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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Perforieren einer Bohrung, spezieller ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Perforieren einer Bohrung
unter Ansprechen auf Druck in einem ersten Rohrstrang und
Fördern aus den Formationen durch einen zweiten Rohrstrang oder
die Verrohrung. Die vorliegende Erfindung ist besonders
vorteilhaft, wenn es gewünscht wird, daß mehrere Formationen
zusammen perforiert werden sollen und aus diesen gefördert
werden soll.
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Bei Öl- und Gasbohrungen ist es oft erwünscht, eine
Förderung aus mehreren Zonen in einer einzelnen Bohrung zu
erhalten. Bei solchen Bohrungen kann es erwünscht sein, mehr als
eine Formation innerhalb einer einzelnen Zone zu perforieren
und aus diesen zu fördern.
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Besondere Schwierigkeiten treten auf, wenn diese
Formationen in weitem Abstand angeordnet sind. Zum Beispiel ist es
bekannt, Formationen, die mehr als tausend Fuß voneinander
entfernt sind, als eine einzelne Zone zu perforieren und aus
dieser zu fördern. Unter solchen Umständen vorhandene
Schwierigkeiten schließen zum Beispiel Schwierigkeiten beim Erhalt
einer zuverlässigen Betätigung des Auslösemechanismus für die
Perforierkanonen ein und insbesondere, wenn man dies tut,
während ein gewünschtes Untergleichgewicht an den Formationen
zur Zeit des Perforierens aufrechterhalten wird.
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Zusätzlich ist es bei vielen Arbeiten vorzuziehen, die
Perforierkanonen eher unter Verwendung von hydraulischem Druck
auszulösen als einen mechanischen Auslösemechanismus wie einen
Auslösungsbolzen oder einen Molch ("Go Devil") durch den
Werkzeugstrang hindurchgehen zu lassen. Vorzugsweise hat man
auch Ersatzzündmechanismen, um die Zuverlässigkeit der
Auslösung der Perforierkanonen zu optimieren. Verfahren nach dem
Stand der Technik, die überzählige Ersatzzündmechanismen
verwenden, haben die Unterdrucksetzung des Ringraums in der
Bohrung an der zu perforierenden Zone erfordert. Eine solche
Unterdrucksetzung des Ringraums kann die Möglichkeit
beseitigen, ein gewünschtes Druckgleichgewicht, typischerweise ein
Untergleichgewicht, zwischen der zu perforierenden Formation
und dem Bohrloch herzustellen, um eine optimale Perforierung
der Formation zu erhalten.
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Wir haben nun ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung
entworfen, um eine oder mehrere Formationen unter Ansprechen
auf Fluiddruck in einem ersten Rohrstrang zuverlässig zu
perforieren, während sich die Druckdifferenz zwischen der
Formation und dem Bohrloch durch eine Fluidsäule in einem zweiten
Rohrstrang oder in der Verrohrung einstellen kann, durch
welche bzw. welchen die Formation ausfließen oder daraus
gefördert werden kann. Die vorliegende Erfindung erleichtert auch
die Verwendung von Ersatzzündmechanismen, um die
Zuverlässigkeit des Perforiersystems beizubehalten. Zusätzliche
Formationen, auch wenn sie in weitem Abstand angeordnet sind, können
perforiert werden, ohne die Zuverlässigkeit des Systems zu
vermindern. Zusätzlich kann der erste Rohrstrang verwendet
werden, um aus einer zweiten Zone in der Bohrung zu fördern.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Perforieren einer
Bohrung vorgesehen, enthaltend: einen Packer; einen ersten
Werkzeugstrang, der durch den Packer verläuft und wenigstens
eine Perforieranordnung enthält, die einen Rohr-strang
aufweist, sowie eine erste Zündkopfanordnung, die durch
Fluiddruck in dem Rohrstrang betätigbar ist, eine zweite
Zündkopfanordnung die durch Fluiddruck in dem Rohrstrang
betätigbar ist, eine Perforierkanone, die nahe einem Ende mit dem
ersten Zündkopf und nahe einem zweiten Ende mit dem zweiten
Zündkopf wirkgekoppelt ist; und einen zweiten Werkzeugstrang,
der einen Durchgangskanal für den Fluidfluß von einer Stelle
unterhalb des Packers zur Oberfläche bildet.
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Die Erfindung schließt ferner ein Verfahren zum Perforieren
einer Bohrung und einer die Bohrung umgebenden Formation ein,
umfassend die Schritte: Bereitstellen eines ersten
Werkzeugstrangs in der Bohrung, der einen Rohrstrang, einen ersten
Zündkopf, der auf Fluiddruck in dem Rohrstrang anspricht,
einen zweiten Zündkopf, der auf Fluiddruck in dem Rohrstrang
anspricht und eine Perforierkanone aufweist, die an einem Ende
mit dem ersten Zündkopf und an einem zweiten Ende mit dem
zweiten Zündkopf wirkgekoppelt ist; Bereitstellen eines
zweiten Werkzeugstrangs in der Bohrung; Einstellen eines Drucks in
der Bohrung an der zu perforierenden Zone unter Verwendung des
zweiten Werkzeugstranges; Auslösen der Betätigung der ersten
und zweiten Zündköpfe durch Einstellen eines Fluiddrucks in
dem ersten Werkzeugstrang.
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Nach einem Gesichtspunkt sieht die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung zum Perforieren einer Bohrung vor, die zwei
Werkzeugstränge enthält. Der erste Werkzeugstrang enthält
wenigstens eine Perforieranordnung. Die Perforieranordnung
enthält vorzugsweise einen Rohrstrang, der einen ersten
Fluiddurchgangskanal bestimmt. In einer besonders bevorzugten
Ausführung enthält die Perforieranordnung eine geeignete
Vorrichtung zur Bereitstellung einer zweiten, sich damit zusammen
erstreckenden Anordnung relativ zu dem Rohrstrang. Diese sich
sich damit zusammen erstreckende Anordnung enthält einen
oberen Zündkopf, der mit dem oberen Ende einer Perforierkanone
gekoppelt ist, und einen unteren Zündkopf, der mit dem unteren
Ende der Perforierkanone gekoppelt ist. Jeder Zündkopf ist von
einem Typ, der durch Fluiddruck innerhalb des Rohres
betätigbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist jeder
Zündkopf von einer Art, bei der ein Verriegelungs- oder
Halterungsmechanismus unter Ansprechen auf Druck im Rohrstrang
gelöst wird und die eigentliche Auslösung des Zündkopfes unter
Ansprechen auf den Ringraumdruck in der Bohrung erreicht wird.
Zusätzlich wird vorzugsweise ein Strömungsweg für die
perforierte Formation durch einen zweiten Werkzeugstrang
eingerichtet, welcher lediglich ein Rohrstrang sein kann, der zu einem
Ort nahe der zu perforierenden Formationen verläuft.
Vorzugsweise verlaufen sowohl der erste als auch der zweite
Werkzeugstrang in eine Zone, die an ihrem oberen Ende durch einen
Packer isoliert ist.
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Die vorliegende Erfindung schließt in dem ersten
Werkzeugstrang auch die Verwendung von zwei oder mehreren
Perforieranordnungen der oben beschriebenen Art ein. Zusätzlich kann der
erste Werkzeugstrang einen oder mehrere weitere Packer
enthalten, um eine zweite Zone in der Bohrung zu isolieren. In einer
bevorzugten Ausführung würde diese Anordnung die Betätigung
der Perforierkanonen durch Druck in dem ersten Werkzeugstrang
und auch den Fluß oder die Förderung aus der zweiten Zone
entlang dem Durchgangskanal des ersten Werkzeugstrangs
erleichtern.
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Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung werden nun
Ausführungen davon lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
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Figuren 1A-B bilden eine Ausführung einer
perforierausrüstungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung ab,
die in einer Bohrung angeordnet und teilweise im
Vertikalschnitt dargestellt ist.
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Figuren 2A-B stellen Elemente der in Figur 1 gezeigten
Perforieranordnungen in größerem Detail und teilweise
im Vertikalschnitt dar.
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Figuren 3A-B bilden eine Zündkopfanordnung nach Figur 2B
in größerem Detail und teilweise im Vertikalschnitt
ab.
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Figur 4 bildet den Betätigungsmechanismus nach Figuren 2B
und 3B in größerem Detail und teilweise im
Vertikalschnitt ab.
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Figur 5 bildet schematisch Bauteile des Auslösemechanismus
nach Figur 5 in einer Explosionsansicht ab.
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Figur 6 stellt einen Teil des Auslösemechanismus nach
Figur 5A entlang der Linien 6-6 im Horizontalschnitt
ab.
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Figur 7A-B bildet eine alternative Zündkopfanordnung nach
der vorliegenden Erfindung ab, die teilweise im
Vertikalschnitt dargestellt ist.
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Unter Bezugnahme nun auf Figuren I1A-B ist darin schematisch
ein Beispiel einer Perforierausrüstungsanordnung 10
dargestellt, die nach der vorliegenden Erfindung eingerichtet und
innerhalb einer Bohrung 12 angeordnet ist, in welcher eine
Verrohrung 13 gesetzt worden ist. Die Bohrung 12 enthält eine
obere Zone 14 und eine untere Zone 16. Die obere Zone 14
befindet sich an zwei im Abstand angeordneten, zu perforierenden
Formationen 18 und 20. Die untere Zone 16 befindet sich an
einer einzelnen zu perforierenden Formation 22.
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Die Perforierausrüstungsanordnung 10 enthält eine lange
Stranganordnung 24 und eine kurze Stranganordnung 26, die
durch einen Doppelpacker 28 zusammengekoppelt sind. Der
Doppelpacker 28 kann von gewöhnlicher Art sein und kann, wie aus
der folgenden Erörterung ersichtlich, entweder mechanisch oder
hydraulisch gesetzt werden. Der kurze Strang 26 kann einfach
ein Rohrstrang sein, der unter Bildung eines Strömungsweges
mit dem Doppelpacker 28 gekoppelt ist. Jedoch ist aus
praktischen Gründen vorzugsweise ein Nippelsitzprofil 30 oder eine
andere Verschlußeinrichtung in dem kurzen Strang 26
vorgesehen. Man sollte klar verstehen, daß der hier verwendete
Ausdruck "Rohr" sich auf Gestängerohr, Komplettierungsrohr,
Förderrohr
oder andere ähnliche rohrförmige Glieder beziehen
kann, die zur Bildung der hier beschriebenen und dargestellten
Strömungswege geeignet sind. Ähnlich werden, wo nicht anders
angezeigt, die Verbindungen zwischen Rohr- oder
Gehäusegliedern über gewöhnliche "Stift"- und
"Buchse"-Schraubverbindungen hergestellt.
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Die Langstranganordnung 24 enthält einen Rohrstrang 25, der
auch mit dem Doppelpacker 28 gekoppelt ist. Mit dem Rohrstrang
25 sind unterhalb des Doppelpackers 28 in der
Langstranganordnung 24 zwei Perforieranordnungen gekoppelt, die
allgemein bei 30a und 30b gezeigt sind. Die Perforieranordnungen
30a, 30b sind in der Funktionsweise identisch. Ein Sitzprofil
31 für einen Stopfen kann ebenfalls in der Langstranganordnung
24 enthalten sein. Der Aufbau der Perforieranordnungen 30a und
30b ist vorzugsweise im wesentlichen identisch. Jedoch kann,
wie für den Fachmann in der Technik ersichtlich ist, die Länge
der allgemein bei 32a, 32b gezeigten Perforierkanone oder
-kanonen in jeder Perforieranordnung 30a, 30b verändert werden,
um die Perforierung des gewünschten Intervalls zu erleichtern.
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Unterhalb der Perforieranordnungen 30a und 30b in der
Langstranganordnung 24 befindet sich ein Packer 34, der die obere
Zone 14 gegen die untere Zone 16 der Bohrung 12 isoliert. Der
Packer 34 kann entweder als eingebautes Teil der
Langstranganordnung 24 in das Bohrloch eingebracht oder in der Bohrung
gesetzt werden, wie durch eine Kabelleitung, und die
Langstranganordnung 24 kann in diesen eingeführt werden. Unterhalb
des Packers 34 befindet sich eine gewöhnliche
Perforieranordnung 35 mit einem perforierten Nippel 36, einem Zündkopf 38
und einer Perforierkanone 40. Der Perforiernippel 36 kann
einer von vielen üblichen Vorrichtungen sein, die dazu
eingerichtet sind, einen Fluidweg vom unteren Ringraum 37 in die
Langstranganordnung 24 herzustellen. Wie hier später
detaillierter erörtert wird, ist der Zündkopf 38 vorzugsweise ein
hydraulisch betätigter Zündkopf. Jedoch kann der Zündkopf 38
auch ein mechanisch betätigter Zündkopf sein. Wie in Figur 1
sichtbar ist, verläuft der Rohrstrang 25 von der Oberfläche
durch beide Perforieranordnungen hindurch zur
Perforieranordnung 35.
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Unter Bezugnahme nun auch auf Figuren 2A-B sind darin Teile
von Perforieranordnungen 30 in größerem Detail und teilweise
im Vertikalschnitt abgebildet. Jede Perforieranordnung 30
verläuft von einem oberen Verzweigungsblock oder Y-Block 42 zu
einer unteren Verzweigungsblockanordnung oder Y-Anordnung 56.
Der Y-Block 42 und die Y-Anordnung 56 erleichtern die
Errichtung von zwei sich zueinander erstreckenden Strängen. Ein
Hauptstrang enthält eine oder mehrere Rohrlängen 44, die einen
Teil des Rohrstrangs 25 bilden. Der Rohrstrang 25 und der Y-
Block 42 und die Y-Anordnung 56 wirken zusammen, um einen
Strömungsweg 46 durch die gesamte Langstranganordnung 24 zu
bestimmen. Ein Nebenstrang enthält eine Ausrüstung, um die
Bohrung zu perforieren, und Bauteile, um den Zusammenbau der
Perforieranordnung 30 zu erleichtern. Mit dem Y-Block 42 in
dem Zweitstrang sind eine Adapteruntereinheit 48 und ein
Drehgelenk 50 gekoppelt. Das Drehgelenk 50 ist enthalten, um den
Zusammenbau der Perforieranordnung 30 zu erleichtern, und kann
von gewöhnlicher Art sein. Vorzugsweise ist das Drehgelenk 50
ein ausziehbares Drehgelenk. Die Adapteruntereinheit 48 ist
enthalten, um die Einstellung der Länge des Nebenstrangs zu
erlauben und den Zusammenbau der Perforieranordnung 30 zu
erleichtern. Unterhalb des Drehgelenks 50 ist eine
Zündkopfuntereinheit 51 angeordnet, die eine Zündkopfanordnung 52
enthält. Die Zündkopfuntereinheit 51 ist dann mit der
Perforierkanone 32 gekoppelt. Am unteren Ende der Perforierkanone 32
befindet sich die Y-Anordnung 56. Die Y-Anordnung 56 enthält
ebenfalls eine Zündkopfanordnung, die allgemein bei 58 gezeigt
ist. Die Y-Anordnung 56 enthält Kanäle 66, die einen Fluidweg
zwischen dem Strömungsweg 46 und der Zündkopfanordnung 58
bilden. Ähnlich enthält der Y-Block 42 einen Fluidweg 43, der
eine Verbindung vom Strömumgsweg 46 durch die
Adapteruntereinheit 48 und das Drehgelenk 50 zur Zündkopfanordnung 52
erlaubt.
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Die Zündkopfanordnung 52 ist in Figur 2A abgebildet,
während die Zündkopfanordnung 58 in der Y-Anordnung 56 sowohl in
Figur 2B als auch in Figuren 3A-B und 4 dargestellt ist. Die
Zündkopfuntereinheit 58 und die Y-Anordnung 56 enthalten
jeweils vorzugsweise Gehäuseanordnungen für die
Zündkopfanordnungen 52 und 58. Diese Gehäuseanordnungen enthalten
entsprechende Bauteile einschließlich Drehgelenkteilen. Außerdem sind
die Betriebsmechanismen der Zündkopfanordnung 52 und der
Zündkopfanordnung 58 vorzugsweise identisch. Demgemäß wird hier
nur das Gehäuse und der Mechanismus der Zündkopfanordnung 58
im einzelnen erörtert. Einander entsprechende Bauteile in der
Zündkopfuntereinheit 51 und der Zündkopfanordnung 52 wurden
mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Da sowohl die
Zündkopfanordnung 52 als auch die Zündkopfanordnung 58 in
Fluidverbindung mit dem Strömungsweg 46 in der Langstranganordnung
24 stehen, sprechen die Zündkopfanordnung 52 und die
Zündkopfanordnung 58 im wesentlichen gleichzeitig auf Fluiddruck im
Strömungsweg 46 an.
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Unter hauptsächlicher Bezugnahme nun auf Figur 2B ist darin
eine beispielhafte Y-Anordnung 56 nach der vorliegenden
Erfindung abgebildet, die teilweise im Vertikalschnitt abgebidet
ist. Die Y-Anordnung 56 enthält ein Y-Gehäuse 62 und eine
Zündkopfgehäuseanordnung, die allgemein bei 63 gezeigt ist.
Das Y-Gehäuse 62 enthält eine Leitung 64, die einen Teil des
Strömungswegs 46 bildet, eine oder mehrere Leitungen 66a, 66b
und eine Kolbenkammer 68. Die Leitungen 66a, 66b stellen eine
Fluidverbindung zwischen dem Strömungsweg 46 und der
Kolbenkammer 68 her.
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Die Zündkopfgehäuseanordnung 63 bildet zusammen mit der
Kolbenkammer 68 und ihren dazugehörigen Bauteilen die
Zündkopfanordnung 58. Die Zündkopfgehäuseanordnung 63 enthält ein
mit Öffnungen versehenes Gehäuse 70, das mit einem allgemein
mit 72 bezeichneten Drehgelenk gekoppelt ist. Das Drehgelenk
72 enthält einen Dorn 74 einer Drehgelenkuntereinheit, der
drehbar mit der mit Öffnungen versehenen Untereinheit 70 durch
einen Drehgelenkhalter 76 gekoppelt ist. Der Dorn 74 der
Drehgelenkuntereinheit koppelt mit einem Gehäuse 78, welches mit
einer Untereinheit 80 gekoppelt ist, die an der
Perforierkanone 32 angebracht ist. Das Drehgelenk 72 erlaubt dem Gehäuse 78
und den damit verbundenen Bauteilen eine Verdrehung gegenüber
der mit Öffnungen versehenen Untereinheit 70, um den
Zusammenbau der Perforieranordnung 30 zu erleichtern. Öffnungen 71 in
der mit Öffnungen versehenen Untereinheit 70 erleichtern die
Fluidverbindung zwischen dem die Gehäuseanordnung 63
umgebenden Ringraum und dem Inneren der Gehäuseanordnung 63. Die
Zündkopfgehäuseanordnung 63' der Zündkopfuntereinheit 51
unterscheidet sich von der Zündkopfgehäuseanordnung 63 darin,
daß die Zündkopfgehäuseanordnung 63' eine Untereinheit 73
anstelle des Y-Blocks 62 enthält.
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In dieser bevorzugten Ausführung spricht die
Zündkopfanordnung 58 sowohl auf den Rohrstrangfluiddruck im Strömungsweg 46
als auch auf den Ringraumdruck an. Der Rohrdruck wird zum
Entriegeln des Zündmechanismus verwendet und gestattet dem
Zündstift eine Bewegung zum Aufschlag auf die Zündladung. Jedoch
wird der Ringraumdruck genutzt um zu bewirken, daß der
Zündstift tatsächlich auf den Auslöser aufschlägt und die
Auslösung der Perforierkanone bewirkt.
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Die Zündkopfanordnung 58 enthält einen allgemein bei 82
gezeigten Auslösemechanismus, der auf einen allgemein bei 84
gezeigten Betätigungsmechanismus anspricht. Unter Bezugnahme nun
auch auf Figuren 3A-B sind darin der Auslösemechanismus 82 und
der Betätigungsmechanismus 84 in größerem Detail und teilweise
im Vertikalschnitt abgebilldet. Der Auslösemechanismus 82
enthält einen Aufschlagkolben 86, der in einer Bohrung 87 im
Gehäuse 88 gehaltert ist. Der Aufschlagkolben 86 ist in
Längsrichtung gegenüber dem Gehäuse 88 bewegbar, aber ist anfangs
in einer ersten Stellung durch einen Scherstift 90 gesichert.
Der Aufschlagkolben 86 enthält ein erstes Ende 92, das so
eingerichtet ist, daß es einen Schlag zum Abscheren des
Scherstiftes 90 erhält und eine Längsbewegung des Aufschlagkolbens
86 gegenüber dem Gehäuse 88 verursacht. Der Aufschlagkolben 86
ist in dem Gehäuse 88 jederzeit durch das Zusammenwirken einer
Kerbe 94 im Aufschlagkolben 86 und eines Stifts 96 gehalten,
der zusammenwirkend in die Kerbe 94 und eine
Ausnehmungsöffnung 98 im Gehäuse 88 eingreift.
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Unter Bezugnahme nun auch auf Figuren 5 und 6 sind darin
Teile des Auslösemechanismus 82 in größerem Detail abgebildet.
Ein zweites Ende des Aufschlagkolbens 86, das allgemein bei
108 gezeigt ist, enthält einen ersten Teil 110 von
verringertem Durchmesser. Das zweite Ende 108 des Aufschlagkolbens 86
enthält auch einen zweiten Teil 112 von einem gegenüber dem
ersten Teil 110 des Aufschlagkolbens 86 vergrößertem
Durchmesser. Der zweite Teil 112 des Aufschlagkolbens 86 und ein
Endteil 115 des Gehäuses 88 erstrecken sich in eine Ausnehmung
113 in einem Zündkolben 114. Der Zündkolben 114 ist in einer
festen Stellung relativ zum Gehäuse 88 durch eine Vielzahl von
Ringstücken 116 gesichert, die zusammenwirkend in Öffnungen
118 im Gehäuse 88 und Ausnehmungen 120 in der Ausnehmung 113
des Zündkolbens 114 eingreifen. Die Ringstücke 116 werden
durch den zweiten Teil 112 des Aufschlagkolbens 84 in Stellung
gehalten. Ein zweites Ende 121 des Zündkolbens 114 liegt
abdichtend einer Bohrung 120 in einer Auslöserverlängerung 122
an, welche mit dem Gehäuse 88 gekoppelt ist. Ein Zündstift 123
ist am zweiten Ende 121 des Zündkolbens 114 sicher befestigt.
Die Auslöserverlängerung 122 enthält Öffnungen 125, um eine
Fluidverbindung zwischen dem Ringraumdruck und dem Zündkolben
114 sicherzustellen.
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Der Zündstift 123 ist so gestaltet, daß er eine Zündladung
126 auslöst, die abdichtend in einer erweiterten Bohrung 124
in der Auslöserverlängerung 122 gehaltert ist. Die abdichtende
Anlage des zweiten Endes 121 des Zündkolbens 114 an der
Bohrung 121 und des Zünders 126 an der Bohrung 124 bildet eine
abgedichtete Kammer 128, die unter Atmosphärendruck steht.
Demgemäß ist das zweite Ende 121 des Aufschlagkolbens 114 ein
auf Fluid ansprechender Kolben in der Bohrung 120, der auf den
Ringraumdruck innerhalb der Gehäuseanordnung 63 anspricht. Der
Aufschlagkolben 86 wird durch einen Scherstift 90 gehaltert,
der so ausgewählt ist, daß er bei einem gewünschten
Betätigungsdruck, wie er durch den Betätigungsmechanismus 84 erzeugt
wird, abschert.
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Mit einem Ende 130 der Auslöserverlängerung 122 ist eine
allgemein bei 132 gezeigte Gehäuseverlängerung gekoppelt. Die
Gehäuseverlängerung 132 bestimmt eine Mittelöffnung 134, die
zusammenwirkend einen Mechanismus zur Übertragung der Zündung
des Zünders 126 zur Perforierkanone 32 bildet. Vorzugsweise
enthält die Öffnung 134 eine Länge eines Sprengstoffträgers
136 wie eine Zündschnur, die mit einer Übertragungsladung
138a, 138b an jedem ihrer Enden versehen ist. Die
Gehäuseverlängerung 132 koppelt vorzugsweise an ein Innenteil der
Untereinheit 80, welche wiederum mit der Perforierkanone 32
koppelt. Die Übertragungsladung 138b ist in der Untereinheit 80
nahe der Kupplung mit der Perforierkanone 32 untergebracht.
Das Gehäuse 78 kuppelt an einem Außenteil mit der Untereinheit
80.
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Die Längsbewegung des Aufschlagkolbens 86 wird durch einen
Betätigungsmechanismus 84 bewirkt. Der Betätigungsmechanismus
84 enthält einen Betätigungskolben 140, der in einer
Kolbenkammer 68 des Y-Gehäuses 62 untergebracht ist. Der
Betätigungskolben 140 ist abdichtend in der Bohrung 142 der
Kolbenkammer 68 aufgenommen und wird in der Bohrung 142 durch einen
Kolbenhaltering 144 gehaltert. Der Kolbenhaltering 144 ist
durch Scherstifte 146 an einem einstellbaren Scherstiftsitz
148 sicher befestigt. Der einstellbare Scherstiftsitz 148 ist
bei 150 mit dem Y-Gehäuse 62 schraubverbunden. Wie in Figur 3B
sichtbar ist, wird der Betätigungskolben 140 durch den
Kolbenhaltering 144 gegen die Sitzschulter 152 gehalten. Eine
Gewindeeinstellung 150 am Scherstiftsitz 148 erleichtert die
Einstellung der Längsstellung des Kolbenhalterings 144 um
sicherzustellen, daß der Betätigungskolben 140 sicher gegen die
Schulter 152 gesetzt ist. Dieser sichere Sitz des
Betätigungskolbens
140 stellt sicher, daß eine Druckschwankung im
Strömungsweg 46 keine ungewünschte Bewegung des Betätigungskolbens
140 verursacht, die zu einem vorzeitigen Abscheren der
Scherstifte 146 führen könnte.
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In einer Längsbohrung 154 im Betätigungskolben 140 ist ein
darin verschiebbarer Zündstab 156 gehaltert. Der Zündstab 156
wird gegenüber dem Betätigungskolben 140 durch einen
Scherstift 158 in einer ersten Längsstellung gehalten. Ein
Verriegelungsring 160 ist in konzentrischer Beziehung zu dem Weg des
Betätigungskolbens 140 durch ein Haltglied 162 für den
Verschlußring sicher befestigt. Der Betätigungskolben 140 enthält
eine Umfangsnut 164. Der Verriegelungsring 160 ist
vorzugsweise ein Haltering von der Art eines Spaltrings, der so
eingerichtet ist, daß er in die Umfangsnut 164 eingreift, wenn der
Betätigungskolben 140 aus seiner Ruhestellung in eine zweite,
betätigte Stellung verstellt wird, und dadurch der
Betätigungskolben 140 in einer solchen zweiten Stellung sicher
befestigt wird.
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Bezugnehmend nun auch auf Figur 4 ist darin der
Betätigungsmechanismus 84 in der zweiten, betätigten Stellung
gezeigt. Im Betrieb arbeitet die Zündkopfanordnung 58 wie folgt.
sobald der Druck im Strömungsweg 46 und dadurch in der
Kolbenkammer 68 einen Schwellenwert erreicht, wie er durch die
Scherstifte 146 bestimmt ist, schert der Betätigungskolben 140
die Scherstifte 146 ab und verschiebt sich in Längsrichtung zu
dem Auslösemechanismus 82. Der verschiebbare Zündstab 156
berührt den Aufschlagkolben 86 und verstellt diesen in
Längsrichtung. Wenn sich der Aufschlagkolben 86 bewegt, wird der
Ausnehmungsteil 110 des AufschlagkolbenS 86 in eine sich damit
erstreckende Beziehung zu den Ringstücken 116 gebracht. Der
verringerte Durchmesser des Abschnitts 110 erlaubt den
Ringstücken 116, aus dem Eingriff mit den Ausnehmungen 120 im
Zündkolben 114 herauszufallen. Der Fluiddruck aus dem Ringraum
im Gehäuse 63 wirkt durch die Öffnungen 125 hindurch auf den
Zündkolben 114 und treibt ihn in Längsrichtung mit
ausreichendem
Aufschlag um zu bewirken, daß der Zündstift 123 den Zünder
126 zündet. In einer bevorzugten Ausführung reicht ein
Ringraumdruck von 1000 psi (6,89 MPa) aus, um den Zündkolben 114
zu treiben. Der Fachmann in der Technik erkennt, daß die
Zündkopfanordnung 58 daher durch einen viel niedrigeren
Ringraumdruck betätigt werden kann, als dies bei gewöhnlichen
Ringdruckzündköpfen erforderlich ist. Zusätzlich braucht der
Aufschlagkolben 86 nicht auf einem Niveau oberhalb des
erwarteten hydrostatischen Ringraumdrucks, der schwierig genau
vorhergesehen werden kann, mit Scherstiften befestigt zu werden.
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Der Zünder 126 zündet und überträgt seine Zündung durch die
Übertragungsladung 138a, die Zündschnur 136 und die
Übertragungsladung 138b, um eine ähnliche (nicht dargestellte)
Übertragungsladung in der Perforierkanone 32 auszulösen. Demgemäß
gibt die mechanische Betätigung des Aufschlagkolbens 86 den
Zündkolben 114 frei und ermöglicht, daß der Ringraumdruck den
Zündkolben 114 mit einer beträchtlichen Kraft angetrieben
wird, um einen ausreichenden Aufschlag zur Zündung des Zünders
126 sicherzustellen.
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Wenn der Aufschlagkolben 86 einen eingestellten Widerstand
gegen die Bewegung des Zündstabs 156 bildet, wie er durch den
Scherstift 158 bestimmt wird, schert der Scherstift 158 ab und
der verschiebbare Zündstab 156 bewegt sich in Längsrichtung in
die Bohrung 154 hinein. Wenn sich der Betätigungskolben 140
dem Ende seines Verschiebungsbereichs nähert, greift der
Verriegelungsring 160 in die Ausnehmung 164 im Betätigungskolben
140 ein und verriegelt ihn in seiner Stellung. Somit wird der
verschiebbare Zündstab 156 innerhalb der Bohrung 154
gehaltert, aber ohne irgendeine feste Verbindung, durch welche er
eine zusätzliche Kraft auf den Aufschlagkolben 86 ausüben
könnte. Der verschiebbare Zündstab 156 dient auch als eine
Einrichtung mit totem Gang zur Vermeidung eines übermäßigen
Schlags auf den Auslösemechanismus 82. Ähnlich ist der
Betätigungskolben 140 in einer festen Stellung innerhalb der Bohrung
142 verriegelt. Zusätzlich verursachen anschließende
Änderungen
der Druckdifferenz zwischen dem Bohrlochringraum und dem
Strömungsweg 46 keine Bewegung des Betätigungskolbens 140 und
daher keinen Verschleiß der Dichtungen 162 zwischen dem
Betätigungskolben 140 und der Bohrung 142. Demgemäß wird eine
sichere Dichtung zwischen dem Inneren der Gehäuseanordnung 63
und dem Strömungsweg 46 aufrechterhalten.
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Bezugnehmend nun auf die Figuren 7A-B ist darin eine
alternative Ausführung einer Zündkopfanordnung dargestellt,
insbesondere eine allgemein bei 180 gezeigte Zündanordnung mit
Zeitverzögerung, die zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung geeignet ist. Die Zündanordnung 180 mit
Zeitverzögerung spricht auf den gleichen Betätigungsmechanismus 84 an,
wie er bei den Zündkopfanordnungen 52 und 58 verwendet wird.
Zusätzlich benutzt die Zündanordnung 180 mit Zeitverzögerung
einen allgemein bei 182 gezeigten Auslösemechanismus, der im
wesentlichen mit dem in den Zündanordnungen 52 und 58
verwendeten Auslösemechanismus identisch ist. Demgemäß sind
entsprechende Bauteile identisch bezeichnet. Wie aus der folgenden
Erörterung ersichtlich ist, schlägt bei der Zündanordnung mit
Zeitverzögerung der Zündstift 114 auf eine
Sprengkapselanordnung 192 statt auf einen Zünder auf. Die Zündanordnung 180 mit
Zeitverzögerung ist in einer Gehäuseanordnung 181 enthalten,
die vorzugsweise der Gehäuseanordnung 63 der Zündkopfanordnung
58 ähnlich ist. Wie aus den Figuren ersichtlich ist,
unterscheidet sich die Gehäuseanordnung 181 von der
Gehäuseanordnung 63 nur leicht, um unterschiedliche Innenbauteile
unterzubringen und den Zusammenbau zu erleichtern.
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Bei der Zündanordnung 180 mit Zeitverzögerung ist ein
zweites Ende 182 des Gehäuses 88 mit einem Auslösungsblock 184
vorzugsweise schraubverbunden. Der Auslösungsblock 184 ist in
einer Hülse 186 abdichtend aufgenommen. Ähnlich ist die Hülse
186 in einer Bohrung 188 in einem unteren Gehäuse 190
abdichtend aufgenommen.
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Am Ende des Auslösungsblocks 184 befindet sich eine
Sprengkapselanordnung 192. Die Sprengkapselanordnung 192 ist eine
gewöhnliche Zündladung, die so eingerichtet ist, daß sie beim
Aufschlag durch den Zündstift 123 zündet. Die
Sprengkapselanordnung 192 ist am Auslösungsblock 184 durch einen
Sprengkapselblock 194 sicher befestigt, welcher vorzugsweise mit
Bolzen an der Hülse 186 sicher befestigt ist. Der
Zündkapselblock 192 enthält einen Kanal 196, der ermöglicht, daß der
Strahl von heißen Gasen, die durch die Zündung der
Sprengkapselanordnung 192 ausgestoßen werden, in eine Kammer 198 im
Gehäuse 190 eintritt. In der Kammer 198 ist eine
Verzögerungselementanordnung 200 sicher befestigt. Die
Verzögerungselementanordnung 200 ist vorzugsweise über ein Gewinde bei 202 an
einem Aufnahmeblock 204 sicher befestigt, der abdichtend in
einer Bohrung 206 im Gehäuse 190 aufgenommen ist. Die Kammer
198 und der Teil einer Bohrung 208 im Auslösungsblock 184, der
über den Zündkolben 114 hinausgeht, steht unter
Atmosphärendruck.
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Die Verzögerungselementanordnung 200 ist eine
pyrotechnische Vorrichtung, die bei Zündung eines Innenzünders einige
Zeit brennt, bis sie eine Sprengladung zur Auslösung einer
Übertragungsladung zur Auslösung der Perforierkanone auslöst.
In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführung brennt die
Verzögerungselementanordnung 200 annähernd sieben Minuten nach der
anfänglichen Zündung. Jedoch können zweifellos andere
Verzögerungszeiten verwendet werden. Der Aufbau einer
Verzögerungselementanordnung, die zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung geeignet ist, ist im U.S.A.-Patent Nr. 4,632,034,
erteilt am 30. Dezember 1986 an Colle, Jr., beschrieben. Die
Beschreibung des U.S.A.-Patents Nr. 4,632,034 ist durch die
Bezugnahme darauf hierin aufgenommen.
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Mit dem unteren Ende des Gehäuses 190 ist eine Untereinheit
209 gekoppelt, die eine Mittelbohrung 210 enthält. Die
Untereinheit 209 ist mit einer Perforierkanone 32 gekoppelt. In der
Bohrung 210 ist eine Länge einer Zündschnur 212 enthalten, die
durch die (nicht dargestellte) Perforierkanone 32 verläuft und
an einem ersten Ende eine Übertragungsladung 214 enthält. Die
Übertragungsladung 214 und die Zündschnur 212 erleichtern die
Auslösung der Perforierkanonen in gewöhnlicher Weise.
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Die Zündanordnung 180 mit Zeitverzögerung arbeitet ähnlich
wie die Zündkopfanordnung 58. sobald der Zündkolben 114 frei
gegeben ist, schlägt der Zündstift 123 auf die
Sprengkapselanordnung 192 auf. Der Strahl aus Gasen und heißen Partikeln,
der durch die Zündung der Sprengkapsel 192 durch die Öffnung
196 hindurch ausgestoßen wird, zündet eine zündfähige Pille in
der Verzögerungselementanordnung 200, die den Zeitverzögerer
brennen läßt. Wenn die Verbrennung ihre Durchquerung der
Zeitverzögerungsanordnung 200 abgeschlossen hat, wird eine
Sprengstoffpille im Verzögerungselement 200 ausgelöst, was bewirkt,
daß die Übertragungsladung 214 und die Zündschnur 212
ausgelöst werden, um die Perforierkanone 32 in gewöhnlicher
Weise auszulösen.
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Die Komplettierung einer Bohrung unter Verwendung einer
Verrohrungsausrüstungsanordnung 10 kann wie folgt ausgeführt
werden. Ein Packer 34 kann in der Bohrung an einer gewünschten
stelle zwischen der oberen Zone 14 und der unteren Zone 16
angeordnet werden. Der Packer 34 kann in jeder gewünschten Weise
gesetzt werden, wie durch eine Kabelleitung oder ein Bohrrohr,
oder kann als ein Bauteil der Langstranganordnung 24 in die
Bohrung 12 eingefahren werden. Wenn der Packer unabhängig
gesetzt wird, wird dann die Langstranganordnung 24 in die
Bohrung eingefahren, die Perforieranordnung 35 durch den Packer
34 hindurch eingebracht und der Strang auf Tiefe positioniert.
Falls gewünscht, kann in der Langstranganordnung 24 eine
radioaktive Markierung enthalten sein, und die
Langstranganordnung kann unter Bezugnahme auf eine derartige Markierung
auf Tiefe positioniert werden. sobald der Strang auf Tiefe
positioniert ist, wird der Doppelpacker 28 gesetzt. Der kurze
Strang 26 kann dann mit dem Doppelpacker 28 geeignet gekoppelt
werden, wie durch Einbringen in den Packer 28 mit einer
passenden Dichtanordnung.
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Wenn der Doppelpacker 28 ein hydraulisch gesetzter Packer
ist, wird der Packer vorzugsweise unter Ansprechen auf Druck
in der Kurzstranganordnung 26 gesetzt. In einem solchen Fall
kann der Packer dadurch geprüft werden, daß ein Stopfen 33 in
das Profil 30 eingefügt wird, um die Kurzstrangbohrung durch
den Doppelpacker 28 zu schließen, und Druck an den kurzen
Strang 26 angelegt wird. Anschließend kann der Stopfen 33
entfernt werden und der Druck kann auch wieder nach unten an den
kurzen Strang 26 angelegt werden, um den Packer zu testen. Als
eine weitere Alternative, bei der der Doppelpacker unter
Ansprechen auf Druck in der Langstranganordnung 24 zu setzen
ist, kann es erwünscht sein, ein Profil 31, in das ein Stopfen
eingreifen kann, in die Langstranganordnung 24 einzuschließen,
so daß der Druck in dem Langstrang 24 auf das Rohr beschränkt
werden kann, das sich während der Packersetzarbeiten oberhalb
der Perforieranordnungen 30a und 30b befindet.
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Da aus der oberen Zone 14 durch den kurzen Strang 24
gefördert wird, kann an der oberen Zone 14 ein Untergleichgewicht
oder Übergleichgewicht durch eine gewünschte Fluidsäule im
kurzen Strang 26 eingestellt werden. Das gewünschte Unter-
oder Übergleichgewicht kann durch gewöhnliche Verfahren
eingestellt werden, wie das Einbringen der gewünschten Fluidsäule
in den kurzen Strang 26, wenn er sich in der Bohrung befindet,
oder durch "swabbing" (Vertikalverstellung eines der
Bohrlochwandung abdichtend anliegenden Gliedes) etc.. Die einzige
Druckanforderung zum Betreiben der Perforieranordnungen 30a
und 30b ist die, daß ein hydrostatischer Schwellendruck bei
der Tiefe der oberen Perforieranordnung 30 besteht, der
ausreicht, um den Kolben der benutzten Zündanordnung zu
betätigen, sobald der Kolben unter Ansprechen auf Druck im
Langstrang 24 freigegeben wird.
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Wenn man wünscht, die obere Zone 14 zu perforieren, kann
ein erster Druck in der Langstranganordnung 24 eingestellt
werden. Dieser Druck ist der Schwellendruck, der nötig ist,
um die Scherstifte 106 in den Zündkopfuntereinheiten 51 und
den Zündkopfanordnungen 58 in jeder der Perforieranordnungen
30a und 30b abzuscheren. Wie hinsichtlich der
Zündkopfanordnungen beschrieben wurde, bewegt sich der Aufschlagkolben
jeder Zündkopfanordnung bei Erreichen des Schwellendrucks und
erlaubt dem hydrostatischen Ringraumdruck, den auf
Ringraumdruck ansprechenden Kolben anzutreiben, was die Auslösung der
Sprengkapselladung und folglich die Auslösung der
Perforierkanonen bewirkt.
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Wenn die Perforierkanonen ausgelöst sind und die Formation
und die Verrohrung perforiert sind, wird der Fluß aus den
Formationen durch den in dem kurzen Strang 26 eingestellten Druck
bestimmt. Dementsprechend besteht keine Notwendigkeit zum
Ablassen des Drucks aus dem langen Strang 24 oder zur Ausführung
irgendeiner mechanischen Manipulation, um den Ausfluß oder die
freie Förderung aus der oberen Zone 14 zu ermöglichen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung wird die untere
Zone 16 nach der oberen Zone 14 perforiert. Wenn es gewünscht
ist, die untere Zone 16 zu perforieren, kann ein zweiter,
höherer Druck im langen Strang 24 eingestellt werden, der
einen hydraulischen Zündkopf 38 in der Perforieranordnung 35
betätigt, um die Perforierkanone 40 auszulösen. Aus der
unteren Zone 16 kann dann unabhängig von der oberen Zone 14
Material durch den langen Strang 24 hindurch ausfließen oder
gefördert werden.
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Viele Abänderungen und Variationen können in den hier
beschriebenen und dargestellten Verfahren und Anordnungen
vorgenommen werden, ohne von der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Zum Beispiel können die Zündkopfanordnungen in jeder
Perforieranordnung so eingerichtet sein, daß sie bei
unterschiedlichen Drücken im langen Strang 24 ausgelöst werden. Bei
einer solchen Ausführung können die Perforieranordnungen
wahlweise in Betrieb genommen werden, um Formationen in der Zone
zu perforieren. Demgemäß sollte man klar verstehen, daß die
hier beschriebenen und dargestellten Ausführungen nur
beispielhaft und nicht als Beschränkungen des Umfangs der
vorliegenden Erfindung zu betrachten sind.