-
Durchlaßvorrichtung an Futter- und Steigrohren in Bohrungen auf Erdöl,
Erdgas u. dgl. Die Erfindung bezieht sich auf eine Durchlaßvorrichtung an Futter-
und Steigrohren in Bohrungen auf Erdöl, Erdgas u. dgl., die aus in die Wandung der
Rohre eingesetzten, unmittelbar nach dem Einpressen einer Zementtrübe in den Raum
zwischen dem Rohr und der Bohrlochwandung radial durch die Zementtrübe gegen die
Bohrlochwandung vorzuschiebenden, gegebenenfalls teleskopartigen Hülsen besteht,
die zunächst mittels eines mindestens teilweise chemisch auflösbaren Stopfens stirnseitig
verschlossen sind und nach dem Abbinden und Erstarren der Zementtrübe auf chemischem
Wege geöffnet werden.
-
Es sind bereits derartige Durchlaßvorrichtungen an Futter- und Steigrohren
bekannt, bei welchen die Hülse außer einem Rückschlagventil eine Zinkmembran enthält,
die in ihrer Zusammensetzung und Dicke auf die zum Öffnen der Durchlaßöffnung benutzte
chemische Substanz und die einzustellenden bzw. herrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse
derart abgestimmt werden soll, daß die erzielte Zersetzungszeit der Abbinde- und
Erstarrungszeit der Zementtrübe entspricht (Aufsatz »The Permeator« aus der Zeitschrift
»The Oil and Gas Journal« vom 26. Oktober 1959, Seiten 100 bis 105). Diese bekannte
Vorrichtung ist aber, wie sich in der Praxis herausgestellt hat, nicht geeignet,
die Hülse nach Ablauf der Abbinde- und Erstarrungszeit der Zementtrübe wirklich
zu öffnen. Bei der bekannten Vorrichtung ist nämlich die Zinkmembran zwischen dem
stirnseitigen Magnesiumstopfen und dem Rückschlagventil angeordnet. Dies bedeutet,
daß nur eine sehr beschränkte Menge von der zum Öffnen der Hülse benutzten Säure
durch das Rückschlagventil zur Zinkmembran treten kann. Diese beschränkte Säuremenge
reicht aber nnicht aus, um die Zinkmembran wirklich aufzulösen und zu zersetzen.
Durch die Wirkung des Rückschlagventils kann die verbrauchte Substanz, also im wesentlichen
die Zinksalzlösung, nicht durch frische Säure ausgetauscht werden, so daß die chemische
Reaktion stehenbleibt, bevor die Zinkmembran zersetzt ist.
-
Demgegenüber soll durch die Erfindung eine wesentlich verbesserte
Durchlaßvorrichtung für Futter- und Steigrohre geschaffen werden, die die Abstimmung
der Zersetzungszeit dem Membran auf die Abbindezeit der Zementtrübe wirklich durchführbar
machen läßt.
-
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die auf die Abbinde-
und Erstarrungszeit der Zementtrübe abgestimmte Membran einwärts des Rückschlagventils
angeordnet ist, während der den stirnseitigen Verschluß der Hülse bildende Stopfen
mit Kanälen versehen ist und nach einwärts mit einer zusätzlichen, sich in der zum
Öffnen der Hülse benutzten chemischen Substanz schnell zersetzenden Membran als
Abdichtung des das Rückschlagventil aufnehmenden Raumes hinterlegt ist.
-
Durch die Erfindung wird erreicht, daß die auf die Abbindezeit der
Zementtrübe abgestimmte Membran tatsächlich wirksam der zu ihrer Zersetzung benutzten
chemischen Substanz ausgesetzt wird, und zwar dadurch, daß diese Membran einwärts
des Rückschlagventils angeordnet ist, so daß ein ständiger Substanzaustausch, sei
es durch Strömung oder Diffusion, möglich ist, bis diese Membran zersetzt ist. Die
übrigen Verschlußelemente sind dann schnell und sicher chemisch entfernbar, da die
zweite, als Dichtung benutzte, auswärts des Rückschlagventils angeordnete Membran
aus sehr schnell in der Substanz zersetztem Material besteht und außerdem in der
Materialmenge so beschränkt ist, daß sie von einer verhältnismäßig kleinen Substanzmenge
bereits durchfressen wird. Der den stirnseitigen Verschluß der Hülse bildende Stopfen
wird dann trotz seiner verhältnismäßig großen Materialmenge schnell zersetzt, weil
die in ihm angebrachten Kanäle die ständige Abfuhr der verbrauchten Substanz und
Nachfuhr frischer Substanz ermöglichen.
-
Durch die Erfindung wird somit die Möglichkeit geschaffen, die Öffnungszeit
der Vorrichtung bestimmende Membran für alle in der Praxis vorkommenden Verzögerungszeiten
bzw. Abbinde- und Erstarrungszeiten
der Zementtrübe zu wählen,
ohne daß die Gefahr besteht, daß diese Membran nicht vollständig chemisch zersetzt
wird. Die Erfindung bietet ferner den Vorteil, daß die Zersetzungsprodukte von der
einwärtigen, die Öffnungszeit der Vorrichtung bestimmenden Membran nach rückwärts
abgeführt werden und deshalb nicht zum Rückschlagventil gelangen und andererseits
die Zersetzungsprodukte vom Stopfen durch dessen Kanäle abgeführt werden und deshalb
auch nicht zum Rück-Schlagventil gelangen. Dadurch wird das Rückschlagventil gegen
Ablagerung solcher Zersetzungsprodukte geschützt.
-
Besonders vorteilhaft ist es im Rahmender Erfindung, wenn die auf
die Abbinde- und Erstarrungszeit der Zementtrübe abgestimmte Membran zwischen dem
Ventilsitzkörper und einem einstellbaren, in das Innere der Hülse eingeschraubten
Stopfen eingepreßt ist.
-
Die Zersetzung der Membran und aller chemisch zu entfernenden Teile
der Vorrichtung kann dadurch noch wesentlich sicherer erreicht werden, daß die beiden
Membranen und der Verschlußstift des stirnseitigen Stopfens aus solchen Materialien
bestehen, die in der elektrischen Spannungsreihe weit von dem Material der Hülse
abliegen und zu welchen die benutzte chemische Substanz ein Elektrolyt zu elektrochemischer
Zersetzung darstellt. Durch den Zusammenbau der einzelnen Metallteile bildet dann
die Hülse mit ihren Verschlüssen ein außen kurzgeschlossenes elektrochemisches Element,
so daß auch neben der rein chemischen eine beträchtliche Zersetzung der zu entfernenden
Elemente stattfindet. Diese elektrochemische Zersetzung ist naturgemäß mit in der
Zersetzungszeit der auf die Abbinde- und Erstarrungszeit der Zementtrübe abgestimmten
Membran zu berechnen.
-
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die auf die Abbinde- und Erstarrungszeit_
der Zemeuttrübe abgestimmte Membran und die zusätzliche, den das Rückschlagventil
aufnehmenden Raum nach außen abdichtende Membran aus verschiedenen, in der elektrochemischen
Spannungsreihe auseinanderliegenden Metallen bestehen, d_ie jedes in der elektrochemischen..
Spannungsreibe in Abstand von dem Material der Hülse liegen und zu denen die benutzte
chemische Substanz einen, geeigneten Elektrolyt zu elektrochemischer Zersetzung
darstellt.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der
Zeichnung näher erläutert. ES zeigt F t g. 1 einen senkrechten, schaubildlichen
Schnitt durch ein Bohrloch mit einzementiertem Steigrohr und Durchlaßvorrichtungen
gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen vergrößerten horizontalen Schnitt, der. eine
Durchlaßvorrichturig-gemäß der Erfindung in Ausgangsstellung zeigt, F i g. 3 eine
seitliche, teilweise geschnittene, verkleinerte Darstellung der Vorrichtung nach
F i g. 2 in vorgeschobener Stellung und k' i g. 4 eine Durchlaßvorrichtung nach
F i g. 2 und 3 mit Schutzring vor dem Anbringen am. Steigro@r. -F i g. 1 zeigt,
wie das im Gebirge 11 niedergebrachte Bohrloch 10, das beispielsweise
in. Kalksteinformationen einen Durchmesser von angenähert 23 bis 26 cm- (9
bis 10 Zoll) haben kann, mit einem Steigrohr 12, _ -das - einen Durchmesser
von etwa 15,5 cm (7 Zoll) kaben kann, vorrohrt ist. Der etwa 2,5 bis 4 cm (1 bis
1,5 Zoll) betragende ringförmige Abstand zwischen der Außenfläche des Rohres
12 und der Wand des Bohrloches 10 ist mit Zementtrübe 13 angefüllt,
die in diesem Ringraum erhärtet.
-
Da die Bodenformationen üblicherweise mehrere Öl oder Gas führende
Schichten 14 aufweisen, ist es von Wichtigkeit, Durchlässe von den Schichten
14
durch den Zement 13 in das Rohr 12 zu schaffen, die den Zement 13 unbeschädigt
lassen. Deshalb werden, wie bereits bekannt, Durchlaßvorrichtungen benutzt, die
radial zum Futter- oder Steigrohr 12
vorschiebbare Hülsen 21, 40 enthalten.
Diese Hülsen 21 und 40 werden durch die noch im wesentlichen flüssige
Zementtrübe bis an die jeweilige Schicht 14
vorgeschoben und in dieser Stellung
mittels eingebauter Sperren gehalten. Solange die Zementtrübe noch nicht -erstarrt
ist, sollen diese Hülsen 21, 40
geschlossen sein, damit einerseits keine Chemikalien
aus den Hülsen in die Zementtrübe gelangen und andererseits keine Zementtrübe in
die Hülsen selbst gelangen kann. Erst wenn die Zementtrübe abgebunden hat und erstarrt
ist, sollen die Hülsen 21, 40
stirnseitig geöffnet werden, um eine Anregungsbehandlung
der Schichten 14 vorzunehmen und dann das Produkt aus -diesen Schichten in
das Rohr 12 abzuziehen.
-
Zur Durchführung dieser Arbeitsgänge ist die Durchführungsvorrichtung
gemäß der Erfindung in der im folgenden beschriebenen, aus den F i g. 2 und 3 ersichtlichen
Weise aufgebaut.
-
Es ist bevorzugt, einen Schutzring G mit einer gewölbten Fläche S
auf der äußeren Oberfläche des Futter-- oder Steigrohres 12 aufzuschweißen und die
eigentliche Durchlaßvorrichtung in diesen Schutzring G einzuschrauben. Solche Schutzringe
G sind mit abgeschrägten Seiten F ausgebildet, um das Absenken des Futter- bzw.
Steigrohres 12 im Bohrloch 10 zu erleichtern. Außerdem dienen die
Schutzringe-G zur -Zentrierung des Rohres 12 im Bohrloch 10.
-
Die -eigentliche Durchlaßvorrichtung enthält im dargestellten Beispiel
zwei Hülsen 21 und 40, die in einer Buchse 16 angebracht sind und
teleskopartig ausschiebbar sind. Die Ausbildung dieser Hülsen und ihre gegenseitige
Führung bzw. ihre Führung in der Buchse 16 sind bekannt und nicht Gegenstand
'der Erfindung.
-
Um die Teleskophülsen 21 und 40 in ihrer vorgeschobenen
Stellung zu halten, sind die bekannten Gesperre vorgesehen, die durch an der Innenfläche
der Buchse 16 und der äußeren Teleskophülse 21
angebrachte Ringnuten
31 mit Sägezahnprofil und an dem rückwärtigen äußeren Ende der äußeren Teleskophülse
21 und der inneren Teleskophülse 40
angebrachte, durch die Sägezahn-Ringnuten
31
rastende Sprengringe 32 gebildet sind. Zur Sicherung der Teleskophülsen
21 und 40 gegen vorzeitiges Vorschieben sind am inneren Ende der Hülse
21
ein nach außen vorspringender, hinter das innere Ende der Buchse
16 greifender Flansch 30 und am inneren Ende der Hülse 40 ein
hinter das innere Ende der Hülse 21 greifender Flansch 30A vorgesehen. Diese
Flansche 30 und 30A sind dazu ausgebildet, unter der Wirkung eines
vorherbestimmten Druckes auf das innere Ende der Vorrichtung abgeschert zu werden.
Die
Durchlaßvorrichtung ist zunächst nach außen abgedichtet. Hierzu sind zwischen der
Buchse 16
und dem Schutzring G eine O-Ring-Dichtung 58, zwischen der Buchse
16 und der äußeren Teleskophülse 21 eine O-Ring-Dichtung 34 und der äußeren Teleskophülse
21 und der inneren Teleskophülse 40 eine 0--Ring-Dichtung 37A in bekannter Weise
eingelegt.
-
Die innere Teleskophülse 40 ist in der unten erläuterten Weise stirnseitig
verschlossen. Nach dem Inneren des Rohres 12 hin ist außerdem eine Gewindekappe
25 auf das innere Ende der Buchse 16 geschraubt, die eine mittlere Öffnung 19 aufweist.
Diese Kappe 25 deckt die Durchlaßvorrichtung nach innen stirnseitig ab, um sie von
Zementtrübe frei-. zuhalten, wenn diese durch das Rohr 12 eingepreßt wird. Erst
wenn die Zementtrübe eingepreßt und die zum (Offnen der Durchlaßvorrichtung benutzte
Substanz hinter der Kappe 25 steht, wird die Durchlaßvorrichtung durch erhöhten
Druck durch Abscheren der Flansche 30 und 30A ausgelöst, so daß nur die zum Öffnen
der Durchlaßvorrichtung benutzte Substanz beim Vorschieben der Hülsen 21 und 40
in das Innere der Buchse 16 und der Hülse 21 gelangt. Dabei wird die Vorschiebbewegung
der Hülsen 21
und 40 durch die Größe der Öffnung 19 bestimmt bzw. gedrosselt.
-
Im dargestellten Beispiel enthält die innere Teleskophülse 40 einen
äußeren stirnseitigen Stopfen 62, der von vorn in eine Hülse 40 eingeschraubt ist
und eine axiale Bohrung aufweist, in die ein löslicher, vorzugsweise aus Magnesium
bestehender Keilstift 63 A eingepreßt ist. Dieser Keilstift 63 A steht,
wie die Zeichnung zeigt, etwas nach außen gegenüber dem Stopfen 62 in Form einer
Spitze vor und endet am inneren Ende an einer Membran 61. Diese vorzugsweise aus
Magnesium bestehende Membran 61 deckt den Stopfen 62 und den Keilstift 63 A nach
hinten ab und ist durch eine hinter ihr angeordnete Einlageplatte 64 hinter dem
Stopfen 62 eingepreßt. Die Membran 61 hat in der Praxis eine Dicke von etwa 0,25
mm (0,01 Zoll).
-
Die Einlageplatte 64 ist mit einer konkaven Innenfläche ausgebildet.
In diese konkave Innenfläche ist ferner eine Nut 63 eingeschnitten, die durch den
Mittelpunkt der Einlageplatte 64 läuft. Sowohl die Einlageplatte 64 als auch der
Stopfen 62 sind mit Kanälen versehen, die jedoch durch die dazwischengepreßte Membran
61 stirnseitig verschlossen sind.
-
Einwärts der Einlageplatte 64 ist ein Ventilkörper 47 angeordnet,
der an seinem äußeren Ende. mit einer an ihrem inneren Ende in einem konischen Ventilsitz
endenden Bohrung 48 ausgebildet ist. Zum Ventilsitz erstreckt sich eine Bohrung
52 nach einwärts, die vorzugsweise wiederum einen Teil 54 verminderten Durchmessers
aufweist. Die Bohrung 48 dient als Kammer für eine Ventilkugel 50 aus rostfreiem
Stahl. Die Länge der Bohrung 48 ist :dabei so gewählt, daß die Kugel etwas
Bewegungsmöglichkeit zwischen der Einlageplatte 64 und dem Ventilsitz hat. In das
innere Ende der Bohrung der Hülse 40 ist ein Stopfen 43 eingeschraubt,
der mit einer mit den Bohrungen des Ventilkörpers ausgerichteten Bohrung 45 ausgebildet
ist. Zwischen :denn Ventilkörper 47 und dem rückwärtigen Stopfen 43 ist die auf
die Abbinde- und Erstarrungszeit der Zementtrübe 13 abgestimmte, vorzugsweise aus
Zink bestehende Membran 56 eingepreßt. In der Praxis beträgt die Dicke dieser Membran
56 etwa 0,30 mm (0,012 Zoll).
-
In eine in dem Umfang des Ventilkörpers 47 angebrachte Nut ist ein
zusätzlicher O-Ring als Flüssigkeitsdichtung zwischen dem Ventilkörper und der Hülse
40 eingesetzt.
-
In der Praxis sind die Buchse 16 und die Hülsen 21 und 40 aus
Stahl hergestellt. Der Stopfen 62, die Einlageplatte 64, der Ventilkörper 47 und
der innere Stopfen 43 bestehen aus .einer harten Aluminiumlegierung.
-
Nach endgültigem Zusammenbau der Durchlaßvorrichtung wird die Bohrung
45 im Stopfen 43 mit einem säurelöslichen Material (nicht gezeigt) pastöser Konsistenz,
beispielsweise einem Gemisch von einem Teil Glyzerin und zwei Teilen feingemahlenem
Kalkstein, gefüllt. Die Membranen 61 und 56 sind im Hinblick auf die benutzten Metalle
und .die Durchmesser der Bohrungen gewählt, die gegen den im Inneren des Futter-
bzw. Steigrohres 12 herrschenden Flüssigkeitsdruck abgeschlossen werden sollen,
und zwar so, daß die Membranen 61 und 56 erst bei einem Druck durchstoßen werden,
der wesentlich höher liegt als derjenige Druck, der erforderlich ist, um die Flansche
30 und 30A der Hülsen 21 bzw. 40 abzuscheren.
-
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt: Nach dem Absenken
des Futter- bzw. Steigrohres 1.2 mit den angebrachten Durchlaßvorrichtungen im Bohrloch
10 wird die Zementtrübe durch das Rohr 12 eingeführt und um die Unterkante des Rohres
12 herum in den Raum zwischen dem Rohr 12 und der Bohrlochwand gepreßt. über
die Zementtrübe wird Essigsäure in solcher Menge geschichtet, daß sie nach dem Einpressen
der Zementtrübe in den Raum zwischen dem Rohr 12 und der Bohrlochwand noch im Inneren
des Rohres 12 über sämtlichen Leitungsdurchlaßvorrichtungen steht. über die Essigsäure
wird beispielsweise C51 geschichtet. Nach dem Verdrängen des Zementes in den ringförmigen
Raum zwischen dem Rohr 12 und der Bohrlochwand hat der fortgesetzt ausgeübte Druck
zur Folge, daß sich ein erhöhter Druck von beispielsweise 100 bis 150 kg/cm2 aufbaut.
Unter der Wirkung dieses Drukkes werden die Flansche 30 und 30 A der Hülsen 21 und
40 abgesdhert, so .daß sich die Hülsen 21 und 40 durch den noch flüssigen Zement
nach außen bis an die Bohrlochwand bewegen und mit dem Stopfen 62 bzw. dem Stift
63A auf bzw. in die Formation greifen. Durch die oben erläuterten Gesperre 31, 32
werden die Hülsen .in dieser auswärtigen Stellung gehalten. Mit der Auswärtsbewegung
der Hülsen 21 und 40 tritt die Essigsäure in den Innenraum der Buchse 16 und der
Hülse 21 ein und kommt in Berührung mit dem rückwärtigen Stopfen 43 und der Füllung
in dessen Kanal 45. Da die Füllung im Kanal 45 sehr schnell von der Essigsäure aufgelöst
wird, tritt :diese an die Oberfläche der Membran 56. Die Zementtrübe ist im dargestellten
Beispiel so gewählt, daß sie eine Abbindezeit von angenähert 3 Stunden hat. Die
Konzentration der Essigsäure und die Dicke der Zinkmembran 56 sind so gewählt, daß
sie eine größere Zeitdauer als 3 Stunden benötigen, bevor die Membran durch die
Wirkung der Essigsäure durchgefressen und ausreichend geschwächt ist, um durch den
in denn Rohr herrschenden Flüssigkeitsdruck durchstoßen zu werden. Beispielsweise
wurde gefunden, daß in einer 1500 m
tiefen Ölquelle mit einer Bohrungs-Bodentemperatur
von etwa 49° C eine Zinkmembran von 0,3 mm Stärke, die eine Bohrung 45 von 0,25
mm Durchmesser überdeckt, in etwa 8 Stunden durchstoßen wird, wenn das Rohr bis
zum oberen Rand mit Öl über der Essigsäure gefüllt wird. Der Druck einer 1500 m
hohen Ölsäule beträgt etwa 120 kg/cm2. Andererseits würde ein Druck von etwa 2100
kg/cm2 benötigt werden, um die Zinkmembran in der oben angeführten Stärke und Anordnung
ohne die Schwächung unter der Wirkung der Essigsäure zu durchstoßen. Für tiefere
Ölquellen (tiefer als 1500 m) wird auf Grund der höheren Flüssigkeitssäule größerer
Druck auf die Membran ausgeübt. Die Dicke der Membran wird dann so erhöht, daß im
-wesentlichen die gleiche Dauer von 8 Stunden -erreicht wird, bis die Membran durchstoßen
wird.
-
Nach einer Dauer von 8 Stunden, wenn also der Zement- schon so- weit
gehärtet ist, daß er durch die Essigsäure nicht mehr beschädigt wird, fließt die
Essigsäure nach dem Durchstoßen der Membran durch die Bohrungen 54 und 52 in die
Ventilkammer-48 und von dort durch die Kanäle der Einlageplatte 64 zu der schneller
löslichen Magnesium-Membran 61, um dann nach Auflösen dieser Magnesium-Membran 61-
den' Magnesiumstift 63 A anzugreifen. Wenn, der Stift 63A entfernt oder aufgelöst
worden ist, beseitigt die Essigsäure auch noch den Zementfilm, der in einer Stärke
von etwa 0,4 bis 1,6 mm auf -der. Bohrungswand vorhanden ist, da, wie Laboratoriumsversuche
zeigen, die Zementtrübe auf eine solche- Tiefe in Ölsand und Kalkstein eindringt.
Die Entfernung dieses Filmes findet statt, während der Zement ausreichend hart geworden
ist, um das Rohr zu landen oder an der Oberfläche der Quelle zu verankern und die
herkömmliche Quellenkopfausrüstung auf dem Rohr zu installieren.
-
Das Rückschlagventil50 ist im dargestellten Beispiel- dazu vorgesehen,
um Säure, beispielsweise Essigäure, und chemische Quellen-Anregungsmittel und Waschmittel
in die Schichten 14 zu drücken. Wenn die Quelle auf diese Weise angeregt worden
ist,. werden alle übrigen Teile der Vorrichtung, abgesehen' von den Hülsen 21 und
40, der Buchse 16 und der Ventilkugel 50, durch Einführen von Salzsäure,
vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 15 °/o, schnell aufgelöst, um dadurch
den endgültigen Durchlaß zu schaffen. Es ist auch möglich, die Hülsen selbst aus
-in Salzsäure löslichem Material herzustellen.
-
Wie oben erläutert, sind die Zinkmembran 56 und die Magnesiummembran
61 zwischen Elementen aus härter Aluminiumlegierung im Inneren der aus Stahl bestehenden
Hülse 40 in ihrer Lage gehalten. Dadurch werden die Membranen durch elektrochemische
Wirkung angegriffen. Es ist anzunehmen, daß die -aus. Aluminiumlegierung bestehenden
Teile als Kathode und die Zinkmembran als Anode wirken, während die Essigsäure den
Elektrolyt darstellt. Umgekehrt wird die Magnesiummembran 61 gegenüber den aus-
harter Aluminiumlegierung bestehenden Teilen und gegenüber den Resten der Zinkmembran
als Kathode wirken und nach dem Durchstoßen der Zinkmembran dann sehr schnell auf
elektrochemischem Weg aufgelöst werden.