DE2452433B2 - Hydraulisch betätigter Bohrlochpacker für ZwUlingsrohrgestange - Google Patents
Hydraulisch betätigter Bohrlochpacker für ZwUlingsrohrgestangeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bohrlochpacker für Zwillingsgestänge, insbesondere für Ölbohrungen mit
zwei im wesentlichen parallelen Rohrgestängen, mit um die Rohrgestänge angeordneten nachgiebigen Pakkungselementen und über Packungsanschläge diesen
zugeordneten Fangkeilen, die mittels einer Kolben-Zylinder-Anordnung betätigbar sind.
Häufig ist es während der Zeit der Förderung von einer Ölbohrung wünschenswert oder notwendig, aus
zwei oder mehr verschiedenen, von dem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Formationen zu för
dem. Dies wird gewöhnlich durch die Verwendung von
Bohrlochpackern erreicht, die zwei oder mehr durch sie hindurchgehende Rohrstränge aufnehmen.
Die Zweistrangpacker oder Packer mit zwei Kanälen werden normalerweise zusammen mit einem einfachen
5' Standard-Rohrstrangpacker verwendet, der am Rohrstrang unterhalb des Zweistrangpackers angeordnet ist,
und zwar am Rohrstrang, der mit einer tieferen Formation unterhalb des Standardpackers in Verbindung steht und an einen Leitungsstrang im Zweistrang-
packer angeschlossen ist und damit an einen Strang, der zur Oberfläche führt. Die zweite Formation liegt
normalerweise zwischen dem Standardpacker und dem Zweistrangpacker; aus ihr kann durch den zweiten
Strang, der sich durch den Zweistrangpacker zieht und mit einem zweiten, zur Oberfläche führenden Rohrstrang verbunden ist, gefördert werden.
Ein derartiger Bohrlochpacker wird in der US-PS 67 127 beschrieben, bei der zwei getrennte Fangkeile
Ober einem Dom von getrennten Zylindern betätigt werden. Ein einstückiger Fangkeil wird in der US-PS
37 14 984 beschrieben, der um seine quer zum Bohrloch verlaufende Achse kippbar ist und der an seinen
Außenflächen Greifzähne aufweist Dieser Fangkeil ist jedoch nur für Einzelrohre geeignet
Die Nachteile der genannten Zweistrangpacker liegen in ihrem komplizierten Aufbau, in ihrer großen
Länge und darin, daß die keilförmigen Abfangelemente durch Verschieben oder Verlängern des Rohrstrangs
und/oder Futterrohrs während der Förder- oder Einsatzdauer des Packers gelöst werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweistrangpacker zu schiffen, der einen vereinfachten
Aufbau sowie eine geringere Länge im Vergleich zu bekannten Packern dieser Axt hat und der mit äußerst
leistungsfähigen und zweckentsprechenden, kreis- oder rohrförmigen unitären Fangkeilen ausgerüstet ist
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die
Fangkeile einstückig-zylindrisch und schwenkbar ausgebildet sind und doppelte, parallele Durchgangsbohrungen für die Rohrgestänge aufweisen, und daß d^r
Kolben der Kolben-Zylinder-Anordnung ein einstückiges im wesentlichen zylindrisches Teil mit axialen
Zwillingsbohrungen ist das die Rohrgestänge ringförmig umgibt und eine innere DifferentiaJdruckfiäche
aufweist Durch diese Ausführung wird ein Bou !ochpacker mit einfachem Aufbau geschaffen, der betriebssicher und leistungsfähig ist und der eine geringe Länge
beansprucht
Ausführungsformen und Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9
beschrieben.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes.
F i g. 2A und 2B zeigen den Längsschnitt durch den Bohrlochpacker nach der Linie 2-2 in der F i g. 1;
Fig.3A und 3B zeigen den Längsschnitt nach der
Linie 3-3 in der F i g. 1;
Fig.4A und 4B stellen den Längsschnitt nach der
Linie 4-4 in der F i g. 1 dar;
F i g. 5 ist der Querschnitt nach der Linie 5-5 in der Fig. 2;
Fig.7 ist eine Draufsicht auf den unitären Fangkeil
und
F i g. 8 zeigt einen Längsschnitt durch den Bohrlochpacker in seiner festgelegten Stellung;
Fig.9 ist eine Draufsicht auf eine abgewandelte Ausführungsform des Bohrlochpackers gemäß der
Erfindung;
Fig. 1OA bis IOC sind Längsschnitte nach der Linie
10-10 in der F ig. 9;
F i g. 1IA bis 1 IC stellen Längsschnitte nach der Linie
11-11 in der F ig. 9 dar;
F i g. 11D ist ein Querschnitt durch eine Sperrkeil-Haltehülse und
F i g. 11F zeigt eine Teilstirnansicht der Sperrkeil-Haltehülse;
Fig. 12A bis 12C stellen den Längsschnitt nach der
Linie 12-12 in der F i g. 9 dar;
Fig. 13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines abscherbaren Sperrzapfcrs;
Sperrkeils des Feststellzylinders der Kolben/Zylinderanordnung;
Fig. 15A und 15B sind schematische Längsschnitte der Zähne am Fangkeil;
Fig. 16A und 16B zeigen im Querschnitt und im Radialschnitt die von der Vorrichtung gelösten Keilanker;
F i g. 17 zeigt einen Schnitt durch einen Fangkeil nach
der zweiten Ausführungsform;
ίο F i g. 13 stellt die Seitenansicht zu F i g. 17 dar;
Fig. 19 ist ein Querschnitt durch eine Anordnung
zum Festlegen eines Rohrgestänges;
F i g. 20 zeigt den Längsschnitt nach der Linie 20-20 in
der F ig. 19;
F i g. 21 zeigt den Längsschnitt nach der Linie 21 -21 in
der F ig. 19.
Bei dem in den F i g. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes besteht ein Bohrlochpacker 1 aus einem oberen Gestängeverbindungs-
kopf 2, einem nachgiebigen Packungssatz 3, einem oberen Fangkeil 4, einem unteren Fü^keil 5 und einer
Kolben/Zylinderanordnung 6, wobei alle üiese Elemente ein Primär- bzw. Sekundär-Rohrgestänge 7 bzw. 8
mehr oder weniger umschließen.
Der obere Gestängeverbindungskopf 2 weist ein einteiliges Gestängekopfstück 9 mit parallelen, längsgerichteten Durchgangsbohrungen 10,11 auf, die Innengewindeabschnitte 10a, Ua haben, in denen die zylindrischen Rohrgestänge 7, 8 aufgenommen sind. Ein
Aufnahmeschlußstück 12 ist durch Schraubenbolzen 13 mit dem Gestängekopfstück 9 verbunden und weist
Durchgänge 106, 116 auf, die in axialer Richtung auf die
Durchgangsbohrungen 10,11 des Gestängekopfstücks 9 ausgerichtet sind und mit diesen Bohrungen überein
stimmen. Das Aufnahmeschlußstück 12 hat eine konkav
ausgebildete Oberfläche 12a, die dazu dient, eine Rohrstrangverbindung 14 in den Durchgang üb zu
leiten. Das Gestängekopfstück 9 hat ferner ein Innengewindeteil 10c, das einen Abschnitt einer Leitung
oder eines Rohrstücks über einen Gewindeanschluß aufnehmen kann.
Die über eine Gewindeverbindung fest am Gestängekopfstück 9 angebrachten Rohrgestänge 7,8 erstrecken
sich parallel zur Längsachse des Bohrlochpackors 1 und
im allgemeinen parallel zum Bohrloch; sie haben untere
Gewindestücke 7a und 8a, die die Kolben/Zylinderanordnung 6 nach unten überragen; das eine oder beide
können über ein Gewinde mit einem unteren, sich abwärts in das Bohrloch erstreckenden Rohrstrang
verbunden sein.
In absteigender Reihenfolge sind an den Rohrgestängen 7, 8 verschiebbar befestigt: der obere unitärc
Fangkeil 4, der obere Fackungsanschlag 31, ein oder mthreie Packungselemente 32 und der untere Pak
kungsanschlag 33. Der obere und untere Packungfan-
schlag 31 bzw. 33 sind zylindrische MetallpUtten mit
einer ausgekehlten Oberfläche an einer Seite und mit
zwei Bohrungen zur Aufnahme der Rohrgestänge 7,8.
nachgiebigen Werkstoff, z. B. synthetischem Gummi; sie sind im allgemeinen zylindrisch und haben axial durch
sie hindurchgehende Zwillingsbohrungen, um die Rohrgestänge 7,8 bündig aufzunehmen. Die Packungselemente 32 sind so angeordnet, daß sie eng aneinander
liegen und auch dicht an den ausgekehlten Rächen der Anschlagplatten 31, 33 anliegen. Ein geflanschter
Befestigungsring 34, der an eine äußere Schulter 18 am Rohrgestänge 8 anstößt, begrenzt eine Abwärtsbewe-
gung des Packungssatzes 3 an den Rohrgestängen, indem er sich auch gegen die Unterseite des unteren
Packungsanschlags 33 anlegt.
Der untere unitäre Fangkeil S ist an den Rohrgestängen so angeordnet, daß er diese umgibt und an ihnen
verschiebbar ist; der Fangkeil 5 ist dem Fangkeil 4 gleichartig, jedoch ist er zum Fangkeil 4 in umgekehrter
Lage befestigt.
Die Kolben/Zylinderanordnung 6 ist an den Rohrgestängen 7, 8 so befestigt, daß sie diese umgibt, und sie
besteht aus einem zylindrischen Festslellkolben 61 sowie einem zylindrischen Feststellzylinder 62. Der
Feststellkolben 61 ist ein im wesentlichen solides zylindrisches Teil mit axialen Zwillingsbohrungen zur
Aufnahme der Rohrgestänge 7, 8 und mit einem oberen Ringraum 63 um das Gestänge 8. Der in Fig. 5 im
Querschnitt gezeigte Feststellkolben 61 hat eine Mehrzahl von querliegenden, zylindrischen Bohrungen
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Il schneiden und mit Innengewinde versehen sind. In der, Bohrungen 64 sind abscherbare zylindrische
Sperrzapfen 65 verschiebbar angeordnet, die durch die Kraft von Blatt-Schrauben- oder Belleville-Federn 66,
die durch Anlage an Schraubstopfen 67, welche in den Bohrungen 64 verschraubt sind, unter Spannung
gehalten werden, gegen das Rohrgestänge 8 gedruckt werden.
Die Sperrzapfen 65 haben einen geschwächten Abschnitt 65a, der so ausgelegt ist, daß er bei einer
vorbestimmten Belastung abschert; sie haben ferner einen gezähnten Sperrkopf 656 mit einer gekrümmten
Fläche, die der Krümmung des Rohrgestänges 8 angepaßt ist und die eine Vielzahl von Sperrzähnen 65c
aufweist, die so gestaltet sind, daß sie sich den äußeren, ringförmigen Zähnen Sb am Rohrgestänge 8 anpassen
und in diese greifen. Die F i g. 13 zeigt in einer weiteren
Ansicht eines Sperrzapfens 65 die Lage der Sperrzähne
65c am Sperrkopf 656. Die Zähne 86 und diejenigen am Sperrkopf 656 sind so angeordnet, daß sie eine
Aufwärtsbewegung der Zapfen am Rohrgestänge 8 zulassen, jedoch eine Abwärtsbewegung der Sperrzapfen
und damit eine gleichgerichtete Bewegung des Feststellkolbens 61 verhindern. Die abgestuften Flanken
der Zähne Sb und 65c ermöglichen für den Feststellkolben 61 eine Aufwärtsbewegung, indem die Zapfen
gegen die Federn 66 zurückgedrückt werden, so daß diese zusammengepreßt werden und ein Gleiten der
Zähne übereinander hinweg erlauben. Bei dem Versuch einer Abwärtsbewegung des Feststellkolbens 61 auf
dem Rohrgestänge 8 legen sich die rechtwinkligen Flanken der ZrMine 65c gegen die rechtwinkligen
Flanken der Zähne Sb und verhindern die Abwärtsbewegung. Die weitere Arbeitsweise und Funktion der
Sperranordnung wird im Zusammenhang mit der Betriebsweise des gesamten Bohrlochpackers beschrieben
werden.
Der Feststellzylinder 62 hat kreisförmigen Querschnitt und weist einen starken unteren Teil 62a auf, an
den sich ein aufwärts verlaufender äußerer Kragen 62b anschließt, der den Kolben 61 von außen umgibt Der
untere Teil 62a ist bis auf zwei sich in Längsrichtung erstreckende Bohrungen, in denen die Rohrgestänge 7,
8 bündig und verschiebbar aufgenommen sind, kompakt Der Feststellzylinder62 ist zeitweise am Feststellkolben
61 mittels einer Mehrzahl von Scherzapfen 68 befestigt Diese Zapfen 68 durchsetzen den oberen Kragen 626 in
einer Schraubverbindung und liegen in einem äußeren, den Feststellkolben 61 umgebenden Kanal 61a.
Der Feststellzyiinder 62 ist zeitweise am Rohrgestän ge 8 durch eine Mehrzahl von gekrümmten Sperrkeilen
69 befestigt, die einwärts gerichtete Schultern 69a haben, welche in eine Außenrille im Rohrgestänge 8
eingreifen. Die Sperrkeile 69 werden nach einwärts durch einen übergreifenden Anschlag eines ringförmigen Bundes 616 am unteren Ende des Kolbens 61
gehalten. Die Keile 69 verhindern durch Anlage an der Außenrille des Gestänges 8, am unteren Ende des
to Kolbens 61 und an der oberen Stirnseite des starken
unteren Teils 62a des Zylinders 62 zeitweise jede Gleitoder Verschiebbewegung der Kolben/Zylinderanordnung
in bezug auf die Rohrgestänge 7 und 8. Eine oder mehrere öffnungen 80 ziehen sich durch die Wand des
r> Rohrgestänges 8 und schaffen eine Verbindung zwischen der Durchgangsbohrung Il sowie dem
Bereich zwischen dem Kolben 61 und dem starken Ende 62a des Zylinders, um die Sperrkeile 69 in einer noch
Am unteren Ende des Gestänges 8 ist an einem Außengewindestück 8a eine mit Standardgewinde
versehene Hülse 19 befestigt, die einen Ventilsitz 21 zur Aufnahme eines Flüssigkeitsabsperrorgans 20, z. B. eine
Kugel oder einen Kegel, aufweist, das dazu dient, nach
r> Wahl die Durchgangsbohrung 11 gegenüber der Flüssigkeitsströmung durch das Rohrgestänge 8 abzusperren,
so daß durch die öffnungen 80 ein Flüssigkeitsdruck ι jr Wirkung gebracht werden kann.
Die obere Rohrstrangverbindung 14 (F i g. 2 und 4) ist
in eine rohrförmige, zylindrische Hülse 14c mit Innengewinde
14a zur Aufnahme eines Standard-Leistungsabschnitts und hat eine ringförmige äußere Vertiefung 146
zur Aufnahme eines Dichtungstragrings 15. Eine untere federnde Klemmhülse 16 ist über das Gewinde i6a mit
ü der oberen Hülse I4c verbunden und hat einen Bund
166, der gegen den Tragring 15 anliegt und diesen hält Dieser Ring 15 hat eine Mehrzahl von Ringdichtungen
17, die zwischen der Rohrstrangverbindung 14 und dem Gestängekopfstück 9 eine Abdichtung herbeiführen.
jo Die federnde Klemmhülse 16 ist zeitweise im
Gestängekopfstück 9 durch die Anlage des ringförmigen äußeren Vorsprungs 16c an dem inneren ringförmigen
Ansatz 9a im Kopfstück 9 festgelegt. Eine Bewegung des Vorsprungs 16c aufwärts hinter den
Ansatz 9a kann durch Aufbringen einer vorbestimmten Hubkraft erreicht werden, welche eine Einwärtsverlagerung
des Vorsprungs 16c bewirkt so daß er sich aufwärts hinter den Ansatz 9a bewegen kann. Die
Einwärtsverlagerung des Vorspmngs 16c wird durch
>o Ausbildung von einigen Längsschlitzen 16c in der
Klemmhülse 16 ermöglicht, die dem in den Bei eichen zwischen den Schlitzen verbleibenden Metall eine
Flexibilität verleihen. Die Größe der zur Bewegung der Klemmhülse 16 aus dem Gestängekopfstück 9 notwen digen Hubkraft kann nach Wunsch durch die Anzahl
und/oder Breite der Schlitze 16c/ und/oder den
Angriffswinkel zwischen dem Vorsprung 16c und dem
Fangkeile zu entnehmen. Jeder Fangkeil 4 und 5 besteht
aus einem im allgemeinen zylindrischen Teil, an dessen äußeren Bereichen auf gegenüberliegenden Seiten eine
Mehrzahl von Zähnen 41 angebracht ist, die sich um den Fangkeilkörper ziehen, wobei die Krümmungsachse
unter einem Winkel zur mittigen Längsachse des Fangkeils angeordnet ist Die Zähne 41 sind ferner so
angebracht, daß die Schnittlinie einer durch die Fangkeillängsachse gelegten Ebene mit den äußersten
Zahnspitzen eine gekrümmte Linie beschreibt, wie in
den Fig. I5A und 15B gezeigt ist. Diese Ausgestaltung
ermöglicht die Verwendung der Fangkeile in Futterrohren von unterschiedlichem Innendurchmesser und
vermeidet die sonst notwendige Bereitstellung von einzelnen Fangkeilsätzen für verschieden bemessene
Auslutterungen. Bei Futterrohren von geringerem Innendurchmesser, d. h. mit größerem Einheitsgewicht,
wie in Fig. 15A gezeigt, liegen die beiden Sätze von
Zähnen nahe dem Zentrum des Fangkeils mit dem geringsten Abstand zwischen sich an de1- Futterrohrwand
mit dem größten ßerührungsbcreich an; bei Futterrohren mit größerem Innendurchmesser und
damit geringerem F.inheitsgcwicht, wie in Fig. I5B
gezeigt, berühren die Zähne an den beiden äußeren Enden des Fangkeils die Ausfütterung auf Grund des
größeren Abstandes zwischen den oberen äußeren und unteren äußeren Zähnen.
Das gekrümmte Zahnrandprofil nach Fig. I5A und
I5B ermöglicht diese Anpassungsfähigkeit bei der Verwendung, indem ein größerer Berührungsbereich
zwischen Zähnen und Futterrohrwand ohne Rücksicht darauf geschaffen wird, weiche der Zähne zur
Verankerung des Bohrlot hpackers herangezogen werden.
Wie die F i g. 6. 7 ind 7A zeigen, hat jeder uniläre
Fangkeil einen zweiachsigen Durchgang zur Durchführung je eines Rohrgestänges. Eine Achse eines jeden
Durchgangs liegt parallel zur mittigen Längsachse des Fangkeils, die andere Achse liegt in der gleichen Ebene
unter einem Winkel zur ersten Achse.
In F i g. 6 sind die sich schneidenden Durchgänge im
einzelnen gezeigt, wobei deren Längsachsen mit ,V-A'
und V-V bezeichnet sind. Bei dieser Seitenansicht fluchten die beiden Rohrgestänge miteinander, so daß
nur ein Durchgang im Schnitt zu sehen ist. Die Achse
X-Xbestimmt die gestrichelt gezeichneten Durchgänge
43. Wenn der Fangkeil so ausgerichtet ist. daß die Rohrgestänge in diesen Durchgängen aufgenommen
sind, dann sind die Fangzähne in ihrer innersten Lage, d. h. außer Berührung mit der Futterrohrwand.
Wenn der Fangkeil gedreht worden ist, so daß die Durchgänge 44, die mit ausgezogenen Linien dargestellt
sind, mit den Rohrgestängen in Anlage sind, dann nehmen die Fangzähne ihre äußerste Lage gegenüber
den Rohrgestängen ein und können sich gegen die Futterrohrwand anlegen.
Der Winkel zwischen den Achsen X-Xund V-Vkann im Bereich von 5 bis etwa 35° liegen; vorzugsweise liegt
er bei 18 bis 20°.
Der in F i g. 6 gezeigte Fangkeil 5 hat eine Anschlagfläche 51, die der Anschlagkante 52 gegenüberliegt und einen doppelten Zweck hat.
Eine Drehung des Fangkeils zur Anlage an das Futterrohr wird durch Bewegen eines Anschlagmittels,
z. B. des Kolbens 61, gegen die zusammengesetzte Fläche 51 erreicht wodurch der Fangkeil entlang des
Rohrgestänges verschoben wird, bis die Anschlagkante auf einen ihr gegenüberliegenden Anschlag trifft Aus
der an der Kante 52 wirkenden Kraft resultiert ein Drehmoment für den Fangkeil, das durch die dem
Fangkeil vermittelten Anschlagkräfte unterstützt wird.
Die Fläche 51 wurde als zusammengesetzte Fläche bezeichnet da sie einen ebenen oder flachen Teil 51a
und einen an diesen anschließenden tangential gekrümmten Teil 51u hat Die Kränffiiung des Flächenteils
51 b hat vorzugsweise einen Radius R, der im wesentlichen gleich 0,5 L ist wobei L die axiale Länge
des Fangkeils entlang der Achse X-X ist. Die gekrümmte Fläche 516 berührt die ebene Fläche 51a an
demjenigen Punkt, an dem die Achse X-X sich mit der Fläche 51 am Ende des Fangkeils schneidet. Der
Fangkeil ist um den Punkt C schwenkbar, der den Schnittpunkt der Achsen X-Xund V-V darstellt und
etwa auf die Hälfte der Länge L des Fangkeils, gerechnet von der Fläche 51 ab, liegt.
In Fig.6 ist eine strichpunktierte Linie P nahe der
Fläche 516 eingezeichnet, um die Konstruktion eines üblichen Fangkeils nach dem Stand der Technik
anzudeuten, wie ein solcher in der US-Patentschrift 37 39 849 beschrieben ist. Obwohl dieser Fangkeil
bereits gegenüber dem vorher bekannten eine bedeutende Verbesserung darstellt, erfordert das Vorhandensein
der Schulter P demnach ganz wesentliche zusätzliche Einrichtungen an dem Packer, bei dem er
verwendet wird.
Vor allem muß ein bedeutender Abstand bei diesem fangkeil zwischen ihm in seiner nicht festgestellten
Lage und dem unteren Anschlagmittel eingehalten werden, um ein Schwenken des Fangkeils zur Anlage an
das Futterrohr zu ermöglichen. Dies beruht darauf, daß der Radius Rp beträchtlich größer ist als die Strecke
0.5 L. und deshalb muß ein Minimumabstand, der gleich Rp-R ist. unterhalb der ebenen Fläche des bekannten
Far.gkeils eingehalten werden, so daß er in die Feststellage gedreht werden kann.
Um den Abstand aufrechtzuerhalten, um den Fangkeil in einer drehbaren Lage abzustützen und um
das Aufbringen eines Kraftmoments auf die Anschlagfläche 52, ohne den Fangkeil damit abwärts zu drücken,
/u ermöglichen, wurde der bekannte Fangkeil notwendigerweise
bei C auf Schwenkzapfen gelagert, die den Fangkeil durchsetzen und in eine innere Traghülse
eingreifen. Der auf die Fläche 52 wirkenden Abwärtskraft wirkte die entgegengesetzt gerichtete Aufwärtskraft der Fangkeilzapfen entgegen, die das gewünschte
Drehmoment herbeiführten. Die Innenhülse und die Zapfen dienten auch dazu, den Fangkeil von dem
unteren Anschlagmittel entfernt zu halten, so daß er geschwenkt werden konnte. In der US-Patentschrift
37 39 849 sind in F i g. 1 die innere Hülse 20 und die Tragzapfen 34 gezeigt, in dieser Figur ist der freie Raum
unter dem Fangkeil nicht dargestellt, da dieser in seine Angriffs- oder Feststellage gedreht worden ist.
Im Gegensatz zu dem bekannten Fangkeil sind bei demjenigen nach der Erfindung die Traghülse, die
Schwenkzapfen und der Schwenkraum nicht notwendig.
Da der Krümmungsradius der Fläche 516 um den Schwenkpunkt Cgieich dem Abstand der Fläche 51a
vo .τι Punkt Cist, ist klar, daß der Fangkeil 5 um C im
gleichen Raum geschwenkt werden kann, den er in seiner nicht festgehaltenen Lage einnimmt Damit ist die
Notwendigkeit für die Traghülse, die Zapfen und den freien Raum unterhalb der Fläche 51 beseitigt Ferner
kann die Fläche 51 in konstanter Anlage an benachbarten Anschlagmitteln bleiben, um das notwendige
Drehmoment von Kräften an der Kantenfläche 52 zu liefern, wodurch die Notwendigkeit für Tragzapfen bei
Centfällt
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fangkeils liegt in dessen garantiertem Festlegen. Sollte bei
dem erwähnten bekannten Fangkeil der freie Raum unter diesem jemals vermindert werden, z. B. durch
Laugung der Τεϋε, durch Ansammlung von Schmutz
oder Rohrrückständen in dem notwendigen freien Raum, durch Ausfall eines oder mehrerer Teile oder
durch unkorrekten Zusammenbau des Werkzeugs bei seiner Herstellung, und zwar bis zu dem Punkt
vermindert werden, an dem der freie Raum oder Abstand wesentlich geringer wird als der Wert
Rp-0,5 L, dann wird klarerweise die Kante /'gegen die
untere Fläche oder den Schmutz entgegengesetzt zu den Feststellkräften an der Kante 52 treffen und das
erwünschte Drehmoment um C wird aufgehoben oder gelöscht.
Bei dem Erfindungsgegenstand ist diese Situation nicht vorhanden, da der Fangkeil drehen kann, ohne daß
hierzu ein freier Abstand oder Raum notwendig ist, und weil er auf Grund seiner einfachen Gestaltung weder
Zapfen noch Hülsen hat; ein unkorrekter Zusammenbau und ein Ausfall von Teilen sind nahezu absolut
ausgeschaltet.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fangkeils ergibt sich bei seiner Verwendung als unterer
ι uitgnt.ii; acfiit. νι mm ι üuhiimii αιι t-Mtt.ni ι uiim
festgesetzt werden, an dem die noch näher zu erläuternde Aiislösefeder 49£>
nicht in der Lage ist, ihn aus seiner Anlage oder Eingriffsstellung zu schwenken,
so kann ein Lösen allein durch Aufwärtsstoßen der unteren Anschlagmittel gegen den Fangkeil herbeigeführt
werden. Da irgendein Punkt an der gekrümmten Fläche 5lb direkt unterhalb von C liegen und den
Aufwärtsstoß aufnehmen wird, wird klarerweise dem Fangkeil kein Drehmoment vermittelt; zusätzlich zur
Lösekraft der Auslösefelder 49Z? wird die einfache, aufwärts wirkende Kraft den Fangkeil vom Futterrohr
freimachen. Die obere Kante 52 wird bei diesem Schritt des Lösens selbstverständlich frei von einem Anschlag
sein.
Der Fangkeil 4 ist dem hier beschriebenen Fangkeil 5 gleichartig. Es ergibt sich somit, daß durch die beiden,
Seite an Seite liegenden Durchgänge und durch die zusammengesetzte Anschlagfläche 51 (eben und gekrümmt)
der unitäre Fangkeil um die beiden parallelen Rohrgestänge 7, 8 aus einer Lage, in der er nicht am
Futterrohr angreift, in eine Angriffslage an diesem ohne irgendeine Störung bzw. Beeinflussung zwischen Fangkeil
und Rohrgestänge schwenken kann.
Jeder Fangkeil hat auch, wie F i g. 3 zeigt, einen sich über einen Teil seiner Länge erstreckenden Freigabeschlitz
46, der die Wand des Fangkeils in einer zur Ebene der doppelachsigen Durchgänge und der mittigen Achse
senkrechten Ebene durchsetzt. Ein dritter Durchgang 47 zieht sich von der inneren Stirnfläche 46a des
Freigabeschlitzes 46 durch den Fangkeil zum entgegengesetzten Ende. Der Schnitt von F i g. 3 macht den
Zweck des Schlitzes 46 und Durchgangs 47 deutlich; er dient zur Aufnahme des L-förmigen, mit Gewinde
versehenen Freigabezapfens 48 und der Freigabefeder 48a im oberen Fangkeil 4, während beim unteren
Fangkeil 5 der Haltebolzen 49, ein mit einem Vorsprung versehener Bolzenring 49a und die Auslösefeder 49b,
die eine Schraubenfeder ist aufgenommen werden. In jedem Fangkeil ist eine Vertiefung 49c ausgebildet die
der Aufnahme der Freigabefeder 48a dient die andererseits in einer Vertiefung 486 des L-förmigen
Freigabezapfens 48 liegt der durch den Durchgang 47 geht und im unteren Teil des Gestängekopfstücks 9
verschraubt ist Auch der Haltebolzen 49 durchsetzt den Durchgang 47 im unteren Fangkeil 5 und ist im oberen
Ende des Feststellkolbens 61 verschraubt
In den F i g. 2 bis 5 ist der Bohrlochpacker in der nicht festgesetzten Lage gezeigt wobei die Rohrgestänge 7,8
in den pp.-allel zur mittigen Längsachse der Fangkeile
angeordneten Durchgängen 43 liegen. Die Fig.8 zeigt den Bohllochpacker in seiner betätigten Lage, wobei er
erweitert worden ist und dichtend sowie verankernd an der Futtorrohrwand anliegt. In dieser Stellung sind die
Fangkeile geschwenkt worden, so daß die Rohrgestänge in den zweiten Durchgängen 44, die unter einem Winkel
zu den Durchgängen 43 angeordnet sind, liegen.
Eine typische Verwendung des beschriebenen Bohrlochpackers erfolgt bei einer Formation mit zwei
ίο Förderzonen. Hierbei wird er über die Gewindestücke
10c und Ta mit übereinstimmenden Gewinden von Standard-Rohrsektionen eines Förderrohrstrangs verbunden.
Dieser hat unterhalb des Bohrlochpackers einen Stiindardpacker, der den Ringraum /wischen dem
Förderrohrstrang und dem Futterrohr zum gewünschten, vorbestimmten Zeilpunkt dicht abschließt.
Der Förderrohrstrang wird mit dem Standardpacker und dem Bohrlochpacker 1 in das Bohrloch abgesenkt,
zwischen den beiden Förderzonen oder -formationen liegt. Der Bohrlochpacker 1 wird oberhalb der oberen
Förderzone angeordnet.
Durch geeignete Mittel, z. B. Betätigung des Strangs oder Anwendung von hydraulischem Druck, wird der
untere Packer im Futterrohr festgesetzt. Dieses Festsetzen des unteren Packers kann alternativ auch
durch einen Seilzug oder andere Mittel erfolgen, bevor der primäre und sekundäre Rohrstrang in das Bohrloch
abgesenkt werden; dann kann der primäre Rohrstrang in den unteren Packer »eingestochen« werden. Hierauf
kann der sekundäre Förderrohrstrang im Bohrloch abgesenkt werden, wobei die Rohrstrangverbindung 14
am unteren Ende angeschraubt ist. Wenn der Strang ausreichend weit abgesenkt worden ist, erfaßt die
Verbindung 14 das Gestängekopfstück 9 und schnappt in ihre Lage. Der zweite Strang steht dann über die
Durchgangsbohrung 11 im Gestängekopfstück 9 mit dem Rohrgestänge 8 in abgedichteter Verbindung.
Ein Kugel- oder Kegel-Absperrorgan 20 wird an einem Seilzug in den zweiten Rohrstrang abgelassen
oder in diesen gepumpt, um am Ventilsit- 21 einen Abschluß herzustellen, so daß die Flüssigkeit im zweiten
Strang unter Druck gesetzt werden und durch die Durchgangsbohrung 11 und die Öffnungen 80 gegen das
untere Ende des Feststellkolbens 61 wirken kann. Wenn in der Durchgangsbohrung 11 ein ausreichender Druck
erreicht worden ist, wird der Kolben 61 die Zapfen 68 abscheren und sich aufwärts gegen die untere
Anschlagfläche 51 des unteren Fangkeils 5 bewegen,
so wobei dieser Fangkeil aufwärts verschoben wird, bis seine obere Anschlagkante 52 die Unterkante des
unteren Packungsanschlags 33 berührt Eine Aufwärtsbewegung des Feststellkolbens 61 am Rohrgestänge 8
wird durch das Rutschen der Sperrzapfen 65 über die Rohrgestängezähne Sb ermöglicht; dieser Klinkenmechanismus verhindert gleichzeitig eine Abwärtsbewegung des Feststellkolbens 61 am Rohrgestänge 8 unter
normalen Betriebsbedingungen.
Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 61 unter dem hydraulischen, aufwärts wirkenden Druck wird die
Aufwärtskraft auf den unteren Fangkeil 5 und von diesem auf den Packungssatz 3 sowie auf den oberen
Fangkeil 4 übertragen. Das Anstoßen der Fangkeile am Packungssatz führt zu einer Schwenkung der Fargkeile
tür Anlage an das Futterrohr und zugleich zu einem
Zusammenpressen der Packungselemente 32. Auf diese Weise kann durch fortgesetztes Aufbringen eines
hydraulischen Drucks von ausreichender Größenord-
nung für einen kurzen Zeitraum ein Festsetzen der
beiden unitären Fangkeile gegen das Futterrohr und ein Ausdehnen der nachgiebigen Packungselemente zur
dichten Anlage am Futterrohr, wie F i g. 8 zeigt, erreicht werden. ■>
Bei Aufheben des hydraulischen Drucks in der Durchgangsbohrung 11 werden die nachgiebigen
Packungselemente bestrebt sein, sich in Längsrichtung auszudehnen und sich in radialer Richtung zusammenzuziehen.
Das führt zu einer konstanten Aufwärtskraft am Fangkeil 4 und zu einer konstanten Abwärtskraft am
Fangkeil 5, so daß diese in Anlage am Futterrohr gehalten werden. Auch die Sperrzapfen 65 halten das
Rohrgestänge 8 ineinandergeschoben mit dem Feststellkolben 61, wodurch verhindert wird, daß der Packer π
gelöst wird, sollte das Rohrgestänge 8 sich aus irgendeinem Grund im Bohrloch aufwärts bewegen
wollen.
lösen, so kann das nach Wahl durch Entfalten einer Aufwärtskral, am Rohrgestänge 7 und damit am
Rohrgestänge 8, die ausreicht, um die Sperrzapfen 65 an ihrem geschwächten Abschnitt 65a abzuscheren, geschehen.
Um ein Biegen oder Knicken des Sperrkopfs 65i>
entlang des Spalts im geschwächten Bereich 65a zu verhindern, kann in diesen Spalt ein relativ weiches
Füllmaterial, z. B. Blei oder plastischer Kunststoff, eingebracht werden, das das Biegemoment aL ,iitimt
und ein einwandfreies Absehern der Zapfen sicherstellt.
Nach dem Abscheren der Zapfen 65 bewegen sich die Rohrgestänge 7, 8 mit Bezug auf die Fangkeile 4, 5 und
den Packungssatz 3 aufwärts. Der L-förmige Freigabezapfen 48 bewegt sich ebenfalls aufwärts, schwenkt über
die Freigabefeder 48a den oberen Fangkeil 4 in seine nicht festgestellte Position und führt ihn aufwärts vom
Packungssatz 3 weg, so daß die nachgiebigen Packungselemente sich zu ihrem normalen, nicht gesetzten
Zustand zusammenziehen können. Eine fortgesetzte Aufwärtsbewegung der Rohrgestänge 7, 8 führt zum
Lösen des unteren Packungsanschlags 33 von der Anschlagkante 52 des Fangkeils 5, so daß dieser vom
Futterrohr freikommen kann. Dann dehnt sich die Schraubenfeder 49i>
gegen den Fangkeil 5 aus. wodurch dieser in seine Ausgangslage zurückgeführt wird. Der
Bohrlochpacker 1 ist dann vollkommen frei und kann aus dem Bohrloch genommen werden. Der Sekundärstrang
kann von der Durchgangsbohrung el vor oder nach dem Freimachen des Bohrlochpackers 1 entfernt
werden oder er kann zusammen mit dem Primärstrang, wenn das erwünscht ist, aus dem Bohrloch genommen
werden.
Gelegentlich muß die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Bohrloch mit extrem hohen Formationsdrükken
oder bei der Bearbeitung von Bohrungen, wobei Flüssigkeiten unter hohem Druck in die Bohrlochformationen
durch die Vorrichtung gepumpt werden müssen, verwendet werden.
Drücke unterhalb des beschriebenen Bohrlochpakkers können im Bereich von 350 at oder höher liegen; in
diesen Bereichen wird durch die Flüssigkeit eine beträchtliche Aufwärtskraft auf die im Bohrloch
befindlichen Leitungsstränge ausgeübt, wodurch eine Auftriebskraft auf die Packerrohrgestänge hervorgerufen
wird, die bestrebt ist, diese aufwärts durch den Bohrlochpacker zu drücken, was zu einem Lösen der
Fangkeile und folglich auch der Packungselemente führt Dieser Auftrieb beruht auf dem .Kolben- oder
Stirnflächeneffekt.
Um diese auf eine Lösung der Fangkeile gerichtete, auf dem Auftrieb im Rohrstrang beruhende Tendenz zu
vermeiden, wird ein besonderer Sperr- oder Blockierungsmechanismus vorgesehen, der durch den Druck
unterhalb der Packerelemente betätigt wird ynd dazu dient, die Rohrgestänge im Bohrlochpacker festzulegen.
Die Fig. 19 bis 21 zeigen den Sperrmechanismus, wobei Fig. 19 den Schnitt nach der Linie 19-19 in der
F i g. 20 darstellt. Der Packungssatz 3 nach den F i g. 1 bis 4 ist hier durch den demgegenüber abgewandelten
Sperr- Packungssatz 203 ersetzt, der im wesentlichen aus einem oberen Packungsanschlag 231, aus nachgiebigen
Packungselementen 232 und einem unteren Packungsa.ischlag
233 besteht, wobei alle diese Teile das Rohrgestänge 7 und das abgewandelte Rohrgestäng.:
208 umschließen.
Das abgewandelte Rohrgestänge 208 ist im wesentli-
me, daß eine Mehrzahl von Zahnkanten 210 an der Außenfläche des Rohrgestänges ausgebildet sind. Jede
Zahnkante 210 hat eine steile obere Flanke 210a und eine geneigte untere Flanke 2106. Der Winkel, den die
obere Flanke 210a mit einer zur Achse des Rohrgestänges 208 senkrechten Ebene bildet, beträgt vorzugsweise
10°; er kann jedoch von einem bis 40° in Abhängigkeit
von der Größe der erwünschten Haltekraft variieren. Der Winkel, den die Flanke 2106 mit der Flanke 210a
bildet, kann zwischen 130 und etwa 50° liegen; vorzugsweise beträgt er etwa 90°. Die Zahnkanten 210
umschließen vorzugsweise das Rohrgestänge 208 gänzlich, jedoch ist das nicht unbedingt notwendig.
Der Packungssatz 203 weist zwei Flüssigkeits-Durchgangsbohrungen
204, 205 auf. die den unteren Packungsanschlag 233 sowie die nachgiebigen Pakkungselemente
232 durchsetzen und ein Stück in den oberen Packungsanschlag 231 hineinreichen. Die
Durchgangsbohrungen verlaufen im allgemeinen parallel zu den Rohrgestängen 7 208 und Steher, mit dem
Formationsringraum unterhalb des Packungssatzes 203 in Verbindung.
Stabile Rohre 206, 207 kleiden die sich durch die nachgiebigen Packungselemente 232 ziehender Bohrungen
aus, um ein Zusammenfallen und Verschließen der Durchgänge bei Druck auf die und Verformung der
nachgiebigen Elemente 232 zu verhindern.
Die Durchgangsbohrungen 204, 205 schneiden sich mit Bohrungen 211 und 212, die von dem das
Rohrgestänge 208 enthaltenden Längsdurchgang 209 im Packungsanschlag 231 ausgehen und vom Rohrgestänge
208 aus durch den Packungsanschlag 231 und durch dessen Außenoberfläche radial auswärts verlaufen.
Die radialen Bohrungen 211, 212 haben äußere Gewindeabschnitte 211a, 212a und glatte Kolbenteile
211 b, 2126. Vorzugsweise haben die radialen Bohrungen
aus Gründen der bequemlicheren Herstellung eine zylindrische Ausbildung, sie können jedoch auch in
anderer, angemessener Weise ausgebildet sein.
In den Kolbenteilen 2116, 212Λ der radialen Bohrungen sind Verriegelungskolbetii 213, 314 verschiebbar
aufgenommen, die gekrümmte, gezahnte Stirnflächen 213a, 214a haben. Die Zähne dieser Flächen
passen mit den Zähnen am Rohrgestänge 208 komplementär zusammen, so daß zwischen diesen
beiden Zahnsätzen ein voller Oberflächenkontakt auftritt. Der Krümmungsradius der Flächen 213a, 214a
ist im wesentlichen dem des Rohrgestänges 208 gleich.
In den Gewindeabschnitten 2Ua. 212a sind in
dichtender Anlage Gewindebolzen 215, 216 eng aufgenommen, die zusammen mit den Kolben 213, 214
in jeder radialen Bohrung hydraulische Ausdehnungskammern 217, 218 bilden. Ringdichtungen 219, 220 in
der Außenwand ier Kolben 213,214 dienen dazu, einen Austritt von Flüssigkeit aus den Ausdehnungskammern
in den Längsdurchgang 209 für das Rohrgestänge 208 zu verhindern.
Wenn diese abgewandelte Ausführungsform eines Packungssatzes 203 in den vorher beschriebenen
Bohrlochpacker 1 eingebaut wird, so wird der Verriegelungsmechanismus selbsttätig betrieben, und
zwar durch hydraulischen Druck aus dem Ringraum unterhalb des Packungssatzes 203, welcher über die
Durchgangsbohrungen 204,205 mit den Druckkammern 217,218 in Verbindung steht Durch die Gewindebolzen
215,216 kann der Dmck nicht in radialer Richtung nach
außen wirken, vielmehr wirkt er nach einwärts gegen die Kolben 213 und 214, die gegen die Rohrgestängezähne 210 gedruckt werden, wodurch sie das Rohrgestänge 208 erfassen und es im Packungssatz 203 halten.
Da die Fangkeile 4, 5 normalerweise durch ein Aufwärtsziehen an den Rohrsträngen und damit an den
Rohrgestängen gelost werden, sollte der Winkel der Flanken 210a der Rohrgestängezähne etwa 5 bis 15°
betragen, damit sich die Rohrgestänge bei Aufbringen einer äußeren Anhebekraft aufwärts bewegen können.
Der Druckbereich an den Kolbenflächen 213, 214 kann ebenfalls derart ausgelegt werden, daß die Greifkraft
der Kolbenzähne an den Rohrgestängezähnen genau gleich oder ein wenig größer ist als die aufwärts
wirkende Auftriebskraft an den Rohrgestängen, so daß nur ein geringes zusätzliches Anheben der Rohrgestänge notwendig ist, um die Kolbenzähne aus ihrem
Eingriff mit den Rohrgesiängezähnen beim Lösen des Packers zu seiner Entfernung aus dem Bohrloch
herausrutschen zu lassen.
Es ist zu bemerken, daß die rückwärtigen oder unteren Ranken 2106 der Rohrgestängezähne im
Vergleich zu den oberen Flanken 210a unter einem relativ flachen Winkel angeordnet sind, so daß die
Aufwärtsbewegung des oberen Packungsausschlags an den Rohrgestängen kaum behindert wird.
Zusätzlich zu der auf die Kolben 213, 214 wirkenden
hydraulischen Kraft können natürlich bekannte Federmittel, z. B. Schraubenfedern, in den Kammern 217, 218
in zusammengedrücktem Zustand angeordnet werden, um den Arbeitsdruck zu ergänzen.
Die Fig.9 bis 12 und 16 bis 18 zeigen eine weitere
Ausfflhningsform des Erfindungsgegenstandes, wobei ein einzelner unitärer Fangkeil oder Anker verwendet
wird, der in der Lage ist, den Bohrlochpacker im Futterrohr gegen Aufwärts- und Abwärtskräfte bzw.
-drücke festzulegen.
Der Bohrlochpacker 101 hat im wesentlichen ein oberes Verbindungsstück 102, ein oberes Kopfstück 103,
einen Packungssatz 104, einen unitären Fangkeil 105 und eine Kolben-Zylinder-Anordnung 106.
Am oberen Verbindungsstück 102 ist ein Primärstrang-Aufnahmeteil 110 ausgestaltet, das ein längliches
Rohrteil mit Außengewinden HOe, 110b am oberen und
unteren Ende ist (Fig. 12A). Es weist ferner eine mit
dem Gewinde 110a verschraubte Verbindungsmuffe 111
auf, die dazu vorgesehen ist, mit einem Standardrohrstrang verbunden zu werden. Das Aufnahmeteil 110 ist
in das obere Kopfteil 112 eingeschraubt, mit dem ebenfalls ein längliches, rohrförmiges Sekundärstrang-Aufnahmeteil 113 verschraubt ist (Fig. 12A). Das
Kopfteil 112 ist ein vor allem zylindrisches Teil mi' durchgehenden Zwillingsbohrungen, die im wesentlichen parallel zur mittigen Längsachse des zylindrischer
Teils liegen. Die oberen Abschnitte der Zwillingsdurch
gänge weisen Innengewinde 112a zum Anbringen dei
rohrförmigen Aufnahmeteile 110,113 auf.
Das Aufnahmeteil 113 hat eine erweiterte Kammei
114, mit der ein Standardrohrstück oder -ansatz 115 fesi
verbunden und in der ein ringförmiger, einwärt«
ίο gerichteter Vorsprung 116 vorgesehen isL Am oberer
Ende des Sekundäraufnahmeteils 113 ist am Gewinde 113a ein oberer Aufnahmeteller 117 befestigt, der da;
Primärstrang-Aufnahmeteil 110 verschiebbar umgibt Der Aufnahmeteller 117 hat einen im allgemeiner
zylindrischen Querschnitt, eine konkave Oberfläche 121 und zwei Durchgänge 119, 120 zur Aufnahme de;
Primärstrang-Aufnahmeteils 110 und der Sekundär strang-Klemmhülse 118. Letztere ist zylindrisch und hai
einen ringförmigen Ansatz 123 von einer solcher
Größe, daß er sich gegen den Vorsprung 116 legen kanr
und von diesem festgehalten wird. Längsschlitze 12S sind in der Wand der Hülse 118 ausgebildet, so daß da;
verbleibende Material flexibel ist und der ringförmig« Ansatz 123 nach einwärts gebogen werden kann, um ar
dem Vorsprung 116 vorbeizugehen. Eine zylindrische rohrförmige Dichtungstraghülse 124 ist mit dei
Klemmhülse 118 verschraubt und enthält an ihi umlaufende Dichtungselemente 125, die gegen die
Kam.ner 114 des Aufnahmeteils 113 abdichten. Ein Rohi
126 von Standardlänge kann mit der Dichtungstraghülsc
124 verschraubt werden.
Das obere Kopfteil 112 weist innere, ringförmige Anschlagrippen 1126 in den Durchgängen 130, 131 auf
in denen in bündiger, passender Lage das Primär- unc
sind. Diese Rohrgestänge sind längliche, zylindrische
ringförmigen Scherbund 107a, 108a (Fig. 128) zui
Anlage an und zum Abscheren von Scherbolzen 127, die durch die Wand des Kopf teils 112 und in die
Scherkammer 128 ragen, welche zwischen dem Kopftei
112, den Scherbunden 107a, 108a und den Rohrgestän
gen 107,108 gebildet ist.
Am Kopfteil 112 ist durch Schraubenbolzen 132 (Fig. !QA) ein zylindrischer Geger.lagermantel 125
befestigt. Die Schraubenbolzen 132 durchsetzen da! Kopfteil 112 und sind im Gegenlagermantel 12?
so verschraubt, wie F i g. 10 zeigt, die ein gebrochener odei
nicht fortlaufender Schnitt ist, um die Schraubenbolzer
zu zeigen, die bei einem normalen Schnitt nach der Linie
10-10 in der F i g. 9 nicht klar gezeigt werden könnten.
parallele Sperrkeil-Haltehülsen 133, 134 (Fig. 12B]
angeordnet, die relativ dünne, zylindrische Hülsen mil Abflachungen sind, welche entlang diametral gegen
überliegender Seiten ausgearbeitet sind. Die Hülser 133, 134 liegen Seite an Seite und sind über die
*o Rohrgestinge 107, 108 geschoben. Die bearbeiteter
Flächen sind im Schnitt von Fig. 12B, die normaler Seiten im Schnitt von F i g. 1OB zu sehen. Die F i g. 11C
zeigt einen Querschnitt und Fig. 11E einen axialer
Längsschnitt durch eine der Sperrkeil-Haltehüisen 133.
Der Gegenlagermantel 129 hat einen stark- und einer schwachwandigen Bereich, wie F i g. 11B und 12G
zeigen. Die in der Stärke verminderten Wände de; Gegenlagermantels 129 und der Haltehülsen 133, 134
erlauben eine Nebeneinanderanordnung der beiden Rohrgestänge 107,108 innerhalb der Abmessungen der
Hülsen und des Mantels. Der Gegenlagermantel 129 hat an seinem unteren Ende einen einwärts gerichteten
Flansch 129a (F i g. 11 B), der von den Sperr-KIemmhülsen 135 und den Packungssatzschrauben 136, die
innerhalb der Klemmhülsen 135 konzentrisch angeordnet sind, durchsetzt ist
Jede der Sperr-Klemmhülsen 135 weist eine kleine
Federlippe 135a an der Außenkante des oberen Endes, die sich gegen den Flansch 129a anlegt, und einen
äußeren Anschlagbund 1356 am unteren Ende auf, der an der oberen Packungsplatte 137 anliegt und diese
gegen das obere Kopfteil 112 hin festhält. Damit wird
verhindert, daß dieses Kopfteil 112 sich an den Packungssatzschrauben 136 nach aufwärts von der
Platte 137 weg verschiebt und bei seiner Bewegung mit dem Werkzeug im Bohrloch vorzeitig die Scherbolzen
127 abschert.
Die Sperrkeii-tiaitehülsen «33,134 sind so angeordnet, daß Schlitze in ihnen direkt über parallelen äußeren,
umlaufenden Sätteln 138, 139 an den Rohrgestängen 107,108 liegen. Sperrkeile 140 sitzen eng und bündig in
den Schlitzen und stoßen gegen die Rohrgestänge zwischen den Sätteln 138, 139 (Fig. 1OB und 11B).
Durch diese Anordnung werden die Rohrgestänge zeitweise mit dem oberen Kopfstück 103 mittels der
Sperrkeile 140, Sättel 138, 139 und Sperrkeil-Haltehülsen 133, 134 verriegelt; dadurch ist man im Betrieb in
der Lage, den Strang aufzuholen und hin- und herzubewegen, um Ablagerungen oder anderes zwischen dem Werkzeug und dem Futterrohr sich bei der
Bewegung im Bohrloch festlegendes Material zu entfernen. Die Scherbolzen 127 werden hierdurch gegen
ein vorzeitiges Abscheren geschützt. Die Sperrkeile 140 werden innerhalb der Schlitze in den Sperrkeil-Haltehülsen 133, 134 durch Anlage an der Innenwand des
nach unten sich erstreckenden Teils des Kopfteils 112 gehalten.
Der Packungssatz 104 ist an den Rohrgestängen 107, 108 unterhalb der oberen Packungsplatte 137 verschiebbar angeordnet und besteht aus nachgiebigen Packungselementen 141, formbeständigen Abstandsplatten 142
undder unitären Packungsplatte 143.
Ein Keilsiück 144 mit zwei Kegeln liegt gegen die
untere Packungsplatte 143 an. wobei es die Rohrgestänge 107,108 und die Ankerkeile 145 umschließt. Letztere
sind als keilförmige Einsätze ausgebildet und haben eine Mehrzahl von unter einem Winkel angeordneten
Greifzähnen an ihrer Innenoberfläche, die gegen die Außenwände der Rohrgestänge 107,108 anliegen.
Ein? Abwärtsbewegung der Ankerkeile 145 an den
Rohrgestängen ist auf Grund des Winkels der oberen Flanken der Greifzähne möglich, eine Abwärtsbewegung an den Rohrgestängen wird jedoch durch die
rechtwinkligen, gegen die Oberfläche der Rohrgestänge ragenden Zahnflanken und auch durch die vom
Keilstück 144 hervorgerufene, einwärts gerichtete Klemmkraft verhindert. Es ist klar, daß die abgewinkelte Innenfläche 144a des Keilstücks 144, die an der
abgewinkelten Außenfläche 14Se des Ankers bei dessen Aufwärtsbewegung einwirkt, ein Einwärtspressen des
Keileinsatzes gegen das von ihm berührte Rohrgestänge zur Folge hat, wodurch eine Abwärtsbewegung des
Rohrgestänges verhindert wird. Die Fig. 16A und I6B
zeigen das Keilstück 144 mit zwei Kegeln im einzelnen.
Durch das Keilstück 144 ziehen sich Führungsstiftc 146 (Fig. IOC), die in Schlitze 1456 ragen, welche im
äußeren Teil der Ankerkeile 145 ausgebildet sind, um ein Drehen der Keile um das Rohrgestänge und ein
Verlassen der optimalen Greifstellung, die dann gegeben ist, wenn jedem Keil rund um das Rohrgestänge ein anderer Keil diametral gegenüberliegt, zu
verhindern.
Eine dünne zylindrische Haltehülse 147 umgibt eng das Keilstück 144 und liegt gegen die untere
Packungsplatte 143 sowie eine zylindrische Ankerkappe ίο 148 an. Diese Ankerkappe ist an den Rohrgestängen
107, 108 verschiebbar und durch Schraubenbolzen 149 fest mit dem Keilstück 144 verbunden.
Die Schrauben 136 durchsetzen die obere Packungsplatte 137, die nachgiebigen Packungselemente 141, die
is Abstandsplatten 142 sowie die untere Packungsplatte 143 und sind in das Keilstück 144 eingeschraubt,
wodurch sie den gesamten Packungssatz 104 zusammenhalten.
150 eingeschraubt, der
durch eine Nut 151
(Fig. 11 B) im Fangkeil 105 erstreckt und eine radial aufwärts verlaufende, in eine Öffnung 152 im Fangkeil
105 eingreifende Abwinkelung 150a hat, die so
bemessen ist, daß sie sich gegen die obere Schulterfläche
152a in der Öffnung 152 anlegen und eine aufwärts
gerichtete Kraft auf die Freigabeseite des Fangkeils 105 erzeugen kann.
Durch den Fangkeil 105 geht eine Scherschraube 153, die im Bolzen 150 gehalten ist, um ein vorzeitiges
Festsetzen des Fangkeils zu verhindern und um zu ermöglichen, daß auf die nachgiebigen Packungselemente 141 eine Kompressionskraft von vorbestimmter
Größe aufgebracht wird, bevor der Fangkeil 105 im Futterrohr verankert wird.
Konzentrisch um den unteren Teil der Rohrgestänge
107,108 liegt die Kolben/Zylinderanordnung 106, zu der
ein zylindrischer, länglicher Kolben 160 mit einem unteren Kopf 160a gehört, der über Rohrstrang-Anpaßstücke 154, 155 und einen oberen Kopf 1606 mit
vermindertem Durchmesser mit den unteren Enden der Rohrgestänge 107, 108 verschraubt ist. Zur Anordnung
106 gehört ferner ein Zylinder 161 mit einem Mantel 161a, der konzentrisch und verschiebbar den oberen
Kopf 1606 des Kolbens umgibt und selbst einen oberen
Kopf 1616 hat, der gegen den Kolbenkopf 160Z? anliegt.
Eine der Sperrvorrichtung 144,145 ähnliche Keilanordnung ist innerhalb der Kolben/Zylinderanordnung 106
verschiebbar vorgesehen und besteht aus einer Mehrzahl von Keilankern 162, die verschieb- und verkeilbar
in dem Keilstück 163 mit zwei Kegeln durch Führungsstifte 164 gehalten sind. Diese Stifte 164
erstrecken sich durch das Keilstück 163 und greifen in Schlitze 162a in den Keilankern 162 ein, welche an ihrem
Außenumfang eine konische Keilfläche 1626 aufweisen,
die mit der konischen Innenfläche 163a am Keilstück
163 zum Eingriff kommen kann. Ferner haben die Keilanker 162 Sperrzähne 162a an ihren Innenflächen,
die in einer einzigen Richtung das Rohrgestänge 107 erfassen. Es ist klar, daß die Keilanker 162 eine
μ Aufwärtsbewegung des Zylinders 161 in bezug zum
Rohrgestänge 107 zulassen, jedoch eine rückläufige, abwärts gerichtete Bewegung verhindern.
Das KeilstUck 163 ist am Zylinder 161 mittels einer
Abschlußkappe 165 und Schraubenbolzen 166, die die
Kappe 165 durchsetzen und am Kopf 1616des Zylinders
verschraubt sind, fest verbunden. Eine dünne zylindrische Hülse 167 ist bündig über das Keilstück 163
gezogen, um ein Eindringen von Bohrrückständen in die
Keilanordnung und deren Verschmutzung zu verhindern. Die F i g. 16A und 16B zeigen das Keilstück 163 im
einzelnen. Scherschrauben 168 sind in den unteren Mantel 161a eingeschraubt und ragen in einen
Ringkanal 169 im Kolben 160. Sie dienen dazu, den Zylinder 161 zeitweise am Kolben 160 zu befestigen, um
ein vorzeitiges Festsetzen durch vorübergehende Druckänderungen oder durch den im Futterrohr oder
Rohrstrang herrschenden hydrostatischen Druck zu verhindern.
Ein Ventilsitzbund 170 für ein durch Flüssigkeitsdruck betätigtes Ventil ist am unteren Ende des Rohrstrang-Anpaßstücks
154 angeschraubt und hat einen Ventilsitz 171, der im Bund abgedichtet durch einen Haltering 172
festgelegt ist, welcher gegen einen unteren Bund 170a des Ventilsitzbundes 170 und gegen einen oberen Bund
179a einer Haltebuchse 179 anliegt, die in den Ventilsitzbund 170 eingeschraubt ist, um den Haltering
172 am Platz zu halten. Zwischen dem Ventilsitz 171 und dem Ventilsiteound 170 ist eine gegen beide Teile
dichtend anliegende Ringdichtung i73 angeordnet. Ein Kugelventil oder ein anderes geeignetes Ventilelement
174 wird an der Oberfläche zurückgehalten, während der Bohrlochpacker in den Rohrstrang eingefügt und im
Bohrloch abgesenkt wird. Das Ventilelement kann durch den Rohrstrang abwärts zur Anlage am Ventilsitz
171 geführt werden, wenn es erwünscht ist, den Bohrlochpacker zu betätigen. Alternativ kann der
Ventilsitzbund am anderen Rohrstrang-Anpaßstück 155 am Gewinde 155a angebracht werden, wobei dann
dieser Rohrstrar.0 dazu dient, den Packer zu betätigen;
Voraussetzung ist, es ist für ausreichenden Durchgang
im Rohrgestänge gesorgt, das mit der Kolben/Zylinderanordnung in Verbindung steht. Es Vann auch anstelle
eines Kugelventils 174 ein Seilzugventil Verwendung finden.
Im Betrieb wird der Bohrlochpacker 101 durch Schraubverbindung in den primären Förderrohrstrang
über das Gewinde HOa am Primärstrang-Aufnahmeteil 110 und über das Gewinde 155a am Rohrstrang-Anpaßstück
155 eingeschaltet.
Ein Standardeinzelpacker kann am Primär-Rohrstrang am Gewinde 155a des Anpaßstücks 155
angebracht werden, der sich nach unten über den Bohrlochpacker 101 hinaus erstreckt. Normalerweise
wird der Einzelpacker zwischen den beiden in Betracht stehenden Formationen angeordnet, wobei der Bohrlochpacker
101 über der obersten Formation liegt.
Wenn der Rohrstrang ausreichend weit in das Bohrloch abgesenkt worden ist, so daß der untere
Packer und der Bohrlochpacker 101 die richtige Stellung erreicht haben, dann wird der untere Packer
durch Betätigung des Rohrstrangs oder durch hydraulischen Einfluß gesetzt; der untere Packer kann auch
vorher mittels Seilzug auf andere Weise gesetzt worden sein.
Ein zweiter Rohrstrang 126 mit der Sekundärstrang-Klemmhülse 118 und der Dichtungstraghülse 124 am
unteren Ende wird in das Bohrloch abgesenkt, um mit der konkaven Oberfläche 121 des Aufnahmetellers 117
in Berührung zu kommen und in eine abgedichtete Verbindung mit dem Durchgang 131 innerhalb des
zweiten Rohrgestänges 108 geführt zu werden.
Das Ventilelement 174 kann man dann im zweiten Rohrstrang abfallen lassen, herabpumpen oder an einem
Seilzug ablassen, um am Ventilsitz 171 und damit den zweiten Durchgang gegen Flüssigkeitsdurchtritt abzudichten,
wodurch die Möglichkeit gegeben ist, daß von der Oberfläche her der zweite Rohrstrang unter
Flüssigkeitsdruck gesetzt werden kann.
Der Packer wird durch das Aufbringen eines Flüssigkeitsdrucks im zweiten Rohrstrang betätigt; der
Druck wird durch das geschlossene Ventil 171/174 aufgebaut und kann durch eine oder mehrere öffnungen
175 (Fig. 12C) in der Wand des Rohrgestänges 108 austreten bzw. zur Wirkung kommen.
Der Flüssigkeitsdruck wirkt dann aufwärts gegen eine
ίο innere Differentialdruckschulter 161c am Zylinder 161;
ein Lecken oder Durchtreten von Flüssigkeit nach oben an der Schulter 161c vorbei wird durch einen
Dichtungsring 176 zwischen dem Zylinder 161 und dem Rohrgestänge 108 verhindert Der Flüssigkeitsdruck
v/irkt auch nach unten auf die Differentialdruckfläche 160c am obersten Ende des oberen Kopfes 1606 des
Kolbens 160, wobei ein Durchschnitt oder Lecken nach unten durch den Dichtungsring 177 zwischen dem
Zylinder 161 und dem oberen Kolbenkopf 1606 unterbunden wird. Gleichartige Dichtungsringe sind
zwischen dem Rohrgestänge 107 und dem Zylinder 161 angeordnet
Die resultierende hydraulische Kraft zwischen den beiden Differentialdruckbereichen drückt den Kolben
aus dem Zylinder heraus, wobei die Scherschrauben 168 abgeschert und zugleich der Zylinder sowie die
Keilanordnung zur Anlage an der unteren Kante 105a des Fangkeils 105 gebracht werden; dabei wird die
Fangkeil-Scherschraube 153 abgeschert, so daß der Fangkeil in seine Verankerungslage gegen die Futterrohrwand
geschwenkt wird. Wenn die hydraulische Kraft den Zylinder aufwärts drückt, so wird dabei der
Kolben abwärts gepreßt, der die Rohrgestänge abwärts durch den Fangkeil zieht und auf die nachgiebigen
Packungselemente längsgerichtete, zusammendrückende Kräfte ausübt
Die axiale, abwärts gerichtete Kraft von den Rohrgestängen 107, 108 wird auf die nachgiebigen
Packungselemente durch das Anst\_,ßc-n der Sperrkeile
140 an den umlaufenden Rohrgestängesätteln 138, 139 und an den Sperrkeil-Haltehülsen 133, 134 übertragen.
Die Lage dieser Teile zueinander ist in den F i g. 10,11A,
HBund llCgezeigt.
Die von den Rohrgestängen 107, 108 auf die Sperrkeil-Haltehülsen 133, 134 übertragene Abwärtskraft
wirkt abwärts gegen die Packungsplatte 137 und damit auf den Packungssatz 104, der in Längsrichtung
zusammengedrückt und insofern nach auswärts zur dichtenden Anlage an der Futterrohrwand gepreßt
so wird. Die Ankerkeile 145 und 162 halten die ineinandergeschobene Lage von Zylinder 161 sowie
Kolben 160 und auch den zusammengepreßten Zustand des Packungssatzes 104 aufrecht.
Auf diese Weise ist der Zylinder 161 fest gegen die Unterseite des Fangkeils 105, der restlos in die Lage, in
der er am Futterrohr angreift, geschwenkt worden ist, verriegelt; der Packungssatz 104 ist andererseits fest
nach unten gegen die Oberseite des Fangkeils 105 verriegelt. Daraus ergibt sich, daß der Fangkeil
vollständig in seiner verriegelten Lage gehalten ist und daß zugleich die Packungselemente 141 völlig radial
auswärts gegen die Futterrohrwand gedrückt, d. h. gedehnt worden sind.
Es ist zu bemerken, daß die Scherbolzen 127 weiterhin das obere Kopfteil 112 in seiner Lage über
den Sperrkeilen 140 gehalten haben, wobei diese in den Schlitzen 140a der Sperrkeil-Haltehülsen 133, 134
geblieben sind. Den Scherbolzen wurde bis zu diesem
Zeitpunkt nur eine ganz geringe Kraft übertragen, die
die hydraulisch erzeugten Kräfte durch die Rohrgestänge, die Sperrkeile 140 und die Haltehülsen )33,134 auf
die Packungsplatte 137, das obere Kopfteil 112 passierend, übertragen werden.
Die Nützlichkeit der Scherbolzen 127 wird bei der
Beschreibung des Vorgangs zum Lösen des Bohrlochpackers, um ihn aus dem Bohrloch zu nehmen, klar. Dies
wird durch Aufziehen am Primär-Rohrstrang erreicht,
was am oberen Kopfteil 112, das mit dem Rohrstrang ι ο
durch das Aufnahmeteil 110 verschraubt ist, eine Aufwartskraft erzeugt Das Kopfteil 112 bewegt sich an
den Rohrgestängen nach oben, bis die Scherbolzen 127 gegen die Scherbunde 107a, 108a treffen. Eine
ausreichende, am Rohrstrang wirkende Aufwartskraft schert dann die Scherbolzen 127 über die Scherbunde
ab, und das Kopfteil 112 bewegt sich genügend weit aufwärts, um zu ermöglichen, daß die Sperrkeile 140
auswärts in den Ringraum 1296 zwischen dem Gegenlagermantel 129 und den Sperrkeil-Haltehülsen
133, 134 gedrückt werden. Dadurch werden die Haltehülsen 133,134 von den Rohrgestängen gelöst und
die Hülsen, der Gegenlagermantel 129, der Packungssatz 104 und das Keilstück 144 können sich durch die
Bolzen 132 und Schrauben 136 aufwärts bewegen.
Durch die Aufwärtsbewegung des Gegenlagermantels 129 können sich die nachgiebigen Packungselemente radial in ihren nicht zusammengedrückten Zustand
zurückziehen, wodurch der Packungssatz 104 vorn Futterrohr gelöst wird. Durch die Aufwärtsbewegung
des Keilstücks 144 wird über die Schraubenbolzen 149 auch die Ankerkappe 148 und der damit verschraubte
hakenförmige Bolzen 150 aufwärts gezogen. Die Abwinkelung 150a des Bolzens 150 berührt die obere
Schultcrfläche 152a des Fangkeils 105 und zieht diesen aufwärts; dabei wird er aus seiner Anlage am Futterrohr
geschwenkt und somit sein Eingriff gelöst. Die gesamte Vorrichtung ist nunmehr vom Futterrohr frei, und nach
Lösen des unteren Einzelpackers kann der Rohrstrang aus dem Bohrloch gezogen werden.
Im Beispiel wurde eine hydraulische Betätigung durch
den Sekundärstrang beschrieben; diese Betätigung könnte selbstverständlich auch durch üpt Primärstrang
erfolgen.
Claims (9)
1. Bohrlochpacker für Zwillingsrohrgestänge, insbesondere für Ölbohrungen mit zwei im wesentlichen parallelen Rohrgestängen, mit um die Rohrgestänge angeordneten nachgiebigen Packungselementen und über Packungsanschläge diesen zugeordneten Fangkeilen, die mittels einer Kolben-Zylinder-Anordnung betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangkeile (4, S, 105)
einstückig-zylindrisch und schwenkbar ausgebildet sind und doppelte, parallele Durchgangsbohrungen
für die Rohrgestänge (7,8,107,108,208) aufweisen,
und daß der Kolben (61,160) der Kolben-Zylinder-Anordnung ein einstückiges, im wesentlichen zylindrisches Teil mit axialen Zwillingsbohrungen ist, das
die Rohrgestänge (7, 8, 107, 108, 208) ringförmig umgibt und eine innere Differentialdruckfläche
(160ςί aufweist
2. Bohrlochpacker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einstückige, zylindrische
Fangkeile (4,5) vorgesehen sind, von denen der eine (5) bei abwärts gerichteten Kräften und der andere
(4) bei aufwärts gerichteten Kräften an die Bohrlochausfutterung anlegbar sind.
3. Bohrlochpacker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fangkeil (4, 5)
mit einer Mehrzahl von an gegenüberliegenden Enden zueinander diametral angeordneten Zähnen
(41) versehen ist und zwei Sätze von parallelen Zwillingsdurchgängen (43, 44) aufweist, von denen
der erste Satz den zweiten Satz unter einem vorbestimmten Winke: zwisci^n 5 und 35° schneidet.
4. Bohrlochpacker nach An pruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Sperrvorrichtung mit
Scherelementen aufweist, wobei die Sperrvorrichtung (69,145,162) und die Scherelemente einen oder
mehrere abscherbare Sperrzapfen (65) mit daran am einen Ende ausgebildeten Zähnen (65c) und mit
einem an einer Stelle entlang ihrer Längsrichtung ausgebildeten, geschwächten Scherbereich (65a)
aufweisen, daß die Sperrzapfen (65) gegen eines der Rohrgestänge (8) unter dem Druck einer Feder (66)
stehen und das Rohrgestänge in dem mit den Sperrzapfen zusammentreffenden Bereich mit zu
den Sperrzapfenzähnen (65c) komplementären Zähnen (8b) versehen ist und daß die Sperrzapfenzähne
(65c) und die Rohrgestängezähne (Sb) derart angeordnet sind, daß die Sperrzapfen in der einen
Richtung eine Ratschenbewegung am Rohrgestänge ausführen können und in der Gegenrichtung eine
Relativbewegung durch Schereingriff verhindern.
5. Bohrlochpacker nach den Ansprüchen 1 und 4, gekennzeichnet durch eine im oberen Fangkeil (4)
angeordnete Freigabeeinrichtung und eine im unteren Fangkeil (5) angeordnete Rückzieheinrichtung, wobei die obere Freigabeeinrichtung und die
untere Rückzieheinrichtung einen durch jeden der Fangkeile sich erstreckenden Bolzen (48; 49) mit
Anschlagflächen aufweisen und an den Bolzen Federn (48a; 49b) angeordnet sind, die zusammen
mit den Anschlagflächen die Fangkeile (4; 5) in ihre Nichteingriffslage schwenken.
6. Bohrlochpacker nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch hydraulische Sperreinrichtungen in dem ausdehnbaren Packungssatz (203), die
von einem unter diesem gelegenen Bereich hydrauli-
sehen Druck empfangen und Haltekräfte auf die Rohrgestänge ausüben, wobei eine aufwärts gerichtete Auftriebsbewegung der Rohrgestänge durch
hohe Drücke unterhalb dieser verhindert ist
7. Bohrlochpacker nach den Ansprüchen 1 und 6, gekennzeichnet durch sich vom unteren Ende des
Packungssatzes aufwärts erstreckende Flüssigkeitsdurchgänge (204, 205), durch radiale, disse Flüssigkeitsdurchgänge mit wenigstens einem der bohrgestänge verbindende Bohrungen (211, 212) im
Packungssatz und durch in diesen Bohrungen (211, 212) angeordnete, auf den Druck aus den Flüssigkeitsdurchgängen (204, 205) ansprechende und in
wenigstens das eine Rohrgestänge haltend eingreifende Sperrkolben (213,214).
8. Bohrlochpacker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Bohrungen (211,212)
verschiebbaren Sperrkolben (213,214) mit gegen die Bohrungen dicht anliegenden Dichtungen (219, 220)
versehen sind und eine Mehrzahl von gegen mindestens das eine Rohrgestänge (208) bei
Flüssigkeitsdruck auf die Außenfläche sich anlegenden Zähnen (213a, 2\4a) an der Innenfläche der
Kolben aufweisen, wobei komplementäre, mit den Zähnen der Kolben zum Eingriff gelangende Zähne
(210) am Rohrgestänge (208) vorgesehen sind.
9. Bohrlochpsdcer nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Greifzähne jeweils eine steile und eine dieser gegenüber geneigte Flanke
haben, wobei die steile Flanke unter einem Winkel von 60 bis 90" zur Mittellängsachse der Rohrgestänge steht, und daß die Rohrgestänge äußere
umlaufende Sättel mit den zu den Greifzähnen (213a, 2i4a) komplementären Zähnen (210) haben.
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