DE2616823A1

DE2616823A1 - Ventilanordnung fuer eine vorrichtung zum untersuchen einer erdformation

Info

Publication number: DE2616823A1
Application number: DE19762616823
Authority: DE
Inventors: Burchus Quinton Barrington; Robert Terrell Evans; David Lee Farley
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1975-06-20
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1976-12-30
Also published as: YU150676A; HU178236B; DE2616823C2

Description

Ventilanordnung für eine Vorrichtung zum Unter suchen einer Erdformation Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für eine Vorrichtung zum Untersuchen einer Erdformation mittels eines die Erdformation durchsetzenden Bohrlochs, eines in dieses abgesenkten Rohrstranges und eines Packers zur Abdichtung zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung oberhalb der Erdformation, wobei eine Verbindung zwischen dem Inneren des Rohr stranges und dem Ringraum zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung unterhalb des Packers hergestellt ist, welche Ventilanordnung zum Einbau in den Rohrstrang oberhalb des Packers eingerichtet ist, so daß sie die Längsbohrung des Rohrstranges beherrscht, und durch den Druck einer Flüssigkeit in dem Ringraum oberhalb des Packers gegen die Wirkung eines Kraftspeichers betätigbar ist, der über einen durch ein Trennventil verschließbarer Kanal mit dem Ringraum verbunden ist, wobei durch den Kanal eine vom Druck der Flüssigkeit in dem Ringraum abhängige Vorbelastung auf den Kraftspeicher übertragbar ist.
Beim Niederbringen einer Erdölbohrung ist das Bohrloch mit einer Flüssigkeit gefüllt, die als "Bohrschlamm" bezeichnet wird. Eine der Aufgaben dieses Bohrschlammes ist es, in den angeschnittene Erdformationen alle Flüssigkeiten zurückzuhalten, die dort gegebenenfalls vorgefunden werden. Das wird dadurch erreicht, daß dem Bohrerschlamm mit verschiedenen Zusätzen ein hohes spezifisches Gewicht erteilt wird, so daß der hydrostatische Druck des Bohrschlammes bei der Tiefe der Erdformation ausreicht, ein Austreten von Formationsflüssigkeit aus der Erdformation in das Bohrloch zu verhindern.
Zur Untersuchung einer ölführenden Erdformation ist es bekannt, Prüfgeräte an einem Rohr strang in dem Bohrloch bis in den Bereich der zu untersuchenden Erdformation abzusenken. Diese Prüfgeräte können einen oberen und einen unteren Druckschreiber und eine dazwischenliegende Ventilanordnung enthalten. Der Rohr strang wird bei geschlossener Ventilanordnung in das mit dem Bohrschlamm gefüllte Bohrloch abgesenkt. Im Bereich der zu untersuchenden Formation wird eine Verbindung zwischen der Formation und dem Inneren des Rohrstranges hergestellt.
Oberhalb der Formation wird ein Packer vorgesehen, der eine Abdichtung des oberen Ringraumes zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung bewirkt und so die Formation von dem hydrostatischen Druck des Bohrschlammes in diesem oberen Ringraum entlastet.
Wenn das Ventil geöffnet wird, dann strömt Formationsflüssigkeit, z.B. Erdöl, aus der Formation in den Rohrstrang und durch das Ventil nach oben. Aus den Aufzeichnungen der Druckschreiber kann dabei auf die Förderrate beschlossen werden. Weitere Schlüsse auf die Ergiebigkeit der untersuchten Formation können aus dem Verlauf des Druckaufbaues formationsseitig von der Ventilanordnung nach erneutem Absperren des den Längskanal des Rohrstranges beherrschenden Ventils gezogen werden.
Es ist dabei erforderlich, die Ventilvorrichtung tief unten im Bohrloch von der Erdoberfläche her zu betätigen. Das geschieht bei bekannten Vorrichtungen durch Manipulation des Rohrstranges. Eine solche Betätigung der Ventilvorrichtung über den Rohrstrang ist jedoch nicht immer möglich. Das gilt insbesondere bei Bohrungen auf dem Meeresboden, weil dort der Rohr strang in vertikaler Richtung gegen Bewegungen der Bohrinsel, welche durch Seegang verursacht werden, durch eine Gleitkupplung oder dergleichen isoliert werden muß. Auch ist es bei Bohrungen auf dem Meeresboden aus Sicherheitsgründen und aus Gründen des Umweltschutzes wünschenswert, die Preventer während der Formationsuntersuchung nach Möglichkeit geschlossen zu halten.
Es ist daher eine Betätigung der Ventilanordnung durch Änderung des Druckes des im Ringraum zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung bzw. Auskleidung vorhandenen Bohrschlammes bekannt (DT-PS 2 145 474, US-PS 3 664 415). Dieser Bohrschlamm ist durch den Packer von der zu untersuchenden Formation getrennt und kann durch eine Pumpe unter Druck gesetzt werden. Der Druck des Bohrschlammes wirkt dabei einem vorgenannten Kraftspeicher entgegen, der bei der Anordnung nach der DT-PS 2 145 474 von einem eingeschlossenen Volumen eines inerten Gases gebildet wird. Der Druck dieses Gases wird unter Berücksichtigung der im Bereich der Formation zu erwartenden Temperatur an den in der Tiefe der Formation herrschenden hydrostatischen Druck des Bohrschlammes angepaßt, derart, daß die Ventilanordnung bei diesem Druck von dem Kraftspeicher noch im Schließzustand gehalten wird. Bei einer Druckerhöhung über den normalen hydrostatischen Druck hinaus auf einen vorgegebenen ersten Wert wird der Durchgang durch die Ventilvorrichtung hindurch geöffnet, indem die Vorspannung des Kraftspeichers von dem Druck des Bohrschlammes überwunden wird. Bei der Ausführungsform nach der DT-PS 2 145 474 enthält die Ventilanordnung einen Schieber in einem unteren und einem oberen Schiebergehäuse. Der Schieber ist zugleich als Probenkammer zur Aufnahme einer Flüssigkeitsprobe ausgebildet und weist um seinen Umfang einen Ringkolben auf. Dieser Ringkolben gleitet in einer entsprechend ringförmigen Zylinderkammer und teilt diese in zwei Räume. Ein Raum enthält das Gasvolumen und der andere Raum steht mit dem Ringraum zwischen Rohrstrang und Bohrlochwandung in Verbindung.
In diesem Ringraum wirkt somit der Druck des Bohrschlammes, der, wenn er den Druck des Gasvolumes überschreitet, den Ringkolben und damit den Schieber bewegt. Bei dem ersten Wert des Druckes wird der Schieber in eine erste Raststellung bewegt, in welcher ein Flüssigkeitsdurchlaß durch seitliche Öffnungen des unteren und des oberen Schiebergehäuses und des Schiebers und durch die in dem Schieber gebildete Probenkammer hindurch freigegeben wird. Durch wiederholtes Erhöhen und Absenken des Druckes in dem Bohrschlamm kann die Ventilanordnung wiederholt wahlweise geöffnet oder geschlossen werden. Soll eine Probe genommen werden, so erfolgt eine Druckerhöhung der Hilfsflüssigkeit auf einen noch höheren zweiten Wert, bei dem die Rastung überwunden und der Schieber in eine Stellung verschoben und in dieser verriegelt wird, in welcher der Durchgang durch die Ventilvorrichtung abgesperrt und die in der Probenkammer enthaltene Formationsflüssigkeit eingeschlossen ist. Es kann jetzt der Rohr strang aus dem Bohrloch herausgezogen und die Ventilvorrichtung mit der eingeschlossenen Probe ausgebaut werden. Diese Ventilvorrichtung mit Probe kann dann zur Untersuchung z.B. in ein Labor transportiert werden.
Bei der Anordnung nach der DT-PS 2 145 474 ist es erforderlich, den Druck in dem Kraftspeicher-Gasvolumen möglichst genau an die an der Meßstelle zu erwartenden Druck- und Temperaturverhältnisse anzupassen. Das erfordert eine Umrechnung und eine genaue Bemessung des Gasdruckes vor dem Absenken der Ventilanordnung. Fehler in der Berechnung des erforderlichen Gasdruckes oder in der Bemessung des Gasdruckes können dazu führen, daß die Ventilanordnung am Einsatzort nicht einwandfrei arbeitet. Das würde aber bedeuten, daß die Ventilanordnung mit dem gesamten Rohr strang wieder her aufgeho lt und nach Nachregulierung wieder abgesenkt werden müßte. In vielen Fällen ist die Temperatur im Bereich der zu untersuchenden Formation nicht genau bekannt und die richtige Bemessung des Gasdruckes in dem eingeschlossenen Gasvolumen auch aus diesem Grunde mit einer Unsicherheit behaftet.
Wenn die Formation in großer Tiefe liegt, ist es außerdem erforderlich, daß Gas unter sehr hohem Druck zu halten, damit der Gasdruck den hydrostatischen Druck des Bohrschlammes im Bohrloch zu überwinden und die Ventilanordnung in Schließstellung zu halten vermag. Das bedingt Drücke von einigen 100 Bar, so daß der Steuerzylinder entsprechend widerstandsfähig ausgelegt werden muß und außerdem recht erhebliche Dichtungsprobleme auftreten. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden ist es bekannt (US-PS 3 858 649 und DT-OS 2 408 891) auf den Kraftspeicher über einen durch ein Ventil nach Absenken der Rohr leitung in die Arbeitsstellung verschließbaren Kanal eine vom Druck der Flüssigkeit im Ringraum abhängige Vorbelastung zu übertragen.
Dies geschieht bei der DT-OS 2 408 891 dadurch, daß der Kraftspeicher ein in einem Raum eingeschlossenes Gasvolumen aufweist, das bei Betätigung der Ventilanordnung komprimierbar ist, und daß der Raum einen beweglichen Wandungsteil aufweist, auf den bei Offenstellung des besagten Ventils ein vom Druck der Flüssigkeit im Ringraum abhängiger Druck ausgeübt wird. Das Gasvolumen kann so über Tage unter einem Druck eingeschlossen werden, der relativ niedrig ist und im wesentlichen Atmosphärendruck sein kann. Je weiter die Ventilanordnung in dem Bohrloch abgesenkt wird, desto stärker wird das Gas über die bewegliche Wandung komprimiert, so daß sein Druck stets im wesentlichen gleich dem hydrostatischen Druck des Bohrschlammes im Bohrloch ist. Wenn die zu untersuchende Formation erreicht ist, sperrt das besagte Ventil (Trennventil) die Verbindung zu dem Außenraum ab, so daß das Gas unter dem normalen hydrostatischen Druck des Bohrschlammes bleibt. Dieser Gasdruck stellt sich automatisch ein, unabhängig von der am Einsatzort herrschenden Temeratur. Wenn nach Absperren des Ventils der Druck des Bohrschlammes mittels einer Pumpe erhöht wird, dann überwindet dieser Druck die Vor spannung des Gases und betätigt die Ventilanordnung im Sinne eines Öffnens des Längskanals des Rohrstranges. Hierzu ist keine unerwünscht starke Druckerhöhung erforderlich.
Bei der DT-OS 2 408 891 erfolgt die Steuerung des Trennventils in der Weise, daß die Ventilanordnung einen rohrförmigen Oberteil und einen zwischen zwei Anschlägen teleskopartig dagegen verschiebbar geführten rohrförmigen Unterteil aufweist, die mit dem oberen bzw. unteren Teil der Rohrleitung verbunden sind. Das Trennventil wird von einem Paar von Öffnungen in Ober- und Unterteil gebildet, die in der auseinandergezogenen Anschlagstellung von Ober- und Unterteil miteinander fluchten und einen Durchlaß zu dem Ringraum freigeben. Beim Absenken sind Ober-und Unterteil der Ventilanordnung durch das Gewicht des an dem Unterteil hängenden Teiles des Rohr stranges auseinandergezogen, so daß das Trennventil geöffnet ist. Wenn die Ventilanordnung sich an ihrem Einsatzort befindet, wird der Packer an die Bohrlochwandung angelegt und nimmt das Gewicht des Rohrstranges auf, wobei das Gewicht des oberen Teiles des Rohrstranges über die Ventilanordnung abgestützt ist und Ober-und Unterteil derselben zusammenschiebt. Damit werden die Öffnungen gegeneinander verschoben und das Ventil geschlossen.
Bei dieser bekannten Ventilanordnung ist ein zusammenschiebbarer Gehäuseabschnitt in den Prüfstrang erforderlich, um das Trennventil zu schließen. Es müssen daher besondere Vorkehrungen getroffen werden, um den Packer zu setzen und die Kräfte des Bohrstranges während des Absenkens oder Herausholens des Prüf stranges in dem Bohrloch abzustützen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilvorrichtung zu schaffen, die konstruktiv einfach aufgebaut ist, wobei das Trennventil nur eine geringe Anzahl von Bauteilenaufweist und ein zusammenschiebbares Gehäuse der Ventilanordnung nicht erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Ventilanordnung der eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß das Trennventil ein hydraulisch betätigbares Ventil ist, das durch die Differenz des Ringraumdruckes oberhalb des Packers und eines Referenzdruckes aus einer Offenstellung in eine Schließstellung bewegbar ist.
Gemäß der Erfindung wird auch das Trennventil, welches die Übertragung des Ringraumdruckes auf den Kraftspeicher steuert, hydraulisch von dem Druck in dem Ringraum betätigt, und zwar derart, daß bei einem Ansteigen des Ringraumdruckes über den Referenzdruck zunächst das Trennventil geschlossen wird. Der damit im Kraftspeicher gespeicherte Druck wirkt dann bei der Betätigung des den Längskanal beherrschenden Ventils der Ventilanordnung dem Ringraumdruck entgegen, so daß durch Erhöhen oder Absenken dieses Ringraumdruckes das Ventil in der bekannten Weise wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann.
Vorteilhafterweise dient als Referenzdruck der Ringraumdruck unterhalb des gesetzten Packers.
Wenn der Rohr strang mit der Ventilanordnung in den Bereich der zu untersuchenden Erdformation abgesenkt wird, herrscht in dem Ringraum zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung ebenso wie im Inneren des Rohrstranges unterhalb des zunächst noch geschlossenen Ventils der normale hydrostatische Druck des Bohrschlammes. Durch das Setzen des Packers wird der Ringraum unterhalb des Packers und der damit in Verbindung stehende Innenraum des Rohr stranges unterhalb des Ventils von dem Ringraum oberhalb des Packers hydraulisch getrennt. Der bisher herrschende hydrostatische Druck bleibt in diesem unteren Ringraum und dem Inneren des Rohrstranges unterhalb des Ventils bestehen, auch wenn der Druck in dem oberen Ringraum mittels einer Pumpe erhöht wird. Dieser Druck im Ringraum unterhalb des gesetzten Packers kann daher sehr bequem als Referenzdruck benutzt werden. Bei einer Erhöhung des Druckes in dem oberen Ringraum wird dann zunächst das Trennventil betätigt und der gegenüber dem hydrostatischen Druck etwas erhöhte Druck in dem Kraftspeicher gespeichert.
Es ist häufig erwünscht, eine Untersuchung der Erdformation mit einer Behandlung der Erdformation zu verbinden, bei welcher eine Flüssigkeit unter hohem Durck über einen Rohr strang in die Erdformation gedrückt wird. Es ist weiter wünschenswert, dazu den gleichen Prüfstrang zu verwenden, der zur Untersuchung benutzt wurde, so daß beim Übergang von Untersuchung auf Behandlung und umgekehrt nicht jeweils ein Rohrstrang herausgezogen und ein anderer abgesenkt zu werden braucht. Die Behandlungsflüssigkeit wird dazu durch den Längskanal des Prüf stranges unter hohem Druck hinabgepumpt.
Um eine solche Arbeitsweise bei einer Ventilanordnung mit einem nach der Erfindung hydraulisch von der Differenz zwischen Ringraumdruck und Längskanaldruck gesteuerten Trennventil zu ermöglichen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Trennventil nach der besagten Bewegung in die Schließstellung bei einem anschließenden Anstieg des Ringraumdruckes unterhalb des Packers von einer auf einen solchen Anstieg ansprechenden Vorrichtung in dieser Schließstellung gehalten.
Es wird dadurch sichergestellt, daß das Trennventil nicht durch den Druckanstieg im Längskanal bei einem Behandlungsvorgang wieder aufgesteuert wird, was zum Schließen des den Längskanal beherrschenden Prüfventils führen würden.
Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt einer Bohrinsel mit einer Bohrung auf dem Meeresgrund und einem Prüfstrang, der zum Unter suchen einer Erdformation verwendet werden kann.
Fig. 2 a und 2 b stellen, wenn sie längst der Linie x-x aneinandergesetzt sind, einen Vertikalschnitt einer Ausführungsform der Erfindung bei einer voll öffnenden Ventilanordnung dar, bei welcher das Trennventil in Offenstellung ist.
Fig. 3 stellt einen Vertikalschnitt eines Teils einer Prüfventilanordnung dar und zeigt die bevorzugte Ausführungsform des Trennventils in der Schließstellung.
Fig. 4 a und 4 b stellen, wenn sie längs der Linie x-x aneinandergesetzt sind, einen Vertikalschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung bei einer voll öffnenden Ventilanordnung dar, bei welcher das Trennventil in Offenstellung ist.
Fig. 5 zeigt das Trennventil in Schließstellung nach Setzen des Packers, wenn der Ringraumdruck oberhalb des Packers gegenüber dem Referenzdruck im Längskanal erhöht ist.
Fig. 6 zeigt das Trennventil in Schließstellung, wenn zur Behandlung der Erdformation Flüssigkeit unter Druck auf den Längskanal gegeben wird.
Fig. 1 zeigt einen typischen Prüfstrang, wie er in einer ausgekleideten Bohrung auf dem Meeresgrund verwendet wird. Die Bauteile des Prüfstranges sind die gleichen, wie sie in den vorerwähnten US-Patentschriften 3 664 415 und 3 856 085 verwendet sind. Mit 1 ist ein schwimmendes Bohrfahrzeug beszeichnet. Auf dem Meeresgrund 2 ist eine Bohrung 3 niedergebracht. Die Bohrung 3 ist mittels eines Verrohrungsstranges 4 ausgekleidet. Der Verrohrungsstrang 4 hat Durchbrüche, die eine Verbindung mit einer Erdformation 5 herstellen. Die Ergiebigkeit der Formation 5 soll untersucht werden. Mit 6 ist das Innere der Bohrung 3 bezeichnet. Auf dem Meeresgrund 2 ist ein Bohrungskopf 7 angeordnet, welcher die Ausblas-Preventer enthält. Zwischen dem Bohrungskopf 7 und der schwimmenden Bohrplattform 1 erstreckt sich eine Rohrleitung 8 durch das Wasser. Mit 9 ist der Deckaufbau der Bohrplattform 1 bezeichnet.
Von der Bohrplattform 1 erstreckt sich ein Prüfstrang 10, der aus rohrförmigen Abschnitten zusammengesetzt ist, durch die Rohrleitung 8 und durch die Bohrung 3 nach unten. Der Püfstrang 10 wird von einem üblichen Hebezeug 11 gehalten. Das Hebezeug 11 ist an einem Bohrtrum 12 gehaltert. Am oberen Ende ist die durchs Wasser führende Rohrleitung 8 durch einen Verschlußkopf 13 abgeschlossen. ueber eine Leitung 14 sind Flüssigkeiten wie Bohrschlamm in das Innere 6 der Bohrung unterhalb der Ausblas-Preventer des Bohrungskopfes 7 einleitbar. Durch eine Pumpe 15 kann die Flüssigkeit in der Leitung 14 unter Druck gesetzt werden.
Um den Prüfstrang 10 ist, wenn der Prüf strang in seiner Arbeitsstellung in der Bohrung 3 ist, ein Ringraum 16 gebildet.
Der Prüfstrang 10 enthält einen oberen Leitungsstrang 17, der sich bis zu der Bohrplattform 1 erstreckt. Mit 18 ist der hydraulisch betätigte "Prüfbaum" des Prüfstranges bezeichnet.
Daran schließt sich ein Zwischenstück 19 an, welches über eine dremomentübertragende, druck- und volumenmäßg ausgeglichene Gleitverbindung 20 mit einem Zwischenstück 21 verbunden ist.
Das Zwischenstück 21 dient dazu, dem unteren Teil des Prüfstranges 10 ein ausreichendes Gewicht zum Setzen des Packers zu erteilen. Der Prüfstrang 10 enthält weiterhin ein Zirkulationsventil 22, ein Zwischenstück 23, einen oberen Druckschreiber 24, eine Ventilanordnung 25, einen unteren Druckschreiber 26, einen Packer 27 sowie ein durchbrocnenes Endstück 28, welches eine Druckmittelverbindung zwischen dem Inneren des Prüf stranges 10 und der Erdformation herstellt.
Einzelheiten der Bauteil 1 bis 28 und anderer möglicher Bauteile sind im einzelnen in den Spalten 3 bis 6 der US-PS 3 664 415 beschrieben. Eine vorteilhfate Konstruktion eines Packers ist in der US-PS 3 584 684 dargestellt und beschrieben. Andere Bauteile sind beschrieben in der US-PS 3 646 995.
Die Ventilanordnung 25 von Fig. 1 kann ähnlich der Anordnung sein, wie sie in der US-PS 3 858 649 beschrieben ist, oder sie kann nach Art der US-PS 3 856 085 ausgebildet sein.
Die Ventilanordnung 100 enthält einen Ventilteil 101 und einen Antriebste- 214 welche durch eine Schraubverbindung lösbar unten .ar.< Der Ventilteil 100 enthält einen rohrförmigen Gehäusemantel 102, der einen Längskanal 102 a bildet. Der Längskanal 102 a wird von einem Kugelventil beherrscht, das ein kugelförmiges, mit einer Querbohrung 103 a versehenes, drehbar in dem Längskanal 102 a gelagertes Ventilglied 103 aufweist. Dieses kugelförmige Ventilglied 103 sitzt in einem Ventilgehäuse 105 und ist zwischen einer ringförmigen, am Ventilgehäuse 105 gebildeten, den Längskanal umgebenden, konkav sphärischen Lagerfläche 106 und einer ebenfalls konkav sphärischen Lagerfläche gehalten, die an einem ringförmigen, unterhalb des Ventilgliedes 103 angeordneten Lagerkörper 107 vorgesehen ist.
Der Lagerkörper 107 ist abdichtend verschiebbar in dem Ventilgehäuse 105 geführt und wird von einer Wendelfeder 108, die sich am Ventilgehäuse 105 abstützt, nach oben gedrückt.
Dadurch wird der Lagerkörper 107 in dichtender Anlage an dem kugelförmigen Ventilglied 103 und dieses Ventilglied wiederum in dichtender Anlage an der Lagerfläche 106 gehalten. In der dargestellten Stellung des Ventilgliedes 103 mit der Querbohrung 103 a ist der Längskanal 102 a durch das Ventilglied abgesperrt.
Das kugelförmige Ventilglied 103 weist Ausnehmungen 104 a auf, die vor oder hinter der Papierebene von Fig. 2 liegen. In diese Ausnehmungen greifen Finger 109 a mit Ansätzen 110 a ein. Die Finger 109 a erstrecken sich in Längsrichtung seitlich von den Längskanal 102 a. Sie weisen an ihren unteren Enden radial einwärts vorspringende Ansätze 109 c auf, die in eine Umfangsnut 111 am oberen Ende eines hülsenförmigen Stellgliedes 112 eingreifen. Das Stellglied 112 ist längsbeweglich in dem Gehäusemantel 102 angeordnet. Es enthält einen rohrförmigen oberen, äußeren Teil 113, der die Umfangsnut 111 aufweist, und einen rohrförmigen unteren, inneren Teil 114, der teleskopartig in dem oberen Teil 113 verschiebbar geführt ist. Der obere Teil 113 weist an seinem unteren Ende einen nach innen ragenden Flansch 113 a auf, und der untere Teil 114 weist an seinem oberen Ende einen nach außen ragenden Flansch 114 a auf. An der Innenfläche des oberen Teils 113 ist eine Schulter 113 b gebildet, an welcher der Flansch 114 a des unteren Teils bei dessen Aufwärtsbewegung zur Anlage kommt. Dadurch ist diese Aufwärtsbewegung begrenzt. Bei einer Abwärtsbewegung führt der untere Teil 114 des Stellgliedes 112 zunächst einen toten Hub aus, ohne daß der obere Teil 113 und der Ventilkörper 103 davon beeinflußt werden, bis der Flansch 114 a an dem Flansch 113 a zur Anlage kommt. Dann wird auch der obere Teil 113 des Stellgliedes 112 nach unten mitgenommen. Über die Finger 109 a wird das kugelförmige Ventilglied 103 verdreht, bis die Querbohrung 103 a desselben mit dem Längskanal 102 a fluchtet. Es ist dann ein gerader, vollständig offener Längsdurchgang durch den Ventilteil 101 freigegeben, der den Längskanal 102 a, die Querbohrung 103 a und die Längsbohrungen der Teile 113 und 114 umfaßt. Bevor der untere Teil 114 des Stellgliedes 112 seinen toten Hub beendet hat und der Flansch 114 a an dem Flansch 113 zur Anlage kommt, wird ein Druckausgleichskanal geöffnet, der den Innenraum des Ventilteils 101 unterhalb des Ventilgliedes 103 mit dem Innenraum oberhalb des Ventilgliedes 103 verbindet.
Dadurch wird das Ventilglied 103 vor der öffnungsbewegung von einseitiger Druckbelastung entlastet, und das ist der Zweck des toten Hubes. Konzentrisch zu dem Gehäusemantel 102 des Ventilteils 101 ist eine Hülse 102 b gehalten, in welcher der untere Teil 114 des Stellgliedes 112 abdichtend geführt ist.
Die Hülse 102 b weist radiale Auslässe 118 auf. Radiale Auslässe 117 sind auch in dem unteren Teil 114 des Stellgliedes 112 vorgesehen, und gegen Ende des toten Hubes fluchten die Auslässe 117, und 118. Es ist dann der Druckausgleichskanal durch die Auslässe 117 und 118 hindurch, über Raum 119, außen um den oberen Teil 113 und das Ventilgehäuse 105 herum und durch eine Bohrung 120 zu dem Längskanal 102 a oberhalb des Ventilgliedes 103 freigegeben.
Der Antriebsteil 121 enthält einen rohrförmigen Gehäusemantel 122. Zwischen dem Gehäusemantel 122 und einer zentral innerhalb desselben angeordneten, an ihren Enden abdichtend in Gehäusezwischenwänden geführten Hülse 123 ist eine Ringkammer 125 gebildet. Die Ringkammer 125 ist durch einen am Umfang der Hülse 123 angebrachten Ringkolben 124 in zwei Zylinderkammern unterteilt. Die obere dieser Zylinderkammern ist über radiale Durchbrüche 126 des Gehäusemantels 122 mit dem Außenraum desselben, d.h. im Betrieb mit dem Ringraum 16 (Fig. 1) verbunden. In der unteren Zylinderkammer ist eine Wendelfeder 127 angeordnet.
Diese untere Zylinderkammer steht mit einer weiteren Ringkammer 128 in Verbindung, die zwischen dem Gehäusemantel 122 und einem zentralen, einen Längskanal 122 d umschließenden Mantelteil 122 b gebildet ist. In der Ringkammer 128 ist ein schwimmender Ringkolben 129 geführt, der die Ringkammer in eine obere Kammer 128 a und eine untere Kammer unterteilt. Die obere, mit der unteren Zylinderkammer der Ringkammer 125 verbundene Kammer ist mit Stickstoff gefüllt. Die untere Kammer der Ringkammer 128 ist über einen Kanal 130 und ein Trennventil 150 mit der Außenseite des Gehäusemantels 122 verbunden, d.h. im Betrieb mit dem Ringraum 16.
Das Trennventil 150 enthält eine Ringkammer 151, die zwischen dem unteren Teil des Gehäusemantels 122 des Antriebsteils 121 und dem zentralen Mantelteil 122 b gebildet ist. Der Kanal 130 mündet in der oberen Stirnseite der Ringkammer 151. In der Ringkammer 151 ist ein hülsenförmiges Trennventilglied 154 geführt. Das Trennventilglied 154 weist am oberen Ende auf der Außenseite einen an der zylindrischen Innenwandung des Gehäusemantels 122 abdichtend anliegenden ersten Ringkolben 158 b auf. Es ist an diesem Ende abdichtend auf einer Verdickung 152 an der Außenseite des Mantelteils 122 b geführt. Am unteren Ende weist das Trennventilglied 154 einen nach innen vorspringenden Ringkolben 154 a auf, der abdichtend an der zylindrischen Außenwandung des Mantelteils 122 b anliegt. Es wird so zwischen dem Trennventilglied 154 und dem Gehäusemantel 122 eine mantelförmige Kammer gebildet, die über Durchbrüche 153 a und 153 b mit der Außenseite des Gehäusemantels 128 verbunden ist. Eine zweite mantelförmige Kammer ist zwischen dem Trennventilglied 154 mit seinem inneren Ringkolben 154 a und dem Mantelteil 122 b mit seiner Verdickung 157 gebildet.
Diese zweite mantelförmige Kammer ist über wenigstens einen Durchbruch 156 mit dem von dem Mantelteil umschlossenen Längskanal 122 d verbunden. In der zweiten mantelförmigen Kammer ist eine den Mantelteil umschließende Wendelfeder 155 angeordnet, die sich an der Verdickung 157 des Mantelteils 122 b abstützt und an der oberen Stirnseite des nach innen vorspringenden Ringkolbens 154 a anliegt. Diese Wendelfeder 155 sucht das Trennventilglied 154 in seiner unteren Endstellung in der Ringkammer 151 zu halten, wie sie in Fig. 2 b dargestellt ist.
Der obere Teil der Ringkammer 151 ist über einen Durchbruch 152 des Gehäusemantels 122 mit dessen Außenseite, d.h. im Betrieb mit dem Ringraum 16 oberhalb des Packers 27, verbunden. Der Kanal, über den eine vom Druck der Flüssigkeit in dem Ringraum 16 abhängige Vorbelstung auf den Kraftspeicher übertragbar ist, enthält somit den Durchbruch 152, den oberen Teil der Ringkammer 151 und den Kanal 130. Der Kraftspeicher ist das Gasvolumen in der Ringkammer 128 oberhalb des Ringkolbens 129 und in der unteren Zylinderkammer unter dem Ringkolben 124. Die Übertragung der vom Druck im Ringraum abhängigen Vorbelastung auf den Kraftspeicher erfolgt mittels des schwimmenden Ringkolbens 129, der bei geöffnetem Trennventil 150 auf der Unterseite von dem Ringraumdruck beaufschlagt ist und das Gasvolumen entsprechend komprimiert. Der Durchbruch 152 wird durch den oberen Ringkolben 158 b des Trennventilgliedes 154 von dem Kanal 130 getrennt, wenn sich das Trennventilglied 154 nach oben bewegt.
Die Steuerung des Trennventils 150 erfolgt hydraulisch auf folgende Weise: Wenn die Ventilanordnung von Fig. 2 als Ventilanordnung 25 von Fig. 1 in den Prüfstrang 10 eingebaut ist und dieser in das Bohrloch 3 abgesenkt wird, dann herrscht außerhalb des Gehäusemantels 122 ebenso wie in dem Längskanal 122 d, der über den Längskanal des Prüfstanges 10 und das durchbrochene Endstück 27 mit dem Ringraum 16 in Verbindung steht, der hydrostatische Druck des Bohrschlammes im Bohrloch. Es wirkt also der gleiche Druck auf die obere Stirnfläche 159 des Trennventilgliedes 154, auf die untere Stirnfläche des Ringkolbens 158 b und die untere Stirnfläche des Trennventilgliedes 154 sowie auf die obere Stirnfläche des Ringkolbens 154 a. Das Trennventilglied 154 ist daher hydraulisch ausgeglichen und wird durch die Feder 155 in der dargestellten Offenstellung gehalten. Der Ringraumdruck des Bohrschlammes, oder einer sonstigen das Bohrloch 3 ausfüllenden Hilfsflüssigkeit, wird über den Ringkolben 129 auf das Gasvolumen in der Ringkammer 128 übertragen und wirkt so auf die Unterseite des Ringkolbens 124. Ebenso wirkt der Ringraumdruck auch auf die Oberseite des Ringkolbens 124. Die Wendelfeder 127 drückt den Kolben 124 mit der Hülse 123 nach oben, bis eine Schulter 123 a der Hülse 123 an der Unterseite 122 a einer die Hülse 123 führenden Gehäusetrennwand zur Anlage kommt. Die Hülse 123 ist mit dem unteren Teil 114 des Stellgliedes 112 verschraubt und hält dies in der gezeigten oberen Stellung. Das Ventilglied 103 bleibt daher in der Schließstellung und sperrt den Längskanal 102 a ab.
Wenn dann der Packer 27 gesetzt wird, wird der Ringraum 16 oberhalb des Packers 27 von dem Ringraum unterhalb des Packers, der Formation und dem Längskanal im unteren Teil des Prüfstranges 10, zu dem auch der Längskanal 122 d in Fig. 2 gehört, hydraulisch getrennt. Es kann daher der Druck im oberen Teil des Ringraumes verändert, insbesondere erhöht, werden, ohne daß dies den Druck unterhalb des Packers 27 beeinflußt. Unterhalb des Packers 27 wird somit praktisch der rein hydrostatische Druck der Flüssigkeit im Bohrloch gespeichert. Dieser Druck dient bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Referenzdruck.
Wenn jetzt nach Setzen des Packers der Ringraumdruck oberhalb des Packers 27 erhöht wird, dann wirkt dieser erhöhte Ringraumdruck in Aufwärtsrichtung auf die untere Stirnfläche des Trennventilgliedes 154 und auf die Unterseite des Ringkolbens 158, also auf eine dem gesamten Querschnitt der Ringkammer 151 entsprechende Fläche. In Abwärtsrichtung wirkt der erhöhte Ringraumdruck jedoch nur auf die obere Stirnfläche des Trennventilgliedes 154, während auf die Ringfläche an der Oberseite des unteren Ringkolbens 154 a der geringere Referenzdruck, nämlich der unterhalb des Packers 27 gespeicherte ursprüngliche hydrostatische Druck wirksam ist. Es wirkt somit eine nach oben gerichtete resultierende Kraft und bei einem Druckanstieg des Ringraumdruckes auf einen ersten Wert wird die Kraft der Wendelfeder 155 überwunden und das Trennventilglied 154 nach oben bewegt. Hierdurch wird der Kanal 152, 151, 130, der den Kraftspeicher mit dem Ringraum verbindet, abgesperrt und der besagte erste Wert des Ringraumdruckes als Gasdruck in der Ringkammer 128 gespeichert.
Wenn dann eine weitere Erhöhung des Ringraumdruckes auf einen zweiten Wert erfolgt, überwindet dieser Ringraumdruck, der über den Durchbruch 126 in der oberen Zylinderkammer der Ringkammer 125 auf die Oberseite des Ringkolbens 124 wirkt, den auf die Unterseite des Ringkolbens 124 wirkenden gespeicherten Gasdruck und die Wendelfeder 127 und bewegt die Hülse 123 nach unten.
Dadurch wird nach einem toten Hub im Stellglied 112 erst ein Druckausgleich am Ventilglied 103 hergestellt und dann das Ventilglied 103 in die Offenstellung verdreht.
Durch das Öffnen des Ventils sinkt der Druck im Längskanal 122 d weiter ab, da der Rohrstrang oberhalb des Ventils frei von Bohrlochflüssigkeit ist, so daß das Trennventil 150 auch dann in seiner Schließstellung verbleibt. Es kann dann in üblicher Weise ein Prüfprogramm durchgeführt werden.
Vor dem Herausziehen des Prüf stranges 10 nach Beendigung des Prüfprogrammes, wird der Packer 27 gelöst. Damit wird wieder eine Verbindung des oberen Ringraumes mit dem unteren Ringraum und dem Längskanal 122 d unterhalb des Ventils hergestellt.
Hierdurch wird wieder ein Druckausgleich an dem Trennventilglied 154 erreicht, und das Trennventil 150 öffnet unter dem Einfluß der Wendelfeder 150. Hierdurch wird sichergestellt, daß beim Herausziehen des Prüf stranges 10 der Druck in der Ringkammer 128 entsprechend dem zur Erdoberfläche hin abnehmenden hydrostatischen Ringraumdruck automatisch wieder abgebaut wird.
In der unteren Wandung des Gehäusemantels 122 sitzt ein aufreißbarer Stopfen 138. Dieser Stopfen 138 öffnet bei übermäßigem Ringraumdruck und geschlossenem Trennventil 150 einen das Ventil umgehenden Durchgang. Dadurch wirkt der besagte übermäßige Ringraumdruck auf beiden Seiten des Ringkolbens 124, so daß sich dieser unter dem Einfluß der Wendelfeder 127 nach oben bewegt und das Ventilglied 103 in seine Schließstellung bringt.
Das erfindungsgemäße Trennventil kann auch in dem Antriebsteil bei einer Prüfventilanordnung nach der US-PS 3 858 649 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4a und b ist der Ventilteil 101 und der Antriebsteil 121 der Ventilanordnung im wesentlichen genau so aufgebaut wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2a und 2b. Das Sperrventil 150, welches den Kanal 130 von dem Ringraum 16 zu dem Kraftspeicher 129, 128 beherrscht, ist dort jedoch so aufgebaut, daß es, wie das Sperrventil 150 in Fig. 2b, schließt, wenn die Differenz der Ringraumdrücke oberhalb und unterhalb des gesetzten Packers einen vorgegebenen ersten Wert überschreitet, daß es aber dann geschlossen bleibt, wenn der Druck unterhalb des Packers und im Inneren des Rohr stranges wieder ansteigt. Diese Konstruktion gestattet es, nach dem Setzen des Packers und Öffnen des den Längskanal 102a beherrschenden Prüfventils die Erdformation mit einer durch den Rohr strang unter hohem Druck eingepumpten Flüssigkeit zu behandeln, und z.B. aufzubrechen um die Produktionsrate zu verbessern, ohne daß dabei das Trennventil wieder geöffnet wird und dementsprechend das Prüfventil wieder in Schließstellung geht.
Die Innenwandung des Trennventils 150 in Fig. 4b wird von einem unteren Ansatz 151 des inneren rohrförmigen Mantelteils 122b gebildet. Der Ansatz 151 weist am unteren Ende einen dünneren Abschnitt 152 auf. Ein Hülsenteil 157 weist an seinem oberen Ende einen radialen Flansch und einen daran anschließenden axialen Kragen 158 auf. Der Kragen 158 greift über das untere Ende des dünneren Abschnitts152, dessen Stirnfläche an dem radialen Flansch anliegt. Das untere Ende des Hülsenteils 157 sitzt in einer Längsbohrung in einem unteren Gehäuseansatz 153 des Gehäusemantels 122, wobei in dieser Längsbohrung Dichtungen 162 angeordnet sind. Die Außenwandung des Trennventils 150 wird von dem unteren Gehäuseansatz 153 des Gehäusemantels 122 gebildet. Von dem Gehäusemantel 122 und dem Gehäuseansatz 153, dem Ansatz 151 des inneren Mantelteils 122b und dem Hülsenteil 157 wird eine Schieberventilkammer 163 gebildet. An die oberen Stirnfläche 164 der Schieberventilkammer 163 ist ein rint.-förmiges Dichtkissen 166 anlegbar, das in einem Dichtkissenhalter 165 gehaltert ist. Der Gehäuseansatz 153 weist zwei Sätze von jeweils einer Mehrzahl gegeneinander versetzter Durchbrüche 154 und 155 am oberen Ende des Trennventils auf. Am unteren Ende des Trennventils ist im Gehäuseansatz 153 ebenfalls eine Mehrzahl von Durchbrüchen 156 vorgesehen. über diese Durchbrüche wird eine Druckmittelverbindung zwischen dem Ringraum 16 und der Schieberventilkammer 163 hergestellt. In dem Hülsenteil 157 sind ebenfalls mehrere Durchbrüche 161 vorgesehen, welche eine Druckmittelverbindung zwischen der Schieberventilkammer 163 und dem Längskanal 122d herstellen.
In der Schieberventilkammer 163 ist das hülsenförmige Trennventilglied 167 axialbeweglich geführt. Das Trennventilglied 167 weist oben einen verdickten Teil 168 auf, der eine Schulter mit einer nach unten gewandten Ringfläche 171 bildet. Das obere Ende des Trennventilgliedes bildet eine obere Stirnfläche 169, durch welche der Dichtkissenhalter 165 mit dem Dichtkissen 166 an die obere Stirnfläche 164 der Schieberventilkammer 163 andrückbar ist, wenn sich das Trennventilglied 167 in seiner obersten Stellung befindet. Dabei bildet die Stirnfläche 169 des Trennventilgliedes 167 eine druckmitteldichte Abdichtung mit dem Dichtkissen 166. Hierzu kann längs der oberen Stirnfläche 169 eine kreisförmige vorstehende Dichtleiste 170 vorgesehen sein.
Am unteren Ende weist das Trennventilglied 167 eine nach innen vorspringende Verdickung auf, mit der es unter Zwischenlage einer Dichtung 178 gleitbeweglich auf dem Hülsenteil geführt ist. Zwischen der Innenwandung des Gehäuseansatzes 151 und der Außenseite des Trennventilgliedes 167 ist ein Ringspalt gebildet, so daß über die Durchbrüche 155 und 156 die untere Stirnseite 173 des Trennventilkörpers 167 von dem Ringraumdruck beaufschlagt ist.
Die nach oben gewandte Ringfläche 174, die von der unteren Verdickung des Trennventilgliedes 167 gebildet wird, ein Zwischenabschnitt des Hülsenteils 157, die nach unten gewandte Ringfläche 159 des Flansches am Hülsenteil 157 und ein Zwischenabschnitt des Trennventilgliedes 167 bilden eine ringförmige Federkammer 176, welche eine Wendelfeder 179 enthält. Die Wendelfeder 179 stützt sich an dem Flansch des Hülsenteils 157 ab und liegt an der Ringfläche 174 der unteren Verdickung des Trennventilgliedes 167 an, so daß sie das Trennventilglied 167 nach unten in die Offenstellung zu drücken sucht.
Zwischen der nach unten gewandten Ringfläche 171 des Trennventilgliedes 167, einem Zwischenabschnitt des Trennventilgliedes, der Stirnfläche des Kragens 158 und dem dünneren Teil 152 des Ansatzes 151 des Mantelteils 122b ist eine ringförmige Zylinderkammer 175 gebildet, in welcher ein schwimmender Ringkolben 180 geführt ist. Dichtungen 181 sind zwischen dem Ringkolben 180 und der Außenfläche des Ansatzes 151 vorgesehen, und Dichtungen 182 sind zwischen dem Ringkolben 180 und der Innenfläche des Trennventilgliedes vorgesehen. Der Ringkolben 180 teilt somit die ringförmige Zylinderkammer 175 dicht in einen oberen und einen unteren Zylinderaum. Der Zylinderaum der Zylinderkammer 175 unterhalb des Ringkolbens 175 ist über einen Ringspalt zwischen Kragen 158 und Trennventilglied 167 mit der Federkammer 176 verbunden. Auf die untere Seite des Ringkolbens wirkt somit über die Durchbrüche 161, die Federkammer 176 und den Ringspalt zwischen Flansch 158 und Trennventilglied der im Längskanal der Ventilanordnung 100 herrschende Druck. Der obere Zylinderraum der Zylinderkammer 175 oberhalb des Ringkolbens 180 steht über einen Ringspalt zwischen dem Ansatz 152 des Mantelteils 122b und dem verdickten Teil 168 des Trennventilglieds und über den Kanal 130 mit den Drücken unter dem schwimmenden Kolben 129 in Verbindung. Auf der Oberseite des schwimmenden Ringkolbens 180 wirkt somit bei geöffnetem Trennventil 150 über den Durchbruch 155 der Ringraumdruck und bei geschlossenem Trennventil, wenn der schwimmende Kolben 129 vorher von seinem unteren Anschlag durch den Ringraumdruck unter Kompression des Gases im Raum 128 abgehoben worden ist, der gespeicherte Gasdruck, der über den Kolben 129 auf die Flüssigkeit im Kanal 130 und dem damit verbundenen System übertragen wird.
Die unter Bezugnahme auf die Figuren 4a und b, 5 und 6 beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Wenn der Prüfstrang 10 in das Bohloch 3 abgesenkt wird, ist das bewegliche Ventilglied 103 in seiner Schließstellung. Der Packer gestattet während dieses Absenkens einen Druckmitteldurchgang daran vorbei, so daß die Drücke im Ringraum 16 und im Längskanal des Mantelteils 122b unterhalb des Ventilgliedes 103 gleich sind. Während des Absenkens erhöht sich dieser Druck, so daß er schließlich den Druck des Gases in der Ringkammer 128 überwindet und der schwimmende Kolben 129 beginnt, sich aufwärts zu bewegen. Auf diese Weise wird der Druck des Gases in der Ringkammer 128 automatisch an den sich erhöhenden hydrostatischen Druck der Bohrlochflüssigkeit im Ringraum angepaßt.
Solange der Packer 27 noch nicht gesetzt ist und die Drücke im Ringraum 16 und im Längskanal gleich sind, befindet sich das Trennventilglied 167 im Druckgleichgewicht. Die über die Durchbrüche 154, 155 und 156 wirksamen Drücke sind alle gleich, so daß auf die abwärts gerichteten Flächen 171 und 173 der gleiche Druck wirkt wie auf die aufwärts gerichteten Flächen 169 und 174. Infolgedessen wird das Trennventilglied 167 durch dIe ;«endefeder 179 in seiner unteren oder Offenstellung schalten.
Wenn der Packer 27 gesetzt wird und die Erdformation 5 gegen den oberen Ringraum abdichtet, wird der Druck im Ringraum unterhalb des Packers und in dem Längskanal unterhalb des Ventilgliedes 103 unabhängig und wird nicht mehr von dem Druck im oberen Ringraum bestimmt. Der so in dem Längskanal eingeschlossene Druck wirkt dann wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2a und b als Referenzdruck.
Nach Schließen der Ausblas-Preventer in dem Bohrungskopf 7 wird der Ringraumdruck im oberen Ringraum oberhalb des Packers 27 mittels der Pumpe 15 erhöht. Der Druck in der Federkammer 176 bleibt über Durchbruch 161 auf dem Referenzdruck, d.h. dem bei Setzen des Packers 27 herrschenden hydrostatischen Druck.
Dieser Druck wirkt auf die nach oben gerichtete Ringfläche 174.
Auf die übrigen Flächen 169, 171 und 173 des Trennventilgliedes 167 wirkt dagegen der erhöhte Druck im oberen Ringraum, so daß eine nach oben gerichtete resultierende hydraulische Kraft auf das Trennventilglied wirksam ist. In dem unteren Zylinderraum der Zylinderkammer 175 wirkt der Referenzdruck, während in dem oberen Zylinderraum der Zylinderkammer 175 der erhöhte Ringraumdruck wirksam ist. Der Ringkolben 180 wird daher in Anlage an der Stirnfläche des Kragens 158 gehalten.
Wenn der Ringraumdruck oberhalb des Packers hinreichend auf einen ersten Wert über den Referenzdruck abgehoben worden ist und auch das Gas in der Ringkammer 128 diesen Wert angenommen hat, überwindet die resultierende hydraulische Kraft die Vorspannung der Wendelfeder 179 und bewegt das Trennventilglied 167 nach oben. Dadurch legt sich das Trennventilglied mit seiner Stirnfläche 169 und der Dichtleiste 170 an das Dichtkissen 166 an und drückt dieses seinerseits gegen die Stirnfläche 164 der Schieberventilkammer 163.
Damit wird die Verbindung zwischen dem Durchbruch 154 und dem Kanal 130 unteibrochen, so daß der Ringraumdruck nicht weiter unter dem schwimmenden Kolben 129 wirksam wird. Das Gas in der Ringkammer 128 beliebt zunächst im wesentlichen unter dem erhöhten Ringraumdruck, bei dem das Trennventil 150 schloß.
Dieser in dem Gas der Ringkammer 128 herrschende Druck, wird über den Kolben 129 und über den Kanal 130 und den Ringspalt zwischen Ansatz 151 und Trennventilglied auch auf den oberen Zylinderaum der Zylinderkammer 175 übertragen und wirkt in Abwärtsrichtung auf den Ringkolben 180.
Bei einer weiteren Erhöhung des Ringraumdruckes auf einen zweiten Wert wird die Vorspannung der Wendelfeder 127 überwunden, so daß der Ringkolben 124 sich mit der Hülse 123 abwärts bewegt und den Ventilkörper 103 in der unter Bezugnahme auf Fig. 2a schon beschriebenen Weise in die Offenstellung bewegt.
Dabei wird das Gas unterhalb des Ringkolbens 124 und in der Ringkammer 128 zusätzlich etwas komprimiert.Die Druckerhöhung ist jedoch begrenzt durch den Hub des Ringkolbens 124. Außerdem ist dabei der Gasdruck auf jeden Fall wenigstens um den sich aus der Federvorspannung der Wendelfeder 127 ergebenden Wert geringer als der Ringraumdruck im Ringraum oberhalb des Packers. Bei geöffnetem Ventil stellt sich somit ein bestimmter begrenzter Gasdruck in der Ringkammer 128 ein, der geringer als der zum Öffnen des Ventils mit dem Ventilglied 103 erforderliche Ringraumdruck ist. Dieser begrenzt Druck wirkt auch auf die Oberseite des schwimmenden Ringkolbens 180. Wenn zur Behandlung der Erdformation Flüssigkeit unter hohem Druck durch den Längskanal des Rohr stranges in die Erdformation 5 unterhalb des Packers 27 geleitet wird, dann kehrt zwar die Differenz der Drücke im Ringraum oberhalb des Packers und im Längskanl 122d innerhalb des Mantelteils 122b, welche die Schließbewegung des Trennventilgliedes 167 bewirkt hatte, ihr Vorzeichen um. Der Druck im Längskanal 122d wird höher als der im oberen Ringraum.
Es wird dadurch aber das Trennventil 150 nicht mehr geöffnet.
Es wird zunächst auf den oberen Ringraum ein Druck gegeben, der hinreichend hoch ist, um ein sicheres Schließen des Trennventils und öffnen des Prüfventils mit dem Ventilglied 103 zu ae- " 1 e z - W.enr der in dem Längskanal wirksame Druck, der auf die Unterseite des schwimmenden Ringkolbens 180 wirkt, größer als der Druck des Gases in der Ringkammer 128 wird, dann bewegt sich der Ringkolben 180 nach oben und kommt an der Fläche 171 des Trennventilkörpers 167 zur Anlage. Es wirkt jetzt der Druck aus dem Längskanal nach beiden Seiten gleichermaßen auf den Trennventilkörper 167, nämlich über den auf der Unterseite von diesem Druck beaufschlagten Ringkolben 180 nach oben und auf die der Fläche des Ringkolbens 180 gleiche Ringfläche 174 nach unten. Dieser Längskanaldruck übt daher keine resultierende Kraft auf den Trennventilkörper 167 aus. Nach oben wirkt auf die Fläche 173 der erhöhte Ringraumdruck aus dem oberen Ringraum. Dieser nach oben gerichteten Kraft wirkt der Ringraumdruck auf dem außerhalb der Dichtleiste 170 liegenden Teil der oberen Stirnfläche 169 entgegen. Dieser Teil ist wesentlich kleiner als die Fläche 173. Auf die Oberseite des Ringkolbens 180 und den inneren Teil der Stirnfläche 169 wirkt der Druck, unter dem auch das Gas in der Ringkammer 128 steht.
Dieser Druck ist, wie oben dargelegt, geringer als der zum Öffnen des Prüfventils erhöhte Ringraumdruck im oberen Ringraum. Es ergibt sich somit eine nach oben gerichtete resultierende Kraft, so daß das Trennventil in seiner Schließstellung verbleibt, auf welchen Wert auch der Druck im Längskanal ansteigen mag, solange nur der Ringraumdruck den Gasdruck um einen Betrag übersteigt, der ausreicht, die Feder 179 zusammengedrückt zu halten.
Bevor der Prüfstrang 10 aus der Bohrung herausgezogen wird, ist es wünschenswert, das Prüfventil mit dem Ventilglied 103 zu schließen und das Trennventil wieder zu öffnen, damit das Gas im Antriebsteil wieder auf seinen Anfangsdruck zurückgehen kann. Zunächst wird der gegebenenfalls vorhandene Druckanstieg, der während der Behandlungsphase auf den Längskanal des Rohr stranges gegeben wird, weggenommen. Dann wird der Druckanstieg im Ringraum weggenommen, so daß der Gasdruck und die Feder im unteren Teil der Ringkammer 125 den Kolben 124 in seine ursprüngliche Stellung und das kugelige Ventilglied 103 in seine Schließstellung bringen können. Wenn der Ringraumdruck wieder auf seinen hydrostatischen Wert zurückgeht, bewegt die Feder 179 das Trennventilglied 167 in seine Offenstellung.
Hierdurch wird eine Verbindung zwischen dem Ringraum 16 und dem Kanal 130 hergestellt. Der Gasdruck stellt sich nun durch die Wirkung des schwimmenden Kolbens 129 bei Herausziehen des Prüf stranges selbst ein, bis der anfängliche Gasdruck erreicht ist.
Auch diese Trennventilkonstruktion könnte statt mit einer Prüfventilanordnung nach Fig. 4a mit einer anders aufgebauten Prüfventilanordnung z.B. nach der US-PS 3 858 649 verwendet werden.
Ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 2b ist eine Sicherheitsvorrichtung in Gestalt einer aufreißbaren Stopfens 138 vorgesehen, so daß ein Durchgang zwischen Ringraum 16 und Kanal 130 freigegeben wird und das Ventilglied 103 in seine Schließstellung geht, falls bei geschlossenem Trennventil 150 der Ringraumdruck exzessiv ansteigen soll.

Claims

Patentansprüche

1. Ventilanordnung für eine Vorrichtung zum Untersuchen einer Erdformation mittels eines die Erdformation durchsetzenden Bohrlochs, eines in dieses abgesenkten Rohrstranges und eines Packers zur Abdichtung zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung oberhalb der Erdformation, wobei eine Verbindung zwischen dem Inneren des Rohrstranges und dem Ringraum zwischen Rohr strang und Bohrlochwandung unterhalb des Packers hergestellt ist, welche Ventilanordnung zum Einbau in den Rohr strang oberhalb des Packers eingerichtet ist, so daß sie die Längsbohrung des Rohrstranges beherrscht, und durch den Druck einer Flüssigkeit in dem Ringraum oberhalb des Packers gegen die Wirkung eines Kraftspeichers betätigbar ist, der über einen durch ein Trennventil verschließbaren Kanal mit dem Ringraum verbunden ist, wobei durch den Kanal eine vom Druck der Flüssigkeit in dem Ringraum abhängige Vorbelastung auf den Kraftspeicher übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennventil (150) ein hydraulisch betätigbares Ventils ist, das durch die Differenz des Ringraumdruckes oberhalb des Packers (27) und eines Referenzdruckes aus einer Offenstellung in eine Schließstellung bewegbar ist.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzdruck der Ringraumdruck unterhalb des gesetzten Packers (27) dient.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem äußeren Gehäusemantel (132) und einem einen zentralen Längskanal (122d) umschließenden Mantelteil (123) eine Ringkammer (151) gebildet ist, in welcher ein hülsenförmiges, den Kanal zum Kraftspeicher beherrschendes Trennventilglied (154) angeordnet ist, das an einem Ende von der Kraft des Kraftspeichers beaufschlagt ist und auf der Außenseite einen an der zylindrischen Innenwandung des Gehäusemantels (122) abdichtend anliegenden ersten Ringkolben (158b) aufweist und das an der Innenseite an dem besagten einen Ende abdichtend auf einer Verdickung (157) an der Außenseite des Mantelteils (123) geführt ist und an dem anderen Ende einen nach innen vorspringenden Ringkolben (154a) aufweist, der abdichtend an der zylindrischen Außenwandung des Mantelteils (123) anliegt, so daß zwischen dem Trennventilkörper (154) und dem Gehäusemantel (122) eine erste mantelförmige Kammer gebildet ist, die über wenigstens einen Durchbruch (153a bzw. 153b) in dem Gehäusemantel (122) mit der Außenseite des Gehäusemantels (122) in Verbindung steht, und zwischen Trennventilkörper (154) und Mantelteil (123) eine zweite mantelförmige Kammer gebildet ist, die über wenigstens einen Durchbruch (156) im Mantelteil (123) mit dem darin gebildeten Längskanal (122d) in Verbindung steht.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten mantelförmigen Kammer eine den Mantelteil (123) umschließende Wendelfeder (155) angeordnet ist, die sich an der Verdickung (157) des Mantelteils (123) abstützt und an der Stirnseite des nach innen vorspringenden Ringkolbens (154a) anliegt.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zum Kraftspeicher einen Durchbruch (152) in dem Gehäusemantel (122) enthält und sich weiter von dem vor der Stirnfläche (159) des Trennventilgliedes (154) an dem einen Ende liegenden Teil der Ringkammer (151) zu dem Kraftspeicher erstreckt und daß der besagte Durchbruch (152) durch den ersten Ringkolben (158b) des Trennventilgliedes (154) gegen den übrigen Teil (130) dieses Kanals abdeckbar ist.

6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung eine zweite Ringkammer (125) aufweist, die zwischen dem Gehäusemantel (102) und einer zentral innerhalb desselben angeordneten, an ihren Enden abdichtend in Gehäuse zwischenwänden geführten Hülse (123) gebildet und durch einen am Umfang dieser Hülse (123) angebrachten Ringkolben (124) in zwei Zylinderkammern unterteilt ist, von denen die eine mit einem als Feder des Kraftspeichers wirkenden Gas gefüllt ist, während die andere über Durchbrüche (126) des Gehäusemantels (102) mit dessen Außenraum in Verbindung steht, und daß der gasgefüllte Zylinderraum mit einer dritten Ringkammer (128) in Verbindung steht, die zwischen dem Gehäusemantel (122) und dem Mantelteil (123) gebildet und durch einen schwimmenden Ringkolben ( 129) in zwei ringförmige Kammern unterteilt ist, deren dem gasgefüllten Zylinderraum abgewandte über den vom Trennventil (150) beherrschten Kanal mit der Außenseite des Gehäusemantels (122) verbindbar ist, wobei das den L<ngskanal (102a) des Rohrstranges beherrschende Ventil von der Hülse (123) steuerbar ist.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem gasgefüllten Zylinderraum eine Druckfeder (127) angeordnet ist.

8. Ventilanordnung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß das den Längskanal (102a) beherrschende Ventil ein kugelförmiges, mit einer Querbohrung versehenes, drehbar in dem Längskanal gelagertes Ventilglied (103) enthält, und daß das Ventilglied (103) durch ein in einem Gehäusemantel (102) längsbewegliches, mit der Hülse (123) gekuppeltes Stellglied (112) mit einem in eine Ausnehmung (104a) des Ventilgliedes (103) eingreifenden Finger (109a) verdrehbar ist.

9. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (112) zur Ausführung eines toten Hubes vor dem Angreifen an dem Ventilglied (103) ausgebildet ist und daß bei einem Hub der Hülse (123) ein das Ventilglied (103) umgehender Druckausgleichskanal (117, 118, 119, 120) freigegeben wird, bevor eine Ventilverstellung erfolgt.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das Trennventil (150) nach der besagten Bewegung in die Schließstellung bei einem anschließenden Anstieg des Ringraumdruckes unterhalb des Packers (27) von einer auf einen solchen Anstieg ansprechenden Vorrichtung (180) in dieser Schließstellung gehalten wird.

11. Ventilanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Vorrichtung (180) in einer Richtung wirkend ausgebildet ist und unter dem Einfluß des besagten anschließenden Anstiegs des Ringraumdruckes das Trennventil (150) geschlossen hält aber nicht auf das Trennventil (150) wirkt, wenn der Druck in dem Teil der Bohrung (3) unterhalb des Packers (27) unter einem vorgegebenen Wert liegt.

12. Ventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen schwimmenden Kolben (180) enthält, der in einer ersten Richtung von dem Ringraumdruck unterhalb des Packers (27) und in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung von einem Druck beaufschlagt ist, der um einen vorgegebenen Betrag geringer als der Ringraumdruck oberhalb des Packers (27) ist, und daß der Hub des schwimmenden Kolbens (180) in der ersten Richtung durch den Trennventilkörper (167) und in der zweiten Richtung durch feststehende Teile (158) des Rohrstranges begrenzt ist.

13. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennventil (150) durch eine Belastungsfeder (179) zur Offenstellung hin vorgespannt ist.

14. Ventilanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennventil (1 So) die nachstehenden Bauteile enthält, ein rohrförmiges Gehäuse (122, 122b) mit einem zentralen Längskanal, einer Ring kammer (163) in der Wandung des Gehäuses (122, 122b), einem Kanal (130) der mit einem ersten Ende der besagten Ringkammer (163) in Verbindung steht, einer ersten Mehrzahl von Durchbrüchen (155), durch welche eine Druckmittelverbindung zwischen dem ersten Ende der Ringkainrer (163) und der Außenseite des Gehäuses (122, 122b) hergestellt ist, einer zweiten Mehrzahl von Durchbrüchen (156), über welche eine Druckmittelverbindung zwischen einem zweiten entgegengesetzten Ende der Ringkammer (163) und der Außenseite des Gehäuses (122, 122b) hergestellt ist, und einer dritten Mehrzahl von Durchbrüchen (161), durch welche zwischen der ersten und der zweiten Mehrzahl von Durchbrüchen eine Druckmittelverbindung zwischen der Ringkammer (163) und den Längskanal hergestellt ist, einen vorstehenden Bund (158) an dem Teil (122b) des Gehäuses, der die Ringkammer (163) von dem Längskanal trennt, welcher Bund (158) zwischen der dritten Mehrzahl von Durchbrüchen (161) und dem ersten Ende der Ringkammer (163) angeordnet ist, ein hülsenförmiges Trennventil-glied (167), das in der Ringkammer (163) angeordnet ist und einen verdickten Teil (168) zwischen dem besagten Bund (158) und dem ersten Ende der Ringkammer (163) aufweist und das unter dem Einfluß des auf der Außenseite des Gehäuses (122, 122b) herrschenden Flüssigkeitsdruckes zu dem ersten Ende der Ringkammer (163) und unter dem Einfluß der Belastungsfeder (179) zu dem anderen Ende der Ringkammer hinbewegbar ist, einen schwimmenden Kolben (180), der zwischen dem verdickten Teil (168) des Trennventilgliedes (167) und dem Bund (158) an dem die Ringkammer (163) vom Längskanal trennenden Teil (1>z2b) des Gehäuses angeordnet ist und unter dem Einfluß einer Druckdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsdruck in dem zentralen Längskanal und dem Flüssigkeitsdruck in dem besagten Kanal (130) beweglich ist, derart, das der schwimmende Kolben (180) an dem verdickten Teil (168) des Trennventilgliedes (167) anliegt, wenn der Druck in dem zentralen Längskanal größer ist, und an dem Bunde (158) wenn der Druck in dem Kanal (130) größer ist, und Dichtmittel (166), zwischen dem ersten Ende der Ringkammer (163) und dem Trennventilglied (167), durch welche eine druckmitteldichte Abdichtung zwischen der ersten Mehrzahl von Durchbrüchen (155) und den Kanal (130) bewirkt wird, wenn sich das Trenn ventilglied (167) zu dem ersten Ende der Ringkammer (163) bewegt.

15. Ventilanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende des Trennventilgliedes (167), das dem zweiten Ende der Ringkammer (163) zugewandt ist, ein zweiter verdickter Teil vorgesehen ist und daß die Belastungsfeder (179) sich an dem Bund (158) abstützt und an dem zweiten verdickten Teil anliegt.