DE3828481A1 - Vorrichtung zum einzementieren eines gehaeusestranges in einem bohrloch - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Einzementieren eines Gehäusestrangs in einem Bohrloch und insbesondere auf Verbesserungen einer Vorrichtung der unter der Bezeichnung "Schwimmring" ("float collar") und "Schwimmschuh" ("float shoe") bekannten Art.

Schwimmringe und Schwimmschuhe haben grundsätzlich inso­ weit den gleichen Aufbau, als sie an einen Teil des Gehäuse­ strangs nahe (im Falle von Ringen) oder am (im Falle von Schuhen) dessen unterem Ende anschließbar sind, und eine Ventileinrichtung aufweisen, die eine Strömung nach unten ermöglicht, die Strömung jedoch nach oben durch einen ver­ tikalen Kanal verhindert. Der Gehäusestrang wird, wenn er das Bohrloch abgesenkt wird, üblicherweise mit Bohrschlamm gefüllt, um seinen Zusammenbruch infolge des Druckes des Bohrschlamms zu verhindern, der sich bereits im Bohrloch befindet. Er darf jedoch nicht vollständig gefüllt werden, so daß bei geschlossener Ventileinrichtung der Bohrschlamm im Bohrloch einen Auftriebseffekt hat, so daß der Strang im Bohrloch schwimmt. Auf jeden Fall wird jedoch, wenn der Strang auf die Gesamttiefe abgesenkt ist, dieser mit Pumpendruck beaufschlagt, um die Ventileinrichtung zu öffnen und es so zu ermöglichen, Zement durch den Strang in den Ringraum zwischen dem Strang und dem Bohrloch zu pumpen.

Nach dem Hinzufügen des gewünschten Zementvolumens wird ein Abstreifzapfen mittels Schlamm oder Wasser durch den Strang nach unten gepumpt, bis er auf den Schwimmring oder -schuh auftritt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Pumpen abgeschaltet, damit die Ventileinrichtung ab­ sperren und verhindern kann, daß Zement auf U-förmigem Weg aus dem Ringraum zurück in den Strang gelangt, bevor er ausgehärtet ist.

Ein üblicher Schwimmring oder Schwimmschuh hat einen rohr­ förmigen Außenkörper mit einem oberen mit einem Gewinde versehenen Ende zur Verbindung mit einem Anschlußstück eines darüber befindlichen Gehäuses. In einem Innenkörper aus Beton oder einem anderen Material, das ausgebohrt wer­ den kann, wenn der Zement ausgehärtet ist, um den Gehäuse­ strang über seine volle Länge vollständig zu öffnen, ist eine Ventileinrichtung angeordnet. Eine Hülse aus geeignetem Kunststoffmaterial, das gegen Abrieb, Korrosion und hohe Temperaturen widerstandsfähig ist, ist im Innenkörper ange­ ordnet, um einen nach unten gerichteten Sitz und einen nach oben gerichteten Käfig zu bilden, die den Kanal umgeben. Eine Kugel aus einem in der gleichen Weise widerstandsfähi­ gen Material ist vertikal im Kanal verschiebbar, um an dem Sitz oder dem Gehäuse anzugreifen und den Kanal zu öffnen oder zu schließen.

Der rohrförmige Außenkörper des Schwimmschuhs ist nur an seinem oberen Ende zur Verbindung mit dem untersten An­ schlußstück des Gehäusestrangs mit einem Gewinde versehen. Das untere Ende des inneren Betonkörpers erstreckt sich über das untere Ende des Außenkörpers hinaus und ist abge­ rundet, um das untere Ende des Strangs durch das Bohrloch zu führen. Der Außenkörper des Schwimmrings ist an seinem unteren Ende ebenso wie an seinem oberen Ende zum Anschluß an einen Teil des Gehäusestrangs nahe seinem unteren Ende mit einem Gewinde versehen.

Es ist erwünscht, den Gehäusestrang im Bohrloch zu zentrie­ ren, wenn Zement im Ringraum nach oben gepumpt wird, um eine Zementsäule von im wesentlichen gleichmäßiger Dicke zu bil­ den. Wenn der Strang nicht zentriert wird, kann ihn die Ze­ mentsäule nicht vollständig umgeben, so daß Bohrlochströ­ mungsmittel an der Säule vorbeiströmen könnte. Die Zement­ säule schützt daher relativ schwache flache Formationen im Bohrloch nicht gegen schwerere Bohrschlämme, die beim Boh­ ren in tiefere Formationen verwendet werden. Beim Ausbohren des rohrförmigen Innenkörpers des Schwimmrings oder -schuhs bohrt der Bediener daher eine kurze Strecke in das Bohrloch und führt einen Drucktest durch, um zu bestimmen, ob die Zementsäule den Druck des schwereren Schlamms aushält. Wenn nicht, muß der Bediener eine zusätzliche Zementpressung durchführen, bis die Säule den notwendigen Druck aushält. Dies ist selbstverständlich ein erheblicher Aufwand, der vermieden werden könnte, wenn die anfängliche Zementsäule den Druck aushalten würde.

Gehäusestränge werden daher durch Zentriereinrichtungen zen­ triert, die als Teil des Gehäusestrangs an diesen ange­ schlossen oder in bestimmten Abständen um diesen angeordnet werden. Für diesen Zweck haben die Zentriereinrichtungen nach außen gerichtete Teile, um am Bohrloch anzugreifen, die aus gebogenen Stangen bestehen, die sich längs des Strangs erstrecken und an beiden Enden befestigt sind, um am Bohrloch fest anzugreifen, oder aus Metallstreifen, die am Körper angeschweißt und so gebogen sind, daß sie am Bohrloch angreifen.

Die Bediener installieren oft eine Zentriereinrichtung in oder um den Gehäusestrang unmittelbar über dem Schwimmring oder -schuh ebenso wie in Abständen darüber, um eine gleich­ mäßige Zementsäule um den Gehäusestrang zu erzielen. Dies erhöht jedoch die Kosten des Verrohrungsprogramms und be­ nötigt wertvolle Zeit, die zum Montieren der Zentrierein­ richtung am Strang erforderlich ist.

Wenn das Bohrloch unter dem Gehäusestrang ausgebohrt wird, können Gehäuseanschlußstücke am unteren Ende des Strangs von dem Teil des Gehäusestrangs darüber abgeschraubt werden. Es kann daher erforderlich sein, den Schwimmschuh oder -ring selbst einige Verbindungsstücke darüber aneinander anzu­ schweißen oder in anderer Weise zu arretieren.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Federn oder andere Teile um die Körper der Schwimmringe, Schwimmschuhe oder ähnlichen Einrichtungen zu deren Einzementieren im Bohrloch anzuord­ nen. Diese Geräte haben sich jedoch wegen ihrer geringen Festigkeit, ihrer hohen Herstellungskosten und anderer Nachteile üblicher Zentriereinrichtungen, kommerziell nicht als erfolgreich erwiesen. Außerdem haben sie anscheinend einen solchen Aufbau, daß die Tendenz besteht, daß geson­ derte Zentriereinrichtungen unmittelbar über dem Schuh oder dem Ring vom übrigen Strang abgeschraubt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwimmschuh oder -ring zu schaffen, der sich im Bohrloch selbst zentriert, der jedoch im Vergleich zu den zuvor er­ wähnten bekannten stabil, relativ billig herzustellen und von solchem Aufbau ist, daß sich eine Verbesserung gegen­ über den zuvor erläuterten Einrichtungen ergibt, und der außerdem einen solchen Aufbau hat, daß ein Abschrauben von dem übrigen Strang verhindert wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestal­ tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Schwimmring oder -schuh gemäß der Erfindung hat daher einen Außenkörper mit einem Gewinde an seinem oberen Ende zur Verbindung mit einem Teil des Gehäusestrangs, einen Innenkörper, der im Außenkörper angeordnet ist und eine vertikale Durchgangsbohrung aufweist sowie eine Ventil­ einrichtung am Innenkörper, um den Kanal abzusperren, wenn der Strang in das Bohrloch abgesenkt wird, und der geöff­ net wird, wenn Zement nach unten durch den Kanal in den Ringraum zwischen dem Strang und dem Bohrloch gepumpt, und der dann wieder verschlossen wird, um ein Rückströmen des Zements in den Kanal zu verhindern, wenn die Pumpe abge­ schaltet wird. Der Innenkörper besteht aus einem Material wie Zement, das aus dem Außenkörper herausgebohrt werden kann, wenn der Strang im Bohrloch einzementiert ist, um ihn voll zu öffnen.

Der Außenkörper hat Metallblätter, die einstückig mit dem Metall-Außenkörper ausgebildet sind und sich längs der Außenseite des Außenkörpers unter dem Gewinde erstrecken. Der Schwimmring oder -schuh übt nicht nur seine übliche Funktion während des Einzementierens aus, sondern hält zusätzlich das untere Ende des Strangs in einer zentrier­ ten Stellung im Bohrloch. Es besteht daher keine Notwen­ digkeit, eine gesonderte Zentriereinrichtung nahe dem Schwimmschuh oder -ring anzuschließen, so daß sich eine Kostenreduzierung des gesamten Gehäusestrangs ebenso wie eine Reduzierung der Zeit und der Arbeit ergibt, die er­ forderlich sind, um eine gesonderte Zentriereinrichtung am Strang anzubringen. Dies wird ohne eine Reduzierung der Festigkeit des Schwimmschuhs oder -rings selbst er­ reicht, und außerdem mit einer relativ geringen Kostener­ höhung bei der Herstellung des Schwimmrings oder -schuhs selbst, da die Blätter zusammen mit dem Außenkörper ge­ gossen oder aus einem Stangenmaterial mit dem Außenkörper hergestellt werden können.

Da sich die Blätter längs des Außenkörpers erstrecken, be­ einträchtigen sie das Absenken des Gehäusestrangs nur mini­ mal, und werden automatisch gereinigt, wenn das Gehäuse in das Bohrloch läuft. Der Aufbau der Blätter ermöglicht es auch, den Schwimmring oder -schuh in verbesserter Weise zu zentrieren, und zwar in der gleichen Weise, wie dies an­ hand der oben genannten Zentriereinrichtungen zuvor erläu­ tert wurde. Die massive Konstruktion der Blätter hat außer­ dem nach dem Aushärten des Zements die Tendenz, den Schuh oder Ring im Bohrloch zu verankern und so die Möglichkeit des Abschraubens vom übrigen Strang zu verhindern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Schwimmschuhs gemäß der Erfindung, bei dem der linke Teil im Aufriß und der rechte Teil im Schnitt dargestellt ist,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt des Schwimmschuhs der Fig. 1 längs der Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Schwimmrings gemäß der Erfindung, bei dem wie bei der Fig. 3 der linke Teil im Aufriß und der rechte Teil im Schnitt dargestellt ist.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schwimmschuh 10 besteht aus einem rohrförmigen Außenkörper 11, der ein Innengewinde 12 am Innendurchmesser des oberen Endes 13 zur Verbindung mit dem unteren Ende eines Gehäuseanschlußstücks 14 am un­ teren Ende eines Gehäusestrangs aufweist. Wie gezeigt, ist der Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers der gleiche wie der des Gehäusestrangs, an den er angeschlossen ist, und dessen Innendurchmesser ist etwas größer als der Innendurch­ messer des Gehäusestrangs. Vorzugsweise besteht der Außen­ körper 11 aus Stahl der gleichen Güte wie der Gehäusestrang, so daß die Festigkeit und das Widerstandsvermögen des Strangs über seine ganze Länge beibehalten wird.

Wie zuvor beschrieben, hat der Schwimmschuh einen Innenkör­ per 15 mit einem rohrförmigen Körper 16 aus Beton oder einem anderen bohrfähigen Material, das um den Innendurchmesser des Innenkörpers unterhalb des Gewindes 12 an dessen oberem Ende angeordnet ist. Der Innenkörper hat auch eine Hülse 17, die im Mittelteil des Innendurchmessers des Körpers 15 be­ festigt ist, z.B. dadurch, daß sie in den Beton eingegossen ist, der wiederum in den Außenkörper eingegossen ist.

Der Innenkörper hat einen Kanal 18, der vertikal axial fluchtend mit der Mitte des darüber befindlichen Gehäuse­ strangs durchläuft. Der Kanal 18 hat einen geringeren Durch­ messer als der Innendurchmesser des Gehäusestrangs, und die Hülse 17 hat einen erweiteren Innendurchmesser 19 zwischen ihren Enden, um eine Kugel 20 vertikal zwischen einem Sitz 21 am oberen Ende der Hülse 17 und einem Käfig 22 an deren unterem Ende hin- und herbeweglich aufzunehmen. Der Käfig ist von bekanntem Aufbau und hat Schlitze, um eine Strömung an der Kugel vorbei zu ermöglichen, wenn diese in ihrer unteren Auflagestellung ist, die in Fig. 1 in durchgehenden Linien gezeigt ist. Hebt sich die Kugel je­ doch in die Auflagestellung, in der sie am Sitz 21 an­ greift, wie durch unterbrochene Linien gezeigt ist, ist das Ventil geschlossen, um eine Strömung durch den Kanal 18 zu verhindern. Wie zuvor erwähnt, können die Hülse und die Kugel aus für diesen Anwendungszweck geeignetem Kunst­ stoffmaterial bestehen.

Wie zuvor beschrieben und wie bei Schwimmschuhen oder -ringen dieses allgemeinen Aufbaus bekannt ist, kann, wenn der Gehäusestrang auf die volle Tiefe abgesenkt ist, und wenn die Zementpumpen eingeschaltet sind, Zement nach unten durch den Gehäusestrang geleitet werden, um die Kugel abzusenken, und das Ventil zu öffnen, damit der Zement um die Kugel und durch den Käfig 22 und damit aus dem unteren Ende des Schuhs oder Rings und nach oben innerhalb des Ringraums zwischen dem Gehäusestrang und dem Bohrloch strömen kann. Wenn das gewünschte Zementvolumen in den Ringraum gepumpt worden ist, und wenn die Pumpen abgeschal­ tet werden, drückt der hydrostatische Druck die Kugel nach oben in die geschlossene Stellung, so daß verhindert wird, daß die Zementsäule auf U-förmigem Weg in den Gehäusestrang gelangt.

Nachdem der Zement innerhalb des Ringraums ausgehärtet ist, kann ein geeignetes Bohrwerkzeug durch den Gehäusestrang abgesenkt werden, um den Betonkörper zu bohren und so das untere Ende des Strangs auf die volle Bohrung zu öffnen, ebenso wie tiefer in das Bohrloch zu bohren. Auf diese Weise kann der Bediener die Zementsäule einem Drucktest unterziehen, bevor in tiefere Formationen gebohrt wird. Es ist auch gegebenenfalls möglich, den zementierten Gehäuse­ strang für Ausbau- bzw. Ergänzungszwecke zu perforieren.

Wie zuvor erwähnt, erstreckt sich das untere Ende des Be­ tonkörpers 16 unter das untere Ende des äußeren Rohrkör­ pers 11, und ist verrundet, um eine Nase 24 zu bilden, die die Führung des Gehäusestrangs durch Hindernisse erleich­ tert, die sich im Bohrstrang befinden könnten. Es sind auch einige Öffnungen 23 im Außenkörper ebenso wie im Innenkör­ per ausgebildet, um den Kanal durch den Innenkörper mit dem Außenumfang des Schuhs zu verbinden. Diese Öffnungen ermöglichen für bekannte Zwecke den Durchtritt von Strö­ mungsmittel.

Gemäß der Erfindung erstrecken sich mehrere Blätter 25 längs der Außenseite des äußeren Rohrkörpers, um den Schwimmschuh und damit das untere Ende des Gehäusestrangs im Bohrloch zu zentrieren. Die Blätter haben daher eine derartige radiale Erstreckung, daß ihre Außenkanten 26 nahe dem Bohrloch liegen. Wie gezeigt, sind die Blätter relativ dick, um relativ breite Flächen längs ihrer Außen­ kanten zu schaffen. Ihre oberen und unteren Enden sind nach innen abgeschrägt, wie bei 27 gezeigt ist, um die Führung des Schuhs in das und aus dem Bohrloch zu unterstützen. Die Klingen sind um den Umfang des äußeren Rohrkörpers etwa gleich beabstandet.

Die Klingen sind mit dem äußeren Rohrkörper einstückig z.B. durch Gießen zusammen mit diesem oder durch Bearbei­ tung eines Stücks eines Stangenmaterials, das den Außen­ durchmesser der Kanten 25 hat, ausgebildet.

Der in Fig. 3 gezeigte Schwimmring 30 gemäß der Erfindung hat einen ähnlichen Aufbau wie der Schwimmschuh 10, wie durch die Verwendung der gleichen Bezugsziffern für gleiche Teile mit Ausnahme der Zuführung des Kennbuchstabens "A" angegeben ist. Der Schwimmring 30 hat ein Außengehäuse 11 A mit einem Gewinde 12 A am oberen Ende 13 A zur Verbindung mit einem Anschlußstück 14 A des darüber befindlichen Gehäuses. Der Körper 11 A hat jedoch im Vergleich zum Schwimmschuh ein zusätzliches Gewinde 12 B an seinem unteren Ende 13 B zur Ver­ bindung mit dem oberen Ende eines unteren Anschlußstücks 14 B des Gehäusestrangs. Der Schwimmring befindet sich somit nicht am unteren Ende des Gehäusestrangs, sondern ist statt­ dessen mit wenigstens einen Anschlußstück des Gehäuses ober­ halb seines unteren Endes verbunden.

Wie sich aus den Bezugsziffern der Fig. 3 ergibt, sind die übrigen Teile des Schwimmrings 30, die dessen Grundkonstruk­ tion bilden, ähnlich denen, die die Grundkonstruktion des Schwimmschuhs 10 bilden. Selbstverständlich wirkt, wie zuvor beschrieben, der Schwimmring in der gleichen Weise wie der Schwimmschuh, wenn der Gehäusestrang auf die volle Tiefe im Bohrloch abgesenkt und Zement nach unten durch und in den Ringraum zwischen dem Gehäusestrang und dem Bohrloch gelei­ tet wird. Ebenfalls wie im Falle des Schwimmschuhs 11 kann der Körper 16 A aus Beton oder einem anderen bohrfähigen Material des Schwimmrings nach dem Aushärten der Zementsäule entfernt werden, um den Gehäusestrang zum Bohrloch zu öffnen.

Da der Schwimmring nicht am unteren Ende des Gehäusestrangs befestigt ist und damit den Gehäusestrang nicht in das Bohrloch führen muß, muß sich das untere Ende des Beton­ körpers 16 A nicht über das untere Ende des äußeren Rohr­ körpers 11 A hinaus erstrecken, und endet daher eine relativ kurze Strecke vom unteren Ende der Hülse 17 A entfernt, in der die Kugel 20 A hin- und herläuft.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Einzementieren eines Gehäusestrangs in einem Bohrloch, gekennzeichnet durch einen Außenkörper (11) aus Metall, der an seinem oberen Ende zum Anschluß an einen Teil des Gehäusestrangs ein Gewinde (12) aufweist, Metallblätter (25), die mit dem Außenkörper (11) einstückig ausgebildet sind und sich längs dessen Außenseite unterhalb des Gewindes (12) er­ strecken, einen Innenkörper (15), der im Außenkörper (11) angeordnet ist und einen vertikalen Durchgangs­ kanal (18) hat, und eine Ventileinrichtung, die im In­ nenkörper (15) angeordnet ist, um den Kanal abzusper­ ren, wenn der Gehäusestrang in das Bohrloch abgesenkt wird, der jedoch geöffnet werden kann, wenn Zement nach unten durch den Kanal in den Ringraum zwischen dem Ge­ häusestrang und dem Bohrloch gepumpt wird, wobei der Innenkörper aus einem Material gebildet ist, das aus dem Außenkörper herausgebohrt werden kann, wenn der Gehäusestrang in das Bohrloch einzementiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Außenkörper (11 A) an seinem unteren Ende unterhalb der Blätter ein Gewinde (14 B) hat, um einen Schwimmring zu bilden, der zwischen An­ schlußstücken des Gehäusestrangs anschließbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenkörper ein unteres Ende hat, das verrundet ist und sich über das untere Ende des Außenkörpers (11) hinaus erstreckt, um einen Schwimmschuh zu bilden, der an das untere Ende des Gehäusestrangs anschließbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventileinrichtung einen nach unten gerichteten Sitz (21) und einen nach oben gerichteten Käfig (22) hat, die den Kanal umgeben, sowie eine Kugel (20), die vertikal im Kanal zwischen dem Sitz und dem Käfig verschiebbar ist.