DE60003425T2

DE60003425T2 - Bohrlochvorrichtung

Info

Publication number: DE60003425T2
Application number: DE60003425T
Authority: DE
Inventors: Colin Bridge of Don MCHARDY
Original assignee: Weatherford Lamb Inc
Current assignee: Weatherford Lamb Inc
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: AU2930200A; US6725937B1; EP1190156A2; DE60003425D1; WO2000053885A2; CA2365331A1; WO2000053885A3; EP1190156B1; GB9905279D0

Description

Diese Erfindung betrifft eine Untertage-Vorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung, die Ventile einschließt, wie beispielsweise eine Umlauf, Einpreß- oder Bypassvorrichtung.
Bei vielen Untertage-Vorgängen, wie beispielsweise beim Bohren von Bohrlöchern, um unterirdische kohlenwasserstoffhaltige Formationen zu erreichen, ist es oft notwendig, einen bestimmten Abschnitt des Bohrlochs zu „behandeln", zum Beispiel Fluids zuzuführen, um eine Formation zu stabilisieren. In diesen Situationen ist es nützlich, in der Lage zu sein, Fluids bestimmten Abschnitten eines Bohrlochs zuzuführen, ohne die Fluids nach unten durch die Länge eines röhrenförmigen Bohrgestänges, der sich bis zum Ende des Bohrlochs erstreckt, und danach vom Ende des Gestänges zurück nach oben durch den Ringspalt zu dem zu behandelnden Bohrlochabschnitt umlaufen lassen zu müssen. Eine solche Fluidzufuhr wird typischerweise durch das Bereitstellen einer oder mehrerer Einpreß- oder Umlauf„Untereinheiten" im Gestänge erreicht, wobei die Untereinheiten Ventile bereitstellen, die eine unmittelbare Verbindung zwischen der Gestängebohrung und dem umgebenden Ringspalt ermöglichen.
Eine Einpreß- oder Umlauf-Untereinheit wird typischerweise einen Hülsenschieber umfassen, der in Axialrichtung bewegt werden kann, um Öffnungen im Körper der Untereinheit freizulegen, was eine Fluidverbindung zwischen der Gestängebohrung und dem Ringspalt ermöglicht. Der Hülsenschieber kann druckbetätigt sein, das heißt, die Hülse kann durch einen Differenzdruck zwischen der Gestängebohrung und dem Ringspalt geöffnet werden, oder kann eine Bohrungssperre einschließen. Der zum Öffnen der Hülse notwendige Druckunterschied wird typischerweise durch die Konstante der Feder festgelegt, die verwendet wird, um die Hülse und den Hülsenbereich, über den der Differenzdruck wirkt, geschlossen zu halten.
GB-A-2309470 legt eine Umlauf-Untereinheit offen, die ein Körperelement, ein beweglich am Körper angebrachtes Hülsenelement und eine Fluidöffnung umfaßt, die durch eine Seitenwand des Körperelements verläuft. Das Hülsenelement kann bewegt werden zwischen einer geschlossenen Position, in der das Hülsenelement die Fluidöffnung verschließt, und einer offenen Position, in der ermöglicht wird, daß die Fluidöffnung mit einer Durchgangsbohrung verbunden ist. Über das Hülsenelement wird ein Druckunterschied bereitgestellt, um das Hülsenelement bei Anwendung von der geschlossenen Position zur offenen Position zu bewegen.
Wenn ein solches Ventil „gesprengt", das heißt, am Anfang geöffnet wird, wird der erhöhte Druck in der Gestängebohrung dazu tendieren, einen anfänglichen Fluidstoß durch das Ventil zu verursachen, und dieser Fluidstoß kann dazu führen, daß Dichtungen beschädigt oder ausgewaschen werden, und dazu, daß die Ventilsitzflächen erodieren. Außerdem wird der Druckunterschied abfallen, sobald das Ventil gesprengt worden ist und Fluid aus der Gestängebohrung in den Ringspalt fließt, und dies kann dazu führen, daß sich das Ventil schließt, bevor es sich wieder öffnet, wenn der Bohrungsdruck noch einmal ansteigt. Das Ventil kann folglich schnell hin- und herfahren oder „klappern", wenn der Differenzdruck mit dem Öffnen und Schließen des Ventils steigt und fällt, was zu einem beschleunigten Ventilverschleiß und der Möglichkeit eines Ermüdungsausfalls führt.
Es gehört zu den Zielen von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, diese Schwierigkeiten zu beseitigen oder zu mindern.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Untertage-Vorrichtung bereitgestellt, die folgendes umfaßt:
einen röhrenförmigen Körper zum Anbringen an einem Rohrstrang,
ein fluiddruckbetätigtes Ventilelement, beweglich im Verhältnis zum Körper,
eine normalerweise geschlossene Durchflußöffnung entweder im Körper oder im Ventilelement, wobei mit dem Ventilelement in einer ersten Position im Verhältnis zum Körper die Öffnung geschlossen ist und mit dem Ventilelement in einer zweiten Position die Öffnung offen ist, um durch dieselbe eine Fluidverbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Körpers zu ermöglichen, und
eine Klinkenanordnung zum lösbaren Halten des Ventilelements in der ersten Position, wobei die Klinkenanordnung beim Ausüben eines vorher festgelegten Sprengdrucks auf das Ventilelement gelöst werden kann, um zu ermöglichen, daß sich das ausgeklinkte Ventilelement als Reaktion auf einen Ventilöffnungsdruck in die zweite Position bewegt, der niedriger ist als der Sprengdruck, und die Klinkenanordnung bei der Rückkehr des Ventilelements zur ersten Position rückstellbar ist.
Die Erfindung kann als eine Umlauf- oder Einpreß-Untereinheit verwendet werden, und die Klinkenanordnung kann ausgewählt werden, um sich bei einer vorher festgelegten Fluiddruckkraft zu lösen, typischerweise einem Druckunterschied zwischen dem Gestängebohrungsdruck und dem Ringspaltdruck, weit über dem Druckunterschied, der bei normalen Vorgängen auftreten würde, um so ein zufälliges oder unbeabsichtigtes Öffnen zu verhindern, unter bestimmten Bohrlochbedingungen können Situationen, wie beispielsweise ein Abfall des Ringspaltdrucks, zu einem unbeabsichtigten Öffnen einer herkömmlichen Vorrichtung führen. Außerdem wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Abfall des Differenzdrucks, der beim Öffnen der Öffnung leicht erlebt wird, nicht dazu führen, daß das Ventilelement die Durchflußöffnung wieder schließt.
Vorzugsweise ist die Klinke dafür geeignet, zurückgestellt werden zu können, wenn der auf das Ventilelement ausgeübte Druck unter einen vorher festgelegten Rückstelldruck fällt. Am bevorzugtesten wird der Rückstelldruck so gewählt, daß er niedriger ist als der Ventilöffnungsdruck so daß das Ventilelement zur ersten Position zurückkehren kann, das heißt, das Ventil wieder geschlossen werden kann, ohne die Klinke zurückzustellen. Dies ermöglicht, daß das Ventilelement anschließend in die zweite Position bewegt werden kann, das heißt, das Ventil wieder geöffnet werden kann, als Reaktion auf den Ventilöffnungsdruck statt auf den höheren Sprengdruck. Dies bietet den Vorteil, daß es zum Beispiel möglich ist, das Ventil zu zahlreichen Gelegenheiten zu öffnen und zu schließen, ohne eine Formation jedes Mal einem erhöhten Sprengdruck auszusetzen. Wenn es zweckmäßig ist, kann der Druck auf den Rückstelldruck verringert werden, um die Klinkenanordnung zurückzustellen.
Vorzugsweise hat das Ventilelement die Form einer Muffe. Am bevorzugtesten definiert die Muffe einen Stufenkolben, das heißt, daß es eine Differenz in der dem Bohrungsfluiddruck ausgesetzten Fläche der Muffe und der dem äußeren Fluiddruck ausgesetzten Fläche der Muffe gibt derart, daß ein Druckunterschied eine Kraft auf die Muffe in Axialrichtung erzeugt.
Vorzugsweise wird die Klinkenanordnung außerdem zu einer eingeklinkten Position vorgespannt und kann lösbar im Ergebnis einer Bewegung eines Klinkenelements sein, wobei der Bewegung durch eine vorher festgelegte Federkraft entgegengewirkt wird. Am bevorzugtesten gibt die Klinke das Ventilelement anschließend an ein vorher festgelegtes Maß an Bewegung des Klinkenelements zu einem Klinkenfreigabepunkt frei, wobei zweckmäßigerweise das Klinkenelement in Axialrichtung zum Klinkenfreigabepunkt bewegt werden kann. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel definiert das Ventilelement einen Absatz, um mit einem Klinkendrücker ineinanderzugreifen, wobei der Drücker beim Eneichen des Klinkenfreigabepunkts in Radialrichtung aus dem Eingriff mit dem Absatz bewegt werden kann. Am bevorzugtesten wird die Klinkenanordnung zu einer eingeklinkten Konfiguration durch eine Federanordnung vorgespannt, die eine Vielzahl von Federn umfaßt, derart angeordnet, daß sich die Federdruckkonstanten addieren. Zweckmäßigerweise wird dies dadurch erreicht, daß das Klinkenelement mit einer Vielzahl von in Längsrichtung mit Zwischenraum angeordneten Federanschlägen und der Körper mit entsprechenden in Längsrichtung mit Zwischenraum angeordneten Federanschlägen versehen wird, wobei zwischen jedem Paar von Anschlägen eine Feder angeordnet wird. Dies ermöglicht, daß eine Zahl von leichteren Federn bereitgestellt wird, um eine verhältnismäßig hohe Gesamt-Federkonstante zu erreichen, das Eneichen einer vergleichbaren Federkonstante unter Verwendung einer einzelnen Feder erfordert typischerweise eine Feder mit einer größeren Dicke, was folglich das Volumen erhöht, das bereitgestellt werden muß, um die Feder aufzunehmen, und möglicherweise zu einer unannehmbaren Einschränkung des Bohrungsinnendurchmessers führt.
Vorzugsweise schließt die Vorrichtung außerdem Mittel ein, um das Ventilelement zur ersten Position hin zu schieben, am bevorzugtesten eine Federanordnung, die eine vorher festgelegte Rückführkraft auf das Ventilelement ausübt derart, daß ein vorher festgelegter Druckunterschied, das heißt der Ventilöffnungsdruck, der eine Kraft über der Rückführkraft erzeugt, das Ventilelement offenhalten wird, wobei die Rückführkraft niedriger als die vorher festgelegte Sprengkraft ist.
Vorzugsweise schließt die Vorrichtung außerdem Mittel ein, um die Klinke zurückzustellen, wobei die Mittel eine Feder oder ein anderes Mittel umfassen können, um die Klinke zu einer eingestellten Position vorzuspannen. Das Rückstelhnittel übt vorzugsweise eine vorher festgelegte begrenzte Rückstellkaft auf das Ventilelement aus derart, daß nur ein verhältnismäßig niedriger vorher festgelegter Druckunterschied, das heißt, ein Druckunterschied unter einem Rückstelldruck, ermöglicht, daß sich die Klinkenanordnung zurückstellt.
Vorzugsweise definieren außerdem sowohl das Ventilelement als auch der Körper Durchflußöffnungen, wobei die Öffnungen ausgerichtet werden können, um eine Fluidverbindung zu ermöglichen. Am bevorzugtesten werden auf einer der Komponenten Körper und Ventilelement oberhalb und unterhalb der jeweiligen Durchflußöffnung Dichtungen bereitgestellt, und die andere Öffnung geht nur dann über eine der Dichtungen und legt dieselbe frei, wenn sich das Ventilelement zur zweiten Position bewegt, wobei die Dichtung nur anschließend an ein Ausklinken oder Auslösen der Klinke freigelegt wird, anschließend an das Auslösen wird das Ventilelement dazu neigen, sich unter der Wirkung der Sprengdruckkraft sehr schnell zu bewegen derart, daß die Dichtung nur für eine sehr kurze Zeitspanne freigelegt werden wird.
Vorzugsweise werden außerdem die Durchflußöffnungsdichtungen durch Ringe von der Öffnung getrennt, die wesentlich um den Umfang verlaufende Schlitze definieren, wobei die Schlitze dazu dienen, jeden Fluidfluß über den Ring zu unterbrechen und außerdem jeden anzutreffenden Schmutz oder Schutt zu sammeln, wenn sich das Ventilelement und der Körper im Verhältnis zueinander bewegen. Die Ringe dienen folglich dazu, die Dichtungen zu schützen.
Vorzugsweise definiert außerdem wenigstens eine der Öffnungen eine in Axialrichtung erweiterte Öffnung für eine Verbindung mit der anderen Öffnung, diese Anordnung erlaubt eine gewisse Versetzung zwischen der Muffe und dem Körper, um sich zum Beispiel an einen Zuwachs an Material zwischen dem Körper und dem Ventilelement anzupassen, der eine Bewegung des Ventilelements zur erwünschten zweiten Position einschränkt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Öffnung im Körper eine erweiterte Einlaßöffnung.
Vorzugsweise schließt wenigstens eine der Öffnungen ein Drosselelement ein, um die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch die Öffnung zu steuern.
Wo sich Teile des Körpers und des Ventilelements übereinander verschieben oder zusammenschieben, kann eine Fläche, typischerweise eine Außenfläche, eine glatte oder abgezogene Oberfläche haben, und das Vorderende des anderen oder Innenteils kann eine scharfe Kante defnieren, eine solche Anordnung verringert ein Klemmen oder Festfressen von Teilen auf ein Minimum, das sich aus dem Zuwachs von Kesselstein und dergleichen auf freigelegten Oberflächen ergibt.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden nun als Beispiel beschreiben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1, 2 und 3 halbe Querschnitte (auf zwei Blättern) einer Untertage-Umlaufvonichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind.
Die dargestellte Umlaufvorrichtung 10 ist dafür vorgesehen, in einen Rohrstrang eingebaut zu werden, der in einem gebohrten Bohrloch angeordnet werden soll, und die Vorrichtung 10 umfaßt einen Körper 12, gebildet aus einer Zahl von Teilen, die zusammengeschraubt und verstiftet werden, wobei der Körper 12 ein Ventilelement in der Form einer Muffe 14 aufnimmt, ähnlich aus einer Zahl von verschraubten und verstifteten Teilen gebildet. Wie beschrieben wird, definieren der Körper 12 und die Muffe 14 Durchflußöffnungen 16, 18, die anfänglich versetzt sind (1). Bei Anwendung kann die Muffe 14 durch Ausüben eines vorher festgelegten Druckunterschieds zwischen der inneren Gestängebohrung und dem Ringspalt um das Äußere des Gestänges vom Körper 12 gelöst und danach in Axialrichtung bewegt werden, um die Öffnungen 16, 18 auszurichten und einen Durchgang von Fluid aus dem Gestänge in den Ringspalt zu ermöglichen (2).
Die Körperöffnung 16 schließt eine Drossel 20 ein, um die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch die Öffnung 16 zu steuern, und hat angrenzend an die Muffe 14 eine in Axialrichtung erweiterte Einlaßöffnung 22, die einen gewissen Spielraum beim Ausrichten der Öffnungen 16, 18 gewährleistet. Auf jeder Seite der Öffnung 16 werden Dichtungen 24, 26 angeordnet, wobei die Dichtungen durch jeweilige Diffusorringe 28, 30 von der Öffnung 16 getrennt werden. Um den Umfang verlaufende Schlitze 31 in den Ringen 28, 30 dienen dazu, jeden Fluidfluß zwischen den Ringen und der Muffenoberfläche zu unterbrechen und außerdem allen Schmutz und Schutt zwischen dem Körper 12 und der Muffe 14 zu sammeln, bevor dieser die Dichtungen 24, 26 erreicht, wenn sich die Muffe 14 im Verhältnis zum Körper 12 bewegt. Die Diffusoninge 28, 30 werden aus einem reibungsarmen Material, in diesem Fall Berylliumkupfer, geformt und werden eng toleriert, um ein Auslaufen an den Ringen 28, 30 vorbei auf ein Minimum zu verringern.
Eine der Öffnungsdichtungen 26 isoliert das eine Ende einer zwischen dem Körper 12 und der Muffe 14 definierten Kammer 32, wobei die Kammer 32 über einen durch Öffnungen 36, 38 in Teilen des Körpers definierten Durchgang 34 in Fluidverbindung mit dem Äußeren des Körpers 12 steht, wobei zwischen den Öffnungen 36, 38 ein Filter 40 bereitgestellt wird, um zu verhindern, daß Schmutz und Schutt in die Kammer 32 strömen. Das der Dichtung 26 gegenüberliegende Ende der Kammer wird mit einer am Körper angebrachten Dichtung 42 mit einem geringfügig kleineren Durchmesser als die Dichtung 26 versehen derart, daß bei diesem Beispiel zwischen den Dichtungen 26, 42 ein Unterschied von 6,45 Quadratzentimeter (einem Quadratzoll) in der Fläche vorhanden ist. Dementsprechend erzeugt ein erhöhter Innendruck eine Kraft in Axialrichtung auf die Muffe 14, die dazu tendiert, die Muffe 14 (in einer Richtung „A") zu bewegen, um die Durchflußöffnungen 16, 18 auszwichten.
Einer solchen Bewegung der Muffe 14 im Verhältnis zum Körper 12 wird anfänglich ein Widerstand entgegengesetzt und dieselbe wird eingeschränkt durch eine Klinkenanordnung 44, die einen in einer Öffnung in einer Federungsklinkenmuffe 48 angeordneten Klinkendrücker 46 und einen Körperabsatz 50 und einen Muffenabsatz 52 umfaßt, definiert durchden Körper 12 bzw. die Muffe 14. Anfänglich sitzt der Klinkcendrücker 46, wie in 1 illustriert, auf dem Körperabsatz 50 derart, daß eine Bewegung der Muffe 14 in Axialrichtung, die dazu tendiert, die Muffe 14 zu der Position hin zu bewegen, in der die Öffungen 16, 18 ausgerichtet werden, den Muffenabsatz 52 in Kontakt mit dem Drücker 46 bringen wird, und die Muffe 14 wird folglich in Axialrichtung durch den Drücker 46 eingeschränkt. Die Federungsklinkenmuffe 48 defniert drei Federanschläge 54, 56, 58, die jeder mit einer entsprechenden Feder 60, 62, 64 ineinandergreifen. Der Körper 12 wird mit entsprechenden Federanschlägen 66, 68, 70 mit einem abnehmenden Durchmesser versehen. Durch eine entsprechende Auswahl der Federn kann der Auslösedruck für die Vorrichtung 10 zwischen 750 und 3500 Pfund/Quadratzoll, in diesem Beispiel 3500 Pfund/Quadratzoll, betragen, und falls gewünscht, können nur eine oder zwei Federn bereitgestellt werden.
Bei Anwendung führt ein positiver Differenzdruck zwischen dem Gestängeinneren und dem umgebenden Ringspalt zum Ausüben eine Kraft in Axialrichtung auf die Muffe 14 in der Richtung „A". Wie oben bemerkt, wird die Muffe 14 anfänglich durchden Kontakt zwischen dem Muffenabsatz 52 und dem Klinkendrücker 46 eingeschränkt. Nachdem jedoch der Druckunterschied ein ausreichendes Niveau, den „Spreng"-Druck, erreicht, wird die resultierende, durch die Muffe 14 auf den Drücker 46 ausgeübte Kraft ein Zusammendrücken der Federn 60, 62, 64 bewirken, was ermöglicht, daß sich die Klinkenmuffe 48 in eine Klinkenfreigabeposition bewegt und sich der Klinkendrücker 46 vom Körperabsatz 50 bewegt. Nach dem Wegbewegen vom Absatz 50 kann sich der Drücker 46 frei in Radialrichtung nach außen, weg vom Muffenabsatz 52, bewegen, was ermöglicht, daß sich die Muffe 14 unter der Wirkung der Differenzfluiddruckkraft in Axialrichtung am Drücker 46 vorbei bewegt.
Das obere Ende der Muffe 14 definiert einen weiteren Federanschlag 72, der an einer Muffenrückführfeder 74 anliegt, wobei das andere Ende der Feder 74 an einem auf dem Körper 12 bereitgestellten Anschlag 76 anliegt. Nach dem Auslösen des Klinkendrückers 46 bewegt sich die Muffe 14 schnell, um die Feder 74 zusammenzudrücken, wie in 2 illustriert, die Feder 74 wird vollständig zusammengedrückt bleiben, während ein Differenzdruck von 500 Pfund/Quadratzoll oder mehr aufrechterhalten wird. Anfänglich gewährleistet die Feder 74 einen Kompressionswiderstand, der 200 Pfund/Quadratzoll entspricht, und dieser steigt auf 500 Pfund/Quadratzoll an, wenn die Feder vollständig zusammengedrückt wird, wobei ein weiteres Zusammendrücken durch den Eingriff des Muffenfederanschlags 72 mit einem durch den Körper definierten Absatz 77 verhindert wird.
Dementsprechend ist es unwahrscheinlich, daß ein Abfall des Drucks vom Sprengdruck (3500 Pfund/Quadratzoll), der sich aus dem Öffnen der Fluidverbindung zwischen dem Gestängeinneren und dem Ringspalt ergibt, den Druckunterschied auf dieses verhältnismäßig niedrige Niveau (200 Pfund/Quadratzoll) hinabbringen wird, so daß die Muffe 14 in der „offenen" Position bleiben wird.
Die Feder 74 wird innerhalb einer Kammer 78 eingeschlossen, definiert durch eine Wand 80 des Körpers 12 und eine auf dem Körper 12 angebrachte Abdeckung 82. Das Ende der Muffe 14 befindet sich in einem Gleitsitz innerhalb der Abdeckung 82 und geht in die Kammer 78 über, wenn die Feder 74 zusammengedrückt wird. Um alle Probleme damit zu vermeiden, daß Teile der Vorrichtung aufgrund des Zuwachses von Kesselstein und dergleichen steckenbleiben, wird die Muffenoberfläche 84 abgezogen, und die Vorderkante 86 der Abdeckung defniert eine scharfe Ecke, wenn sich die Oberfläche 84 unterhalb der Kante 86 bewegt, wird aller Kesselstein durch die Kante 86 weggekratzt.
Sobald der Differenzdruck unter 500 Pfund/Quadratzoll abfällt, wird die Feder 74 die Muffe 14 zurück zur geschlossenen Position hin schieben. Folglich wird der Muffenabsatz 52 zurück zum Klinkendrücker 46 hin bewegt, nach dem Auslösen bewegt die Wirkung der Federn 60, 62, 64 die Klinkenmuffe 48 zurück zur Ausgangsposition, in welcher der Klinkendrücker 46 auf dem Körperabsatz 50 aufsitzt. Dementsprechend wird der zurückkehrende Muffenabsatz 52 den Drücker 46 berühren und wird dazu tendieren, den Drücker 46 und die Muffe 48 derart zu schieben, daß sich der Drücker 46 vom Körperabsatz 50 weg bewegt und sich folglich frei in Radialrichtung nach außen bewegen kann derart, daß sich der Muffenabsatz 52 am Drücker 46 vorbei bewegen kann, wie in 3 illustriert. Um die Federungsmuffe 48 und den Klinkendrücker 46 in die eingeklinkte Position auf dem Körperabsatz 50 zurückzuführen, wird zwischen dem Körper 12 und der Muffe 48 eine leichte Feder 90 bereitgestellt. Die Feder 90 bewegt die Muffe 48, sobald sie von der Muffe 14 ausgeklinkt wird, zurück zur eingeklinkten Position.
Die Muffe 14 wird in der geschlossenen Position bleiben, mit versetzten Öffnungen 16, 18, bis die Vorrichtung einen Differenzdruck von 3500 Pfund/Quadratzoll erfährt, wobei dieser Druck so ausgewählt wird, daß über dem durch die Vorrichtung 10 unter normalen Betriebsbedingungen erfahrenen Unterschied liegt. Folglich wird sich die Muffe 14 nur öffnen, wenn ein verhältnismäßig hoher Druck auf die Gestängebohrung ausgeübt wird, und es ist unwahrscheinlich, daß sie sich unbeabsichtigt öffnet. Sobald sie jedoch ausgeklinkt wird, ist der notwendige Differenzdruck, um die Muffe 14 offenzuhalten (< 500 Pfund/Quadratzoll) beträchtlich niedriger, so daß sich die Muffe 14 nicht schließen wird, wenn zum Beispiel der Gestängebohrungsdruck abfällt, wenn das Fluid durch die Öffnungen 16, 18 zu fließen beginnt. Dementsprechend wird sich die Muffe 14 während eines Umlaufvorgangs nicht schnell zwischen der offenen und der geschlossenen Position hin- und herbewegen. Nach dem Beenden des Umlaufvorgangs wird der Druck innerhalb der Gestängebohrung verringert, um zu ermöglichen, daß sich die Muffe 14 schließt und wieder einklinkt.
Es sollte jedoch bemerkt werden, daß sich die Muffe 14 bei dieser Vorrichtung 10 nur wieder einklinkt, nachdem der Differenzdruck unter ein vorher festgelegtes Niveau, in diesem Fall 80 Pfund/Quadratzoll, fällt. Über diesem ist die durch die Feder 74 erzeugte Rückholkaft nicht ausreichend, um den Differenzfluiddruck zu überwinden, der auf die Muffe 14 und die Wiedereinklinkfeder 90 wirkt, und der Drücker 46 wird nicht vom Absatz 50 geschoben. Folglich wird sich die Muffe 14 schließen, wird sich aber nicht wieder einklinken. Dies kann nützlich sein, wenn es gewünscht wird, die Öffnungen 16, 18 bei einer Zahl von gesonderten Gelegenheiten zu öffnen und zu schließen, ohne bei jeder Gelegenheit den erhöhten Sprengdruck ausüben zu müssen, um die Öffnungen zu Öffnen.
Die Vorrichtung 10 kann bei mehreren unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden, ist aber besonders geeignet für Anwendungen, bei denen die Vorrichtung 10 in einem Komplettierungs- oder Förderstrang unterhalb einer elektrischen Tauchpumpe (electro-submersible pump - ESP) bereitgestellt wird, wobei die Pumpe verwendet wird, um ein Fluid aus der Formation durch den Strang nach oben zu ziehen. Das Bereitstellen der ESP oberhalb der Vorrichtung 10 schließt jeden mechanischen Eingriff aus, so daß die Vorrichtung durch ein selektives Ausüben von Fluiddruck gesteuert wird. Wie oben beschrieben, kann das Ausüben eines erhöhten Sprengdrucks verwendet werden, um die Muffe 14 auszuklinken, die danach offen bleiben wird, solange der Druckunterschied oberhalb eines vorher festgelegten Öffnungsdrucks bleibt. Zu ermöglichen, daß der Druck unter den Öffnungsdruck abfällt, bewirkt, daß sich die Muffe 14 schließt, aber die Muffe 14 wird sich nur wieder einklinken, falls der Druck unter einen vorher festgelegten Wiedereinklinkdruck abfällt, was ein anschließendes Öffnen der Muffe erleichtert. In der Tat hat es sich gezeigt, daß sich die Muffe 14 nur wieder einklinken wird, falls die ESP gestartet wird, was folglich den auf die Muffe 14 wirkenden Bohrungsfluiddruck verringert, ohne eine solche Druckverringerung verschließt die Muffe 14 die Öffnungen 16, 18 und isoliert die Bohrung vom Ringspalt, bevor der Bohrungsdruck die Möglichkeit gehabt hat, unter den Wiedereinklinkdruck abzufallen.
Fachleuten auf dem Gebiet wird es offensichtlich sein, daß die oben beschriebene Vorrichtung 10 nur beispielhaft für die vorliegende Erfindung ist und daß verschiedene Modifikationen und Verbesserungen an derselben vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel könnte eine Vorrichtung nach der Erfindung dafür geeignet sein, als Reaktion auf einen positiven Druckunterschied zwischen dem Ringspalt und der Gestängebohrung geöffnet zu werden, um einen Fluidfluß vom Ringspalt in das Gestänge zu ermöglichen.
Fachleuten auf dem Gebiet wird es ebenfalls offensichtlich sein, daß die oben beschriebene Vorrichtung 10 eine Zahl von Merkmalen einschließt, die bei anderen Untertagewerkzeugen eingesetzt werden können, einschließlich der Anordnung zum Anbringen der Federn 60, 62, 64 derart, daß sich die einzelnen Federdruckkonstanten addieren, der Dichtungs- und Öffnungskonfigurationen und des Bereitstellens der abgezogenen Oberfläche und der scharfen Kante, um die Wirkungen eines Kesselsteinzuwachses auf gleitenden Teilen auf ein Minimum zu verringern. Ebenso kann die Klinkenanordnung in anderen Vorrichtungen und Werkzeugen als Ventilen und insbesondere in anderen fluiddruckbetätigten Werkzeugen verwendet werden.

Claims

Untertage-Vorrichtung, die folgendes umfaßt: einen Körper (12) zum Anbringen an einem Rohrstrang und Definieren einer Bohrung, ein fluiddruckbetätigtes Ventilelement (14), beweglich im Verhältnis zum Körper (12), und eine normalerweise geschlossene Durchflußöffnung (16, 18) entweder im Körper (12) oder im Ventilelement (14), wobei mit dem Ventilelement in einer ersten Position im Verhältnis zum Körper die Öffnung geschlossen ist und mit dem Ventilelement in einer zweiten Position die Öffnung offen ist, um durch dieselbe eine Fluidverbindung zwischen der Körperbohrung und dem Äußeren des Körpers zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß eine fluiddruckbetätigte Klinkenanordnung (44) zum lösbaren Halten des Ventilelements (14) in der ersten Position bereitgestellt wird, wobei die Klinkenanordnung (44) beim Ausüben eines vorher festgelegten Sprengdrucks auf dieselbe gelöst werden kann, um zu ermöglichen, daß sich das ausgeklinkte Ventilelement als Reaktion auf einen Ventilöffnungsdruck in die zweite Position bewegt, der geringer ist als der Sprengdruck, und die Klinkenanordnung (44) rückstellbar ist, um das Ventilelement bei der Rückkehr des Ventilelements zur ersten Position wieder einzuklinken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Klinkenanordnung (44) dafür geeignet ist, zurückgestellt werden zu können, wenn der auf das Ventilelement (14) ausgeübte Druck unter einen vorher festgelegten Rückstelldruck fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher der Rückstelldruck so gewählt wird, daß er niedriger ist als der Ventilöffnungsdruck, so daß das Ventilelement (14) zur ersten Position zurückkehren kann, ohne die Klinke zurückzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Klinkenanordnung dafür geeignet ist, sich bei einer vorher festgelegten Fluiddruckkraft zu lösen, die sich aus einem Druckunterschied über den Körper (12) ergibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Ventilelement die Form einer Muffe (14) hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Muffe (14) einen Stufenkolben definiert derart, daß es ein Differential in dem dem Bohrungsfluiddruck ausgesetzten Bereich der Muffe (14) und dem dem äußeren Fluiddruck ausgesetzten Bereich der Muffe (14) gibt und ein Druckunterschied zwischen dem Bohrungsfluiddruck und dem äußeren Fluiddruck eine Kraft auf die Muffe (14) in Axialrichtung erzeugt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Klinkenanordnung (44) zu einer das Ventilelement einklinkenden Position vorgespannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Klinkenanordnung (44) dafür geeignet ist, im Ergebnis einer Bewegung eines Klinkenelements (48) gelöst werden zu können, wobei der Bewegung durch eine vorher festgelegte Federkraft entgegengewirkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Klinkenanordnung (44) dafür geeignet ist, das Ventilelement (14) anschließend an ein vorher festgelegtes Maß an Bewegung des Klinkenelements (48) zu einer Klinkenfreigabeposition freizugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Klinkenelement (48) in Axialrichtung zur Klinkenfreigabeposition bewegt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der das Ventilelement (14) eine Formation (52) definiert, um mit einem am Klinkenelement (48) angebrachten Klinkendrücker (46) ineinanderzugreifen, wobei der Eingriff normalerweise eine Bewegung des Ventilelements (14) einschränkt, und der Drücker (46) in der Klinkenfreigabeposition in Radialrichtung aus dem Eingriff mit der Formation (52) bewegt werden kann, um eine wesentlich uneingeschränkte Bewegung des Ventilelements (14) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Klinkenanordnung (44) zu einer das Ventilelement einklinkenden Konfigwation durch eine Federanordnung vorgespannt wird, die eine Vielzahl von Federn (60, 62, 64) umfaßt, derart angeordnet, daß sich die Federdruckwerte addieren.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Klinkenanordnung (44) ein Klinkenelement (48) mit einer Vielzahl von in Längsrichtung mit Zwischenraum angeordneten Federanschlägen (54, 56, 58) umfaßt und der Körper (12) jeweils entsprechende in Längsrichtung mit Zwischenraum angeordnete Federanschläge (66, 68, 70) umfaßt, wobei zwischen jedem Paar von Anschlägen eine Feder (60, 62, 64) angeordnet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung Rückführmittel (74) einschließt, um das Ventilelement (14) zur ersten Position hin zu schieben.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das Rückführmittel eine Federanordnung (74) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der das Ventilelement-Rückführmittel (74) dafür geeignet ist, eine vorher festgelegte Rückführkraft auf das Ventilelement (14) auszuüben derart, daß ein Fluiddruck, der eine Kraft über der Rückfühkraft auf das Ventilelement erzeugt, das Ventilelement in der offenen zweiten Position halten wird, wobei die Rückführkraft so gewählt wird, daß sie niedriger als die Sprengkraft ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Wiedereinklinlanittel (90) einschließt, um die Klinkenanordnung (44) zu einer das Ventilelement einklinkenden Konfigwation vorzuspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Wiedereinklinkmittel (90) dafür geeignet sind, die Klinkenanordnung (44) nur wieder in der das Ventilelement einklinkenden Konfigwation zu konfigurieren, wenn der Druck unter einen vorher festgelegten Rückstelldruck fällt, der niedriger ist als der Ventilöffnungsdruck.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sowohl das Ventilelement (14) als auch der Körper (12) Durchflußöffnungen (16, 18) definieren, wobei die Öffnungen ausgerichtet werden können, um eine Fluidverbindung durch dieselben zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der auf wenigstens einer der Komponenten Körper (12) und Ventilelement (14) oberhalb und unterhalb der jeweiligen Durchflußöffnung (16, 18) Dichtungen (24, 26) bereitgestellt werden und die andere Öffnung nur dann über eine der Dichtungen (24, 26) geht und dieselbe freilegt, wenn sich das Ventilelement (14) zur zweiten Position bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, bei der auf wenigstens einer der Komponenten Körper (12) und Ventilelement (14) oberhalb und unterhalb der jeweiligen Durchflußöffnung (16, 18) Dichtungen (24, 26) bereitgestellt werden und die Durchflußöffnungsdichtungen (24, 26) durch Ringe (28, 30) von der Öffnung getrennt werden, die wesentlich um den Umfang verlaufende Schlitze (31) definieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19, 20 oder 21, bei der wenigstens eine der Öffnungen (16, 18) eine in Axialrichtung erweiterte Öffnung (22) für eine Verbindung mit der anderen Öffnung definniert, um in der zweiten Position eine gewisse Versetzung zwischen dem Ventilelement (14) und dem Körper (12) zu erlauben.
Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die Öffnung (16) im Körper (12) eine in Axialrichtung erweiterte Einlaßöffnung (22) hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Durchflußöffnung (16, 18) ein Drosselelement (20) einschließt, um die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch die Öffnung zu steuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Teile des Körpers (12) und des Ventilelements (14) zu- und übereinander verschoben werden können und eine Fläche des einen Teils eine glatte Oberfläche hat und ein Vorderende des anderen, über den einen Teil verschiebbaren, Teils eine scharfe Kante definiert.
Verfahren zum Betreiben einer Untertage-Vorrichtung, die einen Körper (12) zum Anbringen an einem Rohrstrang und Definieren einer Bohrung und ein fluiddruckbetätigtes Ventilelement (14), beweglich im Verhältnis zum Körper (12), umfaßt, wobei mit dem Ventilelement in einer ersten Position im Verhältnis zum Körper eine Öffnung entweder im Körper oder im Ventilelement geschlossen ist und mit dem Ventilelement in einer zweiten Position die Öffnung offen ist, um durch dieselbe eine Fluidverbindung zwischen der Körperbohrung und dem Äußeren des Körpers zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: lösbares Halten des Ventilelements (14) in der ersten Position, unter Verwendung einer fluiddruckbetätigten Klinke (44), Ausüben eines vorher festgelegten Sprengdrucks auf die Klinke (44), um das Ventilelement (14) freizugeben, Bewegen des Ventilelements (14) zur zweiten Position und Ausüben eines Ventilöffnungsdrucks, der niedriger ist als der Sprengdruck, um das Ventilelement (14) in der zweiten Position zu halten.
Verfahren nach Anspruch 26, das außerdem das Rückführen des Ventilelements (14) zur ersten Position umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 27, das außerdem das Zurücksetzen der Klinke (44) umfaßt, um das Ventilelement (14) in der ersten Position zu halten.
Verfahren nach Anspruch 28, das außerdem das Ausüben eines vorher festgelegten Rückstelldrucks, der niedriger ist als der Ventilöffnungsdruck, und das Zurückstellen der Klinke (44) umfaßt.
Untertage-Vorrichtung, die folgendes umfaßt: einen Körper (12) und ein fluiddruckbetätigtes Element (14), das im Verhältnis zum Körper (12) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegt werden kann und zur ersten Position hin vorgespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine fluiddruckbetätigte Klinkenanordnung (44) bereitgestellt wird, um das Element (14) lösbar in der ersten Position zu halten, wobei die Klinkenanordnung (44) dafür geeignet ist, bei Ausüben eines vorher festgelegten Freigabedrucks auf das Element (14) ausgelöst zu werden, was ermöglicht, daß sich das ausgeklinkte Element als Reaktion auf einen Elementverschiebefluiddruck, der niedriger ist als der Freigabedruck, zur zweiten Position bewegt und außerdem ermöglicht, daß das ausgeklinkte Element als Reaktion auf einen Elementrückführfluiddruck, der niedriger ist als der Elementverschiebefluiddruck, zur ersten Position zurückkehrt, wobei die Klinkenanordnung (44) zurückgestellt werden kann, wenn der auf das Element (14) ausgeübte Druck unter einen vorher festgelegten Rückstelldruck fällt, wobei der Rückstelldruck so gewählt wird, daß er niedriger ist als der Elementverschiebefluiddruck und der Elementrückführfluiddruck.