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Die
Erfindung betrifft allgemein unterirdische Bohrlochwerkzeuge, wie
beispielsweise aufblasbare Dichtungsstücke, Bridge-Plugs oder dergleichen,
die durch das Einleiten eines Fluids in eine ausdehnbare Elastomerblase
gesetzt werden, und insbesondere eine gasbetätigte Vorrichtung und ein Verfahren
zum Aufrechterhalten eines wesentlich gleichbleibenden Fluiddrucks
in der Blase, wenn das Werkzeug nach dem Setzen thermischen Schwankungen
ausgesetzt wird.
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Unter
Fachleuten bei der Verwendung dieser Arten von aufblasbaren Vorrichtungen
ist bekannt, dass sie Veränderungen
des Aufblasdrucks ausgesetzt sind, wenn die Temperatur des Aufblasfluids von
dessen anfänglicher
Aufblastemperatur abweicht. Typischerweise führt ein Anstieg der Fluidtemperatur
zu gesteigerten Aufblasdrücken,
und ein Absinken führt
zu verringerten Aufblasdrücken.
Ein Anstieg des Aufblasdrucks kann das Werkzeug anfällig für einen
Berstausfall machen. Ein Absinken des Aufblasdrucks kann die Verankerung
zwischen dem Werkzeug und dem Bohrloch bis zu einem Punkt vermindern,
an dem das Werkzeug nicht in der Lage ist, seine vorgesehene Verankerungsfunktion
zu gewährleisten.
In beiden Fällen
können
beträchtliche Veränderungen
der Temperatur im Aufblasfluid zu einer beeinträchtigten Werkzeugleistung und
einem möglichen
Werkzeugausfall führen.
Diese Ausfälle können zu
einem beträchtlichen
finanziellen Verlust und einer möglichen
Katastrophe führen.
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Die
Größe der notwendigen
Temperaturänderung,
um die Leistung eines aufblasbaren Werkzeugs zu beeinträchtigen,
hängt von
einer Zahl von Parametern ab, wie zum Beispiel (1) dem Expansionsverhältnis des
Aufblaselements; (2) der relativen Steifigkeit der Stahlstruktur
des Aufblaselements, verglichen mit der Verdichtbarkeit und dem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Aufblasfluids; (3) der
relativen Steifigkeit des Futterrohrs und/oder der Formation, verglichen
mit der Verdichtbarkeit und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Aufblasfluids, und (4) den unelastischen Eigenschaften der Elastomerkomponenten
in dem Aufblaselement. Es gibt weitere Faktoren mit geringerer Bedeutung,
die Fachleuten auf dem betreffenden Gebiet bekannt sind.
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Ungeachtet
der spezifischen Werte der zuvor erwähnten Parameter können herkömmliche
aufblasbare Werkzeuge keine positiven oder negativen Temperaturänderungen
gegenüber
der anfänglichen Temperatur
am Ende ihres Aufblaszyklus' tolerieren, die
größer sind
als etwa 10 bis 15°F
(–12,2
bis (–9,4)°C). Falls
die Temperatur des Aufblasfluids um mehr als dieses Maß abweicht,
wird das Werkzeug übermäßigen Aufblasdrücken oder
unzureichenden Aufblasdrücken
ausgesetzt, die zu Werkzeugleistungsproblemen der oben beschriebenen
Natur führen
könnten.
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Außerdem kann
ein Wechsel der Aufblasfluid-Temperatur innerhalb von ±15°F um die
anfängliche
Temperatur nach dem Ausdehnen einen Lastwechsel in der Stahlstruktur
des Aufblaselements und in der Blase bewirken. Es besteht die Möglichkeit für ein ernstes
Problem, wenn das Aufblaselement eine laufende thermische Wechselbeanspruchung für eine begrenzte
Zeitspanne übersteht,
während derer
sich der zyklische Schaden im Werkzeug ansammelt. In einem solchen
Fall kann ein Ausfall zu einer Zeit, nachdem die Bohranlage vom
Standort des Bohrlochs abgefahren ist, auftreten. Folglich kann
ein aufblasbares Werkzeug eine kurzfristige funktionelle Leistung
während
niedriger Magnituden einer thermischen Wechselbeanspruchung gewährleisten.
Jedoch können
sich anhäufende
Schadenserscheinungen in Stahlstrukturen und/oder Elastomerkomponenten
auftreten und schließlich
einen Geräteausfall verursachen.
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Ein
zeitlich verzögerter
Ausfall kann kostspieliger und möglicherweise
katastrophaler sein als einer, der innerhalb einer kurzen Zeit nach
dem anfänglichen
Setzen des Werkzeugs auftritt. Das Ersetzen der ausgefallenen Vorrichtung
würde die
Durchführung
eines zweiten, der ersten Serviceoperation in Größe und Aufwand etwa gleichen
Projekts mit sich bringen, an Stelle des Falls eines kurzlebigen
Werkzeugs, das ausfallen würde,
bevor die Bohranlage abgetragen und vom Standort wegbewegt wird.
Operationen dieser Art können
mehr als einhunderttausend Dollar und bis zu mehreren Millionen
Dollar kosten.
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Es
gibt in der Erdöl-
und Erdgasindustrie viele Operationen, die erfolgreich Drucktrennungsvorrichtungen
verwenden, die laufend auf beträchtliche thermische
Auslenkungen und beträchtliche
Magnituden von kombiniertem positivem und negativem thermischem
Wechsel treffen. Typischerweise werden aufblasbare Vorrichtungen
als Kandidaten für solche
Projekte ausgeschlossen. Typische Projekte werden unten aufgelistet:
- – Großraum-Stimulierungsprojekte,
n
- – Selektive
Bereichsbehandlungsprojekte, n
- – Großraum-Zementeinpressprojekte,
n
- – Fördereinfachschieber-Service
in Erdöl- und/oder
Erdgasbohrlöchern,
die eine Abkühlung durch
den Joule-Thomson-Effekt und eine Abkühlung von Gasen erfahren, n,
c
- – Fördereinfachschieber-Service
in Erdöl- und/oder
Erdgasbohrlöchern,
die eine Erwärmung
durch tiefer geförderte
Fluide erfahren, p, c
- – Umwandlung
einer Förderbohrung
in eine Einpressbohrung und zeitweilige Isolierung zwischen Perforationsintervallen,
n, c
- – Huff-Puff-Dampfeinpressverfahren
zum Fördern viskoser
Erdölformationen,
p, c
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[n
= Diese Operationen führen
typischerweise zu einer großen
negativen thermischen Auslenkung (Abkühlung) in der Drucktrennungsvorrichtung.]
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[p
= Diese Operationen führen
typischerweise zu einer großen
positiven thermischen Auslenkung (Erwärmung) in der Drucktrennungsvorrichtung.]
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[c
= Diese Projekte wiederholten typischerweise mehrere thermische
Wechselbeanspruchungen in der Drucktrennungsvorrichtung über lange Zeiträume.]
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Die
ersten fünf
Projektkategorien sind sehr häufig
in der Industrie. Pro Jahr werden Tausende von ihnen ausgeführt. Die
unteren zwei Kategorien sind hinsichtlich weltweiter Aktivitäten verhältnismäßig selten.
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Falls
herkömmliche
Einfachschieber und Bridge-Plugs nicht in der Lage sind, einen Service
für eine
gegebene Bohrlochkonfiguration zu gewährleisten, weil sie nicht in
der Lage sind, durch Einengungen geführt und anschließend in
einem Futterrohr gesetzt zu werden, ist es üblich, eine Bohranlage zu verwenden,
um Verrohrung zu ziehen und ein kostspieliges Wiederaufwältigungsprojekt
auszuführen. Die
Verwendung von aufblasbaren Rohrdurchgangsvorrichtungen gewährleistet
der Erdöl-
und Erdgasindustrie gut bekannte Vorteile und Vielseitigkeit. Ihr Mangel
an Servicewürdigkeit
für Operationen,
die thermische Wechselbeanspruchung und thermische Auslenkungen
einschließen,
schließt
sie von einem beträchtlichen Teil
des Bedarfsservicesektors aus. Eine Erfindung, welche die schädlichen
Wirkungen von laufenden thermischen Auslenkungen und thermischer
Wechselbeanspruchung beseitigen würde, würde die zuvor erwähnten Probleme
beseitigen, die Vorteile und die Vielseitigkeit von aufblasbaren
Vorrichtungen steigern und Betreibern in der Industrie beträchtliche
Kosteneinsparungen gewährleisten.
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Unterirdische
Bohrlochwerkzeuge, wie beispielsweise herkömmliche Einfachschieber, Bridge-Plugs, Verrohrungsgehänge und
dergleichen, sind Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt und können auf
eine Vielzahl von Weisen, wie beispielsweise mechanisch, hydraulisch,
pneumatisch oder dergleichen, gesetzt oder aktiviert werden. Viele
solcher Vorrichtungen enthalten Dichtungsmechanismen, die sich beim
Einleiten eines wesentlich nicht zusammendrückbaren Betätigungsfluids zum Setzen der
Vorrichtung im Bohrloch in Radialrichtung nach außen ausdehnen,
um in dem ringförmigen
Bereich des Bohrlochs zwischen dem Äußeren der Vorrichtung und dem
Innendurchmesser des Bohrlochfutterrohrs, falls das Bohrloch ausgekleidet
ist, einer anderen Rohrleitung oder längs der Wand eines offenen Bohrlochs,
wie dem auch sei, eine Dichtung bereitzustellen.
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Häufig wird
die Dichtung anschließend
an das Setzen einer solchen Vorrichtung im Bohrloch eingerichtet
und wird durch Temperaturabweichungen der Vorrichtung oder in der
Nähe der
Vorrichtung beeinträchtigt.
Solche Temperaturabweichungen können
ein Ausdehnen oder ein Zusammenziehen des Dichtungsmechanismus' verursachen und
folglich mit der Zeit die Dichtung und selbst die Verankerungsintegrität der Vorrichtung
gefährden.
Zum Beispiel werden solche Vorrichtungen typischerweise bei Bohrloch-Stimulierungsarbeiten
verwendet, bei denen eine säurehaltige
Zusammensetzung in eine Formation oder eine Zone angrenzend an einen Bohrloch-Einfachschieber
oder einen Bridge-Plug eingepresst wird. Wenn das Stimulierungsfluid
in die Zone eingepresst wird, wird die Temperatur der Vorrichtung
und des Bohrlochs in der Nähe
der Formation verringert.
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Falls
das Bohrlochwerkzeug zum Beispiel einen Dichtungsmechanismus verwendet,
der eine aufblasbare Elastomerblase einschließt, wird die Temperatur des
zum Aufblasen der Blase und zum Erhalten derselben in der gesetzten
Position verwendeten Betätigungsfluids
durch die Temperaturverringerung während der Stimulierungsarbeit
beeinflusst, was eine Verringerung des Drucks innerhalb des Innern
der Blase, der Fluidkammern und der verbindenden Durchgänge innerhalb
des Werkzeugs verursacht. Diese Verringerung des Drucks wiederum
bewirkt, dass sich die Blase gegenüber der anfänglichen Setzposition zusammenzieht.
In dramatischeren Situationen kann die Verankerung der Vorrichtung
im Bohrloch verlorengehen, und die Differenzdrücke über die Vorrichtung können ein
Auseinanderziehen des Schlangenrohrs oder des Arbeitsstrangs verursachen,
was zu einem Projektausfall, einer teuren Lösung des "Korkenzieher"-Problems und beträchtlichen Betriebsrisiken führt.
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Andererseits
wird eben dieses aufblasbare Werkzeug ebenfalls durch einen Anstieg
der Vorrichtungstemperatur während
bestimmter Arten von sekundären
und tertiären
Einpresstechniken beeinträchtigt,
die beispielsweise das Einpressen von Dampf verwenden. Wenn der
Dampf in die Zone des Bohrlochs unmittelbar am gesetzten Einfachschieber oder
Bohrlochstopfen eingepresst wird, werden die Zone und die begleitenden
Vorrichtungen, einschließlich
der Verrohrung, schnell der gesteigerten Temperatur ausgesetzt.
Es ist bekannt, dass bei einigen Vorrichtungen des bekannten technischen Stands,
die aufblasbare Einfachschieber-Komponenten enthalten, das aufblasbare
Blasenelement tatsächlich
geborsten ist, auf Grund des Ausgesetztseins einem gesteigerten
Druck innerhalb der Blase und der verbundenen Fluidkammern und Durchgänge, wenn
Dampf durch die Vorrichtung strömt
und in die Bohrlochzone eingepresst wird.
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Im
US-Patent 4 655 292, mit dem Titel "Dampfeinpresseinfachschieber-Steller
und -Verfahren",
wird eine Vorrichtung gezeigt und offengelegt, die sich den mit
dem bekannten technischen Stand verbundenen Problemen dadurch zuwendet,
dass sie einen Mechanismus bereitstellt, der ein zusammendrückbares
Fluid, wie beispielsweise Stickstoffgas, enthält. Das Fluid wird verwendet,
um sich einem Anstieg der Temperatur während des Dampfeinpressens
und anderer Operationen anzupassen, um zu verhindern, dass der Einfachschieber
birst, im Ergebnis des Ausgesetztseins gesteigerten Drücken, die
sich aus dem Temperaturanstieg des Aufblasfluids und der Vorrichtungskomponenten
ergeben, wenn Dampf durch die Vorrichtung strömt.
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Die
vorliegende Erfindung wendet sich diesen mit den Vorrichtungen des
bekannten technischen Standes verbundenen Problemen zu durch Aufrechterhalten
eines verhältnismäßig gleichbleibenden
Aufblasdrucks, selbst wenn die Vorrichtung einzelne und/oder mehrfache
thermische Auslenkungen von beträchtlicher
Größe erfährt. Die
Erfindung arbeitet, um die negativen Wirkungen einer Kombination
von Erwärmung
und Abkühlung,
sowohl eines quasi statischen als auch eines dynamischen Wechsels,
zu vermindern.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine thermische Ausgleichsvorrichtung
zum Aufrechterhalten eines wesentlich gleichbleibenden Fluiddrucks innerhalb
eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs bereitgestellt, wobei die
Vorrichtung folgendes umfasst:
- (a) einen Körper;
- (b) eine erste und eine zweite Fluidkammer innerhalb des Körpers, wobei
die erste Fluidkammer ein erstes Fluid aufnimmt, die zweite Fluidkammer mit
einem zweiten, wesentlich zusammendrückbaren, Fluid gefüllt wird,
wobei die beiden Kammern erste volumetrische Größen innerhalb des Körpers des
Werkzeugs definieren, und
- (c) wobei die Fluidkammern wirksam miteinander verbunden werden,
ohne Fluid zwischen denselben zu übertragen, so dass Veränderungen
in der volumetrischen Größe der ersten
Kammer die volumetrische Größe der zweiten
Fluidkammer verändern
werden,
dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Fluidkammer
ein sekundärer
schwimmender Kolben bereitgestellt wird, wobei die eine Seite des
Kolbens zum zweiten Fluid zeigt und die andere Seite des Kolbens
dem hydrostatischen Bohrlochdruck ausgesetzt wird.
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Folglich
stellt die vorliegende Erfindung, zumindest bei bevorzugten Ausführungsbeispielen, eine
gasbetriebene thermische Ausgleichsvorrichtung und ein Verfahren
zum Aufrechterhalten eines verhältnismäßig gleichbleibenden
Drucks in einem Untertage-Werkzeug mit einer aufblasbaren Blase bereit,
so dass die Integrität
der Abdichtung und der Verankerung des Werkzeugs nicht beeinträchtigt wird.
Das Werkzeug der vorliegenden Erfindung schließt ein Gehäuse oder einen Körper ein,
in dem eine erste und eine zweite Fluidkammer bereitgestellt werden.
Die erste Fluidkammer nimmt vorzugsweise ein wesentlich nicht zusammendrückbares
Betätigungsfluid,
zum Beispiel Wasser, ein Setzfluid auf wässriger Basis, ein Zementitfluid
oder dergleichen, auf, die Fachleuten auf dem Gebiet alle zum Setzen von
aufblasbaren Einfachschiebern und ähnlichen Mechanismen bekannt
sind. Die erste Fluidkammer steht auf eine bekannte Weise in Verbindung
mit dem Inneren des Werkzeugs, so dass das Betätigungsfluid, das ein Aufblasen
oder ein anderes Ausdehnen von Dichtelementen in einen Dichteingriff
mit der Innenwand des Futterrohrs oder des offenen Bohrlochs bewirkt,
ebenfalls in der ersten Fluidkammer enthalten ist.
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Die
zweite Fluidkammer umfasst vorzugsweise ein zusammendrückbares
Fluid, das in die Kammer injiziert wird, bevor das Bohrlochwerkzeug in
das Bohrloch eingefahren wird. Beide Fluidkammern haben nach dem
Abschluss des Setzens des Werkzeugs im Bohrloch eine vorher festgelegte
anfängliche
volumetrische Größe. Die
volumetrische Größe der zweiten
Fluidkammer wird als Reaktion auf ein thermisches Ausdehnen oder
Zusammenziehen des Betätigungsfluids
in der ersten Kammer auf Grund von positiven oder negativen Temperaturveränderungen
anschließend
an das Setzen des Werkzeugs verändert.
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Solche
volumetrischen Veränderungen
werden über
die Verwendung von innerhalb des Gehäuses angeordneten schwimmenden
Kolben erreicht. Ein Kolben wird zwischen den Kammern angeordnet. Ein
zweiter Kolben definiert durch eine Fläche das unterste Ende der zweiten
Kammer, in der sich das zusammendrückbare Fluid befindet. Eine
zweite Fläche
des zweiten Kolbens wird dem hydrostatischen Bohrlochdruck ausgesetzt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird die zweite Kammer so gestaltet, dass ihre volumetrische Größe (am Ende
des Setzvorgangs) etwa fünf
Prozent (5%) der volumetrischen Größe der ersten Kammer (am Ende
des Setzvorgangs) beträgt.
Das Proportionieren der volumetrischen Größen der zwei Kammern auf diese
Weise ermöglicht,
dass die Erfindung eine quasi statische Druckerhaltung über positive
und negative thermische Auslenkungen von geringfügig mehr als 100°F (37,8°C) verleiht.
Dies stellt einen Betriebsbereich von 200°F dar. Es hat sich erwiesen,
dass bis auf einen der oben beschriebenen Listenpunkte alle thermische
Auslenkungsamplituden und thermische Pendelbereiche von weniger
als 200°F
(93,3°C)
haben.
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Während sie
sich an der Oberfläche
befindet, und bevor sie in das Bohrloch eingefahren wird, wird die
thermische Ausgleichsvorrichtung durch Injizieren eines zusammendrückbaren
Fluids in den volumetrischen Raum zwischen den zwei schwimmenden
Kolben für
den Betrieb vorbereitet. Der Druck des Fluids wird gesteigert, bis
er einen vorher gewählten
Wert oder "Ladedruck" erreicht. Die Größe des Ladedrucks
wird durch eine Kombination von Parametern bestimmt, zum Beispiel
(1) die Art des verwendeten zusammendrückbaren Fluids; (2) seine Verdichtbarkeits-
und thermischen Ausdehnungseigenschaften; (3) die für den gesamten
Arbeitszeitraum der Vorrichtung zu erwartenden hydrostatischen Drücke oberhalb
und unterhalb der aufblasbaren Vorrichtung; (4) die für den gesamten
Arbeitszeitraum der Vorrichtung zu erwartenden Vorrichtungstemperaturen,
und (5) die Art des Aufblasfluids in der ersten Kammer und seine
Verdichtbarkeits- und thermischen Ausdehnungseigenschaften.
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Jeder
dieser Parameter sollte beim Festlegen der richtigen Vorbereitung
der Erfindung und der Sicherung der gewünschten Funktion berücksichtigt werden.
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Wenn
die thermische Ausgleichsvorrichtung und das Verfahren in eine aufblasbare
Vorrichtung eingeschlossen werden, wird in der ersten und der zweiten
Kammer ein verhältnismäßig gleichbleibender
Druck aufrechterhalten. Wenn zum Beispiel ein herkömmlicher
aufblasbarer Bridge-Plug mit einem Einfahrdurchmesser von 2½ Zoll
(6,4 cm) in einem 7-Zoll-29-ppf-Futterrohr gesetzt wird und Stickstoffgas
als das zusammendrückbare
Fluid verwendet wird, werden die folgenden Parameter dazu führen, dass
der Druck in den beiden Kammern um ungefähr 1,80 Pfund/Quadratzoll je °F (6,9 × 103 Nm–2 je °C) schwankt,
wenn die Temperatur des Fluids in der ersten Kammer schwankt, was
den Druck in der ersten Kammer für
alle praktischen Zwecke bei Temperaturschwankungen innerhalb von ±100°F (37,8°C) wesentlich
gleichbleibend halten wird:
- 1. ein Ladedruck
von 1050 Pfund/Quadratzoll absolut (72,4 Bar) bei 70°F (21,1°C);
- 2. ein Setzdruck in der ersten und der zweiten Kammer bei 4350
Pfund/Quadratzoll absolut (300 Bar) am Ende des Setzvorgangs, und
- 3. eine anfängliche
Temperatur in dem Werkzeug (und dem Fluid in der ersten Kammer)
von 250°F (121,1°C).
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In
Bezug auf die physischen Eigenschaften der Vorrichtung wird die
volumetrische Größe der ersten
Kammer am Ende des Setzvorgangs bestimmt durch das Ausdehnungsverhältnis für dieses Werkzeug
bei jeder spezifischen Arbeitsaufgabe. Fast alle Projekte, die aufblasbare
Rohrdurchgangsvorrichtungen verwenden, haben ein Ausdehnungsverhältnis von
weniger als 3,25 : 1. Viele in der weltweiten Industrie durchgeführte Projekte
haben Ausdehnungsverhältnisse
von weniger als 3 : 1, und die meisten von ihnen haben Ausdehnungsverhältnisse von
weniger als 2,5 : 1. Die volumetrische Größe der zweiten Kammer bei einem
tatsächlichen
Werkzeug kann so ausgelegt werden, dass sie Arbeitsbedingungen für ein Ausdehnungsverhältnis von
3,25 : 1 und einen thermischen Wechselbeanspruchungsbereich von
200°F (93,3°C) entspricht.
Das Werkzeug und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können eine
quasi statische Druckerhaltung über
einen thermischen Wechselbeanspruchungsbereich von mehr als 200°F (93,3°C) gewährleisten,
wenn das Ausdehnungsverhältnis
kleiner als 3,25 : 1 ist. Diese Vielseitigkeit nützt den Anwendern, weil sie
nur eine Größe der Erfindung
im Lager halten und warten müssen,
um für
jede Größe eines
aufblasbaren Werkzeugs allen Arbeitsaufgaben zu genügen.
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Es
werden nun einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben, nur als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
Draufsicht eines nicht ausgedehnten Werkzeugs, wie beispielsweise
eines aufblasbaren Einfachschiebers, ist, mit dem die vorliegende
Erfindung verwendet werden kann,
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2 ein
in Längsrichtung
verlaufender Querschnitt der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung,
verbunden mit einem Werkzeug wie dem in 1, ist,
nachdem die Vorrichtung mit einem zusammendrückbaren Gas geladen wird, und
bevor das Werkzeug und die Vorrichtung unter Tage eingefahren werden,
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3 eine
Ansicht ähnlich
der von 2 ist, die zusätzliche
innere Bauteile des Werkzeugs illustriert und die Vorrichtung zeigt,
nachdem sie unter Tage eingefahren worden ist, aber bevor sie gesetzt worden
ist,
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4 eine
Ansicht ähnlich
der von 2 und 3 ist, welche
die Vorrichtung illustriert, nachdem das Werkzeug gesetzt worden
ist,
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5 eine
Ansicht ähnlich
der von 2 bis 4 ist, die
eine Bewegung des primären
Kolbens der Vorrichtung im Ergebnis einer Temperaturverringerung
in der Nähe
der gesetzten Einfachschiebervorrichtung illustriert, und
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6 eine
Ansicht ähnlich
der von 5 ist, die eine Bewegung des
primären
Kolbens im Ergebnis einer Temperaturerhöhung in der Nähe der gesetzten
Einfachschiebervorrichtung illustriert.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird zuerst ein Untertage-Werkzeug,
wie beispielsweise ein aufblasbarer Einfachschieber 10,
gezeigt, bei dem die Erfindung verwendet werden kann. Die Erfindung
kann ebenfalls bei vielen anderen Arten von Untertage-Werkzeugen
verwendet werden, die aufblasbare Elemente der beschriebenen Art
verwenden. Der Einfachschieber 10 schließt einen
oberen und einen unteren Bund 12 bzw. 14 ein.
Der Einfachschieber 10 wird auf eine herkömmliche
Weise, wie beispielsweise durch Gewinde, einen Verbinder oder auf
andere Weise, durch den oberen Bund 12 mit einem Träger T verbunden,
der sich zum oberen Ende des Bohrlochs erstreckt. Der Träger T kann
eine Rohrleitung, wie beispielsweise ein Schlangenrohr, ein Arbeitsstrangabschnitt,
eine elektrische Leitung oder dergleichen, sein.
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Der
Einfachschieber 10 schließt eine Reihe von Metallrippen
oder -leisten 16 ein, die sich auf herkömmliche Weise zwischen den
Bünden 12, 14 überlappen
und in Längsrichtung
erstrecken. Unterhalb der Rippen 16 wird eine herkömmliche
Blase (nicht gezeigt), hergestellt aus einem Elastomermaterial, bereitgestellt,
die auf eine gut bekannte Weise durch das Einleiten eines Druckfluids
von einer beliebigen Zahl von Quellen ausgedehnt werden kann.
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Das
Werkzeug 10 schließt
freigelegte Rippenabschnitte 16A und 16B ein,
die durch einen Elastomer-Abdeckungs- oder Dichtungsabschnitt 18 getrennt
werden. Obwohl in 1 eine Anordnung gezeigt wird,
bei der zwei freigelegte Rippenabschnitte durch einen Abdeckungsabschnitt
getrennt werden, kann die Erfindung auf ausdehnbare Werkzeuge einer
beliebigen Zahl von Größen und
Konfigurationen angewendet werden und ist nicht auf das in 1 illustrierte
Werkzeug begrenzt.
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Wenn
ein Druckfluid in die Blase eingeleitet wird und bewirkt, dass sie
sich ausdehnt (nicht gezeigt), dehnen sich die Rippen 16 und
der Abdeckungsabschnitt 18 nach außen in einen Kontakt mit dem
Futterrohr oder einer anderen Röhre,
in der das Werkzeug 10 angeordnet wird, aus. Typischerweise arbeiten
die freigelegten Verankerungsabschnitte 16A, 16B als
Verankerung für
das Werkzeug, während
der Abdeckungsabschnitt 18 als Dichtung arbeitet.
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Die
thermische Ausgleichsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird
in 2 bis 6 gezeigt und wird allgemein
durch die Referenzzahl 20 identifiziert. Die Vorrichtung 20 wird
durch eine Muffe 19, die mit dem unteren Bund 14 des
Werkzeugs 10 verbunden wird, mit dem in 1 gezeigten
Werkzeug 10 verbunden. Mit anderen Worten: Die Vorrichtung 20 wird
unterhalb des Werkzeugs 10 angeordnet, wenn es in das Bohrloch
hinuntergefahren wird.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird die thermische Ausgleichsvorrichtung 20 in
ihrer Position innerhalb eines Bohrlochs gezeigt, das ein Futterrohr
C mit einer glatten Innenwand C-1 hat. Vor dem Einführen der
Vorrichtung 20 in das Bohrloch wird ein wesentlich zusammendrückbares
Fluid, wie beispielsweise eine gasförmige Stickstoffzusammensetzung, unter
Druck in eine Kammer 21 eingeleitet, wie es unten beschrieben
wird. Die Menge des in die Kammer 21 eingeleiteten Gases
wird durch den hydrostatischen Druck und die Umgebungstemperatur
in dem Bohrloch an der zu erwartenden Setztiefe bestimmt und hängt von
denselben ab.
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3 zeigt
die inneren Verbindungen zwischen der Vorrichtung 20 und
dem aufblasbaren Einfachschieber 10. Das Werkzeug 10 schließt einen Steuerdom 22 ein,
der eine hohle Mittelröhre 22B hat,
durch die ein wesentlich nicht zusammendrückbares Fluid, wie beispielsweise
Wasser, ein Zementitmaterial oder ein anderes bekanntes, zum Setzen von
aufblasbaren Einfachschiebern verwendetes Fluid, eingeleitet wird,
wenn gewünscht
wird, den aufblasbaren Einfachschieber 10 in der Setztiefe
im Bohrloch zu setzen. Ein Steuerkopf oben an der Vorrichtung 10 (nicht
gezeigt) schließt
einen herkömmlichen
Tellerventilmechanismus (nicht gezeigt) ein, der es ermöglicht,
dass Druckfluid in die Fluidkammer 24 eintritt und bewirkt,
dass sich die Vorrichtung 10 nach außen zur Wand C-1 des Futtenohrs
C ausdehnt.
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Eine
Hülle aus
den sich überlappenden,
in Längsrichtung
erstreckenden Metallrippen oder -leisten 16 wird auf bekannte
Weise um die Außenseite der
aufblasbaren Elastomerblase 25 angeordnet. Es wird schematisch
gezeigt, dass zum Beispiel ein Elastomer-Abdeckungsabschnitt 26 (in 3 angeordnet
am unteren Ende des Werkzeugs 10 statt in der Mitte, wie
in 1 gezeigt) die Rippen 16 bedeckt. Wenn
der Abdeckungsabschnitt 26 ausgedehnt wird, stellt er eine
Dichtung zwischen dem Werkzeug 10 und der Wand C-1 des
Futtenohrs C im Bohrloch bereit, während der/die freigelegte(n)
ausgedehnte(n) Abschnitte) der Rippen 16 arbeitet/arbeiten,
um das Werkzeug 10 im Futterrohr C zu verankern.
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Unterhalb
des aufblasbaren Einfachschiebers 10 wird ein längliches
zylindrisches Gehäuse 28 angeordnet
und wird durch eine Gewindeverbindung an der Muffe 19 befestigt,
die wiederum einen länglichen
Durchgang 30 aufnimmt, der von der Mittellinie der Vorrichtung 20 versetzt
wird und an seinem obersten Ende mit der Aufblasfluidkammer 24 (3)
in Verbindung steht.
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Die
Kammer 21 (die Stickstoff oder ein anderes zusammendrückbares
Gas aufnimmt) wird durch einen primären schwimmenden Kolben 32,
der eine obere, zum Durchgang 30 zeigende Fläche 32A hat, vom
Durchgang 30 getrennt. Der schwimmende Kolben 32 hat
ebenfalls eine zweite oder untere Fläche 32B, die das oberste
Ende der Kammer 21 für
das zusammendrückbare
Gas definiert. Der Kolben 32 schließt ein Paar von dynamischen
Elastomer-O-Ringdichtungen 34 ein, um eine Fluiddichtung bereitzustellen,
wenn sich der Kolben 32 bewegt, wie es unten beschrieben
wird.
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Ein
sekundärer
schwimmender Kolben 36 wird ebenfalls für eine Bewegung in der Kammer 21 für ein zusammendrückbares
Gas angeordnet und hat eine obere Fläche 36A, die das untere
Ende der Kammer 21 definiert. Der sekundäre Kolben 36 hat ebenfalls
eine untere Fläche 36B,
die an ein Endelement 38, das mit dem untersten Ende des
Gehäuses 28 verbunden
ist, anstößt, wenn
der sekundäre
Kolben 36 zu seiner in 2 gezeigten
untersten Position bewegt wird. Das Endelement 38 hat eine
Mittelbohrung 40, durch die eine Pumpe oder Leitung (nicht
gezeigt) eingesetzt werden kann, um durch ein Einweg-Rückschlagventil 42,
das ein Entweichen des Gases aus der Kammer 21 verhindert,
ein zusammendrückbares
Gas in die Kammer 21 zu injizieren. Die Mittelbohrung 40 gewährleistet,
aus unten erörterten
Gründen,
außerdem
eine Fluidverbindung mit den Fluiden in dem Futterrohr C und der
unteren Fläche 36B des
sekundären
Kolbens 36. Der Kolben 36 schließt ein Paar
von dynamischen Elastomer-O-Ringdichtungen 40 ein, um eine
Fluiddichtung bereitzustellen, wenn sich der Kolben 36 bewegt,
wie es unten beschrieben wird.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird die Fluidleitung 22B,
durch die das Betätigungsfluid
zum Betätigen
des Werkzeugs 10 unter Druck weitergeleitet wird, ebenfalls
mit einem in der Vorrichtung 20 angeordneten Strömungsdurchgang 44 verbunden,
der als eine Verlängerung
der Fluidleitung 22B arbeitet. Der Strömungsdurchgang 44 schließt einen
horizontalen Knieabschnitt 44A ein, in dem eine Berstscheibe 45 angebracht
und innerhalb eines Berstscheibengehäuses 46 angeordnet
wird. Das Berstscheibengehäuse 46 definiert
einen Durchgang 47, der durch das Anbringen der Scheibe 45 blockiert
wird.
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Die
Berstscheibe 45 kann von einer beliebigen bekannten Art
sein und so konstruiert werden, dass sie zerbrechen oder zerspringen
wird, wenn sie über
ihre Innenfläche 45A einem
vorher festgelegten Ausmaß an
Druck ausgesetzt wird, das dem zum Setzen des aufblasbaren Einfachschieberwerkzeugs 10 im
Bohrloch erforderlichen Druck entspricht. Wenn die Scheibe 45 birst,
schließt
auf eine Fachleuten auf dem Gebiet der Verwendung von aufblasbaren
Werkzeugen bekannte Weise ein Fluid-/Druck-Einschlussmechanismus im Steuerabschnitt
der Vorrichtung 10 (nicht gezeigt). Wenn das Aufblasfluid
zurückgehalten
wird, ist die Vorrichtung 10 als an ihrem Platz gesetzt
zu betrachten. Ein solcher Zustand kann am oberen Ende des Bohrlochs oder
an einem anderen Punkt durch einen leichten Abfall des Drucks erfasst
werden, der in der mit dem Werkzeug 10 verbundenen Bohrlochleitung
(nicht gezeigt) abzulesen ist, was anzeigt, dass das Werkzeug 10 gesetzt
ist.
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3 zeigt
die relativen Positionen der Bauteile der thermischen Ausgleichsvorrichtung 20, nachdem
sie in das Bohrloch eingefahren ist, aber bevor das Werkzeug 10 betätigt und
gegen die Innenwand C-1 des Futterrohrs C gesetzt wird. In dieser
Position strömt
Fluid im Futterrohr C durch die Bohrung 40 in dem Endstück 38,
wie es durch den Pfeil F illustriert wird, und bewirkt, dass der
hydrostatische Bohrlochdruck WP auf die untere Fläche 36B des
sekundären
Kolbens 36 wirkt und den Kolben 36 nach oben bewegt
und das zusammendrückbare Gas
zusammendrückt,
das zuvor in die Kammer 21 gefüllt worden ist. Zu diesem Zeitpunkt
hat sich der sekundäre
Kolben 36 bei diesem Bohrlochdruck zu seiner maximalen
oberen Position innerhalb des Gehäuses 27 bewegt.
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4 zeigt
die relativen Positionen der Bauteile der thermischen Ausgleichsvorrichtung 20, nachdem
das Werkzeug 10 durch Injizieren eines wesentlich nicht
zusammendrückbaren
Aufblasfluids in die Fluidkammer 24 im Bohrloch gesetzt
worden ist. Das Fluid strömt
durch die Fluidöffnungen
vorbei an dem Tellerventil (nicht gezeigt) und in die Fluidkammer 24 und
dehnt die Blase 25 zusammen mit den Rippen 16 und
der Abdeckung 26 in Radialrichtung nach außen aus.
Das Aufblasfluid strömt
ebenfalls durch den Durchgang 30 und bewirkt, dass sich der
Kolben 32 in der Richtung des Pfeils G darin nach unten
bewegt und im Gehäuse 28 eine
Fluidkammer 49 erzeugt und das Gas in der Kammer 21 zusammendrückt. Der
auf das Gas in der Kammer 21 ausgeübte Druck bewirkt außerdem,
dass sich der sekundäre
Kolben 36 in der Richtung des Pfeils H nach unten in einen
Kontakt mit dem Endstück 38 bewegt, weil
zum Setzen des Werkzeugs 10 ein Druck wesentlich über dem
hydrostatischen Bohrlochdruck erforderlich ist.
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Nachdem
das Werkzeug 10 gesetzt ist, wird sich das Fluid im Werkzeug 10 zusammenziehen, falls
der Bereich in der Nähe
des Werkzeugs 10 einen Abfall der Temperatur erfährt. Wenn
dieser Zustand eintritt, bewirkt, wie es in 5 gezeigt
wird, das zusammengedrückte
Gas in der Kammer 21, dass sich der schwimmende Kolben 32 in
der Richtung des Pfeils I nach oben bewegt, was wiederum wirkt,
um im Werkzeug 10 einen wesentlich gleichmäßigen Fluiddruck
aufrechtzuerhalten und zu verhindern, dass die Verankerung und die
Abdichtung beeinträchtigt werden.
Der sekundäre
Kolben 36 bleibt in Kontakt mit dem Endstück.
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Im
Fall eines Anstiegs der Temperatur in der Nähe des Werkzeugs 10 wird
sich das Aufblasfluid in den Kammern 24 und 49 ausdehnen.
Jede Fluidausdehnung innerhalb des Werkzeugs 10 wird durch
den Durchgang 30 unverzüglich
zum Kolben 32 übertragen
und bewirkt, dass sich der Kolben 32, wie es in 6 gezeigt
wird, in der Richtung des Pfeils J nach unten bewegt und das in
der Kammer 21 befindliche Gas zusammendrückt, um
eine wesentlich gleichbleibende Druckeinstellungsintegrität und ein
Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
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Es
sind folglich eine thermische Ausgleichsvorrichtung und ein Verfahren
gezeigt und beschrieben worden, die ungeachtet der Art der Temperaturschwankung,
die das Werkzeug erfährt,
einen wesentlich gleichbleibenden Fluiddruck in einem aufblasbaren
Untertage-Werkzeug aufrechterhalten. Die Vorrichtung verwendet eine
mit einem zusammendrückbaren
Gas gefüllte
Kammer, definiert zwischen einem Paar von schwimmenden Kolben, um
diese Ergebnisse zu erreichen, gewährleistet aber zuvor nicht
verfügbare
Vorteile.
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Obwohl
die Erfindung in Hinsicht auf spezifizierte Ausführungsbeispiele, die detailliert
dargelegt werden, beschrieben worden ist, sollte es sich von selbst
verstehen, dass dies nur als Veranschaulichung dient, und dass die
Erfindung nicht notwendigerweise auf dieselben begrenzt ist, da
Fachleuten auf dem Gebiet angesichts der Offenlegung alternative
Ausführungsbeispiele
und Arbeitstechniken offensichtlich sein werden. Dementsprechend
werden Modifikationen vorgesehen, die vorgenommen werden können, ohne
vom Rahmen der beschriebenen Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
wird.