DE4428209A1 - Hochdruckpacker für ein Fall-Rückschlagventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Packer zum Verschließen eines Bohrgestänges, mit dem die Kontrolle des Bohrlochs nach einem Überdruckzustand wiederhergestellt werden kann, und insbesondere Packer, die in einem in ein Bohrgestänge eingesetzten Fall-Rückschlagventil Verwendung finden.

Die in einem gerade abgeteuften Gas- oder Öl-Bohrloch um­ laufenden Flüssigkeiten zeigen an, ob ein Gasstau vor­ liegt, der einen Gefahrenzustand erzeugen kann, sofern nicht Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden. Kehrt bspw. in­ nerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne mehr Flüssigkeit zum Bohrlochmund zurück, als umläuft, kann dies ein Zeichen für einen Gasstau im Bohrloch sein. In diesem Fall ist es erwünscht, die Bohrlochflüssigkeit gegen eine schwerere auszutauschen, um den Druckanstieg aufzuhalten und so die Kontrolle des Bohrlochs rückzugewinnen.

Der Übergang von der üblichen zu einer schweren Flüssig­ keit ist nicht augenblicklich möglich. Wird die Flüssig­ keit aber nicht rasch ausgetauscht, besteht keine Sicher­ heit, daß die schwere Flüssigkeit schnell genug wirkt, um die Kontrolle über das Bohrloch wiederherzustellen. Es ist also wünschenswert, den Umlauf der Flüssigkeit sowie den Bohrlochdruck zu sperren, während der sichere Bohrlochzu­ stand wieder hergestellt wird. Die Vorrichtung, die man im Bohrgestänge hierzu einsetzt, ist ein Fall-Rückschlagven­ til. Je tiefer das Bohrloch, desto besser und sicherer muß dieses Fall-Rückschlagventil arbeiten.

Um den Einsatz eines Fall-Rückschlagventils zu gestatten, wird zusammen mit oder anstelle eines üblichen Bohrrohr­ übergangs ein Landeübergang an einer vom Grund des Bohr­ lochs nicht zu weit entfernten Stelle verwendet. Ein sol­ cher Landeübergang hat eine mittige Bohrung oder Öffnung mit etwa dem gleichen Innendurchmesser wie die anderen Rohrübergänge im Bohrgestänge. Die Öffnung enthält jedoch eine geeignete Landeschulter, die ein frei herabfallendes Rückschlagventil abfangen kann. Diese Einheit sperrt das Bohrloch, wenn der oben beschriebene Zustand eintritt, oder zu einem anderen günstigen Zeitpunkt, d. h. hoffent­ lich noch während des Druckanstiegs, aber vor dem Aus­ bruch.

Den rohrförmigen Zentralkörper der Einheit umgibt auf die­ ser eine teleskopartige Greifeinrichtung mit seitlich aus­ wärts vorgespannten Fingern. Diese Finger greifen in eine Sperrausnehmung unter einer internen, abwärts gewandten Schulter in der Bohrung des Landeeinsatzes (bzw. lösen sich aus ihr), so daß der Druck im unteren Bohrlochteil die Einheit nicht über eine bestimmte Stelle hinaus auf­ wärtsdrücken kann. Das Fall-Rückschlagventil wird mittels eines an den Kelly angeschlossenen Druckschlauchs gegen den Bohrlochdruck in die Sollage gedrückt; es selbst ist nicht gehaltert und kann frei fallen.

Am unteren Ende des Fall-Rückschlagventils befindet sich ein Kugelventil mit drei Hauptteilen, nämlich ein Oberge­ häuse mit einem Ventilsitz im unteren Ende, einer aufwärts vorgespannten Kugel, die bei unterhalb der Einheit im Bohrloch herrschendem hohem Druck auf den Ventilsitz auf­ sitzt, und dem Kugelkäfig, der die Vorspannfeder und die Kugel hält. Wird die Kugel aufwärtsgedrückt, läuft das Kugelgehäuse nach oben und drückt den Hauptkörper des Fall-Rückschlagventils nach oben und damit eine schräge Oberfläche am Körper an gleichgestaltete schräge Innen­ flächen an den Fingern der Greifeinheit. Wie erinnerlich, sind diese Greiffinger gegen eine Aufwärtsbewegung fest­ gelegt.

Das untere Ende des Körpers umgibt das Gehäuse der Kugel­ ventilanordnung; sein Querschnitt hängt von dem Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Bohrung der Landeeinheit ab. Unmittelbar unter dem Körper befindet sich im Ringraum ein Packer und unmittelbar unter diesem das obere Ende des Kugelkäfigs, der das untere Ende des Kugelventilgehäuses umgreift. Bei einem Aufwärtsdruck auf den Kugelkäfig ent­ steht auch Druck auf den Packer. Der auf dem Packer la­ stende axiale Aufwärtsdruck bewirkt, daß dieser radial bzw. seitlich gegen die Gehäuseinnenwand und auswärts ge­ gen die Landeeinheit expandiert und damit den Ringraum effektiv sperrt.

Die Packeranordnung in einem Fall-Rückschlagventil der aus dem Stand der Technik bekannten Art weist einen weichen Elastomerring auf, der unter einem harten Elstomerring an diesem anliegt. Auf der Oberseite des harten Elastomer­ rings dieser Packeranordnung befindet sich in der Mitte eine abgeflachte Spitze und beiderseits dieser schräg ab­ fallende Seitenflächen, die sich an Ringteile im unteren Ende des Hauptkörpers anlegen sollen; von diesen wird min­ destens eine ebenfalls geringfügig auswärts auf die Innen­ fläche der Bohrung gedrückt, wenn der expandierte harte Elastomerring sie beaufschlagt. Die Elastomerringe sind also gegen eine Längsverschiebung festgelegt und werden seitlich nach außen gedrückt, um den Druck im Ringraum zwischen dem Gehäuse des Rückschlagventils und der Lande­ einheit zu halten. Sperrt die Kugel des Rückschlagventils die mittige Bohrung, ist also der gesamte Bohrstrang ab­ gesperrt.

Obgleich die soeben beschriebene Packeranordnung sich bei Drücken unter ca. 690 bar (10 000 psi) und Temmperaturen bis zu 120°C (250°F) als zufriedenstellend erwiesen haben, können bei höheren Drücken und Temperaturen die Elastomerwerkstoffe versagen. Sie werden unter hohem Druck und hoher Temperatur weich und neigen zum Fließen. Dies erfolgt ggf. relativ zum Spalts gegenüber der flachen Spitze des harten Elastomerrings. Auch können die Ringe in den Spalt entlang der Bohrungsinnenwand nahe dem bewegli­ chen Stück über dem harten Elastomerring und in den unter dem weichen Elastomerring entlang der Bohrungsinnenwand und dem oberen Ende des Kugelkäfigs ausgepreßt werden.

Es ist daher eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung, daß sie einen verbesserten Packer und insbesondere eine verbesserte Packeranordnung in einem Fall-Rückschlagventil schafft, die einen Metallring über und/oder unter den Ela­ stomerringen des Packers aufweist, um die Möglichkeit des Ausfließens der Elastomere in Spalte zu minimieren.

Die vorliegende Erfindung schafft folglich eine Fall-Rück­ schlagventilanordnung zum Verschließen eines Bohrgestänges zwecks Beherrschung von hohen Drücken im Bohrloch. Diese Anordnung weist eine Landeeinheit mit einer Zentralbohrung als Übergang in einem Bohrgestänge, welche Landeeinheit eine untere Schulter und eine aufwärts gewandte Sperr­ schulter enthält, eine Rückschlagventil-Einheit mit einem Körper mit einer Zentralbohrung, welche Einheit von der unteren Schulter der Landeeinheit gegen eine Abwärtsbewe­ gung und von der Sperrschulter der Landeeinheit gegen eine Aufwärtsbewegung festgelegt ist und weiterhin ein Kugel­ ventilgehäuse mit einem Kugelsitz am unteren Ende, eine Kugel zur Anlage an den Kugelsitz, wenn der Druck unter der Anordnung höher als der über ihr ist, sowie einen Ku­ gelkäfig aufweist, der das untere Ende des Gehäuses umgibt und mit ihm teleskopartig ausgebildet ist, und eine kom­ primierbare Packeranordnung auf, die um das Kugelven­ tilgehäuse herum angeordnet ist und mit einer oberen Flä­ che mit dem unteren Ende des Körpers der Rückschlagventil­ anordnung und mit einer unteren Fläche mit dem oberen Ende des Kugelkäfigs in Berührung steht, wobei die komprimier­ bare Packeranordnung einen weichen Elastomerring und an­ grenzend an diesen einen harten Elstomerring aufweist, und ist gekennzeichnet durch einen über dem harten Elasto­ merring angeordneten oberen mehrteiligen Auspreßschutz­ ring, der durch die Bewegung des harten Elastomerrings seitlich ausgelenkt wird, wenn der Druck unter dem Fall- Rückschlagventil höher als der über dem Fall-Rückschlag­ ventil ist, um die Spalte im Ringraum zwischen dem Kugel­ ventilgehäuse und der Innenfläche der Landeeinheit zu ver­ schließen und so ein Auspressen des Elastomerwerkstoffs unter hohem Druck unterhalb des Fall-Rückschlagventils zu verhindern, sowie durch einen expandierbaren unteren Auspreßschutz-Metallring, um das Auspressen des Elastomer­ werkstoffs am unteren Ende der Packeranordnung zu minimie­ ren.

Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin eine Fall- Rückschlagventil-Anordnung zum Verschließen eines Bohrge­ stänges zwecks Beherrschung von hohen Bohrlochdrücken. Diese Anordnung weist eine Landeeinheit mit einer Zentral­ bohrung als Übergang im Bohrgestänge, welche Landeeinheit eine untere Schulter und eine aufwärts gewandte Sperr­ schulter enthält, eine Rückschlagventil-Einheit mit einem Körper mit einer Zentralbohrung, welche Einheit von der unteren Schulter der Landeeinheit gegen eine Abwärtsbe­ wegung und von der Sperrschulter der Landeeinheit gegen eine Aufwärtsbewegung festgelegt ist und weiterhin ein Kugelventilgehäuse mit einem Kugelsitz am unteren Ende, eine Kugel zur Anlage an den Kugelsitz, wenn der Druck un­ ter der Anordnung höher als der über ihr ist sowie einen Kugelkäfig aufweist, der das untere Ende des Gehäuses um­ gibt und mit ihm teleskopartig ausgebildet ist, und eine komprimierbare Packeranordnung auf, die um das Kugelven­ tilgehäuse herum angeordnet ist und mit einer oberen Flä­ che mit dem unteren Ende des Körpers der Rückschlagventil­ anordnung und mit einer unteren Fläche mit dem oberen Ende des Kugelkäfigs in Berührung steht, wobei die komprimier­ bare Packeranordnung einen weichen Elastomerringteil und angrenzend an diesen einen harten Elastomerringteil auf­ weist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Packeran­ ordnung einen oberen und einen unteren harten Elastomer­ ringteil, zwischen denen der weiche Elastomerringteil sich befindet, einen seitlich expandierbaren oberen Metallring zum Umgreifen des oberen harten Elastomerringteils gegen ein Auspressen unter Druck sowie einen seitlich expandier­ baren unteren Metallring zum Umgreifen des unteren harten Elastomerringteils gegen ein Auspressen unter Druck auf­ weist, und daß der Kugelkäfig sich bei einem Druck unter­ halb der Rückschlagventilanordnung, der höher ist als der über ihr, aufwärtsbewegt, dabei den oberen auf den unteren Metallring hinzu zusammendrückt, um die Metallringe gleichzeitig seitlich auslenkend zu expandieren und so die Spalte im Ringraum zwischen dem Kugelventilgehäuse und der Landeeinheit unter Druck zu verschließen, um ein Auspres­ sen des weichen und der harten Elastomerringe unter hoher Temperatur und hohem Druck zu verhindern.

Es ist eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfin­ dung, einen wie oben verbesserten Packer zu schaffen, der expandierbare überlappende Metallteile aufweist, die den oberen Elastomerring kappenartig umfassen und einen resul­ tierenden Metall/Metall-Abschluß bilden, der ein Auspres­ sen des Elastomerwerkstoffs auch bei Drücken bis 1034 bar (15,000 psi) und Temperaturen bis 204°C (400°F) verhin­ dert.

Nach einer weiteren Besonderheit der vorliegenden Erfin­ dung schafft diese einen wie oben verbesserten Packer mit einem unteren Metallring, der das Ausmaß des Auspressen in Richtung zum hohen Druck unterhalb der Rückschlagventilan­ ordnung hin im Ringraum zwischen dem unteren Teil dersel­ ben und der Bohrung einer in das Bohrgestänge eingesetzten Landeeinheit begrenzt.

Es ist eine weitere Besonderheit der vorliegenden Erfin­ dung, einen wie oben verbesserten Packer mit expandierba­ ren überlappenden Metallkomponenten anzugeben, die den un­ teren Elastomerring der Packeranordnung ähnlich dem oberen Elastomerring kappenartig umgreifen.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des Bohrgestänges mit einer Landeeinheit und einer Fall-Rückschlagventil-Anordnung zur Aufnahme eines erfindungsgemäßen Hochdruckpackers;

Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt des bekannten Packers für das in Fig. 1 gezeigte Fall-Rück­ schlagventil;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Packers in der in Fig. 1 gezeigten Fall-Rück­ schlagventil-Anordnung;

Fig. 4 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Packers in der in Fig. 1 gezeigten Fall-Rück­ schlagventil-Anordnung;

Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch einen Teil des Bohr­ gestänges mit einer alternativen Landeeinheit sowie einem alternativen Fall-Rückschlagventil zur Aufnahme einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochdruck-Packers; und

Fig. 6 ist eine vergrößerte Darstellung einer dritten Ausführungsform des in Fig. 5 gezeigten Packers.

Die Fig. 1 zeigt als Vertikalschnitt einen Teil 10 eines Bohrgestänges mit einer Landeeinheit 12 und einer Fall- Rückschlagventil-Anordnung 14. Beim Zusammenfügen des Ge­ stänges während des Bohrens wird in dieses ein die Lande­ einheit enthaltender Übergang 10 so eingefügt, daß diese nicht zu weit vom Meißel entfernt ist. Das Bohrgestänge wird auf diese Weise zusammengesetzt, damit ggf. die Bohr­ lochströmung an der Landeeinheit gesperrt werden kann. Ein typischer Fall für diese Notwendigkeit ist bei der Diskus­ sion des Standes der Technik erwähnt.

Bei wie gezeigt im Bohrgestänge eingesetzter Landeeinheit 12 wird die Fall-Rückschlagventil-Anordnung 14 mit Druck aus einem an den Kelly (nicht gezeigt) angeschlossenen Schlauch in die in Fig. 1 gezeigte Sollage gedrückt. Der angelegte Druck muß ausreichen, um den unter der Lande­ einheit herrschenden Bohrlochdruck zu überwinden. Der Kör­ per 15 der Fall-Rückschlagventil-Anordnung enthält eine großdurchmeßrige Schulter 16, die schließlich auf einer einwärts vorspringenden Landeschulter 18 in der Bohrung der Landeeinheit aufsitzt.

Von einer Greifeinheit 22 herabhängende Greiffinger 20 sind derart radial auswärts vorgespannt, daß, wenn die Enden letzterer sich unter einer aufwärts gewandten Sperr­ schulter 24 in der zentralen Bohrung der Landeeinheit be­ finden, sie unter diese Schulter 24 greifen, so daß die Greifeinheit 22 in einer Höhe arretiert wird, über die hinaus sie nicht ansteigen kann, sofern man sie nicht mit einem Fangwerkzeug löst.

Die Bohrung des Körpers 15 enthält ein Ventilsitzgehäuse 26 mit einem Ventilsitz 28 an seinem unteren Ende zur Auf­ nahme einer aufwärts beaufschlagten Kugel 30. Eine Feder im Ventilkäfig 32 liefert die aufwärtsgerichtete Vorspann­ kraft für die Kugel 28, wobei der Käfig 32 mit seinem obe­ ren Ende das untere Ende des Gehäuses 26 umgreift. Es ist also zu ersehen, daß das untere Ende des Körpers 15 und das obere Ende des Käfigs 32 sich beide im Ringraum zwi­ schen dem Ventilsitzgehäuse und der Innenfläche der Lande­ einheit befinden. Zwischen diesen befindet sich die Packer­ anordnung. Einzelheiten der drei alternativen Ausfüh­ rungsformen derselben sind in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt.

Beim Flüssigkeitsumlauf im Bohrloch strömt Flüssigkeit oben in die mittige Bohrung im Fall-Rückschlagventil ein und durch die seitlichen Öffnungen 34, 36 und 38 im Körper und Ventilsitzgehäuse, die sich über der Packeranordnung befinden, und durch das seitliche Langloch 40 im Kugel­ käfig 32. Der Umlauf durch das Rückschlagventil ist so lange möglich, wie die Kugel 30 nicht im Ventilsitz 28 sitzt, bzw. wenn der Druck im Bohrgestänge über dem Rück­ schlagventil höher ist als der unter diesem und der auf der Kugel 30 lastende Vorspannfederdruck. Letzterer ist im Verhältnis zum Druck unter dem Rückschlagventil niedrig, so daß allgemein das Ventil erst schließt, wenn der Druck unter dem Ventil den über ihm übersteigt. In diesem Fall befindet die Kugel 30 sich in der in der Fig. 1 gezeigten Lage.

Übersteigt der Druck unter dem Rückschlagventil den über ihm um einen vorbestimmten Wert, sitzt die Kugel 30 auf, wie gezeigt, und sperrt damit die Öffnung 40. Bei weiterem Aufwärtsdruck auf der Kugel 30 schiebt diese das Ventil­ sitzgehäuse 26 nach oben, das dabei den Körper 12 aufwärts mitnimmt. Die geschrägten Schultern 42 am Körper 12 legen sich schließlich an die geschrägten Schultern 44 auf der Innenseite der Greiffinger 20 an, so daß der Körper 12 in der Sollage sicher arretiert wird. Sobald der Körper 12 gegen eine weitere Aufwärtsbewegung fixiert ist, läuft das Ventilsitzgehäuse bezüglich des Körpers 12 geringfügig nach oben und übt damit einen Längsdruck auf die das Ven­ tilsitzgehäuse umgebende Packeranordnung zwischen dem Kör­ per 12 und dem Käfig 32 im Ringraum zwischen dem Gehäuse und der Bohrung der Landeeinheit aus.

Die Fig. 2 zeigt nun eine Packeranordnung nach dem Stand der Technik. Ein weicher Elastomerring 46 befindet sich an diesem anliegend unter dem harten Elastomerring 48. Typi­ scherweise hat der weiche Elastomerwerkstoff eine Durome­ ter-Härte von 65, der harte eine solche von 80 bis 85. Ein innerer Auspreßschutz-Metallring 50 befindet sich am unte­ ren Ende des Körpers 15 und hat schräge Flächen bezüglich sowohl des Körpers 15 und der schrägen obersten Fläche des Elastomerrings 48. Am Gehäuse 26 hat der Ring 50 eine ver­ tikale Fläche. Der äußere Fließschutzring 52 hat analoge schräge Flächen bezüglich des Körpers 15 und des Elasto­ merrings 48. Seine vertikale Fläche ist mit der Innenflä­ che der Landeeinheit 1 ausgerichtet. Bei vertikalem bzw. aufwärts gerichtetem Längsdruck expandieren die Elastomer­ werkstoffe rasch nach außen und bewirken, daß die Auspreß­ schutzringe nach innen und außen dicht abschließen. Dieser Abschluß hat sich als ausreichend erwiesen, wenn der Druck und die Temperatur nicht höher als 690 bar (10,000 psi) bzw. 120°C (250°C) sind. Über dieser Druckgrenze (und insbesondere auch bei über der angegebenen Grenze liegen­ der Temperatur) ist das Elastomer jedoch plastisch oder weich genug, daß das abgeflachte obere Ende des Rings 48 aufwärts in den Spalt zwischen den Ringen 50, 52 und der weiche Elastomerring 46 (auch gegen den vorherrschenden Flüssigkeitsdruck) abwärts in den Spalt zwischen dem Käfig 32 und der Landeeinheit 12 fließen.

Die Fig. 3 und 4 zeigen nun zwei alternative Ausführungs­ formen der Packeranordnung, die beide in der in der Fig. 1 gezeigten Fall-Rückschlagventil-Anordnung eingesetzt wer­ den können. Die Fig. 3 zeigt das untere Ende des Körpers 15 mit einem inneren Auspreßschutzring 50 und einem äußeren Auspreßschutzring 52, desgl. das obere Ende des Käfigs 32. Der Unterschied liegt in einem zusätzlichen Bauteil, näm­ lich dem Metallring 54 mit seitlich geschrägtem und oben abgeflachtem Querschnitt, dessen schräge Seitenfläche an denen der Ringe 50, 52 angrenzen. Gemeinsam mit den Me­ tallringen 50, 52 ergibt der Metallring 54 eine überlap­ pende Anordnung über dem harten Elastomerring 48a, die ein aufwärts gerichtetes Auspressen an diesen vorbei verhin­ dert.

An der unteren äußeren Kante des weichen Elastomerrings 46 ist die vertikale Fläche des Kugelgehäuses 26 einwärts ge­ schrägt ausgeführt, um die Abmessungen des unteren Endes des Rings 46 zu verringern. Auf die untere Außenkante des Rings 46 ist eine Schraubenfeder 56 aufgesetzt; diese Fe­ der umgreift mindestens 360°C, vorzugsweise in der Größen­ ordnung von 400°, so daß, wenn der Elastomerring sich seitlich auswärts aufweitet und die Feder etwas streckt, deren Enden noch überlappen. Die Schraubenfeder verzögert das abwärts gerichtete Auspressen gegen die aufwärts ge­ richteten hohen Drücke, die den weichen Elastomerring 46 von unten beaufschlagen.

Die Ausführungsform in der Fig. 4 ist mit der in Fig. 3 identisch, wobei jedoch anstelle der Schraubenfeder 56 der Fig. 3 ein Dehnungsband bzw. -ring 58 vorliegt, d. h. ein einzelnes Metallband, das sich etwas streckt. Das Band 58 behindert jedoch ein Auspressen des Elastomerwerkstoffs auf im wesentlichen die gleiche Weise wie die Feder 56.

Die Fig. 5 und 6 zeigen nun eine bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung. Die Teile der Landeeinheit 12 in der Fig. 5 sind im wesentlichen identisch mit denen der Fig. 1. Die meisten Teile der Fall-Rückschlagventil-Anordnung 14a sind identisch mit denen der Anordnung 14; einige we­ sentliche Unterschiede sind jedoch im folgenden beschrie­ ben. Wie ersichtlich, ist die Unterseite des Körpers 15a allgemein flach und nur an den Seiten leicht angefast; es fehlen dort die Metallringe 50, 52 mit schrägen Flächen. Entsprechend ist auch die vertikale Fläche des Gehäuses 26a am weichen Elastomerring 46a nicht geschrägt und damit auch dessen unteres Ende nicht in der Abmessung reduziert. Das obere Ende des Käfigs 32a ist etwa anders ausgeführt als beim Käfig 32; es wird aber darauf verwiesen, daß das Ende des Käfigs 32a nicht waagerecht über den Ringraum verläuft.

Die Hauptunterschiede zwischen den Ausführungsformen der Fig. 3, 4 und denen der Fig. 5, 6 liegen in der Ausgestal­ tung der Packeranordnung, obgleich die Elastomerwerkstoffe der Packeranordnung nach Fig. 5, 6 mit denen der Fig. 3, 4 im wesentlichen identisch sind. In der Fig. 6 befindet sich ein weicher Elastomerring 46a in der Mitte der Anord­ nung und ist oben vom harten Elastomerring 60 und unten von harten Elastomerring 62 begrenzt. Der Ring 60 seiner­ seits ist oben kappenartig mit einem 3teiligen Metallring eingefaßt, der aus einem umgekehrt L-förmigen Innenring 64, einem umgekehrt L-förmigen Außenring 66 und einem um­ gekehrt T-förmigen Ring 68 besteht. Die beiden L-förmigen Ringe sind einander so zugewandt, daß beide jeweils mit einem vertikalen Schenkel außen am Ring 60 zwischen dem harten Elastomerring und den angrenzenden Ringraumwänden anliegen. Die dazugehörigen waagerechten Schenkel fluchten wasaerecht und belassen zwischen sich einen Spalt zur Auf­ nahme des aufwärts vorstehenden Schafts des T-förmigen Rings 68. Die Oberseite des Rings 68 verläuft horizontal und überlappt die horizontalen Schenkel der Ringe 64 und 66. Die Schafthöhe des Rings 68 ist geringfügig kleiner als die Schenkel der Ringe 64 und 66 dick sind.

Expandiert also der harte Elastomerring radial und nimmt dabei die Ringe 64, 66 mit, die sich auseinander bewegen, bleibt der Metall/Metall-Kontakt quer über die Metallring­ oberseite der Ringe 64, 66 und 68 erhalten. Dieser Ab­ schluß verhindert effektiv ein aufwärts gerichtetes Aus­ pressen des Elastomerwerkstoffs durch den Mittelspalt oder an den Seiten, wo ein erheblicher Metall/Metall-Kontakt zwischen dem Ring 64 und der Oberfläche des Gehäuses 26a und zwischen dem Ring 68 und der Fläche der Landeeinheit 12 vorliegt.

Entsprechend ist der untere harte Elastomerring 62 kappen­ artig von einer 3teiligen Metallringanordnung mit einem L-förmigen Innenring 70, einem L-förmigen Außenring und einem T-förmigen Mittelring 74 eingefaßt. Die Arbeitsweise der unteren Kappe ist hinsichtlich des Verhinderns eines Auspressens des Elastomerrings 62 im wesentlichen iden­ tisch mit der der oberen Kappe hinsichtlich des oberen Elastomerrings 60, wie sie oben beschrieben ist. Im Fall der unteren Kappe liegt jedoch zwischen der Oberseite des Käfigs 32a und den Metallringen 70, 72 und 74 ein angren­ zender Metallring 76 mit flacher oberster Fläche, um einen konstanten Aufwärtsdruck über den Ringraum aufrecht zu er­ halten. Die soeben beschriebene Konstruktion ist für hohe Drücke bis zu 1034 bar (15,000 psi) erfolgreich getestet worden; sie arbeitet auch bis hinauf zu 232°C (450°F) zufriedenstellend.

Claims (15)

1. Fall-Rückschlagventilanordnung zum Verschließen eines Bohrgestänges zwecks Beherrschung von hohen Drücken im Bohrloch mit einer Landeeinheit mit einer Zentralbohrung als Übergang in einem Bohrgestänge, welche Landeeinheit eine untere Schulter und eine aufwärts gewandte Sperr­ schulter enthält, einer Rückschlagventil-Einheit mit einem Körper mit einer Zentralbohrung, welche Einheit von der unteren Schulter der Landeeinheit gegen eine Abwärtsbewe­ gung und von der Sperrschulter der Landeeinheit gegen eine Aufwärtsbewegung festgelegt ist und weiterhin ein Kugel­ ventilgehäuse mit einem Kugelsitz am unteren Ende, eine Kugel zur Anlage an den Kugelsitz, wenn der Druck unter der Anordnung höher als der über ihr ist, sowie einen Ku­ gelkäfig aufweist, der das untere Ende des Gehäuses umgibt und mit ihm teleskopartig ausgebildet ist, und einer kom­ primierbaren Packeranordnung, die um das Kugelventilgehäu­ se herum angeordnet ist und mit einer oberen Fläche mit dem unteren Ende des Körpers der Rückschlagventilanordnung und mit einer unteren Fläche mit dem oberen Ende des Ku­ gelkäfigs in Berührung steht, wobei die komprimierbare Packeranordnung einen weichen Elastomerring und angrenzend an diesen einen harten Elastomerring aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Packer­ anordnung einen über dem harten Elastomerring angeor­ dneten, oberen mehrteiligen Auspreßschutzring, der durch die Bewegung des harten Elastomerrings seitlich ausgelenkt wird, wenn der Druck unter dem Fall-Rückschlagventil höher als der über dem Fall-Rückschlagventil ist, um die Spalte im Ringraum zwischen dem Kugelventilgehäuse und der Innen­ fläche der Landeeinheit zu verschließen und so ein Aus­ pressen des Elastomerwerkstoffs infolge hohen Drucks un­ terhalb des Fall-Rückschlagventils zu verhindern, sowie einen expandierbaren unteren Auspreßschutz-Metallring auf­ weist, um das Auspressen des Elastomerwerkstoffs am unte­ ren Ende der Packeranordnung zu minimieren.

2. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der untere Auspreßschutz-Metallring eine Schraubfeder ist, die länger ist als eine einzige Windung vor dem Dehnen unter Druck.

3. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der untere Auspreßschutz-Metallring ein aufweitbares Band ist.

4. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der obere und der untere mehrteilige Auspreßschutzring jeweils einen L-förmigen Innenring mit einem vertikalen und einem hori­ zontalen Schenkel, der den Innenteil des angrenzenden Ela­ stomerrings kappenartig abdeckt, einen gegenüberliegenden L-förmigen Außenring mit einem vertikalen und einem hori­ zontalen Schenkel, die den angrenzenden Elastomerring kap­ penartig abdecken, wobei sich mittig zwischen den horizon­ talen Schenkeln der L-förmigen Ringe jeweils ein Spalt be­ findet, sowie einen T-förmigen Ring aufweist, dessen Schaft sich in dem mittigen Spalt befindet und dessen Querbalken sich in Berührung mit dem angrenzenden Elasto­ merring und in überlappender Berührung mit den jeweiligen horizontalen Schenkeln der L-förmigen Ringe befindet, so daß bei seitlicher Ausdehnung des Elastomerrings der L- förmigen Innen- sich vom Außenring trennt und dabei der Oberteil des T-förmigen Rings einen überlappenden Kontakt mit den horizontalen Schenkeln der L-förmigen Ringe auf­ rechterhält, wenn deren vertikale Schenkel gegen eine wei­ tere seitliche Bewegung festgehalten werden, so daß ein Auspressen des angrenzenden Elastomerrings durch den auf­ rechterhaltenen Metall/Metall-Kontakt der L-förmigen Ringe mit dem T-förmigen Ring verhindert ist.

5. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der obere mehrteilige Auspreßschutzring aus Metall besteht und einen umgekehrt L-förmigen Innenring mit einem vertikalen Innen­ schenkel und einem horizontalen Schenkel, die den Innen­ teil des angrenzenden harten Elastomerrings kappenartig abdecken, einen umgekehrt L-förmigen Außenring mit einem vertikalen Außenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die einen Außenteil des angrenzenden harten Elastomerrings abdecken, wobei die horizontalen Schenkel der umgekehrt L- förmigen Ringe miteinander fluchten und mittig zwischen sich einen Spalt bilden, sowie einen umgekehrt T-förmigen Ring aufweist, dessen Schaft sich im mittigen Spalt zwi­ schen den umgekehrt L-förmigen Ringen befindet und dessen Querbalken in Berührung mit dem angrenzenden Elastomerring und in überlappender Berührung mit den horizontalen Schen­ keln der umgekehrt L-förmigen Ringe stehen, und daß, wenn der Druck im Bohrloch unter der Anordnung den über ihr um einen vorbestimmten Betrag übersteigt, ein vertikaler Druck auf den harten Elastomerring wirkt, der einen seit­ lich expandierenden einwärts gerichteten Druck auf dem vertikalen Schenkel des umgekehrt L-förmigen Innenrings gegen die Ringraumwand des Kugelventilgehäuses sowie einen auswärts gerichteten Druck auf den vertikalen Schenkel des umgekehrt L-förmigen Außenrings gegen die Ringraumwand der Landeeinheit bewirkt, so daß seitliche Ringraumwanddrücke entstehen, die höher sind als der Bohrlochdruck unter der Anordnung.

6. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der als Auspreßschutz wirkende Metall/Metall-Kontakt zwischen der Oberseite des umgekehrt T-förmigen Rings und den horizon­ talen Schenkeln der umgekehrt L-förmigen Ringe bei der seitlichen Expansion des umgekehrt L-förmigen Innen- und Außenrings erhalten bleibt.

7. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der un­ tere mehrteilige Auspreßschutzring aus Metall einen L-för­ migen Innenring mit einem vertikalen Innenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die den Innenteil des angren­ zenden harten Elastomerrings kappenartig abdecken, einen gegenüberliegenden L-förmigen Außenring mit einem vertika­ len Außenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die einen Außenteil des angrenzenden harten Elastomerrings ab­ decken, wobei die horizontalen Schenkel der L-förmigen Ringe miteinander fluchten und mittig zwischen sich einen Spalt bilden, sowie einen T-förmigen Ring aufweist, dessen Schaft sich im mittigen Spalt zwischen den L-förmigen Rin­ gen befindet und der oben in Berührung mit dem unteren Elastomerring der angrenzenden Packeranordnung und in überlappender Berührung mit den horizontalen Schenkeln der L-förmigen Ringe stehen, und daß, wenn der Bohrlochdruck unter der Anordnung den über ihr um einen vorbestimmten Betrag übersteigt, ein vertikaler Druck auf den harten Elastomerring wirkt, der einen seitlich expandierenden Einwärtsdruck auf dem vertikalen Schenkel des L-förmigen Innenrings gegen die Ringraumwand des Kugelventilgehäuses sowie einen Auswärtsdruck auf den vertikalen Schenkel des L-förmigen Außenrings gegen die Ringraumwand der Landeein­ heit bewirkt, wobei seitliche Ringraumwanddrücke entste­ hen, die höher sind als der Bohrlochdruck unter der Anord­ nung.

8. Fall-Rückschlagventil-Anordnung zum Verschließen eines Bohrgestänges zwecks Beherrschung von hohen Bohr­ lochdrücken mit einer Landeeinheit mit einer Zentralboh­ rung als Übergang im Bohrgestänge, welche Landeeinheit eine untere Schulter und eine aufwärts gewandte Sperr­ schulter enthält, einer Rückschlagventil-Einheit mit einem Körper mit einer Zentralbohrung, welche Einheit von der unteren Schulter der Landeeinheit gegen eine Abwärtsbe­ wegung und von der Sperrschulter der Landeeinheit gegen eine Aufwärtsbewegung festgelegt ist und weiterhin ein Kugelventilgehäuse mit einem Kugelsitz am unteren Ende, eine Kugel zur Anlage an den Kugelsitz, wenn der Druck un­ ter der Anordnung höher als der über ihr ist, sowie einen Kugelkäfig aufweist, der das untere Ende des Gehäuses um­ gibt und mit ihm teleskopartig ausgebildet ist, einer kom­ primierbaren Packeranordnung, die um das Kugelventilgehäu­ se herum angeordnet ist und mit einer oberen Fläche mit dem unteren Ende des Körpers der Rückschlagventilanordnung und mit einer unteren Fläche mit dem oberen Ende des Ku­ gelkäfigs in Berührung steht, wobei die komprimierbare Packeranordnung einen weichen Elastomerringteil und einen anngrenzenden harten Elastomerringteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Packeranordnung einen oberen und einen unteren harten Ela­ stomerringteil, zwischen denen der weiche Elastomerring­ teil sich befindet, einen seitlich expandierbaren oberen Metallring zum Umgreifen des oberen harten Elastomerring­ teils gegen ein Auspressen unter Druck sowie einen seit­ lich expandierbaren unteren Metallring zum Umgreifen des unteren harten Elastomerringteils gegen ein Auspressen unter Druck aufweist, und daß der Kugelkäfig sich bei einem Druck unterhalb der Rückschlagventilanordnung, der höher ist als der über ihr, aufwärts bewegt, dabei den oberen auf den unteren Metallring hin zusammendrückt, um die Metallringe gleichzeitig seitlich auslenkend zu expan­ dieren und so die Spalte im Ringraum zwischen dem Kugel­ ventilgehäuse und der Landeeinheit unter Druck zu ver­ schließen, um ein Auspressen des weichen und der harten Elastomerrringe unter hoher Temperatur und hohem Druck zu verhindern.

9. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Körper der Rückschlagventil-Einheit ringförmig ist und einen äußeren Landeabsatz passend zur unteren Schulter der Lan­ deeinheit aufweist, daß die Rückschlagventil-Einheit eine Greifeinrichtung mit aufwärts federvorgespannten Greiffin­ gern um den oberen Teil des Körpers herum aufweist, die mit der Sperrschulter der Landeeinheit versperrbar sind, daß der Körper weiterhin eine aufwärts gewandte Halteflä­ che und die Greiffinger abwärts gewandte Halterflächen aufweisen und bei einem Bohrlochdruck unter der Anordnung, der höher ist als der über ihr, der Körper von der Kugel aufwärts bewegt wird, um damit die aufwärts gewandte Hal­ tefläche des Körpers in die Berührung mit der abwärts ge­ wandten Haltefläche der Greiffinger zu bewegen, so daß der Körper gegen eine weitere Aufwärtsbewegung arretiert wird.

10. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der obere und der untere Metallring jeweils einen L-förmigen Innenring mit einem vertikalen und einem horizontalen Schenkel, die einen Innenteil des angrenzenden harten Ela­ stomerrings kappenartig umfassen, einen gegenüberliegenden L-förmigen Außenring mit einem vertikalen und einem hori­ zontalen Schenkel, die einen Außenteil des angrenzenden harten Elastomerrings kappenartig umgreifen, wobei die ho­ rizontalen Schenkel der L-förmigen Ringe zwischen sich einen Spalt belassen, sowie einen T-förmigen Ring aufwei­ sen, dessen Schaft sich in dem mittigen Spalt befindet und dessen Querbalken in Berührung mit dem angrenzenden harten Elastomerring und in überlappender Berührung mit den hori­ zontalen Schenkeln der L-förmigen Ringe steht, und daß bei seitlicher Expansion des harten Elastomerrings der L-för­ mige Innen- und Außenring sich auseinanderbewegen und da­ bei der Querbalken des T-förmigen Rings einen überlappen­ den Kontakt mit den jeweiligen horizontalen Schenkeln der L-förmigen Ringe aufrechterhält, wenn die vertikalen Schenkel der L-förmigen Ringe gegen weitere seitliche Be­ wegung festgehalten werden, wobei ein Auspressen des an­ grenzenden harten Elastomerrings durch den aufrechterhal­ tenen Metall/Metall-Kontakt der L-förmigen Ringe mit dem T-förmigen Ring verhindert ist.

11. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schaft des T-förmigen Rings kürzer ist als die horizontalen Schenkel der L-förmigen Ringe dick sind.

12. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Me­ tallring mit einer horizontalen obersten Fläche zur Berüh­ rung der horizontalen Schenkel des L-förmigen Innen- und Außenrings aus Metall sowie einer horizontalen untersten Fläche zum berühren des Kugelkäfigs, um einen gleichmäßi­ gen Aufwärtsdruck auf dem unteren harten Elastomerring aufrechtzuerhalten, wenn der Kugelkäfig sich aufwärts be­ wegt.

13. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der obere mehrteilige Auspreßschutzring aus Metall ist und einen umgekehrt L-förmigen Innenring mit einem vertikalen Innenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die einen Innenteil des angrenzenden harten Elastomerrings kappen­ artig umgreifen, einen gegenüberliegenden umgekehrt L-för­ migen Außenring mit einem vertikalen Außenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die einen Außenteil des an­ grenzenden harten Elastomerrings kappenartig umgreifen, wobei die horizontalen Schenkel der umgekehrt L-förmigen Ringe miteinander fluchten und zwischen sich einen mitti­ gen Spalt belassen, sowie einen umgekehrt T-förmigen Ring aufweist, dessen Schaft sich im mittigen Spalt zwischen den umgekehrt L-förmigen Ringen befindet und dessen Quer­ balken in Berührung mit dem angrenzenden harten Elastomer­ ring und in überlappendem Metall/Metall-Kontakt mit den jeweiligen horizontalen Schenkeln der umgekehrt L-förmigen Ringe steht, und daß, wenn der Bohrlochdruck unter der An­ ordnung den über ihr um einen vorbestimmten Betrag über­ steigt, ein vertikaler Druck auf den harten Elastomerring wirkt, durch den ein seitlicher Expansions-Einwärtsdruck auf den vertikalen Schenkel des umgekehrt L-förmigen In­ nenrings gegen die Ringraumwand des Kugelventilgehäuses und ein Außendruck auf den vertikalen Schenkel des umge­ kehrt L-förmigen Außenrings gegen die Ringraumwand der Landeeinheit wirkt, so daß seitliche Ringraumwanddrücke entstehen, die höher als der Bohrlochdruck unter der An­ ordnung sind.

14. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der ein Auspressen verhindernde Metall/Metall-Kontakt zwischen dem Querbalken des umgekehrt T-förmigen Rings und den horizon­ talen Schenkeln des jeweiligen umgekehrt L-förmigen Rings bei seitlicher Expansion der umgekehrt L-förmigen Ringe aufrechterhalten bleibt.

15. Rückschlagventil-Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der un­ tere mehrteilige Fließschutzring aus Metall ist und einen L-förmigen Innenring mit einem vertikalen Innenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die einen Innenteil des angrenzenden harten Elastomerrings kappenartig umgreifen, einem gegenüberliegenden L-förmigen Außenring mit einem vertikalen Außenschenkel und einem horizontalen Schenkel, die einen Außenteil des angrenzenden harten Elastomerrings kappenartig umgreifen, wobei die horizontalen Schenkel der L-förmigen Ringe miteinander fluchten und zwischen sich einen mittigen Spalt belassen, sowie einen T-förmigen Ring aufweist, dessen Schaft sich im mittigen Spalt zwischen den L-förmigen Ringen befindet und dessen Querbalken in Berührung mit dem angrenzenden harten Elastomerring und in überlappendem Metall/Metall-Kontakt mit den jeweiligen horizontalen Schenkeln der L-förmigen Ringe steht, und daß, wenn der Bohrlochdruck unter der Anordnung den über ihr um einen vorbestimmten Betrag übersteigt, ein vertika­ ler Druck auf den unteren Elastomerring der Packeranord­ nung wirkt, durch den ein seitlicher Expansions-Einwärts­ druck auf den vertikalen Schenkel des umgekehrt L-förmigen Innenrings gegen die Ringraumwand des Kugelventilgehäuses und ein Außendruck auf den vertikalen Schenkel des L-för­ migen Außenrings gegen die Ringraumwand der Landeeinheit wirken, wobei seitliche Ringraumwanddrücke entstehen, die höher als der Bohrlochdruck unter der Anordnung sind.