DE4314374A1 - Zementiergerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft gemäß Anspruchsoberbegriff Geräte für den Gebrauch beim Bohren und Fertigstellen von Öl- und/oder Gasbohrlöchern. Insbesondere handelt es sich um Verbesserungen an einer Anordnung aus Teilen, die einen Zementierschuh, einen Zementierstopfen und einen Wischstopfen beinhaltet, welche zur Zementierung eines Futterrohres innerhalb eines Bohrloches verwendet werden.

Beim Bohren und Fertigstellen solcher Bohrlöcher ist es übliche Praxis, in der Nähe des unteren Endes des Futterrohres einen Zementierschuh zu installieren. Zu diesem Zweck umfaßt der Schuh einen äußeren Körper, der wie ein Teil des Bohrstranges verbindbar ist, einen inneren Körper mit einer Bohrung durch diesen und ein in der Bohrung angebrachtes Rückschlagabsperrorgan, um ein Durchströmen nach unten zu ermöglichen, jedoch ein Durchströmen nach oben durch diese Bohrung zu verhindern. So bewahrt der Schuh das Futterrohr davor, mit Spülflüssigkeit aufgefüllt zu werden, während es in das Bohrloch herabgelassen wird.

Wenn das Futterrohr in die gewünschte Tiefe herabgelassen worden ist, wird ein Zementier- oder Vorstopfen mit Hilfe eines Breies aus Zement und Schlamm über ihm nach unten durch das Futterrohr gepumpt, um auf dem Zementierschuh zu landen. Zu diesem Zweck beinhaltet der Zementierstopfen einen Körper mit ihn umgebenden Lippen oder Flügeln, die nachgiebig an den Innendurchmesser des Futterrohres angreifen, sowie eine Bohrung durch den Körper mit einer sich über diese erstreckenden zerbrechlichen Membran.

Ist der Zementierstopfen auf dem Zementierschuh gelandet, so wird der Druck des Zementes bis zu einem Level gesteigert, bei dem die Membran zerreißt. Ein Wisch- oder Nachstopfen, der ebenso einen von Lippen umgebenen Körper beinhaltet, um nachgiebig an den Innendurchmesser des Futterrohres anzugreifen, ist in dem Futterrohr über der Säule aus Zementbrei installiert und wird dann durch den Druck der Spülflüssigkeit über ihm nach unten gepumpt, um zu erzwingen, daß der Zementbrei aus dem unteren Ende des Futterrohres und nach oben in den Ringraum zwischen dem Futterrohr und dem Bohrloch befördert wird.

Der innere Körper des Zementierschuhs sowie die Körper der Stopfen sind aus ausbohrbarem Werkstoff hergestellt, der zusammen mit dem Zement von einer Bohrschneide am unteren Ende eines Drehbohrgestänges ausgebohrt werden kann, um eine vollständige Öffnung durch das Futterrohr zu schaffen, wenn sich der Brei zum Verankern des Futterrohres in dem Bohrloch gesetzt hat. Obwohl die üblichen Bohrschneiden mit gezähnten Schneidelementen ausgestattet sind, die es ermöglichten, die Stopfen relativ leicht auszubohren, sind Schwierigkeiten beim Ausbohren mit moderneren Bohrschneiden aufgetreten, die aus polykristallinen Diamantpreßkörpern (PDC) hergestellt wurden. Daher wurde, wie in den US-Patentschriften 47 11 300, 48 36 279 und 48 58 687 beschrieben, vorgeschlagen, das obere Ende des Zementierschuhs und das untere Ende des Zementierstopfens sowie das obere Ende des Zementierstopfens und das untere Ende des Wischstopfens mit passenden Zähnen oder Ansätzen auszustatten, um Relativdrehungen zwischen ihnen zu vermeiden und somit das Entfernen des ausbohrbaren Werkstoffes in Abhängigkeit von der Drehung der Bohrschneide zu erleichtern.

Abgesehen von dem auf die Bohrschneide aufgebrachten Gewichtsdruck verhindert dies jedoch nicht vertikale Vibrationen der Stopfen, besonders weil die Bohrschneide selbst vibrieren wird, wenn sie den Werkstoff ausbohrt. Als Folge davon ist der Schneidvorgang uneffizient und zeitraubend und die ineinandergreifenden Elemente unterliegen einem starken Verschleiß aufgrund der nicht verhinderten Drehung. Weiterhin, abhängig von der Höhe der ineinandergreifenden Teile, bleiben diese eventuell nicht im Eingriff.

Die US-Patentschrift Nr. 3 550 683 zeigt einen an seinem unteren Ende mit gekrümmten Zähnen umgebenen Stopfen dieses Typs, der in die gekrümmten Schlitze in dem oberen Ende eines Zentrierschuhs paßt, wenn der Stopfen auf dem Schuh gelandet ist. Somit wird bezweckt, den Stopfen bei einer Drehung der Bohrschneide gegen eine Drehung bezüglich des Zementierschuhs zu sichern. Außerdem sollen anscheinend Nuten um das untere Ende des Stopfens in passende Nuten in der Bohrung des Zementierschuhs einschnappen während die Zähne in die Schlitze abgesenkt werden. Offensichtlich beeinträchtigt jedoch das Ausmaß, in dem die Nuten an dem Stopfen nach innen gebogen sein müssen, um in die Nuten des Zementierschuhs einzugreifen, ihre Fähigkeit, den Stopfen unten zu halten. Weiterhin hängt das Ausmaß, in dem die Nuten den Stopfen unten halten und seine Vibration vermeiden sollen, von der Toleranz zwischen ihnen ab, die ihrerseits von der Tiefe, mit der sich die gekrümmten Zähne nach unten in die Schlitze bewegen, abhängt.

Es ist deshalb die vorrangige Aufgabe der Erfindung, eine solche Anordnung zu schaffen, bei der der Zementier- und der Wischstopfen oder für den Fall, daß der Zementierstopfen nicht vorhanden ist, nur der Wischstopfen sicherer gegen Drehung und Vibration gehalten wird.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei bedeuten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt eines Futterrohres, das entlang seiner Länge unterbrochen ist, mit einem darin installierten Zementierschuh, der in Übereinstimmung mit der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebaut wurde;

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1, wobei jedoch das untere Ende des in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebauten Zementierstopfens in das Futterrohr auf den Zementierschuh abgesenkt wurde, um zu erzwingen, daß die Zementsäule durch das Rückschlagabsperrorgan in dem Zementierschuh und somit nach oben in den Ringraum zwischen Futterrohr und Bohrloch befördert wird. Weiterhin wird das untere Ende des Zementierstopfens, das mit Hilfe eines Gewindes mit dem oberen Ende des Zementierschuhs verbunden ist, gezeigt, ebenso wie der Wischstopfen, der gleichfalls in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebaut wurde und sich in der dargestellten Position beim Absenken durch das Futterrohr oberhalb des Zementierstopfens befindet, um die Zementsäule mit Druck zu beaufschlagen und somit die Membran über der Bohrung des Zementierstopfens zu zerreißen;

Fig. 3 eine weitere Ansicht ähnlich der Fig. 2, jedoch bei gelandetem Wischstopfen und Gewindeeingriff seines unteren indes in das obere Ende des Zementierstopfens;

Fig. 4 eine Ansicht des Zementierstopfens, teils als Schnitt und teils an Ansicht und

Fig. 5 eine Ansicht des unteren Endes des Zementierstopfens gemäß Fig. 4.

Unter Bezugnahme von nun an auf die Einzelheiten der oben beschriebenen Zeichnungen wird das Futterrohr, das in seiner Gesamtheit durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet wird, gezeigt, um in die gewünschte Tiefe in das Bohrloch herabgelassen zu werden. Der Zementierschuh, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebaut wurde und in seiner Gesamtheit durch das Bezugszeichen 11 gekennzeichnet wird, beinhaltet einen äußeren rohrartigen Körper 12, der an seinem oberen Ende mittels eines Gewindes mit dem unteren Ende einer Verbindungsstelle des Futterrohres 10 nahe dessen unterem Ende verbunden ist. Obwohl nicht dargestellt, versteht es sich, daß das untere Ende des Körpers 12 seinerseits mittels eines Gewindes mit einer anderen Verbindungsstelle des Futterrohres verbunden werden kann.

Der Zementierschuh beinhaltet ebenso einen inneren Körper 13, der innerhalb des äußeren Körpers mittels einer kurzen Zementsäule 14 verankert ist, und besitzt eine Bohrung 15 durch diesen Körper, die sein oberes und unteres Ende miteinander verbindet. Die Bohrung kann mit Hilfe eines Rückschlagabsperrorgans geöffnet und geschlossen werden, wobei das Rückschlag­ absperrorgan ein Absperrorgan 16 umfaßt, das vertikal zwischen einer unteren Stellung, die die Bohrung öffnet, und einer oberen Stellung, die die Bohrung schließt, bewegt wird, so daß ein Durchfluß nach unten durch die Bohrung ermöglicht, jedoch ein Durchfluß nach oben durch die Bohrung verhindert wird. Wie dargestellt, wird das Absperrorgan mit Hilfe einer Schraubenfeder 18 nachgebend in seine obere Stellung gedrückt, wobei diese Vorgehensweise der üblichen Praxis entspricht.

Der Zementier- oder Vorstopfen, der in seiner Gesamtheit durch die Bezugsziffer 20 gekennzeichnet wird, beinhaltet einen rohrartigen Körper 21 und eine Hülse 22 aus elastischem Werkstoff um den Körper herum, wobei die Hülse ringförmige Lippen oder Flügel 23 besitzt, die nachgiebig an den Innendurchmesser des Futterrohres angreifen können, um es dem Stopfen zu ermöglichen, in dem Futterrohr nach unten in Abhängigkeit von dem Fluiddruck über ihm gepumpt zu werden. Der Körper 21 besitzt ebenso eine Bohrung 24 durch sich hindurch sowie, in Übereinstimmung mit der üblichen Praxis, eine zerbrechliche oder zerreißbare Membran 25 über der Bohrung.

In Übereinstimmung mit den neuen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung sind an dem unteren Ende des Körpers 21 des Zementierstopfens Gewindegänge 26 zum begrenzten Eingriff aufgrund einer Rechtsdrehung des Zementierstopfens in die Gewindegänge 27, die an dem oberen Ende der Bohrung 15 durch den inneren Körper angebracht sind, vorgesehen. Die Rechtsdrehung des Zementierstopfens ist ihrerseits abhängig von einer Rechtsdrehung des Wischstopfens über ihm aufgrund einer Drehung der Bohrschneide, wie im weiteren beschrieben wird. Wie beispielhaft dargestellt, sind eineinhalb Windungen der Gewindegänge 26 für ein Zusammensetzen mit ungefähr drei Gewindegängen 27 vorgesehen. In der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Gewindegängen um Semi-Sägezahngewinde, wobei die Gewindegänge 26 im wesentlichen horizontale Oberseiten und zugespitzte Unterseiten während die Gewindegänge 27 im wesentlichen horizontale Unterseiten und zugespitzte Oberseiten besitzen.

In Übereinstimmung mit der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind die Gewindegänge 26 an einer Hülse 28 mit reduziertem Außendurchmesser am unteren Ende des Körpers 21 des Zementierstopfens angebracht und Schlitze 29 erstrecken sich vom unteren Ende der Hülse und durch die Gewindegänge hindurch nach oben, um nach unten hängende nachgiebige Finger 30 zu formen, wobei an jedem dieser Finger ein Gewindesegment angebracht ist. Im einzelnen wird es den nachgiebigen Fingern durch die unteren zugespitzten Seiten 31 der Gewindesegmente ermöglicht, sich beim Gleiten nach unten innerhalb ähnlich zugespitzter Oberseiten 32 der Gewindegänge 27 nach innen zu biegen. Abhängig von der Drehstellung der Gewindegänge untereinander werden somit die Finger solange abgesenkt, bis sie sich nach innen biegen, um in die Gewindegänge in der Bohrung des Zementierschuhs einzuschnappen.

Sind die Finger in die Gewindegänge eingeschnappt, um den Zementierstopfen unten zu halten, greift ein Absatz am unteren Ende des Stopfens in einen nach oben weisenden Absatz am oberen Ende des Zementierschuhs ein, um zwischen ihnen zu dichten, so daß zusätzlicher Druck die Membran zerreißen wird, damit der Zement durch das Absperrorgan und in den Ringraum zirkulieren kann. Aufgrund einer Rechtsdrehung des Zementierstopfens werden die Gewindegänge an den Fingern und in der Bohrung des Zementierschuhs miteinander in Eingriff gebracht, um den Absatz am Stopfen noch sicherer nach unten mit dem Zementierschuh zu verriegeln.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Wisch- oder Nachstopfen, der in seiner Gesamtheit durch die Bezugsziffer 33 gekennzeichnet wird, von seiner Stellung in Fig. 2 abgesenkt worden, um auf dem oberen Ende des Zementier- oder Vorstopfens 20 zu landen. Der Wischstopfen beinhaltet, wie dargestellt, einen Körper 34 und eine elastische Hülse um den Körper mit Lippen oder Flügeln 35 um die Hülse herum, wobei die Flügel nachgiebig an den Innendurchmesser des Futterrohres angreifen können, um es dem Wischstopfen zu ermöglichen, nach unten auf den Zementierstopfen gepumpt zu werden. Im Vergleich zum Körper des Zementierstopfens ist der Körper des Wischstopfens nicht mit einer Öffnung versehen und erlaubt somit keine Durchströmung.

Auf jeden Fall sind um das untere Ende des Körpers 34 herum Gewindegänge 36 für den begrenzten Eingriff in die Gewindegänge 37 in Abhängigkeit einer Rechtsdrehung des Wischstopfens gegenüber dem Zementierstopfen angebracht, wobei die Gewindegänge 37 in dem oberen Ende der Bohrung 24 durch den Körper des Zementierstopfens eingearbeitet sind. Da sich die Zähne des Zementierstopfens mit denen des Zementierschuhs in Eingriff befinden und sich die Zähne des Wischstopfens mit denen des Zementierstopfens in Eingriff befinden, wird somit eine Drehung der beiden Stopfen untereinander oder bezüglich des Zementierschuhs verhindert.

Die Gewindegänge 36 des Wischstopfens sind in die mit reduziertem Durchmesser am unteren Ende des Körpers 34 angeordneten Hülse 38 eingearbeitet. Im einzelnen besitzt die Hülse 38, wie im Fall der Zähne am unteren Ende des Zementierstopfens, Schlitze 39, die sich von ihrem unteren Ende aus und die Zähne durchlaufend nach oben erstrecken, um nach innen nachgiebige Finger zu formen, wobei an jedem dieser Finger Gewindesegmente eingearbeitet sind. Die Zähne am unteren Endes des Wischstopfens und am oberen Ende des Zementierstopfens sind ebenso denen am unteren Ende des Zementierstopfens und oberen Ende der Zementierschuhs in der Weise ähnlich, daß sie ein Semi-Sägezahngewinde mit nach unten und innen zugespitzten Seiten für die bereits beschriebenen Zwecke besitzen. Wie es bereits beim Zementierstopfen und dem Zementierschuh der Fall war, ist am unteren Ende des Wischstopfens ein nach unten weisender Absatz zum Eingriff in einen nach oben weisenden Absatz am oberen Ende des Zementierstopfens angebracht, um den Eingriff des Wischstopfens zu begrenzen und eine Dichtung zwischen den Stopfen zu bilden.

Vorzugsweise besitzen die ineinandergreifenden Zähne am unteren Ende des Wischstopfens und oberen Ende des Zementierstopfens sowie am unteren Ende des Zementierstopfens und oberen Ende des Zementierschuhs den gleichen Durchmesser und die gleiche Gestalt, so daß im Falle, daß der Zementier- oder Vorstopfen während des Zementiervorganges nicht benutzt wird, der Wischstopfen direkt in den Zementierschuh eingreifen kann. Dies reduziert natürlich den Lagerbestand, den sich ein Betreiber halten müßte.

Die Arbeitsweise, bei der man sich des oben beschriebenen Zementierschuhs sowie der Zementier- und Wischstopfen als auch des in das Futterrohr wie gezeigt installierten Zementierschuhs bedient, beginnt damit, daß der Zementierstopfen 20 durch das Futterrohr auf das obere Ende des Zementierschuhs abgesenkt wird. Wie bereits beschrieben, wird der Zementierstopfen innerhalb des Futterrohres mit Hilfe einer über ihm befindlichen Zementsäule abgesenkt. Während dieses Vorganges wird natürlich durch die nach unten gerichtete Bewegung des Zementierstopfens Bohrschlamm in dem Futterrohr nach unten durch das Rückschlagabsperrorgan und somit in das Bohrloch unterhalb des Futterrohres und nach oben in den Ringraum befördert, aus dem er am Kopf des Bohrloches entfernt werden kann. Im einzelnen ist der Wischstopfen in dem Futterrohr oberhalb der Zementsäule im Futterrohr installiert, um es zu ermöglichen, daß er durch den Druck der Spülflüssigkeit über ihm nach unten bewegt wird. Wenn dieser Druck gesteigert wird, wird die Membran 25 zerrissen, um es dem Zement in der Säule zu erlauben, durch das Rückschlagabsperrorgan in dem Zementierschuh und nach oben in den Ringraum zwischen dem Futterrohr und dem Bohrloch zu zirkulieren. Ist die Zementsäule derart umgewälzt worden, so landet das untere Ende des Wischstopfens auf dem oberen Ende des Zementierstopfens, worauf folgend zu einem späteren Zeitpunkt ein Bohrgestänge mit einer Bohrschneide an seinem unteren Ende in das Futterrohr abgesenkt wird, um in das obere Ende des Wischstopfens einzugreifen. Wie aus dem Stand der Technik wohlbekannt, sind die Zementsäule und der innere Körper des Zementierschuhs sowie die Körper der Zementier- und Wischstopfen aus einem ausbohrbaren Werkstoff gefertigt, so daß somit eine Drehung des Bohrgestänges es der Bohrschneide ermöglicht, sie auszubohren und dadurch eine vollständige Öffnung durch des Futterrohr zu schaffen. Wie ebenso in der Technik wohlbekannt, wird diese Drehung der Bohrschneide gegenüber dem oberen Ende des Wischstopfens verursachen, daß sich der Wischstopfen anfänglich zunächst mit der Bohrschneide mitdreht, was seinerseits dazu führt, daß die Gewindegänge an seinem unteren Ende in die Gewindegänge an dem oberen Ende des Zementierstopfens eingreifen und weiterhin die Gewindegänge am unteren Ende des Zementierstopfens in die Gewindegänge am oberen Ende des Zementierschuhs eingreifen. Somit werden die Zementsäule sowie die ausbohrbaren Werkstoffe des Zementierschuhs und der Stopfen entfernt, sobald sich die Stopfen untereinander in Eingriff befinden und der Zementierstopfen mit dem Zementierschuh zusammengesetzt ist, um eine Drehung zwischen ihnen zu verhindern.

Claims (8)

1. Gerät für den Gebrauch beim Zementieren eines Futterrohres innerhalb eines Bohrloches, gekennzeichnet durch

• - einen Zementierschuh (11), der einen als Teil des Futterrohres (10) anschließbaren äußeren Körper (12) und einen inneren Körper (13) mit einer Bohrung (15) durch diesen sowie ein Absperrorgan (16) in der Bohrung (15) umfaßt, um einen Durchfluß nach unten zu ermöglichen und einen Durchfluß nach oben durch diese Bohrung (15) zu verhindern, und
• - einen Stopfen, der einen Körper (21) mit an sich befindlichen Flügeln (23) umfaßt, die nachgiebig an das Futterrohr (10) angreifen können, um es dem Stopfen zu ermöglichen nach unten auf den Zementierschuh (11) gepumpt zu werden, wobei
• - das obere Ende der Bohrung (15) des Zementierschuhs (11) Gewindegänge (27) und das untere Ende eines Stopfens Gewindegänge (26) besitzen, die begrenzt in die Gewindegänge (27) des Zementierschuhs (11) in Abhängigkeit von der Drehung des Stopfens eingreifen, wenn er nach unten auf den Zementierschuh (11) gepumpt wurde.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Stopfenkörpers eine Hülse (28) umfaßt, die eng anliegend in das untere Ende der Bohrung (15) durch den Zementierschuh (11) paßt und Schlitze (29) besitzt, die sich nach oben durch die Gewindegänge (26) erstrecken, um nachgiebige Finger (30) mit Gewindesegmenten, die in die Gewindegänge (27) in der Bohrung (15) des Zementierschuhs (11) einschnappen, wenn die genannte Hülse (28) nach unten in die genannte Bohrung (15) gedrückt wird, zu formen.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen ein Zementierstopfen (20) mit einer zerbrechlichen Membran (25) über einer Bohrung (24) durch seinen Körper (21) ist und das obere Ende der Bohrung (24) des Zementierstopfens (20) Gewindegänge (37) zum begrenzten Eingriff in diejenigen Gewindegänge (36) am unteren Ende eines Wischstopfens (33) besitzt, wobei die Gewindegänge (36) auf den Zementierstopfen (20) abgesenkt werden können.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (21) des Stopfens einen an seinem Umfang angeordneten Absatz besitzt, der in einen am Umfang angeordneten Sitz an dem Zementierschuh (11) eingreift, um den Eingriff ihrer Gewindegänge zu begrenzen und eine außerhalb der Gewindegänge angeordnete Dichtung zwischen ihnen zu bilden.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Wischstopfen (33) einen Körper (34) mit daran befindlichen Flügeln (35) beinhaltet, die nachgiebig an das Futterrohr (10) angreifen können, um es dem Stopfen zu ermöglichen, nach unten auf den Zementierstopfen (20) gepumpt zu werden,
• - das untere Ende des Körpers (34) des Wischstopfens (33) an sich befindliche Gewindegänge (36) für den begrenzten Eingriff in die Gewindegänge (37) an dem Zementierstopfen (20) in Abhängigkeit einer Drehung des Wischstopfens (33) in einer Richtung besitzt.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des Körpers (34) des Wischstopfens (33) eine Hülse (38) umfaßt, die eng anliegend in das obere Ende der Bohrung (24) des Zementierstopfens (20) paßt und Schlitze (39) besitzt, die sich nach oben durch die Gewindegänge (36) erstecken, um nachgiebige Finger mit Gewindesegmenten zu formen, die in die Gewindegänge (37) in der Bohrung (24) des Zementierstopfens (20) einschnappen, wenn die genannte Hülse (38) nach unten in die genannte Bohrung (24) gedrückt wird.

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (34) des Wischstopfens (33) einen am Umfang angeordneten Absatz besitzt, der in einen am Umfang angeordneten Sitz am inneren Körper (21) des Zementierstopfens (20) eingreift, um den Eingriff ihrer Gewindegänge zu begrenzen und eine außerhalb der Gewindegänge befindliche Dichtung zwischen ihnen zu formen.

8. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Körper (13) des Zementierschuhs (11) und die Körper (21 bzw. 34) des Zementier- (20) bzw. Wischstopfens (33) aus ausbohrbarem Werkstoff bestehen.