DE3812269A1 - Ablenkkeil-packerbaugruppe - Google Patents
Ablenkkeil-packerbaugruppeInfo
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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.
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