DE3812269A1 - Ablenkkeil-packerbaugruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einstufen-Packerbaugruppe, und zwar speziell auf eine Ablenkkeil-Packerbaugruppe, deren Durchmesser geringer ist als gewöhnlich, die aber dennoch die herkömmlichen Bohrrohrdurchmesser wirksam abdichten kann.

Bohrrohrpacker werden weithin zum Abdichten oder Isolieren von einer oder mehreren Zonen in einem Bohrloch verwendet. Im all­ gemeinen werden mehrere interessierende Pegel durch eine Packer­ vorrichtung zwischen Bohrrohr und Bohrstrang voneinander abge­ dichtet. Packer werden auch zum Ausrichten und Tragen zusätz­ licher Werkzeuge, wie z. B. Ablenkkeilen, eingesetzt, um die Richtung des Werkzeuges zu steuern. Die Mehrzahl der bisher be­ kannten Packer ist jedoch in der Regel für das Stopfen und Ab­ dichten von Spalten ausgelegt, die 4,76 cm oder weniger be­ tragen. Deshalb muß der Anfangsdurchmesser des Packers ziem­ lich genau mit den inneren Abmessungen des Bohrrohres überein­ stimmen.

Da die herkömmlichen Packer nur ein geringes Spiel haben, nei­ gen sie beim Hinablassen in das Bohrrohr dazu darin hängen zu bleiben. Dies ist besonders problematisch bei Bohrrohrpackern, die zusammen mit zusätzlichen Werkzeugen verwendet werden, da dabei die Gesamtlänge des Kombinationswerkzeuges zunimmt. Mit zunehmender Länge des mit dem Packer verbundenen Werkzeuges nimmt die Manövrierfähigkeit in unregelmäßigen Bohrrohrab­ schnitten aufgrund des begrenzten Spiels zwischen Packer und Bohrrohr ab. Um die Gefahr des Hängenbleibens zu verringern, werden solche Mehrfachwerkzeugarbeitsgänge im allgemeinen in zwei Arbeitsstufen ausgeführt. In der ersten Stufe wird der Packer eingeführt und eingestellt, während in der zweiten Stufe das Arbeitswerkzeug, wie z. B. ein Ablenkkeil, welcher der Ab­ lenkung des Bohrloches dient, positioniert wird. Da die Länge des Packers nur wenige Fuß betrug, konnte er ohne Schwierig­ keit im Bohrrohr manövriert werden. Die Zweistufen-Arbeits­ gänge führten jedoch insbesondere bei sehr großen Bohrtiefen zu erhöhten Kosten. Während das getrennte Betreiben von Ablenk­ keil und Packer normalerweise ein ziemlich einfaches Verfah­ ren darstellt, ist es bei einem sehr stark abgelenkten Bohr­ loch möglicherweise erforderlich, den Packer am Bohrstrang abzusenken. In diesem Fall wird das einfache Verfahren zeitauf­ wendig und kompliziert.

Um die Produktionskosten zu verringern, wurde ein Einstufen- Werkzeug entwickelt, welches für das Abdichten von Spalträumen von mehr als 1,27 cm geeignet ist. Ein solches Kombinations­ werkzeug ist in der US-PS 43 97 355 mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zum Setzen eines Ablenkkeils" beschrieben. Der darin beschriebene Packer ist für das Stopfen des größeren Spaltraumes angepaßt. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß das Gummidichtungselement aufgrund des größeren Spaltraumes leichter dazu neigt, sowohl entlang des inneren Dornes als auch des Bohrrohres herauszudrängen, wodurch Leckage am Packer vorbei hervorgerufen wird. Bei dem Versuch, diese Leckage aus­ zuschließen, hat man auch Druckpacker verwendet. Diese Druck­ packer hielten jedoch nur Drücke aus, die proportional zu dem Anfangsdruck im Packer sind, da die Druckzufuhrleitung bei Betätigung des Ablenkkeils unterbrochen wird. Jede Erhöhung des Druckes bohrlochabwärts führte zur Leckage vorbei am Werkzeug.

Mit den bisher bekannten Werkzeugen ist es also nicht gelungen, das Bohrrohr wirksam abzudichten und zu stopfen, insbesondere bei Vorliegen extremer Bohrlochdrücke.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher bekannten Ablenkkeil-Packer zu überwin­ den und eine Packerbaugruppe vorzuschlagen, welche den Betrieb des Werkzeuges erleichtert.

Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Die einzigartige Packer­ konstruktion der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Paar Pac­ kungselemente mit einem verschiebbaren Abstandshalter, welcher zwischen den Packungselementen angeordnet ist. Die Form der Packungselemente und die des Abstandshalters sind so aufein­ ander abgestimmt, daß sowohl am Innen- als auch am Außendurch­ messer der Packungselemente eine Flüssigkeitsdichtung gebildet wird. Der Abstandsring aus Metall wirkt als druckbetätigte Dichtung und besitzt an seinem Innendurchmesser eine O-Ring­ dichtung, um die Dichtfähigkeit des Abstandshalters zu ver­ stärken. An den äußeren Enden der Packungselemente sind Aus­ weitungsfinger angeordnet, welche die Packungselemente z.T. überlappen und so ihre Verdrängung beim Zusammendrücken be­ grenzen. Schließlich werden äußere Gummihalter sowie Auswei­ tungsringe aus Metall verwendet, um das Packungselement fest­ zuhalten und gleichzeitig eine zusätzliche Abdichtung vorzuse­ hen und die Abdichtungskraft zu verstärken. Alle diese Elemente sind verschiebbar an einem inneren Dorn angebracht, so daß die Einheit ausgetragen werden kann.

Die Packerbaugruppe der vorliegenden Erfindung wird zusammen mit einem verbesserten Einweg-Ablenkkeil eingesetzt. Sobald Ablenkkeil und Packer in das Bohrloch gesenkt worden sind, wird die Packerbaugruppe mit Hilfe von hydraulischem Druck einge­ stellt, welcher durch eine durch den Ablenkkeil bis zum Packer hin verlaufende Leitung zugeführt wird. Darauf wird der Fräser des Ablenkkeils ausgerückt und abgesenkt, damit der vom Ablenk­ keil gelenkte Fräsprozeß beginnen kann. Alternativ können Ab­ lenkkeil und Packerbaugruppe unabhängig voneinander in das Bohr­ loch abgesenkt werden. Hierbei wird ein Einstellwerkzeug oder eine andere Führungseinrichtung verwendet, bevor der Fräser oder Bohrer in das Bohrloch eingefahren wird.

Mit der Erfindung wird somit eine verbesserte Ablenkkeilvor­ richtung bereitgestellt, welche zusammen mit einem an ihrem unteren Ende befestigten Packer eingesetzt werden kann, um das Werkzeug bei einem einzigen Absenken des Bohrstranges in der gewünschten Höhe und Orientierung einzustellen. Die Packerbau­ gruppe ist für extreme Bohrlochdrücke und große Druckdifferen­ zen ausgelegt.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen entnommen werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in der detaillier­ ten Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher er­ läutert, in welchen gleiche Bezugszahlen für ähnliche Teile in allen Ansichten verwendet worden sind und in welchen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Bohrloches ist, bei welchem die erfindungsgemäße Vor­ richtung eingesetzt ist,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Bohrloches ist, bei welchem die Vorrichtung eingesetzt und die Packerbaugruppe eingestellt ist,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines Bohrloches ist, bei welchem die Vorrichtung eingesetzt ist und der Fräser vom Ablenkkeil getrennt ist,

Fig. 4 eine Teilschnittansicht der erfindungsgemäßen Packerbaugruppe in der nicht festgesetzten Position oder Laufposition ist,

Fig. 5 eine Teilschnittansicht der in einem Bohrloch festgesetzten Packerbaugruppe ist,

Fig. 6 eine Explosionszeichnung der Bauteile der Packerbaugruppe ist,

Fig. 7 eine Teilquerschnittansicht des erfindungs­ gemäßen Packers in seiner nicht festgesetz­ ten Position ist,

Fig. 8 eine Teilquerschnittansicht des Packers in der festgesetzten oder zusammengedrückten Position ist,

Fig. 9 eine Teilquerschnittansicht einer Alternativ­ ausführung des erfindungsgemäßen Packers ist und

Fig. 10 eine Teilquerschnittansicht einer weiteren Alternativausführung des erfindungsgemäßen Packers ist.

Die Fig. 1 bis 3 illustrieren die Ablenkbaugruppe, die im Bohrloch oder Bohrrohr 12 durch den Bohrstrang 14 ausgerichtet ist. Die Ablenkbaugruppe 10 umfaßt im allgemeinen eine Packer­ baugruppe 16, die mittels eines Elementes 18 an das untere Ende des Ablenkkeils angeschlossen ist. Ein Fräser 22 ist durch einen Scherstift 24 lösbar an den Ablenkkeil 20 angeschlossen, so daß die gesamte Baugruppe gleichzeitig in das Bohrloch einge­ fahren werden kann. Die Ablenkbaugruppe 10 wird mit Hilfe des Bohrstranges 14 in das Bohrloch 12 gesenkt, bis sie die gewünsch­ te Ausrichtung im Bereich des Richtungsschnitts durch die Bohrlochwand hat, wie es nachfolgend beschrieben wird. Je nach der gewünschten Arbeitsweise können der Ablenkkeil 20 und die Packerbaugruppe 16 unter Verwendung eines Einstellwerkzeugs oder einem anderen Typ einer Laufvorrichtung in das Bohrloch eingeführt werden, oder alternativ kann die Ablenkbaugruppe 10 zusammen mit dem abnehmbaren Fräser 22 eingeführt werden, was die Anzahl der Arbeitsgänge weiter verringert.

Wie in Fig. 4 illustriert ist, umfaßt die Packerbaugruppe 16 einen inneren Dorn 30, eine Kolbenstange 32, welche durch ein Gewinde mit dem oberen Ende des Dornes verbunden ist, und einen Adapter 34, welcher durch ein Gewinde mit dem oberen Ende der Kolbenstange 32 verbunden ist. Die Packerbaugruppe enthält auch ein oberes Aufsteckverankerungsmittel 38, welches am Dorn 30 oberhalb des Packers 42 befestigt ist, und ein unteres Aufsteckverankerungsmittel 39, welches am Dorn 30 unterhalb des Packers 42 befestigt ist. Beide Aufsteckveranke­ rungsmittel 38 und 39 umfassen eine Mehrzahl von aufweitbaren Abfangkeilen 40, die sich nach außen bewegen um an das Bohrrohr anzugreifen, wodurch das Werkzeug, wie noch beschrieben wird, festgesetzt wird.

Unteres Aufsteckverankerungsmittel 39, Packer 42 und oberes Aufsteckverankerungsmittel 38 werden nacheinander durch hydrau­ lischen Druck eingestellt, welcher vom Bohrstrang 14 über eine Zuführleitung 26 zugeführt wird, die mit einem mittleren im Adapter gebildeten Durchgangsweg 44 verbunden ist. Der Durch­ gangsweg 44 ist über einen oder mehrere seitliche Ausgänge 48 mit dem Ringraum 46 verbunden. Der Ringraum 46 wirkt solcher­ maßen als eine Zylinderkammer, daß bei im Ringraum 46 steigen­ dem hydraulischen Druck Kolben 50 und Kolbenhülse 52 relativ zur Kolbenstange 32 und zur äußeren Haltehülse 53 abwärts be­ wegt werden. Um einen Druckverlust auszuschließen, ist der Kolben 50 entlang seiner inneren und äußeren Oberflächen mit mehreren O-Ringdichtungen 54 versehen. Die Abwärtsbewegung der Kolbenbaugruppe wirkt ihrerseits auf ein am Dorn 30 befestig­ tes Verriegelungsgehäuse 56. Dieses wirkt zusammen mit einer Verriegelungsmutter 58, welche in Wechselwirkung mit dem inne­ ren Dorn 30 steht, um das Lösen der Packerbaugruppe 16 zu ver­ hindern, wenn der Druck nach dem Einstellen des Werkzeuges zum Abfallen gebracht wird. Die innere Radialfläche des Ver­ riegelungsgehäuses 56 ist mit einer Vielzahl von Sägezähnen ausgestattet, die in die entgegengesetzt verzahnte Außenfläche der Verriegelungsmutter 58 eingreifen. Ähnlich ist die äußere Radialfläche des Dornes 30 mit Sägezähnen versehen, die in entsprechende, sich an der Innenfläche der Verriegelungsmutter 58 befindliche Sägezähne eingreifen. Wenn daher die Kolben­ baugruppe das Verriegelungsgehäuse 56 nach unten bewegt, so bewegt sich die Verriegelungsmutter 58 zusammen mit dem Ver­ riegelungsgehäuse und bewirkt, daß die inneren Sägezähne der Verriegelungsmutter 58 sich über die Sägezähne des Dornes 30 schieben. Die ineinandergreifenden Kanten der Sägezähne ge­ währleisten, daß die Bewegung nur in einer Richtung erfolgt, wodurch ein Lösen der Aufsteckverankerungsmittel und des Packers verhindert wird.

Wie ebenfalls aus Fig. 4 hervorgeht, ist das Verriegelungs­ gehäuse 56 durch Scherschrauben 62 mit einer Innenhülse 60 verbunden. Die Innenhülse 60 erstreckt sich unterhalb der Ab­ fangkeile 40 des oberen Aufsteckverankerungsmittels 38 und liegt dem oberen Kegel 64 an. Der obere Kegel 64 ist durch Scherschrauben 66 lösbar mit dem inneren Dorn 30 verbunden und bildet eine obere Druckfläche für das Zuammendrücken des Packers 42. Ähnlich bildet ein durch Scherschrauben 70 mit dem Dorn 30 lösbar verbundener unterer Kegel 68 eine untere Druck­ fläche für den Packer 42. Der untere Kegel 68 hat eine geneigte Fläche, die auf die Abfangkeile 40 des unteren Aufsteckver­ ankerungsmittels 39 einwirkt, so daß die Abfangkeile 40 sich nach außen zum Eingriff mit der Wand des Bohrrohres 12 bewegen. Eine Abwärtsbewegung der Abfangkeile 40 wird durch die End­ kappe 36 verhindert.

Wenn dem Ringraum 46 Flüssigkeitsdruck zugeführt wird, bewegen sich der Kolben 50, die Kolbenhülse 52 und das Verriegelungs­ gehäuse 56 abwärts, um das Werkzeug festzusetzen. Die Scher­ schrauben 62, 66 und 70 sind so konstruiert, daß sie unter­ schiedliche Festigkeiten haben, wobei die Scherschraube 66 die geringste, die Scherschraube 70 die dazwischenliegende und die Scherschraube 62 die größte Festigkeit besitzt. Bei Druck­ beaufschlagung schert folglich die Schraube 66 zuerst ab, um dem Verriegelungsgehäuse 56 das Einwirken auf die Innenhülse 60 zu ermöglichen, welche wiederum bewirkt, daß sich der obere Kegel 64 abwärts bewegt. Durch diese Abwärtsbewegung des oberen Kegels 64 wird der Packer 42 so zusammengedrückt, daß er ab­ dichtend zwischen Dorn 30 und Bohrrohr 12 angreift. Bei fort­ gesetzter Druckbeaufschlagung scheren die Schrauben 70 ab, wo­ durch der untere Kegel 68 unter die Abfangkeile 40 des unteren Aufsteckverankerungsmittels 39 bewegt wird, um die Abfang­ keile in der in Fig. 5 dargestellten Weise gegen das Bohrrohr zu drücken. Nach vollständiger Zusammendrückung des Packers 42 schließlich bewirkt fortgesetzter nach unten gerichteter Druck, daß die Schraube 62 abschert und dadurch ein Angreifen des Ver­ riegelungsgehäuses 56 an die Abfangkeile 40 des oberen Auf­ steckverankerungsmittels 38 ermöglicht, wodurch die Abfang­ keile 40 gezwungen werden, sich nach unten und nach außen gegen den oberen Kegel 64 zu bewegen und an das Bohrrohr 12 anzugrei­ fen, wie es in Fig. 5 illustriert ist.

Die Bauteile des Packers 42 wurden sorgfältig so ausgelegt, daß ihr Zusammenwirken es ermöglicht, den größeren Spalt zwi­ schen dem Innendurchmesser des Bohrrohres 12 und dem Außen­ durchmesser der Packerbaugruppe 16 zu überbrücken oder abzu­ dichten, während gleichzeitig das Herauspressen der Packungs­ elemente, welches zu Leckage und Ausbrüchen führen könnte, ver­ hindert wird. Wie in den Fig. 6 bis 8 dargestellt ist, ist der Packer 42 axial symmetrisch um einen Abstandsring 72 aus Metall angeordnet, welcher verschiebbar am Dorn 30 angebracht ist. Der Abstandsring 72 ist mit einer Dichtung 74 versehen, die in einer kreisförmigen, in der inneren Umfangsfläche des Abstands­ ringes gebildeten Nut angebracht ist. Die Dichtung greift abdichtend an den inneren Dorn 30 an, damit keine Flüssigkeit am Abstandsring 72 vorbei gelangen kann. Wie aus Fig. 7 hervor­ geht, hat der Abstandsring 72 im Querschnitt eine im wesent­ lichen kegelige Form und besitzt sich nach außen erstreckende Ringschultern 76. Der Abstandsring 72 ist auf dem Dorn 30 verschiebbar, um auf den Packer 30 einwirkende Druckschwan­ kungen auszugleichen.

Der Abstandsring 72 ist zwischen einem Paar von elastisch ver­ formbaren Packungselementen 78 angeordnet. Wie im nachfolgen­ den beschrieben wird, werden diese Packungselemente 78 beim Zusammendrücken des Packers 42 nach außen hin verformt, bis sie abdichtend am Bohrrohr 12 angreifen. Die Packungselemente 78 besitzen einen radial eingezogenen Bereich 80, der für die Aufnahme des Ausweitungsumgreifungsmittels 82 ausgelegt ist. Des weiteren enthalten die Packungselemente 78 innere weg­ genommene Bereiche 84, welche die Reibung während des Fest­ setzens der Vorrichtung verringern und dadurch die Abdicht­ kraft erhöhen sollen.

Die Ausweitungsumgreifungsmittel 82 sind axial oberhalb und unterhalb der Packungselemente 78 angeordnet und umfassen vor­ zugsweise einen inneren Umgreifungsschuh 88 und einen äußeren Umgreifungsschuh 90. Die Umgreifungsschuhe 88 und 90 haben einen ähnlichen Aufbau, allerdings ist der Durchmesser des äußeren Umgreifungsschuhes 90 geringfügig größer, damit er den inneren Umgreifungsschuh 88 aufnehmen kann, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die Umgreifungsschuhe umfassen einen radialen Flanschabschnitt 92, welcher eine hindurchreichende Öffnung besitzt, durch die er den Dorn 30 und eine Mehrzahl von radial angeordneten Ausweitungsfingern 94 aufnehmen kann. Die Schuhe weisen daher einen im wesentlichen L-förmigen Quer­ schnitt auf, wobei die Ausweitungsfinger 94 axial ausgerich­ tet sind und den eingezogenen Bereich 80 der Packungselemente 78 überlappen. Die Ausweitungsumgreifungsmittel 82 sind ver­ schiebbar am Dorn 30 angebracht, wobei der radiale Flansch­ abschnitt 92 jeden Schuhes zwischen dem jeweiligen Packungs­ element 78 und einem ringförmigen Halterelement 96 liegt.

Obwohl die Halterelemente 99 im wesentlichen ähnlich geformt sind, weicht ihre Form bei einer bevorzugten Ausführungsform etwas ab, um einen besseren Abdichtangriff zu gewährleisten. Die Halterelemente 96 umfassen einen oberen Halter 98 aus Metall und einen unteren Halter 100 aus Metall. Diese Halter besitzen einen sich einwärts erstreckenden Bereich 102, der mit dem entsprechenden Packungselement 78 zusammenwirkt um eine Nut zu bilden, in der die Flanschabschnitte 92 der Umgrei­ fungsschuhe 88 und 90 aufgenommen und gehalten werden. Wei­ terhin besitzen beide Halter eine obere geneigte Fläche 110, welche mit Ausweitungsringmitteln zusammenwirkt, welche einen ersten und einen zweiten Ausweitungsring 112 umfassen, so daß die Ringe zum Angriff an das Bohrrohr geführt werden.

Aus den Fig. 6 bis 8 geht ebenfalls hervor, daß sich die Ausweitungsringe 112 aus einem oberen und einem unteren Aus­ weitungsring zusammensetzen. Jeder dieser Ausweitungsringe weist eine im Querschnitt im wesentlichen dreieckige Form mit nach innen weisenden geneigten Flächen auf, welche auf der einen Seite mit den Haltern und auf der anderen Seite auf den entsprechenden Kegeln 64 und 68 zusammenwirken. Um eine Ausweitung der Ringe während des Zusammendrückens der Packerbaugruppe zu ermöglichen, sind die Ringe mit einem Schlitz 114 ausgestattet, welcher sich über einen Teil des Umfangs des Ausweitungsringes 112 erstreckt. Zusätzlich befinden sich zwei Querschlitze 116 und 118, welche von einer Kante des Ringes bis zum Umfangsschlitz 114 verlaufen, jeweils auf entgegenge­ setzten Seiten des mittleren Schlitzes 114 und sind so weit entfernt voneinander angeordnet, daß eine Ausweitung ohne das Auftreten eines Spalts im Ausweitungsring 112 erfolgen kann. Beim Zusammendrücken des Packers 42 weiten sich daher die Quer­ schlitze 116 und 118 des Ausweitungsringes 112 aus, um eine radiale Ausweitung der Ringe 112 zu ermöglichen. Die Ausweitung erfolgt so lange, bis die äußere Umfangsfläche der Ringe 112 an das Bohrrohr 12 angreift, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Wenn die Ringe 112 sich ausweiten, berühren sie außerdem die Auswei­ tungsumgreifungsmittel, wodurch das Herauspressen der Packungs­ elemente 78 zusätzlich verhindert wird.

In Fig. 9 ist eine Alternativausführungsform des Packers 42 illustriert, welche einen größeren Abstandshalter 172 mit schrägen Außenflächen 176 beinhaltet. Diese schrägen Außenflä­ chen 176 greifen an die Packungselemente 178 an, um die Stopfung des Bohrrohres sicherzustellen. Der Abstandshalter 172 weist einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt mit einer breiteren Basis als in der zuvor beschriebenen Ausführungsform auf. Um ein wirksames Abdichten vorzusehen, haben die Packungs­ elemente 178 geneigte Innenflächen 180, deren Neigung mit der des Abstandshalters 172 übereinstimmt. Der Abstandshalter 172 besitzt zusätzlich einen ringförmigen Flansch 182, der genau wie beim Abstandsring 72, die elastischen Packungselemente 178 vor ihrer gegenseitigen Berührung nach außen gegen das Bohr­ rohr drückt. Auf diese Weise wird die Abdichtung gegen das Bohrrohr hergestellt, bevor die Packungselemente 178 aneinan­ derliegen. Der Flansch 182 gewährleistet zudem, daß die Pac­ kungselemente 178 sich in der Mitte treffen, so daß die Dich­ tung auf beiden Seiten gleichmäßig ist. Zusätzlich kann durch Verändern der Neigung der Flächen 176 die zum Stopfen des Bohrrohres benötigte Kraft verändert werden. Bei der darge­ stellten Ausführungsform ist im Vergleich zu dem in Fig. 7 illustrierten Packer nur etwa die Hälfte der Abdichtkraft erforderlich.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Packers 42. Wie daraus hervorgeht, weist der Abstandshalter 272 einen im we­ sentlichen dreieckigen Querschnitt mit schrägen Flächen 276 auf. Wie bei der vorherigen Ausführungsform kann die Neigung der Flächen 276 verändert werden, um die zum Zusammendrücken der Packungselemente 278 benötigte Kraft zu verändern. Dem­ entsprechend muß die Neigung der einwärts weisenden Fläche 280 so verändert werden, daß sie mit der Neigung des Abstandshal­ ters übereinstimmt.

Der Packer 42 der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen wirksamen Abdichtungseingriff zwischen dem Dorn 30 und dem Bohrrohr 12. Da die Bauteile des Packers verschiebbar am Dorn 30 angebracht sind, können sie Druckschwankungen ausgleichen, wie im Zusammenhang mit der Arbeitsweise der Vorrichtung ge­ mäß der Erfindung beschrieben ist.

Bei Betätigung der Erfindung werden der Packer 42 und die Ab­ fangkeile 40 des oberen und unteren Aufsteckverankerungsmit­ tels nacheinander festgesetzt. Ein nach unten gerichteter An­ fangsdruck bewirkt, daß sich Kolben 50, Kolbenhülse 52 und Ver­ riegelungsgehäuse 56 relativ zum Dorn 30 nach unten bewegen und dabei die Schrauben 66 abscheren und den Packer 42 leicht zusammendrücken. Bei zusätzlichem Druck scheren die Schrauben 70 ab, was zur Folge hat, daß sich die Abfangkeile 40 des un­ teren Aufsteckverankerungsmittels 39 aufweiten und an das Bohr­ rohr angreifen. Wenn das untere Aufsteckverankerungsmittel 39 festgesetzt ist, führt fortgesetzter Druck dazu, daß der Packer 42 zwischen dem unteren und dem oberen Kegel zusammengedrückt wird. Unter der Einwirkung dieser Zusammendrückung weiten sich die Ringe 112 in dem Maße aus, in dem sich der Spalt zwischen den jeweiligen Kegeln und Haltern verringert. Zusätzlich bewe­ gen sich die Halter 98 und 100 aufeinander zu, um die Packungs­ elemente 78 so zusammenzudrücken, daß sie abdichtend an das Bohrrohr 12 angreifen, wie in Fig. 8 gezeigt ist.

Die Fig. 7 und 8 illustrieren, wie sich die Packungselemente 78 nach anfänglicher Zusammendrückung in der Nähe der Ausweitungs­ umgreifungsmittel nach außen ausweiten und diese nach außen an das Bohrrohr pressen. Aufgrund der durch die Ausweitungs­ finger 94 verursachten Widerstandskraft werden die Packungs­ elemente in der Nähe der weggenommenen Bereiche 86 nach unten abdichtend an den Dorn 30 gepreßt. Überdies verhindern die Ausweitungsumgreifungsmittel 82, daß die Packungselemente 78 axial nach außen herausgepreßt werden, wodurch die Packungs­ elemente 78 gezwungen werden, sich nach innen in Richtung des Abstandsringes 72 auszuweiten. Unter der Einwirkung weiterer Kompressionskraft bewegt sich der Packer 42 nach unten und be­ wirkt, daß die Packungselemente 78 an der kegelförmigen Fläche des Abstandsringes 72 entlanggleiten. Bedingt durch die kege­ lige Form des Abstandsringes 72, weitet sich schließlich der radial vergrößerte Abschnitt der Packungselemente 78 nach außen aus und greift abdichtend an das Bohrrohr an. Nach voll­ ständiger Zusammendrückung und Anpressung des Packers 42 schert die Schraube 62 ab und ermöglicht es dadurch den Ab­ fangkeilen 40 des oberen Aufsteckverankerungsmittels 38, am Bohrrohr anzugreifen und so das Werkzeug vollständig für weitere Arbeitsgänge festzusetzen.

Wenn die Packerbaugruppe 16 festgesetzt ist, bewirkt die Belastung oder Rotation des Bohrstranges 14 das Abscheren des Stiftes 24, und der Fräser 22 beginnt, jenseits der geneigten Fläche des Ablenkkeils ein Fenster in das Bohrrohr zu fräsen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Dabei wird die Zuführleitung unter­ brochen, aber die Kompression der Packerbaugruppe wird durch das Verriegelungsgehäuse 56 und die Verriegelungsmutter 58 aufrechterhalten. Außerdem sind die Zähne der Abfangkeile 40 entsprechend abgeschrägt, um ein Bewegen der Packerbaugruppe 16 auszuschließen.

Ablenkkeil 20 und Packerbaugruppe 16 können alternativ auch unabhängig voneinander in das Bohrloch eingeführt und dort festgesetzt werden, wobei anschließende Arbeitsgänge bei Se­ kundärläufen des Bohrstranges durchgeführt werden. Auf diese Weise werden die Doppelfahrten zunächst zum Festsetzen des Packers und danach zum Einführen des Ablenkkeils vermieden, obwohl jeder nachfolgende Arbeitsgang eine zusätzliche Fahrt erfordern würde. Wie in der bevorzugten Ausführungsform je­ doch, wäre die Packerbaugruppe 16 auch dann noch in der Lage, große Spalträume zu stopfen, während sie Schwankungen der Bohr­ lochdrücke ausgleicht.

Die vorliegende Erfindung stellt somit eine einfache, aber wirkungsvolle Vorrichtung zum Überbrücken und Abdichten großer Spalträume zwischen dem Werkzeug und dem Bohrrohr oder Bohr­ loch, in welchem es bewegt wird, bereit. Darüber hinaus kön­ nen die Abstandsringe Schwankungen der Bohrlochdrücke ausglei­ chen, indem sie sich entsprechend bewegen, um die Packungs­ elemente im erforderlichen Maße zu verformen. Wenn daher der Druck unterhalb des Werkzeugs zunimmt, bewegt sich der Abstands­ ring nach oben und drückt dabei das obere Packungselement wei­ ter zusammen. In der gleichen Weise kann sich der Abstands­ ring nach unten bewegen, um das untere Packungselement weiter zusammenzudrücken, wenn der Druck oben im Bohrrohr zunimmt. Dies ist ein Ergebnis der O-Ringdichtung 74, welche eine Druck­ leckage hinter dem Abstandsring verhindert. Obwohl aufgrund der Verformung der Packungselemente 78 etwas Druckverlust ent­ lang des Dornes 30 auftritt, wird dieser Fluß hinter den Ab­ standsring verhindert. Daher veranlaßt die Leckage den Abstands­ ring, sich entsprechend zu bewegen und dadurch eine zusätzliche Leckage sowie ein eventuelles Austreiben der Packerbaugruppe zu verhindern. Außerdem wird durch die Kombination eines metallenen Abstandsringes mit den elastischen Packungselementen der Abdichtangriff entlang dem inneren Dorn verstärkt.

Claims (21)

1. Packerbaugruppe zum Abdichten zwischen einem inne­ ren Dorn (30) und einem Bohrrohr (12), dadurch gekennzeich­ net, daß sie am Dorn (30) angebrachte aufweitbare Aufsteck­ verankerungsmittel (38, 39), eine Mehrzahl von Hülsen, wel­ che verschiebbar koaxial am Dorn (30) angebracht sind, und Mittel zum Festsetzen der Verankerungsmittel (38, 39) auf­ weist, daß ein Packer (42) vorgesehen ist, welcher abdich­ tend an das Bohrrohr (12) und an den inneren Dorn (30) an­ greift und welcher mindestens zwei elastisch verformbare Packungselemente (78; 178; 278) sowie Mittel zur variablen Verformung der Packungselemente nach Maßgabe des im Bohr­ rohr (12) herrschenden Flüssigkeitsdruckes enthält, und daß Mittel vorgesehen sind, welche den Packer (42) abdich­ tend an das Bohrrohr (12) drücken, während sie das Heraus­ pressen der Packungselemente (78, 178; 278) verhindern.

2. Packerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zur variablen Verformung der Packungs­ elemente (78; 178; 278) einen Abstandsring (72; 172; 272) um­ fassen, welcher am inneren Dorn (30) zwischen den Packungs­ elementen befestigt ist und Mittel zum abdichtenden Angrei­ fen an den inneren Dorn (30) besitzt.

3. Packerbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstandsring (72; 172; 272) in Reaktion auf Druckschwankungen axial verschiebbar ist, um die Packungs­ elemente (78; 178; 278), wenn sie abdichtend an das Bohrrohr (12) angreifen, variabel zu verformen und dadurch ihren Abdichtungsangriff an das Bohrrohr und an den inneren Dorn (30) zu verstärken.

4. Packerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zum Zusammendrücken und zur Verhinderung des Herauspressens axial ober- und unterhalb des Packers (42) angeordnet sind und ringförmige Ausweitungsumgreifungsmittel (82), ringförmige Halter (96) sowie Ausweitungsringmittel (112) enthalten.

5. Packerbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausweitungsumgreifungsmittel (82) eine Mehrzahl von Ausweitungsumgreifungsringen enthält, von denen mindestens zwei axial oberhalb und mindestens zwei axial unterhalb des Packers (42) angeordnet sind.

6. Packerbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umgreifungsringe einen im wesentlichen L-förmi­ gen Querschnitt aufweisen, von denen ein axial ausgerichteter Abschnitt (88, 90) die Packungselemente (78; 178; 278) überlappt und beim Zusammendrücken der Packungselemente nach außen ausweitbar ist, wodurch ein axiales Herauspressen der Packungs­ elemente ausgeschlossen ist.

7. Packerbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die ringförmigen Haltemittel (96) am inneren Dorn (30) angebrachte Halter (98; 198; 100) enthält, von denen mindestens einer axial oberhalb und axial unterhalb der Packungselemente (78; 178; 278) angebracht ist, wobei die mindestens zwei Umgreifungsringe zwischen mindestens einem Halter und dem Packer festgehalten werden.

8. Packerbaugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausweitungsringmittel (82) einen ersten, sich axial über dem Haltemittel befindlichen Ausweitungs­ ring und einen zweiten, sich axial unter dem Haltemittel befindlichen Ausweitungsring umfaßt, welche sich beide ra­ dial ausweiten, bis sie abdichtend am Bohrrohr (12) angrei­ fen und so das Herauspressen der Packungselemente (78; 178; 278) weiter verhindern.

9. Packerbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Packungselemente (78; 178; 278) einen ersten und einen zweiten radialen Abschnitt umfassen, wobei der erste Abschnitt dem zweiten Abschnitt (80) gegenüber radial ver­ größert ist und die axial ausgerichteten Teile (88, 90) der Umgreifungsringe den radial eingezogenen zweiten Bereich (80) der Packungselemente (78; 178; 278) überlappen.

10. Packerbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstandsring (72) einen im Querschnitt im we­ sentlichen kegelstumpfförmigen radialen äußeren Bereich be­ sitzt sowie ringförmige Flansche (76), welche sich unter­ halb der Packungselemente (78) entlang dem Dorn (30) er­ strecken, wobei der kegelstumpfförmige Bereich und die Flansche (76) den Abdichtungseingriff zwischen Packer (42), Bohrrohr (12) und innerem Dorn (30) verstärken.

11. Packerbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstandsring (172; 272) einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt mit axial sich gegenüberliegenden geneigten Flächen (176; 276) aufweist, wobei durch die Änderung der Neigung dieser Flächen die zum Festsetzen des Packers (42) benötigte Kraft verändert wird.

12. Packerbaugruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Abstandsring (172) einen radialen Flansch (182) besitzt, welcher am radialen äußeren Bereich des Abstands­ ringes gebildet ist.

13. Packerbaugruppe zum Abdichten zwischen einem inneren Dorn (30) und einem Bohrrohr (12), dadurch gekennzeichnet, daß sie am Dorn (30) angebrachte aufweitbare Aufsteckver­ ankerungsmittel (38, 39), eine Mehrzahl von Hülsen, welche verschiebbar koaxial am Dorn (30) angebracht sind, und Mit­ tel zum Festsetzen der Verankerungsmittel (38, 39) aufweist, daß ein Packer (42) vorgesehen ist, welcher abdichtend an das Bohrrohr (12) und an den inneren Dorn (30) angreift und ein Paar elastisch verformbare ringförmige Packungs­ elemente (78; 178; 278) sowie einen ringförmigen Abstandsring (72; 172; 272), welcher am inneren Dorn (30) zwischen den Packungselementen (78; 178; 278) angebracht ist und mit Mitteln zum abdichtenden Angreifen an den inneren Dorn (30) versehen ist, daß Mittel vorgesehen sind, welche den Packer (42) ab­ dichtend an das Bohrrohr (12) drücken, während sie das Herauspressen der Packungselemente (78; 178; 278) verhindern, wobei diese Zusammendrückmittel axial über und unter dem Packer (42) angebracht sind, und daß der Abstandsring (72; 172; 272) in Reaktion auf Druckschwankungen axial verschiebbar ist, um die Packungselemente (78; 178; 278), wenn sie abdich­ tend an das Bohrrohr (12) angreifen, variabel zu verformen und dadurch das abdichtende Angreifen an Bohrrohr (12) und inneren Dorn (30) zu verstärken.

14. Packerbaugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zum abdichtenden Angreifen des Abstands­ ringes (72; 172; 272) an den inneren Dorn (30) einen O-Ring (74; 174; 274) enthalten, welcher in eine ringförmige, in der Innenfläche des Abstandsringes (72; 172; 272) gebildete Nut eingelegt ist.

15. Packerbaugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel zum Zusammendrücken und zur Verhinderung des Herauspressens ringförmige Ausweitungsumgreifungsmittel (82), ringförmige Haltemittel (96) sowie Ausweitungsring­ mittel (112) umfassen.

16. Packerbaugruppe nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Packungselemente (78; 178; 278) einen ersten und einen zweiten radialen Abschnitt (80) umfassen, von denen der erste Abschnitt radial größer als der zweite Abschnitt (80) ist.

17. Vorrichtung zum Festsetzen eines Ablenkkeils (20) und zur Richtungsablenkung beim Bohren durch eine Rohrwand in einem einzigen Lauf des Bohrstranges, dadurch gekennzeich­ net, daß sie umfaßt: einen Ablenkkeil (20), einen Bohrstrang (14), einen mit dem Bohrstrang verbundenen Fräser (22), Mittel zum lösbaren Anschließen des Fräsers an den oberen Teil des Ablenkkeils (20), eine Packerbaugruppe (16), Mittel zum lösbaren Anschließen der Packerbaugruppe (16) an das untere Ende des Ablenkkeils (20) und einen Flüssigkeitsdurch­ gangsweg, der sich durch den Bohrstrang (14), den Fräser (22) und den Ablenkkeil (20) bis hin zur Packerbaugruppe (16) er­ streckt, welche aufweitbare Aufsteckverankerungsmittel (38, 39) mit Mitteln zu ihrer Festsetzung, einen Packer (42) zum abdichtenden Angreifen an das Bohrrohr (12), welcher min­ destens zwei elastisch verformbare Packungselemente (78; 178; 278) enthält sowie Mittel, um die Packungselemente nach Maßgabe des im Bohrrohr herrschenden Flüssigkeitsdrucks variabel zu verformen, und Mittel, welche die Packungselemente abdichtend an das Bohrrohr (12) drücken, während sie ihr Herauspressen verhindern, aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum variablen Verformen der Packungselemente (78; 178; 278) einen beweglichen, ringförmigen Abstandsring (72; 172; 272) umfassen, welcher zwischen den Packungselementen (78; 178; 278) angebracht ist und Mittel zum abdichtenden An­ greifen an den inneren Dorn (30) enthält.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandsring (72; 172; 272) nach Maßgabe der Druck­ schwankungen im Bohrrohr (12) axial verschiebbar ist, um die Packungselemente (78; 178; 278), wenn sie abdichtend an das Bohrrohr (12) angreifen, variabel zu verformen und dadurch ihren Abdichtungsangriff zu verstärken.

20. Vorrichtung zum Festsetzen eines Ablenkkeils (20), der dazu angepaßt ist, die Richtung des Bohrens durch ein Bohrrohr in einem einzigen Lauf des Bohrstranges zu ändern, gekennzeichnet durch einen Ablenkkeil (20), der lösbar mit dem Bohrstrang (14) verbunden ist, eine Packerbaugruppe (16), Mittel, welche die Packerbaugruppe (16) lösbar an das untere Ende des Ablenkkeils (20) anschließen, und einem Flüssigkeits­ durchgangsweg, der sich durch den Ablenkkeil (20) bis hin zur Packerbaugruppe (16) erstreckt, welche aufweitbare Auf­ steckverankerungsmittel (38, 39) mit Mitteln zu ihrer Fest­ setzung, einen Packer (42) zum abdichtenden Angreifen an das Bohrrohr (12), welcher mindestens zwei elastisch verformbare Packungselemente (78; 178; 278) enthält sowie Mittel, um die Packungselemente nach Maßgabe des im Bohrrohr herrschenden Flüssigkeitsdrucks variabel zu verformen, und Mittel, welche die Packungselemente abdichtend an das Bohrrohr (12) drücken, während sie ihr Herauspressen verhindern, umfaßt, wobei die Packerbaugruppe (16) auf den Flüssigkeitsdruck, welcher durch den Flüssigkeitsdurchgangsweg zugeführt wird, anspricht.

21. Vorrichtung zum Festsetzen eines Ablenkkeils (20) und zur Richtungsänderung beim Bohren durch eine Bohrungswand in einem einzigen Lauf des Bohrstranges (14) gekennzeichnet durch einen lösbar an den Bohrstrang (14) angeschlossenen Ablenkkeil (20), eine Packerbaugruppe (16), Mittel, welche die Packerbau­ gruppe (16) an das untere Ende des Ablenkkeils (20) anschlie­ ßen, und einen Flüssigkeitsdurchgangsweg, welcher sich durch den Ablenkkeil (20) bis hin zur Packerbaugruppe (16) er­ streckt, wobei die Packerbaugruppe (16) auf den Flüssigkeits­ druck anspricht, welcher durch den Flüssigkeitsdurchgangs­ weg zugeführt wird.