DE2118815B2

DE2118815B2 - Vorrichtungen zum einzementieren eines futterrohrstranges in einem bohrloch

Info

Publication number: DE2118815B2
Application number: DE19712118815
Authority: DE
Inventors: LyIe B South Gate Caiif Scott (V St A) E21c 19 00
Original assignee: Byron Jackson Inc
Current assignee: Byron Jackson Inc
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-19
Publication date: 1973-03-01
Also published as: DE2118815A1; US3616850A; AR205963A1; FR2086201A1; BR7102317D0; AT302933B; AR211923A1; DE2118815C3; NL7105025A; GB1304995A; JPS5212121B1; FR2086201B1; GB1304996A; RO61776A

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen 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 eine Ringschulter aufweist, auf der ein ir den Zementierstopfendurchgang eingebrachter Flüssigkeitsverschluß absetzbar ist, wobei die Freigabevorrichtung 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 anderen Gewässers angeordnet ist, kann der oder die Zementierstopfen zusammen mit einem Rohrstrang an einem laufenden Bohrrohrgestänge zusammen mit einem Rohrstrang in das Bohrloch eingefahren werden. Dieses Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben sind in der deutschen Offenlegungsschrift 1 927 864 (offengelegt am 11. Dezember 1969) beschrieben. Bei der Verwendung einer derartigen Vorrichtung wird beispielsweise ein unterer Zementierstopfen von seiner Aufhängung im Rohrstrang freigegeben, wenn eine sich durch den unteren 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 Flüssigkiet, 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 Bohrungswand aufwärts gedruckt. 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 Bohrrohr-

strang frei von hydraulischer Flüssigkeit oder Zementmilch sind. Danach wird ein Verschluß, der durch den oberen Zementierstopfen führenden öff-Qung in den einlaufenden Bohrrohrstrang vor der Einführung einer Verdrängungsflüssigkeitsmenge, die zur endgültigen Verdrängung der Zementmilch in den Ringraum zwischen dem Futtern >hrstrang und der Bohrlochwand verwendet wird, eingeführt. Es ist erwünscht, daß die Trennung des oberen Zementierstopfens von seinem Dorn zwangläufig bestimmbar ist, da im allgemeinen bei dieser Art von Zementiervorgang das Volumen der Verdrängungsflüssigkeit über dem oberen Zementierstopfen berechnet wird, und zwar auf Grund des bekannten Volumens des Futterrohrstranges und des Volumens des ihn umgebenden Ringraumes. Da jedoch der obere Zementierstopfen wesentlich unter dem oberen £nde 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 dei 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 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 Zementierstopfen an, die zur Verdrängung von Zementmilch beim Einzementieren des übl^:chen 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 vorbeislrömt, ohne ein Abscheren der Verbindung zwischen dem Zementierstopfen und Go dem Dorn zu bewirken. Andererseits kann dieses Problem etwas gemildert werden, indem die Verdrängungsflüssigkeit aul 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 Reduzierung der Scherstärke der den Zcmentslopfen mit seinem Dorn verbindenden Scherstifte und der Unsicherheit der Freigabe des Zementierstopfens verbunden ist.

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

Genauer gesagt sollen mit der Erfindung Vorrichtungen einschließlich von Zementicrs^fopfenfreigabedornen geschaffen werden, die mit dem einlaufenden Bohrrohrstrang verbindbar sind, 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 ist und wobei der Dorn einen Ringzylinder, gegebenenfalls 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, bzw. um den beim Schließen des Durchgangs auftretenden Druckstoß zu dämpfen.

Zur 1 ösung dieser Aufgabe wird im wesentlichen zum einen vorgeschlagen, daß der Dorn einen beim Schließen des Durchganges im Zementierstopfen durch Flüssigkeitsdruck betätigten Kolben zur Unterstützung der Auslösung der Freigabevorrichtung aufweist.

Weiterhin wird eine Vorrichtung der oben zitierten Gattung vorgeschlagen, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dorn eine Druckkammer aufweist, die mit dem Durchgang durch den Dorn in Verbindung steht und zum Dämpfen des beim Schließen des Durchganges im Zementierstopfen auftretenden Druckstoßes ausgebildet ist. Dadurch kann der obere Zementierstopfen nicht unbeabsichtigt durch die Wasserschlagwirkung verschoben werden.

Als Ergebnis vorstehender Ausführungen wird mit der Erfindung unter anderem 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 zwangläufig anzuzeigen, daß der Stopfen freigegeben ist. Damit wird mit der Erfindung der Zementierkolonne eine größere Gewißheit vermittelt.

Die Erfindung weist darüber hinaus noch andere Vorteile auf und dient auch noch anderen Zwecken, die klarer aus der Betrachtung eines Ausführungsbeispiels hervorgehen, das in den Zeichnungen dargestellt ist und nachfolgend beschrieben werden soll, um das allgemeine Prinzip der Erfindung darzulegen. Es zeigt

F i!». 1 einen vertikalen Schnitt, teilweise in Ansicht. 111 dem die Zementierstopf enfreigabevorrichlung gemäß der Erfindung dargestellt und in Verbindung mit einer Unterwasserbohrkopfausrüstung eingebaut ist,

F i g. 2 einen vertikalen Schnitt in vergrößertem Maßstab, in welchem die Zementierstopfen und der Dorn im Bohrlochkopf gemäß dem unteren Teil der Fig. I dargestellt sind,

F i g. 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,

F i g. 4 einen vertikalen Schnitt, bei dem der Freigabeverschluß für den oberen Zementierstopfen einen Sitz darin vor der Freigabe desselben einnimmt,

F i g. 5 einen vertikalen Schnitt, in welchem der obere Zementierstopfen freigegeben ist, und

F i g. 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 F i g. 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 W auf, in weichet ein äußerer Futterrohrstrang C angeordnet und einzementiert ist. Das obere Ende des Futterrohrstranges C weist einen Sitz 1 für einen Stützflansch 2 des rohrförmigen Bohrlochkopfkörpers 3 auf, der einen weiteren Bohrlochfutterrohrstrang C1 abstützt, der sich abwärts in einem kleineren Bohrlochabschnitt erstreckt und einzementiert ist. Innerhalb desselben kann der Bohrlochkopfkörper3 eine Rohrstrangaufhängevorrichtung 4 für einen weiteren Futterrohrstrang (nicht gezeigt) abstützen, der sich noch weiter in eine noch kleinere Bohrlochbohrung erstreckt und darin einzementiert ist. Die Futterrohrstrangaufhängung 4 stützt einen innersten Futterrohrstrangaufhängekörper 5 ab, der bei 6 mit einem innersten Futterrohrstrang Cl verbunden ist, der, wie dargestellt, sich abwärts in die reduzierte Bohrlochbohrung Wl erstreckt. Der Futterrohraufhängekörper 5 und der Futterrohrstrang C2 werden an einem Universaleinfahrwerkzeug Γ 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 Fühiungssäulen 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 F i g. 1 gezeigt ist, wobei der Ausblasverhinderer T am oberen Ende des Bohrlochkopfkörpers 3 durch geeignete Verriegelungsmittel L befestigt ist. Diese Verriegelungsmittel sind allgemein bekannt und weisen lösbare Riegel 14 auf, die einwärts verschiebbar sind, um den Riegelkörper 15 am Bohrlochkopfkörper 3 in Ansprache auf die Bewegung eines ringförmigen Verriegelungskolbens 16 abwärts zu befestigen, wobei die Riegel bei einer Aufwärtsbewegung des Verriegelungskolbens 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 Wunsch abwärts oder aufwärts zu bewegen. Der Ausblasverhinderer T ist durch Befestigungsmittel 15 a mit dem Verriegelungskörper 15 verbunden.

Der Futterrohrstrang Cl wird an dem Bohrrohrstrang 8 in das Bohrloch eingefahren, bis die Futterrohraufhängung 5 auf der Futterrohraufhängung 4 aufsetzt. Am unteren Ende des Futterrohrstranges Cl

ίο 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 Cl gerichteten Flüssigkeitsumlauf in das Bohrloch W 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 F i g. 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 Cl erstreckt. Der Dorn trägt an seinem unteren Ende einen oberen Zementierstopfen TP und einen unteren Zementierstopfen BP. Wie aus F i g. 2 in größerer Einzelheit ersichtlich, weist der Dorn M eine langgestreckte rohrförmige Baugruppe auf, die einen unteren Körperabschnitt 24 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 24 und 25 vorgesehen, um die Schraubverbindung 23 zwischen dem oberen Ende des Domes und dem Einfahrwerkzeug T herzustellen, während die Zementierstopfen TP und BP sich innerhalb des Futtcrrohrstranges 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 Dorn.bschnitt 24 auf, die durch einen U-förmigen, getei . ■■ Ring 30 relativ zueinander drehbar gehalten μ.ιΊ, wobei der geteilte Ring 30 seinerseits durch einen Haltering 31 in zusammengebautem Zustand an den Flanschen 28 und 29 gehalten ist. Um ein Durchlek ken durch die Wirbelverbindung zu verhindern, is¹ eine Dichtungsverlängerung 32 am Dornkörperabschnitt 25 drehbar und abgedichtet in einer Bohrunt 33 des unteren Dornkörperabschnitts 24 angeordnet Auf das untere Ende des Domes M ist ein Stützring 34 geschraubt, mit dem der obere Zementier stopfen TP durch eine geeignete Anzahl von mit Um fangsabstand zueinander angeordneten Scherstiftei

35 verbunden ist. Der obere Zementierstopfen TI weist, wie üblich, einen rohrförmigen inneren Körpe 33 festen, jedoch bohrbaren Materials auf, der einei angeformten äußeren elastomeren Körper 37 trägt der eine geeignete Anzahl von sich auswärts erstrek kenden Wischerringen 38 aufweist, die gleitend a der Innenwand des Futterrohrstranges angreifen un vorzugsweise am oberen Ende mit einer sich aui wärts erstreckenden Dichtungslippe 39 versehe

sind die ebenfalls gleitend am Futterrohrstrang ansina, die eoen dns g , . · _rj_neförmiee

greift innerhalb des ^^/^^ Verschluß zusam-Nut 40 vorgesehe η die m emV se^

^ZZ TPZ verriege ΐ ds SoJSTd noch stopfen // zu verriegeln, wie u.c &

beschrieben werden soll· _z

Es sind Mittel vorgesehen um den^untere

mentierstopfen BP mit dem oberen g"^icn» P_

fen TP losbar zu verbinden.Jn, «^^^_Βρ

rungsbeispiel tragt ^r untere -temenucrs μ

ein ringförmiges Ve-b-dungss^ ^^

tere Ende des oberen ^Z™^tlcl^_d ^P _{e dcs} ^_erbin.

eingeschraubt ist ^" unteren bnde

dungsstucks 41 «t ein Ring 42 no e el e >

der untere Zementie stop en^ ^Β?™™^_ά6? _an.

Anzahl von ^.^if^ZJ 'Τη, _Wesenteeoruneten Scherstitten 43 verouniH.ii i»u Hohen ist der untere Zementierstopren or ₌ ^ oberen temenUmlopkn T^vOb* **» menticrstopten einen ^^^¹^^^ 44 aus festem, jedoch bohrbarem M^r auf den ein äußerer elastomerc Korn,r m.tj^. ringen 46 und einem oberen R n^ 4/, α ^

rohrstrang angreifen, angeformt sina. _{z 4g}

unteren Zement.erstop enkorpe>^ « _{c d am}

mit reduziertem Durchmesse! vorge. _f„_r ^^

unteren Ende des Körpers ist e η l ''"S _wefden

Kugel ^geordnet die xvie noch besu soll, geeignet ist, die Freigabt des ^

tierstopfens zu bewirken. _Hnr(n,_slc:|tc Zemen-

Der in F i g. 1 im wesentlichen üa._B^ - ,;,,,.. ticrkopf CH ist mit dem oberen »-.. <- ι _{fcs oder} strangesS verbunden und an Ullk ul^ ^^^^

der Plattform über dem Wa-,^- ^¹' _{cn Fa]1}_ Zementierkopf weist cmc Ki gelim ^i ^

Verschluß 52 auf, die im Kopi -" ^ ■ ^ ^_h _den wahlweise auslösbar sind, um san '; ^ Γ _fv._Iirrei_ Zementierkopf und durch ucn 'Λ " _{j(Tabe der} ^egabedornM zu ^bexvc'^rcn !'ⁿ , ,^_virkcn Die Kugel mentierstopfen DP und '' ^/li. ___ ^uncl'falleehäuses 51 ist in einer Bohrung i3 ^cnKS ^ Kopfes C// an-54 angeordnet, das an einer Seite es ^ ^^ r)_urcri-

geordnet ist, wobei die ^Bo|^irinj^e.'^'j_cn j^opf CH in gnnp 5fi mündet, die sich axial cluii.·! i^ '-_run~ =3. ir. das^Bohrrohrgestänge 8 erstreckt. lJii.^.^Mi'^'r^-^^ ^ der die Kugel 51 gehalten ist. isl ui.iei L. ^ ^ ^

keitseinlaß 55 a angeordnet ^1Jlc ^I:,'_(T,r.,_a-_itcn. der der Bohrung durch einen Scniebei ^ ^- _inul'|_icr. in der Bohrung mittels einer Spmdc ~'' '^ _velg_lcn beweglich ist, so daß die Kugel au. ~£_n _kann^ Stellung in den Durchgang 55 ^he^S^l ^ pallverum aus dem Schieber 56 herauszu au . _{jeber 58} schluß 52 ist lösbar auf einem W"¹ °"£V ^_n,, _Stel. abeestützt, der sich in den Kopf cn . ^ jedoch lung unter den Fallverschluß f" ^¹ ' _ückzieribar ist. mittels einer Gewindespindel ⁵^ _p „ _chi_uß_aus. Diese Kugelfallvorrichtunger und ^rd"^v _{und brau}. lesevorrichtungen sind allgemein DeKa ^l chen daher nicht mehr beschrieben zu % _urchmes-

Die Kugel 51 hat jedoch einen ^solc" ' _Bohrrohrser, daß sie sich ohne weiteres durc 11 α _fen _Tp

strang 8 und durch den oberen z.cm~nu ι ^ und den Verbinder 41 abwärts bewegen κ ^ doch zu groß ist, um sich anfanglicii au 48 in den Durchgang des unteren ^™* fensßP zu bewegen. Somit ^kan", _{t werdenu}m durch den Bohrrohrstrang 8 zngctunn »

auf den unteren Zementierstopfen BP zu die Scherstifte 43 abzuscheren, um den unteren Zementierstopfen freizugeben.

Damit Flüssigkeitsdruck auf im wesentlichen der Querschnittsfläche des unteren Zemenlierstopfen, wirksam sein kann sind geeignete radiale öffnungen 41 α im Verbinder 41 vorgesehen, um den _{äußeren Um}f_angsabschnitl und insbesondere die b^^ _{Zementiersl fens bp mil}

_O^_cküüssi _{keit zu} beaufschlagen. Wie nachfolgend _{noch eing}ehender beschrieben werden soll, ist die 51 vorzugsweise ausreichend fest, um zu gelährleisten, dal der untere ZementierstopfenBP _wirksain durch das Abscheren der Stifte 43 freigege_ben ^^ ^_{n daß d}__{e Kugc] jedoch jm Rohr}_ _{ra z ß bejm Aufskzen auf dem Rückschlagvcn}.

_tii_sch_uhS oder einem anderen Anschlag im Rohrstrang ausreichend nachgiebig ist, um hydraulisch „_o,_fr)rn,_t „pH Hurrh Hr-n Sit/ 48 peririickt zu werden. -^-^^ _{51 a}„ _{e1nem miuleren An}.

_schlagteil 49 α des Fängers 49 an, wobei jedoch Flüs-

sigkeit durch geeignete öffnungen 49 b im Fänger 49 * _{41 vorbeiströmen kann}

^^ _{52 ist so ausgebildet}, _{daß er in} ^ _{Zementierstopfen} _TP eingreifen kann, um _{dieseQ freizugeben und weist einen starren Körper<i}o _{au{ der an einer} aufwärts gerichteten Verlängerung ^ ^^ _{elastomeren Körper 62 m}it Wischerringen _{63 tra t>
die gleitend in den} Bohrrohrstrang 8 ein^^ ^ ^ ^ _tr„_{gt dnen federnd vcrform}.

e^^ _{Verriegelungsring} _M _{mit dcm der} pallver-Schluß 52 im oberen Zementierstopfen TP beim Ein-

_{iff in die} ringförmige Nut 40 desselben verriegelbar y _{Wenn der} Fallverschluß 52 in den oberen Zementierstopfen TP eingreift, bewirkt der Flüssigkeits_{druck über dem} Fallverschluß im DornM und im Bohrrohrstrang 8, daß die Scherstifte 35, mit 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. Üblicherweise können die Kräfte, die zum Abscheren der Scherstifte 43 7ur Freigabe des unteren Zementierstonfens ^^ _{dje erfordern}-_crien Kräfte zum Abscheren der Scherstifte 35 zur Freigabe des oberen Zementier-Stopfens ohne weiteres berechnet werden, so daß der _untere Zementierstopfen BP ohne Schwierigkeiten freigegeben werden kann, während der obere Zemenfreigegeben 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 Bohrloch und _{dann au}f_wärts durch den Ringraum zwischen Futterrohrstrang und Bohrloch im Umlauf zu setzen. Auf jeden Fall würde der Bohrrohrstrang 8 und der FutterrohrstrangC2 anfänglich mit Flüssigkeit, wie z.B. Bohrschlamm, gefüllt sein. Dann wird eine Menge _purnpbare Zementmilch in den Zementierkopf eingeführt, wobei die Kugel 51 im wesentlichen gleichzei_tig mit dem Fluß der Zementmilch durch den Zementierkopf freigegeben wird, so daß die Zement_{mjlch die} spüiflüssigkeit bzw. den Bohrschlamm aus

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dem Bohrrohrstrang verdrängt, wenn sich die Zementmüch abwärts bewegt und den Ball 51 mitnimmt. Wenn sich der Ball 51 auf den Sitz 48 des unteren Zementierstopfen 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 Bohrrohrstrang bewegt 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 denselhen abwärts bewegt, bis der Fallverschluß sich in den oberen Zementierstopfen TP setzt und wirksam den Flüssigkeitsdurchgang durch den oberen Zementierstopfen TP 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 wird, wird am oberen Ende des Bohrrohrstranges kein Drucksignal oder eine Anzeige gegeben, die anzeigt, daß der obere Zementierstopfen freigegeben ist. Ein derartiges Signal ist jedoch für die Zementierkolonne aus dem Grunde wichtig, daß nachfolgend das VoIurnen 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 Dorn 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 wahrnehmende Anzeige am oberen Ende des ßohrrohrstranges 8 zu erzeugen, die durch den Druckabfall bewirkt wird, wenn der obere Zementierstopfen TP endgültig freigegeben wird.

Demgemäß ist nahe dem unteren Ende des Drehkörperabschnitts 24 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 74 hin- und herbeweglich angeordnet, der geeignete Dichtungsringe 75 aufweist, die gleitend an den gegenüberliegenden Zylinderwänden angreifen. Das untere Ende des Kolbens 74 liegt am oberen Ende des starren Körpers 36 des oberen Zementierstopfens an. Der Kolben 74 und der Dornkörperabschnitt 24 weisen öffnungen 76 bzw. 77 auf, durch die normalerweise ein ausgeglichener Druckzustand an der Zementierstopfenvorrichtung aufrechterhalten wird, insbesondere wenn im Bohrloch ein Vakuum erzeugt wird, nachdem die Zementmilch in den Bohrrohrstrang 8 eingeführt ist. Eine Anschlagvorrichtung mit einer vom Kolben 74 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 74 gegenüber der Zylinderkammer 72 vor dem Zusammenbau mit dem oberen Zementstopfen zu bcgrenzen.

Die öffnungen 77 im Dornkörperabschnitt 24 sind gegenüber dem Sitz 52 a für den Fallverschluß 52 so angeordnet, daß der elastomere Körper, insbesondere die Wischer 63, die öffnungen 77 verschließen, wenn sich der Fallverschluß auf den oberen Zementicrstopfen 7Y\ wie in F i g. 4 gezeigt, setzt, so daß die über dem Fallverschluß 52 befindliche Verdrängungsflüssigkeit nicht durch die Öffnungen 77 slrömen 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, die mit den in den Zylinderraum 72 führenden öffnungen 73 in Verbindung stehen, so daß bei einem Druckaufbau im Dorn Af 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 Schcrstifte 35 abzuscheren.

Für die Zwecke einiger Bohrungen und einiger Zcmentierstopfengrößen ist feststellbar, daß die Beschränkung der Verdrängungsflüssigkeit auf den Zementierstopfenfreigabedorn und die nachfolgende Anwendung eines zusätzlichen Druckes auf den ringförmigen Kolben 74 eine ausreichende Lösung für das Problem der nicht erkennbaren Freigabe des oberen Zementierstopfens TP darstellt. Die Erledung sieht jedoch eine weitere Sicherstellung vor. daß die Stoßdruckwelle nicht einmal wirksam au: den kleinen Querschnitt des Fallverschlusses ausgeübt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß an der Buchse 71 eine langgestreckte zylindrische Verlange rung 82 vorgesehen wird, die mit der Außenfläche des Dornkörperabschnitts 24 eine ringförmige Druckkammer 83 bildet, die über öffnungen 81 mi' dem Inneren des Dornkörperabschnitts 24 über der Fallverschluß 52 in Verbindung steht, wenn sich der hailverschluß auf den oberen Zementierstopfen TΓ setzt. An seinem oberen Ende hat die Verlängern»;..· 82 einen verkleinerten Außendurchmesser, so t'ai'· ein maximales Druckkammervolumen erreicht wnu. Darüber hinaus führen die Öffnungen 81 Vorzug:- weise in einem Winkel vom Inneren des Dornkörperabschnitts 24 in die Druckkammer 83 aufwärts, um die Neigung zu vermindern, daß die Zementmilch ir die Druckkammer 83 und den Zylinderraum 72 eindringt.

Bei der Verwendung der zuvor beschriebener Vorrichtung wird ein Futterrohrstrang in das Bohrloch an einem Einfahrwerkzeug T eingefahren, da: an einer geeigneten. Bohrrohrstranglänge 8 abgestütz ist, die sich vom Bohrlochkopf H auf dem Gewässer boden bis zu einem Schiff oder einer Plattform ai der Wasseroberfläche erstreckt. Der Dorn M mit der Zementierstopfen TP und BP ist zuvor mit dem Ein fahrwerkzeug verbunden, wobei die Zementierstop fen im Futterrohrstrang angeordnet sind. Der Futter rohrstrang ist an einer Futterrohrstrangaufhängunj abgestützt.

Der Futterrohrstrang wird mit Flüssigkeit, bei

spielsweise mit gewichtserhöhtem Schlamm, gefüllt, und, falls gewünscht, kann Flüssigkeit eine Zeitlang im Umlauf gesetzt werden, um den Futterrohrstrang und den Ringraum zwischen Futterrohrstrang und Bohrlochwandung zu spülen. Dann wird Zementmilch in den Zementierkopf CH durch den Einlaß 55 α eingeführt und der Kugelschieber 56 betätigt, um die Kugel 51 in die Flüssigkeitssäule etwa an der Berührungsfläche zwischen der Zementmilch und dem Schlamm oder der Spülflüssigkeit zu bewegen, 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 41a im Verbinder 41 zwischen den beiden Zementierstopfen BP und TP in den Futterrohrstrang eingelassen und bewirkt ein Abscheren der Scherstifte 43. Der untere Zementierstopfen BP bewegt sich dann im Futterrohrstrang, wie in F i g. 3 ersichtlich, zwischen der Zementmilch ao und der vorhergehenden Flüssigkeit abwärts und wirkt als Schranke zwischen denselben. Wenn die Abwärtsbewegung des unseren Zementierstopfens BP beispielsweise durch den Ventilschuh S, wie in F i g. 6 ersichtlich, angehalten wird, wird der Ball 51 »5 durch den Sitz 48 gedrückt und im Fänger 49 eingefangen, während Zementmilch abwärts durch den Ventilschuh S und dann aufwärts in den Ringraum zwischen den Futterrohrstrang und die Bohrungswandung strömt.

Wenn sich die Zementmilch, wie ebenfalls aus F i g. 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 76 im Dorn und im Kolben 64 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 Fail Verschluß 52 durch Zurückziehung des Fallverschlußhaltestiftes 58 freigegeben, und der Fallverschluß fällt bis zu einer Stellung unter dem Zementierkopfeinlaß 55 a. durch den eine Verdrängungsflüssigkeit beliebiger Art gepumpt wird, um den Fallverschluß abwärts durch den Bohrrohrstrang zu drücken, wobei die Wischer 63 den Bohrrohrstrang 8 von haftengebliebenem 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 Dornöffnung 73 verschließt, so daß die Verdrängungsflüssigkeit im Durchgang des Domes eingeiangen ist. Auf diese Weise wird die momentane Stoßdruckwelle, 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 Zemenüeistopfengrößen können die Scherslifte 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 Stoßdruckwelle aufzufangen. Mit anderen Worten soll erreicht werden, daß durch den Flüssigkeitseinschluß im Dorn und die Verwendung einer Hilfskiaft zur Freigabe des oberen Zementierstopfens, von dem Druck abgeleitet wird, der auf den ringförmigen Kolben 74 wirkt, in einigen Fällen ohne eine Druckkammer 83 ausreicht, um einen Druckaufbau im Bohrrohrstrang zur Freigabe des oberen Zementierstopfens zu bewirken, um so einen Druckabfall voi zusehen, der am oberen Ende des Bohrrohrstranges wahrnehmbar ist, um die Freigabe des Zementierstopfens anzuzeigen.

Wie insbesondere in F i g. 4 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 F i g. 5 ersichtlich, bis der auf die Fallverschlußfläche und auf den ringförmigen Kolben 74 wirkende Druck eine Abscherung der Stifte 35 bewirkt, so daß der obere Zementierstopfen TP abwärts durch den Futterrohrstrang gedruckt wird.

Schließlich, wie aus F i g. 6 ersichtlich, setzt sich der obere Zementierstopfen TP auf den unteren Zementierstopfen BP, dessen Abwärtsbewegung schon vorher durch den Ventilschuh 5, wie zuvor beschrieben, angehalten wurde, so daß die Zementmilch vollständig in den Ringraum zwischen dem Futterrohrstrang und der Bohrungswand verdrängt ist.

Während die Erfindung als anwendbar beim Zementieren von Bohrlochfuttersträngen beschrieben worden ist. wobei sowohl ein unterei 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 Größenordnung von 500 bis 750 mm Durchmesser, wobei nur ein oberer Zementierstopfen verwendet wird. Die Merkmale 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, kontrolliert ist, so daß ein wahrnehmbarer Druckanstieg erforderlich ist, um den Zementierstopfen endgültig freizugeben. Ein solcher 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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 eine Ringschulter aufweist, auf der ein in den Zementierstopfendurchgang eingebrachter Flüssigkeitsverschluß absetzbar ist, wobei die Freigabevorrichtung durch den Dorn durch den beim Schließen des Flüssigkeitsverschlusses entstehenden Flüssigkeitsdruck auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (M) einen beim Schließen des Durchganges (26) im Zementierstopfen (TP) durch Flüssigkeitsdruck betätigten Kolben (74) zur Unterstützung der Auslösung der Freigabevorrichtung (35) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Scherstiftanordnung (35, 43) aufweist, durch die der Zementierstopfen (TP) mit dem Dorn (M) verbunden ist. und daß der Kolben (74) als Ringkolben gleitend in einem ringförmigen Zylinder (72) angeordnet ist und aus diesem am Zementierstopfen (TP) angreifend vorsteht und daß ferner im Dorn (M) 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) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (M) Öffnungen (76, 77) zum Ausgleichen des Druckes am Zementierstopfen (TP) solange, bis der Durchgang durch den Zementierstopfen geschlossen ist, aufweist.

5. 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 eine Ringschulter aufweist, auf der ein in dem Zementierstopfendurchgang eingebrachter Flüssigkeitsverschluß absetzbar ist, wobei die Freigabevorrichtung durch den Dorn durch den beim Schließen des Flüssigkeitsverschlusses entstehenden Flüssigkeitsdruck auslösbar ist, 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) auftretenden Druckstoßes ausgebildet ist.

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 die 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, wobei die öffnungen derart angeordnet sind, daß sie durch einen Verschluß (52) gescbJossen werden, wenn dieser den Durchgang (26) im Zementierstopfen (TP) verschließt.