DE2844851C2

DE2844851C2 -

Info

Publication number: DE2844851C2
Application number: DE19782844851
Authority: DE
Inventors: Roy R. Houston Tex. Us Vann
Original assignee: GEO VANN Inc HOUSTON TEX US
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1978-10-14
Publication date: 1988-03-31
Also published as: US4151880A; DE2844851A1; GB2006856A; CA1090699A

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckausgleichsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Druckausgleichsvorrichtung mit diesen Merkmalen beschreibt die US-PS 31 51 681. Dort sind aber keine Maßnahmen vorgesehen, um in der Wand des Gehäuses eine Öffnung auszubilden, deren Medien durchfluß gesteuert werden kann. Eine solche Öffnung mit steuer barem Querschnitt ist aber häufig erwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druck ausgleichsvorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen vorzuschlagen, die sich durch wenigstens eine in der Wand des Gehäuses ausgebildete Öffnung mit steuerbarem Querschnitt auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekenn zeichnet, daß ein den Durchfluß durch mindestens eine die Wandung des Gehäuses durchgreifende Öffnung steuerndes erstes Element und ein den Druckausgleich über mindestens eine weitere die Wandung des Gehäuses durchgreifende Öffnung steuerndes zweites Element innerhalb des Gehäuses längsaxial beweglich ange ordnet ist, das erste Element eine Fläche aufweist, die in Schließrichtung des Elements von dem außerhalb des Gehäuses herrschenden Druck beaufschlagt ist, und das zweite Element eine Schulter für den Eingriff mit einem Drahtzugwerkzeug und eine Schulter für den Eingriff mit dem ersten Element aufweist, wobei das zweite Element in einer ersten mittels des Drahtzug werkzeugs bewirkbaren Bewegung bis zum Anschlag gegen das erste Element die Druckausgleichsöffnung freigibt und in der weiteren Bewegung das erste Element aus der Verschlußstellung in eine die Durchflußöffnung freigebende Endstellung gegen einen Anschlag des Gehäuses führt.

Bevorzugt wird es, wenn das erste und das zweite bewegliche Element ringförmig ausgebildet ist, das erste bewegliche Element einen Bereich mit großem Außendurchmesser und einen Bereich mit kleinem Außendurchmesser aufweist, das Gehäuse zur Aufnahme des ersten beweglichen Elements ebenfalls Bereiche mit entsprechend großem und kleinem Innendurchmesser aufweist, und das bewegliche Element so ausgebildet ist, daß der Bereich mit großem Außendurchmesser in Schließstellung des Elements unterhalb der Durchflußöffnung zu liegen kommt, so daß der außerhalb des Gehäuses herrschende Druck das bewegliche Element über die Durchflußöffnung in Schließrichtung beaufschlagt.

Weiterhin wird es bevorzugt, wenn das erste bewegliche Element als ringförmiger Kolben und das zweite bewegliche Element als ringförmiges Ventilelement ausgebildet ist, das Gehäuse oberhalb der Durchflußöffnung eine Buchse aufweist, die innerhalb des Gehäuses einen Ringraum für den ringförmigen Kolben mit einem die Öffnungsbewegung des Kolbens begrenzenden gehäuse seitigen Anschlag bildet, und das ringförmige Ventilelement am unteren Ende im Innendurchmesser reduziert eine Schulter für den Eingriff mit einem Drahtzugwerkzeug und eine Anlage fläche gegen die gehäuseseitige Schulter in der Schließ stellung des Ventilelements aufweist, und das obere Ende des Ventilelements als Schulter für den Eingriff mit dem ringförmigen Kolben im Verlauf der Öffnungsbewegung ausgebildet ist.

Schließlich wird es bevorzugt, wenn in der Wandung des Gehäuses eine Einrastvorrichtung in Form eines durch eine Blattfeder beaufschlagten Rastbolzens angeordnet ist, mittels der nach der durch das zweite bewegliche Element bewirkten Öffnungsbewegung das erste bewegliche Element in der Offenstellung eingerastet in einer nutförmigen um den Umfang desselben führenden Ausnehmung gehalten wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teils schematische, teils bildliche Darstellung einer Druckausgleichsvorrichtung nach der vorlie genden Erfindung in einer Arbeitsstellung am Grund eines Bohrloches,

Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf die in Fig. 1 ge offenbarte Druckausgleichsvorrichtung,

Fig. 3 eine vergrößerte, längsgeschnitten dargestellte Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Druckaus gleichsvorrichtung, in der oberen Hälfte in ge schlossener Stellung und in der unteren Hälfte in vollständig geöffneter Stellung,

Fig. 4 eine vergrößerte, gebrochen dargestellte Ansicht eines Teiles der Vorrichtung nach Fig. 2 und 3, und

Fig. 5, 6 bzw. 7 Schnittansichten entlang der Schnittlinie 5-5, 6-6 bzw. 7-7 der Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein verrohrtes Bohrloch gezeigt, das sich unterhalb der Oberfläche 11 in den Grund reicht und oben in einem Bohrlochkopf 12 endet. Konzentrisch in der Ver rohrung ist ein Rohrstrang 14 angeordnet, der sich einige tausend Feet nach unten durch die dargestellte Kohlenwasser stoff enthaltende (erzeugende) Formation erstreckt. Eine Stopfbüchsenpackung 15 trennt einen unteren ringförmigen Raum 16 von einem oberen ringförmigen Raum 17.

Eine Druckausgleichsvorrichtung 18 ist dem Rohrstrang in Reihe eingefügt und mit diesem verbunden, so daß jeder beliebige Werkzeugstrang 19 oder jedes beliebige Werkzeug 20 im Bohrloch mit dieser Anordnung verbunden oder diese Anordnung in den Rohrstrang eingefügt werden kann.

Eine Schmiervorrichtung 21 üblicher Konstruktion ist am oberen Ende des Rohrzuges befestigt. Ein Drahtzug 22 ist für die Auf- und Abwärtsbewegung eines Werkzeugs unten im Bohrloch vorgesehen.

Die Druckausgleichsvorrichtung ist in den Fig. 2 bis 7 detaillierter dargestellt, und besteht aus dem üblichen oberen Bohrspindelende in Form eines Übergangs 24 und einem Zapfenende in Form eines unteren Übergangs 25. Eine Vielzahl Öffnungen 26 ist im Gehäuse der Druckausgleichs-Anordnung vorgesehen, so daß bei geöffneten Druckausgleichs-Öffnungen ein Durchfluß von der Kohlenwasserstoff erzeugenden Formation durch die Druckausgleichs-Öffnungen in den Rohrstrang nach oben an die Oberfläche des Grunds erfolgen kann.

Die Fig. 3 zeigt die Einzelheiten der Druckausgleichs vorrichtung. Die Druckausgleichsvorrichtung besteht aus einem Gehäuseteil 28, das in Gewindeeingriff mit dem unteren Übergangsteil durch die Gewindeverbindung 30 ist. Das obere Ende des Gehäuseteils ist in Gewinde eingriff mit dem oberen Übergangsteil durch das Außen gewinde 32 und schließt zusätzlich O-Ringe 33 ein, um eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse-Ringraum und dem Inneren des Rohrzugs sicherzustellen.

Eine innere Büchse 34 mit reduziertem Durchmesser ist ein integrierter Teil des oberen Übergangs und bildet einen Arbeits-Ringraum 36 zwischen dem Gehäuseteil und der festen Büchse. Der Arbeits-Ringraum ist nach dem Inneren des Gehäuses an einer mit einem Pfeil 40 gekennzeichneten Stelle geöffnet. Das freie Ende 41 der festen Büchse endet in einem bestimmten relativen Abstand vom Übergangsteil, wie nachfolgend geschildert.

Eine mittlere Länge am Rand der Außenwandung der festen Büchse ist im Durchmesser vergrößert und bildet an der mit 42 gekennzeichneten Stelle einen Vorsprung. Die Außen fläche des Vorsprungs ist durch drei längs ausgerichtete Schlitze 44 radial im Abstand von 120° angeordnet unter brochen. Radial im Abstand zueinander angeordnete Öffnungen 46 verbinden das Innere der festen Büchse mit dem Arbeits- Ringraum 36. Das freie Ende des Inneren der festen Büchse ist im Durchmesser durch eine konische nach innen abge schrägte Fläche 48 gekennzeichnet.

Ein ringförmiger Kolben in Form der dargestellten längs beweglichen Büchse 50 ist innerhalb der Arbeits-Ringkammer hin- und herbeweglich und ist im Abstand von einem Ventil element, in Form einer kurzen beweglichen Büchse 52, ange ordnet, das der lange beweglichen Büchse über einen Teil der Strecke in den Arbeits-Ringraum folgen kann, wie dies in der unteren Hälfte der Zeichnung dargestellt ist. Die lange bewegliche Büchse wird nachfolgend als ringförmiger Kolben bezeichnet, während die kurze bewegliche Büchse nachfolgend als Ventilelement bezeichnet wird.

Der ringförmige Kolben besitzt eine sich über den Umfang erstreckende nutförmige Ausnehmung 54 mit reduziertem Durchmesser nahe dem unteren Ende desselben, einen Vorsprung mit einem großen Durchmesser d 1 und ein Teil mit kleinem Durch messer d 2, wobei eine nutförmige Ausnehmung 54 zwischen d 1 und d 2 angeordnet ist. Ein Ring 56 ist mittels Gewinde am oberen Ende des ringförmigen Kolbens befestigt und bildet eine Erweiterung oder einen um den Umfang reichenden Vor sprung 58. Der O-Ring 60 ist auf dem Teil D 1 mit relativ großem Durchmesser angeordnet, während der O-Ring 61 auf dem Teil D 2 mit relativ kleinem Durchmesser des Kolbens plaziert ist, was eine hin- und herbewegliche Kolben- Baugruppe mit einer durch Druck über die Bodenöffnung beaufschlagten Fläche von d 1 minus d 2 ergibt, wobei die Druckbeaufschlagung dazu führt, den Kolben in Richtung nach unten zu drücken. Das vergrößerte Ende P 1 des Kolbens ist entgegengesetzt dem oberen Ende P 2 des Kolbens.

Das obere Ende 62 des Ventilelements endet in einer sich über den Umfang erstreckenden Schulter, die bis zum Anlie gen gegen die Schulter am Ende P 2 des ringförmigen Kolbens bewegt werden kann. Das entgegengesetzte Ende 64 des Ventilelements endet in einer relativ größeren Schulter, so daß ein geeignetes Fangwerkzeug am Ende des Drahtzuges und befe stigt an demselben nach unten geführt werden kann. Über den Umfang greifende Dichtungen 65, 66 und 67 liegen ab dichtend zwischen den gegenüberliegenden Flächen innen wandig des Gehäuses und außenwandig des Ventilelements. Eine Vielzahl radial im Abstand zueinander angeordneter Bohrungen 68 erstrecken sich lateral durch das Ventilele ment und sind zwischen den Dichtungen 65 und 66 plaziert. Eine Vielzahl von radial im Abstand zueinander angeord neter gebohrter Durchlässe 69 führen lateral durch die Wandung des Gehäuses in Ausrichtung mit der über den Umfang sich erstreckenden Nute. Die Nute und die Durchlässe sind zwischen den Dichtungen 66 und 67 angeordnet. Die innen wandig hervorstehende Schulter 64 bildet den kleinen Durch messer 70, der in seiner Abmessung so ausgelegt ist, den Durchlaß der verschiedenen Werkzeuge durch den Rohrstrang der Druckausgleichsvorrichtung und zu jedem beliebigen Gerät 20 unterhalb des unteren Röhrenzugs 19 zu ermöglichen.

Die lateral angeordneten Durchlässe 68 und 69 bilden Druckausgleichsöffnungen, wenn sie in Überdeckung mitein ander gebracht werden. Die Druckausgleichsöffnungen er reichen eine Überdeckung, wenn die Schulter 62 nach oben zum Anliegen mit der Schulter am Ende P 1 des ringförmigen Kolbens bewegt ist. Die Druckausgleichsöffnungen 68 und 69 benötigen keine Loch-Überdeckungen, da bei Überdeckung der dazwischen liegenden Ringnute 69 ein Durchfluß gegeben ist.

Das Gehäuse besitzt einen kleinen Innendurchmesser 74, der bei 75 zu einem größeren Innendurchmesser 76 führt und sich danach bei 77 wieder zu einem kleinen Innendurchmesser 78 reduziert, bei 79 geht dieser wieder in einen großen Innen durchmesser 80 über.

Die Schulter 79 bildet einen Anschlag, gegen die der ver größerte Kopf 58 zum Anliegen kommt, wodurch die unterste Stellung des ringförmigen Kolbens gekennzeichnet ist. Der Ringraum 81 wird durch den Raum zwischen dem ringförmigen Kolben und dem oberen Rand innenseitig der inneren Wand fläche des Gehäuses gebildet.

Eine Blattfeder 82 ist durch Schrauben 83 am Gehäuse be festigt. Ein Bolzen 84 ist an dem freien Ende der Blatt feder befestigt und ist dadurch gegen den axialen Durch laß federvorgespannt gehalten. Die Blattfeder ist inner halb der dargestellten Ausnehmung 86 angeordnet und dadurch gegen Beschädigung geschützt.

Die Schulter 88 des unteren Übergangs bildet einen Anschlag, gegen den die Schulter 64 des Ventilelements zum Anliegen kommt, wenn das Werkzeug eingefahren wird. In dieser Position sind die Druckausgleichs-Öffnungen 68 und 69 zueinander nicht überdeckend, wobei das Innere der Druck ausgleichsvorrichtung unter trockenen, isolierten und Niederdruck-Verhältnissen gehalten wird.

Der große Durchmesser d 1 des ringförmigen Kolbens ist etwas größer als der Durchmesser des Kolbens an der Dichtung 61. Wenn zum Beispiel der obere Übergang ein ausgerundetes 2³/₈″ Gewinde zur Aufnahme einer 2³/₈″, außen verstärkten Rohrleitung erfordert, ist es vorzuziehen, d 1 mit einem Durchmesser von zirka 2,94″ zu wählen, während d 2 im Durchmesser mit 2,81″ ausgeführt wird, wodurch insgesamt ³/₄ Quadratzoll Flächendifferenz ermöglicht wird. Diese Flächendifferenz bewirkt zirka 1750 kg bei einer angenommenen Druckdifferenz von 35 MPa an der Sohle des Bohrlochs. Daraus ist ersichtlich, daß der ringförmige Kolben nicht irrtümlich mit dem Drahtzug bewegt werden kann, bis das Druckdifferential abgebaut ist, wobei dann nur die Schwerkraft übrigbleibt, den ringförmigen Kolben nach unten zu bewegen.

Der Zweck der festen Büchse liegt darin, den Arbeits-Ringraum vorzusehen, der den ringförmigen Kolben und das Ventilelement vor einer unbeab sichtigten Bewegung nach unten während des anschließenden Arbeitswechsels schützt. Aus diesem Grund wird das untere Ende 41 der festen Büchse in unmittelbarer Nähe zum unteren Ende 70 des Ventilelements mit dem vergrößerten Durchmesser 72 in einer Stellung annähernd dem unteren Ende der festen Büchse gebracht. Dadurch wird vermieden, daß ein Werkzeug strang in Berührung mit dem ringförmigen Kolben oder dem Ventilelement kommt.

In Betrieb kann jede Anzahl bekannter Fangwerkzeuge nach unten durch den Rohrstrang, durch die feste Büchse, nach unten durch den beweglichen Kolben und in Eingriff mit der Schul ter 64 des Ventilelements geführt werden, wobei der Draht zug festgezogen und ein konstanter Zug von z. B. 50 oder 100 kg am Drahtzug gehalten wird, um sicherzustellen, daß das Ventilelement nach oben, mit der Schulter 62 desselben anliegend gegen die Schulter am Ende P 1 des Kolbens, gebracht ist. Dieser Vorgang verbindet die seitlichen Druckausgleichs-Durchlässe 68 und 69 miteinander, wodurch ein Durchfluß vom Gehäuse-Ringraum in den Rohrstrang ermög licht wird.

Während dieser Zeit ist ein nicht dargestelltes Ventil am Bohrlochkopf geschlossen und der Drahtzug steht unter beträcht licher Spannung. Der ringförmige Kolben kann nicht bewegt werden, da er durch das Druckgefälle geschlossen gehalten wird. Wenn jedoch die Druckdifferenz sich dem Wert Null nähert, wie durch eine Druckmessung an der mit 12 bezeichneten Stelle feststellbar, bewegt die am Drahtzug anliegende Spannung das Ventilelement weiter nach oben, wodurch der ringförmige Kolben mitgenommen und in die zurückgeführte oder offene, in der unteren Hälfte der Fig. 3 dargestellte Stellung bewegt wird.

Wenn der ringförmige Kolben zurück geführt ist, rastet der Bolzen 84 der Verriegelungsanord nung in der Nute 54 ein, wodurch der ringförmige Kolben in der rückgeführten Stellung mit offenen Hauptdurchlässen festgelegt und ein freier Durchfluß vom Gehäuse-Ringraum in die Druckausgleichs-Vorrichtung und durch den Rohrstrang nach oben zur Erdoberfläche gegeben ist.

Das Fangwerkzeug und der Drahtzug werden nun aus dem Rohrstrang entfernt, das Ventil am Bohrlochkopf geöffnet und das Bohrloch auf Produktion umgestellt, womit eine Gefahr durch plötzlich auftretende Druckstöße ausgeschlossen ist.

Claims

1. Druckausgleichsvorrichtung mit Drahtzugbetätigung, bestehend aus einem in einem Rohrstrang eingesetzten Gehäuse mit mindestens einer lateral durch die Wandung führenden Durchflußöffnung und einem längsaxial des Gehäuses und relativ zu diesem beweglichen, den Durch fluß durch die Öffnung steuernden Element, da durch gekennzeichnet, daß ein den Durchfluß durch mindestens eine die Wandung des Gehäu ses (28) durchgreifende Öffnung (26) steuerndes erstes Element (50) und ein den Druckausgleich über mindestens eine weitere die Wandung des Gehäuses (28) durchgreifen de Öffnung (69) steuerndes zweites Element (52) inner halb des Gehäuses (28) längsaxial beweglich angeord net ist, das erste Element (50) eine Fläche aufweist, die in Schließrichtung des Elements (50) von dem außer halb des Gehäuses (28) herrschenden Druck beaufschlagt ist, und das zweite Element (52) eine Schulter (64) für den Eingriff mit einem Drahtzugwerkzeug (23) und eine Schulter (62) für den Eingriff it dem ersten Element (50) aufweist, wobei das zweite Element (52) in einer ersten mittels des Drahtzugwerkzeugs (23) bewirkbaren Bewegung bis zum Anschlag gegen das erste Element (50) die Druckausgleichsöffnung (69) freigibt und in der wei teren Bewegung das erste Element (50) aus der Verschluß stellung in eine die Durchflußöffnung (26) freigebende Endstellung gegen einen Anschlag (38) des Gehäuses (28) führt.

2. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite bewegliche Element (50, 52) ringförmig ausgebildet ist, das erste bewegliche Element (50) ei nen Bereich mit großem Außendurchmesser (d 1) und einen Bereich mit kleinem Außendurchmesser (d 2) aufweist, das Gehäuse (28) zur Aufnahme des ersten beweglichen Ele ments (50) ebenfalls Bereiche mit entsprechend großem und kleinem Innendurchmesser aufweist, und das beweg liche Element (50) so ausgebildet ist, daß der Bereich mit großem Außendurchmesser (d 1) in Schließstellung des Elements (50) unterhalb der Durchflußöffnung (26) zu lie gen kommt, so daß der außerhalb des Gehäuses (28) herr schende Druck das bewegliche Element (50) über die Durch flußöffnung (26) in Schließrichtung beaufschlagt.

3. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das erste bewegliche Element als ringförmiger Kolben (50) und das zweite bewegliche Element als ringförmiges Ventilelement (52) ausgebildet ist, das Gehäuse (28) oberhalb der Durch flußöffnung (26) eine Buchse (34) aufweist, die inner halb des Gehäuses (28) einen Ringraum für den ringförmi gen Kolben (50) mit einem die Öffnungsbewegung des Kol bens (50) begrenzenden gehäuseseitigen Anschlag (38) bil det, und das ringförmige Ventilelement (52) am unteren Ende im Innendurchmesser (70) reduziert eine Schulter (64) für den Eingriff mit einem Drahtzugwerkzeug und eine An lagefläche gegen die gehäuseseitige Schulter (88) in der Schließstellung des Ventilelements (52) aufweist, und das obere Ende des Ventilelements als Schulter (62) für den Eingriff mit dem ringförmigen Kolben (50) im Verlauf der Öffnungsbewegung ausgebildet ist.

4. Druckausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung des Gehäuses (28) eine Einrastvor richtung in Form eines durch eine Blattfeder (82) be aufschlagten Rastbolzens (84) angeordnet ist, mittels der nach der durch das zweite bewegliche Element (52) bewirkten Öffnungsbewegung das erste bewegliche Ele ment (50) in der Offenstellung eingerastet in einer nutförmigen um den Umfang desselben führenden Ausneh mung (54) gehalten wird.