DE1072935B - Regelventil zum selbsttätigen Füllen eines Futterrohrstranges mit Bohrlochflussig keit beim Herablassen in ein Tiefbohrloch - Google Patents

Description

Halliburton Oil Well Cementing Company, Duncan, OkIa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 10. Mai 1957

Forrest Carlton Pittman_r Duncan, OkIa. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Ein noch angewendetes, übliches Verfahren besteht
darin, das Futterrohr von Hand mit der Bohrflüssigkeit zu füllen, wenn es in das Loch abgesenkt wird.
Um die mit einer Füllung von Hand verbundenen io
Schwierigkeiten zu überwinden, sind verschiedene
sogenannte automatische Geräte entwickelt. Diese Geräte werden im allgemeinen am Boden einer Bohrfahrt
befestigt und sind abgeänderteAusführungsformen der
üblichen Schwimmschuhe oder Rohrmuffen. Derartige 15
Geräte sind in ihrem Aufbau und in ihrer Arbeitsweise kompliziert und arbeiten in vielen Fällen nicht
mit dem gewünschten Erfolg. Bei diesen Geräten ist
ein Ventil, das die Flüssigkeitsströmung vom Bohrloch in das Futterrohr regelt, und ein weiteres Ventil 20
verwendet, das eine Flüssigkeit an das Bohrloch abgibt, damit der Zement rings um das Futterrohr zu

liegen kommt. »

Ein hiervon abweichendes bekanntes Gerät, das von

dem üblichen Schwimmschuh getrennt ist, findet auch 25 kolben liegt mit oben abgerundetem gummiartigem. Anwendung; 'dieses erlaubt eine einwandfreie, zweck- Ansatz an dem Ventilsitz des Ventilkörpers an, mäßige und regulierte Füllung des Futterrohres. Diese welcher mit einer Ringfläche versehene Ventilkolben Füllung erfolgt durch Seitenöffnungen in dem Gerät bei Erreichen eines bestimmten, aus den Flüssigkeitsund nicht durch den Boden der Bohrfahrt. drücken innerhalb und außerhalb des Futterrohr-Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Verbesserung an 30 stranges resultierenden Differenzdruckes in die Offendem zuvor beschriebenen Gerät zum Füllen eines stellung verschoben wird. Futterrohres anzubringen. Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Hilfs- der Beschreibung der Figuren besser hervor, mittel zum Schließen des Gerätes zu schaffen, falls Fig. 1 zeigt schematisch im Aufriß ein Futterrohr

das Futterrohr in das Bohrloch schwimmend einge- 35 mit einem üblichen Schwimmschuh und das in das baut werden soll. Bohrloch zu senkende Gerät gemäß der Erfindung;

Έλώ. -weiteres Ziel der Erfindung ist es, jederzeit Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Gerät in

eine Strömung während des Absenkens des Futter- seiner Schließstellung;

rohres in das Bohrloch herzustellen, ohne daß die an- Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-A

schließenden Arbeiten des Gerätes beeinflußt werden 40 der Fig. 2;

und die Strömung durch die im Gerät vorhandenen Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch das Gerät in

öffnungen abreißt. der geöffneten Stellung, in der Flüssigkeit in das

Bei einem Regelventil zum selbsttätigen Füllen eines Futterrohr eintreten kann;

Futterrohrstranges mit Bohrlochflüssigkeit beim Her- Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch das Gerät,

ablassen in ein Tiefbohrloch steht gemäß der Erfin- 45 dessen Öffnungen ständig geschlossen sind, dung ein mit seitlichen Öffnungen versehenes Ventil- In Fig. 1 ist ein Strang des Futterrohres 10 zu

gehäuse mit dem Rohrstrang in Verbindung; ein sehen, das in ein Bohrloch 12 abgesenkt wird. Am un-Ventilkörper ist innerhalb des Gehäuses im Paßsitz teren Ende des Futterrohres 10 ist ein üblicher festgeklemmt und durch Abscheribolzen gesichert und Schwimmschuh angebracht. Oberhalb des Schwimmweist miteinander verbundene waagerechte und senk- 50 schuhes befindet sich in der gewünschten Lage der

rechte Flüssigkeitsdurchgänge auf; die waagerechten Flüssigkeitsdurchgänge stehen in der Grundstellung des Ventilkörpers mit den Öffnungen im Gehäuse in Verbindung; ein von unten federbelasteter Ventil-

Bohrfahrt das Füllgerät 16 gemäß der Erfindung.

Ein Gehäuse 18 des Gerätes 16 kann in geeigneter Weise an Punkten 20 und 22 zwischen zwei Anschlußstellen des Rohres 10 angesetzt sein. Je nach Wunsch

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kann das Gehäuse 18 an der Stelle 22 unmittelbar durch ein Kupplungsstück 23 mit dem Schwimmschuh und der Stelle 20 mit dem Futterrohr 10 verbunden sein.

Ein hohler Ventilkörper 38 aus einem später auszubohrenden Material, z. B. Aluminium, befindet sich im Gehäuse 18 in der oberen Hubstellung. Er enthält einen Hohlraum 42. Rund um die Außenfläche des unteren Teils des Ventilkörpers 38 bildet eine Hülse 26 mit Öffnungen 24 a eine Fassung. Im Ventilkörper 38 sind waagerechte Durchlaßkanäle 24 b für die Flüssigkeit vorgesehen. Wie man in Fig. 2 erkennen kann, halten Querstifte 28 die Hülse 26 und den Ventilkörper 38 vorübergehend am Gehäuse 18 fest und eine Verbindung der Öffnungen 24 und 24 a mit den Durchlaßkanälen 24 b aufrecht.

Die Hülse 26 hat eine Rille 30, in der ein Federring 32 eingesetzt ist. Der Federring 32 kann mit einer Vertiefung 34 im Gehäuse 18 in Eingriff kommen, wenn die Hülse 26 die in Fig. 5 dargestellte Lage ein- ao nimmt. Ein Durchsickern der Flüssigkeit zwischen dem Gehäuse 18 und der Hülse 26 wird von den Dichtungsringen 36 verhindert.

Die Hülse 26 befindet sich nach den Figuren im Paßsitz auf einer Eindrehung des Ventilkörpers 38 und besteht aus einem anderen Material. Natürlich kann die Hülse 26 auch aus einem Stück mit dem Ventilkörper 38 hergestellt sein. Ein senkrechter Durchgang 40 verbindet die Durchlaßkanäle 24 & für die Flüssigkeit mit den Hohlräumen 42. Ein Ventilkolben 44 befindet sich innerhalb eines Hohlzylinders 40^ der von Wänden 41 des Ventilkörpers 38 gebildet wird. An dem Punkt, an dem sich die waagerechten Durchlaßkanäle 24 & mit dem senkrechten Durchgang 40 kreuzen, ist im Innern des Ventilkörpers 38 ein Sitz 46 eingearbeitet. Der obere Teil 64 des Ventilkörpers 38 trägt einen eingesetzten Ring 66.

Der Ventilkolben 44 enthält verschiedene zusammenwirkende Bestandteile. Ein Stempel 48 aus einem später auszubohrenden Material weist einen gummiartigen Stöpsel 50 auf, der an seinem oberen Ende gepreßt ist. Ein abgerundeter Abschnitt 52 eines Ansatzes 53 des gummiartigen Stöpsels 50 besitzt einen kleineren Durchmesser als eine Basis 54, die eine Oberfläche zur Aufnahme eines Druckes bildet. An einer Grundfläche 49 des Stempels 48 befindet sich eine Schraubenfeder 56 mit einer hohlen Federführung 58. Die Feder 56 und ihre Führung 58 werden in der in den Figuren zu erkennenden Stellung von einem Haltering 60 festgehalten, der in einer Ausbohrung 62 des Ventilkörpers 38 im Paßsitz festgeklemmt ist. Ein Dichtungsring 68 verhindert das Durchsickern von Flüssigkeit zwischen dem Stempel 48 und dem Abschnitt des Ventilkörpers 38, der von dem Durchgang 40ß festgelegt ist.

Nun wird ein Beispiel für die Arbeitsweise und das Zusammenwirken der einzelnen Bestandteile der Erfindung gegeben.

Das Gerät 16 wird in die Bohrfahrt des Futterrohres 10 an einer beliebigen Stelle oberhalb des üblichen Schwimmschuhes 14 eingesetzt. Wenn eine Schwimmmuffe außer dem Schwimmschuh 14 noch verwendet wird, wird das Gerät oberhalb einer derartigen Muffe angebracht. Die ganze Anordnung wird dann in das Bohrloch 12 eingelassen, das die Bohrflüssigkeit enthält. Wenn diese Anordnung abgesenkt wird, werden zusätzliche Anschlußstücke des Futterrohres 10 hinzugefügt. Der Ventilkolben 44 des Gerätes 16 befindet sich dabei in der Stellung nach Fig. 2, da die Feder 56 eine Kraft auf den Stempel 48 ausübt, so daß der 7" Ansatz 52 des gummiartigen Stöpsels 50 fest mit dem Sitz 46 des Ventilkörpers 38 im Eingriff steht. Das Ventil im Schwimmschuh 14 bleibt in der Schließstellung, und das Innere des Futterrohres 10 bleibt so lange leer, bis das Gerät gemäß der Erfindung zu arbeiten beginnt.

Die Flüssigkeit im Bohrloch 12 tritt in die Öffnungen 24 ein, wenn die Anordnung abgesenkt wird, und übt einen Druck auf die Basis 54 des gummiartigen Stöpsels 50 aus; bei einer bestimmten Tiefe ist dieser Druck durch die Flüssigkeitssäule im Bohrloch 12 vorgegeben. Die Stärke der Feder 56 ist derart gewählt, daß sie einen vorgegebenen, von der Flüssigkeitssäule ausgeübten Druck überkompensiert. Beispielsweise hält die Feder 56 den Ventilkolben 44 noch bei einem Druck von 5,6 kg/cm² in der Schließstellung. Wenn der von der Flüssigkeitssäule auf die Basis des gummiartigen Stöpsels ausgeübte Druck etwa 5,6 kg/cm² beträgt, schiebt sich der Stempel 48 nach unten und beginnt die Feder 56 zusammenzudrücken. Der Ansatz 52 des gummiartigen Stöpsels 50 hebt sich vom Sitz 46 ab, so daß die Flüssigkeit rund um ihn herum durchtritt und in den senkrechten Durchgang 40 gelangt. In diesem Augenblick wirkt der Druck der Flüssigkeitssäule auf die gesamte Fläche des gummiartigen Stöpsels 50; infolge dieser Druckzunahme schnappt der Stempel 48 nach unten, so daß der Ventilkolben 44 die in Fig. 4 dargestellte geöffnete Stellung einnimmt.

Die Flüssigkeit tritt durch die Öffnungen 24, den Durchgang 40 und die Hohlräume 42 in das Futterrohr 10 ein. Innerhalb des Rohres 10 übt 'die Flüssigkeit ihren hydrostatischen Druck aus. Der hydrostatische Druck der Flüssigkeit außerhalb des Rohres 10 ist größer als der der Flüssigkeit innerhalb des Rohres. Eine derartige Differenz bezeichnet man allgemein als Differenzdruck. Je nach der Stärke der Feder 56 dringt die Flüssigkeit weiter in das Rohr 10 ein. Das System ist derart eingestellt, daß der Ventilkolben 44, bevor das Rohr 10 vollständig gefüllt ist und überläuft, die Durchlaßkanäle 24 b schließt und dabei den Eintritt zusätzlicher Flüssigkeit verhindert. Beispielsweise ist die Feder 56 so gebaut, daß sie etwa bei einem Differenzdruck von 4,2 kg/cm² den Stempel 48 nach oben zu drücken beginnt. Wenn sich der gummiartige Stöpsel 50 in Richtung auf seinen Sitz 46 zu verschiebt, ist eine kleinere Fläche des Ansatzes 52 dem Flüssigkeitsdruck des Bohrloches 12 ausgesetzt, so daß die Ventilvorrichtung in die Schließstellung schnappt und das System wieder die in Fig. 2 dargestellte Lage einnimmt. Wenn der Differenzdruck wieder etwa 5,6 kg/cm² erreicht, öffnet sich das System erneut, und Flüssigkeit tritt in das Rohr 10 ein. Wie man also erkennen kann, bietet die Anordnung und Konstruktion ein Hilfsmittel zur selbsttätigen Füllung eines Futterrohres 10, wenn sie in das Bohrloch bis auf eine gewünschte Tiefe abgesenkt wird. Es sei hervorgehoben, daß der Ventilkolben 44 normalerweise nur zwei Stellungen, also die völlig offene und die völlig geschlossene aufweist. Die Zwischenstellung ist infolge des von der Flüssigkeit und der Feder 56 ausgeübten Druckes kaum wahrnehmbar. Ein solcher Umstand ist von Vorteil, da dadurch eine Verstopfung der öffnungen 24 und 24 α und der Durchlaßkanäle 24 b verhindert wird.

Der nächste Arbeitsvorgang ist die Zementierung des Futterrohres 10 im Bohrloch 12 nach bekannten Verfahren. Nachdem der Zement verteilt ist, will man die öffnungen 24 dauerhaft abschließen. Wie es bei den Zementierverfahren bekannt ist, wird oben auf den

Zement ein fester Propfen (nicht gezeigt) aufgesetzt, um den Zement im Rohr 10 durch den Schwimmschuh 14 hindurch am Boden des Rohres 10 herauszuschieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung kommt ein 'derartiger Propfen auf dem Oberteil 5 64 des Ventilkörpers 38 zur Auflage. Eine Druckzunahme, die an der Oberfläche auf die Verschiebungsflüssigkeit wirkt, wind durch den Oberteil 64 auf den Ventilkörper 38 übertragen und schneidet die Stifte 2 zwischen dem Gehäuse 18 und der Hülse 26 durch. Die Hülse 26 und der Ventilkörper 38 schieben sich nach unten, bis der Federring 32 mit der Rille 34 im Gehäuse 18 in Eingriff kommt; dann werden die öffnungen 24a der Hülse 26 von den Öffnungen 24 des Gehäuses getrennt.

Der Zement setzt sich rund um die Außenfläche des Rohres 10 und innerhalb des Rohres 10 bis zur Oberkante 64 des Ventilkörpers 38 ab. Je nach Wunsch werden dann der Zement, der Ventilkörper 38 und die Ventilvorrichtung 44 ausgebohrt.

Die zuvorige Beschreibung der Arbeitsweise gemäß der Erfindung ist die normale, bei der keine Schwierigkeiten bei der Senkung des Gehäuses 10 in das Bohrloch 12 auftreten.

Durch die Erfindung können auch einige allgemeine Schwierigkeiten überwunden werden, die bei der Senkung des Futterrohres durch die Flüssigkeit im Bohrloch entstehen.

Es kann zufällig vorkommen, daß das Bohrloch 12 gespült werden muß, nachdem das Futterrohr 10 ein Stück im Bohrloch 12 abgesenkt ist, da ein Hemmnis im Bohrloch 12 vorhanden ist, so daß das Futterrohr nicht weitergesenkt werden kann. Unter dem »Spülen« versteht man das Pumpen der Bohrflüssigkeit durch das Futterrohr 10 aus dem Schwimmschuh 14 am Boden heraus und zur Erdoberfläche durch das Bohrloch 12 auf der Außenseite des Futterrohres 10 nach oben. Wenn sich der Ventilkolben 44 in der geöffneten Stellung nach Fig. 4 befindet, kann keine Spülung erfolgen, da die Flüssigkeit durch die Durch-Iaßkanäle24& und die Öffnungen 24α und 24 in das Bohrloch 12 auszutreten sucht.

Vor Beginn der Spülung werden die Durchlaßkanäle 24 b selbsttätig von der Ventilvorrichtung 44, wie bereits beschrieben, geschlossen, da der Differenzdruck nicht genügt, um die von der Feder 56 ausgeübte Kraft zu überwinden. Während der Spülung bleibt der Ventilkolben 44 in der Schließstellung nach Fig. 2. Die Spülflüssigkeit läuft durch das Futterrohr 10 infolge des an der Erdoberfläche ausgeübten Pumpendruckes hindurch. Die Flüssigkeit strömt um den Ventilkolben 44 und die rohrförmigen Durchlaßkanäle 24 & herum durch die Hohlräume 42. Im Durchgang 40 wirkt dieFlüssigkeit auf den Ansatz 53 des gummiartigen Stöpsels 50, der den Ventilkolben 44 nach unten zu drücken und dort vom Sitz abzuheben sucht. Der Flüssigkeitsdruck im Futterrohr 10 wirkt aber auch auf die Grundfläche 49 des Stempels 48. Diese Grundfläche 49 ist so geformt, daß ihre Querschnittsfläche größer als die des Ansatzes 53 des gummiartigen Stöpsels 50 ist. Daher ist der auf die Grundfläche 49 nach oben wirkende Druck größer als der auf den Ansatz 53 nach unten wirkende, so daß der von der Feder 56 unterstützte Ventilkolben 44 fest verschlossen bleibt. Sobald die Spülung abgeschlossen ist, arbeitet das Gerät 16 in der bereits geschilderten Weise.

Nachdem das Futterrohr 10 bis auf eine bestimmte Tiefe abgesenkt und, wie beschrieben, Flüssigkeit zugesetzt ist, wünscht man das Futterrohr 10 auf der restlichen Strecke im Bohrloch 12 schwimmend einzubauen. Unter schwimmendem Einbau versteht man, daß das leere oder teilweise mit Flüssigkeit gefüllte Futterrohr 10 in der Flüssigkeit im Bohrloch 12 Auftrieb hat und daher zu schwimmen sucht. In diesem Fall müssen die Öffnungen 24 im Gehäuse 18 ständig geschlossen bleiben. Dies geschieht in ähnlicher Weise, wie nach der Zementierung beschrieben ist. Anstatt eines aufliegenden Zementpfropfens wird eine Kugel (nicht gezeigt) durch das Futterrohr 10 fallengelassen, die auf dem Ring 66 im Ventilkörper 38 landet. Auf die Kugel wirkt ein derartiger Druck ein, daß die Stifte 28 durchschnitten werden, so daß sich die Hülse 26 und der Ventilkörper nach unten schieben und die öffnungen 24 verschließen, wie bereits beschrieben ist. Zur Durchführung der Zementierarbeiten muß die Kugel entfernt werden. Dies geschieht durch einen zusätzlichen Druck auf die Kugel, die den Ring 66 zerreißt, so daß sie in den Hohlraum 42 fallen kann, in dem sie nicht die Strömung durch den Boden des Futterrohres während der Zementierarbeiten behindert.

Aus der bisherigen Beschreibung der beigefügten Figuren erkennt man, daß durch die Erfindung ein neues automatisches Hilfsmittel geschaffen ist, mit dem ein Futterrohr beim Absenken in ein Bohrloch gefüllt wird, und daß ein derartiges Gerät eine Lösung beim Auftreten bestimmter allgemeiner Schwierigkeiten ermöglicht.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Regelventil zum selbsttätigen Füllen eines Futterrohrstranges mit Bohrlochflüssigkeit beim Herablassen in ein Tiefbohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit seitlichen Öffnungen (24) versehenes Ventilgehäuse (18) mit dem Rohrstrang • in Verbindung steht, daß ein Ventilkörper (38) innerhalb des Gehäuses im Paßsitz festgeklemmt und durch Abscherbolzen (28) gesichert ist und miteinander verbundene waagerechte und senkrechte Flüssigkeitädurchgänge (24 b, 40) aufweist, daß die waagerechten Flüssigkeitsdurchgänge (24 b) in der Grundstellung des Ventilkörpers mit den Öffnungen (24) im Gehäuse in Verbindung stehen und daß ein von unten federbelasteter Ventilkolben (44) mit oben abgerundetem gummiartigem Ansatz (50) an dem Ventilsitz (46) des Ventilkörpers (38) anliegt, welcher mit einer Ringfläche (54) versehene Ventilkolben bei Erreichen eines bestimmten, aus den Flüssigkeitsdrücken innerhalb und außerhalb des Futterrohrstranges resultierenden Differenzdruckes in die Offenstellung verschoben wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©309' 709/92 1.60