DE1241385B - Vorrichtung zum Einfuehren von Fluessigkeiten in Erdformationen - Google Patents

Description

NDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

E 21b

Int. Cl.:

Deutsche Kl.:

Nummer: 1 241 385

Aktenzeichen: C 36855 VI a/5 a

Anmeldetag: 11. September 1965

Auslegetag: 1. Juni 1967

E2 1 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einführen von Flüssigkeiten in Erdformationen aus einem in einer Bohrung befindlichen Rohr. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verfestigen unverfestigter Sande durch Einpressen vorbestimmter Mengen von Verfestigungsflüssigkeiten.

Bei der Erdölgewinnung muß oft das Hineinfließen von Sand in das Bohrloch verhindert oder stark herabgesetzt werden. Eine Sandregelung ist bisher nach einer Anzahl Verfahren durchgeführt worden. Beispielsweise füllte man den Raum zwischen einer perforierten Verrohrung und den Steigrohrleitungen mit Kies oder Sand aus, um einen Sandfluß in die Förderleitung abzuhalten. Vorgepackte Sandfilter sind mit der Steigrohrleitung verbunden, in die Bohrungen eingesetzt und benachbart einer Förderformation abgesetzt worden. Neuerdings sind Verfahren erfunden worden, um den Formationssand an Ort und Stelle rund um das Bohrloch durch Einpressen eines flüssigen Bindematerials in die Formation zu verfestigen.

Beim letzterwähnten Sandverfestigungsverfahren ist es in der Praxis notwendig, daß die Sandverfestigungsflüssigkeiten gleichmäßig um das Bohrloch herum in den zu verfestigenden Formationszwischenraum eingepreßt werden.

Die Formation, in der die Verfestigung durch dieses Verfahren stattfinden soll, kann ein dickes Stück, bestehend aus einer Anzahl kleinerer Teile mit verschiedenen Durchlässigkeiten, sein. Die Verfestigungsflüssigkeiten, von denen gewöhnlich mindestens zwei benutzt werden, haben typischerweise verschiedene Viskositäten. Wenn also ein durchlässiger Zwischenraum einer Formation verfestigt werden soll, besteht ein schwierig zu lösendes Problem darin, eine gleichmäßige Verteilung einer Verfestigungsflüssigkeit in der Formation rings um das Bohrloch herum und über den gesamten Zwischenraum zu erreichen.

Wie in der Erdölgewinnung bekannt, wird gewöhnlich eine Verrohrung verwendet, um einen Lagerstättenabschnitt auszukleiden. Über die Länge der Verrohrung gegenüber dem Gewählten Intervall befinden sich Perforationen, durch die Öl aus der Formation in die Verrohrung oder durch die Wasser aus der Verrohrung in die Formation fließen kann. Gewöhnlich beträgt der Abstand zwischen den Perforationen 30 cm oder weniger. Ist die Lagerstätte stark gegliedert, kann eine Anzahl von Gruppen an Perforationen vorhanden sein, die mit geeigneten Abständen in die Verrohrung angeordnet sind. Wie oben erläutert, kann die Formation hinter den verschiedenen Perforationen von ungleichmäßiger DurchVorrichtung zum Einführen von Flüssigkeiten
in Erdformationen

Anmelder:

Chevron Research Company,
San Francisco, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:
!5 Harry Brandt, Davis, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. November 1964
(411 036)

lässigkeit sein. Die Sandverfestigungsflüssigkeiten, die

as in die Formation durch irgendeine Gruppe an Perforationen eingepreßt werden, werden nicht unbedingt gleichmäßig in die Formation rund um das Bohrloch verteilt werden, wenn das Einpressen nicht sorgfältig überwacht bzw. geregelt wird.

Es sind schon verschiedene Formen an Vorrichtungen zur Erzielung eines gleichmäßigen Einpressens von verschiedenen Medien in eine Förderformation zur Sandverfestigung vorgeschlagen worden. Jedoch besteht noch ein Bedürfnis nach einer Vorrichtung, die in der Konstruktion einfach ist, die betriebssicher ist und die ein gleichmäßiges Einpressen von Medien bei hohem Druck über ein vorgewähltes Formationsintervall ermöglicht, ohne die Gefahr, daß die Formation bricht oder die Vorrichtung beschädigt wird, wenn ein Verstopfen und ein Druckaufbau in der Bohrung oder in der Formation auftreten sollte.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur Sandverfestigung geschaffen, die ein mittleres rohrförmiges, in ein Bohrloch einsetzbares Glied und Rohrleitungen zur Erstellung eines Strömungsweges zwischen dem mittleren rohrförmigen Glied und der Oberfläche umfaßt. Eine Anzahl Packungen ist vorgesehen, um vorgewählte Abschnitte der Bohrlochverrohrung außerhalb des mittleren rohrförmigen Gliedes abzupacken. Mindestens eine Perforation wird in jedem der gewählten Abschnitte abgedichtet. Mehrere verengte Kanäle reichen durch das rohr-

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förmige Glied an vorgewählten Intervallen und stellen zusammen mit den Packungen eine Verbindung zwischen den Perforationen in jedem abgedichteten Abschnitt und dem Inneren des rohrförmigen Gliedes her. Der verengte Kanal wirkt in einer Weise ähnlich einer Öffnung mit kritischen Strömungscharakteristiken, nämlich dadurch, daß die Flüssigkeitsströmung bei einem Druck oberhalb eines vorwählbaren Minimaldruckes mit relativ konstanter Geschwindigkeit erfolgt. In jedem verengten Kanal ist ein Absperrventil vorgesehen. Das Absperrventil schließt vorzugsweise den verengten Kanal gegenüber dem Mediumstrom ab und besitzt ein nachgiebiges Teil, um das Ventil normalerweise in Schließstellung zu halten. Jedes Ventil spricht auf den Druckanstieg in jedem der abgedichteten Teile des Gehäuses an und drosselt die Strömung oder sperrt sie sogar ab, wenn in dem abgedichteten Teil des Gehäuses außerhalb des Werkzeugs ein unerwünscht hoher Druckanstieg eintritt, der ein Verstopfen der Perforation oder der Formation anzeigt, bevor die Formation beschädigt wird.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung zum Einpressen von Medien mit gleichen Mengen in mehrere, in Abstand befindliche Perforationen in einer Bohrlochverrohrung zu schaffen, wobei die Möglichkeit des Formationsbruches oder eine sonstige Beschädigung des Bohrloches durch unerwünscht hohen Druckanstieg infolge dadurch, daß die Formation das Medium nicht in der gewünschten Menge annimmt, ausgeschaltet wird.

An Hand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt einer Bohrung in Verbindung mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Schnittansicht eines Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und

F i g. 3 eine Stirnansicht, von der Linie 3-3 der F i g. 2 aus gesehen.

Die gemäß der Erfindung zusammengebaute Vorrichtung befindet sich in der Bohrung 20, benachbart der Formation 21, in welche die Abdichtflüssigkeiten eingepreßt werden sollen. Eine Bohrlochverrohrung

22 kleidet die Wandung der Bohrung 20 aus. Zement

23 dichtet den Ringraum zwischen der Bohrlochwand und der Außenseite der Verrohrung 22 ab. Eine Anzahl Perforationen 24 ist in der Verrohrung 22 vorgesehen und reichen durch den Zementmantel 23 hindurch in die Formation 21 hinein. Diese Löcher

24 können mittels geeigneter und bekannter Perforationsvorrichtungen hergestellt sein, beispielsweise mittels Schußperforation.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein rohrförmiges Glied 25 auf, dessen unteres Ende 26 geschlossen ist. Ein Rohrstrang 27 ist dicht mit dem oberen Ende 28 des Rohres 25, wie mittels eines Paßstückes 19, verbunden. Der Rohrstrang 27 erstreckt sich in der Bohrung aufwärts und stellt einen Strömungsweg von der Erdoberfläche zum Inneren des Rohres 25 dar. Geeignete Behälter für Sandverfestigungsflüssigkeiten, z. B. Behälter für Kunstharz 29, für Azeton 30, für einen Aktivator 31 und für Dieselöl 32, sind über eine Pumpe 34 und den Rohrstrang 27 mit dem Rohr 25 verbunden. Bezüglich der oben aufgezählten Flüssigkeiten wird jedoch darauf hingewiesen, daß bestimmte Materialien die Erfindung nicht beeinflussen. Es ist jedoch vorteilhaft, Behälter dafür zu verwenden, die an der Erdoberfläche liegen und mit dem Rohr durch eine Leitung verbunden sind, da auf diese Weise große Materialmengen verwendet werden können, die nicht räumlich begrenzt sind, wie beispielsweise in der Bohrung vorgesehene Behälter.

Das Rohr 25 ist mit einer Anzahl Packungen 33 versehen, welche Abschnitte des Ringraumes zwischen der Verrohrung 22 und der Außenwand des Rohres 25 an einer Anzahl im Abstand liegender Stellen abdichten. Die Packungen gemäß der Erfindung sollen ein oder mehrere Löcher 24 abdichten. So wird eine Anzahl ringförmiger Kammern gebildet, von denen jede eine Verbindung vom Inneren des Rohres zu einem oder mehreren Löchern hat. Die Packungen 33 sind in F i g. 1 nur schematisch dargestellt und können von irgendeiner geeigneten Konstruktion sein und mechanisch oder hydraulisch oder auf andere bekannte Weise gesetzt werden.

Düsen und Absperrventileinrichtungen ermöglichen eine Verbindung zwischen dem Rohr 25 und jedem der abgepackten Löcher. Diese Flüssigkeitszuführungseinrichtungen sind allgemein mit 35 bezeichnet. Düsen und Ventile sind zusammen in einem gemeinsamen entfernbaren Gehäuse 36 untergebracht. In den F i g. 2 und 3 werden diese Einrichtungen genauer beschrieben.

Ein Gehäuse 36 enthält den verengten Kanal und das Absperrventil. Das Gehäuse 36 ist in das Rohr 25 lösbar, beispielsweise mittels passender Verschraubungen 60 und 61 eingesetzt. Ein geeignetes verengtes Kanalsystem kann Strömungswege 40 und 42 und einen Düseneinsatz 41 aufweisen, der eine verengte Öffnung 46 besitzt. Ein Absperrventilsitz 43 mit einer Öffnung 44 vervollständigt den Kanal. Die Strömungswege und Einsätze sind zu Reinigungszwecken leicht zugänglich. Beispielsweise sind die Einsätze 41 und 43 entfernbar, und ein Ende des Strömungsweges 42 ist mittels eines entfernbaren Stopfens 45 geschlossen. Die Einsätze, Gehäuse und Stopfen sind mit geeigneten Nuten 65 versehen, die ein leichtes Entfernen und Einsetzen ermöglichen.

Gemäß der Erfindung ist eine Absperrventileinrichtung in dem verengten Kanal vorgesehen. Beispielsweise wird ein Absperrventilstück 50 mittels einer geeignet angeordneten Feder 51 normalerweise an den Ventilsitz 43 angedrückt, um den Kanal zu schließen. Das obere Ende 52 des Ventilstückes 50 ist kolbenartig ausgebildet und paßt flüssigkeitsdicht verschiebbar in die Kammer 54 hinein. Eine Gegenhalteplatte 55 bildet das Widerlager für die Feder 51. Durch eine Öffnung 56 in der Gegenhalteplatte kann der Druck außerhalb der Vorrichtung auf dem kolbenseitigen Ende des Ventilstückes wirken. Der Kolben spricht auch auf den Druck im Inneren des Rohres 25 an, da die Öffnung 57 eine Verbindung zwischen dem Kolben und der im Rohr 25 befindchen Flüssigkeit herstellt. Wenn also der Druck auf die Flüssigkeit im Inneren der Vorrichtung größer ist als der Druck außerhalb des Rohres plus der Kraft der Feder 51, ist das Absperrventil offen und Flüssigkeit kann durch den verengten Kanal strömen. Wenn jedoch die Wirkung des Druckes außerhalb des Werkzeuges und die Federkraft größer werden als die Wirkung des im Werkzeug herrschenden Druckes, schließt sich das Absperrventil, so daß keine Flüssigkeit mehr durch den verengten Kanal strömen kann. Diese Bedingung hält an, bis der Druck außerhalb

des Rohres um eine gegebene Druckdifferenz unter den Innendruck fällt, wenn die Strömung wieder beginnt. Die Absperrventileinrichtung gemäß der Erfindung wirkt also als Drosselung der Strömung, wenn der Druck ansteigt.

Wie oben angedeutet worden ist, besteht ein Problem darin, daß jedes der Löcher eine gleiche Menge der Verfestigungsflüssigkeiten erhält. Dies ist graphisch in F i g. 1 durch eine unterschiedliche Punktierungsstärke der Formation dargestellt, um Zonen größerer und geringerer Durchlässigkeit anzudeuten. Ein Loch, das in eine Zone hoher Durchlässigkeit hineinreicht, würde wahrscheinlich mehr Verfestigungsflüssigkeit aufnehmen als eines einer Zone geringerer Durchlässigkeit, wenn man die Verfestigungsflüssigkeit ohne irgendwelche Steuerung in die Löcher strömen lassen würde.

Die verengten Kanäle tragen dazu bei, eine gleiche oder nahezu gleiche Verteilung der Verfestigungsflüssigkeiten zur Formation zu erreichen. Wenn also ein kompressibles Medium bei konstantem, stromaufseitigem Druck durch eine Mündung gepumpt wird, tritt eine Druckdifferenz in der Mündung auf, bei welcher maximale Strömung eintritt, und wenn sogar der stromabseitige Druck fällt, so daß die Druckdifferenz größer als die kritische Druckdifferenz wird, wächst die Strömung nicht mehr an. Die Verfestigungsflüssigkeiten werden in etwa ähnlicher Weise reagieren, wenn sie durch den verengten Kanal strömen. Die Kanäle sind also so bemessen, daß nur eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit durch jeden Kanal hindurch herrschen kann, nachdem eine gewisse Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Rohres erreicht ist. Wenn jedoch der Außendruck des Rohres auf unerwünscht hohe Werte ansteigt, weil die Formation die Medien nicht aufnimmt, drosselt die Absperrventileinrichtung die Strömung und sperrt die durch den verengten Kanal führende Strömung eventuell ab.

Die Flüssigkeit, die durch die Anzahl Kanäle fließt, wird auf diese Weise strömungsmäßig geregelt, und obgleich sogar eines der Löcher die Fähigkeit haben kann, Verfestigungsflüssigkeiten in einer viel größeren Menge aufzunehmen als die Löcher in einem anderen abgedichteten Abschnitt, wird dieses Loch die vorgegebene Menge an Verfestigungsflüssigkeit erhalten, da jedes Loch abgepackt ist und die Strömung zu jedem abgedichteten Abschnitt geregelt wird. Dies tritt ein, solange ein langsameres Loch Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit aufnehmen kann, die schneller ist als die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms durch den verengten Kanal. In den meisten Formationen ist dies der Fall. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund, beispielsweise einem sehr dichten Abschnitt einer Formation oder einem Verstopfen eines Loches das Medium nicht von der Formation bei mindestens dieser minimalen Geschwindigkeit aufgenommen wird, kann in dem Ringraum ein Druckanstieg eintreten. Der erhöhte Druck kann zu einem Bruch der Formation führen. Wenn der Druckanstieg eine unerwünscht hohe Größe erreicht hat, spricht das Absperrventil gemäß der Erfindung wie oben beschriefen an und schließt den besonderen Kanal gegenüber der Flüssigkeitsströmung ab und verhindert so eine Beschädigung der Formation. Wenn der Druck auf eine sichere Größe abgefallen ist, öffnet das Absperrventil, und die Strömung setzt wieder ein. Es ist klar, daß die Spannung der Absperrventilfeder verändert

ίο werden kann, um den erforderlichen Differenzdruck zum Schließen des Rückschlagventils zu ändern. Der Fachmann kann den günstigsten Differenzdruck für jeden beliebigen Betrieb leicht bestimmen, wenn er den Druck, bei dem die Formation bricht, die Festigkeit des Werkzeugs und andere Faktoren kennt.

Dir Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht auf Sandverfestigung beschränkt. Beispielsweise werden manchmal Lösungen, Säuren oder andere Bohrlochbehandlungsmedien in eine Formation eingepreßt, um deren Strömungskapazität zu vergrößern. Es ist klar, daß auch in diesen Fällen ein gleichmäßigeres Einpressen des Mediums über das ganze Intervall wünschenswert ist und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Einführen von Flüssigkeiten in Erdformationen aus einem in einem Bohrloch befindlichen Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum zwischen Rohr (25) und Bohrlochverrohrung (22) durch Abdichtpackungen (33) in einzelne voneinander, isolierte Abschnitte unterteilt ist, denen jeweils eine im Rohr (25) angeordnete, mittels einer Ventileinrichtung (43, 50, 51, 52, 55) gesteuerte Flüssigkeitszuführungseinrichtung (35) zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (35) lösbar am Rohr (25) angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil mittels einer Feder (51) in Schließstellung vorgespannt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilstück (50) des Ventils mit einem von der Differenz der Drücke im Inneren des Rohres (25) und des abgedichteten Abschnitts zwischen Rohr und Verrohrung (22) beaufschlagten Kolben (52) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite des Kolbens (52) über einen Kanal (56) mit dem abgedichteten Abschnitt zwischen Rohr (25) und Verrohrung (22) und die andere Seite des Kolbens über einen Kanal (57) mit dem Rohrinneren in Verbindung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen