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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ölfeldwerkzeuge.
Genauer gesagt, die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren für
die Verwendung eines Absperrelementes, wie beispielsweise eines Ventils,
das in einem Bohrloch angeordnet ist.
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Ölfeldbohrlöcher werden
typischerweise bei Verwendung eines Rohrbohrgestänges, das an einem Bohrmeißel befestigt
ist, in einer unterirdischen Förderzone
gebohrt, um ein Bohrloch zu bilden. Bohrspülung fließt im Bohrloch durch das Innere
des Bohrgestänges
durch Öffnungen
beispielsweise in einem Bohrmeißel
nach unten, um Bohrklein an den Schneidflächen wegzuwaschen, und es fließt danach nach
oben durch einen Ring, der zwischen dem Bohrgestänge und einem Futterrohr gebildet
wird, das das Bohrloch auskleidet. Das Futterrohr ist perforiert,
damit Förderfluid
in das Futterrohr und bis zur Oberfläche des Bohrloches fließen kann,
und das Bohrgestänge
wird aus dem Bohrloch entfernt.
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Während des
Bohrens werden Bereiche des Bohrloches manchmal von anderen Bereichen
abgedichtet. Beispielsweise müssen
verschiedene Ölfeldanlagen,
wie beispielsweise Bewegungskompensatoren, periodisch im Bohrloch
neu eingestellt oder reguliert werden. Das Bohrgestänge wird
verschlossen, und die Bohrspülung
wird auf einen vorgegebenen Druck angehoben, um die Anlage zu betätigen oder
neu einzustellen. In anderen Fällen
kann die Steuerung des Bohrloches infolge eines übermäßigen Druckes durch das Bohrloch
von den unterirdischen Zonen verlorengehen. Das Bohrgestänge kann
beschädigt
werden und eine Reparatur erfordern. Das Bohrgestänge kann
vorübergehend
unterhalb der Beschädigung
verschlossen werden müssen.
In anderen Fällen
kann das Bohrrohr vorübergehend
verschlossen werden, um jeglichen Fluß des Förderfluids durch das Bohrrohr
zu verhindern, während
die Zonen im Bohrgestänge
oberhalb des Stopfens getestet werden.
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Eine
typische Vorrichtung, die verwendet wird, um zwischen zwei Bereichen
des Bohrgestänges
eine Abdichtung zu bewirken, ist als ein Bridge-Plug bekannt und
umfaßt
typischerweise Gleitelemente und Packerelemente. Die Gleitelemente
werden verwendet, um die Innenfläche
des Bohrgestänges
oder andere Flächen
zu erfassen, um dadurch zu verhindern, daß sich der Bridge-Plug im Bohrgestänge nach
oben oder nach unten bewegt. Die Packerelemente kommen mit der Innenfläche des
Bohrgestänges
oder des Bohrloches in Eingriff, um die erforderliche Abdichtung
zu bewirken. Das Bohren muß unterbrochen
werden, um den rückholbaren
Bridge-Plug einzustellen, Abschnitte der Bohrarbeit werden demontiert,
und Drahtseilwerkzeuge und ein Bridge-Plug werden in das Bohrgestänge bis zu
einer geeigneten Tiefe eingesetzt, um eine Abdichtung zwischen zwei
Zonen im Bohrgestänge
zu bewirken. Ein Typ des Bridge-Plugs
ist ein dauerhafter Bridge-Plug, der an einer Stelle gegen eine
Fläche
eingesetzt werden kann, wie beispielsweise eine Innenfläche eines
Bohrgestänges.
Der Bridge-Plug wird jedoch typischerweise durch Bohren oder Fräsen durch
den Stopfen entfernt, was kostspielig und zeitaufwendig sein kann.
Ein weiterer Typ des Stopfens ist ein rückholbarer Bridge-Plug, der
typischerweise Hydraulikfluid verwendet, um die Gleitelemente und
die Packerelemente selektiv zu betätigen. Der rückholbare
Bridge-Plug kann durch Entlasten des Druckes auf die Elemente und
Ziehen des Bridge-Plugs aus dem Bohrloch entfernt werden. Beide
Typen des Bridge-Plugs müssen
anschließend entfernt
werden, um einen Fluidstrom zu den unteren Bereichen oder einen
Zugang mit Bohrwerkzeugen zu bewirken. Das Entfernen kann mehrere
Schritte umfassen, und es kann kostspielig und zeitaufwendig sein.
Es wäre
vorteilhaft, daß man
in der Lage ist, das Bohrloch oder einen anderen Durchgang mit einer Vorrichtung
wiederholt abzudichten, ohne daß man durch
die Vorrichtung bohren oder fräsen
muß, oder daß die Vorrichtung
für ein
Entfernen gezogen werden muß.
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Es
bleibt eine Forderung nach einem verbesserten System und Verfahren
für das
Abdichten eines Bohrgestänges
bestehen, das im Bohrloch für
eine anschließende
Verwendung verbleiben kann.
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Das
US 2874785 offenbart ein
strömungsbetätigtes Absperrelement
mit einem Kolben mit radialen Öffnungen.
Der Kolben kann durch einen Anstieg des Fluiddruckes, um so die
radialen Öffnungen
zu verschließen,
bewegt werden.
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Das
US 3973587 offenbart eine
Einwegregulierventilbaugruppe mit einem Kolben, der sich bewegt,
um die Öffnungen
zu verschließen,
um einen Rückwärtsfluidstrom
zu verhindern, wenn der Vorwärtsfluidstrom
auf unterhalb eines bestimmten Niveaus absinkt.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden ein strömungsbetätigtes Absperrelement, ein
System für
das selektive Abdichten in einem Bohrloch und ein Verfahren für das selektive Verschließen eines
Bohrlochventils bereitgestellt, wie es in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt im allgemeinen ein System und ein Verfahren
für das
selektive Abdichten eines Bohrgestänges oder eines anderen rohrartigen
Elementes bereit. In einem Aspekt gestattet ein Absperrelement,
wie beispielsweise ein Ventil, ein bestimmtes Niveau des Stromes
von Bohrspülungen
und/oder anderen Fluids durch einen oder mehrere Strömungskanäle, wenn
das Ventil geöffnet ist.
Um das Ventil zu schließen,
wird die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht,
so daß sich
ein Rückdruck entwickelt
und das Ventil in eine geschlossene Position treibt. Das weist einen
entfernbaren Stopfen auf, der im Ventil angeordnet ist, um einen
Zugang für
beispielsweise Drahtseilwerkzeuge zu einem Bereich unterhalb des
Ventils in einem Bohrloch zu bewirken.
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In
einem Aspekt weist ein System für
das Abdichten eines Bohrloches auf ein oder mehrere rohrartige Elemente,
wie beispielsweise ein Bohrrohr; ein oder mehrere strömungsbetätigte Absperrventile,
die mit dem einen oder mehreren rohrartigen Elementen gekoppelt
sind; mindestens eine Fluidquelle, die mit dem einen oder mehreren
rohrartigen Elementen gekoppelt ist; und mindestens eine Druckquelle,
die mit der Fluidquelle gekoppelt ist. Bei einem anderen Aspekt
weist ein strömungsbetätigtes Absperrventil
auf ein Gehäuse;
einen Kolben, der im Gehäuse
angeordnet ist; einen oder mehrere Kanäle, die durch den Kolben angeordnet
sind, die einen Eintritt zum Kolben und einen Austritt aus dem Kolben
aufweisen; und ein Vorspannelement, das mit dem Kolben gekoppelt
ist. Bei einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Schließen eines Ölfeldventils
auf Strömen
eines ersten Fluids durch ein Ventil mit einer ersten Strömungsgeschwindigkeit;
Strömen
des ersten Fluids durch das Ventil mit einer höheren zweiten Strömungsgeschwindigkeit;
mindestens das teilweise Schließen
des Ventils mit einer Kraft, die durch die zweite Strömungsgeschwindigkeit
ausgeübt
wird.
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Einige
bevorzugte Ausführungen
der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur als Beispiel und mit
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ventils entsprechend der vorliegenden
Erfindung, das in einem Bohrgestänge
in einem Bohrloch eingesetzt ist;
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2 eine
schematische Längsschnittdarstellung
einer Ausführung
eines Ventils;
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3 eine
schematische Querschnittdarstellung des in 2 gezeigten
Ventils;
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4 eine
schematische Querschnittdarstellung des in 2 gezeigten
Stopfens;
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5 eine
schematische Längsschnittdarstellung
einer weiteren Ausführung
eines Ventils; und
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6 eine
schematische Querschnittdarstellung des in 5 gezeigten
Ventils.
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1 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines exemplarischen Absperrelementes,
worauf man sich hierin als ein Ventil bezieht. Das Ventil ist in
einem Bohrgestänge
in einem Bohrloch 10 angeordnet, das in einer vertikalen
Ausrichtung gezeigt wird. Andere Ausrichtungen, wie beispielsweise
eine seitliche Ausrichtung, sind jedoch im Bereich der Erfindung
eingeschlossen. Ein Futterrohr 12 kleidet das Bohrloch 10 aus,
und ein Bohrgestänge 14 wird
darin angeordnet. Das Bohrgestänge 14 wird
benutzt, um einem Werkzeug, wie beispielsweise einem Bohrer oder
Fräser,
eine Rotationsleistung zu verleihen, und um eine Translationsbewegung
der Werkzeuge innerhalb des Bohrloches zu bewirken. Ein Ventil 50 wird
verschraubbar zwischen die Verbindungen des Bohrgestänges eingesetzt.
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2 ist
eine schematische Längsschnittdarstellung
einer Ausführung
eines Ventils 50 in einer offenen Position (rechte Hälfte der
Fig.) und in einer geschlossenen Position (linke Hälfte der
Fig.). Im allgemeinen umfaßt
das Ventil 50: ein Außengehäuse 51 mit
einem oberen Abschnitt 52 des Gehäuses und einen unteren Abschnitt 56 des
Gehäuses;
einen Kolben 62, der verschiebbar in einem Hohlraum 53 angeordnet
ist, der zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt
gebildet wird; und einen auswechselbaren Stopfen 90, der
im Kolben angeordnet ist. Der obere Abschnitt 52 des Gehäuses umfaßt ein Ende
mit genormten API Innengewindegängen 54, und
der untere Abschnitt 56 des Gehäuses umfaßt ein Ende mit genormten API
Außengewindegängen 58,
um mit den entsprechenden Verbindungen des Bohrgestänges an
jedem Ende in Eingriff zu kommen. Der obere Abschnitt 52 des
Gehäuses
und der untere Abschnitt 56 des Gehäuses werden miteinander an
einer Gewindeverbindung 60 verbunden und definieren einen
inneren Hohlraum 53. Der innere Hohlraum umfaßt eine
ringförmige
Aussparung 64, die zwischen einem Vorsprung 66 im
oberen Abschnitt 52 des Gehäuses und einem oberen Ende 74 des
unteren Abschnittes 56 des Gehäuses definiert wird. Der untere
Abschnitt 56 des Gehäuses
umfaßt einen
ringförmigen
Sitz 84 mit einer verjüngten
Fläche 86.
Der Sitz definiert einen Kanal 85, durch den Fluids durch
das Ventil zu anderen Abschnitten des Bohrgestänges gelangen. Der Sitz 84 ist
mit dem unteren Abschnitt 56 des Körpers durch ein oder mehrere
Verbindungsstücke 88 gekoppelt,
wie beispielsweise einen Bolzen oder eine Schraube. Alternativ kann
der Sitz zusammenhängend
mit dem unteren Abschnitt 56 des Gehäuses ausgebildet sein.
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Der
Kolben 62 ist vorzugsweise ein zylindrisches Element mit
einem ringförmigen
Flansch 72, der verschiebbar in der Aussparung 64 angeordnet ist.
Der Kolben umfaßt
ebenfalls eine Vielzahl von Längskanälen 76,
die dort hindurch angeordnet sind. Die Kanäle weisen ein erstes Ende 78,
das vorzugsweise ein Eintritt für
das durch das Bohrgestänge strömende Fluid
ist, und ein zweites Ende 80 auf, das vorzugsweise ein
Austritt für
das Fluid ist. Die Größe, Anzahl
und Form der Kanäle 76 können ausgewählt werden,
um eine gewisse Größe des Fluidstromes
zu gestatten, während
eine gewisse Größe des Druckabfalls
erreicht wird. Die Fläche
des Kolbens angrenzend an das zweite Ende 80 der Kanäle ist vorzugsweise
verjüngt
zwischen dem äußeren Umfang
und einem ringförmigen
Vorsprung 82, der eine Dichtungsfläche auf dem Kolben bildet,
die mit dem Sitz 84 des unteren Abschnittes 56 des
Gehäuses
in Eingriff kommt. Der Kolben 62 umfaßt ebenfalls einen inneren
Kanal 91, der durch den Kolben hindurch angeordnet ist,
und der im allgemeinen mit der Längsachse
des Ventils für
die Aufnahme des entfernbaren Stopfens 90 ausgerichtet
ist. Eine innere ringförmige Aussparung 100 wird
in einem unteren Ende des inneren Kanals 91 des Kolbens 62 gebildet,
um das Sichern des entfernbaren Stopfens im Kolben zu unterstützen. Eine
Dichtung 66, wie beispielsweise ein Runddichtring, ist
zwischen dem äußeren Umfang des
Kolbens 62 und dem inneren Umfang des oberen Abschnittes 52 des
Gehäuses
angeordnet.
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Der
entfernbare Stopfen 90 umfaßt vorzugsweise ein zylindrisches
Körperelement
mit einem ersten Ende 94, das so geformt ist, daß es mit
einem typischen Drahtseilfangwerkzeug (nicht gezeigt) für das Wiederauffinden
und Anordnen im Kolben 62 in Eingriff kommt. Ein zweites
Ende 96 des Stopfens 90 weist einen oder mehrere
elastische Finger 98 auf, die mit einer ringförmigen Aussprung 100 im
Kolben 62 in Eingriff kommen können. Die Finger umfassen ein
oder mehrere Sperrelemente 99, die mit den Fingern zusammenhängend sein
können
und verjüngte Flächen aufweisen,
wie gezeigt wird, oder sie können separate
Elemente sein, wie beispielsweise ein C-Ring oder Runddichtring,
der mit den Fingern gekoppelt ist, um mit der entsprechenden ringförmigen Aussparung 100 im
Kolben in Eingriff zu kommen, und um den Stopfen beim Kolben bis
zum Entfernen zu halten. Eine zylindrische Senkbohrung 102 wird zwischen
den Fingern definiert, um zu gestatten, daß sich die Finger nach innen
biegen, während
der Stopfen eingesetzt oder entfernt und erneut in den Kolben 62 eingesetzt
wird. Vorzugsweise sind die Sperrelemente 99 an den Flächen 104, 106 verjüngt, um
den verjüngten
Flächen
der Aussparung 100 des Kolbens 62 zu entsprechen.
Diese Konfiguration gestattet ein leichtes Entfernen und Anordnen
des Stopfens im Kolben.
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Ein
Vorspannelement 70 ist in der Aussparung 64 um
den Kolben 62 herum angeordnet. Das Vorspannelement kann
eine Feder, wie beispielsweise eine Schraubenfeder, ein elastomeres
Element, ein solenoidbetätigter
Kolben oder ein anderes Vorspannelement sein, das eine Längskraft
auf den Kolben anwenden könnte.
Das Vorspannelement 70 kommt mit dem Kolben 62 am
ringförmigen
Flansch 72 an einem Ende in Eingriff und kommt mit einem Ende 74 des
unteren Abschnittes 56 des Gehäuses am anderen Ende in Eingriff.
Das Vorspannelement 70 spannt den Kolben 72 in
eine offene Position in Richtung des Vorsprunges 68 der
Aussparung 64 vor.
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3 ist
eine Querschnittdarstellung des Ventils 50 längs der
Linie 3-3 in 2. Der Kolben 62 ist
im Hohlraum 53 innerhalb des oberen Abschnittes 52 des
Gehäuses
und des unteren Abschnittes des Gehäuses (nicht gezeigt) angeordnet,
und der Stopfen 90 ist im Kolben angeordnet. Der ringförmige Flansch 72 ist
in der Aussparung 64 angeordnet. Das Vorspannelement 70 kommt
peripher mit dem ringförmigen
Flansch 72 in Eingriff. Die Dichtung 66 ist zwischen
dem Kolben 62 und dem Umfang des oberen Abschnittes 52 des
Gehäuses
angeordnet. Zwölf Kanäle 76 sind
um den Kolben 62 herum angeordnet, obgleich die Größe, Anzahl
und Form in Abhängigkeit von
den gewünschten
Betriebsbedingungen des Ventils variieren können.
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4 ist
eine Querschnittdarstellung des Stopfens 90 am distalen
Ende, die die Finger 98 veranschaulicht. Vorzugsweise ist
eine Vielzahl von Fingern 98 peripher um den Umfang des
Stopfens angeordnet. Die Finger sind so bemessen und ausgeführt, daß sie sich
biegen, während
der Stopfen entfernt und wieder in den Kolben 62 eingesetzt
wird (in 2 gezeigt). Die Finger 98 definieren
einen Zwischenraum 108 dazwischen, um das unabhängige Biegen
der Finger zu ermöglichen.
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Beim
Betrieb ist das Ventil bei ausgewählten Strömungsgeschwindigkeiten offen.
Die Bohrspülung gelangt
durch die Kanäle 76,
an einem Sitz 84 vorbei und durch einen Kanal 85 nach
unten zu beispielsweise einem Bohrmeißel, um Bohrklein vom Meißel abzuwaschen,
und bis zu einem Ring 24 zwischen dem Bohrgestänge 14 und
dem Futterrohr 12 (in 1 gezeigt).
Die Fluidströmungsgeschwindigkeit erzeugt
einen Druckabfall vom ersten Ende 78 der Kanäle 76 zum
zweiten Ende 80 der Kanäle
und führt zu
einer Kraft, die versucht, den Kolben 62 nach unten in
Richtung des Sitzes 84 zu treiben. Das Vorspannelement 70 übt jedoch
eine Gegenkraft aus, die den Kolben 62 in einer Aufwärtsposition
hält. Um
das Ventil zu schließen,
wird die Fluidströmungsgeschwindigkeit
auf ein Niveau erhöht,
das zu einer größeren Kraft
führt als
das Vorspannelement 70 auf den Kolben 62 ausübt, und
das Ventil beginnt sich zu schließen. Nur als ein Beispiel können bei
einem Ventil mit einem Außendurchmesser
von 7,5 in. (19 cm) die Kanäle 76 so
bemessen sein, daß sie
einen Schließdruckabfall
von etwa 140 Pfund pro Quadratinch („psi") (965 kPa) bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von 700 Gallonen pro Minute („gpm") (53 Liter/Sekunde)
mit 16,0 Pfund pro Gallone (lb./gal.) (16 N/Liter) Bohrspülung („Spülungsgewicht") erzeugen. Man glaubt,
daß die
gleichen Kanäle
etwa einen Druckabfall von 140 psi bei einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa
925 gpm (70 Liter/Sekunde) mit einem Spülungsgewicht von 9,0 Ib./gal.
(9 N/Liter) erzeugen würden.
Das Vorspannelement 70 kann gegen ein anderes Vorspannelement
ausgewechselt werden, wobei der Abstand zwischen dem Flansch 72 und
dem Ende 74 des unteren Abschnittes verändert werden kann, oder wobei
andere Regulierungen vorgenommen werden können, um die Kraft zu verändern, die
erforderlich ist, um das Ventil zu schließen. Der Kolben bewegt sich
in Längsrichtung
nach unten in die ringförmige
Aussparung 64, wobei eine erhöhte Kraft durch das Fluid ausgeübt wird,
und der ringförmige
Vorsprung 82 dichtet gegen den Sitz 84 ab, um
den Strom zu unterbrechen. Ein fortgesetzter Strom in das Bohrgestänge 14 erhöht den Druck
im Bohrgestänge über dem
Ventil 50 für
das Test- oder für
andere Zwecke. Das Entlasten oder Reduzieren des Druckes gestattet,
daß sich
das Ventil in eine offene Position zurückstellt, wenn das Vorspannelement 70 den
Kolben 62 zurück
nach oben in den Hohlraum 53 drückt, und der Fluidstrom durch
das Ventil kann fortgesetzt werden. Das Ventil kann wiederholt in
der gleichen Weise geöffnet
und geschlossen werden.
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Um
einen Zugang durch das Ventil 50 zu erhalten, kann der
Stopfen 90 mit konventionellen Drahtseilwerkzeugen entfernt
werden, indem das erste Ende 94 des Stopfens 90 in
Eingriff gebracht wird. Die Finger 98 biegen sich nach
innen, während der
Stopfen 90 vom Kolben weggezogen wird, und trennen sich
von der Aussparung 100, um aus dem inneren Kanal 91 des
Kolbens 62 herauszugleiten. Der Stopfen kann in der gleichen
Weise wieder eingesetzt werden.
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5 ist
eine schematische Längsschnittdarstellung
einer weiteren Ausführung
eines Ventils in einer offenen Position (rechte Hälfte der
Fig.) und in einer geschlossenen Position (linke Hälfte der Fig.).
Elemente, die der in 2 bis 4 gezeigten Ausführung gleich
sind, sind gleichermaßen
numeriert. Ein Ventil 50 weist ein Gehäuse 51 mit einem oberen
Abschnitt 52 des Gehäuses
und einen unteren Abschnitt 56 des Gehäuses auf, die miteinander gekoppelt
sind und dazwischen einen Hohlraum 53 definieren. Im allgemeinen
umfassen die im Hohlraum 53 angeordneten Ventilelemente:
einen Kolben 62 mit einem ringförmigen Flansch 110;
einen Dichtungsblock 116 angrenzend an den unteren Abschnitt 56 des
Gehäuses;
ein Vorspannelement 70, das zwischen dem Flansch 110 und
dem Dichtungsblock 116 angeordnet ist; einen frei beweglichen
Kolben 122, der auf der entgegengesetzten Seite des Flansches 110 vom
Vorspannelement 70 aus angeordnet ist; und einen auswechselbaren
Stopfen, der im Kolben 62 angeordnet ist. Der Hohlraum 53 umfaßt eine
Aussparung 64, die zwischen einem Vorsprung 69 und einem oberen
Ende des unteren Abschnittes 56 des Gehäuses definiert wird. Die Aussparung 64 kann
einen oder mehrere Vorsprünge
entlang der Länge
der Aussparung umfassen, wie beispielsweise den Vorsprung 137,
der die Bewegung der verschiedenen Elemente begrenzen kann, die
verschiebbar im Hohlraum 53 angeordnet sind. Die Öffnungen 130, 132 werden
durch die Seitenwand des oberen Abschnittes 52 des Gehäuses gebildet
und werden verschlossen, wie es nachfolgend beschrieben wird. Die Öffnung 128 wird
ebenfalls durch die Seitenwand des oberen Abschnittes 52 des
Gehäuses
gebildet und kann fluidisch zwischen dem Hohlraum 53 und
einem Bereich außerhalb
des oberen Abschnittes 52 des Gehäuses gekoppelt bleiben. Der
untere Abschnitt 56 des Gehäuses umfaßt einen ringförmigen Sitz 84.
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Der
Kolben 62 umfaßt
einen oder mehrere Kanäle 76,
die dort hindurch gebildet werden. Ein ringförmiger Vorsprung 82 am
Ende des Kolbens 62 ist angrenzend an den Sitz 84 am
unteren Abschnitt 56 des Gehäuses angeordnet. Der Kolben 62 umfaßt einen
ringförmigen
Flansch 110, der verschiebbar in der ringförmigen Aussparung 64 angeordnet
ist. Eine Dichtung 112 ist zwischen dem äußeren Umfang
des Flansches 110 und dem Umfang des Hohlraumes 53 angeordnet,
um verschiebbar den Flansch 110 im Hohlraum 53 abzudichten.
Der Flansch 110 definiert mindestens einen Kanal 114 und
mindestens einen Kanal 142. Ein Druckentlastungsventil 134 ist
im Kanal 114 montiert, und ein Regulierventil 144 ist
im Kanal 142 montiert. Das Druckentlastungsventil ist ausgerichtet,
um den Druck von unterhalb des Flansches 110 abzubauen,
und das Regulierventil ist ausgerichtet, um den Fluidstrom von oberhalb
des Flansches nach unterhalb des Flansches zu gestatten.
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Ein
ringförmiger
Dichtungsblock 116 ist unterhalb des ringförmigen Flansches 110 und über dem
unteren Abschnitt 52 des Gehäuses angeordnet. Eine Dichtung 118 ist
längs eines
inneren Umfanges des Blockes 116 angeordnet und dichtet
den inneren Umfang mit dem Kolben ab. Eine Dichtung 120 ist
längs eines äußeren Umfanges
des Blockes 116 angeordnet und dichtet den äußeren Umfang
mit der Aussparung 64 ab. Das Vorspannelement 70 kommt
mit dem Flansch 110 an einem Ende des Vorspannelementes
und dem Dichtungsblock 116 am anderen Ende in Eingriff.
Der frei bewegliche Kolben 122 ist in einem oberen Abschnitt
der Aussparung 66 über
dem ringförmigen
Flansch 132 angeordnet. Eine Dichtung 124 ist
zwischen dem inneren Umfang des frei beweglichen Kolbens 122 und
dem Kolben 62 angeordnet. Eine Dichtung 120 ist
zwischen dem äußeren Umfang
des frei beweglichen Kolbens 122 und der Aussparung 64 angeordnet.
Der ringförmige Flansch 110,
der Dichtungsblock 116, der Umfang des Hohlraumes 53 und
der äußere Umfang
des Kolbens 62 definieren einen ersten Bereich 136 der
Aussparung 64. Der ringförmige Flansch 110,
der frei bewegliche Kolben 122, der Umfang des Hohlraumes 53 und
der äußere Umfang
des Kolbens 62 definieren einen zweiten Bereich 138 der
Aussparung 64. Der frei bewegliche Kolben 122,
der Vorsprung 69, der Umfang des Hohlraumes 53 und
der äußere Umfang
des Kolbens 62 definieren einen dritten Bereich 140 der
Aussparung 64. Die Öffnung 130,
die durch die Seitenwand des oberen Abschnittes 52 des
Gehäuses
unterhalb des Flansches 110 gebildet wird, ist fluidisch
mit dem ersten Bereich 136 gekoppelt. Die Öffnung 132,
die durch die Seitenwand des oberen Abschnittes 52 des
Gehäuses über dem
Flansch 110 gebildet wird, ist fluidisch mit dem zweiten
Bereich 138 gekoppelt. Die dritte Öffnung 128, die durch
die Seitenwand des oberen Abschnittes 52 des Gehäuses über dem
frei beweglichen Kolben 122 gebildet wird, ist fluidisch
mit dem dritten Bereich 140 gekoppelt. Vorzugsweise sind
der erste Bereich 136 und der zweite Bereich 138 mit
Fluid gefüllt,
wie beispielsweise Hydraulikfluid, und die Öffnungen 132, 134 sind
abgedichtet.
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Ein
Stopfen 90 ist abdichtbar mindestens teilweise innerhalb
des Kolbens 62 angeordnet. Der Stopfen 90 weist
ein erstes Ende 94 auf, das vorzugsweise so geformt ist,
daß es
mit einem konventionellen Drahtseilwerkzeug in Eingriff kommt, um das
Entfernen und Anordnen des Stopfens zu bewirken. Ein zweites Ende 96 des
Stopfens 90 weist einen oder mehrere Finger 98 mit
einem oder mehreren Sperrelementen auf, die mit einer ringförmigen Aussparung 100 im
Kolben 62 in Eingriff kommen.
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6 ist
eine Querschnittdarstellung des Ventils 50 längs der
Linie 6-6 in 5. Der Kolben 62 ist
zwischen den Wänden
des oberen Abschnittes 52 angeordnet, und der Stopfen 90 ist
im Kolben angeordnet. Der Stopfen 90 ist mit dem Kolben 62 gekoppelt,
wobei Finger 98 an einem inneren Umfang des Kolbens angeordnet
sind. Eine Vielzahl von Kanälen 76 ist
durch die Länge
des Kolbens 62 hindurch ausgebildet und gestattet das Strömen des
Fluids durch das Ventil 50. Ein ringförmiger Flansch 110 des
Kolbens 62 wird abdichtbar und verschiebbar mit einem inneren
Umfang des oberen Abschnittes 52 des Gehäuses in
Eingriff gebracht. Ein Vorspannelement (nicht gezeigt), wie beispielsweise
eine Schraubenfeder, kommt mit dem Flansch 110 in Eingriff,
um den Kolben vorzuspannen. Ein oder mehrere Druckentlastungsventile 134 sind
in den Kanälen 114 im
Kolben 62 angeordnet, wie beispielsweise im Flansch 110.
Ein oder mehrere Regulierventile 144 sind in den Kanälen 142 im
Kolben 62 angeordnet.
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Beim
Betrieb strömt
Bohrspülung
durch die Kanäle 76 im
Bohrloch nach unten zu einem Bohrmeißel, Fräser oder einem anderen Werkzeug,
um Bohrklein abzuwaschen, und nach oben durch einen Ring 24 zwischen
dem Bohrgestänge 14 und
dem Futterrohr 12, wie in 1 gezeigt
wird, wenn das Ventil geöffnet
ist. Die Fluidströmungsgeschwindigkeit
durch das Ventil erzeugt einen Druckabfall vom ersten Ende 78 der
Kanäle 76 zum
zweiten Ende 80 der Kanäle
und führt
zu einer Kraft, die versucht, den Kolben 62 nach unten
in Richtung des Sitzes 84 zu pressen. Jedoch verhindert
Fluid, das abdichtbar im ersten Bereich 136 angeordnet
ist, daß der
Kolben 62 sich nach unten bewegt. Ebenfalls übt das Vorspannelement 70 eine
Gegenkraft aus, die das Halten des Kolbens 62 in einer
Aufwärtsposition
unterstützt.
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Um
das Ventil 50 zu schließen, wird die Fluidströmungsgeschwindigkeit
durch die Kanäle 76 erhöht, um eine
größere Kraft
auf den Kolben 62 auszuüben,
die versucht, das Fluid im ersten Bereich 136 zusammenzudrücken. Das
Entlastungsventil öffnet
sich, wenn ein eingestellter Entlastungsdruck am Druckentlastungsventil 134 überschritten
wird, und das Fluid im ersten Bereich 136 strömt durch
das Druckentlastungsventil 134 und in den zweiten Bereich 138 hinein.
Das Vorspannelement 70 wird durch die größere Kraft
von der erhöhten
Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids zusammengedrückt,
das durch die Kanäle 114 strömt, und
das Ventil schließt sich.
Der ringförmige
Vorsprung 82 am Kolben 62 kommt mit dem Sitz 84 in
Eingriff und dichtet gegen diesen ab.
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Um
das Ventil 50 wieder zu Öffnen, wird die Fluidströmungsgeschwindigkeit
durch die Kanäle 76 verringert,
und daher wird die Kraft verringert, die durch das Fluid am Kolben 62 erzeugt
wird. Das Vorspannelement 70 übt eine größere Kraft auf den Flansch 110 aus
als die Gegenkraft, die durch den Druck der verringerten Fluidströmungsgeschwindigkeit
erzeugt wird, und bewegt den Kolben 62 in einer Aufwärtsrichtung
in der Aussparung 64. Das Druckentlastungsventil 134 kann
sich wiederum schließen, wenn
der Druck ausreichend niedrig ist. Das Fluid im zweiten Bereich 138 strömt auf einem
Weg durch das Regulierventil 144 zurück in den ersten Bereich 136.
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Der
Druck im zweiten Bereich 138 wird mit dem Druck im Bohrloch
durch Bohrspülung
oder ein anderes Fluid ausgeglichen, das durch die Öffnung 128 in
den und aus dem dritten Bereich 140 gelangt. Der frei bewegliche
Kolben 122 bewegt sich in Längsrichtung in der Aussparung 64,
bis der Bohrlochdruck, der durch die Öffnung 128 und in
den dritten Bereich 140 ausgeübt wird, mit dem Fluiddruck im
zweiten Bereich 138 ausgeglichen wird. Durch Ausgleichen
des Druckes kann eine gleichmäßigere Strömungsgeschwindigkeit
durch die Kanäle 76 vor dem
Schließen
des Ventils unter sich verändernden Bohrlochdrücken und
-temperaturen erhalten werden. Der frei bewegliche Kolben 122 gestattet
ebenfalls eine Wärmeausdehnung
des Fluids im zweiten Bereich 138 und/oder ersten Bereich 136.
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Die
Kraft, die für
das Schließen
des Ventils erforderlich ist, und daher der Fluidstrom durch die Kanäle 76,
kann variiert werden, indem mehrere Aspekte des Ventils 50 reguliert
werden. Beispielsweise kann der Druck, bei dem sich das Entlastungsventil 134 öffnet, durch
entweder Austausch des Entlastungsventils oder durch Verändern des
Druckes eines regulierbaren Entlastungsventils reguliert werden.
Das Vorspannelement 70 kann gegen ein anderes Vorspannelement
ausgetauscht werden. Das Vorspannelement kann ausgedehnt oder zusammengedrückt werden,
indem beispielsweise die Aussparung 64 verlängert oder
verkürzt
wird. Ein weiteres Beispiel des Veränderns der Kraft ist das Verlängern oder
Verkürzen
des ringförmigen
Flansches am Kolben. Jede der beschriebenen Veränderungen und anderes kann
die Kraft verändern,
bei der sich das Ventil schließt.
Außerdem
kann die Kraft linear oder nichtlinear sein. Beispielsweise könnte eine
lineare Kraft ein Vorspannelement umfassen, das sich mit einer konstanten
Geschwindigkeit der Kraft pro Längeneinheit
zusammendrückt.
Eine nichtlineare Kraft könnte
ein Vorspannelement mit einer veränderlichen Geschwindigkeit
der Kraft pro Längeneinheit umfassen.
Unterschiedliche Geschwindigkeiten könnten beispielsweise gestatten,
daß das
Ventil den Strom in einer teilweise geschlossenen Position bei bestimmten
Strömungsgeschwindigkeiten
drosselt.
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Es
wurden Aspekte der Erfindung mit Bezugnahme auf ein Bohrgestänge beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf ein Bohrgestänge begrenzt, sondern kann
bei verschiedenen Anwendungen mit Bezugnahme auf Absperrelemente
bei durchströmenden
Fluids und eine Rohrleitung, insbesondere bei der Ölfeldtechnologie,
angewandt werden. Zusätzlich sind
Hinweise auf die Richtung, wie beispielsweise „oben", „unten", „oberhalb" und „unterhalb", für einen Bezug
auf die Strömungsrichtung
und die Position der Elemente in der Beschreibung und in den Patentansprüchen vorhanden
und nur als Beispiel und nicht als einschränkend zu betrachten, und sie
können
in Abhängigkeit
von der gewünschten
Richtung des Stromes und den relativen Positionen der Elemente variiert
werden.
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Während das
Vorangegangene die bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft,
können
andere und weitere Ausführungen
der Erfindung ausgedacht werden, ohne daß man von deren grundlegenden
Bereich abweicht, und deren Bereich wird durch die Patentansprüche festgelegt,
die folgen.