DE2317645A1

DE2317645A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung von bohrloechern

Info

Publication number: DE2317645A1
Application number: DE2317645A
Authority: DE
Inventors: Jun Robert C Ayers; Jack H Bayless; John W Graham; James R Lloyd; William D Loth; Robert E Williams
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1972-04-12
Filing date: 1973-04-07
Publication date: 1973-10-31
Also published as: NL7304987A; CA969093A; FR2179974B1; US3780809A; FR2179974A1; JPS4917302A

Description

DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

PATENTANWÄLTE!

2OOO Hamburg BO Große Bergstraße 223 Postfach BO 06 62 Telefon! (O411) 3Θ629Β Telegramm-Adresse: Doellnerpatent

Unser Zeichen: Datum

H 2121 Dr. He/Mü

ESSO PRODUCTION EESJ)AHCH COMPANY Houston, Texas, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von Bohrlöchern

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Ventil für abwärts führende Leitungen, das insbesondere als Sicherheitsventil bei Bohrlöchern geeignet ist, die zur Gewinnung von Rohöl und Naturgas gebohrt worden sind.

Küstennahe Erdölbohrungen unter Wasser zur Gewinnung von Rohöl und Naturgas sind einer Anzahl von Gefahren ausgesetzt, die dazu führen können, daß das Gehäuse plötzlich zu Bruch geht. Erwähnt seien Plattformunfälle infolge heftiger Stürme oder von Kollisionen, Defekte der Anlage, die durch Auswaschung der Bohrlöcher durch Flüssigkeiten eintreten können, und Explosionen oder Feuerbrände, die die Produktion hindern und die von Unfällen während laufender Arbeiten oder anderen oberflächlichen Maßnahmen herrühren können.

3098U/0404

231764

Die Schaffung einer Einrichtung zur Sicherung des Bohrlochs, um es im Notfall schließen zu können, ist daher ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Planung solcher Bohrungen.

In der Vergangenheit geschah der Schutz des Bohrlochs in erster Annäherung durch die Vorsehung eines in die Produktionsleitung eingebauten Ventils, das durch die Geschwindigkeit des ITiissigkeitsstroms betätigt wurde. Diese Sicherheitsventile besitzen eine Anzahl ihnen innewohnender Nachteile. Da sie beispielsweise nur bei ungewöhnlicher Strömungsgeschwindigkeit betätigt werden, ist es notwendig, die Bohrungen mit verminderter Geschwindigkeit produzieren zu lassen und so eine genügende Reserve in der Produktionskapazität aufrechtzuerhalten, um im Notfall eine Betätigung des Ventils zu sichern. Zusätzlich ergibt sich die Unmöglichkeit irgendwelcher positiver Mittel zur Kontrolle des Ventils von der Oberfläche aus. Schließlich erfordert die Prüfung eines durch die Strömungsgeschwindigkeit betätigten Ventils eine rasche Änderung der Produktionsmenge bis zu einem Bereich, der wesentlich oberhalb des Normalen liegji Dies kann zu einer Beschädigung der Produktionsformation führen.

Die Probleme, die mit Sicherheitsventilen auftreten, die durch Strömungsgeschwindigkeit beeinflußt werden, können in manchen Fällen durch Verwendung vom hydraulisch betätigten, unterirdischen Ventilen gemildert werden, die von der Oberfläche aus geregelt werden können. Bei derartigen Einrichtungen wird das Ventil zusammen mit der hydraulischen Steuervorrichtung unten in der Bohrlochleitung angeordnet. Dabei erstreckt sich eine hydraulische Eegelleitung von der Steuervorrichtung des Ventils zur Oberfläche entlang der Außenseite der Bohrlochleitung, so-

3098U/Ö404

231764

daß eine derartige Einrichtung die Bewegung von Werkzeugen durch die innere Bohrung nicht hindert. Derartige Ventile werden im allgemeinen hydraulisch offengehalten und schließen sich infolge einer Verminderung des hydraulischen Drucks im Regel-· rohr oder einer ähnlichen Leitung. Dieses System hat den Vorteil, daß das Ventil unmittelbar von der Oberfläche aus kontrolliert werden kann .--Es läßt sich mit Sicherheit testen und erfordert keine Reservekapazität in der !Produktion. Da aber eine äußere hydraulische Flüssigkeitsleitung vorhanden ist, hat "die Einrichtung den Nachteil, daß sie mehr Raum erfordert als ein durch Schrömungsgeschwindigkeit betätigtes Ventil. Bei ■vorheriger Planung kann in neuen Bohrlöchern für dieses System entsprechender Baum vorgesehen werden, aber in zahlreichen bereits vorhandenen Bohrlöchern ist nur ungenügend Platz. In diesem Fall ist die einzige Möglichkeit, ein solches System zu installieren, die Anordnung einer inneren, konzentrischen Rohrleitung. Dies vermindert gedoch wiederum den Durchmesser des Flüssigkeitsstroms und schafft häufig eine unerwünscht hohe Einschränkung der Strömungsmenge, was die "Einrichtung eines solchen Systems unpraktisch erscheinen läßt.

Es besteht daher eine Notwendigkeit für ein verbessertes, unterirdisches Sicherheitsventil, das von der Oberfläche aus dirökt kontrolliert werden kann, leicht zu testen ist, keine mechanische Verbindung mit der Oberfläche benötigt und keine Reserveproduktionskapazität erfordert. Ein solches verbessertes Ventil sollte nicht den Raumbedarf haben, der bei den bisherigen, von der Oberfläche aus geregelten, hydraulisch betätigten, unterirdischen. Ventilen auftritt.

Die vorliegende Erfindung schafft ein unterirdischen Sicher-

309844/0404

231764

heitsventil, das keine mechanische-.Verbindung mit der "Oberfläche erfordert und die oben erwähnten Probleme aus der Welt schafft. Das verbesserte unterirdische Sicherheitsventil gemäß der Erfindung ist in erster Linie zurRegelung der Flüssigkeitsströmung durch eine Leitung innerhalb "eines Bohrlochs zur Gewinnung von Rohöl oder Naturgas brauchbar«, Die Verbesserung umfaßt Mittel zur Betätigung des Ventils, wobei das Ventil wäh^- rend der Dauer einer vorher bestimmten Fließperiode offengehalten wird,an!deren Ende das Ventil sich automatisch schließt, wenn die Steuervorrichtung nicht durch ein dazwischentretendes, äußeres Signal wieder in den vorigen Zustand versetzt wird, um vor Eintreten der Schließung die vorbestimmte Strömungsperiode wieder in Gang zu setzen. Die Spanne der vorherbestimmten Fließperiode kann beispielsweise durch einen speziellen Zeitraum oder durch.ein besonderes Flüssigkeitsvolumen definiert werden. Das äußere Signal, welches die Vorrichtung wieder in den:vorigen Zustand versetzt, besteht vorzugsweise aus einem an der Oberfläche erzeugten Druckstoß, der durch die Bohrlochflüssigkeit übertragen wird.

Das vorliegende Verfahren beinhaltet die Produktion eines Bohrlochs durch eine mit einem Sicherheitsventil versehene Leitung, das gemäß der Erfindung konstruiert ist, wobei an der Erdoberfläche periodisch ein Signal erzeugt wird, das an dem Ventil empfangen werden kann und dazu dient, die Strömungsdauer der Ventilsteuervorrichtung wieder beginnen zu lassen. Die Frequenz dieser Druckstöße wird so eingeregelt, wie es zur Beeinflussung des Ventils vor der Beendigung der Strömungsdauer erforderlich ist, um auf diese Weise einen Ventilschluß zu verhindern. Um das Ventil von der Oberfläche aus zu testen oder zu schließen, werden die periodischen Signale unterbrochen, so daß das Ventil

3 09 8 U/0 404

am Ende der Strömungsperiode sich schließt. Vorzugsweise wird das Ventil durch Erhöhung des Druckes innerhalb der Leitung wieder geöffnet, wobei der Druck oberhalb des Ventils höher sein soll als der unterhalb desselben.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung erfordern keine mechanische Verbindung zwischen dem Ventil und der Oberfläche. Das Ventil kann durch drahtlose Einrichtungen in Betrieb gesetzt und ausgeschaltet werden. Es kann im Koutineverfahren getestet werden, und es kann in den Bohrlöchern beim Fehlen intermittierender Signale von der Oberfläche aus automatisch geschlossen werden. Es ist somit offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung deutliche Vorteile gegenüber den bisher vorhandenen Systemen mit sich bringt. '

Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung.

Pig. 1 ist eine schematische Darstellung des unterirdischen Sicherheitsventilsystems gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine Ventilanordnung, die gemäß vorliegender Erfindung konstruiert ist, und zwar in offener Stellung,

Fig. 3 zeigt die Einrichtung nach Fig. 2 mit dem Ventil in geschlossener Stellung,

Fig. 4- zeigt schematisch eine elektrische Schaltung, wie sie in Verbindung mit der Ventilanordnung nach der Fig. 2 und 3 verwendet werden kann,

4/0404

231764

Pig. 5 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform eines Sicherheitsventils gemäß vorliegender Erfindung in offener Stellung,

Fig. 6 zeigt schematisch das System nach Fig.- 5_? wobei der Zeil*· messer für die Dauer der Flüssigkeitsströmung in seine ursprüngliche Lage wieder zurückgebracht ist,

Fig. 7 zeigt schematisch das System nach Fig. 5 mi"b öLe.m Ventil in Schließstellung.

Fig. 1 ist ein schematischer Aufriß eines unterirdischen Sicherheitsventilsystems gemäß der Erfindung. Das dargestellte System besteht aus einer Bohrleitung 11, die von der Spitze des in der Nähe der Küste vorhandenen Podestes 12 in das Bohrloch im Meeresgrund 13 unterhalb des Wasserspiegels 14· hinabreicht. Obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist,-... befindet sich das untere Ende der Leitung in Verbindung mit der Öl führenden Formation. Die an der Oberfläche vorhandene Einrichtung zur Strömungsregelung der zu gewinnenden Flüssigkeit besteht aus einem handgesteuerten Hauptventil 15 und einem Strömungsregler 16, beispielsweise einem druckbetätigten Motorventil, das in der Bohrleitung sitzt. Weiterhin ist noch ein Regler 1? zur Überwachung der Stellung des Strömungsreglers dargestellt. Dieser Segler kann aus einer Quelle von Hochdruckgas zusammen mit einer Zeitregulierung bestehen.

Die am unteren Bohrlochende vorhandene Einrichtung besteht aus einem Sicherheitsventil 18 zusammen mit einer Steuervorrichtung 19· Die Steuervorrichtung und das Ventil sind normalerweise in einem äußeren Gehäuse eingeschlossen, das mit Hilfe von durch

30984A/0404

231764a

Drahtleitungen betätigterWerkzeuge installiert und entfernt werden kann.

Die Steuervorrichtung hält das unterirdische Ventil während der Spanne einer 3?ließperiode von vorbestimmter Dauer in offener Stellung und schließt das Ventil ohne Eingriff von der Oberfläche am Ende "dieser Strömungsperiode. Die Steuervorrichtung ist auf ein äußeres Signal einstellbar, um die vorher bestimmte Pließperiode vor Schließung des Ventils wieder in Gang zu setzen., In dem in Fig. 1 dargestellten System kann der Regler 17 so eingestellt sein, daß er periodisch ein Ventil oder eine andere Strömungsregelungsvorrichtung betätigt, die die Strömung unterbricht und auf diese Weise einen Druckstoß in der Bohrleitunp· erzeugt. Eine druckempfindliche Vorrichtung, die unterirdisch an der Ventilsteuervorrichtung sitzt, reagiert auf einen solchen Druckstoß, indem sie die Strömungsdauer auf Null zurückstellt und von neuem eine Strömungsperiode bis zum Ventilschluß eröffnet, so daß die Strömung ununterbrochen bleibt.

Wenn ein tatsächlicher Schluß des unterirdischen Ventils erforderlich ist oder wenn es erwünscht ist, das unterirdische Ventil zu prüfen, so wird der Regler an der Oberfläche so eingestellt, daß er mit den periodischen Druckstößen aufhört. Dies führt dazu, daß die unterirdische Steuervorrichtung kein Signal empfängt und das Ventil nach Ablauf der eingestellten Strömungsdauer schließt. Wenn das Bohrgehäuse zerbricht oder ernsthaft beschädigt wird, so empfängt die Steuervorrichtung ebenfalls kein Rückstellungssignal, und das Ventil wird automatisch geschlossen, wodurch das Bohrloch verschlossen ist.

3098U/CU CU

Das Sicherheitsventil besteht vorzugsweise aus einer für gewöhnlich geschlossenen Einrichtung. Ein Kugelventil mit voller öffnung ist vorzuziehen, aber es können auch zahlreiche andere Schließvorrichtungen zur Verwendung in dem System zufriedenstellend arbeiten. Es wird im allgemeinen am praktischsten sein, an. der Oberfläche erzeugte Druckschwankungen innerhalb des fließenden Stroms zu erzeugen, um der unterirdischen Steuervorrichtung Signale zu senden. Es können jedoch auch andere Systeme, beispielsweise akustische, elektrische oder Radiosignale verwendet werden. '

Die Länge der Strömungsdauer bis zum Ventilschluß läßt sich im Rahmen der Erfindung innerhalb weiter Grenzen variieren. Es wird jedoch vorgezogen, eine^! verhältnismäßig kurze Strömungsdauer anzuwenden. Wenn die. Strömungsdauer hinsichtlich der Zeit oder des Flüssigkeitsvolumens bestimmt ist, hat dies den Vorteil, daß das Volumen der durch die Lei^uS^fiulSigkeits- oder Gasmenge zwischen dem Moment, in dem das Bohrloch infolge eines Schadens außer Kontrolle gerät, und der folgenden Schließung des Ventils wesentlich vermindert wird. Eine Anzahl von Vorrichtungen zur Regelung der Dauer der Strömung liegen offenbar auf der Hand. Die bevorzugten Systeme reagieren jedoch entweder auf die verstrichene Zeit oder auf das Volumen der Flüssigkeit, welche durch das Sicherheitsventil strömt.

Die Figuren 2 und 3 sind Querschnitte einer Konstruktion eines Sicherheitsventils, wie es für die Apparatur gemäß vorliegender Erfindung als beispielhaft gelten kann. Die dargestellte Vorrichtung besteht aus einem äußeren Gehäuse 21 mit Verschlüssen 10 und nach außen, verschwenkbaren Klammerhaken 20_f die an der

3098US(U(U

oberen, äußeren Kante angeordnet sind und eine Verankerung an der Bohrlochleitung unter Vermeidung einer vertikalen Verschiebung ermöglichen. Die Vorrichtung ist so gegen äußere Strömung abgeschlossen. Innerhalb des äußeren Gehäuses ist ein gleitender zylindrischer Dorn 22 angeordnet. Eine Kugel 23 mit einer Bohrung 23A ist drehbar innerhalb des unteren Teils des Dorns angeordnet.,Die Kugel greift auf nicht dargestellte Weise in das äußere Gehäuse derart ein, so daß, wenn der Dorn von der in Fig. 2 dargestellten unteren Stellung in die in Fig. 3 dargestellte obere Stellung gleitet, die Kugel sich von der offenen in die geschlossene Stellung dreht. Der Dorn wird durch die Druckfeder 24, die zwischen dem äußeren Flansch 25 des Dorns und dem inneren Vorsprung 26 des äußeren Gehäuses liegt, nach oben gedrückt. Eine unter Federdruck stehende Klinke 27 ragt nach innen vor, wenn der Feder eine Möglichkeit zur Ausdehnung gegeben ist (Fig. 2). Die Klinke wird an ihrer Stelle oberhalb des Dorns durch ein von einem Solenoid gesteuertes Verschlußglied 29 arretiert, um eine Verschiebung zu verhindern, so daß das Ventil offen bleibt. Wenn das Verschlußglied zurückgezogen wird und die Klinke freigibt, gleitet der Dorn unter der Wirkung der Feder nach oben und drückt die Klinke in den Hohlraum innerhalb des äußeren Gehäuses und schließt so das Ventil, wie in Fig. 3 dargestellt. Der Ventilschluß wird unterstützt durch Druckunterschiede, die von dem fließenden Bohrlochstrom ausgeübt werden. Eine unter Federdruck stehende Kugelarretierung 28 greift in eine Vertiefung 28A im äußeren Gehäuse ein, wenn der Dorn seine obere Stellung erreicht. Um das Ventil wieder zu öffnen, wird der Druck innerhalb der Bohrleitung oberhalb des geschlossenen Ventils auf einen Betrag erhöht, der über dem unterhalb des Ventils herrschenden Druck liegt. Der Druckunter-

309844/0404

231764

schied, der zur Erzielung einer genügenden Kraft erforderlich ist, um die Kugelarretierung zu überwinden, muß ebenfalls ausreichen, um die Kraft der !Feder 24- zu überwinden, so daß der Born in seine ursprüngliche Stellung einschnappt und das Kugelventil öffnet.

Die Steuervorrichtung ist in der Lage, das Ventil am Ende einer vorgegebenen Strömungsperiode zu verschließen, wenn nicht inzwischen ein äußeres Signal empfangen wird, das die Steuervorrichtung zurückstellt und einen Feubeginn einer Strömungsperiode verursacht, wodurch das Schließen, für die Spanne eines zusätzlichen Strömungszeitraumes verschoben wird. Bei der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 schließt die Steuervorrichtung das unterirdische Ventil durch Zurückziehen der Klinke 27 j die, wenn sie vorspringt und in ihrer Stellung verharrt, den unter Federdruck stehenden Dorn 22 in seiner unteren Stellung ' festhält und so das Ventil offenläLt. Die Verschlußstellung der Klinke 27 kann beispielsweise durch ein. Solenoid beeinflußt werden, das als Sicherheitsvorrichtung dient. Wenn das Solenoid 29A erregt wird, stößt es das Verschlußglied 29 nach unten und überwindet hiermit den Druck der Feder 29B, die die Klinke 27 in ihrer Stellung festhält. Wenn das Solenoid entregt wird, drückt die Feder 29B das Verschlußglied nach oben und verursacht so einen Ventilschluß.

Die elektrische oder elektronische Einrichtung, die mit dem Ventil in Verbindung steht, kann innerhalb der^oeH^äußeren Gehäuses 21 angeordnet sein, beispielsweise in dem Ringgehäuse, das in der Zeichnung mit Ziffer 30 bezeichnet ist. Hierzu gehört normalerweise eine elektrische StromquelLe, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Turbinengenerator, um für das

309844/CUQ4

2317648

Solenoid und den hiermit verbundenen Regelstromkreis Energie zu liefern. Zu der Schaltung gehört eine druckempfindliche Vorrichtung, die in Verbindung mit der inneren Bohrung des Ventilgehäuses steht. Diese Vorrichtung, die beispielsweise aus einem Ultraschallgerät oder einem Druckschalter bestehen kann, wird in Abhängigkeit von den Druckbedingungen innerhalb des Abschnittes der'Bohrleitung oberhalb des Ventils gesteuert. Dieser Druck kann durch Strömungsunterbrechung oder durch Abschließen des Bohrlochs an der Oberfläche für einen kurzen Zeitraum erzeugt werden. Diese druckempfindliche Einrichtung wirkt zusammen mit einer Zeitschaltvorrichtung oder einer ähn-•lichen Einrichtung, die die Beendigung der vorherbestimmten Strömungsperiode anzeigt. Das Signal der druckempfindlichen Vorrichtung diert zur Bückstellung der Zeit schaltvorrichtung unter Wiederbeginn des eingeschalteten Intervalls, wodurch die Verschiebung des Endes der Strömungsperiode ermöglicht und das Ventil während einer zusätzlichen Strömungsperiode offengehalten wird.

Figur 4 ist ein Schaltdiagramm der Bauteile, wie es für den •vorliegenden Zweck Verwendung finden kann. Es ist eine Batterie 31 dargestellt, die als Kraftquelle für den Stromkreis dient, der aus dem Widerstand 32, dem Solenoid 29A und dem Kondensator 4-2 besteht. Wenn sich der Kondensator 4-2 auflädt; nimmt die Spannung zwischen dem Widerstand 32 und dem Solenoid 29A ab, bis gegebenenfalls ein Punkt erreicht ist, an dem der Spannungsabfall innerhalb des Solenoids nicht mehr ausreicht, um den Stift 29 gegen die Wirkung der Feder 29B festzuhalten. Dies ermöglicht der Feder, den Verschlußstift zu heben, was wiederum zu einem Verschluß des Ventils führt. Die Dauer der Strömung bis zum Verschluß der Leitung wird durch die Zeitdauer bestimmt,

309844/0404

die erforderlich ist, ma den Kondensator bis zu dein kritischen Ausmaß aufzuladen. Sie kann geändert werden.,, indem man den Widerstand innerhalb der Vorrichtung 32-ändert. In einem zweiten Stromkreis, der ebenfalls den Kondensator 4-2 einschließt, ist ein für gewöhnlich offener Druckschalter 43 vorgesehen, der bei Zunahme des Druckes sich schließt. Dieser. Schalter schließt sich also auf ein Drucksignal hin und entlädt den Kondensator über den Druckschalterstromkreis. Wenn der Druckschalter sich wieder öffnet j wird der Stromkreis wiederum unterbrochen und gestattet eine beginnende Aufladung des Kondensators. Die Strömungsdauer wird so wieder von neuem in Lauf gesetzt, und der Verschluß des Ventils wird für die Dauer einer weiteren'Strömungsperiode verschoben. Wie oben ausgeführt, öffnet sich das Ventil normalerweise nach dem Schließen, wenn der Dmick innerhalb der Bohrleitung bis zu einem Ausmaß wächst, daß der Druck höher liegt als der, der innerhalb des in der Nähe des Ventils befindlichen Leitungsstücks herrscht. Diese Zunahme steuert die druckempfindliche Einrichtung, die den Druckschalter schließt, den Kondensator entlädt und den zeitlich bestimmten Strömungszyklus wieder von vorn beginnen läßt. Die Entladung des Kondensators gestattet es, daß wieder genügend Strom durch das Solenoid fließt, welches so in der Lage ist, den Verschlußstift 29 nach unten zu drücken. Das Verschlußglied wird allerdings zeitweilig an einer Bewegung durch die unter Federdruck stehende Klinke 27 gehindert sein, die zeitweilig bei einer Bewegung durch die Außenseite des Dorns gehindert ist, und zwar so lange, bis der Druckunterschied am Ventil den Dorn in seine Offenstellung wieder hinunterdrückt. Wenn der Dorn sich in seiner unteren Stellung befindet, springt die Klinke nach innen vor und bleibt in dieser Stellung, um das Ventil offenzuhalten.

309844/0404

Die Figuren 5» 6 und 7 zeigen schematisch eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anordnung der Strukturelemente in der Zeichnung lediglich zur deutlichen Illustration dargestellt ist und daß das ganze System normalerweise derart angeordnet ist, daß es bequem in ein mit Draht ausgekleidetes, ersetzbares Gehäuse eingeschlossen werden kann. Die Vorrichtung umfaßt einen Ventilkörper 33» der ein© innere Bohrung 34- aufweist. Eine Leitung 35 mit einem äußeren Umfang angebrachten Vorsprung 36 ist leitend innerhalb der Bohrung des Ventilkörpers angeordnet. Dieser Vorsprung teilt den Ventilkörper in eine obere Kammer 37 und eine untere Kammer 38, die durch den gleitenden Kolben voneinander getrennt sind, der durch den Vorsprung 36 gebildet wird. Das untere Ende der Leitung ist verschlossen, beispielsweise durch eine Kappe 39» aber die Leitung hat zwei seitliche Öffnungen 40, um Flüssigkeit eintreten zu lassen. Das obere Ende der Leitung ist offen und bildet so einen Strömungsweg durch den Ventilkörper. Wenn der Kolben in seiner obersten Stellung innerhalb des Ventilkörpers steht, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, sind die beiden seitlichen Öffnungen im unteren Ende der Leitung bündig mit dem inneren Vorsprung 51 am unteren Ende der Bohrung durch den Ventilkörper und verschließen hierdurch die Leitung gegen ein Hindurchströmen. Wenn also der Kolben in seiner oberen Stellung sich befindet» ist das Ventil geschlossen, während in der unteren Stellung das Ventil für eine Durchströmung offen ist.

Die vom Kolben eingenommene Stellung und damit die Arbeitsstellung des Ventils wird durch den Druckunterschied zwischen der oberen und der unteren Kammer geregelt, die sich oberhalb und

309844/0404

unterhalb des Kolbens befinden. STormalerweise ist es erwünscht, eine Druckvorrichtung mitzuverwenden, beispielsweise die Druckfeder 36Δ auf der Unterseite des Kolbens, um sicherzustellen, daß das Ventil im Falle eines Versagens des hydraulischen Stromkreises geschlossen wird. Die Drucke im Bohrloch werden durch ein Hilfsventil, das im ganzen mit der Ziffer 50 bezeichnet ist, wahlweise gesteuert und schaffen so die erforderlichen Druckunterschiede zur Betätigung des Ventils. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß bei der normalen Erdölgewinnung die Flüssigkeit nach oben durch das Ventil strömt und hierbei eine Druckdifferenz innerhalb des Ventils erzeugt, wobei der Druck unterhalb desselben höher ist als oberhalb.

Das Hilfsventil besteht im allgemeinen aus einem zylindrischen Gehäuse 5% in dem ein Hilfskolben· 52 gleitend angeordnet ist. Der Hilfskolben hat zwei Paare nicht miteinander verbundener, hindurchgehender Strömungswege. Das untere Paar, .das die Ziffern 53 und- 5^- trägt, ist waagerecht angeordnet und dient für einen ge'raden Durchlauf. Das obere Paar 55 und- 56 besitzt gekreuzte Strömungswege, die voneinander unabhängig sind. Das zylindrische Gehäuse, das das Hilfsventil umgibt, besitzt zwei entsprechende Paare von hindurchgehenden Öffnungen. Das eine Paar ist an den beiden Seiten angeordnet, und zwar derart, daß sie mit den Enden der gekreuzten oder der waagerechten Durchlässe für die Flüssigkeit in einer Linie liegen, je nach der Stellung des Hilfskolbens innerhalb des Zylinders. Eine Hochdruckleitung, die mit der Ziffer 57 bezeichnet ist, führt von einer Öffnung der Bohrlochleitung, die sich unterhalb des Ventils befindet., zu einer Öffnung 58 für die Hochdruckflüssigkeit des Hilfsventilzylinders. Eine Niederdruckleitung 59 erstreckt

309844/0404

sich von einer öffnung der Bohrlochleitung, die oberhalb des Ventils liegt, zu einer öffnung 60 am Hilfszylinder für die Niederdruckflüssigkeit. Eine obere Kammerleitung 61 und eine untere Kammerleitung 62 verbinden die Kammern oberhalb und unterhalb des Ventilkolbens mit den oberen und unteren Kammeröffnungen, die mit den Ziffern 63 und 64- bezeichnet sind, am Hilfszylinder.

Wenn das obere Ende des Hilfskolbens, der die gekreuzten Flüssigkeitsdurchlässe aufweist, mit den Mündungen am Hilfsventilzylinder sich in einer Linie befindet (vergl. Figuren 5 und 6), so liegt die Niederdruckleitung in Verbindung mit der unteren Kammer, und die Hochdruckleitung ist mit der oberen Kammer verbunden. In dies j? Stellung des Hilf sventils drückt der Druckunterschied innerhalb des Ventils den Kolben nach unten ,und hält hierdurch das Ventil in der offenen Stellung. Wenn dagegen der Hilfskolben sich in seiner oberen Stellung befindet (vergl. Figur 7)» so liegen die waagerechten geraden Flüssigkeitsdurchlässe in einer Linie.mit den öffnungen innerhalb des Hilfszylinder gehäuses. In dieser Stellung des HilfsZylinders befindet sich die Niederdruckleitung in Verbindung mit der oberen Kammer, während die Hochdruckleitung mit der unteren Kammer in Verbindung steht. Der entstehende Druckunterschied drückt in Verbindung mit der Feder 36A den Ventilkolben nach oben und schließt die Durchströmöffnung des Ventils.

Eine Feder 65 oder eine andere Druckvorrichtung drückt den Hilfskolben nach unten, so daß er bestrebt ist, in der gekreuzten Stellung zu verharren. Die Position des Hilf skolbens und des Ventils wird durch die Verschiebung eines unter Federdruck

3098U/0404

stehenden Steuerkolbens bewirkt. Dieser Hilfssteuerkolben ist durch die Ziffer 70 in der Zeichnung bezeichnet und ist, wie ersichtlich, gleitend innerhalb eines Zylinders 7^ angeordnet. Innerhalb dieses SteuerZylinders oberhalb des Kolbens ist eine Feder 72 angeordnet, die den Kolben durch Druck an einer Aufwärtsbewegung hindert. Der Steuerkolben vermag §ich im übrigen frei innerhalb des Zylinders nach oben und unten zu bewegen, was von der auf ihn einwirkenden Druckdifferenz abhängt. Eine Kolbenstange 73» die am unteren Ende das Hilfskolbens 52 angebracht ist, erstreckt sich von dem Hilfszylinder durch Öffnungen, die mit geeigneten Dichtungen am oberen und unteren Ende des Steuerzylinders versehen sind. Wenn-der unter Federdruck stehende Steuerkolben sich dem oberen Ende seines Zylinders nähert, drückt er die Kolbenstange aufwärts und verschiebt den Hilfskolben in die Stellung, in .der ein waagerechter Durchfluß erfolgt, wodurch das Ventil geschlossen wird.

Wie oben ausgeführt, wird die vom Steuerkolben eingenommene Stellung durch das Vorhandensein ein Regelflüssigkeit gesteuert. Diese Regelflüssigkeit, die beispielsweise eine hydraulische Flüssigkeit sein kann, ist innerhalb der oberhalb und unterhalb des Steuerkolbens vorgesehenen Kammer vorhanden. Die Kammer unterhalb des Kolbens befindet sich in Verbindung mit einer unteren Kammer, in der sich ein ausdehnbares Glied 75 befindet, welches die Regelflüssigkeit von der innerhalb der Hochdruckleitung 57 befindlichen Flüssigkeit trennt. Die Kammer oberhalb des Steuerkolbens befindet sich in Verbindung mit einer ähnlichen oberen Kammer, in der sich ebenfalls ein ausdehnbares Glied befindet, das mit der Ziffer 76 bezeichnet ist, aber die hierin befindliche Regelflüssigkeit von der Flüssigkafc

309844/0404

trennt, die innerhalb der Niederdruekleitung 59 vorhanden ist. Auf diese Weise wird der Druckunterschied zwischen der Hochdruckflüssigkeitsleitung und der Mederdruckflüssigkeitsleitung durch die Eegelflüssigkeit erzeugt. In den Strömungsverlauf zwischen den beiden ausdehnbaren Gliedern ist eine einseitig wirkende ilüssigkeitssperre eingebaut, die derart angeordnet ist, daß sie eine Strömung aus der mit der Hochdruckleitung in Verbindung stehenden Kammer zu der mit der Niederdruckleitung in Verbindung stehenden Kammer unbedingt verhindert. Dadurch wird unter normalen Strömungsverhältnissen, bei denen das Ventil offen ist, wie es die Figuren 5 und 6 zeigen, und der Druck unterhalb desselben den darüber herrschenden übersteigt, die Strömung der Regelflüssigkeit verhindert, wodurch die Aufwärtsbewegung des Steuerkolbens wesentlich verzögert wird. Die in einer Sichtung wirkende Flüssigkeitssperre gestattet jedoch eine ungehinderte Strömung in entgegengesetzter Eichtung. Wenn also die Strömung im Bohrloch an der Erdoberfläche behindert ist und der Druckunterschied innerhalb des Ventils bis zu einem Punkt vermindert ist, an welchem die durch die Feder des Steuerkolbens erzeugte Kraft größer ist als die Kraft, die infolge des Druckunterschiedes auf den Kolben wirkt, so vermag die Eegelflüssigkeit frei zu strömen und gestattet so eine rasche Rückkehr des Steuerkolbens in seine ursprüngliche Stellung. Die einseitige Flüssigkeitssperre wirkt wie ein Zeitschalter von der Art eines Stoßdämpfers. Sie gestattet eine Aufwärtsverschiebung des Steuerkolbens innerhalb eines vorgegebenen Steuerungsintervalls, das durch Einregelung des Strömungswiderstandes variiert werden kann, und ermöglicht dennoch eine rasche Eückkehr desselben mit Hilfe eines an der Oberfläche erzeugten Drucksignals, um den Zyklus von neuem in Gang zu setzen.

309844/0404

Wenn der Druckstoß, der den Druckunterschied innerhalb des Ventile vermindert, nicht vor Beendigung des vorbestimmten Strömungsintervalls empfangen wird, erreicht der Steuerkolben das¹ obere Ende des Zylinders und treibt den Hilfskolben nach oben, was zu einer Schließung des "Ventils führt.. Es sei bemerkt, daß die Zeitschaltung des Strömungsintervalls dem Produkt aus der Druckdifferenz und der verstrichenen Zeit entspricht, die ihrerseits der gesamten, durch das Ventil, hindurchströmenden Flüssigkeit proportional ist. Das geschlossene Ventil kann in der Folge durch Erhöhung des Drucks innerhalb der Bohrleitung oberhalb des Ventils wieder geöffnet werden. Sobald sich der Druck oberhalb des Ventils dem darunter herrschenden nähert, drückt dit, den Steuerkolben belastende Feder diesen zusammen mit dem Hilfskolben nach unten, wodurch der Hilfskolben in die Stellung der gekreuzten Flüssigkeitsdurchlässe gelangt. Infolge da*ron bewirkt die Druckverminderung oberhalb des Ventils bis zum Ausmaß des unterhalb desselben herrschenden Drucks, daß der auf den Ventilkolben wirkende Differenzdruck das Ventil öffnet.

Claims

Patentansprüche

1. Unterirdisches Ventil zur Regelung der Strömung durch eine Bohrleitung, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Steuerung des Ventils zwischen einer Offen- und einer Schließstellung am Ende einer vorgegebenen Strömungsperiode, wobei diese Einrichtungen in Abhängigkeit von einem äußeren Signal rückstellbar sind, um die vorgegebene .Strömungsperiode vor der Ventilbetätigung wieder in Gang zu setzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß _i=i die Steuermittel einen Zeitschalter zur Bestimmung der Spanne der Strömungsperiode aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtungen eine durch einen Differenzdruck gesteuerte Vorrichtung zur Bestimmung der Spanne der Strömungsdauer vor der Betätigung des Ventils aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanne der Strömungsperiode von dem Gesamtvolumen der Flüssigkeit bestimmt wird, die durch die Leitung fließt.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtungen eine Einrichtung umfassen, die auf den Druck innerhalb der Bohrleitung anspricht, um die Vorrichtung zurückzustellen.

309844/0404

6. Vorrichtung zur Regelung der Strömung durch eine Leitung innerhalb eines Bohrlochs, das sich unter der Erdoberfläche erstreckt, gekennzeichnet durch ein unterirdisches'Ventil, das innerhalb dieser Leitung angeordnet,, und so eingerichtet ist, daß es für gewöhnlich in geschlossener Stellung sich befindet, sowie Einrichtungen, die auf ein äußeres Signal reagieren, um. das Ventil für eine bestimmte Strömungsdauer offenzuhalten. .,.-·-

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil Druckvorrichtungen aufweist, die das Ventil in die Schließstellung drücken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Zeitschal tvorrichtung zur Bestimmung der Spanne der Steuerungsdauer.

9· Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die durch einen Differenzdruck betätigt werden, um die Spanne der Strömungsdauer zu bestimmen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtungen auf den Druck innerhalb der Bohrleitung' ansprechen.

11. Vorrichtung zur Regelung einer Flüssigkeitsströmung durch eine Leitung innerhalb eines Bohrloches, das sich unterhalb der Erdoberflafciüe* 'befindet, gekennzeichnet, durch eine Kombination folgender Merkmale:

2317648

a. Innerhalb der Leitung ist ein unterirdisches Ventil angeordnet, das in geschlossener Stellung in der Lage ist, den flüssigkeitsstrom zu unterbrechen.

b. Es sind Druckvorrichtungen vorhanden, um das Ventil in die geschlossene Stellung zu drücken.

c. Es sind;Steuervorrichtungen vorhanden, die auf ein äußeres Signal ansprechen, um das Ventil in offener Stellung gegenüber der Wirkung der Druckvorrichtungen während einer bestimmten Strömungsdauer zu halten, wobei diese Steuervorrichtungen dazu in der Lage sind, am Ende der Strömungsdauer in Abwesenheit eines äußeren Signals während der Strömungsperiode das Ventil aus der offenen Stellung freizugeben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtungen einen Zeitschalter zur Bestimmung der Spanne der Strömungsdauer vor der Umschaltung aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtungen eine durch Differenzdruck betätigte Einrichtung zur Bestimmung der Spanne der Strömungsperiode vor der Umschaltung aufweisen.

14. Vorrichtung nach Anspruch Ί1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung eine Einrichtung umfaßt, die auf den Druck innerhalb der Bohrleitung reagiert, um die Apparatur wieder in die Ausgangsstellung zurückzuversetzen.

309844/(U(H-

15. Vorrichtung zur Regelung einer Flüssigkeitsströmung durch eine Leitung innerhalb eines Bohrlochs, das sich unter der Erdoberfläche erstreckt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: '

a. Ein unterirdisches Ventil, das innerhalb der Leitung angeordnet und mit Druckvorrichtungen ausgerüstet ist, die das Yentil in die Schließstellung drücken,

b. Mittel, um das Ventil entgegen diesen Druckvorrichtungen in offener Stellung zu halten,-

c. Mittel, die die Beendigung einer Strömungsperiode von vorbestimmter Dauer anzeigen,

d. Mittel, die auf ein Signal reagieren, das an der Erdoberfläche erzeugt wird, um die Strömungsperiode wieder beginnen zu lassen, um eine Verzögerung der Beendigung der Strömungsperiode zu gestatten,

e. Mittel, die auf die Anzeigevorrichtung reagieren, um die Haltevorrichtungen freizugeben, die das Ventil bei Beendigung der Strömungsperiode schließen.

16. Verfahren zum Regeln einer Flüssigkeitsströmung innerhalb eines Bohrlochs, das sich unter der Erdoberfläche erstreckt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:

a. Regelung der Flüssigkeitsströmung innerhalb der Leitung jan einem unterirdischen Regelpunkt, um die Flüs_- sigkeitsströmung hierdurch am Ende einer vorgegebenen Strömungsperiode auf der Grundlage eines Regelsignals während dieser Strömungsperiode zu beenden,

4Α/0ΛΜ:

'J 4;

"b. Übermittlung des Signals von der Erdoberfläche mit einer Itequenz, daß dieses Signal an dem Regelpunkt vor dem Ende jeder Strömungsperiode, durch die der kontinuierliche Strom unterbrochen wird, ankommt.

Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal einen Druckimpuls darstellt, der durch die· ITiissigkeifc in der Leitung übertragen wird.

309 8A4/QUU