DE1116169B - Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen - Google Patents

Description

An die Zementation von Tiefbohrungen werden zwei Hauptanforderungen gestellt. Einmal die feste und sichere Verbindung zwischen Gestein und Futterrohrstrang, zum anderen der dauerhafte und feste Abschluß der Gas- bzw. Wasserhorizonte von den erdölführenden Gesteinsschichten. Zum großen Teil müssen zunehmende Verwässerungen von Erdölsonden auf undichte oder mangelhaft durchgeführte Futterrohrzementationen zurückgeführt werden. Nachträgliche Druckzementationen sind umständlich, kostspielig und nur teilweise erfolgreich.

Wegen der großen Bedeutung, die diesen Zementierungen zukommt, und wegen der größtmöglichen Schnelligkeit, mit der die Verrohrungs- und Zementationsarbeiten vor sich gehen müssen, wurden bereits eine Reihe von entsprechenden Geräten entwickelt. In der Regel handelt es sich dabei um spezielle Ventilkonstruktionen, deren einfachste gewöhnliche Rückschlagventile zur Verhinderung eines Rückfließens des Zementbreies aus dem Ringraum in das Futterrohrinnere sind. Diese Rückschlagventile oder sogenannten »Schwimmschuhe« werden an Stelle von gewöhnlichen Futterrohrschuhen am Fuß des Futterrohrstranges angeordnet und mit diesem mittels genormten Gewindes verschraubt. Diese herkömmlichen Konstruktionen bewirken entweder ein hundertprozentiges Auffüllen des Rohrstranges mit Bohrspülung im Falle von Futterrohrschuhen oder ein hundertprozentiges Leerhalten des Stranges bei Verwendung von Schwimmschuhen.

Beide Konstruktionen erfüllen aber vom Standpunkt des Bohrtechnikers aus gesehen nicht immer die gewünschten Bedingungen. So wird bei schweren Tiefbohrungen im Falle vollständiger Auffüllung das gesamte Stranggewicht voll wirksam, wodurch die Verbindungen im Rohrstrang, wie auch der Flaschenzugskolben im Bohrturm, zu stark belastet werden. Bei Schwimmschuhen hingegen wird wohl der von Bohrspülung und Rohrvolumen abhängige Auftrieb zur Reduzierung des Stranggewichtes nutzbar, jedoch kann bei großen Teufen und besonders bei Verwendung von Schwerspülung dieser Auftrieb zu groß werden, so daß ein totatels Schwimmen des Rohrstranges im Bohrloch eintritt und dieser nicht auf Sohle gebracht werden kann. Um in diesem Fall das nötige Gewicht zu erhalten, muß durch umständliche Manipulationen Spülung von über Tage nachgefüllt werden, wodurch die Schnelligkeit der Verrohrungsarbeit überaus stark beeinträchtigt wird.

Neuere Ausführungen von Zementationsventilen zielen auf automatisches Auffüllen teilweise mit differenzierter Wirkung ab, das heißt, der Futterrohrstrang Zirkulationsventil zur Zementation
von Tiefbohrungen

Anmelder:

Schoeller-Bleckmann Stahlwerke
Aktiengesellschaft, Wien

Vertreter: Dr. M. Eule und Dr. W. J. Berg,
Patentanwälte, München 13, Kurfürstenplatz 2

Beanspruchte Priorität:
Österreich vom 25. Juni 1959

Dipl.-Ing. Ernst Lischke und Dipl.-Ing. Klaus Prikel,

Wien,
sind als Erfinder genannt worden

soll sich beim Einbau nur bis zu 90 % seines Inhaltes selbsttätig auffüllen, während nach vollendeter Futterrohrzementation die Rückschlagwirkung des Ventiles wirksam wird und ein Zurückströmen des Zementbreies verhindert. Diese Ausführungen basieren ausschließlich auf einer zusätzlichen Haltevorrichtung für den Ventilkörper, die durch Druck ausgelöst wird. Allerdings ist dabei nur ein einmaliges Zirkulieren möglich, und es muß bei weiterem Einbau in gleicher Weise wie bei einem einfachen Schwimmventil manipuliert werden.

Die Verhältnisse bei schweren Tiefbohrungen und deren Vorbereitung zur Zementation erfordern ein wiederholtes Durchspülen des Bohrloches während des Einbaues, um den Ringraum rein zu halten. Dieser Vorgang ist aus folgenden Gründen erforderlich. An der Bohrlochwand lagern sich aus der Tonsuspension der Bohrspülung sogenannte »Filterkuchen« ab, die bei nicht idealer Spülung beträchtliche Stärke annehmen können. Diese Filterkuchen verhindern eine gute Zementation dadurch, daß sie eine feste Konnexion zwischen Zement und Gebirge vereiteln und bei der späteren Erdölförderung Wasser- oder Gaseinbrüche ermöglichen. Zu ihrer Beseitigung finden daher am Futterrohrstrang angebrachte ringförmige Bürsten Verwendung, die während des Einbaues an der Bohrlochwand scheuern und den jeweiligen Filterkuchen abkratzen. Neben diesen Bürsten sitzen aber entlang des Futterrohrstranges noch andere scheuernde und

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schabende Elemente übereinander, wie etwa Zentrierkörper und die einzelnen Muffenverbindungen. An allen diesen scheuernden Elementen ballen sich beim Einbauen Filterkuchenknollen zusammen, die über lange Teufen ein beträchtliches Ausmaß erreichen, den Ringraum verstopfen und die für die Zementation notwendige Zirkulation verhindern oder, was der häufigere Fall ist, überaus stark hemmen.

Werden nun diese Filterkucheriballen nicht in Intervallen wiederholt hochgespüli, sondern erst dann, wenn man mit dem Futterrohrstrang auf Sohle angelangt ist, so können die zum Durchreißen dieser Aufballungen notwendigen" Pumpdrücke derart ansteigen, daß ein Aufbrechen druckschwacher Horizonte erfolgt. Auf jeden Fall wird eine außerordentlich starke und für die spätere Förderung schädliche Infiltration der Lagerstätte rand um das Bohrloch die Folge sein.

Dadurch, daß sich der Pumpdruck von Sohle aus stufenweise von Verstopfung zu Verstopfung fortsetzt, werden auch ganz beträchtliche hydraulische Schläge auf die Bohrlochwand ausgeübt, durch welche im unkonsolidierten Gebirge großer Nachfall eintritt, und es können Verfestigungen, schwierige Zieharbeiten, zeitraubender Ausbau, Nachbohren etc., unter Umständen sogar der Verlust des Bohrloches die Folgen mangelnder Zirkulationstätigkeit während der Verrohrungsarbeiten sein. Um solche hydraulische Schläge nun wirksam werden zu lassen, ist keinesfalls eine totale Verstopfung des Ringraumes notwendig. Auch teilweise Aufballungen, die die Strömung der Bohrspülung so behindern, daß an diesen Stellen ein stärkerer Druckabfall auftritt, genügen, um solche Stöße auf das Gebirge auszulösen. Gerade dadurch wird die in allen Bohrfeldern festgestellte Erscheinung erklärlich, daß wohl bei der der Zementation vorausgehenden Durchspülung des Bohrloches anfangs Zirkulation vorhanden ist, aber plötzlich während der Pumparbeit der Spülungskreislauf aussetzt, wobei gleichzeitig die Pumpdrücke rapid steigen und sich auf diese Weise der eingetretene Nachfall anzeigt. Regelmäßig konnte in solchen Fällen nachträglich festgestellt werden, daß während des Futterrohreinbaues nicht durchzirkuliert wurde.

Den Gegenstand der Erfindung bildet nun ein Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen, bei dem ein aus einem elastischen Werkstoff, bestehendes Diaphragma an einem starren Stützkörper anliegt, wobei das Diaphragma durch einen zwischen seiner Außen- und Innenseite herrschenden Differentialdruck bewegbar ist, wobei das Diaphragma mit mindestens einer Öffnung versehen ist, der mit mindestens einer Öffnung versehene Rohrstrang als starrer Stützkörper dient und sich die Öffnung bzw. Öffnungen im Diaphragma und die Öffnung bzw. Öffnungen im Rohrstrang nicht überdecken, so daß eine Verbindung zwischen diesen beiden Öffnungen bzw. Gruppen von Öffnungen nur durch die unter der Wirkung des Differentialdruckes erfolgende Veränderung des Diaphragmas gegenüber dem Rohrstrang zustande kommt.

Diese Funktion wird dadurch erzielt, daß in einem Rohrstutzen mit normaler Futterrohrdimension ein zylindrisches oder konisches, rohrförmiges ein- oder mehrteiliges Diaphragma (Membran-Manschette) aus elastischem Werkstoff eingezogen und in richtiger Lage entweder durch Schraubnippel oder andere Befestigungsarten fixiert wird, wobei der Außendurchmesser des flexiblen Diaphragmas mit dem Innendurchmesser des Rohrstutzens korrespondiert, oder die äußeren Krümmungsradien der Ventilkörpersegmente gleich dem inneren Krümmungsradius des Mantelrohres sind. In diesen Teilen befindet sich in senkrecht versetzter symmetrischer oder asymmetrischer Anordnung eine gleiche Anzahl von gleich großen rechtwinklig oder schräg angesetzten Bohrungen, die nach innen konisch erweitert sein können, um Verstopfungen zu vermeiden. Bei einer derartigen Anordnung

ίο verschließt somit bei Druckgleichheit zwischen Ringraum und Rohrinnerem ein Teil die Bohrungen des anderen.

Der für die besonderen chemischen und physikalischen Anforderungen speziell vorbereitete und zur Verwendung gelangende Werkstoff des Diaphragmas oder dessen Segmente wird beim Bearbeiten qualitativ und dimensionsmäßig so gefertigt, daß seine Festigkeit einen bestimmten gewünschten hydrostatischen Differentialdruck zwischen Ringraum und Rohrinnerem aufnehmen kann. Sobald dieses Druckverhältnis (Außendruck größer als Innendruck) das vorher festgelegte Maximum überschreitet, wird eine Verformung der elastischen Ventilteile nach innen eintreten, wobei der hydrostatische Außendruck des Ringraumes durch die Bohrungen im Mantelrohrstutzen auf das Diaphragma oder dessen Segmente wirkt. Auf diese Weise entsteht zwischen Außen- und Innenraum eine Verbindung, deren Querschnittsfläche von der Schnelligkeit des Einbaues, von der Elastizität und der Festigkeit des Diaphragma-Werkstoffes, der Anzahl und Größe der Bohrungen und der Viskosität der Bohrspülung abhängig ist, und welche durch die nach den Druckbewegungen variable kritische Strömungsgeschwindigkeit des Spülungsmediums automatisch gesteuert wird.

Auf diese Weise kann die im Ringraum stehende Flüssigkeitssäule selbsttätig in den Innenraum kommunizieren, und sie wird dies so lange tun, bis das Maximum des belastenden Druckverhältnisses wieder erreicht ist. In diesem Augenblick geht die Verformung des Diaphragmas wieder zurück, und der Kommunikationsweg wird geschlossen. Wird nun bei der Pumptätigkeit der Innendruck in den Futterrohren größer als der im Ringraum herrschende Außendruck, so werden das Diaphragma oder dessen Segmente um so fester allseitig an die Innenwandung des Mantelrohrstutzens gepreßt, wobei die Eintrittsöffnungen dichtend blockiert werden.

Damit nun nach erfolgter Zementation die Zementsäule nicht durch die Auffüllöffnungen zurückdrücken kann, wird vor der Zementation und dem ersten Zementierpfropfen eine mit einer Längsbohrung versehene Sperrbombe eingeworfen, die mittels Druck in das Diaphragma gepreßt wird und an einem Hohlnippel aufsitzt. Dadurch wird eine unerwünschte Verformung des Diaphragmas nach innen verhindert. Zum selben Zweck können die Sperrbombe und der erste Zementierpfropfen insofern miteinander verbunden werden, als beide aus einem Stück gefertigt werden. Zur Herstellung können verschiedene Werkstoffe, wie Metalle, Holz, Kunststoffe, Hartkautschuk usw., Verwendung finden. Um eine Ventilfunktion des Gerätes in allen erforderlichen Differentialdruckbereichen zu gewährleisten, kann das Diaphragma, also der Ventilkörper, in verschiedener Weise geformt, gelagert und ausgeführt sein.

So kann das Diaphragma aus einem Stück geformt sein und als beiderseitig eingespannter elastischer Rohrstutzen mit glatter Dichtfläche ausgebildet wer-

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den, und zwar ohne versteifende Zwischenlagen oder Fig. 1 zeigt dabei den offenen und Fig. 2 den geElemente, wie Gewebe, metallische Spangen usw. Das schlossenen Zustand des Zirkulationsventils. Fig. S Diaphragma kann aber auch aus Montagegründen stellt einen Schnitt nach A-A' gemäß Fig. 1 und durch zwei oder mehr Längs- oder Querteilungen in Fig. 4 einen Schnitt nach B-B' gemäß Fig. 2 dar. Segmente zerlegt und geteilt eingebaut werden, wobei 5 Mit 1 ist der Mantelrohrstutzen, der an seinem es unerheblich ist, ob die einzelnen Segmente an den oberen und unteren Ende mit einem Gewinde, bei-Trennfiächen dichtend oder nichtdichtend aneinander- spielsweise nach API, versehen ist, bezeichnet und schließen oder durch Zwischenräume getrennt sind auf den die Verbindungsmuffen 2 aufgeschraubt sind, und dabei jedes Segment einzeln gelagert ist oder ob In Mittelteil sind die Außenbohrungen 3 angebracht, alle durch ein gemeinsames Lager gehalten werden. io Im Rohrinneren befindet sich das elastische Dia-Bei der letztgenannten Ausführungsform, die vor phragma 4, das auf den aus Metallegierungen geferallem für niedere Druckbereiche in Frage kommt, er- tigten Diaphragmasitzen 5 aufgezogen ist. Das Diagibt sich insbesondere bei fliegender Lagerung der phragma oder die Membran-Manschette 4 ist mit Boh-Typ einzelner vor den Mantelrohrbohrungen sitzender rungen 6 versehen. Am unteren Ende wird das Dia-Rückschlagklappen, die zweckmäßig durch Gewebe 15 phragma 4 durch einen mit dem Mantelrohrstutzen 1 oder Metallspangen versteift werden. Weiter kann das verschraubten Hohlnippel 7 fixiert. Dieser Hohlnip-Diaphragma oder dessen Teile einseitig (fliegend) ein- pel 7 dient gleichzeitig als Anschlag für eine eventuell gespannt sein, wobei die darin vorgesehenen Bohrun- eingebrachte Sperrbombe oder einen Sperrpfropfen gen in Wegfall kommen. Eine solche Ausführung im Innenraum 8. Am oberen Ende wird das Diakommt ebenfalls für niedere Differentialdruckbereiche 20 phragma 4 gleichfalls durch einen hohlen Nippel 9 in Betracht. gehalten, wobei dieser zusätzlich die Funktion eines

Für höhere und extrem hohe Differentialdruck- Anschlages für den ersten Zementierpfropfen Überbereiche sind Armierungen des Diaphragmas, bei- nimmt. Auf diese Weise besitzt der Erfindungsgegenspielsweise durch Gewebe, Metallspangen usw., er- stand neben seiner Funktion als Ventil auch eine dopforderlich, wobei in jedem Fall der Dichtungskörper 25 pelte und gesicherte Haltevorrichtung für die trennender primäre Werksteil ist, während die versteifenden den Zementationselemente (Zirkulationspfropfen), so Elemente Zubehörteile des Ventilkörpers darstellen. daß sich die Einführung einer eigenen sogenannten Ferner kann insbesondere für sehr hohe Differential- Stop-Platte in den Futterrohrsträngen erübrigt, druckbereiche das Diaphragma noch mit besonderen Während der Verrohrungs- und Zementationsarbei-

Dichtungslippen, Wülsten, Nuten, Verstärkungen oder 3° ten wirkt nun das erfindungsgemäße Zirkulationsventil anderen die allseitig glatte Form verändernden Aus- mit einem an sich von der Konstruktion getrennten gestaltungen aus dem gleichen oder einem anderen Rückschlagventil in der Form eines Schwimmschuhes Werkstoff als den des Diaphragmas an den Mantel- normaler und einfacher Bauart derart zusammen, daß rohrbohrungen ausgestattet werden, um eine uner- je nach den einzelnen Operationen während des Arwünschte Vergrößerung der beaufschlagten Druck- 35 beitsganges abwechselnd das Ventil und die Rückfläche des Diaphragmas zu verhindern. schlagklappe in Tätigkeit treten. Die für das richtige,

Eine weitere in Frage kommende Abwandlungs- wechselweise Arbeiten der Ventile und zur einwandmöglichkeit besteht hinsichtlich der Sandhaltigkeit des freien Zementation erforderliche Anordnung geschieht Spülungsmediums. In diesem Fall werden Armierun- in der Weise, daß zwischen dem Schwimmschuh, der gen, vorzugsweise durch Metalle, der im Bereich der 40 den Fußpunkt des Futterrohrstranges bildet, und dem Strömung liegenden Teile des Diaphragmas oder des- Zirkulationsventil zwei bis drei Futterrohre zur Aufsen Segmente erforderlich. Im Gegensatz zu den vor- nähme der Vermischungszone zwischen Zementbrei erwähnten Armierungen, die die Biegefestigkeit er- und Bohrspülung gesetzt werden. An das Zirkuhöhen, bezwecken die vorliegenden versteifenden Ein- lationsventil schließt sich der weitere Futterrohrstrang lagen eine Vergrößerung der Verschleiß- und Abrieb- 45 nach über Tage an.

festigkeit. Auch in diesem Fall sind die Armierungen Im Verlauf des Einbaues schließt der dabei ent-

nur Sekundär-, das heißt Zubehörteile des Ventilkör- stehende Strömungsdruck das Rückschlagventil im pers. Schwimmschuh, wobei bis zu einem bestimmten Teu-

Zur Erhöhung der Schließgeschwindigkeit des Ventil- fenpunkt das Stranginnere frei vom Spülungsmedium körpers können zusätzlich seitlich angeordnete Metall- 50 gehalten wird. Ab dieser vorher festgelegten Teufe federn eingebaut werden, die zum anderen auch die öffnet das Zirkulationsventil selbsttätig und füllt den Biegefestigkeit des Ventilkörpers erhöhen. Darüber Rohrstrang partiell auf. Soll nun gespült werden, so hinaus kann erfindungsgemäß der Diaphragmakörper schließt dieses, und das Rückschlagventil wird durch auch aus einer Ringfeder bestehen, die kugelförmige, den Pumpdruck geöffnet, so daß der Spülungsstrom konische, parabolische, zylindrische oder prismatische 55 durch den Schwimmschuh in das Bohrloch austritt, Ansätze aufweist, wobei sich diese in die öffnungen den Ring wieder zurück hochströmt und diesen dabei des Rohrstranges einfügen und an den Innenwandun- von angesetzten Aufballungen, beispielsweise aus Ton, gen derselben ihren Ventilsitz haben. reinigt. Beim weiteren Einbau kehren sich diese Funk-

Schließlich kann das Diaphragma aus einem ge- tionen sofort wieder automatisch um, und es erfolgt ringer flexiblen Werkstoff gefertigt und als unperfo- ^6o derselbe Vorgang wie vorher. Vor Einsetzen der rierter, in vertikaler Richtung frei beweglicher, ohne Zementationsarbeit wird das Zirkulationsventil durch Bohrung versehener rohrstutzenförmiger Körper aus- die Sperrbombe blockiert und sodann der Ringraum geführt sein, bei dem die Energie des Differential- über das Rückschlagventil zementiert. Der zurückdruckes eine vertikale Transversalbewegung des Dia- drückenden Zementbreisäule ist sodann der Rückweg phragmas hervorruft und solcherart selbsttätig die 65 über beide Ventile versperrt, und es kann ohne an-Ventilfunktion bewirkt. haltenden Pumpdruck der Zementbrei an der ge-

In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh- wünschten Teufenstrecke abbinden. In Sonderfällen rungsform der Erfindung dargestellt. von Futterrohrzementation muß das Zirkulationsven-

til immer im Zementierungsabschnitt selbst angeordnet, d. h., es muß entsprechend höher eingebaut werden. Die vorliegend beschriebenen Ausführungsformen stellen im übrigen nur beispielsweise Varianten des Erfindungsgegenstandes dar, ohne darauf beschränkt zu sein.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen, bei dem ein aus einem elastischen Werkstoff bestehendes Diaphragma an einem starren Stützkörper anliegt, wobei das Diaphragma durch einen zwischen seiner Außen- und Innenseite herrschenden Differentialdruck bewegbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma mit mindestens einer Öffnung versehen ist, daß der mit mindestens einer Öffnung versehene Rohrstrang als starrer Stützkörper dient und daß sich die Öffnung bzw. Öffnungen im Diaphragma und die Öffnung bzw. öffnungen im Rohrstrang nicht überdecken, so daß eine Verbindung zwischen diesen beiden Öffnungen bzw. Gruppen von Öffnungen nur durch die unter der Wirkung des Differentialdruckes erfolgende Veränderung des Diaphragmas gegenüber dem Rohrstrang zustande kommt.

2. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma in ein oder mehrere Segmente unterteilt ist, die im Rohrinneren gemeinsam oder einzeln befestigt sind und einander dichtend lose berühren oder durch Zwischenräume voneinander getrennt sind.

3. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma zur Erhöhung der Biege- und Abriebfestigkeit oder der Dichtungsfähigkeit mit Armierungen, vorzugsweise aus anderen Werkstoffen als den des Diaphragmas, versehen ist.

4. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma einfach oder mehrseitig eingespannt ist.

5. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma zur besonderen Dichtungsfähigkeit oder der Erhöhung seines Beanspruchungswiderstandes mit zusätzlichen Vorrichtungen, beispielsweise Dichtungslippen, Wülsten, Nuten, Verstärkungen oder anderen die allseitig glatte Form verändernden Ausgestaltungen aus dem gleichen oder einem anderen Werkstoff als den des Diaphragmas, versehen ist.

6. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Schheßgeschwindigkeit des Ventilkörpers zusätzliche seitlich angeordnete und normal zur Rohrachse wirkende Metallfedern angebracht sind.

7. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diaphragmakörper vorzugsweise aus einer Ringfeder besteht und kugelförmige, parabolische, zylindrische oder prismatische Ansätze aufweist, wobei sich diese in die Öffnungen des Rohrstranges einfügen und an den Innenwandungen desselben ihren Ventilsitz haben.

8. Zirkulationsventil zur Zementation von Tiefbohrungen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma aus einem gering flexiblen Werkstoff gefertigt ist und als in vertikaler Richtung frei beweglicher, mit mindestens einer Öffnung versehener rohrstutzenförmiger Körper ausgeführt ist, wobei die Energie des Differentialdruckes eine vertikale Transversalbewegung des Diaphragmas hervorruft und solcherart selbsttätig eine Ventilfunktion bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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