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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Zementschwimmerkragen und ein Verfahren
zum Bohrlochvervollständigen
und insbesondere einen Through-Tubing-Zementschwimmerkragen und
ein Verfahren zum Bohren und Vervollständigen eines Bohrlochs unter
Verwenden von Rohren als Bohrstrang.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Das
Bohren von Bohrlöchern,
zum Beispiel für
die Öl- und Gasproduktion,
verwendet gewöhnlich Bohrrohrstränge mit
relativ kleinem Durchmesser, an welchen ein Bohrer mit etwas größerem Durchmesser
befestigt ist. Nach dem Bohren eines ausgewählten Abschnitts des Bohrlochs,
wird das Bohrloch gewöhnlich
mit einem Strang von Rohren, als Rohrstrang bekannt, ausgelegt.
Der Begriff Rohrstrang wird hier für jede beliebige Bohrlochverrohrung
verwendet. Der Rohrstrang hat normalerweise einen größeren Durchmesser
als das Bohrrohr und einen kleineren Durchmesser als der Arbeitsbohrer.
Dieses herkömmliche
System, das sequenzielles Bohren des Bohrlochs mit Bohrrohr, an
dem der Bohrer befestigt ist, Herausziehen des Bohrrohrs aus dem Bohrloch
und Einführen
des Rohrstrangs in das Bohrloch erfordert, ist zeitaufwändig und
kostspielig. Jedes Mal, wenn der Bohrer gewechselt werden muss, was
während
jeder Bohroperation mehrmals eintritt, muss das Bohrrohr herausgezogen
und wieder eingeführt
werden. Der Bohrprozess mit einem Bohrstrang gewinnt daher als ein
Verfahren zum Bohren, bei dem der Bohrstrang als Bohrschacht, durch
welchen der Bohrer bewegt wird, verwendet wird, an Beliebtheit,
und nach dem Bohren bleibt der Rohrstrang als Bohrlochverrohrung
im Bohrloch.
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Um
gleichzeitig das Bohren und Verrohren zu erzielen, ist eine spezielle
Bohreinheit erforderlich, die ein Bohrloch mit ausreichendem Durchmesser bohrt,
um die Verrohrung aufzunehmen, und die durch die Verrohrung rückholbar
ist. Die Bohreinheit umfasst typischerweise einen Bohrer und ein
oder mehrere Bohrlochvergrößerungswerkzeuge,
wie zum Beispiel einen Nachbohrer. Die Bohreinheit wird an dem Vorschubende
der Verrohrung eingesetzt. Der Bohrer kann rückziehbar und/oder durch die
Verrohrung durch elektrische Drahtleitung, geflochtenes Drahtseil
oder andere Mittel entfernbar sein.
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Wenn
ein Bohrvorgang abgeschlossen ist, wird der Bohrer durch die Verrohrung
zurückgezogen,
und die Verrohrung wird als Bohrlochverrohrung zurückgelassen.
Das Vervollständigen
des verrohrten Bohrlochs, das das Pumpen von Zement in den Ringraum
zwischen der Verrohrung und der Bohrlochwand erfordert, ist bei
Bohrlöchern
schwierig, die unter Einsatz von Verrohrungsbohren gebildet werden,
da die Verrohrung keinen Zementschwimmerschuh, auch als Zementschwimmerkragen
bekannt, enthält.
Da es erforderlich ist, ein Bohrloch mit Zement zu vervollständigen,
wurde der Zement durch die Verrohrung hinunter gepumpt und in dem
Ringraum gehalten, indem ein Druck innerhalb der Verrohrung bis
zum Aushärten
des Zements aufrechterhalten wurde.
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US-A-5
894 897 beschreibt einen Schwimmerkragen mit einem Einwegventil,
das in der Nähe des
Bohrers des Bohrstrangs installiert ist.
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Während frühere Through-Tubing-Zementschwimmerkrägen wie
die in den US Patenten Nr. 4 413 682, 5 323 858, 3 159 219 und 4
589 495 beschriebenen bekannt sind, sind diese Schwimmerkragen und
Verfahren zum Vervollständigen
bei Rohrbohroperationen nicht von Nutzen. Insbesondere ist ein Rohrstrang
mit inneren Einschnürungen zum
Einrasten eines Through Tubing-Schwimmerkragens
nicht für
den Gebrauch beim Verrohrungsbohren geeignet. Das Handhaben des
Rohrstrangs oder des Zementschwimmerkragens unter Einsatz eines
Rohrstrangs innerhalb der Verrohrung ist für die meisten Verrohrungsbohroperationen
nicht geeignet.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Es
wird ein Zementschwimmerkragen offenbart, der in das Bohrloch hinunter
positioniert und in einem Bohrlochvervollständigungsvorgang nach dem Bohren
eines Bohrlochs mit Verrohrung verwendet werden kann. Ein Bohrlochbohr-
und Vervollständigungsverfahren
wird ebenfalls offenbart. Der Zementschwimmerkragen wird zum Pumpen
in das Bohrloch hinunter bis zum Eingreifen in eine Aussparung,
die in der Verrohrung ausgebildet ist, Profilnippel genannt, hergestellt.
Daher ist keine Einschnürung
in der Verrohrung zum Aufnehmen oder Einrasten des Schwimmerkragens
erforderlich, und der Abschnitt der Verrohrung, der die Aussparung
enthält, kann
am Beginn des Bohrvorgangs installiert werden. Zusätzlich kann
der Profilnippel verwendet werden, um andere Bohrwerkzeuge eingreifen
zu lassen und kann daher bereits an Ort und Stelle sein, wenn die
endgültige
Bohrlochtiefe (TD) erreicht wird.
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Gemäß einem
allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zementschwimmerkragen
zum Gebrauch in einem Rohrstrang bereitgestellt, der zum Verrohren
eines Bohrlochs verwendet werden soll, wobei die Verrohrung eine
ringförmige Aussparung
an einem unteren distalen Ende aufweist, wobei die ringförmige Aussparung
einen Durchmesser hat, der größer ist
als der Durchmesser des Rohrstrangs, wobei der Zementschwimmerkragen
Folgendes aufweist: einen Hauptkörper,
der eine Bohrung hat, die sich von seinem oberen Ende zu seinem
unteren Ende erstreckt; eine Fließbeschränkungseinheit, die in die Bohrung
montiert werden kann, um den Fluss von Fluiden dadurch zumindest von
dem unteren Ende zun dem oberen Ende des Hauptkörpers zu verhindern, ein Dichtelement,
das um den Hauptkörper
angeordnet ist, einen radial nach außen vorgespannten Kragen, der
in einer ringförmigen
Ausnehmung um den Hauptkörper
gehalten wird, wobei der expandierte Außendurchmesser des Kragens
größer ist
als der Innendurchmesser des Rohrstrangs, in dem er verwendet werden
soll, wobei der Zementschwimmer mit dem in die Ausnehmung komprimierten
Kragen bemessen ist, um durch den Rohrstrang zu gehen, wobei das
Dichtelement eine Abdichtung zwischen dem Hauptkörper und dem Rohrstrang schafft,
wobei die Abdichtung ausreicht, um im Wesentlichen gegen Fluide
abzudichten, die zwischen dem Hauptkörper und dem Rohrstrang bei Fluiddrücken durchgehen,
die bei einer Bohrlochvervollständigungsoperation
angetroffen werden, und wobei der Kragen in die Aussparung des Rohrstrangs einrastbar
ist.
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Der
Kragen wird vorzugsweise aus einer äußeren Auflagefläche aus
dauerhaftem Werkstoff und einem inneren Abschnitt aus bohrbarem
Material gebildet. Diese Kombination von Materialien sorgt dafür, dass
der Kragen den Strapazen des Hinuntergehens in das Bohrloch standhält und in
die Aussparung eingreifen kann, dabei aber auch ausgebohrt werden
kann, um das Entfernen im Wesentlichen des ganzen Schwimmerkragens
bei Bedarf, zum Beispiel zum Erweitern des Bohrlochs, zu erlauben.
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Bei
einer Ausführungsform
hat die ringförmige
Ausnehmung einen geneigten oberen Abschnitt und einen geneigten
unteren Abschnitt, und der Kragen ist an seinem oberen Ende verjüngt, um
mit dem geneigten oberen Abschnitt der Ausnehmung zusammenzuwirken,
und ist an seinem unteren Ende verjüngt, um mit dem geneigten unteren
Abschnitt der Ausnehmung zusammenzuwirken, so dass sich der Kragen
zwischen den Hauptkörper
und den Rohrstrang, in dem der Zementschwimmer verwendet wird, klemmen
kann.
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Gemäß einem
weiteren allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs bereitgestellt, das Folgendes
umfasst: Bereitstellen eines Rohrstrangs mit einem bekannten Innendurchmesser
und darin eine ringförmige
Aussparung, die eine Durchmesser hat, der größer ist als der Innendurchmesser
des Rohrstrangs an einem unteren distalen Ende des Rohrstrangs,
wobei der Rohrstrang geeignet ist, in dem Bohrloch zu bleiben, um
es auszukleiden, und als Bohrstrang während des Bohrens des Bohrlochs
dienen kann, und eine Bohreinheit, die durch den Rohrstrang rückholbar
an dem unteren distalen Ende des Rohrstrangs verbunden ist; Bohren
eines Bohrlochs unter Einsatz der Bohreinheit; Zurückholen
der Bohreinheit zu der Oberfläche
durch den Rohrstrang, ohne Herausziehen des Rohrstrangs aus dem
Bohrloch; Bereitstellen eines Zementschwimmers, der ausgewählt ist,
um durch den Rohrstrang zu gehen und in der Aussparung einzurasten;
Pumpen des Zementschwimmerkragens durch den Rohrstrang, bis er in
der Aussparung einrastet, und Vervollständigen des Bohrlochs durch
Pumpen von Zement durch den Rohrstrang und den Zementschwimmerkragen.
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Der
Zementschwimmerkragen weist eine Bohrung auf und kann einen scherbaren
Schwimmerkragen in Abdichtposition innerhalb der Bohrung aufweisen.
Bei einer Ausführungsform
weist das Verfahren das Erhöhen
des Fluiddrucks über
dem Zementschwimmerkragen auf, sobald der Zementschwimmer in der
Aussparung eingerastet ist, um den scherbaren Schwimmerkragen von
der Bohrung zu scheren.
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Bei
einer Ausführungsform
weist das Verfahren ferner das Bohren durch den Zement und zumindest
einen Abschnitt des Zementschwimmerkragens auf, um das Bohrloch
nach dem Vervollständigen
des Bohrlochs zu erweitern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung, die oben kurz beschrieben
wurde, folgt unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen spezifischer
Ausführungsformen
der Erfindung. Diese Zeichnungen stellen nur typische Ausführungsformen
der Erfindung dar und können
daher nicht als ihren Geltungsbereich einschränkend betrachtet werden. In
den Zeichnungen:
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ist 1 ein
senkrechter Schnitt durch einen Abschnitt einer Bohrlochverrohrung
mit einem erfindungsgemäßen Zementschwimmerkragen
in einer Konfiguration zum Durchgehen durch die Bohrungsverrohrung,
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sind 2 und 3 senkrechte
Schnittansichten des Zementschwimmerkragens der 1 in eingerasteten
Positionen in einem Abschnitt der Bohrlochverrohrung. In 2 ist
das Schwimmerkragenventil offen und erlaubt das Durchfließen von
Fluiden nach unten durch den Schwimmerkragen, während das Schwimmerkragenventil
in 3 geschlossen ist und das umgekehrte Fließen verhindert,
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sind 4 und 5 perspektivische
Endansichten jeweils eines Kragens, der bei einem erfindungsgemäßen Zementschwimmerkragen
nützlich ist,
und
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sind
die 6A, 6B und 6C schematische,
senkrechte Schnitte durch ein Bohrloch, die das Verfahren der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen,
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ist 7 ein
senkrechter Schnitt durch einen Abschnitt der Bohrlochverrohrung
mit einem anderen erfindungsgemäßen Zementschwimmerkragen
in einer eingerasteten Position in einem Abschnitt der Bohrlochverrohrung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die 1 bis 3 ist ein
erfindungsgemäßer Zementschwimmerkragen 10 gezeigt.
Der Zementschwimmerkragen 10 wird ausgebildet, um durch
einen Strang von Verrohrungsrohren durchzugehen, von welchen ein
Abschnitt in 12a gezeigt ist. Die Verrohrungsrohre 12a haben
einen Standard-Mindestinnendurchmesser ID1, um die Größe eines Werkzeugs, das durchgehen kann,
nicht einzuschränken.
Eine ringförmige
Aussparung 14 (2 und 3) wird
zum Beispiel durch Fräsen
in einem Profilnippel 12b gebildet, der sich zum Beispiel
durch Gewindeverbindungen mit dem Rohrstrang verbinden kann. Der
Durchmesser D2 in der Aussparung 14 ist
etwas größer als
der Mindestinnendurchmesser des Rohrstrangs. Der Zementschwimmerkragen
wird gebildet, um durch einen Strang von Rohren gepumpt zu werden
und in die ringförmige
Aussparung einzurasten und in ihr gehalten zu werden, wie unten
kompletter beschrieben wird. Die ringförmige Aussparung ist ausgebildet,
um es dem Zementschwimmerkragen zu erlauben, ungeachtet der Drehausrichtung
des Schwimmerkragens in der Verrohrung aufgenommen zu werden.
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1 zeigt
den Zementschwimmerkragen in einer Position, während er durch einen Abschnitt
der Verrohrung bewegt wird, während
die 2 und 3 den Zementschwimmerkragen 10 in
der Verrohrung in der ringförmigen
Aussparung eines Profilnippels gesichert zeigen.
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Der
Zementschwimmerkragen 10 weist einen Hauptkörper 16 auf,
der eine Längsbohrung 18 hat,
die sich von seinem oberen Ende 16' zu seinem unteren Ende 16'' erstreckt. Der Hauptkörper 16 ist bemessen,
um leicht durch ID1, die Größe der Verrohrung,
in der er verwendet werden soll, durchzugehen. Um das Herstellen
zu erleichtern, wird der Hauptkörper
vorzugsweise aus mehreren Teilen gebildet, die zum Beispiel einen
oberen Abschnitt 16a und einen unteren Spindelabschnitt 16b aufweisen. Die
Teile 16a und 16b können miteinander in einer Art
verbunden werden, die eine steife Verbindung zwischen ihnen bereitstellt.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform
werden die Abschnitte 16a und 16b an der Gewindeverbindung 20 miteinander
verbunden. Die Teile 16a und 16b können aus
jedem beliebigen Werkstoff hergestellt werden, der zumindest kurzfristig
den Bedingungen beim Hinuntergehen in das Bohrloch standhält. Bei
bestimmten Ausführungsformen
müssen
die Teile 16a, 16b ebenfalls aus Werkstoffen hergestellt
werden, die gebohrt werden können,
wie zum Beispiel aus Aluminium oder Polyvinylchlorid.
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Ein
Schwimmerventil wird in der Bohrung 18 positioniert, um
einen Fluss nur in eine Richtung von dem oberen Ende 16' zu dem unteren
Ende 16'' zu gestatten.
Während
andere Einwegventile, wie zum Beispiel Kugelventile nützlich sind,
weist das veranschaulichte Ventil ein Klappenventil 22 auf,
das über einen
Scharnierstift 24 an dem Klappenventilgehäuse 26 montiert
ist. Wie der Fachmann versteht, ist das Klappenventil 22 ausgebildet,
um gegen einen Sitz 26' abzudichten,
der von dem Gehäuse 26 gebildet
wird, wenn sich ein Fluss von Fluid durch die Bohrung in eine Richtung
von dem unteren Ende 16'' zu dem oberen
Ende 16' (3)
bewegt. Das Klappenventil 22 wird normal durch eine Feder 27,
wie zum Beispiel eine Torsionsfeder, die um den Scharnierstift 24 wirkt,
in der Dichtposition gegen den Sitz 26' vorgespannt. Die Bohrung 18 wird
in 28 vergrößert, um das
Klappenventilgehäuse 26 aufzunehmen.
Das Klappenventilgehäuse 26 wird
in der Bohrung durch Anliegen gegen den unteren Abschnitt 16b in
Position gehalten, wo es in Eingriff mit dem oberen Abschnitt 16a geschraubt
wird. Andere Ventiltypen, wie zum Beispiel Kugelventile, können nach
Wunsch verwendet werden, sofern sie dauerhaft genug sind, um dem
Durchgehen von Zement standzuhalten.
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Zum
Pumpen in das Bohrloch hinunter wird ein freigebbarer Stopfen 30 angeordnet.
Der freigebbare Stopfen 30 wird ausgewählt, um innerhalb der Bohrung 18 bis
zu einem ausgewählten
Maximaldruck in der Verstopfposition zu verbleiben. Bei Drücken über dem
ausgewählten
Maximaldruck wird der Stopfen 30 aus der Bohrung 18 getrieben.
Obwohl viele geeignete durch Druck freigebbare Stopfen bekannt sind,
weist der veranschaulichte Schwimmerkragen einen Stopfen mit einem
Flansch 32 eingefügt zwischen
das Ventilgehäuse 26 und
den unteren Abschnitt 16b auf. Der Stopfen wird durch Eingreifen des
Flanschs 32 gegen die Schultern, die von dem Ventilgehäuse 26 und
dem unteren Abschnitt 16b gebildet werden, sowie durch
Reibungseingriff des Körpers
des Stopfens 30 gegen die Wände der Bohrung 18 gehalten.
Wenn die Drücke,
die gegen den Stopfen wirken, über
den ausgewählten
Maximaldruck erhöht
werden, wird der Flansch von dem Stopfenkörper abgeschert, und die Kraft
des Reibungseingreifens zwischen dem Stopfen 30 und den
Bohrungswänden
wird überwunden,
so dass der Stopfen aus der Bohrung 18 ausgeworfen wird.
Der Stopfen kann durch verschiedene Mittel an Ort und Stelle gehalten werden,
wie zum Beispiel durch Scherschrauben. Bei einer anderen Ausführungsform
wird an Stelle eines Stopfens, der ausgeworfen wird, eine Berstscheibe verwendet.
Bei einer Standard-Vervollständigungsoperation
ist der ausgewählte
Maximaldruck zum Auswerfen des Stopfens größer als der normale Druck, der
erforderlich ist, um den Stopfen in die Verrohrung hinunter zu pumpen,
der normalerweise kleiner ist als 3,45·106 Pa
(500 psi). Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der freigebbare
Stopfen 30 ausgewählt,
um in der Bohrung zu verbleiben, außer wenn Fluiddrücke über dem
Stopfen etwa 6,9·106 Pa (1000 psi) überschreiten.
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Ein
Kragen 36 wird um den Hauptkörper montiert und radial nach
außen
von diesem vorgespannt, um in die Aussparung 14 des Profilnippels einzugreifen.
Unter weiterer Bezugnahme auf die 4 und 5 weist
der Kragen 36 einen äußeren C-Ring 38 und
daran befestigt, wie zum Beispiel durch Befestigungen 39,
mehrere beabstandete Anschläge 40 auf.
Der Kragen 36 wird von dem C-Ring 38, der einen
expandierten Außendurchmesser
größer als
D2 hat, nach außen vorgespannt.
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Die
Räume zwischen
den Anschlägen 40 erlauben
es dem Kragen, gegen die Federkraft in dem C-Ring 38 komprimiert
zu werden, um in ID1 des Rohrstrangs zu
passen. Die Federkraft in dem C-Ring 38 wird so ausgewählt, dass,
wenn der Kragen in die Bohrung eines Rohrstrangs komprimiert wird,
die Kraft, die von dem Kragen nach außen ausgeübt wird, überwunden werden kann, um den
Kragen und den Schwimmerkragen durch den Rohrstrang durch Anlegen
eines Fluiddrucks von etwa 3,45·106 Pa
(500 psi) an den Zementschwimmerkragen zu bewegen. Der C-Ring braucht
nur die Kraft zu haben, sich in die Aussparung, wenn sie erreicht wird,
zu expandieren.
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Der
C-Ring 38 hat eine Länge
zwischen seiner Vorderkante 38' und seiner Hinterkante 38'', die kleiner ist als die Breite
w der Aussparung 14, so dass sich der C-Ring in die Aussparung
expandieren kann. Die Aussparung 14 wird mit einer Wand 14' ausgebildet,
die allgemein abrupt von D2 auf ID1 übergeht.
Die exponierte Ecke 41 der Wand 14' kann wie gezeigt gerundet werden,
um das Bewegen der Ausstattung darüber hinaus, zum Beispiel während des
Bohrens zu erlauben. Der Radius sollte jedoch nicht so groß sein,
dass er das feste Einrasten des C-Rings in die Aussparung 14 verhindert
oder gefährdet.
Wenn sich der C-Ring in die Aussparung 14 expandiert, rastet
er in sie durch Anstoßen
der Vorderkante 38' gegen
die Wand 14' der
Aussparung 14 (2) ein. Das Aufwärtsbewegen
des Zementschwimmerkragens 10 wird durch das Anstoßen der Kante 38'' gegen die obere Wand der Aussparung (3)
eingeschränkt.
Während
die obere Wand der Aussparung vorzugsweise abrupt von D2 auf ID1 übergeht,
kann es erforderlich sein, diese Wand als Abschrägung auszubilden, um das Verfangen
von Bohrausrüstung
an der Wand zu vermeiden. Die Rampe sollte jedoch nicht mit dem
sicheren Einrasten des Kragens in die Aussparung interferieren.
Die Vorderkante 38' ist
vorzugsweise gebogen, wie zum Beispiel durch Walzen, um die Bewegung
durch den Rohrstrang und über
Unterbrechungen, wie zum Beispiel Verrohrungsverbindungen, zu erleichtern.
Jede solche Krümmung
muss jedoch einen eingeschränkten
Radius haben, um ein Interferieren mit dem sicheren Einrasten des
C-Rings in die Aussparung 14 und Anliegen gegen die Wand 14' zu vermeiden. Während ein
Zementstopfen, der nicht bohrbar ist, verwendet werden kann, ist
es bei den meisten Anwendungen erforderlich, dass der Stopfen herausnehmbar
ist, um das Bohrloch zu erweitern. Bei einer Ausführungsform
werden die Anschläge
aus leicht bohrbaren Werkstoffen hergestellt, wie zum Beispiel aus
Aluminium oder Verbundwerkstoffen, wie zum Beispiel Glasfaser. Die
Befestigungen werden ebenfalls aus bohrbarem Werkstoff, wie zum
Beispiel aus Messing hergestellt. Da bohrbare Werkstoffe jedoch im
Allgemeinen schwach und empfindlich sind, insbesondere was Spannung
betrifft, können
sie eventuell nicht in der Lage sein, entlang der Verrohrungswand
zu laufen, ohne zu versagen, und nicht die Federspannung besitzen,
die zum Funktionieren des Kragens erforderlich ist. Der C-Ring wird
daher vorzugsweise aus einem dauerhaften Werkstoff hergestellt,
der den Strapazen des Durchgehens in das Bohrloch hinunter in Eingriff
mit der Verrohrungswand standhält,
während
der Werkstoff auch Federspannung hat, wie zum Beispiel Federstahl.
Der C-Ring braucht nicht aus bohrbaren Werkstoffen hergestellt zu
werden, da er sich in der Aussparung für ein Bohrwerkzeug unerreichbar
befindet, falls eines zum Entfernen des Zementstopfens von der Verrohrung
verwendet werden sollte.
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Der
Kragen 36 wird in einer ringförmigen Ausnehmung 42 auf
dem Hauptkörper 16 zurückgehalten.
Die ringförmige
Ausnehmung 42 ist im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse
10× des Hauptkörpers positioniert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Ausnehmung 42 mit einem geneigten frusto-konischen
unteren Abschnitt 46 ausgebildet. Anschläge 40 werden
mit verjüngten Enden 40' ausgebildet,
so dass die Innenflächen
des Kragens auch zwei allgemein frusto-konische Flächen definieren,
die ausgewählt
werden, um im Wesentlichen zu der Fläche der Ausnehmung zu passen.
Das Bewegen des Schwimmerkragens 10 durch den Kragen 36 wird
durch das Zusammenwirken der verjüngten Enden 40' mit frusto-konischen Abschnitten 44, 46 der
Ausnehmung 42 eingeschränkt.
Insbesondere bewirkt die Bewegung des Schwimmerkragens durch den
Kragen, dass die Anschläge 40,
wie in 2 und 3 gezeigt, zwischen den Schwimmerkragenkörper 16 und
den Profilnippel 12b geklemmt werden.
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Um
das Durchgehen des Zementschwimmerkragens durch den Rohrstrang zu
erleichtern, weist die Ausnehmung 42 vorzugsweise eine
Stoppwand 48 auf, gegen welche die Anschläge 40 anstoßen, wenn
sie sich in der komprimierten Position befinden. Die Stoppwand 48 verhindert
das Bewegen des Kragens 6 aufwärts auf dem Zementschwimmerkragen-Hauptkörper und
dadurch das Verklemmen der Anschläge zwischen dem Hauptkörper und
der Verrohrung.
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Um
Fluidfluss zwischen dem Zementschwimmerkragen 10 und dem
Rohrstrang 12a während
des Hinunterpumpens und Pumpens zwischen dem Zementschwimmerkragen 10 und
Profilnippel 12b bei der Position in der Aussparung 14 zu
verhindern, werden mehrere Dichtungen 50a, 50b um
den Zementschwimmerkragen-Hauptkörper
bereitgestellt.
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Es
ist klar, dass die Dichtungen bemessen sind, um sich von dem Hauptkörper nach
außen
in dichtendem Eingriff mit der Verrohrung zu erstrecken, wenn der
Zementschwimmerkragen in einem Strang von Rohren positioniert wird.
Die Dichtungen 50a, 50b werden in eine Ausnehmung
montiert, die in dem Hauptkörper
ausgebildet ist, und werden von einem Gewindeschalenrückhalter 52,
einem Koppelring 54 und einem Abstandsring 56 in
Position gehalten. Weitere sichere Montageanordnungen können nach Wunsch
verwendet werden. Die Dichtungen 50a, 50b sind
jeweils Dichtungen des Schalentyps. Die Dichtung 50a ist
eingerichtet, um gegen das Durchgehen von Fluid in eine Richtung
abwärts
in das Bohrloch zu wirken, während
die Dichtungen 50b eingerichtet sind, um gegen das Durchgehen
von Fluid in dem Bohrloch aufwärts
zu wirken. Obwohl drei Dichtungen des Schalentyps in der veranschaulichten
Ausführungsform
verwendet wurden, können
andere Anzahlen und Typen von Dichtungen verwendet werden, sofern
sie eine Abdichtung gegen das Durchgehen von Fluiden zwischen dem
Zementschwimmerkragen und der Verrohrung schaffen. Selbstverstärkende Dichtungen,
wie zum Beispiel Schalendichtungen, werden vorgezogen, weil die
Arbeit mit ihnen einfach ist und sie das Pumpfördern des Schwimmerkragens
erleichtern. Andere Dichtungen, wie zum Beispiel Stopfdichtungen,
könnten
verwendet werden, erfordern jedoch eventuell Verstärken, wie
zum Beispiel durch Pumpdruck, Bohrrohr oder Verrohrung usw.
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Die
Dichtungen müssen
signifikanten Drücken
standhalten können,
die man bei dem Bohrloch-Vervollständigungsvorgang
antrifft. Bei einer Ausführungsform
müssen
die Dichtungen zum Beispiel etwa 6,9·106 Pa
(1000 psi) von oben her während
des Scherens des Stopfens 30 standhalten, und wenn sie
den Zement in dem Ringraum an Ort und Stelle halten, müssen die
Dichtungen typischerweise 13,7·106 Pa (2000 psi) von unten her standhalten, manchmal
aber sogar 20,7·106 Pa (3000 psi) von unten her.
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Der
nach unten gepumpte Zementschwimmer 10 ist beim Verrohrungsbohren
von Nutzen. Unter Bezugnahme auf 6A, wird
der Bohrlochrohrstrang 12a beim Bohren mit Verrohren als
Bohrstrang verwendet und danach als Bohrlochverrohrung. Das Bohrloch 58 wird
unter Einsatz des Rohrstrangs 12a mit einer Bohreinheit 60,
die an dem distalen Enden des Rohrstrangs befestigt ist, das als
ein Profilnippel 12b ausgebildet ist, gebildet. Die Bohreinheit
kann von dem unteren distalen Ende des Bohrstrangs ohne Herausziehen
des Rohrstrangs aus dem Bohrloch, das durch die Bohreinheit 60 gebildet
wird, entfernt werden. Die Verrohrung muss offen sein, um das Durchgehen
und Handhaben der Bohreinheit zu gestatten. Die Aussparung 14 in
dem Profilnippel 12b schränkt das Durchgehen und das
Handhaben der Bohreinheit nicht ein und kann auf dem Rohrstrang zu
Beginn der Bohroperation installiert werden, und das Bohrloch wird
unter Einsatz eines Rohrstrangs mit ringförmiger Aussparung 14 an
einem unteren distalen Ende an der Stelle, an der ein Zementschwimmer
während
einer Vervollständigungsoperation
liegen soll, gebohrt. Als Beispiel kann die ringförmige Aussparung 14 etwa
9,14 bis 12,2 m (30 bis 40 Fuß)
von dem distalen Ende des Rohrstrangs entfernt angeordnet werden.
Der Profilnippel kann andere Ausnehmungen für den Gebrauch beim Sichern anderer
Werkzeuge, die in das Bohrloch hinuntergehen, aufweisen.
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Wenn
das Bohren beendet ist und man wünscht,
den Ringraum zwischen der Verrohrung und dem Bohrloch abzudichten,
wird die Bohreinheit durch den Rohrstrang entfernt, während man
den Rohrstrang in dem Bohrloch an Ort und Stelle lässt. Die
Aussparung 14 mit einem Durchmesser größer als der Durchmesser des
Rohrstrangs verhindert das Durchgehen der Bohreinheit und anderer
Werkzeuge, die unten im Bohrloch sind, nicht.
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Unter
Bezugnahme auf die 6B und 1 und nach
dem Entfernen der Bohreinheit, wird ein Zementschwimmer 10 zum
Hinunterpumpen ausgewählt,
der dichtend durch den Rohrstrang gehen und in die Ausnehmung 14 einrasten
kann. Der ausgewählte
Zementschwimmer wird in den Rohrstrang durch Komprimieren des Kragens 36 in
die Ausnehmung 42 und hinter die Stoppwand 48,
so dass der Schwimmerkragen in ID1 des Rohrstrangs
passt, eingefügt.
Der Druck des Fluids, wie zum Beispiel Zementbrei oder Wasser (angezeigt
durch den Pfeil A), wird gegen das obere Ende 16' des Schwimmers 10 gesteigert,
um ihn durch den Rohrstrang zu bewegen. Der Fluiddruck wirkt gegen
die Dichtung 50b, den Hauptkörper 16 und den Stopfen 30,
um den Schwimmer gegen die Kraft des C-Rings 38, der in die Rohrstrangwand
eingreift, zu treiben. Drücke
zwischen etwa 0,345·106 Pa (50 psi) und 3,45·106 Pa (500
psi) sind erforderlich, um einen Schwimmerkragen wie in 1 gezeigt
durch einen Rohrstrang zu bewegen.
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Der
Zementschwimmer 10 wird durch den Rohrstrang gepumpt, bis
der Kragen 36 landet und sich in der Aussparung 14,
wie in den 2, 3 und 6C gezeigt,
erweitert. Wenn das eintritt, wird der Zementschwimmer durch Anstoßen der
Vorderkante 38' gegen
die Aussparungswand 14' und
darauf folgendes Verklemmen der Anschläge 40 zwischen dem
Verrohrungsprofilnippel 12b und dem Hauptkörper 16 gestoppt.
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Zum
Vorbereiten des Zementschwimmers zum Regulieren des Flusses des
Zements, wird der Druck des Fluids (angezeigt durch den Pfeil B) über dem
Zementschwimmerkragen auf einen ausgewählten Druck gesteigert, um
den Stopfen 30 auszuscheren und es dem Fluid zu gestatten,
durch die Bohrung 18 des Schwimmerkragens zu fließen. Der
umkehrende Fluidfluss zur Oberfläche
bewirkt das Aufsitzen des Klappenventils 22. Der Zement
kann dann in das Bohrloch durch den Zementschwimmer 10 und
bis zu dem Ringraum um den Rohrstrang gepumpt werden, um das Bohrloch
zu vervollständigen.
Ein Verlagerungsstopfen (nicht gezeigt) kann nach dem Zement hinunter
gepumpt werden und landet auf dem Zementschwimmer. Wenn der Druck
an der Oberfläche aufhört, tendiert
der Zement in dem Ringraum dazu, Druck auszuüben, um sich in die Verrohrung
zurückzubewegen,
was „U-Verrohren" genannt wird. Das bewirkt,
dass das Klappenventil 22 gegen den Sitz 26' abdichtet und
den Zement in dem Ringraum hält. Sollte
sich der Zementkragen 10 in der Aussparung 14 nach
oben bewegen, werden die Anschläge 40 zwischen
der oberen konischen Fläche 44 der
Ausnehmung und dem Profilnippel 12b verklemmt, um ein weiteres
Bewegen des Schwimmerkragens zu verhindern. Die Dichtungen 50b hindern
den Zement daran, um den Schwimmerkragen herumzugehen.
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Das
Bohrloch kann gebohrt werden, der Zementschwimmer kann angebracht
und das Bohrloch kann vervollständigt
werden, und all das ohne Entfernen des Rohrstrangs aus dem Bohrloch.
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Wünscht man
später,
das Bohrloch zu erweitern, kann man wieder eine Bohreinheit in den
Rohrstrang geben. Der Zementschwimmer 10, der vorzugsweise
aus bohrbaren Werkstoffen hergestellt ist, wie zum Beispiel aus
Verbundwerkstoffen, Aluminium, Messing und/oder Polymeren, kann
mit dem gehärteten
Zement gemeinsam herausgebohrt werden. Da die Aussparung einen Durchmesser
hat, der größer ist
als der des Rohrstrangs, kann der Bohrvorgang die Verrohrung bis
im Wesentlichen zu ihrem Originalinnendurchmesser ohne Interferieren
durch den Zementschwimmer oder die Aussparung aufweiten.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Zementschwimmers 300 ist
in 6 gezeigt. Der Zementschwimmer 300 weist
einen Hauptkörper 316 mit einer
axialen Bohrung 318 auf. Ein freigebbarer Stopfen 30 (der
beim Auswerfen aus der Bohrung gezeigt ist) und ein Kragen 36 sind
wie oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
Das Beschränken
des Flusses in eine Richtung durch den Schwimmer wird durch einen Verlagerungsstopfen 320 bereitgestellt.
Der Verlagerungsstopfen 320 kann in das Bohrloch hinunter
gepumpt werden und rastet in die Bohrung 318 ein. Insbesondere
weist der Stopfen 320 Dichtungen 324 auf, die
sich von ihm aus erstrecken, um eine Abdichtung gegen die Verrohrung
bereitzustellen und dadurch das Pumpen in das Bohrloch hinunter
zu erleichtern. Das Vorderende 320' des Stopfens ist bemessen, um
in die Bohrung 318 eingesetzt werden zu können, und
hat mehrere Haken oder Rippen 326, die sich von ihm aus
erstrecken und sicher in mehrere der Aussparungen 328,
die in dem oberen Ende der Bohrung 318 ausgebildet sind,
eingreifen. Andere Eingreifanordnungen können verwendet werden, wie
zum Beispiel ein Schnappring an Stelle der Aussparungen. Das Eingreifen
zwischen den Haken 326 und den Aussparungen 328 ist
stark genug, um den Stopfen 320 in der Bohrung gegen die
Drücke
von typischerweise weniger als 13,7·106 Pa
(2000 psi) zu halten, vorzugsweise aber von unten bis 20,7·106 Pa (3000 psi).
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Beim
Gebrauch wird der Hauptkörper 316 mit
dem freigebbaren Stopfen 30 in der Bohrung 318 nach
unten gepumpt, bis sich der Kragen 36 in die Aussparung 14 expandiert.
Der Druck wird gesteigert, bis der freigebbare Stopfen 30 von
der Bohrung 318 abgeschert wird. Zement wird dann in das
Bohrloch hinunter durch den Rohrstrang und die Bohrung 318 des
Zementschwimmers 300 gepumpt. Sobald die richtige Menge
an Zement nach unten gepumpt wurde, wird der Verlagerungsstopfen 320 gestartet und
nach dem Zement nach unten gepumpt, bis er in die Bohrung 318 des
Hauptkörpers 316 einrastet.
Der Stopfen 320 wirkt gegen das U-Verrohren des Zements.
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Es
ist klar, dass viele andere Änderungen
an den veranschaulichten Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
die in den Geltungsbereich der Erfindung fallen, und alle solche Änderungen
sollen durch die anliegenden Ansprüche gedeckt werden.