DE2118815A1

DE2118815A1 - Zementiervorrichtung für Futterrohrstränge von Bohrlöchern

Info

Publication number: DE2118815A1
Application number: DE19712118815
Authority: DE
Inventors: LyIe B. South Gate Calif. Scott (V.St.A.)
Original assignee: Byron Jackson Inc
Current assignee: Byron Jackson Inc
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-19
Publication date: 1971-11-04
Also published as: GB1304996A; US3616850A; AR211923A1; FR2086201A1; AR205963A1; DE2118815B2; DE2118815C3; AT302933B; RO61776A; BR7102317D0; FR2086201B1; NL7105025A; JPS5212121B1; GB1304995A

Description

PATENTANWÄLTE

dr. ing. H. NEGENDANK · dipl-ing. H. HATJCK · bipl-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN

L \ I OO I 0

ZUSTELLTJNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL· 41

TKL. 367*28 UNS 364110

TEI.EGH. NEGEDAFATENT HAMBURG

BYRON JACKSON INC.

6505 Paramount Boulevard München ω · mozartstr.23

Lonr: Beach, Calif. /USA ^Ι8Ι·"^ίΜΜ

TELEGR. NEGEDAPATENT MÜNCHEN

Hamburg, den 17. April 1971

Zementiervorrichtung für Futterrohrstränge von Bohrlöchern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einzementieren von Futterrohrsträngen in einem Bohrloch, bestehend aus einem mittels einer Vorrichtung am Rohrstrang befestigten, sich in Längsrichtung im Rohrstrang erstreckenden Dorn, der Ginen Flüssigkeitsdurchgang aufweist und einen durch eine Freigabevorrichttmg mit ihm verbundenen Zementierstopfen trägt, der einen die Flüssigkeit aus dem Dorndurchgang in den Rohrstrang leitenden Durchgang und Mittel aufweist, die mit einem im Zementierstopfendurchgang vorgesehenen Flüssigkeitsverschluß zusammenwirken, wobei die Preigabevorrichtung durch den im Dorn beim Schließen des Flüssigkeitsverschlusses entstehenden Flüssigkeitsdruck auslösbar ist.

Beim Einzementieren von Futterrohrsträngen in einem Bohrloch in ablandigen unter Wasser liegenden Bohrlöchern, bei denen der Rohrstrangkopf auf dem Boden des Meeres oder eines

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anderen Gewässers angeordnet ist,* kann der oder die Zementierstopfen zusammen mit einem Rohrstrang an einem laufenden Bohrrohrgestange zusammen mit einem Rohrstrang in das Bohrloch eingefahren werden. Dieses Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben sind in der USA-Patentschrift 3 5*1-5 542 beschrieben. Bei der Verwendung einer derartigen Vorrichtung wird beispielsweise ein unterer Zementierstopfen von seiner Aufhängung im Rohrstrang freigegeben, wenn eine sich durch den unteren L· Zementierstopfen erstreckende Öffnung durch einen Verschluß verschlossen wird, der mit der Zementmilch mitgerissen wird, wenn diese abwärts durch den laufenden Bohrrohrstrang den Zementierstopfenfreigabedorn und den unteren Zementierstopfen strömt. Da die Zementmilch wesentlich schwerer ist als die Flüssigkeit, die vorher das Bohrloch ausfüllte, wird diese vorhergehende Flüssigkeit oder Spülflüssigkeit schnell im Futterrohrstrang nach unten und in dem Ringraum zwischen dem Futterrohrstrang und der Boiirungswand aufwärts gedrückt. Wenn dies eintritt, sagt man, die Bohrung befindet sich "unter Vacuum", wobei der Futterrohrstrang unter dem oberen Zementierstopfen, der noch, am Dorn festgehalten ist, ebenso wie der einlaufende Bohrrohrstrang frei von hydraulischer Flüssigkeit oder Zementmilch sind. Danach wird ein Verschluß, der durch den oberen Zementierstopfen führenden Öffnung in den einlaufenden Bohrrohrstrang vor der Einführung einer Verdrängungsflüssigkeitsisenge, die zur

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endgültigen Verdrängung der Zementmilch in den Ringraum zwischen dem Futterrohrstrang und der Bohrlochwand verwendet wird, eingeführt» Es ist erwünscht, daß die Trennung des oberen Zementierstopfen von seinem Dorn zwangsläufig bestimmbar ist, da im allgemeinen bei dieser Art von Zementiervorgang das Volumen der Verdrängungsflüssigkeit über dem oberen Zementierstopfen berechnet wird, und äswar aufgrund des bekannten Volumens des Futterrohrstranges und des Volumens des ihn umgebenden Ringraumes. Da jedoch der obere Zementierstopfen wesentlich unter dem oberen Ende des einlaufenden Bohrrohrstranges liegt, wo die Bohrung im Wasser vervollständigt wird, das hunderte von Metern tief sein kann, nimmt die Verdrängungsflüssigkeit über dem Verschluß für die Öffnung des oberen Zementierstopfens während ihrer Abwärtsströmung zum oberen Zementierstopfen eine wesentliche Strömungsgeschwindigkeit an. Wenn der obere Zementierstopfen durch den Verschluß verschlossen wird, tritt eine momentane Stoßdruckwelle oder Wasserschlagwirkung auf, die auf den oberen Zementierstopfen einwirkt, wobei in Fällen, in denen der Dorn eine Öffnung über dem oberen Zementierstopfen aufweist, um die gesamte Querschnittsfläche des Zementierstopfens dem Druck der Verdrängungsflüssigkeit auszusetzen und den Zementierstopfen freizugeben, kann der Stopfen vorzeitig infolge der Stoßdruckwelle freigegeben werden. Infolgedessen kann in der Verdrängungsflüssigkeit kein Druck entwickelt werden, um einen nennenswerten Druckanstieg am oberen Ende

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des einlaufenden Bohrrohrstranges zu erzielen, nämlich den Druckunterschied, der sonst dazu dient, anzuzeigen, daß der obere Zementierstopfen freigegeben worden ist.

Da das Problem bei Zementierstopfen verschiedener Größen, von großen Zementi.erstopfen an, die zur Verdrängung von Zementmilch beim Einzementieren des üblichen Leitungsrohres im Bohrloch verwendet werden, bis zu den kleineren, mit denen der zuletzt eingefahrene Futterrohrstrang einzementiert wird, mehr oder weniger akut ist, beruht das Problem tatsächlich auf der Tatsache, daß, wenn die Scherstifte, die den oberen Zementierstopfen mit dem Dorn verbinden, so stark sind, daß sie das vorzeitige Freigeben des Zementierstopfens bei der zuvor erwähnten Stoßdruckwelle, die auf die gesamte Fläche des Zementierstopfens wirkt, verhindern, dann ist eine wesentliche Druckzunahme der Verdrängungsflüssigkeit erforderlich, um den Zementierstopfen zum Abscheren der Stifte zu verschieben, wobei ein derart hoher Druck möglicherweise bewirkt, daß Flüssigkeit an der Außenseite des Zementierstopfens vorbeiströmt, ohne ein Abscheren der Verbindung zwischen dem Zementierstopfen und dem Dorn zu bewirken. Andererseits kann dieses Problem etwas gemildert werden, indem die Verdrängungsflüssigkeit auf die Füllung des einlaufenden Bohrrohrstranges beschränkt und damit die der Verdrängungsflüssigkeit ausgesetzte wirksame Fläche am Zementierstopfen reduziert wird, wobei diese Lösung jedoch mit einer beanstandbaren

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Reduzierung der Scherstärke, der den Zementstopfen mit seinem Dorn verbindenden Scherstifte und der Unsicherheit der Freigabe des Zementierstopfens verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zementierstopfen mit einer Freigabevorrichtung zu schaffen, bei der die vorstehend erwähnten Mangel beseitigt sind.

Genauer gesagt soll mit der Erfindung eine Vorrichtung einschließlich eines Zementierstopfenfreigabedornes geschaffen werden, der mit dem einlaufenden Bohrrohrstrang verbindbar ist, um Zementmilch und andere Flüssigkeiten in die Bohrlochausfütterung unter dem Zementierstopfen einzuleiten, wobei die Verdrängungsflüssigkeit, die den oberen Stopfen vom Dorn abscheren soll, auf den Dorn selbst beschränkt igt und wobei der Dorn einen Ringzylinder mit einem ringförmigen Kolben aufweist, der auf den Druck der Verdrängungsflüssigkeit anspricht, wenn der Durchgang durch den oberen Zementierstopfen durch den üblichen Verschluß verschlossen ist, um eine zusätzliche Kraft zum Abscheren der Scherstifte zu erzeugen, die den Zementierstopfen mit dem Dorn verbinden.

Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in dem Zementierstopf enfreigabedom angeordnete Druckkammer auf, die entleert wird, wenn sich die Zementmilch schnell im Futterrohrstrang abwärts bewegt und dabei am Bohrungskopf

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ein Vakuum erzeugt, was eine Dämpfung der Stoßdruckwelle ermöglicht, die beim Blockieren der Verdrängungsflüssigkeitsströmung durch den oberen Zementierstopfen durch den Verschluß auftritt, so daß der obere Zementierstopfen nicht unbeabsichtigt durch die Wasserschlagwirkung verschoben wird.

Als Ergebnis vorstehender Ausführungen ist mit der Erfindung eine Vorrichtung geschaffen, bei der ein vorbestimmter Druck sowohl auf den ringförmigen Kolben als auch auf den ZementierstopfenverSchluß ausgeübt werden muß, um den Stopfen von einem Dorn zu entfernen, wobei der momentane Druckabfall ausreicht, am oberen Ende des einlaufenden Bohrrohrstranges zwangsläufig anzuzeigen, daß der Stopfen freigegeben ist. Damit wird mit der Erfindung der Zementierkolonne eine größere Gewißheit vermittelt.

Die Erfindung weist viele andere Vorteile auf und dient auch noch anderen Zwecken, die klarer aus der Betrachtung eines Ausführungsbeispieles hervorgehen, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist und nachfolgend beschrieben werden soll, um das allgemeine Prinzip der Erfindung darzulegen. Es wird jedoch betont, daß die eingehende Beschreibung des Ausführungsbeispieles nicht in begrenzendem Sinne ausgelegt werden soll, da der Schutz-

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bereich der Erfindung so weit reichen soll,/es die nachfolgenden Ansprüche zulassen. Es zeigen:

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Fig. 1 einen vertikalen Schnitt, teilweise in Ansicht, in dem die Zementierstopfenfreigabevorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt und in Verbindung mit einer Unterwasserbohrkopfausrüstung eingebaut ist}

Pig. 2 einen vertikalen Schnitt in vergrößertem MaBstab, in welchem die Zementierstopfen und der Dorn im Bohrlochkopf gemäß dem unteren Teil der Fig. 1 dargestellt sind;

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt, in welchem der untere Zementierstopfen freigegeben ist und eine Sperre zwischen der Spülflüssigkeit unter dem unteren Zementierstopfen und der Zementmilch Über dem oberen Zementierstopfen vor der Freigabe des oberen Zementierstopfens bildet;

Fig. h einen vertikalen Schnitt, bei dem der Freigabeverschluß für den oberen Zementierstopfen einen Sitz darin vor der Freigabe desselben einnimmt;

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt, in welchem der obere Zementierstopfen freigegeben ist;

und

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Fig. 6 einen vertikalen Schnitt, in welchem der obere Zementierstopfen nach der Verdrängung der Zementmilch aus dem Futterrohrstrang im unteren Zementierstopfen eingebettet ist.

Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Bohrlochkopfanordnung H derjenigen Art dargestellt ist, die unter Wasser im Gewässerboden F angeordnet ist. Die Zementierung und andere Arbeitsvorgänge werden von einem

^ Schiff oder einer Plattform an der Oberfläche des Wassers durch den Bohrlochkopf durchgeführt, wobei die Oberflächeneinrichtung für den Zementiervorgang einen Zementierkopf CH aufweist. Das Bohrloch weist eine große Bohrung ¥ auf, in welcher ein äußerer Futterrohrstrang C angeordnet und einzementiert ist. Das obere Ende des Futterrohrstranges C weist einen Sitz 1 für einen Stützflansch 2 des rohrförmigen Bohrungskopfkörpers 3 auf, der einen weiteren Bohrlochfutterrohrstrang C1 abstützt, der sich abwärts in einem kleineren Bohrlochabschnitt erstreckt und ein-

^ zementiert ist. Innerhalb desselben kann der Bohrungskopfkörper 3 eine Rohrstrangaufhängevorrichtung h für einen weiteren Futterrohrstrang (nicht gezeigt) abstützen, der sich noch weiter in eine noch kleinere Bohrlochbohrung erstreckt und darin einzementiert ist. Die Futterrohrstrangaufhängung k stützt einen innersten Futterrohrstrangaufhängekörper 5 ab, der bei 6 mit einem innersten Futter—

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rohrstrang C2 verbunden ist, der, wie dargestellt, sich abwärts in die reduzierte Bohrlochbohrung ¥2 erstreckt. Der Futtei-rohraufhängekörper 5 und der Futterrohrstrang C2 werden an einem Universaleinfahrwerkzeug T"in das
Bohrloch eingefahren, wobei das Werkzeug T eine Schraubverbindung 7 mit dem unteren Ende eines Bohrrohrgestänges 8 und eine Schraubverbindung 9 mit dem oberen Ende des Futterrohraufhängekörpers 5 aufweist.

Derartige Unterwassereinrichtungen weisen im allgemeinen ein ringförmiges Stützteil 10 auf, das am oberen Ende
des äußeren Futterrohrstranges C befestigt ist und sich vertikal erstreckende Führungssäulen 11 aufweist, in denen Führungsrohre 12 aufgenommen sind, die an Seilen 13 geführt sind, die sich zu der üblichen Plattform oder dem Schiff über oder auf der Wasseroberfläche erstrecken. Diese
Führungsrohre 12 stützen die übliche Ausblasverhinderungsvorrichtung T ab, von dem nur der untere Teil in Fig. 1 gezeigt ist, wobei der Ausblasverhinderer T am oberen
Ende des Bohrlochkopfkörpers 3 durch geeignete Verriegelungs· mittel L befestigt ist. Diese Verriegelungsmittel sind allgemein bekannt und weisen lösbare Riegel lh auf, die einwärts verschiebbar sind, um den Riegelkörper 15 am Bohrlochkörper 3 in Ansprache auf die Bewegung eines ringförmigen Verriegelungskolbens 16 abwärts zu befestigen, wobei die Riegel bei einer Aufwärtsbewegung des Verriege-

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lungskolbens 16 lösbar sind. Es sind Kolbenkammern 17 und 18 vorgesehen, die über Leitungen 19 bzw. 20 mit Druck beaufschlagt sind, um den Kolben 16 je nach. Vunsch abwärts oder aufwärts zu bewegen. Der AusblasVerhinderer T ist durch Befestigungsmittel 15a mit dem Verriegelungskörper 15 verbunden.

Der Futterrohrstrang C2 wird an dem Bohrrohrstrang 8 in das Bohrloch eingefahren, bis die Futterrohraufhängung 5 fc auf der Futterrohraufhängung 4 aufsetzt. Am unteren Ende des Futterrohrstranges C2 kann ein üblicher Ventilschuh S angeordnet sein, der das"übliche Rückschlagventil 22 enthält,· das eine Flüssigkeitsströmung aus dem Bohrloch in den Futterrohrstrang C2 verhindert, jedoch einen abwärts durch den Futterrohrstrang C2 gerichteten Flüssigkeitsumlauf in das Bohrloch ¥ und aufwärts im Ringraum zwischen der Bohrlochwand und dem Futterrohrstrang gestattet.

Die vorstehend beschriebene Bohrlochkopfeinrichtung ist mehr oder weniger üblich und braucht nicht weiter im einzelnen beschrieben zu werden. Die Erfindung betrifft die Freigabevorrichtung für den Zementierstopfen, die im allgemeinen in Fig. 1 dargestellt ist und einen Dorn M aufweist, der mit dem Einfahrwerkzeug T durch eine Schraubverbindung 23 verbunden ist und sich abwärts in das obere Ende des Futterrohrstranges C2 erstreckt. Der Dorn trägt

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an seinem unteren Ende einen oberen Zementierstopfen TP und einen unteren Zementierstopfen BP.

Wie aus Fig. 2 in größerer Einzelheit ersichtlich, weist der Dorn M eine langgestreckte rohrförmige Baugruppe auf, die einen unteren Körperabschnitt Zh und einen oberen Körperabschnitt 25 umfaßt, die einen mittleren Strömungsdurchgang bilden, der sich axial durch den Dorn erstreckt. Eine Wirbelverbindung 27 ist zwischen den Dornkörperabschnitten Zh und 25 vorgesehen, um die Schraubverbindung zwischen dem oberen Ende des Dornes und dem·Einfahrwerkzeug T herzustellen, während die Zementierstopfen TP und BP sich innerhalb des Futterrohrstranges C2 befinden, ohne es erforderlich zu machen, daß sich die Zementierstopfen selbst drehen. Die Wirbelverbindung 27 kann eine beliebige Konstruktion aufweisen, weist jedoch in der Darstellung einen nach außen vorstehenden Ringflansch 28 am oberen Dornabschnitt 25 und einen nach außen vorstehenden Ringflansch 29 am unteren Dornabschnitt 24 auf, die durch einen U-förmigen, geteilten Ring 30 relativ zueinander drehbar gehalten sind, wobei der geteilte Ring 3° seinerseits durch einen Haltering 31 in zusammengebautem Zustand an den Flanschen 28 und 29 gehalten ist. Um ein Durchlecken durch die Wirbelverbindung zu verhindern, ist eine Dichtungsverlängerung 32 am Dornkörperabschnitt 25 drehbar und abgedichtet in einer Bohrung 33 des unteren Dornkörperabschnittes Zh angeordnet.

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Auf das untere Ende des Dornes M ist ein Stützring "}h geschraubt, mit dem der obere Zementierstopfen TP durch, eine geeignete Anzahl von mit Umfangsabstand zueinander angeordneten Scherstiften 35verbunden ist. Der obere Zementierstopfen TP weist, wie üblich, einen rohrförmigen inneren Körper 33 festen, jedoch bohrbaren Materials auf, der einen angeformten äußeren elastomeren Körper 37 trägt, der eine geeignete Anzahl von sich auswärts erstreckenden Wischerringen 38 aufweist, die gleitend an der Innenwand ^ des Futterrohrstranges angreifen und vorzugsweise am oberen Ende mit einer sich aufwärts erstreckenden Dichtungslippe 39 versehen sind, die ebenfalls gleitend am Futterrohrstrang angreift. Innerhalb des Körpers 36 ist eine ringförmige Nut 40 vorgesehen, die mit einem Verschluß zusammenwirkt, um den Verschluß im oberen Zementierstopfen TP zu verriegeln, wie dies nachfolgend noch beschrieben werden soll".

Es sind Mittel vorgesehen, um den unteren Zementierstopfen BP mit dem oberen Zementierstopfen TP lösbar zu verbinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel trägt der untere Zementierstopfen BP ein ringförmiges Verbindungsstück 4i, das in das untere Ende des oberen Zementierstopfenkörpers 36 eingeschraubt ist. Am unteren Ende des Verbindungsstückes 4i ist ein Ring kz vorgesehen, mit dem der . · · untere Zementierstopfen BP durch eine geeignete Anzahl

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von mit Umfangsabstand zueinander angeordneten Schers"tiften 43 verbunden ist. Im wesentlichen ist der untere Zementierstopfen BP gleich dem oberen Zementierstopfen TP, wobei der untere Zementierstopfen einen rohrförmigen inneren Körper Hk aus festem, jedoch bohrbaren Material aufweist, auf den ein äußerer elastomerer Körper mit Tiischerringen 46 und einem oberen Ring 47, die am Futterrohrstrang angreifen, angdörmt sind. Im Inneren des unteren Zementierstopfenkörpers 44 ist ein Sitz 48 mit reduziertem Durchmesser vorgesehen, und am unteren Ende des Körpers ist ein Fänger 49 für eine Kugel angeordnet, die, wie noch beschrieben werden soll, geeignet ist, die Freigabe des unteren Zementierstopfens zu bewirken.

Der in Fig. 1 im wesentlichen dargestellte Zementierkopf CH ist mit dem oberen Ende des Bohrrohrstranges 8 verbunden und an Deck des Schiffes oder der Plattform über dem Wasser angeordnet. Dieser Zementierkopf weist eine Kugel 51 und einen Fallverschluß 52 auf, die im Kopf CH gehalten, jedoch wahlweise auslösbar sind, um sich abwärts durch den Zementieropf und durch den Zementierstopfenfreigabedorn Il zu bewegen und die Freigabe der Zementierstopfen BP und TP zu bewirken. Die Kugel 51 ist in einer Bohrung 53 eines Kugelfallgehäuses 54 angeordnet, das an einer Seite des Kopfes CH angeordnet ist, wobei die Bohrung 53 in den Durchgang 55 mündet, die

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sich axial durch den Kopf CH in das Bohrrohrgestange 8^v erstreckt. Die Bohrung 53» in der die Kugel 51 gehalten ist, ist unter einem Flüssigkeitseinlaß 55a- angeordnet. Die Kugel 51 wird in der Bohrung durch einen Schieber 56 gehalten, der in der Bohrung mittels einer Spindel 57 hin- und herbeweglich ist, so daß die Kugel aus der gezeigten Stellung in den Durchgang 55 bewegt werden lcann, um aus dem Schieber 56 herauszufallen. Der Fallverschluß $2 ist lösbar auf einem Stift oder Schieber 58 abgestützt, der Il sich in den Kopf CH bis in eine Stellung unter den Fallverschluß 52 erstreckt, der jedoch mittels einer Gewindespindel 59 zurückziehbar ist. Diese Kugelfallvorrichtungen und Fallverschlußauslösevorrichtungen sind allgemein bekannt und brauchen daher nicht mehr beschrieben zu werden.

Die Kugel 5I hat jedoch einen solchen Durchmesser, daß sie sich ohne weiteres durch den Bohrrohrstrang 8 und durch den oberen Zementierstopfen TP und den Verbinder 41 abwärts bewegen kann, der jedoch zu groß ist, um sich anfänglich durch den Sitz k8 in den Durchgang des unteren Zementierstopfens BP zu bewegen. Somit kann Druckflüssigkeit dirrch den Bohrrohr st rang 8 zugeführt werden, um auf den unteren Zementierstopfen BP zu wirken und die Scherstifte 43 abzuscheren, um den unteren Zementierstopfen freizugeben.

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Damit Flüssigkeitsdruck auf im wesentlichen der ganzen Querschnittsfläche des unteren Zementierstopfens wirksam sein kann, sind geeignete radiale Öffnungen 4ia im Verbinder k~\ vorgesehen, um den äußeren Unifangsabschnitt und insbesondere die Lippe hj des unteren Zementierstopfens BP mit Druckflüssigkeit zu beaufschlagen. Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben werden soll, ist die Kug-el 5I vorzugsweise ausreichend fest, um zu gewährleisten, daß der untere Zementierstopfen BP wirksam durch das Abscheren der Stifte h"}> freigegeben werden kann, daß die Kugel jedoch im Rohrstrang, z. B. beim Aufsitzen auf dem Rückschlagventilschuh S oder einem anderen Anschlag im Rohrstrang ausreichend nachgiebig ist, um hydraulisch verformt und durch den Sitz h% gedrückt zu werden. Danach greift die Kugel 5I an einem mittleren Anschlagteil k9& des Fängers h9 an, wobei jedoch Flüssigkeit durch geeignete Öffnungen 49b im Fänger 4°. an der Kugel hl vorbeiströmen kann.

Der Fallverschluß 52 ist so ausgebildet, daß er in den oberen Zementierstopfen TP eingreifen kann, um diesen freizugeben und weist einen starren Körper 60 auf, der an einer aufwärts gerichteten Verlängerung 61 einen elastomeren Körper 62 mit Wischerringen 63 trägt, die gleitend in den Bohrrohrstrang 8 eingreifen. Der Körper

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6o trägt einen federnd verformbaren Verriegelungsring 64, mit dem der Fallverschluß $2 im oberen Zementierstopfen TP beim Eingriff in die ringförmige Nut 4θ desselben verriegelbar ist. Wenn der FallVerschluß 52 in den oberen Zementierstopfen TP eingreift, bewirkt der Flüssigkeitsdruck über dem Fallverschluß im Dorn M und im Bohrrohrstrang 8, daß die Scherstifte 35» niit denen der obere Zementierstopfen TP lösbar mit dem Dorn verbunden ist, abgeschert werden.

Die Erfindung ist besonders auf die Probleme gerichtet, die * beim Freigeben der Zementierstopfen bei Unterwasserzementiervorgängen angetroffen werden, bei denen die zuvor im wesentlichen beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden. ÜblicherveLäe können die Kräfte, die zum Abscheren der Scherstifte 43 zur Freigabe des unteren Zementierstopfens und die erforderlichen Kräfte zum Abscheren der Scherstifte 35 ^zur Freigabe des oberen Zementierstopfens ohne weiteres berechnet werden, so daß der untere Zementierstopfen BP ohne Schwierigkeiten freigegeben werden kann, während der ^ obere Zementierstopfen TP am Dorn festgehalten wird. In dieser Beziehung würde es beim Einzementieren des Futterrohrstranges C2 im Bohrloch W2 allgemein üblich sein, eine Spülflüssigkeit abwärts durch den Bohrrohrstrang 8 durch den Dorn M und die daran befestigten Zementierstopfen und dann abwärts durch den Futterrohrstrang C2 und in das Bohr-

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loch und dann aufwärts durch den Ringraum zwischen Futterrohrstrang und Bohrloch im Umlauf zu setzen. Auf jeden Fall würde der Bohrrohrstrang 8 und der Futterrohrstrang C2 anfänglich mit Flüssigkeit, wie z. B. Bohrschlamm, gefüllt sein. Dann wird eine Menge pumpbare Zementmilch in den Zementierkopf eingeführt, wobei die Kugel 5I i^m wesentlichen gleichzeitig mit dem Fluß der Zementmilch durch den Zementierkopf freigegeben wird_#, so daß die Zementmilch die Spülflüssigkeit bzw. den Bohrschlamm aus dem Bohrrohrstrang verdrängt, wenn sich die Zementmilch abwärts bewegt und den Ball 51 mitnimmt. Wenn sich der Ball 51 auf den Sitz h8 des unteren Zementierstopfens BP setzt, werden die Scherstifte 43 abgeschert,und der freigegebene untere Zementierstopfen bildet eine sich zwischen der Zementmilch und der vorherigen Spülflüssigkeit bzw. dem Bohrschlamm bewegende wirksame Schranke. Im allgemeinen reicht das Gewicht der Zementmilch aus, um die vorhergehende Flüssigkeit zu verdrängen, so daß sich die Zementmilch schnell abwärts durch den Bohrrohrstrangbewegt, und das Bohrloch unter Vakuum setzt. Danach ist es allgemein üblich, den Fallverschluß 52 freizugeben und ihn abwärts durch den Bohrrohrstrang mit einer Menge Verdrängungsflüssigkeit zu drücken, die in den Bohrrohrstrang gepumpt wird und sich schnell durch denselben abwärts bewegt, bis der Fallverechluß sich in den oberen Zementierstopfen TP setzt und wirksam den Flüssigkeitsdurchgang durch den oberen Zementierstopfen TP

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verschließt, was eine Stoßdruckwelle hervorruft, die bisher bekanntlich ein augenblickliches Abscheren der den oberen Zementierstopfen mit dem Dorn verbindenden Scherstifte bewirkte. Dies stellt ein besonderes Problem dar, wenn der Druck auf die ganze Querschnittsfläche des oberen Zementierstopfens TP ausgeübt wird· Je tiefer das Wasser ist, in dem die Bohrung hergestellt wird, um so schwieriger ist das Problem« Wenn der obere Zementierstopfen TP durch eine Stoßdruckwelle freigegeben fc wird, wird am oberen Ende des Bohrrohrstranges kein Drucksignal oder eine Anzeige gegeben, die anzeigt, daß der obere Zementierstopfen freigegeben ist. Bin derartiges Signal ist jedoch für die Zementierkolonne aus dem Grunde wichtig, daß nachfolgend das Volumen der in den Futterstrang eingeführten Verdrängungsflüssigkeit bestimmt werden kann, um die Zementmilch in den Ringraum zwischen Futterrohrstrang und Bohrlochwandung zu verdrängen.

Die Erfindung beseitigt diese Probleme, indem die Verdrängungsflüssigkeit auf den Dom beschränkt wird, so daß irgendein Stoßdruck nur auf die druckansprechende Fläche des Fallverschlusses wirken kann, wobei jedoch darauffolgend der die Freigabe des oberen Zementierstopfens bewirkende Druck erhöht wird, um eine wahrnehmbare Anzeige an oberen Ende des Bohrrohrs tranges 8 zu erzeugen, die durch den Druckabfall bewirkt wird, wenn der obere Zementierstopfen

} TP endgültig freigegeben wird.

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Demgemäß ist nahe den unteren Ende dee Dornkörperabschnittes Zh mittels einer Gewindekupplung 70 eine Buchse 71 befestigt, die mit dem Dorn einen ringförmigen Zylinderraum 72 begrenzt, in dessen oberes Ende Flüssigkeit durch eine Öffnung 73 eingeführt werden kann· Im Zylinderraum 72 ist ein ringförmiger Kolben 7^ hin- und herbeweglich angeordnet, der geeignete Dichtungsringe 75 aufweist, die gleitend an den gegenüberliegenden Zylinderwänden angreifen. Das untere Ende des Kolbens fk liegt ara oberen Ende des starren Körpers j6 des oberen Zementierstopfene an· Der Kolben Jh und der Dornkörperabschnitt Zh weisen öffnungen 76 bzw· 77 auf, durch die normalerweise ein ausgeglichener Druckzustand an der Zementierstopfenvorrichtung aufrechterhalten wird, insbesondere wenn ia Bohrloch ein Vakuum erzeugt wird, nachdem die Zementmilch in den Bohrrohrstrang 8 eingeführt ist* Eine Anschlagvorrichtung mit einer vom Kolben 7k getragenen Schraube 78 kann mit dem unteren Ende 79 eines Schlitzes 80 in der Buchse 71 zum Eingriff kommen, um so die Auswärtsbewegung des Kolbens 7k gegenüber der Zylinderkammer 72 vor de« Zusammenbau mit dem oberen Zementetopfen zu begrenzen·

Die öffnungen 77 ist Dornkörperabschnitt Zh sind gegenüber dem Sitz 52a für den Fallverschluß 52 so angeordnet, daß

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der elastomere Körper, insbesondere die Wisaher 63» die Öffnungen 77 verschließen, wenn sich, der Fallverschluß auf den oberen Zementierstopfen TP, wie in Fig. 4- gezeigt, setzt, so daß die über dem Fallverschluß 52 befindliche Verdrängungsflüssigkeit nicht durch die Öffnungen 77 strömen kann und daher wirksam im Dorn eingefangen ist, so daß jede Stoßdruckwelle nur auf den verhältnismäßig kleinen Querschnitt des Fallverschlusses 52 wirkt. Der Dornkörperabschnitt 24 weist ferner eine Anzahl von Öffnungen 81 auf, _fc die mit den in den Zylinderraum 72 führenden öffnungen 73 in Verbindung stehen, so daß bei einem Druckaufbau im Dorn M und im Bohrrohrstrang 8 über dem oberen Zementierstopfen TP sich dieser Druck auf die Ringfläche des Kolbens 74 auswirkt, um eine zusätzliche abwärts gerichtete Kraft zu erzeugen, die auf den oberen Zementierstopfen TP einwirkt, um die Scherstifte 35 abzuscheren.

Für die Zwecke einiger Bohrungen und einiger Zementierstopfengrößen ist feststellbar, daß die Beschränkung der ™ Verdrängungsflüssigkeit auf den Zementierstopfenfreigabedorn und die nachfolgende Anwendung eines zusätzlichen Druckes auf den ringförmigen Εο'ben 74 eine ausreichende Lösung für das Problem der nicht erkennbaren Freigabe des oberen Zementierstopfens TP darstellt. Die Erfindung sieht jedoch eine weitere Sicherstellung vor, daß die Stoßdruck- \

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welle nicht einmal wirksam auf den kleinen Querschnitt des Fallverschlusses ausgeübt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß an der Buchse 71 eine langgestreckte zylindrische Verlängerung 82 vorgesehen wird, die mit der Außenfläche des Dornkörperabschnittes 2k eine ringförmige Druckkammer bildet, die über Öffnungen 81 mit dem Inneren des Dornkörperabschnittes 2k über den Fallverschluß 52 in Verbindung steht, wenn sich der Fallverschluß auf den oberen Zementierstopfen TP setzt» An seinem oberen Ende hat die Verlängerung 82 einen verkleinerten Außendurchmesser, so daß ein maximales Druckkammervolumen erreicht wird. Darüberhinaus führen die Öffnungen 81 vorzugsweise in einem Winkel vom Inneren des Dornkörperabschnittes 2k in die Druckkammer 83 aufwärts, um die Neigung zu vermindern, daß die Zementmilch in die Druckkammer 83 und den Zylinderraum 72 eindringt.

Bei der Verwendung&er zuvor beschriebenen Vorrichtung wird ein Futterrohrstrang in das Bohrloch an einem Einfahrwerkzeug T eingefahren, das an einer geeigneten Bohrrohrstfanglänge 8 abgestützt ist, die sich vom Bohrlochkopf H auf dem Gewässerboden bis zu einem Schiff oder einer Plattform an der Wasseroberfläche erstreckt. Der Dorn M mit den Zementierstopfen TP und BP ist zuvor mit dem Einfahrwerkzeug verbunden, wobei die Zementierstopfen im Futter-

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rohrstrang angeordnet sind, per Futterrohrstrang ist an einer Futterrohrstrangaufhänguijg abgestützt.

Ber Futterrohrstrang wird mit Flüssigkeit» beispielsweise mit gewichtserhöhtem Schlamm* gefüllt,und, falls gewünscht, kann Flüssigkeit eine ^eIttang in FmIauf gesetzt werden, UD) den Futterrohr st rang und, de*¹ HingrauM zwischen Futterrobrstrang und Bohrlochwandung zu spülen« Dann wird Zementmilch, in den Zementierkopf CH durch den Einlaß 55a eingeführt'vmjä^^^^^lg^ijB^^h^: betätigt, um die Kugel 5Λ in die FlüssigkeiteeSule «twa,^n der Berührungsfläche zwischen der Zeiaentmilßh und de« Schlamm oder der Spülflüssigkeit zu bewegeii, wobei sich die Kugel mit dem Flüssigkeitsstrom abwärts bewegt, bis sie sich auf den Sitz 48 im Durchgang durch den unteren Zementierstopfen BP setzt. Der Flüssigkeitsdruck auf dem unteren Zementierstopfen wird über die Öffnungen 4ta im Verbinder hl zwischen den beides l^em^3fttiea?jStopf^n BF und TJp in den Futterrohr strang^ eingelaasen «ad bewirkt ein Abscheren der Scherstifte ^3· Der uatere ^«manti^rstopfen BP bewegt sich dann im Futterröhr#trä%g, wie i& Fig* 3 ersichtlich, zwischen der Zementmilch und der vorhergehenden Flüssigkeit abwärts und wirkt als Schranke zwischen denselben. Wenn die Abwärtsbewegung des unteren Zementierstopfens BP beispielsweise durch den yentilschuh S, wie in Fig. 6 ersichtlich,

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angehalten -wird, wird der Ball 51 durch den Sitz 48 gedrückt und im Fänger k9 eingefangen, während Zementmilch abwarte durch den Ventilschuh S und dann aufwärts in den Ringraum zwischen den Futterrohrstrang und die Bohrungswandung strömt.

Wenn sich die Zementmilch, · wie ebenfdls aus Fig. 3 ersichtlich ist, im Futterrohrstrang abwärts unter den oberen Zementierstopfen TP bewegt, ist der Dorn M frei von Flüssigkeit,und im Bohrloch herrscht ein Vakuum, da die verhältnismäßig schwere Zementmilch die vorhergehende Flüssigkeit abwärts durch den Ventilschuh S drückt. Zu diesem Zeitpunkt ermöglichen die Öffnungen 73 und ¹J6 im Dorn und im Kolben 6h einen Druckausgleich unter dem oberen Zementierstopfen TP mit dem Druck in dem Ringraum zwischen dem Dorn M und dem Futterrohrstrang über dem oberen Zementierstopfen TP, so daß kein Druckunterschied besteht, der eine Freigabe des oberen Zementierstopfens TP bewirken könnte«

Als nächstes wird der Fallverschluß 52 durch Zurückziehung des FallverschlußhalteStiftes 58 freigegeben, und der Fallverschluß fällt bis zu einer Stellung unter dem Zementierkopfeinlaß 55a, durch den eine Verdrängungs-" flüssigkeit beliebiger Art gepumpt wird, um den Fallverschluß abwärts durch den Bohrrohrstrang zu drücken, wobei .die Wischer 63 den Bohrrohrstrang 8 von haftengebliebenem

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. Zement sauberwischen.

Während die Verdrängungsflüssigkeit über dem Fallverschluß 52 denselben abwärts bewegt, setzt er sich in den Sitz 52 des oberen Zementierstopfens TP, wobei der Verriegelungsring 64 in die Nut 40 im Durchgang durch den oberen Zementierstopfen TP einrastet und wobei der untere Wischer 63 die Dqrnöffnung 73 verschließt, so daß die Verdrängungsflüssigkeit im Durchgang des Domes eingefangen ^ ist. Auf diese Weise wird die momentane Stoßdruekwelle, die durch das Schließen des Strömungsweges durch den Fallverschluß bewirkt wird, in ihrer Auswirkung auf die verhältnismäßig kleine Fläche des Fallverschlusses beschränkt. Bei der Verwendung einiger Zementierstopfengrößen können die Scherstifte 35 berechnet werden, um dem Stoßdruck zu widerstehen, aber für andere Größen, was von der Wassertiefe abhängt, wird die Druckkammer 83 im Dorn M verwendet, um die Stoßdruekwelle aufzufangen· Mit anderen Worten soll erreicht werden, daß durch den Flüssigkeitseinschluß im

" Dorn und die Verwendung einer Hilfskraft zur Freigabe des oberen Zementierstopfens, von dem Druck abgeleitet wird, der auf den ringförmigen Kjlben Jk wirkt, in einigen Fällen ohne eine Druckkammer 83 ausreicht, um einen Druckaufbau im Bohrrohrstrang zur Freigabe des oberen Zementierstopfen^ zu bewirken, um so einen Druckabfall

' ' " vorzusehen, der am oberen Ende des Bohrrohrstranges

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wahrnehmbar ist, um die Freigabe des Zementierstopfens anzuz e igen.

Wie insbesondere in Fig. k dargestellt ist, wird die momentane Stoßdruckwelle, die durch die Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes durch den oberen Zementierstopfen TP bewirkt wird, in der Druckkammer 83» falls verwendet, aufgefangen, da ein Teil der Verdrängungsflüssigkeit über dem Fallverschluß Zugang durch die Öffnungen 81 in die Kammer 83 findet, wobei sich diese Öffnungen 81 mit geringem Abstand über dem Fallverschluß befinden, wenn er sich endgültig in den oberen Zementierstopfen eingesetzt hat. Während der Druck der Verdrängungsflüssigkeit zunimmt, findet mehr dieser Flüssigkeit Zugang in die Druckkammer 83, wie aus Fig. 5 ersichtlich, bis der auf die Fallverschlußfläche und auf den ringförmigen Kolben Jk wirkende Druck eine Abscherung der Stifte 35 bewirkt, so daß der obere Zementierstopfen TP abwärts durch den Futterrohrstrang gedrückt wird.

Schließlich» wie aus Fig. 6 ersichtlich, setzt sich der obere Zementierstopfen TP auf den unteren Zementierstopfen BP» dessen Abwärtsbewegung schon vorher durch den Ventilschuh S, wie zuvor beschrieben, angehalten wurde, so daß die Zementmilch vollständig in den Hingraum zwischen dem Futterrohrstrang und der Bohrungswaiid verdrängt ist.

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Während die Erfindung als anwendbar beim Zementieren von Bohrlochfuttersträngeh beschrieben worden ist, wobei sowohl ein unterer als auch ein oberer Zementierstopfen verwendet werden, wird darauf hingewiesen, daß unter der Wasseroberfläche liegende Bohrlochanordnungen der dargestellten Art das Zementieren gewisser größerer Bohrlochfutterrohrstränge umfaßt, beispielsweise in der Grossenordnung von 500 bis 750 mm Durchmesser, wobei nur ein oberer Zementierstopfen verwendet wird. Die Merkmale

ρ der Erfindung sollen daher auch in Verbindung mit der Freigabe derart großer oberer Zementierstopfen Verwendung finden können. Auf alle Fälle ist mit der Erfindung eine Zementierstopfenfreigabevorrichtung geschaffen, bei der die auf Druck ansprechende Fläche des oberen Zementierstopfens, die der Wirkung des Flüssigkeitsdruckes des einlaufenden Rohrstranges ausgesetzt ist, kon-fcrolllert ist, so daß ein wahrnehmbarer Druckanstieg erforderlich, ist, um den Zementierstopfen endgültig freizugeben. Ein solcher

k Druckanstieg erzeugt einen wahrnehmbaren Druckabfall, wenn der Zementierstopfen freigegeben wird. Dieser Druckabfall kann an einem geeigneten Manometer sichtbar gemacht werden, wie sie üblicherweise bei der Zementierausrüstung verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1· Vorrichtung zum Einzementieren eines Futterrohrstranges in einem Bohrloch, bestehend aus einem mittels einer Vorrichtung am Rohrstrang befestigten, sich in Längsrichtung im Rohrstrang erstreckenden Dorn, der einen Flüssigkeitsdurchgang aufweist und einen durch eine Freigabevorrichtung mit ihm verbundenen Zementierstopfen trägt, der einen die Flüssigkeit aus dem Dorndurchgang in den Rohrstrang leitenden Durchgang und Mittel aufweist, die mit einem im Zementierstopfendurchgang vorgesehenen FlussigkeitsverSchluß zusammenwirken, wobei die Freigabevorrichtung durch den Dorn durch den bei« Schließen des Flüssigkeitsverschlusses entstehenden Flüssigkeitsdruck auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (m) einen beim Schließen des Durchganges (z6) im Zementierstopfen (TP) durch Flüssigkeitsdruck betätigten Kolben (7*0 aufweist, der die Auslösung der Freigabevorrichtung (35) unterstützt.

2« Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsvorrichtung eine Scherstiftanordnung (35» ^3) aufweist, durch die der Zementierstopfen (TP) mit dem Dorn (m) verbunden ist, und daß der Kolben (74)

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als Ringkolben, gleitend in einem ringförmigen Zylinder (72) angeordnet ist und aus diesem am Zementierstopfen (TP) angreifend vors tent, und daß ferner im Dorn (l-l) Flüssigkeitseinlässe (81, 73) vorgesehen sind, die den Durchgang (26) im Dorn mit dem ringförmigen Zylinderraum verbinden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Dorn (m) eine mit dessen Durchgang (26) verbundene Druckkammer (83) vorgesehen ist, die zum Dämpfen des beim Schließen des Durchganges im Zementierstopfen auftretenden Druckstoßes und zum Verhindern der Auslösung der Freigabevorrichtung (35) dient,

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (m) Öffnungen (76, 77) aufweist, die den Druck am Zementierstopfen (TP) ausgleichen, bis der Durchgang durch den Zementierstopfen geschlossen ist·

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, o'.± der jedoch der Ringkolben fehlt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (M) eine Druckkammer (83) aufweist, die mit dem Durchgang ; (26) durch den Dorn in Verbindung steht und zum Dämpfen des beim Schließen des Durchganges im Zementierstopfen (TP)

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auftretenden Druckstoßes dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (83) eine langgestreckte Buchse (82) aufweist, deren beide Enden mit dem Dorn (m) verbunden sind und mit diesem eine Ringkammer (83) bildet, die über Öffnungen (81) mit dem Durchgang (26) des Domes verbunden ist,

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (m) Öffnungen (76, 77) aufweist, die den Druck am Zementierstopfen (TP) ausgleichen, und daß die Öffnungen so angeordnet sind, daß sie durch einen Verschluß (52) geschlossen werden, wenn dieser den Durchgang (26) im Zementierstopfen (TP) verschließt, um die Flüssigkeit im Durchgang eanzufangen.

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