NO316532B1 - Ekspanderbar plugg som kan innsettes automatisk - Google Patents

Description

Oppfinnelsens Område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en ekspansjonsplugg for tetting av hull i et materiale, så som åpninger i en metallblokk eller støpejernsblokk

Bakgrunn for Oppfinnelsen

Innen metallarbeid er det iblant nødvendig å bore tilgangshull eller passa-sjer i en hydraulisk blokk for å muliggjøre intern maskinell bearbeidelse - eller for å tilveiebringe gjennomgangspassasje for interne væsker Man er vanligvis nødt til å lukke disse åpningene for å forhindre at fremmede stoffer går inn i denne delen og for å hindre senere væskelekkasje En av de vanligste metodene for lukking av slik tilgangspassasje har vært å presse en ekspansjonsplugg mn i passasjen, som f eks den som det er angitt i U S Patent 2 821,323 Disse ekspansjonspluggene består gjerne av to deler, en plugg og en stift Det er vanlig at tilgangshullet er forsenkerboret for å muliggjøre manuell innsetting av pluggen Stiften posisjoneres deretter over pluggen og føres mn med makt, hvilket får pluggen til å utvide seg radielt inn i veggen til tilgangshullet

I brønnlogging er trykk nede i bonngshullet det viktigste parameteret som en reservoanngeniør bruker når han skal avgjøre om det finnes ressurser som kan hentes opp Normalt logges et bonngshull (pressmålinger og væskeprøver) umid-delbart etter boring (åpent hull) for å lokalisere pnmære og sekundære lønnsom-me soner Men ved boring og/eller laging av bonngshull i fjellformasjonen kan rutinemessig et fonngsrør av stål bli brukt i en eller flere seksjoner av bonngshullet for å stabilisere og støtte formasjonen rundt bonngshullet Sement anvendes også på utsiden av foringsrøret for å holde det på plass og for å skaffe en viss grad av strukturell integritet og et lukke mellom formasjonen og foringsrøret

Spesielt i produksjonsfasen er det flere forhold der det er nødvendig og ønskelig å lage en eller flere perforeringer gjennom fonngsrøret og sementen for å hente frem ressurser fra formasjonen og foreta tester bak foringsrøret og gjennom sementen som eventuelt omgir det En foreslått teknikk er f eks å gjøre bruk av et verktøy som kan senkes ned på en vaier til en seksjon av bonngshullet som finnes i fonngsrør Verktøyet innbefatter en bonngsmekamsme som skal perforere foringsrøret samt teste- og prøveinnretninger som skal måle de hydrauliske para-metrene i omgivelsene bak foringsrøret og/eller ta prøver av væskene fra nevnte omgivelser

Basert på resultatene av disse testene tas en avgjørelse om hvorvidt man skal perforere brønnen for produksjon eller gi den opp og plugge igjen og lukke sonen Tradisjonelt er perforennger blitt plugget med enten sement gjennom bo-nngsrør eller ved hjelp av elastomere plugger Brønnbehandhng og plugging kan også utføres med kveilede produksjonsrør Uansett hvilken av disse metodene som brukes, er plugging vanskelig, kostbart og tidkrevende

Ekspansjonsplugger til bruk i lukkemekanismer som metallblokker og fonngsrør er kjent siden midten av 1950-årene US-patent nr 2 821 323 av Leigh-ton Lee II beskriver en tidlig plugg av denne typen Plugger av denne typen ble opprinnelig utformet for å lukke trykk på opptil 200 bar i hydrauliske systemer og for å tåle testtrykk på opptil 800 bar og utblåsningstrykk på opptil 1400 og 2000 bar Men i dag har trykk fra hydrauliske systemer økt betydelig, og hydrauliske komponenter lages av betydelig kraftigere og hardere matenaler slik at en er sik-ker på at de tåler høyere trykk

Forbedrede ekspansjonsplugger er blitt nødvendig når en bruker disse hardere materialene og ved lukking av kraftigere hydraulisk trykk En grunn til dette behovet er at høynet styrke og hardhet i komponentmatenalene skaper visse problemer Tidligere ble ekspansjonspluggen låst på plass så snart den var satt inn i matenalet ved at den laget lokaliserte deformasjoner i veggen til matenalets montenngsbor med pluggens periferiske felt og furer Men etter at det er kommet komponenter laget av betydelig sterkere matenaler og substansielt høyere hydraulisk trykk, har ikke plugger laget etter dagens standard i tilstrekkelig grad tatt tak i veggen til montenngsboringsn, delvis fordi pluggene ikke lenger forårsaker lokaliserte deformeringer i de hardere og sterkere matenalene

Et forsøk på å løse ovennevnte problem er beskrevet i US-patent nr 4 867 333 av Kolp, Jr et al Patentet besknver en høytrykksstiftplugg som er nyt-tig med slike materialer for å lukke hydraulisk trykk på opptil 500 bar eller mer

En annerledes metode for plugging av borede deformeringer er vist i US-patent nr 5 195 588 (Dave) Ved å bruke en ekspanderende stiftplugg viser Dave at man kan oppnå lignende resultater som de ovennevnte En ekspanderende stiftplugg virker på følgende måte en stålkopp settes inn i perforeringen i forings-røret Deretter presses en sylinderformet kile (kalt stift) inn i koppen, noe som radieit utvider kopper inn i overflaten på foringsrøret og låser den på plass

Daves patent gjør imidlertid ikke fullstendig bruk av detaljene ved en slik mekanismes virkemåte F eks kommersielt tilgjengelige ekspansjonsplugger er vanligvis utformet slik at de kan settes inn manuelt og fungerer ikke når de er ned-synket i væske, som er tilfellet når de er nede i bonngshullet

US-patent nr 4 091 841 angir en ekspansjonsplugg omfattende et radieit ekspanderende hylse samt et indre organ i hylsen Hylsen har en avsmalende passasje som strekker seg aksielt gjennom hylsen Det indre organet innbefatter en plugg, en installasjonstift og et avbrytbart parti som forbinder installasjonstiften med pluggen Det avbrytbare partiet er definert av et skjærområde som har som formål å bryte når tilstrekkelig kraft er brukt for å feste stiften i hylsen

Det finnes et behov for en forbedret stift som på en egnet måte kan plugge perforeringer i hardere materialer Foreliggende oppfinnelse skaffer til veie en plugg som på en egnet måte kan tette igjen perforeringer i hardere materialer Systemet i foreliggende oppfinnelse er enkelt og robust, og det kan anvendes i både pluggemekanismen til et vaierredskap i et borehull i forbindelse med tetting av perforeringer og i andre automatiserte pluggeanvendelser

Sammendrag av oppfinnelsen

Et mål for denne oppfinnelsen er å skaffe til veie en ekspansjonsplugg av en ny konstruksjon som muliggjør full innsetting uten manuell inngnpen

Det er et annet mål for denne oppfinnelsen å være i stand til å oppnå det første målet mens hele sammenstillingen er nedsenket i væske, hvilket er typisk når man forsøker å tette et perforert hull i et fonngsrør i oljeindustrien

Denne oppfinnelsen er en ny plugg som kan brukes til å tette igjen perforeringer i materialer Pluggen omfatter en avsmalende boring som delvis utvider seg gjennom pluggen fra den ene enden En stift som er i det vesentlige avsmalende på samme måte som plugglegemet, passer inn i legemet når innsettingen er gjen-nomført En skjæreflens eller -kant omgir stiften, slik at skjærekanten står imot en pluggflens/-kant når stiften er forhåndsinnsatt i plugglegemet Skjærekanten forhindrer ytterligere innsetting av stiften i forhold til pluggen under første innsetting av pluggen i perforenngen eller den borede passasjen Denne kanten bidrar til å sikre at den største kraften ikke inntreffer før sammenstillingen er skikkelig satt inn i hullet som skal tettes Kanten begrenser også den første kraften på stiften, hvilket gjør det mulig for pluggen å få maksimal anleggsflate mot hullet som skal tettes før stiften ytterligere føres inn i pluggen Etter full innsetting av pluggen i hullet, økes kraften på stiften, hvilket deformerer stiftens skjærekant og gir en fullstendig innsetting

Stiften festes til pluggen før innsetting ved hjelp av et tynt lag epoksy eller lim, eller - hvis det er ønskelig - et gummimateriale som gjør det mulig for stiften og plugglegemet å bli behandlet som en enhet Stiften er utformet slik at det ikke har oppstått noen betydelig radiell ekspansjon av pluggen når stiften er i denne stillingen Tidligere metoder satte stiften delvis inn i pluggen med tilstrekkelig kraft til å holde stiften i pluggen Stiften kan ha et mønster av hull eller furer langs den ytre diameteren som utvider stiftens totale lengde for å gjøre det mulig for eventuelle væsker som er kommet inn i pluggbonngen, å slippe unna Andre metoder som sørger for at væsker passerer kan også implementeres, som f eks en åpning i midten Diameterstørrelsen på disse åpningene er ikke viktig så lenge som åpningene er store nok til å hindre at de blir tettet av rusk og rask

Det må brukes kraft på den ytre flaten av sammenstillingen av stiften og pluggen for å sette sammenstillingen inn i hullet En stor skråkant på enden av pluggen muliggjør en justering ved innsettingen Som tidligere nevnt bidrar skjærekanten til at den første kraften brukes på innsettingen av pluggen i hullet Ideelt sett vil mer kraft på stiften, etter at innsetting er gjort helt ut, vn kanten fra stiften og sette stiften fullstendig inn i plugglegemet Kraften til innsetting av pluggen kan f eks oppnås ved bruk av relativt lette hånd redskaper eller hydraulisk aktiverte robotikkstempler ved en automatisert anvendelse

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1a viser et langsgående snitt av en stift før innsetting i en målbonng Figur 1 b og 1 c to langsgående snitt av to forskjellige utførelser av en stift ifølge foreliggende oppfinnelse etter innsetting i en målbonng Figur 2 viser langsgående snitt av en stift konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse etter fullstendig innsetting av plugglegemet, men før stiftens kant er blitt deformert Figur 3 viser et langsgående snitt av en stift konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse etter fullstendig innsetting Figur 4a er et langsgående endesnitt av en stift konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse og viser et koaksialt gjennomgangshull Figur 4b er et langsgående lengdesnitt av en stift konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse og viser et mønster av radielle gjennomgangshull

Detaljert beskrivelse av foretrukket utførelse

Under henvisning til Fig 1 består en lukkeplugg i samsvar med foretrukket utførelse i foreliggende oppfinnelse av en i det vesentlige frusto-konisk plugg 10 av et metallisk metanale som har en indre, blind og koaksial boring 11 Material-valget kan vanere, avhengig av hensynet til korrosjon Bonngen 11 i pluggen 10 har en konstant aksiell avsmaling som går inn i pluggen og ned til en indre vegg 21' En sene nngformete spor 12 er anbrakt rundt omkretsen av pluggen 10 som deformerer bonngshullet slik at pluggen ikke glir Pluggen har også en kant 13 ved den enden med størst diameter, den venstre siden av den avsmalende bonngen vist på Fig 1 Den frusto-koniske bonngen 11 strekker seg langs nesten hele pluggens 10 lengde, og har sin største diameter ved den ytre enden og en mindre diameter ved den indre enden 21' Hullet som skal tettes (f eks et fonngs-rør i et bonngshull) 28, har en boring 27 som er så vidt større enn pluggens 10 ytre diameter i området der de nngformete sporene 12 befinner seg Veggen 21' ved den indre enden av bonngen 11 kan være rett, avsmalende eller kurvet 21', som vist ved den stiplete linjen på figuren Den avsmalende veggen 21' reduserer trykket til pluggen på det stedet der bonngsavsmahngen 11 treffer endeveggen 21'

Fig 2 viser pluggen når stiften 26 blir satt inn i pluggen Legg merke til at pluggen allerede er posisjonert i boringen 27 Den sylinderformete stiften 26 kan være av samme matenale som pluggen eller hvilket som helst metallisk materiale som kan forhindre galvanisk korrosjon, og den er utstyrt med en avsmaling som er hovedsakelig hk med boringen 11 i pluggen 10 Det er laget et lite spor 24 der stiften har størst diameter Stiften er maskinelt bearbeidet med en skjærekant når stiften blir forhåndsinnsatt, som vist på Fig 1, der skjærekanten 22 står imot pluggkanten 13 Skjærekanten forhindrer innsetting av stiften i pluggen før pluggen er fullstendig satt inn i hullet 27 Denne kanten bidrar til å sikre at den største kraften på stiften ikke inntreffer før pluggen er skikkelig satt inn i hullet 27 Dette forutsetter at kraften som trengs for å få pluggen inn i målboringen, er mindre enn kraften som trengs for å vri eller deformere kanten Et spor 30 på stiftens 26 ytre overflate skaffer en måte å håndtere sammenstillingen av pluggen/stiften på, så som ved hjelp av et stempel 31 for å flytte det fra et punkt til et annet (ikke vist, unntatt kraften F som det skaper) før innsetting i pluggen 10 Et stempel 31 kan tilveiebringe den nødvendige kraften til å sette både pluggen inn i bonngen 27 og stiften 26 inn i pluggen 10 Stempelet 31 kan berøre stiften ved sporet 30 Et tynt lag epoksy eller hm eller eventuelt et gummimateriale 25 kan bidra til å feste stiften 26 til pluggen 10 som sammen med sporet 30 gjør det mulig for stiften og pluggen å bli håndtert som en enhet og uten menneskelig inngripen Stiften 26 er utformet slik at pluggen 10, når den er i denne stillingen, ikke i betydelig grad blir radieit ekspandert

Det faktum at det er en fordel å ha stiften 26 forhåndsinnsatt i plugglegemet, gjør det stort sett ønskelig å la den avsmalende vinkelen være noenlunde lik eller mindre enn det som trengs for at stiften 26 skal holde seg selv og ikke utløse seg selv, slik disse tennene brukes av the American National Standard Institute Av den grunn er den avsmalende vinkelen i bonngen 11 i det vesentlige mindre enn 5,208 cm per fnksjonsmeter brukt i stiften 26 og plugglegemet, hvilket er rele-vante vurderinger av karakteristikkene for å holde seg selv med hensyn til boringens 11 avsmalende vinkel Det forventes at variasjoner i det aksepterbare området av avsmalende vinkler kan inntreffe dersom plast- eller sammensatte materialer, eller materialer som ennå ikke er utviklet, blir brukt i fremstillingen av kompo-nentene i plugg 1 Likeledes kan spesifikke produksjonsmetoder påvirke overflate-beskaffenhet og derved forårsake at området av akseptable avsmalende vinkler kan vanere Valget av en spesifikk avsmalende vinkel på boringen 11 avhenger av en vurdenng av en rekke faktorer, deriblant den ønskede ekspansjons-mengden, avsmalingen som trengs til å forhåndsinnsette ekspansjonskomponen-ten 26 i bonngen 11 så vel som fnksjonskoeffisienten på de anvendte materialene Det er mulig å variere den aksielle fordelingen av den radielle ekspansive kraften ved bevisst å "dejustere" stiften 26 i bonngen 11, slik at boringens 11 avsmalende vinkel ikke er den samme Dersom stiftens 26 avsmalende vinkel er større enn boringens 11 avsmalende vinkel, vil den radielle ekspansive kraften mot pluggle-gemets indre ende 21 øke Det forventes at dersom bonngen 11 lages med en minimal eller ikke-eksisterende avsmaling, slik at den indre stiften 26 er vesentlig syldinderformet, vil forhåndsmnsettingen av stiften 26 i sokkelen 20 kreve at

plugglegemeåpningen endres slik at den har en utvidet innsidediameterfor å mot-ta og holde på stiften 26

Stiften bør også ha et hull 23, et hullmønster 27, som vist henholdsvis i fi-gurene 4a og 4b, eller aksielle spor langs den ytre diameteren som kan utvide stiftens lengde for å gjøre det mulig å drive ut eventuelle innesperrede væsker i pluggens 10 bonng 11 Diameteren eller størrelsen på disse åpningene er uvesentlig så lenge de er store nok til å motstå gjenplugging med støv og rester Det må være et stort spor 21 på stiftens 26 ledeside, slik at riktig innsetting kan utføres uten problemer I tillegg har stiften 26 en skråfas 24 på den største enden for å gjøre det å lette den maskinelle håndtenng av pluggen

For å sette inn sammenstillingen av stiften og pluggen i boringen 27, må det brukes en kraft F på stiftens 26 ytre flate, som vist i figur 2 Det store sporet 21 ved høyre ende av pluggen gjør det mulig å foreta en dejustenng ved innsettingen Kraften F kan f eks oppnås ved bruk av relativt lette håndverktøyer, eller, i en automatisert situasjon, hydraulisk aktiverte robotikkstempler (tidligere kalt stempelet 31)

Pluggen 10 blir skikkelig og fullstendig satt inn i hullet 27 når kanten 13 står imot flaten på målformasjonen 28, noe som er beskrevet i ovennevnte patent nr 3 451 583 og vist på figur 3 Ettersom kraften F økes, forhindrer kanten 13 ytterligere aksiell forflytning og bevegelse av pluggen 10 Skjærekanten 22 er utformet slik at den og epoksyet 25 deformeres bort fra stiften 26 ved en forhåndsbestemt kraft F, som er mye sterkere enn kraften som kreves for å sette pluggen 10 helt inn i hullet 27 For å lette fjerningen av skjærekanten 22 er kanten slisset slik at kanten deles i to eller tre biter og lett faller fra stiften etter skjæring

Stiften 26 har en forhåndsvalgt totallengde som gjør at når den er blitt drevet inn i pluggen med kraften F, etter at kanten 22 er blitt vridd eller deformert, så forsenkerbores dens venstre ende, som vist i Fig 3, inn i pluggen 10 til en dybde som er lik eller så vidt større enn pluggkantens 13 tykkelse Dette gjøres for å få til en sekundær prosess, hvis så er ønskelig, som går ut på at kanten 13 fjernes ved en deformenng Hvis dette gjøres, er ekspansjonspluggen 10 helt plan med bonngsmatenalet 28, men ikke strukturelt svekket Når stiften 26 settes inn, kan eventuelle væsker som er sperret inne i boringen 11, komme ut gjennom et hull 23 eller flere hull 27, som vist i Fig 4a og 4b, eller eventuelle aksielle furer i stiften 26 Stiften 26 har også en forhåndsvalgt endediameter, slik at når stiften er helt drevet inn i pluggen 10, som vist i Fig 3, vil en forhåndsbestemt ekspansjon av pluggens 10 ytre diameter, som det tidligere er redegjort for i Patent 2 821 323, inntreffe

Claims (10)

1 Ekspansjonsplugg for høyttrykkstetting av et hull 27 i et matenale, omfattende a) en plugg 10 med en frusto-konisk bonng som går mn fra en ytre ende av pluggen til en indre endevegg 21', der den frusto-komske bonngen er avsmalende med en større diameter ved den ytre enden, der den avsmalende boringen danner en sokkel 11, b) flere nngformete spor 12 anordnet med aksielle mellomrom utsiden av pluggen 10, c) en avsmalende stift 26 innrettet for at den kan dnves mn i sokkelen 11 for å utvide pluggen 10 til låsende inngrep med hullet 27, der den avsmalende stiften 26 har en avsmalende overflate som noenlunde tilsvarer sokkelens 11 avsmalende boring samt en diameter som er større enn sokkelens 11 diameter, slik at pluggen 10 på en hovedsakelig enhetlig måte kan utvides for derved a gnpe inn med og tette hullet 27, karakterisert vedd) en skjærekant 22 som omgir stiften 26 og som er posisjonert slik at den er i plan med pluggens 10 ytre ende ved en delvis innsetting av stiften 26, slik at man dermed oppnår en sekvensiell innsetting av stiften 26

2 Ekspansjonsplugg ifølge krav 1 karakterisert ved at den i tillegg omfatter et festemiddel 25 for å midler-tidig og delvis feste stiften 26 i pluggen 10, for derved å muliggjøre at pluggen 10 og stiften 26 danner en enhet før og under innsetting

3 Ekspansjonsplugg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at stiften 261 tillegg omfatter en innretning som gjør det mulig for væsker som er kommet mn i sokkelen 11

4 Ekspansjonsplugg ifølge krav 1, 2 og 3, karakterisert ved at stiften 26 har en furet ytre kant, slik at en mnset-tingsinnretnmg lettere kan holde tak i stiften 26 før den plasseres i hullet 27

5 Ekspansjonsplugg ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at de indre kantene på plugg 10 er furet slik at den av seg selv kan flytte på seg og innrette seg med hullet 27 dersom den ikke er innrettet med hullet 27, idet innsettingsinnretningen gjør bruk av kraften som er nød-vendig for full innsetting

6 Ekspansjonsplugg ifølge ethvert av de foregående krav, karakterisert ved at stiften 26 på sin ytre overflate har en fure 30 for å gjøre det lettere å delvis feste pluggen 10 før den endelige innsettingen av stiften 26 i sokkelen 11

7 Ekspansjonsplugg ifølge kravene 2-6, karakterisert ved at festemiddelet 25 omfatter et epoksymatenale som er anbrakt på stiftens 26 overflate der diameteren til stiften er minst

8 Ekspansjonsplugg ifølge kravene 2-6, karakterisert ved at festemiddelet 25 omfatter et gummtmateriale som er anbrakt på stiftens 26 overflate der diameteren til stiften er minst

9 Ekspansjonsplugg ifølge hvert av de foregående krav, karakterisert ved at stiften 26 settes inn i pluggen 10 slik at stiften 26 går inn i en fordypning i pluggen 10 som er større enn eller hk tykkelsen ved pluggens 10 kant og slik at pluggens 10 kant kan skjæres bort uten å ødelegge stiften

10 Ekspansjonsplugg ifølge hvert av foregående krav, karakterisert ved at den indre enden 21' til boringen eller sokkelen 11 har en avsmalende form eller konkav fonn for å minske spenningen i det indre av pluggen 10