DE60011254T2

DE60011254T2 - Bohrlochpacker

Info

Publication number: DE60011254T2
Application number: DE60011254T
Authority: DE
Inventors: Jörg BAUMGÄRTNER; Paul Hegemann; Fritz Rummel
Original assignee: Mesy Geo Messysteme "mesy" GmbH; Mesy Geo Messysteme Mesy GmbH; LE GROUPEMENT EUROP D INTERNET; Le Groupement Europeen D'internet Economique Exploitation Miniere de la Chaleu
Current assignee: Mesy Geo Messysteme "mesy" GmbH; Mesy Geo Messysteme Mesy GmbH; LE GROUPEMENT EUROP D INTERNET; Le Groupement Europeen D'internet Economique Exploitation Miniere de la Chaleu
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: EP1165933B1; EP1165933A1; WO2000058601A1; JP2002540330A; FR2791732A1; DK1165933T3; ATE268429T1; DE60011254D1; PT1165933E; ES2223487T3; US6640893B1; FR2791732B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft bei Bohrtechniken zum Einsatz gelangende aufblähbare Verschlussvorrichtungen.
Es ist bekannt, dass für diese Techniken im Rahmen diverser Anwendungen auf diese Verschlussvorrichtungen zurückgegriffen wird. Diese werden in die Bohrlöcher verbracht und in der geforderten Tiefe durch Einsatz von Blähmitteln aktiviert.
Diese Verschlussvorrichtungen, gewöhnlich Packer" genannt, bestehen aus zylindrischen Rohrelementen, deren Außenwand aus einer Elastomermanschette besteht, die zwischen zwei Metallringen gehalten wird und die gestatten, diese an ein vorgelagertes und eventuell nachgelagertes Bohrrohr anzuschließen. Ein solcher „Packer" wird im Patent US 5 143 154 bekannt gemacht.
Es ist bekannt, dass Packer im wesentlichen zwei Funktionen haben, nämlich eine Verankerungs- und Dichtungsfunktion in Bezug auf das an das Bohrloch angrenzende Felsgestein. Dazu wird nach Einbringen des Packers auf die gewünschte Bohrlochtiefe das Aufblähen der Elastomermanschette durch Injektion eines Mediums unter Druck, vorzugsweise Zement, oder mechanische Kompression vorgenommen.
Eine Schwierigkeit resultiert daraus, dass ein Packer beträchtliche Lasten aufnehmen muss, die zuweilen über einhundert Tonnen liegen können, so dass die auf die Elastomermanschette ausgeübten Belastungen, insbesondere Scherbelastungen, deren Deformation herbeiführen, was einerseits deren Verankerungsqualität und andererseits deren Dichtungsqualitäten abträglich ist.
Diese Schwierigkeit wird dadurch verstärkt, dass der Packer vorgenannte Funktionen erfüllen muss, während er sich – insbesondere aufgrund der Aggressivität der anzutreffenden Medien und der hohen Temperaturen – in einem besonders feindlichen Milieu befindet. Die Temperaturen wirken umso mehr, je tiefer sich der Packer befindet, wobei sie in manchen Bereichen über der Größenordnung von 150°C liegen können. Verständlicherweise werden die mechanischen Qualitäten des die aufblähbare Manschette der Packer darstellenden Elastomers unter solchen Bedingungen sehr verringert.
Zur Reduzierung der Deformationserscheinungen unter dem Einfluss solcher Belastungen wurde vorgeschlagen, das Elastomer durch Beifügung einer Metallverstärkung zu verstärken, die z. B. aus in dessen Masse schuppenartig angeordneten Metallstreifen besteht. Derartige Packer haben einen hohen Selbstkostenpreis und können die genannten Unzulänglichkeiten nicht vollständig beseitigen.
Zudem wurde festgestellt, dass sich auf früherem Stand der Technik befindliche Packer gegenüber Edelgasen wie Helium wie Fallen verhalten, so dass sie sich bei deren Durchgang als porös erweisen.
Schließlich erweisen sich die Packer aufgrund des außenliegenden Elastomers als brüchig, d. h. dass dieser Außenbelag zuweilen beim Einbringen in das Bohrloch beschädigt wird, was zu einem weiteren Mangel an mechanischer Festigkeit beiträgt.
Zielstellung der vorliegenden Erfindung ist es, diesen verschiedenen Unzulänglichkeiten abzuhelfen und einen neuen Packertyp vorzuschlagen, der in der Lage ist, zum einen den feindlichen Bedingungen eines Bohrlochs sowie den nach dessen Verankerung auf ihn einwirkenden starken mechanischen Belastungen zu begegnen. Sie hat durch eine besonders deutliche Verbesserung der Qualität dieser Verankerung auch eine Vereinfachung der Bohrtechnik zum Ziel, da insbesondere die Forderung nach Reduzierung des Bohrungsdurchmessers entfällt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit eine Verschlussvorrichtung für ein Bohrloch vom Typ Packer, die ein zentrales Rohrelement, bedeckt durch eine verformbare periphere Manschette umfasst, in deren Inneres die Injektion eines unter Druck befindlichen Mediums dergestalt erfolgt, dass die Manschette eine Verformung erfährt und an die Bohrlochwände angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die verformbare Manschette aus einem Metall besteht.
Dieses Metall sollte vorzugsweise aus einer Legierung auf Kupfernickelbasis bestehen.
In Anwendung der Erfindung bildet die Innenwand der Manschette mindestens eine Ringkammer aus, die sich auf mindestens einen Teil der Manschettenfläche erstreckt und über eine Öffnung mit dem Packerinneren in Verbindung steht, wobei diese Kammer vor Injektion des unter Druck stehenden Mediums mit einem mit der Bohrflüssigkeit nicht mischbaren Material befüllt wird. Dieses Material soll vorteilhafterweise aus einem erhärteten Zement bestehen, der unter Einwirkung des aufgrund der Zementinjektion in den Packer bestehenden Drucks aufreißt und somit Porenräume schafft. Diese bilden somit Durchgänge, die es dem unter Druck injizierten Medium gestatten, in die Ringkammern vorzudringen und so – über die gesamte Manschettenfläche verteilt – bedeutende Druckkräfte auf die Wände der Metallmanschetten auszuüben, die die Verformung deren Wände sichern.
Diese Kammer soll vorteilhafterweise eine in die Metallmanschette eingebrachte Bohrung umfassen, die nach innen hin durch die Außenwand eines in die Manschette eingepassten Rohrs begrenzt wird.
Die Verschlussvorrichtung eines Bohrlochs gemäß Erfindung oder Packer zeichnet sich im Vergleich zu den Vorrichtungen früherer Technik insbesondere dadurch aus, dass das unter Druck in den Packer injizierte Medium, sofern es sich um Zement handelt, mit den einzelnen Elementen des Packers und insbesondere mit der verformbaren Manschette einen Block bilden kann, was dessen Widerstand in Bezug auf die verschiedenen Belastungen, denen er ausgesetzt ist, insbesondere was das Gewicht der ihm vorgelagerten Verrohrung betrifft, verbessert.
Nachfolgend soll eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen als nicht begrenzende Beispiele beschrieben werden.
1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch einen in einem Bohrloch angeordneten Packer gemäß Erfindung dar.
Die 2 und 3 sind schematische Ansichten zweier Etappen des Einsatzes eines Packers gemäß Erfindung.
Bei 4 handelt es sich um eine Außenteilansicht mit der Darstellung einer Einsatzart eines Metallpackers gemäß Erfindung.
5 ist ein Teillängsschnitt mit der Darstellung einer Einsatzart eines Metallpackers gemäß Erfindung.
Auf 1 ist ein Metallpacker 1 gemäß Erfindung dargestellt, der sich in einem Bohrloch 3 befindet. Dieser Packer 1 besteht im wesentlichen aus einer zylindrischen Außenmanschette 5 und einem zylindrischen Rohrelement 7, eingepasst in das Manschetteninnere. Der rechte bzw. linke Teil dieser Abbildung zeigen den Packer vor bzw. nach dem Aufblähen dessen Manschette.
Die Manschette 5 besteht aus einem Metall mit guter Korrosionsfestigkeit, das leicht zu bearbeiten ist und zudem beträchtliche Verformungen ohne nennenswerten Verlust seiner mechanischen Eigenschaften erfahren kann.
Die durchgeführten verschiedenen Versuche haben ergeben, dass Kupfer-Nickel-Legierungen, insbesondere die mit einem Eisen- bzw. Mangangehalt in der Größenordnung von 1,5% bzw. 0,8% besonders hervorzuheben waren. So soll ganz besonders eine Legierung Erwähnung finden, und zwar CuNi10FeMn1, die folgende Zusammensetzung aufweist:

Kupfer 87,7%

Nickel 10%

Eisen 1,5%

Mangan 0,8%
Natürlich können andere Legierungsarten zum Einsatz gelangen. Namentlich erwähnt seien an dieser Stelle Legierungen aus nicht rostendem, kohlenstoffarmen Stahl und Legierungen auf Kupfer-Aluminium-Basis.
In die Innenflächen an den Enden der Manschette 5 sind drei Rundnuten zur Aufnahme der Rundringe 11 eingebracht, die die Dichtheit zwischen dieser Manschette und dem Rohrelement 7 sichern. In die Außenseiten an den Enden der Manschette 5 wurde jeweils eine Rundbohrung eingebracht, in deren Inneres ein Stahlring 13 eingepresst wurde, welcher eine Panzerung bildet, die jegliche Deformation der Endteile der Manschette 5 verhindern soll. Der Zusammenhalt des Rings 13 und der Manschette 5 mit dem Ringelement 7 wird dadurch erreicht, dass diese Elemente bewegungsunfähig gemacht werden, wobei dies mit einer Schraube 15 erfolgt, die in das Rohrelement 7 eingeschraubt und deren Kopf 15a in eigens dafür vorgesehenen Aussparungen im Ring 13 und in der Manschette 5 platziert wird.
Die zwischen den Panzerungen 13 befindliche zentrale Innenseite der Manschette 5 wird von einer Aussparung durchlaufen, die die Dicke der Manschette 5 in diesem zentralen Teil verringert. Zusammen mit der Außenseite des Ringelements 7 bildet sie eine Ringkammer 17. Diese Kammer 17 steht mit dem Innern des Ringelements 7 über Schlitze 19 in Verbindung.
Wie auf den 2 und 3 schematisch dargestellt, wird das Innere der Kammer 17 mit einem erhärteten Zement verfüllt, wodurch verhindert werden soll, dass die im Bohrloch befindliche Flüssigkeit diese ausfüllt.
Nach Einbringen des Packers 1 gemäß Erfindung in die Tiefe des Bohrlochs 3, in der die Verankerung stattfinden soll, und nach Verschließen des Vorderteils des Packers mit einem Verschluss 18 erfolgt auf bekannte Weise unter starkem Druck die Injektion eines Produkts wie namentlich Zement in das Innere des Ringelements 7. Unter diesen Bedingungen dringt der unter Druck in das Innere des Ringelements 7 injizierte Zement unter starkem Druck in die Öffnungen 19, bricht den in Kammer 17 befindlichen erhärteten Zement und schafft dabei in Letztgenanntem kleine Zwischenräume, die es ihm gestatten, in die Kammer 17 über deren gesamten Umfang einzudringen, was zur Folge hat, dass das Aufbringen des vom injizierten Zement stammenden Drucks auf die gesamte Fläche des verformbaren Teils der Manschette 5 begünstigt wird. Nunmehr beginnt diese sich zu verformen, was wiederum das Eindringen des unter Druck befindlichen Zements in Kammer 17 begünstigt und zur Folge hat, dass die Außenseite der Manschette 5 stark gegen die Innenwand des Bohrlochs 3 gedrückt wird. Nach Aushärten des Zements ist die Verankerung des Packers gesichert.
Die Schaffung von Kammer 17, die sich quasi über die gesamte Innenfläche der Manschette 5 erstreckt, gestattet das Aufbringen einer vom Injektionszement stammenden Druckkraft auf diese Wand in ihrer Gesamtheit, was zur Folge hat, dass deren Verformung begünstigt wird. Gemäß Erfindung kann durch das Verfüllen der Kammer 17 mit einem erhärteten Zement verhindert werden, dass die im Bohrloch umlaufende Flüssigkeit oder die Bohrflüssigkeit vor Injektion des unter Druck befindlichen Zements in das Innere dieser Kammer dringen kann, was in der Folge dessen Verdünnung nach der Injektion hervorrufen und eine verminderte mechanische Festigkeit des in die Kammer 17 injizierten Zements nach sich ziehen würde.
Die Kammer 17 kann natürlich auch mit anderen Produkten verfüllt werden, insbesondere mit Produkten, die unter der Injektionskraft des Zements brechen, so dass zahlreiche Durchgänge geschaffen werden, die dem injizierten Zement das Eindringen in die Kammer 17 gestatten, um die Verformung des Teils der Manschette 5 und deren Aufblähung hervorzurufen. Namentlich erwähnt seien hier beispielsweise Gips oder ein Epoxydharz. Es kann auch auf Mikroglaskugeln zurückgegriffen werden, die in der Lage sind, unter dem Einfluss der Injektionskraft des Zements zu zerbrechen.
Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie ein Hängenbleiben des injizierten Zements an der äußeren Metallmanschette 5 gestattet. Dies war bei aus einem Elastomer bestehenden Außenmanschetten nicht möglich. Wenn also zwischen den auf den 2 und 3 dargestellten Etappen, d. h. vor Verschließen des Ringelements 7 durch den Verschluss 18, Zement auf die Wand 3 des Bohrlochs injiziert wird, dann bildet dieser Zement nach der Aufblähung der Manschette 5 einen Block mit der Manschette und mit den Wänden des Bohrlochs 3, was natürlich zu einer Verbesserung der Verankerung des Packers 1 führt und diesen quasi unlösbar macht.
Die vorliegende Realisierung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie es – im Gegensatz zu auf früherem Stand der Technik befindlichen und aus Elastomer bestehenden Packern – gestattet, auf der Außenfläche der verformbaren Manschette Unebenheiten zu schaffen, die wahre Krallen darstellen und somit die Verankerung der Packer an der Innenwand der Bohrlöcher noch weiter verbessern.
Wie auf 4 dargestellt enthält die Außenfläche der Metallmanschette 5 somit Rundnuten (auf der Abbildung durch Strichlinie dargestellt), die im Vergleich zur Längsachse xx' der Manschette geneigt sind, so dass nacheinander Winkel α und –α entstehen, die Krallen 21 bilden. Deren Form – als Draufsicht betrachtet – ist eine deutliche Rautenform. Es könnten natürlich auch Krallen jeglicher anderer Form gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung gestattet ebenfalls eine Kombination guter Verankerungseigenschaften mit guten Abdichtungseigenschaften.
So werden in einer Einsatzvariante der Erfindung, dargestellt in 5, sofern aus technischen Gründen die Dichtheit zwischen dem Packer und der Innenfläche des Bohrlochs, in dem sich der Packer befindet, in den Vordergrund gestellt werden soll, Hohlnuten auf der Außenfläche der Manschette 5 (insbesondere Rundnuten) mit einem Elastomerprodukt 23, einem elastischen Epoxydharz usw., verfüllt, wobei die Manschette 5 dabei aber gleichzeitig dank der zwischen den Nuten befindlichen steifen, Krallen bildenden Unebenheiten gute Verankerungsqualitäten beibehält.
Natürlich können die Metallpacker gemäß Erfindung je nach Bohrloch und den speziellen Anwendungen, denen sie gerecht werden sollen, mit unterschiedlichen Durchmessern und in unterschiedlichen Längen ausgeführt werden.

Claims

Vorrichtung vom Packertyp zum Verschließen eines Bohrloches, aufweisend ein zentrales röhrenförmiges Element (7), das mit einer verformbaren peripheren Muffe (5) bedeckt ist, in dessen Inneres ein unter Druck stehendes Fluid eingespritzt wird, derart, dass die Muffe (5) verformt und an die Wände des Bohrloches (3) aufgedrückt wird, wobei die verformbare Muffe (5) aus einem Metall gebildet ist und die Innenwand der Muffe (5) mindestens eine ringförmige Kammer (17) bildet, die sich an mindestens einem Abschnitt der Oberfläche der Muffe (5) erstreckt und durch eine Öffnung (19) mit dem Inneren des Packers in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kammer (17) vor dem Einspritzen des unter Druck stehenden Fluids mit einem in der Bohrungsflüssigkeit unmischbaren Material gefüllt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (17) aus einer Ausbohrung gebildet ist, die in der verformbaren Muffe (5) ausgeführt ist, die nach Innen durch die Außenwand eines Rohrs (7) begrenzt ist, das in die Muffe (5) eingepasst ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus gehärtetem Zement gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall eine Kupfer-Nickel-Legierung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen Nickelgehalt enthält, der 10 benachbart ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Legierung vom Typ CuNi10FeMn1 ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche der Muffe Aufhäng-Unebenheiten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen zwischen den Unebenheiten zumindest teilweise mit einem Elastomer gefüllt sind.