Sealing ring for well-heads

Abstract: 1. A sealing ring (9) for pipelines in oil and gas drilling, more particularly for sealing off hydraulic lines (10) at those points where there is leakage through the walls of the pipes (5), or the pipe heads (8) etc. so as to seal against liquids and gases in the bore, characterised in that one or more essentially wedge-shaped metal rings (13, 14), which act as seals and comprise a material which is soft relative to the walls which are to be sealed, such as soft iron, copper, aluminium, bronze etc. or a material which is hard relative to the walls, such as steel etc., are so arranged that they are on one or both sides of the leakage point (11) during assembly and project at their wedge tip (15) into a clearance (16) which is formed between the walls of the pipe (5) or head (8) etc. to be sealed and the inner walls of the sealing ring (9) and that one or more adjustable pressure rings (17, 18) are associated in the sealing ring with the metal ring(s) (13, 14), and the pressure ring(s) (17, 18) can press the metal ring(s) (13, 14) into the clearance (16).

Description: Abdichtring für Rohr stränge von Erdöl- und Erdgasbobrungen I Die Erfindung betrifft eine Abdichtung, insbesondere innerhalb eines Abdichtflansches für Rohrstränge von Erdöl- oder Erdgasbohrungen. Es ist bei Erdöl- oder Erdgasbohrungen bekannt, innerhalb des Bohrlochs ein oder mehrere Aussenrohre (Casing) vorzusehen und die eigentlichen Förderleitungen (Tubing) innerhalb der Aussenrohre anzuordnen. Dabei werden die Förderleitungen am oberen Abschlussflansch (Casing Head) des Aussenrohres oder weiteren Aufsätzen der Abschlussanordnung (Wellhead) mittels eines Hängers aufgehängt und befestigt. Der Aufbau dieser Abschlussanordnung und seiner Hänger ist so getroffen, dass auch bei grossen Drücken keine Verbindungen zwischen den Innenräumen der einzelnen Rohre gegeben ist. Es ist auch bekannt, im Förderrohr Absperrorgane (Safety Valve) zur Absperrung des Fördergutes bei Schadensfällen oder zur sonstigen Steuerung einzufügen. Zur Steuerung dieser Absperrorgane ist es ferner bekannt, im Bohrturm oder entsprechenden Stellen Hydraulikanlagen vorzusehen und mit Hydraulikleitungen mit den innerhalb der Rohre angeordneten Absperrorganen zu verbinden (US-PS 37 39 846). Diese Hydraulikleitungen werden meist im Bereich der Hänger, Hängernippel oder Förderrohre durch die Wandungen geführt. Eine solche Hydraulikleitung hat z.B. die Aufgabe, das im Ruhezustand gesperrt gehaltene Absperrorgan durch Zuführung hohen Druckes für den Betriebsfall zu öffnen und bei unzulässigen Betriebszuständen in der fördernden Produktionssonde oder den nachgeschalteten Anlagen durch z.B. Druck-, Temperatur- und Niveaufühler den Hydraulikdruck abzulassen und dadurch das im Förderrohr eingebaute untertägige Sicherheitsventil zu schliessen. In Schadensfällen, bei denen die hydraulische Anlage oder die Hydraulikleitung zerstört würde, schliesst das untertägige Sicherheitsventil ebenfalls. Es hat sich gezeigt, dass bei Bohranlagen mit solchem Aufbau den Abdichtungen der Rohre gegeneinander und der Hydraulikleitungen eine besondere Bedeutung zukommt. Einerseits muss nämlich verhindert werden, dass sich der relativ hohe Druck der inneren Rohre auf die vergleichsweise niedrigeren Drücke der äusseren Rohre überträgt, weil dann dort der Druck für das äussere Rohr zu hoch würde und zu Zerstörungen führen könnte. Andererseits reichen bereits geringe Undichtigkeiten an den Durchführungen der Hydraulikleitungen aus, den Druck in diesem Hydrauliksystem soweit herabzusetzen, dass das Absperrorgan in sperrendem Sinne betätigt wird. Als bisher günstigste Abdichtung hat sich an Hängern, Hängernippeln und Rohren eine Gummi-Dichtung (Plastic Energized Packing) erwiesen. Diese Art der Dichtung hat sich für die Abdichtung an gewölbten rohrähnlichen Teilen praktisch auf dem Markt durchgesetzt. Bei solchen Dichtungen wird nach Fertigstellung der Montage von aussen in ein entsprechendes Nutensystem eine Plastikmasse eingepresst und damit die Gummidichtung aktiviert. Die Güte der Dichtungen kann dabei durch Prüfbohrungen zwischen den Abdichtungen kontrolliert werden. Bei unzureichender Dichtung kann dann die Plastikmasse nachgepresst werden. Selbst die besten bisher bekannten Dichtungen haben im praktischen Betrieb zu Ausfällen der Anlagen aufgrund von Undichtigkeiten geführt. Das bedeutet in den meisten Fällen Produktionsausfall durch Schliessung des Absperrorgans oder eine Gefährdung der äusseren Rohre. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Abdichtung zu schaffen, die selbst grössten Drücken auch über längere Zeit standzuhalten hat. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale bei einem Abdichtring nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben. Durch die Erfindung wird darüber hinaus er reicht,dass die Dichtung auch über längere Zeiten Temperaturund Druckschwankungen und/oder chemischen Einflüssen widersteht. Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in Fig. 1 die Prinzipdarstellung der Erfindung im Rahmen einer schematischen Darstellung einer Gesamtanlage Fig. 2 einen Bohrlochkopf mit Hängenippel und Steuerleitung Fig. 3 eine Detaildarstellung der Abdichtung gemäss der Erfindung Fig. 4 die Abwandlung eines Einzelteils der Fig. 3 Fig. 5 eine Abwandlung der in Fig. 2 dargestellten Abdich tung Fig. 6 weitere Abwandlung der in Fig. 2 dargestellten Ab dichtung. In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Gesamtanlage mit einer Erdbohrung 1 mit zwei äusseren Rohrtouren (casing) 2,2a gezeigt, die gegenüber der Wandung der Erdbolzung 1 durch Zement oder dgl. so abgedichtet sind, dass die Innen- räume der beiden Rohrtouren 2,2a im unterirdischen Bereich keine Verbindung miteinander haben. Oberhalb der Erdoberfläche ist mit der äusseren Rohrtour über einen Bodenflansch 3 ein Bohrlochkopf B verbunden. Der Bodenflansch ist am äusseren Rohr 2 befestigt und trägt zugleich das innere Rohr 2a der beiden äusseren Rohre 2,2a.durch Keile 4. Ein Förderrohr 5 ist in einer Förderrohrabhängevorrichtung 6 mittels eines in Schultern 7 abgehängten Hängers bzw. Hängernippels 8 befestigt. Oberhalb der Vorrichtung 6 ist ein ringförmiger Abdichtflansch 9 vorgesehen, durch den eine innerhalb des Rohrsystems verlaufende Hydraulikleitung 10 zugleich nach aussen geführt und abgedichtet wird. Die Leitung 10 ist ausserhalb des Flansches 9 mit einer Hydrat likanlage H verbunden. Vom Abdichtflansch 9 aus verläuft die Leitung 10 zunächst innerhalb der Wandung des Hängers 8. Von einem unteren Austritt aus dem Hänger an verläuft die Leitung 10 neben der Aussenwandung des Förderrohres 5 nach unten bis zur Position eines innerhalb des Förderrohres 5 angeordneten Sicherheitsventils V, mit dem sie durch die Wandung des Förderrohres 5 hindurch verbunden ist. In Fig. 2 ist schematisch ein Bohrlochkopf dargestellt. Auf der äusseren Rohrtour (Casing) 2 in der Erdbohrung 1 ist der Bodenflansch 3 montiert, in welchem eine weitere Rohx- tour (Casing) 2a in den Keilen 4 abgehängt und abgedichtet ist. In der Förderrohr-Abhängevorrichtung ( (Tubing Head) hängt auf speziellen Schultern 7,Konen oder dgl. der Hänger nippel 8, in den das eigentliche Förderrohr (Tubing) 5 eingeschraubt ist. Statt eines Rohres können auch mehrere Fgrder- rohre eingebaut sein, wobei jedes Rohr ein untertägiges Sicherheits-Absperrventil haben kann. Der Abdichtflansch 9 hat die Aufgabe, einen Druckübertritt aus dem Förderrohr 5 in die äusseren Rohrtouren 2 zu verhindern und den flydrau- likdruck aus der Hydraulikleitung 10 isoliert aus der Radialbohrung iOa des Hängernippels nach aussen zu führen. Hier ergeben sich durch die nicht ebenen Oberflächen Schwierigkeiten. Fig. 3 zeigt den Flansch 9 in detaillierterer Darstellung. Ein Hängernippel 8 bzw. ein Rohr 5 weist in seiner Wandung oder gesondert in seinem Inneren die Hydraulikleitung 10 auf. An der Stelle der Durchführung durch die Rohrwandung ende' diese Leitung entweder ganz oder - wie dargestellt als Abzweigung - in einer Nut 11, die aussen um das Rohr umlaufend ausgebildet ist. In dem der Nut 11 benachbarten sL Bereich ist das Rohr 5 bzw. der Hänger 8 glatt bzw. absatzund rXutfrei ausgebildet. Um diesen Bereich der Nut 11 und der Tenachbarten glatten Oberfläche ist der Abdichtflansch 9 heumgelegt. Die Hydraulikleitung 10 ist durch diesen Abdichtflansch hindurch mittels einer oder mehreren Kanäle nach aussen geführt. An der Innenseite des Abdichtflansches ist ein Raum 12 gebildet, in dem zwei zur Dichtung dienende Metallringe 13,14 aus einem relativ zum Rohr 5 bzw. Hänger 8 weichen Material wie Weicheisen, Kupfer, Bronze, Aluminium, Blei oder dgl. angeordnet sind. Diese Metallringe 13,14 sind keilförmig ausgebildet und innerhalb der Kammer 12 so angeordnet, dass ihre Keilspitzen 15 in einen Spalt 16 zwischen Wandung des Flansches 9 und Rohr 5 gepresst werden und diesen Spalt vollständig verschliessen und abdichten. Dabei sind die Spitzen von der Nut weggerichtet, weil diese Anordnung sich als günstig erwiesen hat, weil auch die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit einen Druck in gleicher Richtung ausübt und daher im Betrieb die Dichtung noch verbessert. Zwischen den Metallringen 13,14 sind zwei Druckringe 17,18 so angeordnet, dass sie mit ihren Druckflächen hinter entsprechenden Flächen der Metallringe 13, 14 eingreifen und diese Metallringe 13,14 parallel zur Oberfläche des Rohres 5 in Richtung zum Spalt 16 verschieben können. Zur Verschiebung der Druckringe 17,18 und damit der Metallringe 13,14 dient eine im Flansch 9 gelagerte, von der Aussenseite des Flansches 9 her zugängliche Schraube 19 mit einem kegel- oder kegelstumpfförmigen Arbeitskopf 20. Scharuben dieser Form werden als Tie-Down- oder Niederhalter Schrauben bezeichnet. Im vorliegenden Anwendungsfall sind sie aus einem solchen Material gefertigt und mit einem solchen Kopf versehen, dass sie mit ihren den Kegel flächen 21 über entsprechende Flächen 22 der Druckringe 17,18 diese verschieben können. Der Raum 12 zwischen Rohr 5 und Flansch 9 ist als Kammer ausgebildet, die einerseits durch die einander gegenüberliegenden Flächen der Innenwandung des Flansches 9 und der Aussenwandung des Rohres 5 und andererseits durch einen ringförmigen Wandvorsprung 23 des Flansches 9 sowie einem Schraubring 24 gebildet wird. Der Schraubring 24 wird in den Flansch 9 eingeschraubt, wenn die Metallringe 13,14 und die Druckringe 17,18 eingesetzt sind. Bei Verwendung eines Schraubringes 24 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, statt einer besonderen Schulter- oder Gewindeabdichtung zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten zwei keilförmigen Metallringen noch einen weiteren Metallring 25 zwischen dem Schraubring 24 und der Wandung des Flansches 9 anzuordnen, wobei die Keilspitzen 26 in einen an dieser Stelle vorgesehenen Spalt 27 eindringt. Der Schraubring 24 ist zur Erzielung einer guten Verschiebe bzw. Dichtwirkung mit zwei Spaltflächen 28,29 versehen1 die in ihrer Neigung der Neigung der abgeschrägten Flächen der Metallringe entsprechen. Als Neigungswinkel für die Keil- flächen relativ zur Rohrwandung haben sich Winkel zwischen 0 und 25 , vorzugsweise um 130, bewährt. Als Neigungswinkel für die Flächen 21,22 von Schraube 19 bzw. Druckring 17,18 relativ zur Achse der Schraube 19 hat sich ein Winkel zwischen 300 und 500, insbesondere etwa 450, als günstig erwiesen. Für den hier beschriebenen Anwendungsfall der Abdichtung der Durchführung der Hydraulikleitung 10 von einem Hänger nippel 8 durch einen Abdichtflansch 9 nach aussen wurden gute Ergebnisse mit folgenden Materialien erzielt; Druckringe 17,18 Stahl ST 42 Schraube 19 Stahl ST 52 Schraubring 24 Stahl ST 42 Metallringe 13,14,25 AISI 316 Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Anordnung der Metallringe 14,25 in Fig. 2. Diese beiden Metallringe 14,25 sind gemäss Fig. 4 zu einem einzigen Metallring 28 mit einem U-förmigen Querschnitt in Richtung auf den Schraubring 24 zusammengefasst. Der U-förmige Querschnitt weist zwei äussere parallele Flächen (parallel zur Achse bzw. zur Wandung des Rohres 5) und zwei zur Keilbildung abgeschrägte innere Flächen auf. Die äusseren und die inneren Flächen zusammen sind an die Form des Schraubringes 24 so angepasst, dass eine Verschiebung der beiden Metallringteile relativ zum Schraubring möglich ist. In Fig. 5 ist eine Abwandlung des Abdichtflansches gemäss Fig. 2 dargestellt, bei der die Verstellung der Metallringe zwar auch möglich ist, bei der aber diese Verstellung durch Schrauben 29 geschieht, die parallel zur Rohrachse liegen. Die Wirkung ist mit der gemäss Fig. 2 vergleichbar, doch wird wegen der Möglichkeit der Verstellung von aussen her die Anordnung nach Fig. 3 bevorzugt. Bei der Anordnung nach Fig. 5 sind Metallringe und Druckringe zusarmengefÅasst dargestellt. Das ist möglich, weil die Kraft der Verstellung nicht über die Flächen, sondern allein durch die Schraube 29 übertragen wird. In Fig. 6 ist eine Abwandlung dargestellt, bei der eine einseitige Rohrabdichtung nur durch einen Metallring 14 geschieht. In diesem Fall ist ein Abschluss der Kammer 12 durch einen Schraubring an sich nicht erforderlich. Zur besseren Führung ist jedoch ein Schraubring 30 vorgesehen, der jedoch nicht besonders abzudichten ist. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Anwendung der Abdichtung von Leitungsdurchführungen an Hängernippeln beschränkt. Sie ist überall dort anwendbar, wo Abdichtungen an Flächen bewirkt werden müssen, die zylindrisch verlaufen, also keine Sprünge oder Absätze haben. Aus Vereinfachungsgründen wurde bei der vorstehenden Beschreibung jeweils nur eine Schraube 19 mit auf Druckringe (17,18) einwirkendem Kopf erläutert. In der Praxis werden mehrere Schrauben 19 über den Umfang des Abdichtrings verteilt angeordnet.

Claims: Patentansprüche 1. Abdichtring für Rohrstränge von Erdöl- und Erdgasbohrun gen, insbesondere zur Abdichtung der Durchtrittsstellen von Hydraulikleitungen durch die Wandung von Rohren, Hängen oder dgl. gegen Bohrlochflüssigkeiten und Gase, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Ab dichtringes (9) ein oder mehrere im wesentlichen keil förmige, zur Abdichtung dienende Metallringe (13,14) aus einem relativ zur abzudichtenden Wandung weichem Material wie Weicheisen, Kupfer, Aluminium, Bronze oder dgl. so angeordnet sind, dass sie bei der Montage zu einer oder beiden Seiten der Durchtrittsstelle (11) liegen und mit der Keilspitze (15) in einen zwischen der Wandung des abzudichtenden Rohres, Hängers oder dgl. und der Innen wandung des Abdichtringes (9) gebildeten Spalt (16) ragen, und dass im Abdichtring (9) den Metallringen (13,14) ver stellbare Druckringe (17,18) zugeordnet sind, durch die die Metallringe (13,14) in den Spalt (16) drückbar sind. 2. Abdichtring für Rohrstränge von Erdöl- und Erdgasbohrun gen, insbesondere zur Abdichtung der Durchtrittsstellen von Hydraulikleitungen durch die Wandung von Rohren, Hängern oder dgl. gegen Bohrlochflüssigkeiten und Gase, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite des Abdicht ringes (9) ein oder mehrere im wesentlichen keilförmige, zur Abdichtung dienende Metallringe (13,14) aus einem relativ zur Wandung hartem Material wie Stahl oder dgl. so angeordnet sind, dass sie bei der Montage zu einer oder beiden Seiten der Durchtrittsstelle (oil) liegen und mit der Keilspitze (15) in einen zwischen der Wandung des abzudichtenden Rohres, Hängers oder dgl. und der Innenwandung des Abdichtringes (9) gebildeten Spalt (16) ragen, und dass im Abdichtring (9) den Metallringen (13,14) verstellbare Druckringe (17,18) zugeordnet sind, durch die die Metallringe (13,14) in den Spalt (16) drückbar sind. 3. Abdichtring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abdichtring (9) eine Schraube (19) mit einem kegel oder kegelstumpfförmigen, auf die Druckringe (17,18) einwirkenden Kopf (20) drehbar angeordnet ist, und dass die zusammenwirkenden Flächen (21,22) von Kopf (20) und Druckringen (17,18) so bemessen sind, dass bei Drehung der Schraube (19) die Druckringe (17,18) in Richtung auf die Metallringe bewegt werden. 4, Abdichtring nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet1 dass der Abdichtring (9) im Bereich seiner Innenwandung eine Kammer (23) für die Aufnahme der Metall ringe (13,14) und Druckringe (17,18) aufweist, in die der Kopf (20) der Schraube (19) hineinragt, dass die Kammer (23) an einer Seite durch die Innenwandung des Abdichtringes (9) und an der anderen Seite durch die abzu dichtende Rohrwandung begrenzt ist und an einer Stirnseite durch einen Wandungsvorsprung (24) des Abdichtringes (9) und an der anderen Stirnseite durch einen Schraubring (25) verschlossen ist, wobei zwischen dem Wandungsvor sprung bzw. dem Schraubring (25) und dem abzudichtenden Rohr der Spalt (16) gebildet ist. 5. Abdichtring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schraubring (25) und der Wandung des Abdicht ringes (9) ein Spalt (26) für die Aufnahme eines zusätz lichen Metallringes (27) mit keilförmiger Spitze (28) vorgesehen ist. 6. Abdichtring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden dem Schraubring (25) zugeordneten Metallringe (13,273 zu einem Metallring (29) mit in Richtung auf den Schraubring (25) U-förmigen Querschnitt zusammengefasst sind. 7. Abdichtring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseiten der Schenkel des Metallringes (29) im wesentlichen parallel verlaufen und die Innenseiten dieser Schenkel zur Bildung der Keilform abgeschrägt sind. 8. Abdichtring nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch ge kennzeichnet, dass die am Hänger oder Rohr abzudichtende Stelle in einem zylindrichen oder konischen Bereich ohne Absatz, Schulter oder dgl. ausgeführt ist. 9. Abdichtring nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch ge kennzeichnet, dass Metallringe und Druckringe aus einem Stück bestehen. 10. Abdichtring nach einem der Ansprüche 2 - 8, dadurch ge kennzeichnet, dass die Metallringe (13,14) im Bereich ihrer Spitze mit einem ringförmigen Vorsprung in Richtung auf die Wandung des abzudichtenden Rohres versehen sind, der bei der Montage in die Wandung eindringt. 11. Abdichtring nach einem der Ansprüche 3 - 10, dadurch ge kennzeichnet, dass über den Umfang des Ringes (9) eine Vielzahl von Schrauben (19) mit auf den oder die Druckringe (17,18) einwirkendem Kopf verteilt angeordnet sind.

Inventors: TIEMER, PEER, ING. GRAD
Applicants: CAMERON IRON WORKS GMBH
Application year: 1979
Main classification: E21B33
IPC codes: E21B33