DE112015006187T5

DE112015006187T5 - Hydrauliksteuerung von Untertagewerkzeugen aus der Ferne

Info

Publication number: DE112015006187T5
Application number: DE112015006187.8T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Evans; Olivier Christophe Roche; Jean-Pierre Lassoie
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2015-04-15
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2017-11-09
Also published as: US10443349B2; US20180038201A1; NO20171481A1; CA2979662A1; GB2553921A; GB201714206D0; WO2016167764A1; CN107466336A

Abstract

Eine Bohrlochwerkzeugvorrichtung umfasst eine Steueranordnung, die dazu konfiguriert ist, die Reaktion des Untertagewerkzeugs durch Variieren von Bohrfluidbedingungen untertage zu steuern. Die Steueranordnung beinhaltet einen Ventilkolben, der in Längsrichtung in einem allgemein rohrförmigen Steuereinrichtungsgehäuse verschiebbar ist, das im Betrieb im Wesentlichen koaxial mit dem Bohrloch ist, um eine Ventilöffnung für eine Fluidflussverbindung zwischen dem Inneren des Bohrstrangs und dem Werkzeug zu öffnen oder zu schließen. Ein Rastmechanismus ist dazu konfiguriert, den Ventilkolben in einem aktivierten Modus und/oder einem deaktivierten Modus einrasten zu lassen. Das Ausrasten des Ventilkolbens kann durch Verlagerung desselben in einer bestimmten axialen Richtung in eine Modusänderungsposition bewirkt werden. Ein Verankerungselement ist in Reaktion auf Bohrfluidbedingungen über einem Schwellenwert automatisch in der bestimmten tatsächlichen Richtung unter Hydraulikbetätigung verlagerbar, um eine Bewegung des Ventilkolbens unter Hydraulikbetätigung in die Modusänderungsposition zu behindern. Das Verankerungselement kann einen Verriegelungskolben beinhalten, der einen Kugelverriegelungsmechanismus zum Behindern der axialen Bewegung des Ventilkolbens aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Untertagewerkzeuge in Bohrvorgängen und Verfahren zum Betreiben von Untertagewerkzeugen. Einige Ausführungsformen betreffen insbesondere fluidaktivierte Steuersysteme, Mechanismen und Verfahren für Untertagewerkzeuge. Die Offenbarung betrifft auch die Untertageausräumereinbringungssteuerung durch Fluiddrucksequenzierung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bohrlöcher für die Kohlenstoff-(z. B. Öl- und Gas-)Förderung werden normalerweise mit einem Bohrstrang gebohrt, der ein rohrförmiges Element (auch als Bohrgestänge bezeichnet) beinhaltet, das eine Bohrbaugruppe aufweist, die einen Bohrmeißel beinhaltet, der an einem unteren Ende davon angebracht ist. Der Bohrmeißel wird gedreht, um Material der Felsformation abzuscheren oder zu zerstören, um das Bohrloch zu bohren. Der Bohrstrang beinhaltet häufig Werkzeuge oder andere Vorrichtungen, die bei Bohrvorgängen eine Aktivierung und Deaktivierung aus der Ferne erfordern. Zu diesen Werkzeugen und Vorrichtungen gehören unter anderem Ausräumer, Stabilisierer oder Kraftbeaufschlagungselemente zum Lenken des Bohrmeißels.
Diese Bohrumgebungen können elektromechanischen Steuersystemen häufig zahlreiche Herausforderungen präsentieren. Die Steuerung der Untertagewerkzeugaktivierung aus der Ferne durch Steuern des Fluiddrucks im Bohrstrang lassen häufig nur einen einzelnen Aktivierungs-/Deaktivierungszyklus zu, woraufhin das Steuersystem zurückgesetzt werden muss, während es bei einigen Systemen zu einer Reduzierung des effektiven Bohrstrangdurchmessers kommt.
Alternative Werkzeugsteuerverfahren beinhalten die Benutzung von Bohrfluid (z. B. Schlamm, der in einem Kreislauf in den Bohrstrang und zurück durch einen Bohrlochringraum geleitet wird) als einen Steuerkanal für das Werkzeug. In solchen Fällen muss eine versehentliche Auslösung der Werkzeugaktivierung/-deaktivierung (beispielsweise in Reaktion auf Betriebsfluiddruckschwankungen, die von dem Bediener des Werkzeugs nicht vorgesehen wurden) verhindert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Als Beispiele und ohne einzuschränken werden einige Ausführungsformen in den Figuren der begleitenden Zeichnungen dargestellt; es zeigen:
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Bohrinstallation, die eine Bohrvorrichtung beinhaltet, die eine Steueranordnung für die fluidaktivierte Steuerung der Werkzeugaktivierung aus der Ferne bereitstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2A–2B zeigen dreidimensionale Teilschnittansichten einer Bohrvorrichtung für die fluidaktivierte Steuerung der Werkzeugaktivierung gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei ein beispielhaftes Werkzeug in der Form eines Ausräumers in 2A eingebracht und in 2B zurückgezogen wird.
3A–3B zeigen einen Längsschnitt der Bohrvorrichtung aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4A–4B zeigen einen Längsschnitt eines Teils der Bohrvorrichtung aus 2 in vergrößerter Ansicht, die einen Ventilkolben der Bohrvorrichtung jeweils in einem geschlossenen Zustand und in einem offenen Zustand darstellen.
5A und 5B zeigen dreidimensionale Ansichten einer Kurventrommel zum Bilden eines Teils einer Bohrvorrichtung aus 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 zeigt eine dreidimensionale Längsschnittansicht eines Teils der Bohrvorrichtung aus 2 in vergrößerter Ansicht, die Details eines Raststifts und einer Kurventrommel darstellen, die einen Teil der Bohrvorrichtung bilden, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Teils der Bohrvorrichtung aus 2 in vergrößerter Ansicht, der einen Verriegelungsmechanismus darstellt, der einen Verankerungskolben oder Verriegelungskolben der Bohrvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
8A–8G zeigen jeweils einen schematischen Längsschnitt der Bohrvorrichtung aus 2 auf verschiedenen Stufen während des gesteuerten Betriebs der Bohrvorrichtung, zusammen mit einem Druckdiagramm und einem Raststiftbewegungsdiagramm, die dem Zustand des zugehörigen Längsschnitts entsprechen, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Aspekte der Ausführungsbeispiele, die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, beinhalten Verfahren und Systeme zum Steuern der Untertagewerkzeugaktivierung durch Fluiddrucksteuerung aus der Ferne. Ein Aspekt der beschriebenen Ausführungsformen stellt einen Untertagewerkzeugsteuermechanismus bereit, der einen Rastmechanismus, der zwischen einem aktivierten Modus und einem deaktivierten Modus, und einen Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln des Rastmechanismus in wenigstens einem von dem aktivierten Modus und dem deaktivierten Modus umfasst. In einigen Ausführungsformen kann der Verriegelungsmechanismus zum Verriegeln des Rastmechanismus im aktivierten Modus und zum Verriegeln des Rastmechanismus im deaktivierten Modus konfiguriert sein. Das Verriegeln des Rastmechanismus in einem jeweiligen Modus kann das Zulassen einer Modusumschaltung des Rastmechanismus ausschließlich durch Bereitstellen vorgegebener Untertagefluidzustände und/oder einer vorgegebenen zeitabhängigen Folge von Untertagefluiddruck/-durchflusswerten umfassen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Steuermechanismus ein Ventilelement oder einen Ventilkolben, das bzw. der axial in einer Aktivierungsrichtung verlagerbar ist, um aus einem geschlossenen Zustand in einen offenen Zustand umzuschalten, in dem eine Ventilöffnung in Fluidverbindung mit dem Untertagewerkzeug von dem Ventilkolben freigelegt wird, wodurch eine gewünschte Werkzeugreaktion bewirkt wird (z. B. um ein Untertagewerkzeug wie beispielsweise einen Ausräumer einzubringen). In einigen Ausführungsformen umfasst der Verriegelungsmechanismus ein Verriegelungselement oder einen Verriegelungskolben, das bzw. der unter Hydraulikbetätigung mittels Bohrfluid axial in Aktivierungsrichtung verlagerbar ist. Der Verriegelungsmechanismus kann ein Verriegelungselement oder Verankerungselement beinhalten, das für eine hydraulisch betätigte axiale Bewegung in derselben Richtung wie die hydraulisch betätigte Bewegung des Ventilkolbens konfiguriert ist.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet der Verriegelungsmechanismus eine Verriegelungskugel, die von dem Verriegelungskolben für eine axiale Bewegung mit diesem festgehalten wird, wobei der Verriegelungskolben axial verlagerbar ist, um die Verriegelungskugel zwischen einer Freigabeposition, in der eine relative axiale Bewegung des Ventilkolben nicht von der Verriegelungskugel behindert wird, und einer Behinderungsposition zu bewegen, in der die Verriegelungskugel zur Behinderung des Ventilkolbens angeordnet ist.
1 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Systems, das Bohrlochfluid als einen Steuerkanal für den Untertagewerkzeugbetrieb benutzt. Eine Bohrinstallation 100 beinhaltet ein unterirdisches Bohrloch 104, in dem ein Bohrstrang 108 angeordnet ist. Der Bohrstrang 108 kann verbundene Bohrgestängeabschnitte umfassen, die von einer Bohrplattform 112 herabhängen, die an einem Bohrlochkopf befestigt ist. Eine Bohrlochbaugruppe oder Bohrgarnitur (BG) 122 an einem unteren Ende des Bohrstrangs 108 kann einen Bohrmeißel 116 beinhalten, um Erdformationen an einem vorderen Ende des Bohrstrangs 108 zu zerstören, um das Bohrloch 104 zu führen, und eine oder mehrere Ausräumerbaugruppen 118 weiter oben im Bohrloch als der Bohrmeißel 116, um das Bohrloch 104 durch den Betrieb von selektiv ausfahrbaren Schneidelementen zu erweitern.
Das Bohrloch 104 ist somit ein länglicher Hohlraum, der im Wesentlichen zylindrisch ist und einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnittumriss aufweist, der über die Länge des Bohrlochs 104 hinweg mehr oder weniger konstant bleibt. Das Bohrloch 104 kann in einigen Fällen geradlinig sein, kann jedoch häufig eine oder mehrere Krümmungen, Biegungen, Kurven oder Winkel entlang seiner Länge beinhalten. In Verbindung mit dem Bohrloch 104 und den darin angeordneten Komponenten bedeutet die „Achse“ des Bohrlochs 104 (und damit des Bohrstrangs 108 oder eines Teils desselben) die ungefähre Mittellinie des zylindrischen Bohrlochs 104. „Axial“ bezeichnet daher eine Richtung, die an dem betreffenden Punkt oder Abschnitt des Bohrlochs 104 wenigstens ungefähr entlang einer Linie parallel zur Längsrichtung des Bohrlochs 104 verläuft; „radial“ bezeichnet eine Richtung, die ungefähr entlang einer Linie verläuft, die die Bohrlochachse schneidet und in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Bohrlochachse liegt; „tangential“ bezeichnet eine Richtung, die ungefähr entlang einer Linie verläuft, die radial von der Bohrlochachse beabstandet ist und in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Bohrlochachse liegt; und „in Umfangsrichtung“ bezeichnet einen im Wesentlichen bogenförmigen oder kreisförmigen Weg, der wenigstens ungefähr durch die Drehung eines Tangentialvektors um die Bohrlochachse beschrieben wird.
Im hier verwendeten Sinne bezeichnet die Bewegung oder Position „im Bohrloch (nach) unten“ eine axiale Bewegung oder relative axiale Position in Richtung des Bohrmeißels 116 weg von der Oberfläche. Umgekehrt bedeutet „im Bohrloch (nach) oben“ eine Bewegung oder relative Position axial im Bohrloch 104 weg vom Bohrmeißel 116 und in Richtung der Erdoberfläche.
Die BG 122 kann eine Mess- und Steuerbaugruppe 120 beinhalten und beinhaltet auch Messinstrumente zum Messen von Bohrlochparametern, Bohrleistung und dergleichen.
Bohrfluid (beispielsweise Bohrschlamm oder andere Fluide, die sich im Bohrloch befinden können) wird von einem Bohrfluidbehälter 132, beispielsweise einer Schlammgrube, an der Erdoberfläche, der an die Bohrlochmündung gekoppelt ist, allgemein mit 130 bezeichnet, mithilfe einer Pumpe (nicht dargestellt) zirkulieren gelassen, die das Bohrfluid durch eine Bohrung 128 nach unten treibt, die durch ein hohles Inneres des Bohrstrangs 108 bereitgestellt wird, so dass das Bohrfluid unter hohem Druck aus dem Bohrmeißel 116 austritt. Nach dem Austreten aus dem Bohrstrang 108 nimmt das Bohrfluid einen Bohrlochringraum 134 ein, der zwischen dem Bohrstrang 108 und einer Wand des Bohrlochs 104 definiert ist. Obwohl dem System 102 viele weitere Ringräume zugeordnet sein können, bezieht sich die Bezugnahme auf Ringraumdruck, Ringraumabstand und dergleichen auf Merkmale des Bohrlochringraums 134, solange der Kontext oder die Beschreibung nichts anderes angeben.
Es sei angemerkt, dass das Bohrfluid am Innendurchmesser (d. h. der Bohrung 128) des Bohrstrangs 108 gepumpt wird, während der Fluidfluss aus der Bohrung 128 am Bohrmeißel 116 eingeschränkt wird. Der Fluiddruck während des Betriebs ist daher in der Regel in der Bohrung 128 höher als im Ringraum 134. Soweit der Kontext nichts anderes vorgibt, bezeichnet der Begriff „Druckdifferenz“ die Differenz zwischen allgemeinem Fluiddruck in der Bohrung 128 und dem Druck im Ringraum 134. Nach dem Austreten aus dem Bohrmeißel 116 fließt das Bohrfluid im Ringraum 134 im Bohrloch 104 nach oben und trägt Bohrklein vom Boden des Bohrlochs 104 zum Bohrlochkopf 130, wo das Bohrklein entfernt wird und das Bohrfluid zum Bohrfluidbehälter 132 zurückgeleitet werden kann.
In einigen Fällen wird der Bohrmeißel 116 durch die Drehung des Bohrstrangs 108 von der Plattform 112 gedreht. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Untertagemotor 136 (wie beispielsweise ein so genannter Schlammmotor oder Turbinenmotor) in den Bohrstrang 108 einbezogen (und bildet hier einen Teil der BG 122), der von dem unter Druck stehenden Bohrfluid angetrieben wird, um wiederum die Drehung des Bohrmeißels 116 anzutreiben. In einigen Ausführungsformen kann die Drehung des Bohrstrangs 108 selektiv von einem oder beiden von Oberflächenausrüstung und dem Bohrlochmotor bewirkt werden.
Das System 102 kann ein Oberflächensteuersystem 140 beinhalten, um Signale von Sensoren und Vorrichtungen zu empfangen, die in den Bohrstrang 108 aufgenommen sind (und in der Regel einen Teil der BG 122 bilden). Das Oberflächensteuersystem 140 kann Bohrparameter und andere Informationen auf einem Display oder Monitor anzeigen, das bzw. der von einem Bediener zum Steuern der Bohrvorgänge verwendet wird. Einige Bohrinstallationen können teilweise oder vollständig automatisiert sein, so dass Bohrsteuervorgänge (z. B. Steuerung von Betriebsparametern des Motors 136 und Steuerung der Untertagewerkzeugeinbringung durch Drucksequenzierung des Bohrfluids, wie hier beschrieben) entweder manuell, halbautomatisch oder vollautomatisch sein können. Das Oberflächensteuersystem 140 umfasst ein Computersystem mit einem oder mehreren Datenprozessoren und Datenspeichern. Das Oberflächensteuersystem 140 kann Daten in Bezug auf die Bohrvorgänge, Daten von Sensoren und Vorrichtungen an der Oberfläche, Daten, die aus dem Bohrloch empfangen werden, verarbeiten, und kann einen oder mehrere Vorgänge der Untertagewerkzeuge und Vorrichtungen steuern, bei denen es sich um Untertage- und/oder Oberflächenvorrichtungen handelt.
Der Bohrstrang 108 kann ein oder mehrere Untertagewerkzeuge anstelle von oder zusätzlich zu den zuvor erwähnten Ausräumerbaugruppen 118 beinhalten. Die Untertagewerkzeuge des Bohrstrangs 108 beinhalten in diesem Beispiel daher wenigstens eine Ausräumerbaugruppe 118, die in der BG 122 angeordnet ist, um den Durchmesser des Bohrlochs 104 zu vergrößern, während die BG 122 die Formation durchdringt. In anderen Ausführungsformen kann die Ausräumerbaugruppe 118 weiter oben im Bohrloch als die BG 122 angeordnet und an diese gekoppelt sein. Jede Ausräumerbaugruppe 118 kann eine oder mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Klingen oder andere Schneidelemente umfassen, die Schneidstrukturen tragen. In der Ausräumerbaugruppe 118 ist ein Ausräumer 144 aufgenommen, der selektiv radial aus einem Gehäuse der Ausräumerbaugruppe 118 ausgefahren und darin eingefahren wird, um selektiv den Durchmesser zu erhöhen und zu verringern.
In dieser Ausführungsform wird das Einsetzen des Ausräumers 144 hydraulisch mithilfe des unter Druck stehenden Bohrfluids betätigt. Das Bohrfluid wird auch als ein Steuerkanal zum Auswählen eines Ausfahrmodus des Ausräumers 144 verwendet. Somit dient das Bohrfluid sowohl als Hydraulikbetätigungsmedium als auch als Steuerkanal für den Ausräumer 144. In diesem Beispiel werden Ausfahrsteuermechanismen zum Erreichen einer solchen Fluiddrucksteuerung des Ausräumers 144 durch eine Steuereinrichtung 148 bereitgestellt, die eine Baugruppe mit einem Bohrrohrkörper oder -gehäuse 215 (siehe 2) umfasst, die in Reihe im Bohrstrang 108 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist die Steuereinrichtung 148 weiter unten im Bohrloch als die Ausräumerbaugruppe 118 angebracht.
HINSICHTLICH DES FLUIDDRUCKS ZU BERÜCKSICHTIGENDE PUNKTE
Das Verwenden von Bohrfluid als Werkzeugsteuerkanal und Hydraulikantrieb kann Mechanismen erforderlich machen, die ähnliche Fluiddrücke in verschiedenen Fällen ermöglichen, um unterschiedliche Werkzeugreaktionen auszulösen und eine Bedienerauswahl der Werkzeugreaktion zuzulassen. Beispielsweise liegt selten eine einfache direkte Entsprechung zwischen Fluiddruckwerten und dem gewünschten Ausfahren des Ausräumers vor. Obwohl Ausräumvorgänge in diesem Beispiel mit hohem Fluiddruck in der Bohrung 128 (auch als Bohrungsdruck oder Innendruck bezeichnet) einhergehen, darf der Ausräumer 144 nicht bei jedem Auftreten von hohem Bohrungsdruck eingesetzt werden. Der Bohrungsdruck kann beispielsweise erhöht werden, um den Bohrmeißel 116 über den Motor 136 anzutreiben, wenn das Bohrloch 104 gebohrt wird. Häufig sollte das Ausfahren des Ausräumers während einer solchen Bohrphase vermieden werden.
Eine Funktion der Steuereinrichtung 148 besteht in dieser Ausführungsform darin, selektiv die Art und Weise anzupassen, wie der Ausräumer 144 auf bestimmte Fluiddruckzustände reagiert. Die Ausräumerbaugruppe 118 kann bimodal sein und selektiv entweder in einen deaktivierten Modus (auch als Ruhemodus bezeichnet) oder einen aktivierten Modus (auch als aktiver Modus bezeichnet) gebracht werden. Im deaktivierten Modus ist der Ausräumer 144 eingefahren und bleibt ungeachtet hoher Bohrungsdrücke eingefahren (z. B. Drücke bei Betriebspegeln für Untertagemaschinen wie den Motor 136). Im aktivierten Modus reagiert der Ausräumer 144 dynamisch auf Bohrungsdruck, so dass hohe Bohrungsdrücke automatisch und in jedem Fall zum Ausfahren des Ausräumers 144 durch radiales Ausfahren der Schneidelemente des Ausräumers 144 führen. Die Steuerung der Ausräumerbaugruppe 118 zum selektiven Anordnen derselben in dem einem oder dem anderen Modus kann durch Erzeugen eines vorgegebenen Bohrfluiddruckprofils im Zeitverlauf oder einer vorgegebenen Folge von Bohrungsdruckwerten erfolgen. In einem Beispiel umfasst die Modusumschaltung das Anlegen eines niedrigen Drucks (relativ zum Werkzeugbetriebsdruck) für eine längere Zeit als ein vorgegebenes Auslöseintervall. Ein Großteil der nachfolgenden Beschreibung erörtert Mechanismen zum Implementieren einer solchen ausgelösten Modussteuerung der Ausräumerbaugruppe 118.
ÜBERSICHT ÜBER DEN STEUEREINRICHTUNGSBETRIEB
2A zeigt die Ausräumerbaugruppe 118 im deaktivierten Modus. Wie durch den schematischen Druckanzeiger 204 angegeben, weist der Bohrstrang 108 einen hohen Bohrungsdruck auf, der in diesem Beispiel einem Betriebsdruck der Ausräumerbaugruppe 118 entspricht. „Betriebsdruck“ bezeichnet hier Druck bei oder über Bohrungsdrücken, bei denen das relevante Werkzeug seine primäre Funktion erfüllt, was im Fall der Ausräumerbaugruppe 118 Bohrungsdrücke während des Ausräumens sind. Trotz solcher Betriebsdruckpegel befindet sich der Ausräumer 144 in 2A in einem eingefahrenen Zustand, in dem Ausräumerschneidelemente in der Beispielform von Ausräumerarmen 208 in einen rohrförmigen Ausräumerkörper 210 eingefahren sind. Die Ausräumerarme 208 springen nicht über eine radial äußere Fläche des Ausräumerkörpers 210 hinaus vor und treten daher nicht mit der Wand des Bohrlochs 104 in Eingriff.
Dies sei mit 2B verglichen, die die Ausräumerbaugruppe 118 im aktivierten Modus zeigt. In 2B befindet sich der Bohrungsdruck erneut auf Betriebspegel, doch der Ausräumer 144 ist jetzt in einem Ausfahrzustand, in dem die Ausräumerarme 208 radial ausgefahren sind und von dem Ausräumerkörper 210 abstehen und radial vom Ausräumerkörper 210 vorspringen, um in Kontakt mit der Bohrlochwand zu treten, um das Bohrloch 104 auszuräumen, wenn der Ausräumerkörper 210 sich mit dem Bohrstrang 108 dreht. In diesem Beispiel sind die Ausräumerarme 208 am Ausräumerkörper 210 in axial ausgerichteten, drehbar verbundenen Paaren angebracht, die bei Betätigung in den ausgefahrenen Zustand klappen.
Die Differenz der Werkzeugreaktion auf identische Druckbedingungen im deaktivierten Modus aus 2A und im aktivierten Modus aus 2B ergibt sich aus der jeweiligen axialen Position eines Ventilschließelements in der Beispielform eines Ventilkolbens 212 in einem Steuereinrichtungsgehäuse 215 mit einer allgemein rohrförmigen Wand 423 (4). Die Steuereinrichtung 148 stellt eine Ventilöffnung 218 bereit, um die Bohrung 128 in Fluiddurchflussverbindung mit der Ausräumerbaugruppe 118 zu versetzen. Wird die Ausräumerbaugruppe 118 über die Ventilöffnung 218 Betriebsbohrungsdrücken ausgesetzt, bewirkt dies eine Hydraulikbetätigung der Ausräumerarme 208 in ihre ausgefahrene Position. Im deaktivierten Modus (2A) ist der Ventilkolben 212 verriegelt und bleibt in einem Bereich axialer Positionen, in denen er die Ventilöffnung 218 schließt und dadurch die Ausräumerbaugruppe 118 vom Bohrungsdruck isoliert und sie nicht auf hohe Bohrungsdruckwerte reagieren lässt.
Im aktivierten Modus dagegen ist der Ventilkolben 212 axial von seiner Position im deaktivierten Modus beabstandet und ist in diesem Beispiel weiter unten im Bohrloch angeordnet als das Steuereinrichtungsgehäuse 215, so dass der Ventilkolben 212 die Ventilöffnung 218 freigibt und die Ausräumerbaugruppe 118 Bohrungsdruckschwankungen aussetzt und ein automatisches Ausfahren des Ausräumers in Reaktion auf Betriebsfluiddruck in der Bohrung 128 zulässt.
Die Steuereinrichtung 148 beinhaltet ferner einen Verriegelungsmechanismus 168 (hier auch als ein Verankerungsmechanismus bezeichnet) zum Verriegeln der Steuereinrichtung 148 in den jeweiligen Modi, um eine versehentliche Aktivierung/Deaktivierung zu verhindern. Der Verriegelungsmechanismus 168 ist dazu konfiguriert, die Steuereinrichtung 148 im deaktivierten Modus zu verriegeln, indem sie die Bewegung des Ventilkolbens 212 weit genug unten im Bohrloch verhindert oder anhält, um die Ventilöffnung 218 zu öffnen, und die Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus zu verriegeln, indem sie den Ventilkolben 212 aus einem Rastmechanismus ausrastet, der den Ventilkolben daran hindert, in seine deaktivierte Modusposition zurückzukehren. Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, verhindert der Verriegelungsmechanismus 168 ein Ausrasten des Ventilkolbens 212, indem er erneut den Ventilkolben 212 daran hindert, sich weit genug axial zu bewegen, um sich dem Rastmechanismus zu entziehen.
Der Verriegelungsmechanismus 168 ist dazu konfiguriert, eine Modusumschaltung (die eine axiale Verlagerung des Ventilkolbens 212 aus seiner deaktivierten Modusposition in seine aktivierte Modusposition und umgekehrt umfasst) durch Anwenden einer Auslösedruckzustands zuzulassen, der in diesem Beispiel das Anwenden einer Druckdifferenz, die niedriger als ein vorgegebener Auslöseschwellenwert (in diesem Beispiel etwa 20 bar) für wenigstens ein Auslöseschwellenzeitintervall (in diesem Beispiel etwa 15 Minuten) beinhaltet. Höhere Schwellenzeitintervalle können Risiken der versehentlichen Aktivierung reduzieren, doch möglicherweise bevorzugen einige Bediener kürzere Schwellenzeitintervalle, weshalb diese Zeitintervalle abhängig von den Bohrbedingungen und/oder Benutzerwünschen variiert werden können. In einigen Ausführungsformen kann das Auslöseschwellenzeitintervall etwa eine Minute betragen.
Es werden nun verschiedene hydromechanische Aspekte und Merkmale der Steuereinrichtung 148 beschrieben, wobei anzumerken ist, dass die axiale Position des Ventilkolbens 212 in diesem Ausführungsbeispiel den Betriebsmodus des Ausräumersystems bestimmt, der von der Ausräumerbaugruppe 118 und der Steuereinrichtung 148 bereitgestellt wird. Die im Folgenden beschriebenen Mechanismen und Komponenten wirken zusammen, um eine axiale Positionierung des Ventilkolbens 212 wie gewünscht mittels Drucksequenzsteuerung aus der Ferner durch das Oberflächensteuersystem 140 zu ermöglichen.
Einige Komponenten und Mechanismen der Steuereinrichtung 148, die zu diesem Ausfahren des druckgesteuerten Ausräumers beitragen, werden nun in einer übergeordneten Übersicht kurz erwähnt, woraufhin diese Merkmale im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel ausführlicher beschrieben werden. Anschließend wird die funktionelle Interaktion der Steuereinrichtungskomponenten erörtert.
ÜBERGEORDNETE ÜBERSICHT
Verschiedene Komponenten, die direkt und/oder indirekt auf den Ventilkolben 212 einwirken, um ihn entweder in seiner Ruhemodusposition oder seiner Aktivmodusposition anzuordnen, sind in 3 zu sehen. Der Ventilkolben 212 wird durch eine ventilschließende Vorspannanordnung in der Beispielform einer Schließfeder 305, die zwischen dem Steuereinrichtungsgehäuse 215 und dem Ventilkolben 212 wirkt, um den Ventilkolben 212 axial im Bohrloch nach oben zu drängen, d. h. in 3 nach links, in seine Ruhemodusposition gedrängt. In Abwesenheit von Hydraulikkräften, die auf den Ventilkolben 212 einwirken, würde die Schließfeder 305 somit den Ventilkolben 212 im Bohrloch nach oben in eine Position bewegen, in der die Ventilöffnung 218 von einem Teil des Ventilkolbens 212 geschlossen wird, der als ein Ventilschließelement dient (siehe z. B. Ventilschließhülse 409 in 4). Zur klareren Darstellung ist der Ventilkolben 212 in den Zeichnungen als einstückig konstruiert gezeigt, kann jedoch aus zwei oder mehr allgemein rohrförmigen Elementen gebildet sein, die Ende an Ende aneinander geschraubt werden, um die Montage zu erleichtern.
Im deaktivierten Modus kann sich der Ventilkolben 212 durch das Drängen der Schließfeder 305 in Abwesenheit von Fluiddruck frei in seine geschlossene Position bewegen. Im aktivierten Modus dagegen wird die axiale Bewegung des Ventilkolbens 212 zum aufwärts im Bohrloch liegenden Ende des Steuereinrichtungsgehäuses 215 (zum Schließen der Ventilöffnung 218) durch den Rastmechanismus beschränkt. Der Rastmechanismus umfasst in diesem Beispiel eine Kurventrommel 310 (die axial am Ventilkolben 212 verankert ist, sich aber frei darum drehen kann) und einen zusammenwirkenden Nockenmitnehmer in der Form eines Raststifts 312, der am Steuereinrichtungsgehäuse 215 angebracht ist. Wie ausführlicher beschrieben wird, weist die Kurventrommel 310 eine vertiefte Schiene 315 auf, welcher der Raststift 312 folgt. Die Schiene 315 beinhaltet einen Rastschlitz 512 (5), in der eine axiale Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach oben (zum Schließen der Ventilöffnung 218) kurz vor ihrer Ventilschließposition angehalten wird, indem der Raststift 312 an einem Anschlagende des Rastschlitzes 512 der Schiene 315 in Anlage gelangt. Das Umschalten in den aktivierten Modus umfasst in diesem Beispiel somit das Eintreten des Raststifts 312 in den Rastschlitz 512 der Schiene 315 der Kurventrommel 310, während das Umschalten in den deaktivierten Modus das Austreten des Raststifts 312 aus dem Rastschlitz 512 umfasst.
Der Ventilkolben 212 kann sich im Steuereinrichtungsgehäuse 215 gegen die Vorspannung der Schließfeder 305 axial im Bohrloch nach unten bewegen, wenn Fluiddruck in der Bohrung 128 auf Betriebspegeln („hoher Druck/Durchfluss“) oder unter Betriebspegeln („niedriger Druck/Durchfluss“) liegt. Die axiale Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilkolbens 212 gegen die Schließfeder 305 wird durch einen Öffnungsgeschwindigkeitssteuermechanismus oder eine Verzögerungsanordnung beschränkt, der bzw. die eine Drosselung 318, die eine Hydraulikdurchflussrate durch einen Flusssteuerkanal 324 von einem Steuerfluidbehälter 321 zu einer Saugkammer 327 beschränkt. In diesem Beispiel ist die Drosselung 318 ein Lee Flosert, das die Geschwindigkeit steuert, mit der sich Öl durch den Flusssteuerkanal 324 vom Steuerfluidbehälter 321 zur Saugkammer 327 bewegen kann, wenn ein Wirkdruck daran anliegt. Die effektive Durchflussrate durch die Drosselung 318 kann daher für eine Spanne von Druckdifferenzen im Wesentlichen konstant sein. Daher steuert die Drosselung 318 die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilkolbens 212 und ermöglicht eine genaue Berechnung eines Auslöseschwellenzeitintervalls, bei dem sich der Ventilkolben 212 unter Hydraulikbetätigung bewegen soll, um die Betriebsmodi der Steuereinrichtung 148 umzuschalten. Die Drosselung 318 kann eine im Wesentlichen unbeschränkte Fluidbewegung in umgekehrter Richtung zulassen. In einigen Ausführungsformen kann die Fluidrückkehr von der Saugkammer 327 zum Steuerfluidbehälter 321 durch das Bereitstellen einer Ventilanordnung zwischen den relevanten Kammern erreicht oder unterstützt werden. Beispielsweise sind in einigen Ausführungsformen Rückschlagventile oder Einwegventile in einem dedizierten Fluiddurchlass zwischen den Kammern 321, 327 angebracht und so ausgerichtet, dass ein im Wesentlichen unbeschränkter Fluss durch den Fluiddurchlass in einer Richtung entgegengesetzt zu der zuzulassen, in der die Drosselung 318 die Ventilkolbengeschwindigkeit steuert.
Die axiale Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach unten kann von dem Verriegelungsmechanismus 168 blockiert werden (siehe 3B und 7), der in diesem Ausführungsbeispiel weiter unten im Bohrloch angeordnet ist als die Kurventrommel 310. In diesem Beispiel umfasst der Verriegelungsmechanismus 168 ein Verankerungselement in der Beispielform eines allgemein rohrförmigen Verriegelungskolbens 331, das koaxial mit dem Ventilkolben 212 ist und axial im Steuereinrichtungsgehäuse 215 verlagerbar ist, um eine relative Bewegung des Verriegelungskolbens 331 sowohl zum Steuereinrichtungsgehäuse 215 als auch zum Ventilkolben 212 zuzulassen. Der Ventilkolben 212 und der Verriegelungskolben 331 sind Ende an Ende angeordnet, wobei sich ihre benachbarten Enden teleskopisch in einem Überlagerungsabschnitt des Verriegelungsmechanismus 168 überlagern. Ein im Bohrloch unterer Endabschnitt 352 des Ventilkolben 212 ist daher in diesem Beispiel teleskopisch mit Gleitspiel in einem im Bohrloch oberen Endabschnitt 354 des Verriegelungskolben 331 aufgenommen.
Der Verriegelungsmechanismus 168 beinhaltet ferner eine Vielzahl von Behinderungselementen in der Beispielform eines in Umfangsrichtung beabstandeten Rings aus Verriegelungskugeln 356 (von denen in der Schnittansicht aus 3B–7 nur eine zu sehen ist), von denen jede von dem Verriegelungskolben 331 und seinem Endabschnitt 354 festgehalten wird und daher den Ventilkolbenendabschnitt 354 überlagert. Jede Verriegelungskugel 356 ist in einem zugehörigen Einfangloch 358 (siehe 7) angeordnet, das sich durch die rohrförmige Wand des Verriegelungskolbens 331 erstreckt, so dass die Verriegelungskugel 356 am radial äußeren Umfang des Ventilkolbenendabschnitt 352 anliegt und ihm folgt. Die Verriegelungskugel 356 ist somit radial relativ zum Verriegelungskolben 331 verlagerbar und ist dabei axial am Verriegelungskolben 331 gesichert, um sich darin zu bewegen.
Zur einfacheren Beschreibung bezieht sich die weitere Erörterung des Verriegelungsmechanismus 168 hauptsächlich auf das Verhalten der Verriegelungskugeln 356 im Singular, doch sei daran erinnert, dass der Verriegelungsmechanismus 168 in diesem Ausführungsbeispiel eine Anzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Kugeln 356 beinhaltet, deren Verhalten im Wesentlichen identisch ist. Andere Ausführungsformen können jedoch eine einzelne Rolle oder Verriegelungskugel 356 aufweisen, die als ein Verriegelungselement zwischen dem Ventilkolben 212 und dem Verriegelungskolben 331 dient.
Der Verriegelungsmechanismus 168 in diesem Ausführungsbeispiel arbeitet, indem er selektiv eine gegenseitige Behinderung zwischen dem Ventilkolben 212 und dem Verriegelungskugel 356 verursacht. Der Verriegelungsmechanismus 168 kann somit zwischen einem entriegelten Zustand (in dem der teleskopisch aufgenommene Endabschnitt 352 des Ventilkolbens 212 sich frei axial an der Verriegelungskugel 356 vorbei bewegen kann) und einem verriegelten Zustand umgeschaltet werden (in dem eine axiale Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach unten durch Behinderung an der Verriegelungskugel 356 angehalten wird. Ob sich der Verriegelungsmechanismus 168 im entriegelten Zustand oder im verriegelten Zustand befindet, hängt von der jeweiligen axialen Position des Verriegelungskolbens 331 im Steuereinrichtungsgehäuse 215 ab.
Der Überlagerungsabschnitt des Ventilkolbens 212 und des Verriegelungskolbens 331 ist in einer Verriegelungshülse 360 angeordnet, die koaxial im Steuereinrichtungsgehäuse 215 angebracht und gegen axiale Bewegung relativ zum Steuereinrichtungsgehäuse 215 gesichert ist. Ein radial innerer Umfang der Verriegelungshülse 360 definiert eine Kammerwand, die radial vom radial äußeren Umfang des Ventilkolbenendabschnitts 352 beabstandet ist, so dass eine mehr oder weniger ringförmige Verriegelungskammer 362 zwischen dem Ventilkolbenendabschnitt 352 und dem Verriegelungshülse 360 definiert ist. Der radial innere Umfang der Verriegelungshülse 360 ist radial gestuft und wird an einer Stufe oder Verengung 366 schmaler, an der der Innendurchmesser der Verriegelungskammerwandänderungen sind. Die Verriegelungskammer 362 weist daher einen schmaleren verengten Abschnitt 368 (der hier im Bohrloch unterhalb der Verengung 366 angeordnet ist) und einen breiteren Freigabeabschnitt 370 (der hier im Bohrloch oberhalb der Verengung 366 angeordnet ist) auf. Es sei angemerkt, dass die Verengung 366 dazu geformt ist, die Verriegelungskugel 356 in Reaktion auf eine axiale Bewegung der Kugel über die Verengung während der axialen Betätigung des Verriegelungskolbens 331 untertage radial nach innen in den verengten Abschnitt 368 zu führen.
Der Ventilkolbenendabschnitt 352 weist ein Paar Behinderungsformationen zur Behinderung an der Verriegelungskugel 356 auf, wenn sie (die Verriegelungskugel 356) im verengten Abschnitt 368 angeordnet ist. In diesem Beispiel umfassen die Behinderungsformationen ein Paar axial beabstandete, radial vorspringende ringförmige Vorsprünge, die keilartige Grate oder Höcker 372 definieren, die den radialen Abstand zwischen dem Ventilkolben 212 und dem Verriegelungshülse 360 reduzieren, derart, dass die Höcker 372 sich an der Verriegelungskugel 356 vorbei bewegen können, wenn diese sich in einer Freigabeposition befindet (hier, wenn sich die Verriegelungskugel 356 im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 befindet, wie in 3B gezeigt), aber derart, dass die Bewegung von einem der Höcker 372 an der Verriegelungskugel 356 vorbei physisch verhindert wird, wenn sich die Verriegelungskugel 356 im verengten Abschnitt 368 befindet – wodurch eine weitere Bewegung axial weiter unten als der Ventilkolben 212 im Bohrloch angehalten wird.
Wenn die Verriegelungskugel 356 sich in ihrer Behinderungsposition befindet (in der die Verriegelungskugel 356 unter Hydraulikbetätigung des Verriegelungskolbens 331 an der Verengung 366 vorbei und in den verengten Abschnitt 368 bewegt wurde), wird ein weiteres hydraulisch betätigtes Bewegen des Verriegelungskolbens 331 gegen die Verriegelungsfeder 334 durch die Behinderung einer ringförmigen Manschette des Verriegelungskolbens 331 an einer zugehörigen Anschlagschulter 374 verhindert, die einen Teil der Verriegelungshülse 360 bildet. Wenn der Ventilkolben 212 durch die Behinderung an der Verriegelungskugel 356 angehalten wird, widersteht die Anschlagschulter 374 allen axial wirkenden Kräften, die von dem Ventilkolben 212 über die Kugel 356 auf den Verriegelungskolben 331 ausgeübt werden.
Die Verriegelungskugel 356 ist durch die axiale Bewegung des Verriegelungskolbens 331 relativ zum Steuereinrichtungsgehäuse 215 vom Freigabeabschnitt 370 zum verengten Abschnitt 368 und umgekehrt bewegbar. Der Ventilkolben 212 wird von einer Verriegelungsfeder 334 axial im Bohrloch nach oben in die Freigabeposition (3B) gedrängt, in der die Verriegelungskugel 356 im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 angeordnet ist und dadurch frei von gegenseitiger Behinderung mit dem Ventilkolben 212 ist. Der Verriegelungsmechanismus 168 ist derart konfiguriert, dass sich der Verriegelungskolben 331 bei hohem Betriebsschlammdruck und/oder -fluss gegen die Vorspannung der Verriegelungsfeder 334 (in derselben Axialrichtung wie der des Ventilkolbens 212 unter hydraulischer Bohrfluidbetätigung, die in diesem Beispiel als die Öffnungsrichtung bezeichnet wird) axial im Bohrloch nach unten bewegt, um die Verriegelungskugel 356 in den verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 zu bewegen und die Bewegung des Ventilkolbens 212 axial im Bohrloch nach unten anzuhalten.
Teilweise aufgrund des Betriebs der Drosselung 318 bewirkt die Bereitstellung von Bohrungsdrücken, die für eine betätigte Bewegung des Verriegelungskolbens 331 gegen die Verriegelungsfeder 334 ausreichen, dass sich der Verriegelungskolben 331 schneller axial im Bohrloch nach unten bewegt als der Ventilkolben 212 sich im Bohrloch nach unten bewegt, wodurch die Verriegelungskugel 356 in ihre Verriegelungsposition im verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 bewegt wird, bevor ein unten im Bohrloch benachbarter Höcker 372 die Verengung 366 erreicht, wodurch der Ventilkolben 212 angehalten wird, bevor der Raststift 312 aus dem Rastschlitz 512 der Kurventrommel 310 austreten oder in diesen eintreten kann, je nachdem. Im deaktivierten Modus wird der Verriegelungskolben 331 also in die Verriegelungsposition bewegt, um den Ventilkolben 212 zu blockieren, so dass dieser sich nicht weit genug im Bohrloch nach unten bewegt, um die Ventilöffnung 218 freizugeben oder zuzulassen, dass der Raststift 312 in den Rastschlitz 512 in der Kurventrommel 310 eintritt. Im aktivierten Modus blockiert eine fluiddruckbetätigte Bewegung des Verriegelungskolbens 331 im Bohrloch nach unten ebenso den Ventilkolben 212, so dass dieser sich nicht weit genug im Bohrloch nach unten bewegt, um eine Ausrastposition zu erreichen, in der er aus dem Rastschlitz in der Kurventrommel 310 austreten würde, wodurch der Ventilkolben 212 in einem axialen Bereich eingerastet bleibt, in dem die Ventilöffnung 218 offen ist.
Diese Kolben und Federn sind allerdings derart abgemessen und konfiguriert, dass bei einem Druck unter Betriebsdruck, der niedriger als ein Schwellenpegel ist (hier auch als ein Auslösedruck bezeichnet), der Ventilkolben 212 so betätigt wird, dass er sich axial im Bohrloch nach unten bewegt und den elastischen Widerstand der Schließfeder 305 überwindet, doch sind die Hydraulikbetätigungskräfte am Verriegelungskolben 331 nicht ausreichend, um die Verriegelungsfeder 334 zu überwinden. Auf diese Weise bewirkt das Anlegen eines solchen Drucks unter Betriebsdruck oder unter dem Schwellendruck für eine Zeit, die länger als ein Auslösezeitintervall ist, eine Bewegung des Ventilkolbens 212 weit genug axial im Bohrloch nach unten (ohne Behinderung durch die Verriegelungskugel 356, die durch den nun im Wesentlichen stationären Verriegelungskolben 331 im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 gehalten wird), um das Eintreten des Raststifts 312 in den Rastschlitz 512 zuzulassen (und dadurch aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus umzuschalten) oder zuzulassen, dass der Raststift 312 aus dem Rastschlitz austritt (und dadurch aus dem aktivierten Modus in den deaktivierten Modus umzuschalten), je nachdem.
Die oben kurz erwähnten Steuereinrichtungskomponenten werden nun separat ausführlicher beschrieben, woraufhin das Zusammenwirkungsverhalten der Komponenten der beispielhaften Steuereinrichtung 148 in der Praxis erörtert wird.
MERKMALE DES VENTILKOLBENS
4A und 4B zeigen jeweils Ansichten der beispielhaften Steuereinrichtung 148 im Ruhe- und im aktivierten Modus, in denen einige zusätzliche Merkmale des beispielhaften Ventilkolbens 212 sichtbar sind. Ein Ventilöffnungseinsatz 404 ist in diesem Beispiel, koaxial im Steuereinrichtungsgehäuse 215 angebracht und definiert eine Bohrungsöffnung 406, in der eine koaxiale Ventilschließhülse 409, die von einem im Bohrloch oberen Endabschnitt des Ventilkolbens 212 bereitgestellt wird, verschließend aufgenommen ist. Der Ventilöffnungseinsatz 404 ist am Steuereinrichtungsgehäuse 215 verankert, wobei die Ventilschließhülse 409 axial durch die Bohrungsöffnung 406 gleiten kann.
Der Ventilöffnungseinsatz 404 definiert die Ventilöffnung 218 in der Beispielform eines Fluiddurchflusskanals, der einen Abschnitt der Bohrung 128 des Bohrstrangs, der durch den Ventilöffnungseinsatz 404 definiert wird, in Verbindung mit einer im Wesentlichen ringförmigen Ausräumerbetätigungskammer 412 setzt. In ihrer Position des deaktivierten Modus (4A) schließt die Ventilschließhülse 409 die Ventilöffnung 218 und isoliert die Ausräumerbetätigungskammer 412 von der Bohrung 128. Bei axialer Verlagerung im Bohrloch nach unten in ihre Position des aktiven Modus (4B) gibt das im Bohrloch obere Ende des Ventilkolbens 212 die Ventilöffnung 218 frei, so dass die Ausräumerbetätigungskammer 412 über die Ventilöffnung 218 in Fluiddurchflussverbindung mit der Bohrung 128 steht und die Ausräumerbetätigungskammer 412 und damit die Ausräumerbaugruppe 118 Bohrungsdruck aussetzt. Das Gehäuse 215 beinhaltet eine oder mehrere Düsen 418, um Bohrklein aus dem Gehäuse 215 zu spülen. Fluidabgabe aus den Düsen 418 kann auch als Oberflächendruckindikator dienen, um Bedienern an der Oberfläche die Werkzeugaktivierung anzuzeigen. Ein Entlastungsventil (nicht dargestellt) ist zwischen der Kammer 412 und der Bohrung 128 vorgesehen und dient als Ausfallsicherung, falls der Ventilkolben 212 die zugehörigen Düsen verstopft sind, so dass Druck unter dem Antriebskolben eingeschlossen wird. In einem solchen Fall können die Ausräumerarme nach unten gezwungen werden, indem stark genug gegen eine Beschränkung gezogen wird, um das Entlastungsventil zu überwinden. Stattdessen oder zusätzlich kann ein Entlastungsventil zwischen der Kammer 412 und dem Ringraum 134 vorgesehen sein.
Der Ventilkolben 212 weist eine radial zu der im Bohrloch unteren Seite der Bohrungsöffnung 406 vorspringende, sich in Umfangsrichtung erstreckende ringförmige Manschette oder Schulter 421 oben im Bohrloch auf, die eine radial äußere Endkante in verschließendem Gleiteingriff mit einer zylindrischen Innenfläche der rohrförmigen Wand 423 des Steuereinrichtungsgehäuses 215 aufweist. Der Ventilkolben 212 ist daher koaxial im Steuereinrichtungsgehäuse 215 verschiebbar.
Ein ringförmiger Raum zwischen einem rohrförmigen Mittelabschnitt 424 des Ventilkolbens 212 und der rohrförmigen Wand 423 des Steuereinrichtungsgehäuses 215 stellt den Steuerfluidbehälter 321 weiter unten im Bohrloch als die im Bohrloch obere Schulter 421 bereit. Der Ventilkolben 212 weist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Reihe von Schlammflussöffnungen 427 auf, die im Bohrloch oberhalb der Schulter 421 angeordnet sind, wodurch Fluidtransfer zwischen der Bohrung 128 und einem ringförmigen Raum zugelassen wird, der sich radial zwischen der zylindrischen Außenfläche des Ventilkolbens 212 und der rohrförmigen Wand 423 des Steuereinrichtungsgehäuses 215 weiter oben im Bohrloch als die im Bohrloch obere Schulter 421 erstreckt. Da Fluiddruck im Steuerfluidbehälter 321 im Wesentlichen mit dem Ringraumdruck übereinstimmt (durch die Wirkung von Druckausgleichsmechanismen, die in Kürze erörtert werden), ist eine Druckdifferenz über der im Bohrloch oberen Schulter 421 im Wesentlichen gleich der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz. In der Regel lastet der höhere dieser Drück auf der im Bohrloch oberen Seite der im Bohrloch oberen Schulter 421 (d. h. Bohrungsdruck), weshalb eine Nettohydraulikkraft auf den Ventilkolben 212 in Bohrlochabwärtsrichtung ausgeübt wird.
Das Steuereinrichtungsgehäuse 215 stellt eine ringförmige Kammerwand 430 bereit, die an einer Position, die von der Bohrungsöffnung 406 im Bohrloch nach unten axial jenseits der im Bohrloch oberen Schulter 421 beabstandet ist, radial von der rohrförmigen Wand 423 des Steuereinrichtungsgehäuses (215) nach innen vorspringt. Die Kammerwand 430 definiert eine zylindrische Bohrungsapertur 433, in der der Ventilkolben 212 gleitend aufgenommen ist, wobei eine radial äußeren zylindrischen Fläche des Ventilkolbens 212 in verschließendem Eingriff mit einer zugehörigen passenden radial inneren Kantenfläche der Kammerwand 430 steht. Die Kammerwand 430 begrenzt somit verschließend den Steuerfluidbehälter 321 an einem im Bohrloch oberen Ende desselben. Die Kammerwand 430 ist gegen axiale Bewegung relativ zum Steuereinrichtungsgehäuse 215 verankert. Auf diese Weise verändert eine axiale Verlagerung des Ventilkolbens 212 im Steuereinrichtungsgehäuse 215 das Volumen des Steuerfluidbehälters 321. Die Schließfeder 305 ist im Steuerfluidbehälter 321 angeordnet und ist koaxial um den Mittelabschnitt 424 des Ventilkolbens 212 angeordnet und wirkt zwischen der im Bohrloch oberen Schulter 421 und der Kammerwand 430.
Die Saugkammer 327 wird an ihrem im Bohrloch unteren Ende durch einen schwimmenden ringförmigen Ausgleichskolben 450 (siehe 3A) begrenzt, der in verschließendem Gleiteingriff sowohl mit der radial äußeren Fläche des Ventilkolbens 212 als auch einer radial inneren Fläche der Gehäusewand 423 (oder einer Auskleidung an der Wand 423) steht. Der Ausgleichskolben 450 verschließt dadurch die Saugkammer 327 an ihrem im Bohrloch unteren Ende. Der Ausgleichskolben 450 ist auf der von der Kammerwand 430 entfernten Seite der Kurventrommel 310 angeordnet, so dass die Kurventrommel 310 in der Saugkammer 327 aufgenommen ist. Die Saugkammer 327 ist dadurch ein im Wesentlichen ringförmiger Raum, der radial zwischen dem Ventilkolben 212 und der Wand 423 (oder ihrer Auskleidung) und axial zwischen der Kammerwand 430 und dem Ausgleichskolben 450 definiert ist. Wie erwähnt, steht die Saugkammer 327 über den Flusssteuerkanal 324, in dem die Drosselung 318 angebracht ist, in Fluidflussverbindung mit dem Steuerfluidbehälter 321. Es sei angemerkt, dass das Volumen der Saugkammer 327 durch axiale Bewegung des Ausgleichskolbens 450 variabel ist, der automatisch axial schwimmt, um eine Äquilibriumsposition zu finden, in der im Wesentlichen keine Druckdifferenz an ihm vorliegt.
Ein im Wesentlichen ringförmiges Volumen um den Ventilkolben 212 und unmittelbar im Bohrloch unterhalb des Ausgleichskolbens stellt eine Ausgleichskammer 452 bereit, die von der Bohrung 128 isoliert ist und über einen Fluiddurchlass 762, der sich durch die Gehäusewand 423 erstreckt, in Fluidverbindung mit dem Ringraum steht (siehe 3B). Die Ausgleichskammer 452 wird dadurch bei einem Ringdruck gehalten, wobei sich der Ausgleichskolben 450 automatisch und dynamisch bewegt, um eine Erweiterung der Saugkammer 327 zuzulassen und zugleich die Ausgleichskammer 452 und die Saugkammer 327 im Wesentlichen bei Ringraumdruck zu halten.
MERKMALE DER KURVENTROMMEL
Wie erwähnt, beinhaltet die Steuereinrichtung 148 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Kurventrommel 310, die koaxial im Ventilkolben 212 angebracht ist. In der Ausführungsform aus 4 ist die Kurventrommel 310 für eine axiale Bewegung mit dem Ventilkolben 212 an diesem verankert, indem sie zwischen zwei axial beabstandeten Kugellagern 449 (4) angeordnet ist, die für eine axiale Bewegung mit dem Ventilkolben 212 angebracht sind. Durch die Wirkung der Lager 449 kann sich die Kurventrommel 310 relativ zum Ventilkolben 212 frei um die Längsachse drehen.
Bezug nehmend auf 5 und 6 ist zu erkennen, dass eine radial äußere zylindrische Fläche der beispielhaften Kurventrommel 310 die Schiene 315 definiert, die mit dem Raststift 312 in einer Nocken/Mitnehmer-Anordnung zusammenwirkt. Die Schiene 315 umfasst eine endlose Führungsvertiefung 518 mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Tiefe, die sich in Umfangsrichtung um die Kurventrommel 310 erstreckt, aber hinsichtlich axialer Positionen variiert, die von dem Raststift 312 eingenommen werden können. Die Schiene 315 umfasst ferner einen Bodenkanal 524 (auch als ein Verriegelungskanal bezeichnet), dessen Weg identisch mit dem der Führungsvertiefung 518 ist, jedoch mit geringerer Breite und größerer Tiefe. Anders beschrieben ist der Bodenkanal 524 ein länglicher schlitzartiger Hohlraum, der in der Führungsvertiefung 518 zentriert ist.
Der Raststift 312 umfasst in diesem Beispiel einen Mitnehmerstift 609, der in der rohrförmigen Wand 423 des Steuereinrichtungsgehäuses 215 angebracht ist und mit Gleitspiel radial nach innen in die Führungsvertiefung 518 vorspringt, um an Seitenwänden der Führungsvertiefung 518 anzuliegen, um eine axiale Bewegung des Ventilkolbens 212 in eine Drehbewegung der Kurventrommel 310 umzuwandeln. Der Raststift 312 umfasst ferner einen Sperrstift 618, der koaxial in einer Blindbuchse im Mitnehmerstift 609 aufgenommen ist. Der Sperrstift 618 ist teleskopisch relativ zum Mitnehmerstift 609 verschiebbar und springt vom radial inneren Ende des Mitnehmerstifts 609 radial nach innen vor. Der Sperrstift 618 ist federbeaufschlagt und wird von einer Rastfeder 627 entfernt vom Mitnehmerstift 609 beaufschlagt, um an einem Boden des Bodenkanals 524 anzuliegen.
Anders als die Führungsvertiefung 518 variiert der Bodenkanal 524 über seine Länge hinweg in seiner Tiefe. Diese Tiefenvariationen beinhalten plötzliche Tiefenänderungen an einer Anzahl von Raststufen 530 und allmähliche Tiefenänderungen, an denen der Boden des Bodenkanals 524 geneigt ist, um Rampen 536 zu bilden, die als Nockenflächen dienen, die ein radiales Anheben oder Absenken des Sperrstifts 618 bewirkt, wenn sich der Mitnehmerstift 609 an der Schiene 315 entlang bewegt.
In 5A ist ein Abschnitt der Schiene 315, in dem der Raststift 312 festgehalten werden kann, um die Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus einrasten zu lassen (hier als Rastschlitz bezeichnet), allgemein durch eine strichpunktierte Linie 512 angezeigt. Diejenigen Abschnitte der Schiene 315, die dem deaktivierten Modus entsprechen (hier als Ausrastschlitz bezeichnet), sind in 5 durch eine punktierte Linie 506 angezeigt. Es sei angemerkt, dass in diesem Ausführungsbeispiel die Anordnung der Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus oder im deaktivierten Modus vom Öffnen oder Schließen der Ventilöffnung 218 getrennt ist. In 5A und 5B stellt eine durchbrochene Linie 550 schematisch eine axiale Position für den Ventilkolben 212 dar, an der der Ventilkolben 212 die Ventilöffnung 218 öffnet oder schließt. Somit ist die Ventilöffnung 218 offen, wenn die Linie 550 an der Kurventrommel 310 in diesem Beispiel im Bohrloch unterhalb des Raststifts 312 angeordnet ist (d. h. wenn der Raststift 312 sich in der Ausrichtung aus 5 links der Linie 550 befindet). Ebenso ist die Ventilöffnung 218 geschlossen, wenn die Linie 550 an der Kurventrommel 310 in diesem Beispiel im Bohrloch oberhalb des Raststifts 312 angeordnet ist (d. h. wenn der Raststift 312 sich in der Ausrichtung aus 5 rechts der Linie 550 befindet).
Es sei angemerkt, dass ein sehr weit unten im Bohrloch liegender Punkt des Ausrastschlitzes 506 (Punkt A) derart angeordnet ist, dass der Ventilkolben 212 die Ventilöffnung 218 schließt, wenn der Raststift 312 sich an Punkt A befindet. Wenn der Raststift 312 sich an Punkt A befindet, kann er sich aufgrund einer Stufe 530, auf die der Sperrstift 618 trifft, nicht am Ausrastschlitz 506 entlang zu Punkt E bewegen. Stattdessen bewirkt eine Abwärtsbewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch eine Bewegung der Kurventrommel 310, derart, dass der Raststift 312 sich am Ausrastschlitz 506 entlang von Punkt A zu Punkt B bewegt. Abschnitt AB des Ausrastschlitzes 506 definiert eine Rampe 536, die den Sperrstift 618 radial nach außen schiebt.
Es sei auch angemerkt, dass sich Punkt B links von der Linie 550 befindet (siehe 5B), so dass die Ventilöffnung 218 geöffnet wird, bevor der Raststift 312 an Punkt B in den Rastschlitz 512 eintritt. Wenn die Hydraulikbetätigung des Ventilkolbens 212 endet, bevor der Raststift 312 Punkt B erreicht, bewegt sich die Kurventrommel 310 automatisch im Bohrloch nach oben, so dass der Raststift 312 sich zurück zu Punkt A bewegt und erneut die Linie 550 überquert. In einem solchen Fall wurde die Ventilöffnung 218 vorübergehend geöffnet und wieder geschlossen, ohne den Modus der Steuereinrichtung 148 zu ändern.
Wenn der Raststift 312 Punkt B passiert, tritt er in den Rastschlitz 512 ein und kann aufgrund der Stufe 530 an Punkt B nicht zu Abschnitt AB zurückkehren. Der Rastschlitz 512 weist eine Position sehr weit unten im Bohrloch (Punkt D) auf, die bedeutend von Punkt A entfernt ist und einer Stellung des Ventilkolbens 212 entspricht, in der die Ventilöffnung 218 offen ist. Der Rastschlitz 512 in diesem Beispiel umfasst zwei Abschnitte (Abschnitt C-D und Abschnitt D-E), getrennt durch eine Stufe 530 an Punkt D. Der Boden des Bodenkanals 524 ist geneigt, um Rampen 536 von Punkt C zu Punkt D und von Punkt D zu Punkt E bereitzustellen. Eine weitere Stufe 530 an Punkt E verhindert ein erneutes Eintreten des Raststifts 312 in den Rastschlitz 512, sobald er durch Erreichen von Punkt E aus dem Rastschlitz 512 ausgetreten ist und dann in den Ausrastschlitz 506 eingetreten ist und axial am Ausrastschlitz 506 entlang von Punkt E zu Punkt A bewegbar ist.
Es sei angemerkt, dass ein Zyklus der Schiene 315 (z. B. von Punkt A zu Punkt A) in diesem Ausführungsbeispiel nur ein Drittel des Umfangs der Kurventrommel 310 ausmacht. Der beschriebene Zyklus wiederholt sich somit in diesem Beispiel für eine Umdrehung der Kurventrommel 310 dreimal, und die Kurventrommel 310 wirkt mit drei Raststiften 312 in Abständen von 120 Grad zusammen. In dieser Hinsicht sei z. B. auf 8A–8G verwiesen, in denen die Wand 423 gewinkelt aufgeschnitten ist, um zwei der Raststifte 312 freizulegen.
MERKMALE DES VERRIEGELUNGSKOLBENS
Unter Bezugnahme auf 3B wurde eine Übersicht über Konstruktion und Funktionsweise des Verriegelungsmechanismus 168 beschrieben. Weitere Merkmale des Beispiels des Verriegelungsmechanismus 168 werden nun anhand von 3B und 7 erörtert, die eine vergrößerte Ansicht der überlagernden Kolbenendabschnitte 352, 354 und der Verriegelungskammer 362 zeigen. Es sei angemerkt, dass in 3B der dargestellte Zustand der Steuereinrichtung 148 derjenige ist, in dem der Verriegelungskolben 331 sich in der entriegelten Stellung befindet, der Ventilkolben 212 ausgerastet ist und kaum oder keine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz vorliegt. 7 zeigt den Zustand des Verriegelungsmechanismus 168, der sich aus der Anwendung von Betriebsbohrungsdrücken ergibt, wenn sich die Steuereinrichtung 148 in dem in 3B dargestellten Zustand befindet. Wie aus den vorangehenden Ausführungen ersichtlich, ist das Ergebnis des Anwendens von Betriebsdrücken, wenn die Steuereinrichtung 148 sich im Ruhemodus befindet (in diesem Ausführungsbeispiel auch als deaktivierter Modus bezeichnet), wie beispielsweise in 3B gezeigt, dass sich der Verriegelungskolben 331 in die Behinderungsposition bewegt (in der sich die Verriegelungskugel 356 im Bohrloch unterhalb der Verengung 366 im verengten Abschnitt 368 befindet) und durch Kontakteingriff mit einem der Höcker 372 die Abwärtsbewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach unten blockiert.
Der beispielhafte Verriegelungskolben 331 ist ein hohles zylindrisches Element, das in der Steuereinrichtungsgehäuse 215 koaxial in der Verriegelungshülse 360 angeordnet ist, die im Steuereinrichtungsgehäuse 215 angebracht ist, wobei es sich um eine abgedichtete Gleitpassung im hohlen zylindrischen Inneren der rohrförmigen Verriegelungshülse 360 handelt. Ähnlich wie bei dem Ventilkolben 212 liegt ein zylindrischer Durchlass, der durch das Innere oder den Verriegelungskolben 331 definiert wird, in einer Reihe mit der Bohrung 128 des Bohrstrangs 108, so dass der Durchlass die Bohrung 128 für deren Abschnitt definiert, der mit dem Verriegelungskolben 331 übereinstimmt.
Die Verriegelungshülse 360 (die in diesem Beispiel eine mehrteilig konstruierte Baugruppe umfasst) nimmt auch den Ventilkolben 212 koaxial an einem im Bohrloch oberen Ende des Verriegelungsmechanismus 168 auf. Der Ventilkolben 212 befindet sich in einer abgedichteten Gleitpassung in der Verriegelungshülse 360, wobei eine Abdichtungsgrenzfläche zwischen dem Außendurchmesser des Ventilkolbens 212 und der Verriegelungshülse 360 an einer ersten Dichtung 750 (3B) benachbart zum im Bohrloch oberen Ende der Verriegelungshülse 360 definiert ist. Der Verriegelungskolben 331 dichtet auch am Innendurchmesser der Verriegelungshülse 360 ab, jedoch an einer zweiten Dichtung 752, die im Bohrloch unterhalb jenseits der Verengung 366 angeordnet ist. Die Verriegelungskammer 362 ist auf diese Weise zwischen der ersten Dichtung 750 und der zweiten Dichtung 752 definiert, wobei die zusammenwirkenden Verriegelungsteile, die die jeweiligen Endabschnitte des Verriegelungskolbens 331 und des Ventilkolbens 212, die Verriegelungskugel 356, den Freigabeabschnitt 370 und den verengten Abschnitt 368 beinhalten, und die Keilhöcker 372 am Ventilkolben 212 innerhalb der Verriegelungskammer 362 angeordnet sind. Die Endabschnitte 352, 354 des Verriegelungskolbens 331 und des Ventilkolbens 212 weisen radiale Durchflussöffnungen 756 auf, die sich radial dadurch erstrecken, um einen radialen Fluss von Bohrfluid aus der Bohrung 128 in die Verriegelungskammer 362 zuzulassen. Die Verriegelungskammer 362 befindet sich somit während des Betriebs bei Bohrungsdruck.
Die zweite Dichtung 752 trennt das Innere des Verriegelungsmechanismusabschnitts der Steuereinrichtung 148 zwischen der Verriegelungskammer 362 (auf ihrer im Bohrloch oberen Seite) und einer Expositionskammer 758 (auf ihrer im Bohrloch unteren Seite). Die Verriegelungshülse 360 weist in einem Abschnitt davon, der der Expositionskammer 758 entspricht, eine Reihe radialer Durchflusslöcher 760 auf, die sich durch die rohrförmige Wand der Verriegelungshülse 360 erstrecken, um einen Fluidfluss dadurch zuzulassen. Außerdem definiert die rohrförmige Wand 423 des Steuereinrichtungsgehäuses 215 in einem Abschnitt davon, der der Expositionskammer entspricht, einen sich radial erstreckenden Durchlass, der eine Ringraumöffnung 762 bereitstellt. Die Ringraumöffnung 762 setzt die Expositionskammer 758 in Fluidflussverbindung mit dem Ringraum 134, so dass die Expositionskammer 758 im Betrieb bei Fluiddruckwerten, die im Wesentlichen gleich dem Ringraumdruck sind, mit Bohrfluid (z. B. Bohrschlamm) gefüllt ist. Ein im Bohrloch unteres Ende der Expositionskammer 758 ist durch eine Enddichtung 751 definiert, die zum Abdichten am Innendurchmesser der Verriegelungshülse 360 am Außendurchmesser des Verriegelungskolbenendabschnitts 354 angebracht ist. Die Enddichtung 751 weist einen relativ zur zweiten Dichtung 752 reduzierten Durchmesser auf.
Das im Bohrloch untere Ende des Verriegelungskolbens 331, das am weitesten vom Ventilkolben 212 entfernt ist, ist zum hohlen Inneren der Verriegelungshülse 360 hin offen, das eine Federkammer 764 definiert, die einen koaxialen Innendurchlass bereitstellt, der die Bohrung 128 des Bohrstrangs 108 für den entsprechenden Abschnitt ihrer Länge definiert. Die Federkammer 764 befindet sich somit im Betrieb im Wesentlichen auf Bohrungsdruck.
Es sei angemerkt, dass die Betriebsdruckdifferenzen an der zweiten Dichtung 752 dazu tendieren, den Verriegelungskolben 331 im Bohrloch nach unten zu drängen, während Druckdifferenzen an der Enddichtung 751 dazu tendieren, den Verriegelungskolben 331 in die entgegengesetzte Richtung zu drängen. Die Innenwand der Verriegelungshülse 360 weist jedoch dort einen reduzierten Durchmesser auf, wo sie mit der zweiten Dichtung 752 in Eingriff steht, so dass der Durchmesser der im Bohrloch unteren Dichtungsgrenzfläche, die von der Enddichtung 751 bereitgestellt wird, kleiner als der entsprechende Durchmesser an der im Bohrloch oberen Grenzfläche ist, die durch die zweite Dichtung 752 bereitgestellt wird. Nettohydraulikkräfte, die auf den Verriegelungskolben 331 in Reaktion auf den Druckfluss von Bohrfluid durch die Bohrung 128 einwirken, wirken dadurch auf den Verriegelungskolben 331 ein, um ihn im Bohrloch nach unten zu drängen. Die Hydraulikbetätigung des Verriegelungskolbens 331 wird durch die Verengung des zentralen Durchlasses in einer Düse benachbart zur zweiten Dichtung 752 weiter unterstützt.
Wie zuvor beschrieben, wirkt die Verriegelungsfeder 334 der hydraulisch betätigten Bewegung des Verriegelungskolbens 331 im Bohrloch nach unten entgegen. Die Verriegelungsfeder 334 ist koaxial in der Federkammer 764 angebracht und steht in koaxialem Ende-an-Ende-Eingriff mit einem im Bohrloch unteren Ende des Verriegelungskolbens 331 und drängt diesen im Bohrloch nach oben zum Ventilkolben 212 hin (und drängt ihn dadurch in diesem Ausführungsbeispiel in eine Schließrichtung des Ventilkolbens 212). Wieder sei angemerkt, dass die Eigenschaften der Feder derart ausgewählt sind, dass die hydraulisch betätigte Bewegung des Verriegelungskolbens 331 für Druckdifferenzen unterhalb des vorgegebenen Auslösedrucks im Wesentlichen verhindert wird, und dass sie in Reaktion auf Druckzustände über dem Schwellenwert ausreichend komprimierbar für eine hydraulisch betätigte axiale Bewegung im Bohrloch nach unten ist.
Wie detaillierter in 7 gezeigt, die Behinderungsformationen, die am Verriegelungskolben 331 in der Beispielform des Paars Grate oder Höcker 372 vorhanden sind, die sich in Umfangsrichtung um den Verriegelungskolbenendabschnitt 354 erstrecken. Wie in 7 zu erkennen ist, weist der Verriegelungskolbenendabschnitt 354 in diesem Ausführungsbeispiel eine Verbundkonstruktion auf, wobei eine Außenhülse lösbar und austauschbar koaxial an der rohrförmigen Wand des Verriegelungskolbenendabschnitts 354 angebracht ist, wobei die Höcker 372 durch die radial äußere Fläche der austauschbaren Hülse definiert sind. Eine solche Konstruktion erlaubt es der austauschbaren Hülse, als Verschleißhülse zu dienen, die entfernt und ausgetauscht werden kann, ohne dass der Ventilkolben 221 neu bearbeitet werden muss.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Höcker 372 im Wesentlichen identisch und umfassen jeweils einen radialen Vorsprung am Außendurchmesser des Verriegelungskolbens 331, mit schrägen geneigten Flächen auf beiden Seiten eines abgeflachten Scheitels. „Geneigt“ bedeutet in diesem Zusammenhang die Erstreckung in einem Winkel relativ zur Längsachse. Zur vereinfachten Beschreibung wird im Folgenden die im Bohrloch nach unten gerichtete Flanke jedes Höckers 372 als die Vorderflanke 768 bezeichnet, während die andere geneigte Fläche (die in Aufwärtsrichtung des Scheitels im Bohrloch angeordnet ist) als die Hinterflanke bezeichnet wird. Jeder Höcker 372 ist derart geformt, dass er als ein Nocken dient, um eine radiale Bewegung der Verriegelungskugel 356 in Reaktion auf eine axiale Verlagerung der Verriegelungskugel 356 am Höcker 372 vorbei oder umgekehrt zu bewirken. Die Vorderflanke 768 soll auch als eine geneigte Kontaktfläche oder Keilfläche dienen, die mit der Verriegelungskugel 356 in Kontakt tritt, wenn sie sich im verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 befindet und gegen eine weitere Verlagerung im Bohrloch nach unten verankert ist. Resultierende axiale Haltekräfte, die der Bewegung des Ventilkolbens 212 weiter im Bohrloch nach unten entgegenwirken, werden dadurch vom Verriegelungskolben 331 (aufgrund seiner Anlage an der Schulter 374) über die Verriegelungskugel 356 auf den Ventilkolben 212 übertragen.
Die Form und das Profil des Höckers 372 können von einer Ausführungsform zur anderen variieren, abhängig von zu berücksichtigenden Punkten und Präferenzen der Auslegung. Jeder Höcker 372 kann beispielsweise ein glatt gekrümmtes oder stärker gewinkeltes Profil aufweisen.
Es sei angemerkt, dass ein radialer Abstand zwischen dem Scheitel jedes Höckers 372 und der Kammerwand, der von der Verriegelungshülse 360 im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 bereitgestellt wird, größer als der Durchmesser der Verriegelungskugel 356 ist, während der radiale Abstand zwischen dem Scheitel und der Kammerwand 368 im verengten Abschnitt 368 kleiner als der Durchmesser der Verriegelungskugel 356 ist. Als Ergebnis wird die Verriegelungskugel 356 zwischen der Verriegelungshülse 360 und der Vorderflanke 768 des jeweiligen Höckers 372 verkeilt, wenn der Versuch einer Bewegung des Höckers 372 vorbei an der Verriegelungskugel 356 im verengten Abschnitt 368 unternommen wird.
Im Wesentlichen kreisförmige zylindrische Absätze koaxial mit der Bohrungsachse werden auf beiden Seiten der Höcker 372 und dazwischen durch den radial äußeren Umfang des Verriegelungskolbens 331 definiert. Zur vereinfachten Beschreibung werden diese Absätze (die hier im axialen Profil im Wesentlichen flach sind, wie in 7 gezeigt) weiter als der vordere Absatz 770 (im Bohrloch unterhalb des Vorderhöckers 372a angeordnet), der hintere Absatz 774 (im Bohrloch oberhalb des Hinterhöckers 372b angeordnet) und der mittlere Absatz 772 (zwischen dem Vorderhöcker 372a und dem Hinterhöcker 372b angeordnet) unterschieden. Es sei angemerkt, dass der axiale Abstand zwischen dem Vorderhöcker 372a und dem Hinterhöcker 372b in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen ähnlich dem axialen Abstand zwischen der Einrast- und Ausrastposition des Ventilkolbens 212 ist.
Jedes Einfangloch 358 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein kreisförmiger zylindrischer Durchlass, der sich radial durch die rohrförmige Wand des Verriegelungskolbens 331 erstreckt, wobei sein Durchmesser derart abgemessen ist, derart, dass die Kugel radial durch das Einfangloch 358 treten kann. In diesem Beispiel ist die Verriegelungskugel 356 eine Gleitpassung im Einfangloch 358. Der Durchmesser der Verriegelungshülse 360 im Freigabeabschnitt 370 ist um einen Abstand, der kleiner als der Durchmesser der Verriegelungskugel 356 ist, radial vom Außendurchmesser des Verriegelungskolbens 331 beabstandet. Die Verriegelungskugel 356 wird somit durch die gegenüberliegenden Flächen des Ventilkolbens 212 und der Verriegelungshülse 360 daran gehindert, radial aus dem Einfangloch 358 auszutreten. Es sei angemerkt, dass die kreisförmige zylindrische Form des Einfanglochs in diesem Ausführungsbeispiel bewirkt, dass die Verriegelungskugel 356 auch gegen eine Bewegung relativ zum Verriegelungskolben 331 in Umfangsrichtung gehalten wird, wodurch ein konstanter, regelmäßiger Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Vielzahl von Verriegelungskugeln 356 beibehalten wird.
Weitere Merkmale und Betriebsverfahren des Verriegelungsmechanismus 168 gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die einen beispielhaften Betrieb einer Ausführungsform der Offenbarung beschreibt.
BEISPIELHAFTER BETRIEB DER STEUEREINRICHTUNG
Eine beispielhafte Betriebsabfolge der Steuereinrichtung 148 und der Ausräumerbaugruppe 118 wird unter Bezugnahme auf 8A–8G dargestellt. Jede dieser Figuren besteht aus einer Anzahl von Ansichten, die verschiedene Aspekte der Steuereinrichtung 114 und ihres Betriebs auf einer jeweiligen Stufe eines beispielhaften Betriebszyklus darstellen. Die verschiedenen Ansichten des Ventilkolbens 212, der Kurventrommel 310 und des Verriegelungsmechanismus 168 in einer jeweiligen Figur stellen somit synchrone Momentaufnahmen der Komponenten auf der erörterten Betriebsstufe dar. 8A–8G beinhalten jeweils synchronisierte isolierte Ansichten einerseits von dem Ventilkolben 212 und der Kurventrommel 310 und andererseits von dem Verriegelungsmechanismus 168, zusammen mit einer Kurvendarstellung des Drucks 807 und einer Kurvendarstellung der Rastbewegung 820. Die Kurvendarstellung des Drucks 807 zeigt schematisch die Werte der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz im Zeitverlauf.
Diagramm 820 in 8A–8G zeigt schematisch die Bewegung des Raststift 312 an der Schiene 315. Die Punkte A bis E in Diagramm 820 entsprechen den Punkten A bis E der Schiene 315, die unter Bezugnahme 5 beschrieben wurde. Eine Stiftpositionsangabe 803 gibt schematisch die Position des Raststifts 312 an Punkt A im Ausrastschlitz 506 an. Die punktierte Linie 550 in den Stiftbewegungsdiagrammen 820 gibt eine axiale Position des Raststifts 312 relativ zur Kurventrommel 310 an, an der die Ventilöffnung 218 von durch den Ventilkolben 212 geschlossen zu offen wechselt (oder umgekehrt), wodurch der Ausräumer 144 aus seinem eingefahrenen Zustand in seinen ausgefahrenen Zustand wechselt (oder umgekehrt). Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass Stiftpositionen rechts der Linie 550 im Bewegungsdiagramm 820 Ventilkolbenpositionen entsprechen, in denen die Ventilöffnung 218 geschlossen ist, und dass Stiftpositionen links der Linie 550 in Diagramm 820 Positionen des Ventilkolbens 212 entsprechen, in denen die Ventilöffnung 218 geschlossen ist.
In 8A ist die Steuereinrichtung 148 anfangs im deaktivierten Modus gezeigt. Zunächst steht Bohrfluid in der Bohrung 128 nicht unter Druck, so dass die Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz im Wesentlichen null ist (oder nicht ausreicht, um die Wirkungen der Federn 305, 331 zu überwinden). In einer solchen Pumpenausschaltsituation unterliegt der Ventilkolben 212 im Wesentlichen keiner Hydraulikbetätigung und wird von der Schließfeder 305 im Bohrloch nach oben (d. h. in 8A nach links) gedrängt. Im deaktivierten Modus befindet sich der Raststift 312 im Ausrastschlitz 506 (5). Aufgrund der Wirkung der Schließfeder 305 befindet sich der Raststift 312 an Punkt A, weshalb der Ventilkolben 212 an einer Position am weitesten oben im Bohrloch ist, in der die Ventilschließhülse 409 die Ventilöffnung 218 schließt.
Der Verriegelungskolben 331 wird ebenfalls von der Verriegelungsfeder 334 in die Position am weitesten oben im Bohrloch gedrängt, so dass die Verriegelungskugel 356 vom Verriegelungskolbenendabschnitt 354 im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 festgehalten wird. Der Ventilkolben 212 ist derart abgemessen, dass der vordere Absatz 770 des Ventilkolbenendabschnitts 352, wenn sich der Ventilkolben 212 in der ruhenden ausgerasteten Position aus 8A befindet, in axialer Übereinstimmung mit dem Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 ist. Die Verriegelungskugel 356 sitzt also mit einem radialen Abstand von der Verriegelungshülse 360 auf dem vorderen Absatz 770. Es sei angemerkt, dass die Verriegelungskugel 356 nicht unbedingt durch Schwerkraft in Kontakt mit dem radial äußeren Umfang des Ventilkolbenendabschnitts 352 gezogen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Verriegelungsmechanismus 168 derart konfiguriert sein, dass er bewirkt, dass die Verriegelungskugel 356 radial nach innen in Kontakt mit dem Ventilkolben 212 gedrängt wird, z. B. durch Hydraulikwirkung des Umgebungsfluids.
8B zeigt die Bereitstellung von Fluiddruckbedingungen, um die Steuereinrichtung 148 aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus umzuschalten. In diesem Beispiel umfasst Bohrfluidsteuerung zum Umschalten in den aktivierten Modus das Beibehalten einer Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz unter einem Auslöseschwellenwert von etwa 20 bar für wenigstens ein Auslöseschwellenzeitintervall von etwa 15 Minuten.
Die verschiedenen Komponenten der Steuereinrichtung 148 (z. B. die Hydraulikmerkmale des Ventilkolbens 212 und des Verriegelungskolbens 331 und die Parameter der Schließfeder 305 und der Verriegelungsfeder 334) sind derart ausgewählt, dass unter einer Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz von 20 bar (die in diesem Beispiel der Auslöseschwellenwert ist) Nettohydraulikkräfte am Verriegelungskolben 331 nicht ausreichen, um den Verriegelungskolben 331 im Bohrloch nach unten (d. h. in 8B nach rechts) zu bewegen, während Nettohydraulikkräfte am Ventilkolben 212 aufgrund der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz größer als eine maximale Widerstandskraft sind, die darauf von der Schließfeder 305 ausgeübt werden kann, so dass der Ventilkolben 212 hydraulisch betätigt wird, um sich in Längsrichtung im Bohrloch nach unten zu bewegen (d. h. in 8B nach rechts). Es sei angemerkt, dass die axialen Ausrichtungen verschiedener Komponenten der Steuereinrichtung 148 in einigen Ausführungsformen von der Ausrichtung des dargestellten Ausführungsbeispiels geändert werden können, so dass der Ventilkolben 212 und der Verriegelungskolben 331 in einigen Ausführungsformen unter Hydraulikbetätigung zur axialen Verlagerung im Bohrloch nach oben konfiguriert sein können.
Die Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach unten wird durch die Wirkung der Drosselung 318 verzögert, die die Fluidtransferrate vom Steuerfluidbehälter 321 über die Kammerwand 430 zur Saugkammer 327 einschränkt. Der Raststift 312 bewegt sich somit von Punkt A zu Punkt C und tritt an Punkt B in den Rastschlitz 512 ein. Es sei angemerkt, dass der Rastmechanismus der Steueranordnung, der durch die Steuereinrichtung 148 bereitgestellt wird, aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus geändert wird, wenn der Raststift 312 Punkt B erreicht, woraufhin er in den Rastschlitz 512 eintritt (siehe 5). Somit umfasst Punkt B in diesem Fall eine erste Modusänderungsposition des Raststifts 312, wobei eine entsprechende Längsposition des Ventilkolbens 212 eine Modusänderungsposition des Ventilkolbens 212 umfasst. Es sei angemerkt, dass in diesem Beispiel der Ventilöffnungs-/-schließpunkt, der durch die Linie 550 repräsentiert ist, vor der Modusänderungsposition von Punkt B erreicht wird.
Da der Verriegelungskolben 331 während der Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach unten im Wesentlichen stationär bleibt, damit die Modusänderung stattfinden kann, bleibt die Verriegelungskugel 356 im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362, so dass sich aufgrund des ausreichenden radialen Abstands, der von der zylindrischen Wand des Verriegelungskammer 362 im Freigabeabschnitt 370 bereitgestellt wird, zunächst der Vorderhöcker 372a und dann der Hinterhöcker 372b daran vorbei bewegen kann. Die Verriegelungskugel 356 kann sich dadurch aufgrund des Kontakts mit der Vorderflanke 768 des jeweiligen Höckers 372 radial nach außen bewegen und den Scheitel freigeben und eine ungehinderte Bewegung des Höckers 372 axial daran vorbei zulassen. Wenn der Ventilkolben 212 sich in seiner Position weit unten im Bohrloch befindet, stimmt die Verriegelungskugel 356 mit dem hinteren Absatz 774 des Ventilkolbenendabschnitts 352 überein und/oder sitzt darauf.
Ferner sei angemerkt, dass die Beendigung der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz, bevor der Raststift 312 Punkt B in der Schiene 315 erreicht, aufgrund der Bewegung des Ventilkolbens 212 aufwärts im Bohrloch durch das Drängen der Schließfeder 305 zu einer Rückkehr des Raststifts 312 an Punkt A führen würde. In einem solchen Fall wurde die Ventilöffnung 218 vorübergehend geöffnet und wieder geschlossen (an Punkt 550), ohne den Modus der Steuereinrichtung 148 zu ändern.
Nach dem Bereitstellen der Modusumschaltbedingungen, dargestellt in 8B, kann das Pumpen von Bohrfluid durch die Bohrung 128 wenigstens für ein vorgegebenes Zeitintervall beendet werden. Wieder sei angemerkt, dass der Ventilkolben 212 ohne eine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz durch die Schließfeder 305 in seine geschlossene Position gedrängt wird.
In diesem Beispiel ist das Bereitstellen einer Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz von im Wesentlichen null während eines Druckbeendigungsintervalls von etwa einer Minute (siehe Druckdiagramm 807 in 8C) ausreichend lang, um den Ventilkolben 212 in eine Position am weitesten oben im Bohrloch zu drängen, die der Ventilkolben 212 im Einrastzustand erreichen kann. Die eingerastete Position am weitesten oben im Bohrloch entspricht der Position des Raststifts 312 an Punkt D (siehe Zustand der Steuereinrichtung 148 aus 8C). Wenn der Raststift 312 Punkt D in der Schiene 315 erreicht, passiert er die Stufe 530 an diesem Punkt und gelangt in Anlage an die Wände der Schiene 315 und wirkt einer weiteren Bewegung des Ventilkolbens 212 aufwärts im Bohrloch unter Vorspannung der Schließfeder 305 entgegen. Da an Punkt D auch eine Anlage an Stufe 530 erfolgt, verläuft die einzige verfügbare Bewegung für den Raststift 312 von Punkt D am Abschnitt DE des Rastschlitzes 512 entlang.
Es sei angemerkt, dass Punkt D sich im Druckdiagramm 820 links von der Linie 550 befindet. Wenn der Raststift 312 an Punkt D in der Schiene 315 ist, gibt die Ventilschließhülse 409 daher die Ventilöffnung 218 frei und setzt die Ausräumerbaugruppe 118 Bohrungsdrücken aus. Der einzige Austrittsweg des Raststifts 312 aus dem Rastschlitz 512, um das Schließen der Ventilöffnung 218 zuzulassen, ist das Erreichen von Punkt E (was eine Modusänderungsposition umfasst) an Abschnitt DE, um anschließend eine ausreichende Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach oben zu ermöglichen, damit der Raststift 312 erneut den Ventilschließpunkt, der von der Linie 550 dargestellt wird, erreicht und passiert.
Wie in Kürze ersichtlich wird, wird die Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach unten durch den Verriegelungskolben 331 behindert oder angehalten, bevor der Raststift 312 Punkt E an Abschnitt DE erreichen kann, wenn die Bewegung des Ventilkolbens 212 unter Hydraulikbetätigung aufgrund einer Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz erfolgt, die größer als der Auslöseschwellenwert ist. 8D zeigt einen Beispielfall, in dem eine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz über den Auslöseschwellenwert zwischen 20 und 25 bar des vorliegenden Beispiels hinaus erhöht wird. Die Druckdifferenz ist somit nun groß genug, damit der Verriegelungskolben 331 den Widerstand der Verriegelungsfeder 334 überwindet, so dass sowohl der Ventilkolben 212 als auch der Verriegelungskolben 331 hydraulisch angetrieben werden, um sich axial im Bohrloch nach unten zu bewegen, was in diesem Ausführungsbeispiel die Öffnungsrichtung des Ventilkolbens 212 ist. Da die Geschwindigkeit der betätigten Bewegung des Ventilkolbens 212 durch die Wirkung der Drosselung 318 beschränkt wird, bewegt sich der Verriegelungskolben 331 im Bohrloch schnell genug nach unten, damit die Verriegelungskugel 356 die Verengung 366 erreicht und sich in den verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 bewegt, bevor der Hinterhöcker 372b des Ventilkolbenendabschnitts 352 an der Verengung 366 eintrifft.
Wenn der Hinterhöcker 372b in axiale Übereinstimmung mit dem Eingang zum verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 gelangt, trifft die Vorderflanke 768 des Vorderhöckers 372a auf die Verriegelungskugel 356 und übt eine Druckkraft auf die Verriegelungskugel 356 in einem Winkel aus, der im Wesentlichen senkrecht zu der Kontaktfläche ist, die von der Vorderflanke 768 bereitgestellt wird (siehe auch 7). Einer axialen Komponente dieser Kräfte wirkt die Anlage des Verriegelungskolbens 331 an der Schulter 374 entgegen, während einer radialen Komponente die zylindrische Wand der Verriegelungshülse 360 im verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 entgegenwirkt. Es sei angemerkt, dass die Verriegelungskugel 356 auf diese Weise aufgrund der Blockierungswirkung des Verriegelungskolbens 331 wirksam zwischen dem Außenumfang des Ventilkolbens 212 und dem Innenumfang der Verriegelungshülse 360 verkeilt wird.
Der axiale Abstand zwischen der Kurventrommel 310 und dem Hinterhöcker 372b ist derart, dass der Hinterhöcker 372b den verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 erreicht, bevor der Raststift 312 die Modusänderungsposition von Punkt E erreicht hat. Die Stiftposition, an der der Verriegelungskolben 331 die Bewegung des Ventilkolbens 212 weiter im Bohrloch nach unten von Punkt D zu Punkt E blockiert, ist in 8D als Punkt D* angegeben.
Der Betrieb des Verriegelungsmechanismus 168 dient somit dazu, das Austreten des Raststifts 312 aus dem Rastschlitz 512 in Reaktion auf Druckbedingungen, in denen die Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz den Auslöseschwellenwert überschreiten, zu blockieren. Der Verriegelungsmechanismus 168 verriegelt somit die Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus, aus dem sie nur durch Anwenden der vorgegebenen Auslösebedingungen in den deaktivierten Modus umgeschaltet werden kann.
Somit dienen der Rastmechanismus und der Verriegelungskolben 331 dazu, die Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus anzuordnen, wenn sich die Steuereinrichtung 148 in dem in 8D gezeigten Zustand befindet, da der Ausräumer 144 im Wesentlichen sofort eingesetzt werden kann, wenn Betriebsbohrdrücke angelegt werden. Der Grund dafür ist, dass die Ventilöffnung 218 in Reaktion auf das Anlegen von Betriebsbohrdrücken (bei denen die Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz den Auslöseschwellenwert übersteigt) offen bleibt. Wenn der Bohrungsdruck anschließend reduziert wird, kehrt der Raststift 312 zu Punkt D zurück und wird im Rastschlitz 512 festgehalten. Das Ergebnis ist, dass die Ausräumerbaugruppe 118 wiederholt und automatisch in Reaktion auf das Anlegen von Betriebsbohrdrücken einsetzbar ist.
Es sei angemerkt, dass der Verriegelungskolben 331 zwar gegen einen relativ zu der Hydraulikbetätigungskraft, die auf ihn ausgeübt wird, höheren Federwiderstand (bereitgestellt durch die Verriegelungsfeder 334) als der Federwiderstand (bereitgestellt durch die Schließfeder 305) am Ventilkolben 212 hydraulisch im Bohrloch nach unten betätigt wird, das Eintreffen der Verriegelungskugel 356 am verengten Abschnitt 368 der Verriegelungskammer 362 jedoch durch den Betrieb der Drosselung 318 ermöglicht und gewährleistet wird, der, wie zuvor beschrieben, die Geschwindigkeit der Bewegung des Ventilkolbens 212 verzögert oder lenkt.
Das Austreten des Raststifts 312 aus dem Rastschlitz 512 ist nur durch das Bereitstellen der vorgegebenen Modusänderungsfluiddruckbedingungen erzielbar. In diesem Beispiel sind die Modusänderungsfluiddruckbedingungen zum Wechseln aus dem aktivierten Modus in den deaktivierten Modus ähnlich denjenigen zum Wechseln aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus. 8E zeigt Druckbedingungen, die von einem Bediener oder automatisierten System am Oberflächensteuersystem 140 gesteuert werden.
In diesem Beispiel wird der Bohrungsdruck selektiv geändert, um eine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz unter dem Auslöseschwellenwert (hier beispielsweise im Bereich von 20–25 bar) für wenigstens ein Auslöseschwellenzeitintervall bereitzustellen, das wieder etwa 15 Minuten beträgt. Wie zuvor bleibt der Verriegelungskolben 331 stationär in seiner Ruheposition, in der er den Weg des Ventilkolbens 212 freigibt (da er im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 gehalten wird durch den im Wesentlichen stationären Verriegelungskolben 331), um eine Bewegung des Ventilkolbens 212 in eine Modusänderungsposition zuzulassen, die dem Austreten des Raststifts 312 aus dem Rastschlitz 512 entspricht, indem der Raststift 312 an Punkt E über die Stufe 530 tritt. Wie im Fall der einzelnen Punkte A-D ist Punkt E für den Raststift 312 im Rastschlitz 512 im Effekt ein Punkt ohne Rückkehr, da der Sperrstift 618 auf die entsprechende Stufe 530 trifft. Während einer solchen Bewegung des Ventilkolbens 212 in die Ausrastposition, die Punkt E entspricht, bewegt sich der Hinterhöcker 372b somit an der Verriegelungskugel 356 vorbei, wobei sich die Verriegelungskugel 356 radial vom Hinterhöcker 372b wegbewegt, wenn sie in Kontakt mit der Vorderflanke 768 gelangt. Wenn der Raststift 312 Punkt E erreicht, wird er also im Ausrastschlitz 506 gehalten und kann nur an Abschnitt E-A der Schiene 315 entlang von Punkt E zu Punkt A bewegt werden. Es sei angemerkt, dass die Steuereinrichtung 148 aus dem aktivierten Modus an den deaktivierten Modus geändert wird, wenn der Raststift 312 an Punkt E in den Ausrastschlitz 506 eintritt.
Sobald sich der Raststift 312 im Ausrastschlitz 506 befindet, kann sich der Ventilkolben 212 ohne Vorliegen von Hydraulikbetätigung durch das Drängen der Schließfeder 305 in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrung-Ringraum-Druckdifferenzen, die nicht ausreichen, um der Schließvorspannung der Feder 305 entgegenzuwirken, frei in Längsrichtung im Bohrloch nach oben (was in diesem Ausführungsbeispiel die Schließrichtung ist) bewegen. Nach der Reduzierung der Druckpegel nach dem Eintreffen des Raststifts 312 an Punkt E bewegt sich der Raststift 312 von Punkt E zurück in die Ausgangsposition (Punkt A), wie schematisch in 8F gezeigt. In diesem Beispiel stellt der Bediener eine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz bei oder nahe null bar nach dem 15-minütigen Modusänderungsniederdruckintervall (siehe 8E) ein, was zu einer automatischen federbetätigten Bewegung des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach oben in seine am weitesten oben gelegene Position im Bohrloch im ausgerasteten Zustand (Punkt A) führt, wobei sich die Ventilöffnung 218 schließt, wenn der Raststift 312 einen Punkt passiert, der der Linie 550 im Druckkurvendiagramm 820 aus 8F entspricht.
Man wird also erkennen, dass eine solche Rückkehr des Ventilkolbens 212 im Bohrloch nach oben in die Position, in der die Ventilöffnung 128 geschlossen ist, nicht von dem Verriegelungsmechanismus 168 behindert wird. Die Verriegelungskugel 356 wird im Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 gehalten, was das Passieren des ersten des Hinterhöckers 372b und dann des Vorderhöckers 372a danach zulässt, so dass er erneut auf dem vorderen Absatz 770 sitzt.
8G zeigt den Betrieb des Verriegelungskolbens 331, um den Raststift 312 in Reaktion auf das Anwenden von Bohrung-Ringraum-Druckdifferenzen über dem Auslöseschwellenwert im Ausrastschlitz 506 zu halten. Der Verriegelungsmechanismus 168 dient daher (ohne das Bereitstellen von einer Auslöseschwellenwertabfolge/-bedingungen) abhängig von der Position des Raststifts 312 in der Schiene 315 sowohl dazu, die Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus zu verriegeln, als auch dazu, die Steuereinrichtung 148 im deaktivierten Modus zu verriegeln.
Wenn ein solch hoher Betriebsdruck, bei dem das Untertagewerkzeug eingesetzt wird (hier auch als Betriebswerkzeugdrücke bezeichnet), angelegt wird, bewegt sich der Verriegelungskolben 331 im Bohrloch schnell genug unter Hydraulikbetätigung nach unten (was in diesem Beispiel die Öffnungsrichtung des Ventilkolbens 212 ist), um die Verengung 366 zu erreichen, bevor der Vorderhöcker 372a des Ventilkolbens 212 die Verengung 366 erreicht. In diesem Ausführungsbeispiel bewegt sich der Verriegelungskolben 331 schneller als der Ventilkolben 212 im Bohrloch nach unten.
Wie zuvor in Bezug auf den Eingriff des Hinterhöckers 372b mit der Verriegelungskugel 356 beschrieben, behindert die Verriegelungskugel 356 (die sich jetzt im verengten Abschnitt der Verriegelungskammer 362 befindet) eine weitere Bewegung des Ventilkolbens 212, indem die Verriegelungskugel 356 zwischen dem Ventilkolben 212 und dem Verriegelungshülse 360 verkeilt wird und durch den Verriegelungskolben 331 über ihre Anlage an der Schulter 374 gegen eine weitere Bewegung im Bohrloch nach unten verankert wird. Auf diese Weise wird eine axiale Bewegung des Ventilkolbens 212 behindert, bevor er die durch Punkt B definierte Modusänderungsposition erreicht. In diesem Beispiel, wird der Ventilkolben 212 angehalten, bevor die Ventilöffnung 218 geöffnet wird, d. h. in diesem Beispiel, bevor der Raststift 312 die Linie 550 erreicht, in 8G angegeben als Punkt A*). Dadurch wird die Steuereinrichtung 148 im deaktivierten Modus verriegelt, indem die Ausräumerbaugruppe 118 auf Betriebsbohrungsdrücke anspricht.
Nach der Beendigung der über dem Schwellenwert liegenden Druckpegel kehrt der Verriegelungskolben 331 durch das Drängen der Verriegelungsfeder 334 axial im Bohrloch nach oben zurück (z. B. in Schließrichtung). Die Verriegelungskugel 356 wird somit zurück in den Freigabeabschnitt 370 der Verriegelungskammer 362 bewegt, wo er sich in der Freigabeposition befindet. Der Zustand der Steuereinrichtung 148 wird dadurch in seinen Zustand zurückgebracht, der unter Bezugnahme auf 8A und 8G beschrieben und erörtert wurde. Das Zurückschalten in den aktivierten Modus kann wieder nur in Reaktion auf die Bereitstellung der Auslösedruckfolge erfolgen, die das Anlegen eines Drucks unter dem Schwellenwert (ausreichend, um den Ventilkolben 212 in Öffnungsrichtung zu bewegen) für wenigstens das Auslösezeitintervall umfasst.
Durch die oben beschriebenen Verfahren und Systeme wird die Steuerung von Untertagewerkzeugen ausschließlich durch die Steuerung des Bohrungsdrucks erzielt. Es ist vorteilhaft, dass, sobald sich die Steuereinrichtung 148 im aktivierten Modus befindet, das Ausräumerbaugruppe 118 (oder ein beliebiges anderes Untertagewerkzeug, das stattdessen mit der Steuereinrichtung 148 verbunden sein kann) wiederholt aus- und eingefahren werden kann, indem einfach der Bohrungsdruck erhöht wird. Im deaktivierten Modus können Bohrfluiddrücke können dem Bedarf entsprechend bereitgestellt werden, ohne dass die Gefahr eines versehentlichen Ausfahrens des relevanten Werkzeugs, d. h. der Ausräumerbaugruppe 118, besteht, da sich eine versehentliche Anwendung der beschriebenen Modusumschaltbohrungsbedingungen (z. B. kontinuierlich niedriger Durchfluss/Druck für 15 Minuten oder mehr) ohne Weiteres verhindern lässt.
Es wurden somit eine Verfahren- und Systemsteuerungsuntertagewerkzeugaktivierung durch entfernte Fluiddrucksteuerung beschrieben Einige Ausführungsformen stellen eine Bohrvorrichtung ein allgemein rohrförmiges Gehäuse zum Bilden eines in Reihe verbundenen Teils eines länglichen Bohrstrangs, der sich in Längsrichtung in einem Bohrloch erstreckt, wobei das Gehäuse eine sich in Längsrichtung erstreckende Bohrung zum Fördern von Bohrfluid unter Druck definiert, wobei eine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz zwischen Bohrfluiddruck in der Bohrung und Bohrfluiddruck in einem Ringraum definiert ist, der das Gehäuse radial von einer Bohrlochwand beabstandet. Eine Steueranordnung kann im Gehäuse angebracht sein, um das Ansprechen eines Untertagewerkzeugs im Bohrstrang auf Variationen der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz zu steuern, wobei die Steueranordnung eine Ventilöffnung definiert, die mit einem Hydraulikaktivierungsmechanismus des Untertagewerkzeugs (z. B. Ausräumerbaugruppe 118) verbunden werden kann, wobei die Steueranordnung ferner einen Ventilkolben (z. B. Ventilkolben 212) umfasst, der in dem Gehäuse in Längsrichtung verlagerbar ist, um die Ventilöffnung zwischen einem offenen Zustand, um eine Fluiddruckverbindung zwischen der Bohrung und dem Aktivierungsmechanismus des Untertagewerkzeugs zuzulassen, und einem geschlossenen Zustand anzuordnen, um den Aktivierungsmechanismus im Wesentlichen von der Bohrung zu isolieren. Die beispielhafte Vorrichtung umfasst ferner einen Rastmechanismus (darunter z. B. Kurventrommel 310 und Raststift 312), um den Ventilkolben lösbar am Gehäuse einrasten zu lassen, um eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens in einer ersten Längsrichtung (die in dem Ausführungsbeispiel eine Bewegung in eine Schließrichtung zum Schließen der Ventilöffnung umfasst, die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen beispielsweise eine Bewegung im Bohrloch nach oben ist) einzuschränken, wobei der Ventilkolben, wenn er eingerastet ist, durch eine Bewegung desselben in eine entgegengesetzte, zweite Längsrichtung (z. B. in eine Schließrichtung, die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Richtung im Bohrloch nach unten ist) in eine Modusänderungsposition (z. B. indem der Raststift 312 den Modusänderungspunkt E an der Kurventrommel 310 erreicht, wobei Punkt B eine Modusänderungsposition ist, wenn der Ventilkolben 212 ausgerastet ist) lösbar ist. In dieser Ausführungsform ändert das Einrasten oder Freigeben des Ventilkolbens einen Betriebsmodus der Steueranordnung zwischen einem aktivierten Modus, in dem sich die Ventilöffnung beim Anlegen von Bohrungsdrücken bei oder über Werkzeugaktivierungspegeln in ihrem offenen Zustand befindet, um eine hydraulische Werkzeugaktivierung zuzulassen, und einem deaktivierten Modus, in dem die Ventilöffnung beim Anlegen von Bohrungsdrücken bei oder über Werkzeugbetätigungspegeln in ihrem geschlossenen Zustand ist, um eine hydraulische Werkzeugaktivierung zu verhindern.
Die beispielhafte Bohrvorrichtung umfasst ferner ein Verankerungselement oder Verriegelungselement (z. B. Verriegelungskolben 331), das in Reaktion auf die Bereitstellung einer Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz über einem Auslöseschwellenwert automatisch unter Hydraulikbetätigung verlagerbar ist, um die Bewegung des eingerasteten Ventilkolbens unter Hydraulikbetätigung in die Modusänderungsposition zu behindern. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst die Bewegung des Verankerungselements (z. B. des Verriegelungskolbens 331), um die Bewegung des Ventilkolbens zu behindern, eine hydraulisch betätigte Bewegung in derselben Richtung wie bei einer hydraulisch betätigten Bewegung des Ventilkolbens.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, liegt es auf der Hand, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom umfassenderen Geist und Umfang des Verfahrens und/oder Systems abzuweichen. Entsprechend sind die Beschreibung und die Zeichnungen im veranschaulichenden und nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen.
Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen andere Anhaltemechanismen als die Verriegelungskolben 331 benutzt werden, um die Bewegung des Ventilkolbens 212 zu behindern. Es sei auch angemerkt, dass die beschriebene Steueranordnung sich besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Ausräumerbaugruppe anwenden lässt, diese Techniken in nutzbringender Weise in Kombination mit verschiedenen anderen Untertagewerkzeugen benutzt werden können, darunter beispielsweise einstellbare Maßstabilisatoren, Rutschscheren, Entleerungsventile, Ventile, Packungen, Durchflussregelungsvorrichtungen oder ein beliebiger hydraulisch betätigter Mechanismus, dessen Status gezielt von der Oberfläche aus gesteuert werden muss.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele offenbaren daher unter anderem eine Bohrlochwerkzeugvorrichtung zum Steuern eines Untertagewerkzeugs in einem Bohrstrang, der sich in Längsrichtung in einem Bohrloch erstrecken soll, wobei die Bohrlochwerkzeugvorrichtung ein allgemein rohrförmiges Gehäuse, das dazu konfiguriert ist, einen in Reihe verbundenen Teil des Bohrstrangs zu bilden, wobei das Gehäuse eine sich in Längsrichtung erstreckende Bohrung zum Fördern von Bohrfluid unter Druck definiert, wobei eine Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz zwischen Bohrfluiddruck in der Bohrung und Bohrfluiddruck in einem Ringraum definiert ist, der radial das Gehäuse von Wänden beabstandet, die das Bohrloch definieren; und eine Steueranordnung umfasst, die in dem Gehäuse angebracht ist, wobei die Steueranordnung dazu konfiguriert ist, das Ansprechen eines Untertagewerkzeugs in Reaktion auf Variationen der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz zu steuern, wobei die Steueranordnung eine Ventilöffnung definiert, die mit einem Hydraulikaktivierungsmechanismus des Untertagewerkzeugs verbunden werden kann.
Die Steueranordnung umfasst Folgendes: einen Ventilkolben, der in Längsrichtung im Gehäuse verlagerbar ist, um die Ventilöffnung zwischen einem offenen Zustand, um eine Fluiddruckverbindung zwischen der Bohrung und dem Aktivierungsmechanismus des Untertagewerkzeugs zuzulassen, und einem geschlossenen Zustand anzuordnen, um den Aktivierungsmechanismus im Wesentlichen von der Bohrung zu isolieren; und einen Rastmechanismus, der dazu konfiguriert ist, den Ventilkolben am Gehäuse einrasten zu lassen, um eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens in einer ersten Längsrichtung zu beschränken, wobei der eingerastete Ventilkolben durch eine Bewegung desselben in einer entgegengesetzten, zweiten Längsrichtung in eine Modusänderungsposition lösbar ist, in der der ein Betriebsmodus der Steueranordnung sich zwischen einerseits einem aktivierten Modus, in dem die Ventilöffnung sich beim Anlegen von Bohrungsdrücken bei oder über Werkzeugaktivierungspegeln in einem offenen Zustand befindet, um eine hydraulische Werkzeugaktivierung zuzulassen, und andererseits einem deaktivierten Modus ändert, in dem die Ventilöffnung sich beim Anlegen von Bohrungsdrücken bei oder über Werkzeugaktivierungspegeln in einem geschlossenen Zustand befindet, um eine hydraulische Werkzeugaktivierung zu verhindern.
Die Steueranordnung umfasst ferner ein Verankerungselement, das in Reaktion auf die Bereitstellung einer Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz über einem Auslöseschwellenwert automatisch unter Hydraulikbetätigung verlagerbar ist, um die Bewegung des eingerasteten Ventilkolbens unter Hydraulikbetätigung in die Modusänderungsposition zu behindern.
Das Verankerungselement kann ein Verriegelungskolben sein, der in Längsrichtung am Ventilkolben ausgerichtet ist und unter Hydraulikbetätigung in der zweiten Längsrichtung in Längsrichtung in derselben Richtung wie die Bewegung des Ventilkolbens unter Hydraulikbetätigung verlagerbar ist. In diesem Fall kann die Steueranordnung ferner eine Schließvorspannanordnung, die dazu konfiguriert ist, den Ventilkolben in die erste Längsrichtung zum Schließen der Ventilöffnung und gegen eine hydraulisch betätigte Bewegung des Ventilkolbens zu drängen, und eine Verankerungsvorspannanordnung umfassen, die dazu konfiguriert ist, das Verankerungselement in der ersten Längsrichtung weg vom Ventilkolben und gegen eine hydraulisch betätigte Bewegung des Ventilkolbens zu drängen, wobei die Verankerungsvorspannanordnung eine größere Vorspannkraft als die Schließvorspannanordnung ausübt und derart ausgewählt ist, dass ein Bereich von Bohrung-Ringraum-Druckdifferenzwerten vorliegt, in dem eine hydraulisch betätigte Bewegung des Verriegelungskolbens im Wesentlichen durch die Verankerungsvorspannanordnung verhindert wird, während eine hydraulisch betätigte Bewegung des Ventilkolbens gegen die Schließvorspannanordnung erzielt wird.
Die Bohrlochwerkzeugvorrichtung kann ferner eine Verzögerungsanordnung umfassen, um die hydraulisch betätigte Bewegung des Ventilkolbens in der zweiten Längsrichtung zu verzögern, um den Behinderungseingriff des Verriegelungskolbens mit dem Ventilkolben zu ermöglichen, bevor der eingerastete Ventilkolben die Modusänderungsposition erreicht. Die Verzögerungsanordnung kann umfassen: eine Vielzahl von zusammenwirkenden Durchflusssteuerungskammern, die betriebsfähig mit dem Ventilkolben verbunden sind, derart, dass eine Längsbewegung des Ventilkolbens von einem entsprechenden Fluidtransfer zwischen den zusammenwirkenden Durchflusssteuerungskammern abhängig ist; einen Fluiddurchlass, die wenigstens zwei der Vielzahl von zusammenwirkenden Durchflusssteuerungskammern verbindet; und eine Drosselung im Fluiddurchlass, die dazu konfiguriert ist, den Fluidfluss zwischen den Durchflusssteuerungskammern in Reaktion auf eine Druckdifferenz zwischen den Durchflusssteuerungskammern auf eine vorgegebene Fluiddurchflussrate zu beschränken, um dadurch die hydraulisch betätigte Längsbewegung des Ventilkolbens auf eine vorgegebene Geschwindigkeit zu beschränken.
Das Untertagewerkzeug kann eine Ausräumerbaugruppe sein, die einen rohrförmigen Ausräumerkörper, der in Längsrichtung an dem Gehäuse ausgerichtet und damit verbunden ist, um den Aktivierungsmechanismus der Ausräumerbaugruppe in Fluiddruckverbindung mit der Ventilöffnung zu setzen, und ein oder mehrere Schneidelemente umfasst, die an dem Ausräumerkörper angebracht und dazu konfiguriert sind, die Bohrlochwand auszuräumen, wobei die Schneidelemente in Reaktion auf Bohrungsdruckbedingungen zwischen einem Ausfahrzustand, in dem das eine oder die mehreren Schneidelemente radial von dem Ausräumerkörper vorspringen, um mit der Bohrlochwand in Eingriff zu treten, und einem eingefahrenen Zustand angeordnet werden können, in dem das eine oder die mehreren Schneidelementen eingefahren sind, um eine Drehung des Ausräumerkörpers frei vom Eingriff des einen oder der mehreren Schneidelemente mit der Bohrlochwand zuzulassen.
Der Rastmechanismus kann derart konfiguriert sein, dass eine hydraulisch betätigte Bewegung des eingerasteten Ventilkolbens in der zweiten Längsrichtung aus einer eingerasteten Ruheposition in die Modusänderungsposition in Reaktion auf eine im Wesentlichen konstante Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz nur durch Bereitstellen der Bohrung-Ringraum-Druckdifferenz unter dem Auslöseschwellenwert und für wenigstens ein Auslöseschwellenzeitintervall erzielbar ist.
Der Rastmechanismus kann eine Kurventrommel umfassen, die koaxial am Ventilkolben angebracht, um den Ventilkolben drehbar ist und am Ventilkolben für eine Längsbewegung damit verankert ist, wobei die Kurventrommel eine verlängerte Schienenvertiefung in einer radial äußeren Fläche davon definiert, wobei sich die Schienenvertiefung an wechselnden Längspositionen in Umfangsrichtung um die Kurventrommel erstreckt, wobei der Rastmechanismus ferner ein Rastelement umfasst, das am Gehäuse angebracht ist, um davon radial nach innen vorzuspringen, wobei das Rastelement in Nockenfolgeeingriff mit der Schienenvertiefung in der Schienenvertiefung aufgenommen ist, wobei die Schienenvertiefung derart geformt ist, dass eine Längsbewegung der Kurventrommel relativ zum Rastelement eine Drehung der Kurventrommel bewirkt.
Die Schienenvertiefung kann umfassen: einen Rastschlitz, der derart geformt ist, wenn das Rastelement sich im Rastschlitz befindet, ein Schließen der Ventilöffnung durch die Längsbewegung des Ventilkolbens unter Drängen der Schließvorspannanordnung mittels Eingriff des Rastelements mit dem Rastschlitz verhindert wird; und einen Ausrastschlitz, der dazu geformt ist, eine Bewegung des Rastelements daran entlang in eine Position zuzulassen, in der die Ventilöffnung geschlossen ist.
Ein Aspekt der Offenbarung beinhaltet eine Vorrichtung, die Folgendes umfasst ein allgemein rohrförmiges Gehäuse, das zur Einbeziehung in einen Bohrstrang konfiguriert ist, der sich in Längsrichtung in einem Bohrloch erstrecken soll, wobei das Gehäuse eine sich in Längsrichtung erstreckende Bohrung definiert, die zum Fördern von Bohrfluid durch das Gehäuse konfiguriert ist;
eine Ventilöffnung, die zur Verbindung mit einem hydraulischen Werkzeugaktivierungsmechanismus eines Werkzeugs konfiguriert ist, das in den Bohrstrang einbezogen ist;
einen Ventilkolben, der in Längsrichtung im Gehäuse verlagerbar ist und dazu konfiguriert ist, die Ventilöffnung durch Längsverlagerung des Ventilkolbens in eine Öffnungsrichtung aus einem geschlossenen Zustand in einem offenen Zustand anzuordnen, wobei die Ventilöffnung im offenen Zustand eine Fluidverbindung zwischen der Bohrung und dem Werkzeugaktivierungsmechanismus zulässt;
einen Rastmechanismus, der zum lösbaren Einrasten des Ventilkolbens am Gehäuse konfiguriert ist, um eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens einzuschränken und die Vorrichtung dadurch zwischen Betriebsmodi anzuordnen, die einen aktivierten Modus, in dem die Ventilöffnung sich beim Anlegen eines Bohrfluiddrucks bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im offenen Zustand befindet, und einem deaktivierten Modus umfasst, in dem sich die Ventilöffnung beim Anlegen von Bohrfluiddrücken bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im geschlossenen Zustand befindet, wobei der Rastmechanismus dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Längsbewegung des Ventilkolbens in eine Modusänderungsposition von einem der Betriebsmodi in den anderen umzuschalten; und
ein Verankerungselement, das in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken, die im Wesentlichen über einem Auslöseschwellenpegel liegen, unter Hydraulikbetätigung automatisch in der Öffnungsrichtung verlagerbar ist, um die Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zu verhindern.
In einigen Ausführungsformen ist das Verankerungselement (z. B. ein Verriegelungskolben) dazu konfiguriert, in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken für wenigstens ein Auslöseschwellenzeitintervall auf Pegeln, die unter dem Auslöseschwellenpegel liegen, eine ungehinderte Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zuzulassen. In diesen Ausführungsformen kann das Verankerungselement dazu konfiguriert sein, in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken, die im Wesentlichen über dem Auslöseschwellenpegel liegen, sowohl (a) eine Modusänderung aus dem aktivierten Modus in den deaktivierten Modus durch Behindern der Bewegung des Ventilkolbens in der Öffnungsrichtung, bevor der Ventilkolben eine Ausrastposition erreicht, als auch (b) eine Modusänderung aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus durch Bewegung des Ventilkolbens in der Öffnungsrichtung, bevor der Ventilkolben eine Einrastposition erreicht, zu verhindern. In einigen Ausführungsformen ist der Rastmechanismus dazu konfiguriert, den Mechanismus im aktivierten Modus einrasten zu lassen, indem die Rückkehr des Ventilkolbens für eine Bewegung desselben in einer Schließrichtung in eine Längsposition verhindert wird, in der die Ventilöffnung sich im geschlossenen Zustand befindet, wobei die Schließrichtung entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung ist.
In einigen Ausführungsformen können sich der Ventilkolben und der Verriegelungskolben axial in wenigstens einem Überlagerungsabschnitt überlagern, wobei der Verriegelungskolben ein Behinderungselement (z. B. eine oder mehrere Verriegelungskugeln) aufweist, das im Überlagerungsabschnitt angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, bewegbar zu sein durch eine Längsbewegung des Verriegelungskolbens zwischen: (a) einer Freigabeposition, in der eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens, die für eine Bewegung in die Modusänderungsposition ausreicht, zugelassen wird, und (b) einer Behinderungsposition, in der das Behinderungselement dazu konfiguriert ist, die Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zu behindern.
Der Verriegelungskolben kann dazu konfiguriert sein, das Behinderungselement durch eine hydraulisch betätigte Längsbewegung des Verriegelungskolbens in der Öffnungsrichtung in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken im Wesentlichen über dem Auslöseschwellenpegel aus der Freigabeposition in die Behinderungsposition zu bewegen. In diesen Ausführungsformen kann der Verriegelungskolben ferner dazu konfiguriert sein, wenn das Behinderungselement sich in der Behinderungsposition befindet, das Behinderungselement durch eine Längsbewegung des Verriegelungskolbens in einer Schließrichtung entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung in Reaktion auf die Beendigung von Bohrfluiddrücken im Wesentlichen über dem Auslöseschwellenpegel aus der Behinderungsposition in die Freigabeposition zu bewegen.
In einigen Ausführungsformen ist der Verriegelungskolben dazu konfiguriert, das Behinderungselement in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken im Wesentlichen unter dem Auslöseschwellenpegel in der Freigabeposition zu halten. In einigen Ausführungsformen ist das Behinderungselement am Verriegelungskolben für eine Längsbewegung damit verankert und ist in Reaktion auf eine Längsbewegung zwischen der Behinderungsposition und der Freigabeposition radial relativ zum Ventilkolben verlagerbar. In einigen Ausführungsformen wird das Behinderungselement durch einen radial äußeren Umfang des Ventilkolbens im Überlagerungsabschnitt und einen radial inneren Umfang einer Kammerwand, die in das Gehäuse einbezogen ist und wenigstens einen Teil der Verriegelungskammer definiert, in der das Behinderungselement angeordnet ist, gegen radiales Lösen von dem Ventilkolben festgehalten. Die Kammerwand der Verriegelungskammer kann in einigen Ausführungsform dazu konfiguriert sein, einen Freigabeabschnitt und einen verengten Abschnitt zu definieren, wobei ein Innendurchmesser der Kammerwand im verengten Abschnitt kleiner als im Freigabeabschnitt ist, wobei das Behinderungselement durch eine Längsbewegung desselben vom Freigabeabschnitt zum verengten Abschnitt, die durch eine Bewegung des Verriegelungskolbens in der Öffnungsrichtung verursacht wird, aus der Freigabeposition in die Behinderungsposition umgeschaltet werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist das Behinderungselement eine Rolle, die zum Rollen an einem radial äußeren Umfang des Ventilkolbens im Überlagerungsabschnitt konfiguriert ist. Bei der Rolle kann es sich in einigen Ausführungsformen um eine Kugel handeln.
In einigen Ausführungsformen umfassen der Ventilkolben und der Verriegelungskolben im Wesentlichen rohrförmige Teile, die koaxial im Gehäuse in einer Ende-an-Ende-Anordnung angebracht sind, wobei der Ventilkolben und der Verriegelungskolben jeweils Endabschnitte aufweisen, die teleskopisch einer in dem anderen im Überlagerungsabschnitt aufgenommen sind, wobei das Behinderungselement in einem allgemein ringförmigen Raum zwischen einem radial äußeren Umfang des Ventilkolbens und dem Gehäuse angeordnet ist. Der Ventilkolben kann in diesen Ausführungsformen eine oder mehrere Behinderungsformationen (z. B. radial vorspringende Vorsprünge, Unregelmäßigkeiten oder Höcker) im Überlagerungsabschnitt aufweisen, wobei jede Behinderungsformation einen radialen Vorsprung an einer radial äußeren Fläche des Ventilkolbens umfasst, wobei der radiale Vorsprung für einen behindernden Eingriff mit dem Behinderungselement konfiguriert ist, wenn dieses im verengten Abschnitt der Verriegelungskammer angeordnet ist. Jede Behinderungsformation kann eine geneigte Kontaktfläche umfassen, die für Keileingriff mit dem Behinderungselement in der Behinderungsposition konfiguriert ist. In einigen Ausführungsformen umfassen die eine oder die mehreren Behinderungsformationen ein Paar axial beabstandete Behinderungsformationen, wobei eine von dem Paar Behinderungsformationen für behindernden Eingriff mit dem Behinderungselement konfiguriert ist, um eine Bewegung des eingerasteten Ventilkolbens in die Ausrastposition zu verhindern, und die andere von dem Paar Behinderungsformationen für behindernden Eingriff mit dem Behinderungselement konfiguriert ist, um eine Bewegung des ausgerasteten Ventilkolbens in die Rastposition zu verhindern.
In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Untertagewerkzeug eine Ausräumerbaugruppe, die Folgendes umfasst:
einen rohrförmigen Ausräumerkörper, der in Längsrichtung am Gehäuse ausgerichtet und damit verbunden ist, um den Aktivierungsmechanismus der Ausräumerbaugruppe in Fluidverbindung mit der Ventilöffnung zu setzen; und
ein oder mehrere Schneidelemente umfasst, die an dem Ausräumerkörper angebracht und dazu konfiguriert sind, die Bohrlochwand auszuräumen, wobei die Schneidelemente in Reaktion auf Bohrungsdruckbedingungen zwischen einem Ausfahrzustand, in dem das eine oder die mehreren Schneidelemente radial von dem Ausräumerkörper vorspringen, um mit der Bohrlochwand in Eingriff zu treten, und einem eingefahrenen Zustand angeordnet werden können, in dem das eine oder die mehreren Schneidelementen eingefahren sind, um eine Drehung des Ausräumerkörpers frei vom Eingriff des einen oder der mehreren Schneidelemente mit der Bohrlochwand zuzulassen.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren, das Steuern des Betriebs eines Untertagewerkzeug, das in einem Bohrstrang gekoppelt ist, der sich in Längsrichtung in einem Bohrloch erstreckt, durch Steuern von Bohrstrangdruckbedingungen umfasst, um eine Reaktion durch einen Steuermechanismus zu bewirken, der betriebsfähig an das Untertagewerkzeug gekoppelt ist und eine Ventilöffnung definiert, die mit einem Hydraulikaktivierungsmechanismus des Untertagewerkzeugs verbunden werden kann, wobei der Steuermechanismus ferner wenigstens Folgendes umfasst:

(a) einen Ventilkolben, der in Längsrichtung im Gehäuse verlagerbar ist und dazu konfiguriert ist, die Ventilöffnung durch Längsverlagerung des Ventilkolbens in eine Öffnungsrichtung aus einem geschlossenen Zustand in einem offenen Zustand anzuordnen, wobei die Ventilöffnung im offenen Zustand eine Fluidverbindung zwischen der Bohrung und dem Werkzeugaktivierungsmechanismus zulässt;
(b) einen Rastmechanismus, der zum lösbaren Einrasten des Ventilkolbens am Gehäuse konfiguriert ist, um eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens einzuschränken und den Steuermechanismus dadurch zwischen Betriebsmodi anzuordnen, die einen aktivierten Modus, in dem die Ventilöffnung sich beim Anlegen eines Bohrfluiddrucks bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im offenen Zustand befindet, und einen deaktivierten Modus umfasst, in dem sich die Ventilöffnung beim Anlegen von Bohrfluiddrücken bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im geschlossenen Zustand befindet, wobei der Rastmechanismus dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Längsbewegung des Ventilkolbens in eine Modusänderungsposition von einem der Betriebsmodi in den anderen umzuschalten; und
(c) ein Verankerungselement, das in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken, die im Wesentlichen über einem Auslöseschwellenpegel liegen, unter Hydraulikbetätigung automatisch in der Öffnungsrichtung verlagerbar ist, um die Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zu verhindern.

Das Steuern des Untertagewerkzeugs kann umfassen, den Steuermechanismus zu veranlassen, aus dem aktivierten Modus in den deaktivierten Modus umzuschalten, indem wenigstens für ein Auslösezeitintervall Bohrfluiddrücke unter dem Auslöseschwellenpegel bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Steuern des Untertagewerkzeugs das Veranlassen des Steuermechanismus, aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus umzuschalten, indem wenigstens für ein Auslösezeitintervall Bohrfluiddrücke unter dem Auslöseschwellenpegel bereitgestellt werden.
Die beschriebenen Ausführungsformen offenbaren ferner eine Bohrinstallation, die die Bohrlochwerkzeugvorrichtung beinhaltet, sowie ein Verfahren, das die Verwendung der Bohrlochwerkzeugvorrichtung umfasst.
Die vorstehende ausführliche Beschreibung beschreibt Ausführungsbeispiele der Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, die verschiedene Einzelheiten von Beispielen darstellen, die zeigen, wie die Offenbarung umgesetzt werden kann. Die Erörterung thematisiert unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen verschiedene Beispiele neuartiger Verfahren, Systeme und Vorrichtungen und beschreibt die dargestellten Ausführungsformen ausführlich genug, damit einschlägige Fachleute den offenbarten Gegenstand umsetzen können. Neben den hier erörterten veranschaulichenden Beispielen können viele weitere Ausführungsformen verwendet werden, um diese Techniken umzusetzen. Es können strukturelle und betriebliche Änderungen zusätzlich zu den spezifisch hier erörterten Alternativen vorgenommen werden, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
In dieser Beschreibung soll die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“ oder „ein Beispiel“ in dieser Beschreibung nicht zwingend auf dieselbe Ausführungsform oder dasselbe Beispiel verweisen; allerdings schließen diesen Ausführungsformen einander auch nicht aus, solange dies nicht entsprechend angegeben ist oder für einschlägige Durchschnittsfachleute mit dem Vorteil dieser Offenbarung auf der Hand liegt. Somit können verschiedene Kombinationen und/oder Integrationen der hier beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele einbezogen sein, ebenso wie weitere Ausführungsformen und Beispiele, wie sie im Umfang aller Ansprüche auf Grundlage dieser Offenbarung sowie dem aller rechtlichen Äquivalente dieser Ansprüche definiert sind.
Aus der vorstehenden ausführlichen Beschreibung geht hervor, dass zum Zweck der vereinfachten Darstellung der Offenbarung verschiedene Merkmale in einer einzelnen Ausführungsform zusammengefasst wurden. Dieses offenbarte Verfahren soll nicht als Absicht ausgelegt werden, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale benötigen, als in den jeweiligen Ansprüchen ausdrücklich dargelegt. Vielmehr liegt der Erfindungsgegenstand, wie die nachfolgenden Ansprüche zeigen, in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform. Daher bilden die folgenden Ansprüche einen Teil der ausführlichen Beschreibung, wobei jeder Anspruch für sich allein als separate Ausführungsform gilt.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein allgemein rohrförmiges Gehäuse, das zur Einbeziehung in einen Bohrstrang konfiguriert ist, der sich in Längsrichtung in einem Bohrloch erstrecken soll, wobei das Gehäuse eine sich in Längsrichtung erstreckende Bohrung definiert, die zum Fördern von Bohrfluid durch das Gehäuse konfiguriert ist; eine Ventilöffnung, die zur Verbindung mit einem hydraulischen Werkzeugaktivierungsmechanismus eines Werkzeugs konfiguriert ist, das in den Bohrstrang einbezogen ist; einen Ventilkolben, der in Längsrichtung im Gehäuse verlagerbar ist und dazu konfiguriert ist, die Ventilöffnung durch Längsverlagerung des Ventilkolbens in eine Öffnungsrichtung aus einem geschlossenen Zustand in einem offenen Zustand anzuordnen, wobei die Ventilöffnung im offenen Zustand eine Fluidverbindung zwischen der Bohrung und dem Werkzeugaktivierungsmechanismus zulässt; einen Rastmechanismus, der zum lösbaren Einrasten des Ventilkolbens am Gehäuse konfiguriert ist, um eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens einzuschränken und die Vorrichtung dadurch zwischen Betriebsmodi anzuordnen, die Folgendes umfassen einen aktivierten Modus, in dem die Ventilöffnung sich beim Anlegen eines Bohrfluiddrucks bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im offenen Zustand befindet, und einen deaktivierten Modus, in dem sich die Ventilöffnung beim Anlegen von Bohrfluiddrücken bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im geschlossenen Zustand befindet, wobei der Rastmechanismus dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Längsbewegung des Ventilkolbens in eine Modusänderungsposition von einem der Betriebsmodi in den anderen umzuschalten; und ein Verankerungselement, das in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken, die im Wesentlichen über einem Auslöseschwellenpegel liegen, unter Hydraulikbetätigung automatisch in der Öffnungsrichtung verlagerbar ist, um die Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verankerungselement dazu konfiguriert, in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken für wenigstens ein Auslöseschwellenzeitintervall auf Pegeln, die unter dem Auslöseschwellenpegel liegen, eine ungehinderte Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zuzulassen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Verankerungselement dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken, die im Wesentlichen über dem Auslöseschwellenpegel liegen, sowohl: eine Modusänderung aus dem aktivierten Modus in den deaktivierten Modus durch Behindern der Bewegung des Ventilkolbens in der Öffnungsrichtung, bevor der Ventilkolben eine Ausrastposition erreicht; als auch eine Modusänderung aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus durch Behindern der Bewegung des Ventilkolbens in der Öffnungsrichtung, bevor der Ventilkolben eine Einrastposition erreicht, zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Rastmechanismus dazu konfiguriert ist, den Mechanismus im aktivierten Modus einrasten zu lassen, indem die Rückkehr des Ventilkolbens für eine Bewegung desselben in einer Schließrichtung in eine Längsposition verhindert wird, in der die Ventilöffnung sich im geschlossenen Zustand befindet, wobei die Schließrichtung entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich der Ventilkolben und der Verriegelungskolben axial in wenigstens einem Überlagerungsabschnitt überlagern, wobei der Verriegelungskolben ein Behinderungselement aufweist, das im Überlagerungsabschnitt angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, durch eine Längsbewegung des Verriegelungskolbens zwischen einer Freigabeposition, in der eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens, die für eine Bewegung in die Modusänderungsposition ausreicht, zugelassen wird, und einer Behinderungsposition, in der das Behinderungselement dazu konfiguriert ist, die Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zu behindern, bewegbar zu sein.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Verriegelungskolben dazu konfiguriert ist: das Behinderungselement durch eine hydraulisch betätigte Längsbewegung des Verriegelungskolbens in der Öffnungsrichtung in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken im Wesentlichen über dem Auslöseschwellenpegel aus der Freigabeposition in die Behinderungsposition zu bewegen; und wobei der Verriegelungskolben ferner dazu konfiguriert ist, wenn das Behinderungselement sich in der Behinderungsposition befindet, das Behinderungselement durch eine Längsbewegung des Verriegelungskolbens in einer Schließrichtung entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung in Reaktion auf die Beendigung von Bohrfluiddrücken im Wesentlichen über dem Auslöseschwellenpegel aus der Behinderungsposition in die Freigabeposition zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Verriegelungskolben dazu konfiguriert ist, das Behinderungselement in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken im Wesentlichen unter dem Auslöseschwellenpegel in der Freigabeposition zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Behinderungselement am Verriegelungskolben für eine Längsbewegung damit verankert ist und in Reaktion auf eine Längsbewegung zwischen der Behinderungsposition und der Freigabeposition radial relativ zum Ventilkolben verlagerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Behinderungselement durch einen radial äußeren Umfang des Ventilkolbens im Überlagerungsabschnitt und einen radial inneren Umfang einer Kammerwand, die in das Gehäuse einbezogen ist und wenigstens einen Teil einer Verriegelungskammer definiert, in der das Behinderungselement angeordnet ist, gegen radiales Lösen von dem Ventilkolben festgehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Kammerwand der Verriegelungskammer dazu konfiguriert ist, einen Freigabeabschnitt und einen verengten Abschnitt zu definieren, wobei ein Innendurchmesser der Kammerwand im verengten Abschnitt kleiner als im Freigabeabschnitt ist, wobei das Behinderungselement durch eine Längsbewegung desselben vom Freigabeabschnitt zum verengten Abschnitt, die durch eine Bewegung des Verriegelungskolbens in der Öffnungsrichtung verursacht wird, aus der Freigabeposition in die Behinderungsposition umgeschaltet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Behinderungselement eine Rolle ist, die zum Rollen an einem radial äußeren Umfang des Ventilkolbens im Überlagerungsabschnitt konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Behinderungselement eine Kugel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Ventilkolben und der Verriegelungskolben im Wesentlichen rohrförmige Teile umfassen, die koaxial im Gehäuse in einer Ende-an-Ende-Anordnung angebracht sind, wobei der Ventilkolben und der Verriegelungskolben jeweils Endabschnitte aufweisen, die teleskopisch einer in dem anderen im Überlagerungsabschnitt aufgenommen sind, wobei das Behinderungselement in einem allgemein ringförmigen Raum zwischen einem radial äußeren Umfang des Ventilkolbens und dem Gehäuse angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Ventilkolben eine oder mehrere Behinderungsformationen im Überlagerungsabschnitt aufweist, wobei jede Behinderungsformation einen radialen Vorsprung an einer radial äußeren Fläche des Ventilkolbens umfasst, wobei der radiale Vorsprung für einen behindernden Eingriff mit dem Behinderungselement konfiguriert ist, wenn dieses im verengten Abschnitt der Verriegelungskammer angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei jede Behinderungsformation eine geneigte Kontaktfläche umfasst, die für Keileingriff mit dem Behinderungselement in der Behinderungsposition konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die eine oder die mehreren Behinderungsformationen ein Paar axial beabstandete Behinderungsformationen umfassen, wobei eine von dem Paar Behinderungsformationen für behindernden Eingriff mit dem Behinderungselement konfiguriert ist, um eine Bewegung des eingerasteten Ventilkolbens in die Ausrastposition zu verhindern, und die andere von dem Paar Behinderungsformationen für behindernden Eingriff mit dem Behinderungselement konfiguriert ist, um eine Bewegung des ausgerasteten Ventilkolbens in die Rastposition zu verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Untertagewerkzeug eine Ausräumerbaugruppe umfasst, wobei die Ausräumerbaugruppe Folgendes umfasst: einen rohrförmigen Ausräumerkörper, der in Längsrichtung am Gehäuse ausgerichtet und damit verbunden ist, um den Aktivierungsmechanismus der Ausräumerbaugruppe in Fluidverbindung mit der Ventilöffnung zu setzen; und ein oder mehrere Schneidelemente umfasst, die an dem Ausräumerkörper angebracht und dazu konfiguriert sind, die Bohrlochwand auszuräumen, wobei die Schneidelemente in Reaktion auf Bohrungsdruckbedingungen zwischen einem Ausfahrzustand, in dem das eine oder die mehreren Schneidelemente radial von dem Ausräumerkörper vorspringen, um mit der Bohrlochwand in Eingriff zu treten, und einem eingefahrenen Zustand angeordnet werden können, in dem das eine oder die mehreren Schneidelemente eingefahren sind, um eine Drehung des Ausräumerkörpers frei vom Eingriff des einen oder der mehreren Schneidelemente mit der Bohrlochwand zuzulassen.
Verfahren, umfassend: Steuern des Betriebs eines Untertagewerkzeugs, das in einem Bohrstrang gekoppelt ist, der sich in Längsrichtung in einem Bohrloch erstreckt, durch Steuern von Bohrstrangdruckbedingungen, um eine Reaktion durch einen Steuermechanismus zu bewirken, der betriebsfähig an das Untertagewerkzeug gekoppelt ist und eine Ventilöffnung definiert, die mit einem Hydraulikaktivierungsmechanismus des Untertagewerkzeugs verbunden werden kann, wobei der Steuermechanismus ferner Folgendes umfasst einen Ventilkolben, der in Längsrichtung im Gehäuse verlagerbar ist und dazu konfiguriert ist, die Ventilöffnung durch Längsverlagerung des Ventilkolbens in eine Öffnungsrichtung aus einem geschlossenen Zustand in einem offenen Zustand anzuordnen, wobei die Ventilöffnung im offenen Zustand eine Fluidverbindung zwischen der Bohrung und dem Werkzeugaktivierungsmechanismus zulässt; einen Rastmechanismus, der zum lösbaren Einrasten des Ventilkolbens am Gehäuse konfiguriert ist, um eine relative Längsbewegung des Ventilkolbens einzuschränken und den Steuermechanismus dadurch zwischen Betriebsmodi anzuordnen, die einen aktivierten Modus, in dem die Ventilöffnung sich beim Anlegen eines Bohrfluiddrucks bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im offenen Zustand befindet, und einen deaktivierten Modus umfasst, in dem sich die Ventilöffnung beim Anlegen von Bohrfluiddrücken bei oder im Wesentlichen über Werkzeugaktivierungspegeln im geschlossenen Zustand befindet, wobei der Rastmechanismus dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf eine Längsbewegung des Ventilkolbens in eine Modusänderungsposition von einem der Betriebsmodi in den anderen umzuschalten; und ein Verankerungselement, das in Reaktion auf das Bereitstellen von Bohrfluiddrücken, die im Wesentlichen über einem Auslöseschwellenpegel liegen, unter Hydraulikbetätigung automatisch in der Öffnungsrichtung verlagerbar ist, um die Bewegung des Ventilkolbens in die Modusänderungsposition zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Steuern des Untertagewerkzeugs das Veranlassen des Steuermechanismus umfasst, aus dem aktivierten Modus in den deaktivierten Modus umzuschalten, indem wenigstens für ein Auslösezeitintervall Bohrfluiddrücke unter dem Auslöseschwellenpegel bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Steuern des Untertagewerkzeugs das Veranlassen des Steuermechanismus umfasst, aus dem deaktivierten Modus in den aktivierten Modus umzuschalten, indem wenigstens für ein Auslösezeitintervall Bohrfluiddrücke unter dem Auslöseschwellenpegel bereitgestellt werden.