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Vorrichtung zum Auszementieren eines Bohrloches
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auszementieren eines Bohrloches mit einem Ring- bzw. Halsstück, welches an einem Gehäusestrang befestigt werden kann, einem Sitz, welcher in diesem Halsstück im Wege der durch das Halsstück durchströmenden Flüssigkeit angeordnet ist, wobei dieser Sitz eine Öffnung für den Durchtritt der Flüssigkeit hat, und einem mit der Flüssigkeit im Gehäuse beweglichen und in den Sitz in Eingriff bringbaren Pfropfen.
Bisher war es beim Einführen von Bohrlochauskleidungen in ein Bohrloch und beim Einzementieren der Auskleidung an Ort und Stelle üblich, einen Schuh am unteren Ende des Gehäuses oder einen ringförmigen Teil bzw. Kragen an einer in einer gewissen Entfernung oberhalb vom untersten Punkt liegenden Stelle vorzusehen, wobei Einrichtungen zur Kontrolle der Zuströmgeschwindigkeit von Bohrlochflüssigkeiten in das Gehäuse vorgesehen waren, wenn sich das Gehäuse in dem Bohrloch abwärts bewegt. Derartige Gehäuse- schuhe bzw.
Gehäuseringe sind auch stets mit einem Rückschlagventil versehen, welches so ausgestaltet ist, dass dadurch eine Spülflüssigkeit durch das Gehäuse abwärts und durch den ringförmigen Spalt ausserhalb des Gehäuses aufwärts strömen kann, wobei dieses Rückschlagventil dazu dient, den Rückfluss von Zement in das Gehäuse zu verhüten, wenn der Zement an seinen Platz gebracht ist und die Pumpen an der Oberfläche abgestellt worden sind.
Bisher waren bei den üblichen Gehäuseschuhen und-ringen mit einem Rückschlagventil im Schuh bzw. Ring die Konstruktionen ziemlich kompliziert infolge der Notwendigkeit, das Rückschlagventil während des Zeitraumes, wenn das Gehäuse in das Loch eingefahren wird, ausser Tätigkeit zu halten, während das Rückschlagventil durch das Pumpen von Flüssigkeit abwärts durch den Strang freigesetzt werden musste.
Zusätzlich waren der Ventilsitz des Rückschlagventils ebenso wie das Ventil selbst - welches meist als Kugelventil ausgebildet war-der Abnützung durch die aufwärtsströmende Flüssigkeit durch die Einrichtung beim Einfahren des Gehäuses ausgesetztund ausserdem der Abnützung durch die Flüssigkeit, welche durch den Gehäusestrang abwärts gepumpt wild, sowie schliesslich auch der Abnützung durch die Zementfüllung, wenn diese durch das Rückschlagventil eingepumpt wird.
Es wurden daher bekanntlich infolge der wesent- lichen Abnützungswirkungen der durch die üblichen Rückschlagventile strömenden Flüssigkeiten diese Ventile oft infolge der Abnützung ausser Tätigkeit gesetzt, wenn die Pumpen an der Oberfläche nach Einbringung der Zementfüllung abgestellt wurden, und es musste daher von der Oberfläche her der Druck aufrechterhalten werden, da sonst der Zement infolge der im Bohrloch herrschenden Druckverhältnisse daraus wieder herausgedrückt und durch die nicht mehr wirksamen Kontrollventilein den Gehäusestrang gepresst werden konnte.
Erfindungsgemäss weist der Pfropfen ein Rückschlagventil auf, das Flüssigkeit durch den Pfropfen in Richtung zur Bohrlochsohle strömen lässt und den Durchfluss durch den Pfropfen in Richtung zum doraloch- mund sperrt. Der Pfropfen befindet sich hiebei in der Flüssigkeitssäule, welche in das Loch gepumpt wird, zwischen der Spülflüssigkeit und dem Auskleidungszement, wodurch er dazwischen eine sich mit der Flüssigkeitssäule mitbewegende Trennungssehranke bildet. Wenn das mit dem Pfropfen kombinierte Rückschlagventil den Gehäuseschuh bzw. Gehäusering erreicht, wird es daran festgehängt.
Hierauf wird nur noch der Zement, welcher eingebracht werden soll, durch den mit dem Rückschlagventil kombinierten Bodenpfropfengepumpt, so dass dadurch ein sicheres Funktionieren des Ventils nach Abstellen der Pumpen an der Oberfläche tatsächlich gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung Sperrstüeke auf, welche ausstossbar im Pfropfen gelagert sind, um den Durchfluss der Flüssigkeit durch das Rückschlagventil in Richtung Bohrlochmuhd zu verhindern, während sich der Pfropfen mit der Flüssigkeit im Gehäuse bewegt.
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Zweckmässigerweise ist eine in die Öffnung des Sitzes hineinragende Membran vorgesehen, welche mit einer Nase des Pfropfens in Eingriff kommt, wenn der Pfropfen im Sitz einrastet, um das Durchströmen von Flüssigkeit zwischen Pfropfen und Sitz zu verhindern.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Fig. 1 stellt ein Bohrloch dar, in welches gerade ein Gehäusestrang eingeführt wird, dessen Unterteil im Schnitt gezeigtist. Dieses Gehäuse ist mit einem Schuh versehen, welcher eine Drosseleinrichtung und einen Sitz für einen mit einem Ventil kombinierten Bodenpfropfen aufweist, wobei
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nimmt. Fig. 2 ist ein vergrösserter Längsschnitt, welcher die Drosseleinrichtungund denPropfensitzim Detail zeigt. Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 2, zeigt aber die Drosseleinrichtung mit dem Klappventil in einer Stellung, in welcher sie bereits aus dem Gehäuseschuh entfernt ist, wie dies der Fall ist, wenn mit dem Niederpumpen von Flüssigkeit durch das Gehäuse begonnen wird.
Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 1 und zeigt ein mit einem Bodenpfropfen kombiniertes Rückschlagventil sowie einen oberen Pfropfen mit einer Zementsäule dazwischen, wobei die Drosseleinrichtung aus dem Gehäuseschuh entfernt ist. Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich den Fig. 1 und 4 mit einem in den Sitz eingerasteten Bodenpfropfen, wobei der obere Pfropfen über den Bodenpfropfen gesetzt ist und das Rückschlagventil in Tätigkeit ist, um den Zement im Raum ausserhalb des Gehäuses zurückzuhalten, wie dies der Fall ist, wenn mit dem Einbringen des Zementes aufgehört wird.
Fig. 6 ist ein vergrösserter Längsschnitt, welcher insbesondere die Einzelheiten des mit dem Bodenpfropfenkombinierten Rückschlagventils und des Sitzes hiefür zeigt, wobei sich der mit dem Rückschlagventil kombinierte Bodenpfropfengerade oberhalb des Sitzes befindet, wie dies der Fall
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7Gehäuseschuhes durchgefallen ist. Fig. 8 ist ein vergrösserter Längsschnitt entsprechend Fig. 7, bei welchem das Rückschlagventil auf seinem Sitz befindlich gezeigt ist. Fig. 9 ist ein Querschnitt entlang der Linie 9-9 von Fig. 8. Fig. 10 ist ein Querschnitt entlang der Linie 10-10 von Fig. 8.
Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, weist der untere Teil eines Gehäuse- bzw. Rohrstranges C eine Rammnase 2 auf, die beispielsweise durch ein Ringstück 1 befestigt ist. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass gemäss der vorliegenden Erfindung das Stück 2 auch im Gehäusestrang C an einem Punkt angeordnet sein kann, welcher sich oberhalb des untersten Teiles befindet, so dass das im folgenden beschriebene Gerät dann einen Zementierring bildet, zum Unterschied von einem Zementierschuh, wie dies bekannt ist.
Gewöhnlich wird beim Einführen eines Gehäusestranges in ein Bohrloch der Gehäusestrang in das Loch in aufeinanderfolgenden Teilschritten eingeführt, welche sich durch die Länge jedes neuen angefügten Ge- häusestückes ergeben. Während des Absenkens des Gehäusestranges wird die im Bohrloch vorhandene Flüssigkeit aufwärts in den Gehäusestrang einströmen und vorzugsweise sind gewöhnlich Mittel vorgesehen, um das Einströmen der Bohrlochflüssigkeit in das Gehäuse zu begrenzen oder zu drosseln, um so zu vermeiden, dass sich Flüssigkeitsfontänen aus dem oberen Ende des Gehäusestranges auf den Boden des Bohrturmes ergiessen.
In der Rammnase 2 ist eine Drosseleinrichtung 3 in einem zentralen zylindrischen Sockel 4 angeordnet. Wie insbesondere Fig. 2 zeigt, besteht die Drosseleinrichtung 3 aus einem im allgemeinen zylindrisch geformten Kautschukkörper 5, welcher an seinem oberen Ende ein flexibles Diaphragma 6 besitzt, welches mit einer zentralen Öffnung 7 versehen ist. Vorzugsweise ist der Körper 5 über einen zylindrischen metallischen Verstärkungstell 8 geformt, dessen Oberteil einen sich radial einwärts erstreckenden Verstärkungflansch 9 aufweist, welcher sich teilweise in das Diaphragma 6 erstreckt.
Die Rammnase 2 ist mit einem Schulterstück 10 versehen. Zwischen diesem Schulterstück und dem oberen Ende der Drosseleinrichtung 3 befindet sich eine flexible Scheibe oder ein Klappventil11, versehen mit einem äusseren Montierring 12, welcher zwischen dem Schulterstück 10 und dem Oberteil des Körpers 5 der Drosseleinrichtung eingeklemmt ist, und einer Klappe 13, welche auf einer Seite einer Öffnung 14 mit dem Ring 12 flexibel verbunden ist. Vorzugsweise bildet die Klappe 13 einen Teil des Ringes 12 und ist aus Kautschuk oder anderem flexiblem Material gebildet, wobei der Mittelteil der Klappe 13 mit einer Metalleinlage 15 verstärkt ist, welche eine zentrale Öffnung 16 besitzt.
Das Diaphragma 6 ist so konstruiert, dass es demDurchströmen von Flüssigkeit aufwärts durch die zentrale Öffnung 7 Widerstand entgegensetzt und sich gewöhnlich in der Stellung befindet, die strichliert in Fig. 2 angedeutet ist ; wenn ein Druck aufwärts darauf wirkt, wie dies beispielsweise bei sehr schnellem
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Absenken des Gehäusestranges C der Fall sein kann, wird das Diaphragma 6 aufwärtsgebogen, wie dies in vollausgezogenen Linien in Fig. 2 angedeutet ist, und die Öffnung 7 wird vergrössert, um den Durchtritt einer grösserenFlüssigkeitsmenge zu ermöglichen, wodurch vermieden wird, dass auf die Wand W des Bohrloches zu starke Druckstösse wirksam werden.
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wie z.
B. die zunächst darin enthaltene Bohrtrilbe, auszuspülen. Unter diesen Umständen ist es wünschenswert, dass die Öffnung durch den Gehäuseschuh bzw. Gehäusekragen so gross als möglich ist. Demgemäss wird sich das Klappventil 11 bei Beginn des Abwärtsströmens der Flüssigkeit durch das Gehäuse schliessen und es entsteht genügend Druck oberhalb des Ventils 11, so dass das Ventil 11. und die Drosseleinrichtung 3 vom Sockel 4, wie in Fig. 3 gezeigt, nach unten gepresst werden, wodurch die Rammnase 2 im wesentlichen von jeglichem Hindernis für den abwärtsgerichteten Flüssigkeitsstrom befreit wird.
Der Gehäusering 1 ist mit einem Innenflansch 17 versehen, und unterhalb des Flansches 17 dicht an diesen anschliessend befindet sich ein ringförmiger Sitz 18 mit einer konischen Sitzfläche 19, welche zu einer zentralen Öffnung 20 durch den Sitz 18 hin konvergiert. Unterhalb des Sitzes 18 ist eine ringförmige Platte 21 mit einer zentralen Öffnung 22 angeordnet, welche Öffnung im allgemeinen dem Durchmesser der Öffnung 20 entspricht. Die Platte 21 weist einen axial vorspringenden Flansch 23 auf, welcher sich aufwärts teilweise in eine Aussparung 24 an der inneren Peripherie des Sitzes 18 erstreckt und so einen ringförmigen Kanal bildet, in welchem ein Federsprengring 25 befestigt ist.
Unterhalb der Platte 21 ist eine elastische Verschlussmembran oder ein Diaphragma 26 angeordnet, welches eine zentrale Öffnung 27 besitzt. An ihrem äusseren Umfang ist die Membran 26 mit einem vorspringenden Befestigungsflansch 28 versehen, welcher so abgeschrägt ist, dass er in einen konischen Kanal 29 eingreifen kann, welcher zwischen dem Ringstück 1, dem Sitz 18 und der Platte 21 vorgesehen ist.
Um den Sitz 18 am Platz zu halten, wenn sich die Platte 21 und die Membran 26 an ihrem Platz befinden, und um diese gegen den Flansch 17 des Ringstückes 1 zu pressen, ist die Rammnase 2 mit einem zylindrischen Verlängerungsstück 30 versehen, welches in den Unterteil des Ringstückes 1 eingeschraubt ist und gegenüber dem Flansch 17 des Ringstückes 1 ein Schulterstück 31 bildet, welches Schulterstück 31 unterhalb der Membran 26 angreift. Vorzugsweise hat die Membran 26 nur die Aufgabe, als Abdichtung zu wirken und hat keinen Drosseleffekt auf die Flüssigkeit, welche durch die Öffnung 20 im Sitz 18 strömt, sondern kann, wie in Fig. 4 gezeigt die Öffnung, wenn durch diese Flüssigkeit nach unten strömt, praktisch vollkommen freigeben.
Gemäss der Erfindung ist ein Zementierbodenpfropfen P mit einem Rückschlagventil vorgesehen.
Dieser Pfropfen P besteht aus einem zentralen Ventilkäfig 33 mit einem inneren, sich nach oben konisch verengenden Ventilsitz 34 mit einer sich weiter hinauf im wesentlichen wiederum konisch erweiternden zentralen Öffnung 36. Der Sitz 34 bildet hiebei einen Teil einer durch den Ventilkäfig 33 im Pfropfen P vorgesehenen zentralen Durchflussöffnung. Eingeschraubt oder auf andere geeignete Weise be- festigt, befindet sich im Unterteil des Ventilkäfigs 33 ein Haltestück 37 mit einer Vielzahl von Rippen 38, welches ein Kugelkontrollventil 39 innerhalb des Käfigs 33 hält, wodurch der freie Flüssigkeitsstrom zwischen den Rippen 38 und in eine Zentralöffnung 39'ermöglicht wird. welche in einer abwärtsgerichteten Verlängerung 40 des Haltestückes 37 vorgesehen ist.
In die Öffnung 39'ist zur Verhinderung des Flüssigkeitsdurchtrittes ein Sperrpfropfen 41 aus Kautschuk eingepresst, welcher auf den Rippen 38 aufsitzt, um so das Durchströmen von Flüssigkeit aus dem Raum unterhalb des Pfropfens P in den Ventilkäfig 33 solange zu sperren, als sich der Sperrteil 41 an seinem Platz befindet.
Um den Käfig 33 ist ein Gummikörper 42 geformt mit einer oberen Verschlusslippe 43 und einer Anzahl von axial nebeneinander angeordneten Verschlussrippen 44, welche an der Wandung des Gehäuses C dicht anliegen. Daraus ist ersichtlich, dass der Pfropfen P in einer Flüssigkeitssäule, welche im Gehäuse C abgepumpt wird, zwischen der Spülflüssigkeit und der Säule des Auskleidungszementes 44', welcher in das Bohrloch gebracht werden soll, angeordnet werden kann, und dass der Pfropfen P dann ein sich mit der Flüssigkeitssäule mitbewegendes Trennstück zwischen diesen beiden verschiedenen Flüssigkeiten bildet.
Wenn der Pfropfen P, welcher, wie in Fig. 4 angedeutet, zwischen der Spülflüssigkeit und der Zementflüssigkeit 44'angeordnet ist, sich auf den Sitz 18 zu bewegt und mit diesem in Eingriff kommt, wie in den Fig. 5, 7 und 8 angedeutet, bewegt sich die untere Verlängerung 40 des Haltestückes 37 durch die zentrale Öffnung 20 des Sitzes 18. Die Verlängerung 40 ist mit einer abgeschrägten Nase 45 versehen, welche am Sprengring 25 derart angreift, dass eine Umfangsvergrösserung des letzteren bewirkt wird und dieser sich infolgedessen radial auswärts in die Ausnehmung 24 zurückbewegt, bis der Pfropfen P auf der abgeschrägten Oberfläche 19 des Sitzes 18 aufsitzt.
Die Verlängerung 40 des Haltestückes 37 weist eine äussere Rille 46
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auf, in welche der Sprengring 25 einschnappt und so den Pfropfen P in Eingriff mit dem Sitz 18 hält. Es haben somit sowohl die Verlängerung 40 des Haltesttlckes desPfropfensals auch der ringförmige Sitz zusammenarbeitende Sperreinrichtungen, um den Pfropfenam Sitz festzuhalten.
Die Verschlussmembran 26 kommt in Berührung mit der abgeschrägten Nase 45 der Verlängerung 40, wodurch eine Dichtung geschaffen wird, welche das Durchströmen von Flüssigkeit zwischen dem Sitz und dem Haltestück 37 aufwärts verhindert.
Während sich der Pfropfen P durch den gesamten Gehäusestrang C abwärtsbewegt, verhindert das Sperrstück 41 wirksam das Durchströmen von Flüssigkeit aufwärts durch den Käfig 33. Wenn aber die Abwärtsbewegung desPfropfensP gehemmt wird und der Pfropfen im Sitz 18 einschnappt, wird der kontinuierliche Flüssigkeitsstrom durch das Gehäuse abwärts unter dem Druck der Pumpen an der Oberfläche das Sperrstück 41 aus der Öffnung 39 herauspressen, wie in Fig. 7 gezeigt, und das Sperrstück wird durch den offenen Unterteil 4 aus dem Gehäuseschuh herausfallen, wenn der Zement 44'oberhalb des PfropfensP durch den Käfig 33 um das Kugelventil 39 und zwischen den Rippen 38 abwärtsströmt.
In der Praxis wird ein oberer Pfropfen Tals Trennstück zwischen dem Zement und einer andern Flüssigkeit verwendet, welche zum Abwärtspressen des Zements durch den Gehäusestrang und in den ringförmigen Spalt ausserhalb des Gehäuses verwendet wird, wie dies üblich ist. Bei Auftreffen des oberenpfropfens T auf den Oberteil des Bodenpfropfens P wird ein weiteres Durchströmen von Flüssigkeit durch den Pfropfen P verhindert, und der Druckanstieg an den Pumpen an der Oberfläche zeigt der Bedienungsmannschaft an, dass die gesamte Zementmenge durch den Pfropfen ? und, wie beabsichtigt, in das Bohrloch geströmt ist.
Erforderlichenfalls kann aber auch der Bodenpfropfen P ohne oberen Pfropfen T angewandt werden, und es können andere bekannte Mittel vorgesehen sein, um anzuzeigen, dass der Zement, wie gewünscht, in das Bohrloch eingebracht ist.
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in das Gehäuse einströmen, wobei die Drosseleinrichtung dieses Einströmen derart regelt, dass die Bildung von Bohrflüssigkeitsfontänen auf dem Bohrturmboden vermieden wird, wenn die Abwärtsbewegung des Gehäusestranges unterbrochen wird, um das Aufsetzen eines weiteren Gehäusestückes zu ermöglichen. Wenn das Gehäuse die gewünschte Stellung im Bohrloch erreicht hat, wie in Fig. 4 angedeutet, wird Flüssigkeit durch den Gehäusestrang abwärtsgepumpt, und die Drosselvorrichtung wird aus dem Sockel in das offene Bohrloch gepresst.
Wenn die Flüssigkeitszirkulation während der gewünschten Zeit fortgesetzt worden ist und die vorher im Bohrloch vorhandenen Flüssigkeiten, wie Bohrtrübe u. dgl. herausgespült wurden, wird der Bodenpfropfen P in das Gehäuse gebrachtoberhalbdespfropfenswirdnuneine bestimmte Menge Zement 44'durch das Gehäuse abwärtsgepumpt, vonder Spülflüssigkeit durch denPfropfenP getrennt. Die entfernbare Sperreinlage 41 im Haltestück 37 des Kugelkontrollventils hält die Trennung zwischen der Spülflüssigkeit und dem Zement aufrecht, während die Flüssigkeiten durch das Gehäuse abwärtsströmen, bis der Pfropfen ? auf dem Sitz 18 auftrifft und darauf durch Einrasten des Sprengringes 25 in die Rille 46 der unteren Verlängerung 40 des Haltestückes 37 festgehalten wird.
Die weitere Abwärtsbewegung des Zements durch den Pfropfen P entfernt die Sperre 41 von ihrem Platz, so dass diese auch auf den Boden des Bohrloches gebracht wird. Das Pumpen des Zements durch den Pfropfen P wird fortgesetzt, bis der obere Pfropfen T auf das obere Ende des Pfropfens Pauftrifft und dadurch eine Druckzunahme an der Oberfläche bewirkt wird. Dies zeigt an, dass die gesamte Zementmenge durch den Pfropfen P in das Bohrloch gepresst wurde, so dass die Pumpen abgestellt werden können, und der RückdrucK des Zements bewirkt, dass sich das Kugelkontrollventil 39 gegen den Kugelsitz 34 bewegt und somit schliesst, wie in Fig. 5 gezeigt, wodurch der Zement an Ort und Stelle gehalten wird und abbinden kann.
Erforderlichenfalls können auch andere Arten von Kontrollvorrichtungen für den Flüssigkeitsstrom an Stelle der im Vorhergehenden beschriebenen Drosselvorrichtung verwendet werden, wodurch das Gehäuse C auf an sich bekannte Weise in das Bohrloch eingebracht werden kann. Der mit einem Rückschlagventil kombinierte Bodenpfropfen ist keineswegs auf die Verwendung in einem Gehäuseschuh oder-ring beschränkt, in dem Drosselvorrichtungen angeordnet sind.
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