DE2714049A1

DE2714049A1 - Bohrlochsicherungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2714049A1
Application number: DE19772714049
Authority: DE
Inventors: Henry P Arendt
Original assignee: Otis Engineering Corp
Current assignee: Otis Engineering Corp
Priority date: 1976-04-05
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1977-10-13
Also published as: DE2714049C2; FR2347522B1; US4049052A; AU2338777A; GB1539153A; NL7703731A; CA1047397A; AU509011B2; FR2347522A1

Description

UEXKÜLL & STCLBEPG PATENTANWÄLTE

2 HAMBURG &2

BESELERSTRASSE Λ

DR. J.-D. FRHR. von UEXKÜLL

. _ DR. ULRICH GRAF STOLBERG

L I I H W *T & DIPL.-ING. JÜRGEN SUCHANTKE

Otis Engineering Corporation (Prio: 5. April 197 6

US 673 928 - 13864) P.O. Box 34380
Dallas, Texas/V.St.A. Hamburg, 29. März 1977

Bohrlochsicherungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Bohrlochsicherungsvorrichtung zur Steuerung der Strömung in dem zwischen einem inneren Rohr und einem dazu konzentrischen äußeren Rohr gebildeten Ringraum.

Derartige Sicherungsvorrichtungen dienen zur Steuerung der Bohrlochflüssigkeitsströmung in Bohrlöchern, in denen hohe Drücke von beispielsweise 1400 atm, stark korrodierende Fluide, beispielsweise H₂S oder C0_, und/oder hohe Temperaturen vorliegen, die alle für weiche Dichtungen schädlich sind. Aus den US-Patentschriften 3 035 642, 3 313 350 und 3 252 476 ist es bereits bekannt, den Fluidstrom innerhalb eines Bohrlochs durch ein Rohrsicherheitsventil und ein Ringraum-Sicherheitsventil zu steuern. Ringraumsicherheitsventile zur Steuerung der Strömung im Ringraum zwischen konzentrischen Bohrlochrohren sind aus den US-Patentschriften 3 045 7 55, 3 156 300 sowie 3 299 955 bekannt.

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Ein Teil der bekannten Sicherheitsventile sind im Handel erhältlich und auf den Seiten 4115 bis 4117 des "Composite Catalogue of Oil Field Equipment & Services", Ausgabe 1974-1975, dargestellt.

Die bekannten Ventile sind jedoch für den Einsatz in Bohrlöchern ungeeignet, in denen hohe Temperaturen, stark korrodierende Fluide und/oder hohe Drücke auftreten.

Bei den Ventilen gemäß US-PS 3 035 642, 3 252 476 und 3 156 300 sowie gemäß "Composite Catalogue" wird der Ventilkörper in Abhängigkeit vom Druck in einer Druckkammer bewegt. Die weichen Dichtungen der Druckkammer sind der Bohrlochumgebung auch nach dem Absperren der Ringraumströmung durch den Ventilkörper ausgesetzt. Die stark korrodierende und/oder heiße Bohrlochumgebung kann diese weichen Dichtungen beschädigen, und unter hohem Druck stehende Bohrlochfluide können durch die Druckkammer abblasen.

Alle bekannten Ringraum-Sicherheitsventile besitzen einen buchsenförmigen Ventilkörper mit weichen Dichtungen zur Absperrung des Ringraums. Die weichen Dichtungen können dabei zerstört werden und lecken. Eine Metall-auf-Metall-Dichtung ist mit einem buchsenförmigen Ventilkörper wirtschaftlich nicht herstellbar, da die aufgrund von TemperaturSchwankungen auftretenden Expansionen

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und Kontraktionen nicht ausgleichbar sind, und da sich Sand um den rohrförmigen Ventilkörper ansammelt und eine gute Metallauf-Metall-Dichtung verhindert. Außerdem wird die Neigung zum Lecken bei einem buchsenförmigen Ventil um so größer, je höher der vom Ventil getragene Fluiddruck ist.

Mit Ausnahme des Ringraum-Sicherheitsventils gemäß US-PS 3 035 642 verschließen die bekannten Ringraumventile den Ringraum mit Hilfe eines Ventilkörpers an anderer Stelle als am stromaufwärts liegenden Ende des Ventils. Ferner besteht das Ventilgehäuse aus mehreren Teilen, so daß Leckmöglichkeiten durch das Ventilgehäuse bestehen. Obgleich der Ventilkörper den Ringraum absperrt/ können die bekannten Ventile aufgrund von Leckströmungspfaden durch das Gehäuse unwirksam werden.

Mit Ausnahme des Ringraum-Sicherheitsventils gemäß US-PS 3 035 weisen alle bekannten Ringraumventile einen komplizierten Strömungsweg auf, so daß hohe Strömungsgeschwindigkeiten durch die in den Strömungspfad ragenden Ventilteile und/oder durch Bohrgestängeteile behindert werden.

Bei dem Ventil gemäß US-PS 3 035 642 erfolgt die Dichtung zwischen einem buchsenförmigen Ventilkörper und einer weichen Dichtung durch das Aufliegen von Metall auf einem elastischen Stoff. Bei stark korrodierender Umgebung entsteht eine Beschädi-

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gung der weichen Dichtung, so daß kein zufriedenstellender Verschluß erzielbar ist.

Die Nachteile der bekannten Ringraumsicherheitsventile lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Die Ventilteile einschließlich der Betätigungselemente für die Ventilkörper sind selbst bei geschlossenem Ventil und damit abgesperrtem Ringraum dem Bohrlochfluid ausgesetzt. Die Dichtung erfolgt an mehr als einer Stelle und es sind daher zusätzliche Bereiche abzudichten, obgleich der Ventilkörper bei geschlossenem Ventil im Strömungspfad liegt. Je größer der Bohrlochdruck ist, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion des Ventils aufgrund von Leckage über den rohrförmigen Ventilkörper. Ferner werden die weichen Dichtungen in aggressiver Umgebung zerstört und/oder unwirksam. Außerdem führen die verwickelten Strömungswege durch die bekannten Ventilkörper zu einer Strömungsbegrenzung entweder durch den Ventilkörper oder durch das Bohrgestänge.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Bohrlochsicherungsvorrichtung zu schaffen, die selbst bei höchsten Drücken und/oder Temperaturen sowie in aggressiver Umgebung das Bohrloch wirksam verschließt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art in Form eines Ringraum-Sicherheitsventils, welches

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gekennzeichnet ist durch einen mit dem inneren Rohr verbindbaren Dorn, durch eine den Dorn umgebende und zur Absperrung des äußeren Rohres geeignete Dichtung, durch mindestens einen die Dichtung umgehenden und durch den Dorn führenden Kanal, durch einen am unteren Ende des Kanals vorgesehenen, am Dorn angeordneten Ventilsitz, durch einen auf dem Dorn axial verschiebbaren Ventilkörper, der zwischen einer auf dem Ventilsitz aufliegenden und dabei den Kanal verschließenden sowie einer vom Ventilsitz abgehobenen, den Kanal freigebenden Stellung bewegbar, ist, durch eine den Ventilkörper gegen den Ventilsitz drückende Feder und durch eine drucksteuerbare Kammer mit einem Kolben zur Abhebung des Ventilkörpers vom Ventilsitz, wobei die Kammer zum Schutz vor im Ringraum vorhandenen Bohrlochfluiden bei auf dem Ventilsitz aufliegendem Ventilkörper stromabwärts vom Ventilsitz liegt.

Dadurch wird erreicht, daß die zur Steuerung des Ventilkörpers dienende Kammer mit ihren Dichtungen bei geschlossenem Ringraumsicherheitsventil stromaufwärts vom Ventilsitz liegt und damit gegenüber den Bohrlochfluiden oder Bohrlochdrücken isoliert ist.

Außerdem ist der zum öffnen des Ringraumsicherheitsventils dienende Kolben bei geschlossenem Ringraum-Sicherheitsventil vor starken Druckunterschieden geschützt.

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß lediglich eine einzige Dichtstelle zwischen Ventilgehäuse und den Ventilkörperteilen vorhanden ist.

Ferner ist die Absperrwirkung des geschlossenen Ringraum-Sicherheitsventils gemäß Erfindung um so größer, je höher der Druck im darunter liegenden Bohrlochbereich ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß eine im wesentlichen geradlinige Strömung durch das erfindungsgemäße Ringraum-Sicherheitsventil erfolgt und eine Strömungsbegrenzung durch Ventilteile vermieden ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Ringraum-Sicherheitsventil von der Erdoberfläche aus steuerbar ist und daß die Dichtungen der zur Steuerung dienenden Kammer außerhalb des Strömungspfades durch das Ventil liegen, so daß die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion der Kammerdichtung aufgrund von Beschädigung oder Zerstörung äußerst gering ist.

Sofern die erfindungsgemäße Bohrlochsicherungsvorrichtung zusätzlich ein Rohrsicherheitsventil für die Steuerung der Strömung im Innenraum des inneren Rohres aufweist, sind sowohl das Ringraum-Sicherheitsventil als auch das Rohrsicherheitsventil mittels einer einzigen Steuerungsleitung von der Erdoberfläche aus steuerbar.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bohrlochs mit dem Sicherheitsventil gemäß Erfindung;

Fig. 2A und 2B einen Schnitt durch das erfindungsgemäße Sicherheitsventil in geöffneter Stellung, wobei sich die Zeichnung gemäß Fig. 2A in Fig. 2B fortsetzt;

Fig. 3 einen Schnitt durch das Sicherheitsventil gemäß Fig. 2B in geschlossener Stellung;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 aus Fig. 2B; Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 aus Fig. 2B.

Fig. 1 zeigt in ein Bohrloch 10 eingesetzte Gehäuserohre 12 und 14, in denen ein weiteres Bohrgestängerohr 16 verläuft, das entweder ein Förderrohr oder ein Proberohr ist.

Die Steuerung der Bohrflüssigkeiten im Inneren des Bohrgestängerohrs oder des inneren Rohrs 16 sowie in dem zwischen dem inneren Rohr 16 und dem Gehäuserohr 14 gebildeten Ringraum 18 ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert. Bei einer Zweizonenförde-

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rung fließt beispielsweise die aus einer ersten Zone stammende Förderflüssigkeit im Inneren des inneren Rohrs 16, während die aus einer zweiten Zone stammende Förderflüssigkeit im Ringraum 18 strömt. Andererseits kann die Förderflüssigkeit im Inneren des inneren Rohrs 16 strömen, während gleichzeitig zur Förderung Gas in den Ringraum hinuntergedrückt oder während Verzögerungseinrichtungen im Ringraum 18 nach unten geschickt werden.

Zur Steuerung der Bohrflüssigkeit im Ringraum 18 dient ein Ringraum-Sicherheitsventil 20. Ein derartiges Ringraum-Sicherheitsventil 20 muß aufgrund der Umgebungsbedingungen verschiedener Bohrlöcher bestimmte Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise muß es in der Lage sein, Drücke in der Größenordnung von 1400 atm auszuhalten. Ferner muß das geschlossene Sicherheitsventil 20 auch bei hohen Temperaturen und unter Anwesenheit von stark korrodierenden Flüssigkeiten dichtend absperren. Bei geöffnetem Sicherheitsventil 20 soll ein verhältnismäßig gerader, strömungsgünstiger Strömungsweg ohne hineinragende Ventil- und Rohrteile gegeben sein. Die Steuerung des Sicherheitsventils 20 erfolgt vorzugsweise von der Erdoberfläche; sie sollte so ausgelegt sein, daß kein zufälliges oder unbeabsichtigtes öffnen des Ventils erfolgt. Fig. 1 zeigt eine von der Erdoberfläche zum Sicherheitsventil 20 führende Steuerleitung 22, durch die hydraulische SteuerflUssigkeit zum öffnen des Ringraum-Sicherheitsventils 20 in eine unter Druck stehende Kammer gepumpt werden kann. 709841/0844

Zur Steuerung der Bohrflüssigkeitsströmung im Innenraum des inneren Rohrs 16 dient ein Rohrsicherheitsventil, das von durch die Steuerleitung 22 geförderter Druckflüssigkeit gesteuert wird. Die Steuerleitung des Rohrsicherheitsventils kann eine getrennte Leitung sein. Zur einfacheren Steuerung der im Bohrloch angeordneten Sicherungseinrichtung werden sowohl das Ringraumsicherheitsventil 20 als auch das Rohrsicherheitsventil mit Hilfe von Druckflüssigkeit gesteuert, die durch die Steuerungsleitung 22 zugeführt wird.

Das Ringraum-Sicherheitsventil weist einen einen Teil des inneren Rohrs 16 bildenden Dorn 24, einen den Dorn 24 durchsetzenden Kanal 26, einen Ventilkörper 28 zur Steuerung der Strömung durch den Kanal 26 sowie Betätigungseinrichtungen für den Ventilkörper 28 auf.

Der Dorn 24 ist an das innere Rohr 16 anschließbar. Er ist rohrförmig und hat eine Durchgangsbohrung 30, durch die Bohrflüssigkeit strömen kann.

Zur Dichtung des zwischen dem rohrförmigen Dorn 24 und dem Gehäuserohr 14 gebildeten Ringraum 18 dient eine den Dorn 24 umgebende Dichtung 32. Die Dichtung 32 kann eine beliebige Form haben und ist in ihrer Dichtungsstellung zum Abschließen der Innenwand 34 des Gehäuserohres 14 geeignet.

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Den Dorn 24 durchsetzt ein die Dichtung 32 umgehender Kanal

Für einen im wesentlichen geraden ringförmigen Strömungsweg durch den Dorn 24 weist dieser vorzugsweise einen äußeren Flasch 36 auf. Die Dichtung 32 umgibt den Umfang des äußeren Flansches 36, während der die Dichtung 32 umgehende Kanal 26 axial durch den Flansch 36 verläuft.

Zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts durch den Flansch 36 dienen vorzugsweise mehrere den Flansch 3 6 axial durchsetzende Kanäle 26 gemäß Fig. 4 und 5.

Ein derartiger Dorn 24 mit dem von Kanälen 26 durchsetzten Flansch 36 bildet ein einstückigee Gehäuse für das Ringraum-Sicherheitsventil. Zusätzlich zu der vom Ventil selbst erhaltenen Dichtung ist somit lediglich eine einzige Hauptdichtung, nämlich die Dichtung 32 vorhanden.

Ein auf dem Dorn 24 gebildeter Ventilsitz 38 steht mit den Kanälen 26 in Verbindung. Vorzugsweise liegt der Ventilsitz am stromaufwärts liegenden Ende der Kanäle 26, so daß bei auf dem Ventilsitz 38 aufliegendem Ventilkörper 28 die einen Betätigungskolben und eine Druckkammer sowie deren jeweilige Dichtungen umfassende Betätigungseinrichtung vor dem darunter liegenden Teil des Bohrlochs geschützt und von dem stromauf-

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wärtigen Bohrlochdruck getrennt ist. Für mehrere den Flansch 36 durchsetzende Kanäle 26 ist der Ventilsitz 38 ein ringförmiger Ventilsitz an der Unterseite 36a des Flansches 36.

Der Ventilkörper 28 steuert die Strömung der Bohrflüssigkeit durch die Kanäle 26. Der Ventilkörper 28 ist zwischen einer den Ventilsitz 38 mit seinem Ventilkegel 40 verschließenden Stellung zur Absperrung der Strömung durch die Kanäle und einer vom Ventilsitz 38 abgehobenen Stellung zur Freigabe der Strömung durch die Kanäle 26 auf dem Dorn 24 axial verschiebbar.

Vorzugsweise erfolgt beim Aufliegen des Ventilkörpers 40 auf dem Ventilsitz 38 eine Metall-auf-Metall-Dichtung. Demnach ist der Ventilsitz 38 ein Auflagesitz, während der Ventilkegel 40 ein metallischer Auflagekegel ist.

Sofern der Ventilsitz 38 ein ringförmiger Ventilsitz ist, ist der Ventilkörper 28 ein den Dorn 24 umgebender ringförmiger Ventilkörper.

Für einen Fail-Safe-Betrieb des normalerweise geschlossenen Ringraum-Sicherheitsventils dient eine Feder 42 zur Vorspannung des Ventilskörpers 28 gegen den Ventilsitz 38. Vorzugsweise ist die Feder 4 2 eine Spiralfeder, die den Ventilkörper 28

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gegen den Ventilsitz 38 drückt. Eine Spiralfeder wird durch die ungünstigen Umgebungsbedingungen in dem darunter liegenden Bohrloch verhältnismäßig wenig beeinflußt. Die in den Figuren gezeigte Feder 42 liegt zwischen einer Schulter 44 des Ventilkörpers 28 und einem den Dorn 24 umgebenden Kragen 46.

Der Ventilkörper 28 ist zur Freigabe der Kanäle 26 und damit zur !Anströmung der Dichtung 32 vom Ventilsitz 38 abhebbar. Hierzu dient eine Kammer 48 mit einem Kolben 50, der beim Auftreten von Druck in der Kammer 48 den Ventilkörper 28 verschiebt.

Die Kammer 48 ist bei auf dem Ventilsitz 38 aufliegendem Ventilkörper 28 gegenüber dem unter dem Ventilsitz liegenden Bereich des Bohrlochs isoliert, der einen hohen Druck, hochkorrodierende Bohrflüssigkeit sowie hohe Temperaturen aufweisen kann. Zum Schutz der Kammer bei geschlossenem Ringraum-Sicherheitsventil liegt diese stromabwärts vom Ventilsitz 38; d.h. die Kammer 48 liegt auf der dem Ventilkörper 28 gegenüberliegenden Seite des Ventilsitzes 38.

Als Kammer 48 dient gemäß Fig. 4 und 5 ein Teil von zumindest einem der stromabwärts vom Ventilsitz 38 liegenden Kanäle 26 gemäß Fig. 2 und 3, wobei der Kolben 50 in der Kammer 48 angeordnet ist. Der Kolben 50 weist ein Kolbenkopfstück 50a mit einer umgebenden Kolbendichtung 52 auf, die an der Wand der

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Kammer 48 dichtend anliegt. Das Kolbenkopfstück 50a ist in Abhängigkeit vom Druck in der Kammer 48 in axialer Richtung in der Kammer 48 verschiebbar.

Zum Verschieben des Ventilkörpers 28 bei unter Druck stehender Kammer 4 8 dient eine das Kolbenkopfstück 50a tragende und am Ventilkörper 28 befestigte Kolbenstange 53.

Bei ausreichendem Druck in der Kammer 48 verschiebt der Kolben 50 den Ventilkörper 28 in die in Fig. 2 gezeigte, vom Ventilsitz 38 abgehobene Stellung. Beim Entlüften der Kammer 48 drückt die Feder 42 hingegen den Ventilkörper 28 gegen den Ventilsitz 38 gemäß Fig. 3.

Zum Aufbau von Druck in der Kammer 48 ist die zur Erdoberfläche führende Steuerleitung 22 an eine Einlaßöffnung 54 der Kammer 48 angeschlossen. Durch die Steuerleitung 22 wird hydraulische Steuerflüssigkeit zur Steuerung des Ringraum-Sicherheitsventils in die Kammer 48 gepumpt.

Zur Verhinderung einer Drehung des ringförmigen Ventilkörpers 28 um den Dorn 24 sind am Dorn 24 axiale Schlitze 55 vorgesehen, in denen am Ventilkörper 28 befestigte Stifte 56 sitzen.

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Zur steuerung der Flüssigkeitsströmung im Innenraum 3O des ringförmigen Dorns 24 dient ein Rohrsicherheitsventil. Das Rohrsicherheitsventil ist vorzugsweise ein bekanntes Rohrsicherheitsventil, in schädlicher Umgebung sollte es jedoch zum wirksamen Verschluß des Innenraums 30 eine Metall-auf-Metall-Dichtung aufweisen und die Kolbenkammer bei geschlossenem Rohrsicherheitsventil vor der Einwirkung der im darunter liegenden Teil des Bohrlochs vorhandenen Flüssigkeit oder dem Druck schützen.

Das in den Figuren dargestellte Rohrsicherheitsventil ist ein mit einem Drahtseil rückholbares Rohrsicherheitsventil, obgleich auch andere Ventilarten verwendbar sind.

Das Rohrsicherheitsventil umfaßt einen Rohrventilkörper 60 zur Steuerung des durch den Innenraum 30 fließenden Flüssigkeitsstroms sowie eine Betätigungseinrichtung für den Rohrventilkörper,

Der Rohrventilkörper 60 ist zwischen einer den Innenraum 30 gemäß Fig. 2B freigebenden und einer den Innenraum 3O verschließenden Stellung gemäß Fig. 3 bewegbar.

Eine Betätigungseinrichtung 62 bewegt den Rohrventilkörper 60 und ist selbst zwischen einer ersten den Innenraum 3O gemäß Fig. 2B durch den Rohrventilkörper 60 freigebenden Stellung

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und einer zweiten, den Innenraum 30 durch den Rohrventilkörper 60 verschließenden Stellung gemäß Fig. 3 verschiebbar.

Zur Verschiebung der Betätigungseinrichtung 62 dient eine Feder 64, die die Betätigungseinrichtung 62 in deren erwähnte zweite Stellung drückt, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Verschiebung der Betätigungseinrichtung 62 in deren erste Stellung.

Die Steuerungseinrichtung umfaßt eine Kolbenkammer 66 mit einem Rohrventilkolben 68, welche die Betätigungseinrichtung 62 bei ausreichendem Druck in der Kolbenkammer 66 in deren erste Stellung bewegt.

Zur Erzeugung des Drucks wird hydraulische Steuerflüssigkeit in die Kolbenkammer 66 gepumpt.

Zur Vereinfachung der unter der Erdoberfläche liegenden Sicherheitseinrichtung führt nur eine einzige Steuerungsleitung 22 von der Erdoberfläche sowohl zur Kammer 48 als auch zur Kolbenkammer 66. Die Kolbenkammer 66 und die Kammer 48 sind durch einen Strömungspfad 70 miteinander verbunden. Zu dem Strömungspfad 70 gehört ein mit der Kolbenkammer 66 in Verbindung stehender erster Einlaß 70a im Rohrsicherheitsventilgehäuse, ein mit der Kammer 48 in Verbindung stehender zweiter Einlaß 70b im Dorn 24 sowie eine mit dem ersten und zweiten Einlaß 70a

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und 70b in Verbindung stehende Ringnut 70c im Dorn 24. Obgleich die an die Steuerleitung 22 angeschlossene Einlaßöffnung 54
mit der Kammer 48 in Verbindung steht, kann die Einlaßöffnung 54 auch an die Kammer 48, die Kolbenkammer 66 oder den Strömungspfad 70 angeschlossen sein.

Das wieder erlangbare Rohrsicherheitsventil ist in einer Ausnehmung des Dorn 24 verriegelbar. Zur Verriegelung im Dorn 24 gegenüber einer Aufwärtsbewegung sind verschiedene Vorrichtungen geeignet. Wegen der zu erwartenden hohen Formationsdrücke, die in dem inneren Rohr nach oben gegen das Rohrsicherheitsventil wirken, muß die lösbare Verriegelungseinrichtung einer beträchtlichen Druckdifferenz standhalten können.

Die in Fig. 2A gezeigte lösbare Verriegelungseinrichtung 72
sperrt beim Eindringen in eine entsprechende Ausnehmung 74.
Die lösbare Verriegelungseinrichtung 72 ist durch ein geeignetes, nicht dargestelltes Fanggerät entriegelbar und das Rohrsicherheitsventil dadurch vom Dorn 24 abziehbar.

Im Betrieb umfaßt die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung ein unterirdisches Ringraum-Sicherheitsventil und ist für die Strömungssteuerung sowohl im Rohrinneren als auch im Ringraum zwischen den konzentrischen Rohren mit einem unterirdischen
Rohrsicherheitsventil versehen. Das innere Rohr 16 ist mit einem

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rohrförmigen Dorn 24 sowie mit anderen Elementen des Ringraum-Sicherheitsventils versehen. Im Innenraum des inneren Rohrs 16 ist ein Rohrsicherheitsventil montierbar.

Zum öffnen der Ventile und für die Zulassung einer Flüssigkeitsströmung wird die Steuerleitung 22 unter Druck gesetzt. Die hydraulische Steuerflüssigkeit in der Steuerleitung 22 erzeugt einen Druck in der Kammer 48 des Ringraum-Sicherheitsventils sowie in der Kolbenkammer 66 des Rohrsicherheitsventils. Der Kolben 50 hebt den Ventilkörper 28 vom Ventilsitz 38 ab und gibt die Kanäle 26 frei, so daß der Flüssigkeitsstrom im Ringraum 18 die Dichtung 32 umströmt. Auf ähnliche Weise bewegt der Rohrkolben 68 die Betätigungseinrichtung 62 in deren erste Stellung, wobei der Rohrventilkörper 60 den Innenraum 30 des inneren Rohrs 16 für die Flüssigkeitsströmung freigibt.

Soll die Flüssigkeitsströmung im Bohrloch unterbrochen werden, dann wird die Steuerleitung 22 entlüftet. Die Feder 42 drückt dann den Ventilkörper 28 gegen den Steuerflüssigkeitsdruck in der Steuerleitung 22 unter Unterstützung durch den Bohrlochdruck auf den Ventilsitz 38 und verschließt den Ringraum. In ähnlicher Weise drückt die Feder 64 des Rohrsicherheitsventils die Betätigungseinrichtung. 62 gegen den nach unten auf den Rohrkolben 68 wirkenden Steuerflüssigkeitsdruck. Dadurch wird die Betätigungs-

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einrichtung 62 in ihre zweite Stellung bewegt und der Rohrventilkörper 60 verschließt den Innenraum 30 des inneren Rohrs 16.

Die Federkräfte der Federn 42 und 64 des Ringraumsicherheitsventils und des Rohrsicherheitsventils sind gegebenenfalls unterschiedlich wählbar, so daß die beiden Ventile entweder nahezu gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeitpunkten schließen.

Bei geschlossenem Ringraum-Sicherheitsventil hebt dessen Ventilkörper 28 bei einer geringen unbeabsichtigten Druckerhöhung in der Steuerleitung 22 über den im Bohrloch unter dem Sicherheitsventil herrschenden Druck nicht vom Ventilsitz 38 ab, da die Kolbenfläche des Kolbenkopfstücks 50a verhältnismäßig klein gegenüber der vom Ventilkörper 28 abgedichteten Fläche ist. Es muß daher ein wesentlich über dem Bohrloch liegender Druck zum Abheben des Ventilkörpers 28 vom Ventilsitz 38 aufgewendet werden. Ein derartig hoher Druck in der Steuerleitung 22 ist nur absichtlich erzeugbar. Geringe Druckerhöhungen in der Steuerleitung 22, die unbeabsichtigt auftreten können, öffnen das Ringraum-Sicherheitsventil nicht.

In ähnlicher Weise öffnet das geschlossene Rohrsicherheitsventil bei üblichen Drücken in der Steuerleitung 22 nicht, da die Fläche des Rohrkolbens 68 verhältnismäßig klein gegenüber der vom Rohrventilkörper 60 abgedichteten Fläche ist. Der Unter-

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schied in der Größe der Kolbenflächen bewirkt, daß ein entsprechend hoch über dem Bohrlochdruck liegender Druck zur Bewegung des Rohrventilkörpers 60 in die Rohrkammer 66 übertragen werden müßte. Es ist unwahrscheinlich, daß ein derart hoher Druck zufällig auftreten würde.

Man erkennt aus der vorstehenden Beschreibung, daß das unterirdische Sicherheitsventil die Strömung durch konzentrische Bohrlochrohre steuert und ein Ringraum-Sicherheitsventil sowie gegebenenfalls ein Rohrsicherheitsventil aufweist.

Das Ringraum-Sicherheitsventil dichtet durch das Aufliegen von Metall auf Metall des Ventilkörpers und des Ventilsitzes. Ein Metall-auf-Metall-Sitz ist eine geeignete Dichtung für Bohrlöcher, in denen hoher Druck, hohe Temperatur und starke Korrosion herrschen.

Ferner ist bei geschlossenem Ringraum-Sicherheitsventil die Absperrwirkung um so wirksamer, je höher der Druck im darunter liegenden Bohrloch ist.

Das Ringraum-Sicherheitsventil besitzt ein einstückiges, aus einem Element gebildetes Gehäuse. Bei geschlossenem Ventil ist daher stromaufwärts im Ringraum vorhandene Flüssigkeit durch eine Hauptdichtung und durch den verschlossenen Ventilsitz

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eingeschlossen. Andere Leckmöglichkeiten existieren nicht.

Die Ventilsitzdichtung ist am stromaufwärts liegenden Ende des Strömungspfades durch das Ringraum-Sicherheitsventil vorgesehen, so daß die zerstörbaren und druckempfindlichen Teile des Ringraum-Sicherheitsventils bei auf dem Ventilsitz aufliegendem Ventilkörper gegen die Bohrlochflüssigkeit geschützt sind. Insbesondere sind die Kammer und die Steuerleitung gegen die Bohrlochflüssigkeit und gegen eine hohe Druckdifferenz geschützt.

Der Ringraum-Strömungspfad durch das Ringraum-Sicherheitsventil verläuft geradlinig und vermeidet eine Strömungseinschränkung·

Das Rohrsicherheitsventil ist zusammen mit dem Ringraum-Sicherheitsventil verwendbar und weist ebenfalls eine Metall-auf- Metall-Dichtung auf; dabei ist die Kolbenkammer bei geschlossenem Rohrsicherheitsventil verschlossen.

Die Steuerung für die Hydraulikflüssigkeit ist dadurch vereinfacht, daß lediglich eine einzige Steuerleitung vorgesehen ist, durch die Steuerflüssigkeit zum Ringraum-Sicherheitsventil und zum Rohrsicherheitsventil gepumpt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Bohrlochsicherungsvorrichtung zur Steuerung der Strömung In dem zwischen einem Inneren Rohr und einem dazu konzentrischen äußeren Rohr gebildeten Ringraum, gekennzeichnet durch einen mit dem inneren Rohr (16) verbindbaren Dorn (24), durch eine den Dorn (24) umgebende und zur Absperrung des äußeren Rohres (14) geeignete Dichtung (32) , durch mindestens einen die Dichtung (32) umgebenden und durch den Dorn (24) führenden Kanal (26), durch einen am unteren Ende des Kanals (26) vorgesehenen, am Dorn (24) angeordneten Ventilsitz (38), durch einen auf dem Dorn (24) axial verschiebbaren Ventilkörper (28) , der zwischen einer auf dem Ventilsitz (38) aufliegenden und dabei den Kanal (26) verschließenden sowie einer vom Ventilsitz (38) abgehobenen, den Kanal (26) freigebenden Stellung bewegbar ist, durch eine den Ventilkörper (28) gegen den Ventilsitz (38) drückende Feder (42) und durch eine drucksteuerbare Kammer (48) mit einem Kolben (50) zur Abhebung des Ventilkörpers (28) vom Ventilsitz (38) , wobei die Kammer (48) zum Schutz gegen im Ringraum (18) vorhandene Bohrlochfluide bei auf dem Ventilsitz (38) aufliegendem Ventilkörper (28) stromabwärts vom Ventilsitz (38) liegt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen einen Teil des Dorns (24) bildenden Flansch (36) , der von der Dichtung (32) umgeben ist, und den die über den Umfang verteilten Kanäle (26) in Längsrichtung durchsetzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (38) und der Ventilkörper (28) kreisringförmig sind, wobei der Ventilkörper (28) den Dorn (24) umgibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (48) den Flansch (36) in Längsrichtung kanalartig durchsetzt und einen axial in der Kammer (48) verschiebbaren Kolben (50) aufweist, und daß der Kolben (50) über eine Kolbenstange (53) an dem Ventilkörper (28) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (48) eine Einlaßöffnung (54) aufweist, die über eine Steuerleitung (22) mit der Erdoberfläche in Verbindung steht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (24) axiale Schlitze (55)

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aufweist, in die am Ventilkörper (28) befestigte Stifte (56) eingreifen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem zusätzlichen Rohrsicherheitsventil zur Steuerung der Strömung im Innenraum des inneren Rohres, gekennzeichnet durch einen zwischen einer den Innenraum (30) des Dorns (24) verschließenden und freigebenden Stellung bewegbaren Rohrventilkörper (60), durch ein Betätigungselement (62) zur Verstellung des Rohrventilkörpers (60) für die Freigabe des Innenraums (30), durch eine das Betätigungselement (62) in eine den Rohrventilkörper (60) in Absperrstellung drückende Feder (64), durch eine Rohrkammer (66) mit einem Rohrkolben (68), der auf dem Betätigungselement (62) sitzt und der zur Freigabe des Innenraums (30) durch den Rohrventilkörper (60) beim Vorliegen eines Steuerdrucks in der Rohrkammer (66) dient, durch einen Verbindungskanal (70) von der Rohrkammer (66) zur Kammer (48), und durch einen zumindest mit einer Kammer (48), mit der Kolbenkammer (66) und dem Verbindungskanal (70) verbundenen Einlaß (70a), der an die Steuerungsleitung (22) anschließbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (38) und der Ventilkegel

(40) des Ventilkörpers (28) kreisringförmige Auflageflächen haben.

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ah:kö