redução na força axial sobre o anelenergizante resulta em uma redução nas forças para fora e para dentro nasparedes externa e interna do anel de vedação, as quais podem causar ovazamento da vedação. Uma perda da carga radial entre a vedação e suassuperfícies correspondentes devido aos transientes térmicos também podecausar o vazamento da vedação.
Há uma necessidade por uma técnica que se dirija aos problemasde vazamento da vedação descritos acima. Em particular, há uma necessidadepor uma técnica para manter uma vedação entre os membros externo e internode cabeça de poço que são submetidos às mudanças em posições relativasdevido aos efeitos térmicos, especialmente aqueles causados por fluidos dofuro do poço de alta temperatura e alta pressão. As seguintes técnicas podemresolver um ou mais destes problemas.
Sumário da Invenção
Uma montagem de vedação é apresentada no presentedocumento para a vedação dentro de um espaço anular entre dois membros decabeça de poço dispostos coaxialmente, onde um dentre os membros decabeça de poço podem estar sujeitos à expansão axial, tal como a partir docalor aplicado. A montagem de vedação inclui um elemento de vedaçãosuportado axialmente dentro do espaço anular e um anel de bloqueio montadopara a montagem de vedação, o qual pode ser engatado com o membro decabeça de poço expansível axialmente. O anel pode ter uma superfíciedelineada sobre um lado oposto ao membro de cabeça de poço expansívelaxialmente. Ao engatar de modo axial a superfície delineada do anel debloqueio com um anel energizante, o anel de bloqueio é movido radialmentecontra o membro de cabeça de poço expansível axialmente e acopla amontagem de vedação ao membro de cabeça de poço expansível axialmente.Em uma modalidade, a montagem de vedação é formada por uma primeiraperna, uma segunda perna e um canal anular entre as pernas. A primeira pernaveda contra o membro de cabeça de poço externo e suporta o anel debloqueio, enquanto que a segunda perna veda contra o membro de cabeça depoço interno. O canal anular recebe o membro energizante. O anel de bloqueiopode incluir uma superfície de travamento com ranhuras sobre seu lado voltadopara o membro de cabeça de poço expansível axialmente. A superfície comranhuras pode se alinhar com uma superfície perfilada sobre o membro decabeça de poço expansível axialmente. Em uma modalidade, o anel debloqueio pode compreender uma base e um membro de cantiléver conectado àbase sobre uma extremidade. A superfície de travamento delineada está sobrea extremidade do membro de cantiléver.
Uma montagem de cabeça de poço é também apresentada nopresente documento e consiste em um membro de cabeça de poço externopara ancorar em um furo de sondagem e um membro de cabeça de poçointerno assentado dentro do membro de cabeça de poço externo. Um espaçoanular se forma entre os membros de cabeça de poço externo e interno. Omembro de cabeça de poço interno pode incluir uma superfície com ranhurassobre sua superfície externa. Uma montagem de vedação é incluída no espaçoanular. Em uma modalidade, a montagem de vedação é feita de uma primeiraporção em contato vedante com o membro de cabeça de poço externo e umasegunda porção em contato vedante com a superfície externa do membro decabeça de poço interno. Um canal anular é opcionalmente localizado entre aprimeira e segunda porções. A inserção de um anel energizante no canal entrea primeira e a segunda porção da montagem de vedação pode forçar aprimeira e a segunda porção separadamente uma da outra. Uma superfície decarne pode ser disposta sobre o diâmetro interno do anel energizante. Estamodalidade pode incluir também um anel de bloqueio que quando empurradoradialmente para dentro pode comprimir-se. O anel pode ser suportado sobre aporção interna da montagem de vedação e pode ser engatado pela superfíciede carne. A inserção do anel energizante no canal empurra o anel de bloqueiopara o engate no perfil ranhurado sobre o membro de cabeça de poço interno.
A presente descrição inclui, ainda, um método de vedação entreum espaço anular entre os membros de cabeça de poço interno e externo. Ométodo pode incluir o fornecimento de uma montagem de vedação com umanel de travamento e o posicionamento da montagem de vedação no espaçoanular. A montagem de vedação pode ser deformada no engate de vedaçãocom os membros de cabeça de poço externo e interno com um anelenergizante. Além disso, o anel de travamento pode ser deformado com o anelenergizante para fazer com que o mesmo trave a montagem de vedação a umdentre os membros da cabeça de poço.
Breve descrição dos desenhos
A Figura 1 é uma vista em corte de uma modalidade damontagem de vedação, conforme apresentado no presente documento.
A Figura 2 é uma vista em corte da montagem de vedação daFigura 1 e mostra na posição assentada.
A Figura 3 é uma vista em corte de uma modalidade opcional damontagem de vedação, conforme apresentado no presente documento.
A Figura 4 é uma vista em corte da montagem de vedação daFigura 3 e mostra na posição assentada.
A Figura 5 é uma vista em perspectiva de uma modalidade de umanel de bloqueio.
As Figuras 6 e 7 representam uma montagem de cabeça de poçocom uma montagem de vedação que tem sobreposições.
Descrição detalhada da invenção
Agora com referencia à Figura 1, é fornecido um exemplo de umamontagem de cabeça de poço 10 em uma vista em corte lateral. No exemploda Figura 1, uma montagem de cabeça de poço 10 compreende membros decabeça de poço externo e interno coaxialmente dispostos e espaçados,formando, assim, um espaço anular entre os mesmos. A montagem devedação é seletivamente afixada a cada membro de cabeça de poço externoou interno para evitar o movimento relativo entre o membro da cabeça de poçoe a montagem de vedação, quando ou se uma dentre as montagens de cabeçade poço se move axialmente em relação à outra.Na modalidade específica da Figura 1, a montagem de cabeça depoço 10 compreende um alojamento de cabeça de poço 12 afixado em umaextremidade superior de um furo do poço (não mostrado) e que circunscrevecoaxialmente um suspensor de revestimento 14. A distância espaçada entre asrespectivas circunferências externa e interna do suspensor de revestimento 14e o alojamento de cabeça de poço 12 forma um espaço anular 13. Astransições do diâmetro externo do suspensor de revestimento 14 que estendepara fora em contato com o diâmetro interno do alojamento de cabeça de poço12; definem, assim, a extremidade terminal inferior do espaço anular 13. Umbloqueio de ombro 16 é mostrado fornecido na extremidade terminal inferior doespaço anular 13. A superfície superior do ombro de bloqueio 16 inclina-separa baixo com o descolamento para longe da circunferência externa dosuspensor de revestimento 14.
Uma montagem de bloqueio de suspensor 18 é mostrada situadano espaço anular 13 repousando em cima do ombro de bloqueio 16. O bloqueiode suspensor 18, conforme mostrado, compreende um acoplamento externo 19e um acoplamento interno 20 em contato correspondente. A superfície inferiordo acoplamento externo 19 é inclinada de maneira semelhante à superfíciesuperior do ombro de bloqueio 16. Deste modo, uma força paralela ao eixogeométrico Ax da montagem de cabeça de poço 10 produz forças resultantespara impelir radialmente para fora o acoplamento externo 19 contra acircunferência interna do alojamento de cabeça de poço 12. O acoplamentoexterno 19 entra em contato com o acoplamento interno 20 ao longo de umasuperfície oblíqua orientada para baixo e direcionada para o eixo geométricoAx. Deste modo, a superfície de contato entre o acoplamento interno e externo19, 20 impele radialmente para fora o acoplamento externo 19 contra oalojamento de cabeça de poço 12, enquanto que impele para dentro oacoplamento interno 20 contra o raio externo do suspensor de revestimento 14.A configuração do tipo "deslizante" do bloqueio de suspensor 18 aumenta asforças de acoplamento entre o suspensor de revestimento 14 e o alojamento decabeça de poço 12, em resposta às forças ao longo do eixo geométrico Ax damontagem de cabeça de poço 10 que podem tentar desalojar estes doismembros.
Uma montagem de vedação 21 é mostrada no espaço anular 13afixada de forma rosqueada à extremidade superior do acoplamento interno 20e se estende para cima a partir da mesma. Na modalidade ilustrada na Figura1, a montagem de vedação 21 compreende um elemento de vedação 22, umacamisa limitadora de vedação opcional 40 e um membro de bloqueio 42. Nestamodalidade, o membro de bloqueio 42 é um anel de bloqueio. O elemento devedação 22 mostrado pode ser compreendido de metal, metal maleável ou ummaterial elastomérico. O elemento de vedação 22 compreende um membroexterno 24 mostrado rosqueado ao acoplamento interno 20 sobre suaextremidade inferior; o membro externo 24 se estende para cima ao longo dacircunferência interna do alojamento de cabeça de poço 12. A extremidadesuperior do membro externo 24 termina em um encaixe rosqueado com umaporca anular 32. Deste modo, o membro externo 24 é um membro geralmenteanular e tem uma espessura de seção transversal menor que a espessura doespaço anular 13. O membro externo 24 inclui uma fenda opcional 26 mostradafornecida ao longo de uma porção de seu comprimento.
O elemento de vedação 22 compreende, ainda, um membrointerno anular 28 mostrado lateralmente projetado a partir do membro externo24 acima do acoplamento interno 20. O membro interno 28 se estende a partirdo membro externo 24, substancialmente perpendicular ao eixo geométrico Ax,através do espaço anular 13. Na circunferência externa do suspensor derevestimento 14, o membro interno 28 se dispõe obliquamente para cima paraficar geralmente paralelo ao eixo geométrico Ax. Um ombro 38 é mostradoformado sobre um lado interno da extremidade inferior do anel energizante 36que faz face ao suspensor de revestimento 14.
Uma camisa limitadora de vedação 40 é fornecida no topo daextremidade superior do membro interno 28, consiste na camisa limitadoraanular 40, a camisa 40 que é disposta no espaço anular 13 adjacente odiâmetro externo do suspensor de revestimento 14 coaxial em torno do eixogeométrico Ax. A camisa 40 deveria ser compreendida de um material desuporte de carga resiliente, do qual os exemplos incluem aço, ligas metálicas ecompósitos.
O anel de bloqueio 42 é mostrado em contato com a extremidadesuperior da camisa limitadora de vedação 40, também no espaço anular 13 ecoaxial em torno do eixo geométrico Ax. Conforme mostrado na Figura 1, oanel de bloqueio 42 é separado do suspensor de revestimento 14 em umaconfiguração não-acoplada. Na posição não-acoplada, a extremidade inferiordo anel de bloqueio 42 repousa sobre o ombro 38. Uma superfície perfiladacom ranhuras 44 é mostrada sobre o anel de bloqueio 42 em um lado que fazface ao suspensor de revestimento 14. O anel de bloqueio 42 é mais espessoem sua base próxima à camisa limitadora de vedação 40. A espessura do anelde bloqueio 42 diminui acima de uma transição 46 sobre a superfície posteriordo anel 42 que faz face ao alojamento de cabeça de poço 12. A superfíciefrontal do anel de bloqueio 42, embora perfilada, é geralmente plana e nãoinclui uma transição.
Um anel energizante anular 36 é também fornecido no espaçoanular 13 sobre a circunferência interna da porca 32. Um energizador 34 seprojeta no espaço 30 a partir da extremidade inferior do anel energizante 36.
Conforme será discutido em detalhes adicionais abaixo, o energizador 34 éconfigurado para a inserção no espaço 30 para formar uma superfície vedanteentre o suspensor de revestimento 14 e o alojamento de cabeça de poço 12. Aporca 32 pode incluir opcionalmente uma extensão semelhante a um colarinhosobre sua circunferência interna que cobre uma porção superior do membroexterno 24 do elemento de vedação 22. A extensão evita o enganchamento doanel energizante 36 sobre a extremidade superior do membro externo 24durante a montagem. O anel energizante 36 inclui uma transição 37 acima doombro 38, sobre sua circunferência interna, que reduz o raio interno do anelenergizante 36.
Agora, com referência à Figura 2, uma vista em corte lateral damontagem de cabeça de poço 10 da Figura 1 ilustra a montagem de vedação21 acoplada ao suspensor de revestimento 14. Conforme mostrado na Figura2, o anel energizante 36 tem sido impelido para baixo, o qual pode ocorrermediante o uso de uma ferramenta de operação 39. Ao impelir o anelenergizante 36 para baixo, empurra-se o energizador 34 no espaço 30.
Prefere-se que a espessura do energizador 34 exceda a espessura do espaço30, empurrando, assim, o membro interno 28 e o membro externo 24 nasdireções opostas em contanto vedante tanto com o suspensor de revestimento14 como com o alojamento de cabeça de poço 12. O energizador 34 podepreencher todo ou uma porção do espaço 30. Ao impelir para baixo o anelenergizante 36, aciona-se também o ombro 38 e a transição 37 inferior eadjacente à camisa limitadora de vedação 40.
Em relação ao eixo geométrico Ax, o diâmetro externo do anel debloqueio 42 acima de sua transição 37 é maior do que o diâmetro interno doanel energizante 36 abaixo da transição 46. Deste modo, o movimento parabaixo do anel energizante 36 para empurrar a transição 37 abaixo da transição,impele o anel de bloqueio 42 contra o suspensor de revestimento 14. Istoengata a superfície perfilada 44 do anel de bloqueio 42 com a superfícieperfilada 15 do suspensor de revestimento 14. Deste modo, ao reter o anelenergizante 36 na configuração ilustrada na Figura 2, se sustenta o engateentre o anel de bloqueio 42 e o suspensor de revestimento 14. Este engatecom as superfícies delineadas 15, 44 correspondentes, sobre o suspensor derevestimento 14 e o anel de bloqueio 42, fixa a montagem de vedação 21 aosuspensor de revestimento 14, evitando, assim o movimento relativo entre amontagem de vedação 21 e o suspensor de revestimento 14. Deste modo,evitam-se danos potenciais causados pelo suspensor de revestimento 14 quese expande e desliza além da montagem de vedação 21. Este deveria serexternamente pontudo para que as superfícies perfiladas 15, 44correspondentes pudessem incluir várias configurações diferentes. Porexemplo, as superfícies 15, 44 podem incluir uma série de dentes deintertravamento, ondulações correspondentes, assim como uma endentaçãocom reentrância correspondente sobre a superfície oposta.
Em um exemplo de uso do presente dispositivo, a ferramenta deoperação 39 é engatada com a extremidade superior do anel energizante 36,conforme mostrado na Figura 2. Ao impelir para baixo a ferramenta deoperação 39, por sua vez, empurra o anel energizante 36 no espaço anular 13e desliza o ombro 38 e a transição 37 formada sobre a circunferência internado anel energizante 36 além do anel de bloqueio e adjacente à camisalimitadora de vedação 40. Ao passar a transição 37 a partir do anel energizante36 através da transição 46 do anel de bloqueio 42, engata-se a seção de basemais espessa do anel 42 com o raio interno mais espesso do anel energizante36. Isto, por sua vez, empurra o anel de bloqueio 42 para o engate com asuperfície de travamento 15 fornecida sobre o suspensor de revestimento 14.Inversamente, a remoção do elemento de vedação 21 pode ser iniciadamediante a tração para cima do anel energizante 36 para fora do espaço anular13, tal como por meio do uso de uma ferramenta de operação 39. A remoçãodo anel energizante 36 de trás do anel de bloqueio 42 permite que o anel debloqueio 42 desengate do suspensor de revestimento 14, permitindo, assim, aremoção da montagem de vedação 21.
As Figuras 3 e 4 fornecem uma modalidade alternativa de umamontagem de vedação 21a para o engate por travamento entre a montagem devedação 21a e um suspensor de revestimento 14a. Na modalidade das Figuras3 e 4, o anel de bloqueio 42a inclui uma base 41 que tem um membro decantiléver 43 que depende de forma ascendente da base 41. Uma transição46a define a borda do membro 43 e base 41. O membro de cantiléver 43 incluiuma superfície perfilada 44 sobre sua extremidade superior que faz face aosuspensor de revestimento 14a. O lado interno do anel energizante 36a écontornado para dentro, acima de uma transição 37a, tornando-o mais próximoao eixo geométrico Ax do que o lado posterior do anel de bloqueio 42a. Amontagem de vedação 21a da Figura 3 inclui sobreposições 27 (tambémmencionadas como incrustações) sobre a superfície 29 do membro interno e asuperfície da montagem de vedação 21a oposta ao alojamento de cabeça depoço 12. As coberturas 27 podem ser formadas mediante a instalação de ummetal maleável nas ranhuras formadas nas superfícies da montagem devedação 21a.
Uma vista em perspectiva do anel de bloqueio 42a da Figura 4 éfornecida na Figura 5. Conforme mostrado, o anel de bloqueio 42a é ummembro substancialmente anular com sua superfície perfilada 44 que seestende dentro de sua extremidade superior. A transição 46a identifica onde omembro de cantiléver 43 depende da base 41. Nesta modalidade, o anel debloqueio 42a inclui fendas 48 formadas através do anel 42a ao longo de umaporção do comprimento do anel 42a. As fendas 48 são substancialmenteorientadas com o eixo geométrico Ar do anel de bloqueio 42a. Durante oacoplamento entre a montagem de vedação 21a e o suspensor derevestimento 14a, as fendas 48 permitem que o anel de bloqueio 42a reduzaseu diâmetro ao mesmo tempo da configuração de acoplamento.A Figura 4 representa o acoplamento entre a montagem devedação 21a e o suspensor de revestimento 14a. Nesta modalidade, o anelenergizante 36a tem sido movido para baixo restabelecendo a transição 37aabaixo da extremidade superior do membro de cantiléver 43. Isto alinha o ladointerno contornado do anel 36a adjacente ao lado externo do anel de bloqueio42a, curvando, assim, o membro de cantiléver 43 e a superfície perfilada 44para dentro contra a superfície perfilada 15 do suspensor 14a. As superfíciesperfiladas correspondentes 15, 44 acoplam a montagem de vedação 21a aosuspensor de revestimento 14a e evita o movimento do elemento de vedação22a em relação ao suspensor de revestimento 14a. Além disso, estão incluídosnesta modalidade os elementos elevados 27 que se estendem a partir dasuperfície externa do suspensor de revestimento 14a em contato com asuperfície interna 29 do membro.
As Figuras 6 e 7 representam uma montagem alternativa damodalidade da cabeça de poço 10 com uma montagem de vedação 21 que temcoberturas 31 sobre sua superfície que corresponde ao suspensor derevestimento 14. A superfície da montagem de vedação 21 que faz face aoalojamento de cabeça de poço 12 é mostrada perfilada para incluir o que sãochamados de vimes 33. A porção do alojamento de cabeça de poço 12 que fazface aos vimes 33 da montagem de vedação inclui vimes correspondentes 33.
O engate dos vimes 33 forma uma vedação entre a montagem de vedação 21e o alojamento de cabeça de poço 12.
Embora a invenção tenha sido mostrada somente em uma desuas formas, deve ser evidente para aqueles versados na técnica que esta nãoé, deste modo, limitada, mas sim suscetível a diversas mudanças sem que seafaste do escopo da invenção. Por exemplo, a vedação poderia ser configuradapara suportar a pressão somente em uma única direção, se desejado, tendosomente um único anel energizante. Cada anel energizante poderia ser flexívelem vez de sólido.