DE60014052T2 - Vorrichtung zur beibehaltung eines gleichmässigen druckes in einem aufblasbaren bohrlochwerkzeug - Google Patents

Vorrichtung zur beibehaltung eines gleichmässigen druckes in einem aufblasbaren bohrlochwerkzeug Download PDF

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    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/12Packers; Plugs
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • [n = Diese Operationen führen typischerweise zu einer großen negativen thermischen Auslenkung (Abkühlung) in der Drucktrennungsvorrichtung.]
  • [p = Diese Operationen führen typischerweise zu einer großen positiven thermischen Auslenkung (Erwärmung) in der Drucktrennungsvorrichtung.]
  • [c = Diese Projekte wiederholten typischerweise mehrere thermische Wechselbeanspruchungen in der Drucktrennungsvorrichtung über lange Zeiträume.]
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Jeder dieser Parameter sollte beim Festlegen der richtigen Vorbereitung der Erfindung und der Sicherung der gewünschten Funktion berücksichtigt werden.
  • 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).
  • 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.
  • Es werden nun einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, nur als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 eine Draufsicht eines nicht ausgedehnten Werkzeugs, wie beispielsweise eines aufblasbaren Einfachschiebers, ist, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann,
  • 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,
  • 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,
  • 4 eine Ansicht ähnlich der von 2 und 3 ist, welche die Vorrichtung illustriert, nachdem das Werkzeug gesetzt worden ist,
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (15)

  1. Thermische Ausgleichsvorrichtung (20) zum Aufrechterhalten eines wesentlich gleichbleibenden Fluiddrucks innerhalb eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs, wobei die Vorrichtung folgendes umfasst: (a) einen Körper; (b) eine erste und eine zweite Fluidkammer (49, 21) innerhalb des Körpers, wobei die erste Fluidkammer (49) ein erstes Fluid aufnimmt, die zweite Fluidkammer (21) 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 (21) ein sekundärer schwimmender Kolben (36) bereitgestellt wird, wobei die eine Seite (36A) des Kolbens zum zweiten Fluid zeigt und die andere Seite (36B) des Kolbens dem hydrostatischen Bohrlochdruck ausgesetzt wird.
  2. Thermische Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem einen primären schwimmenden Kolben (32) umfasst, der die erste und die zweite Fluidkammer (49, 21) wirksam verbindet, wobei eine Seite (32A) des primären Kolbens einen Abschnitt der ersten Fluidkammer (49) definiert und eine zweite Seite (32B) des primären Kolbens einen Abschnitt der zweiten Fluidkammer (21) definiert, wobei der primäre Kolben als Reaktion auf Druckveränderungen in der ersten Fluidkammer bewegt werden kann.
  3. Thermische Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ausgelegt zum Aufrechterhalten eines wesentlich gleichbleibenden Fluiddrucks innerhalb eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs (10) von der Art, die eine Blase (25) einschließt, die beim Einleiten eines unter Druck stehenden Betätigungsfluids selektiv ausgedehnt werden kann, um das Werkzeug an einer Stelle in einem Bohrloch zu betätigen, bei der: das erste Fluid ein wesentlich nicht zusammendrückbares Fluid ist und die erste Kammer (49) mit dem zum Betätigen des Werkzeugs in dem Bohrloch verwendeten Betätigungsfluid in Verbindung steht, so dass durch Temperaturveränderungen im Betätigungsfluid verursachte Veränderungen in der volumetrischen Größe der ersten Kammer (49) die volumetrische Größe der zweiten Fluidkammer (21) verändern werden, um das Betätigungsfluid bei einem wesentlich gleichbleibenden Druck zu halten.
  4. Thermische Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Werkzeug (10) einen hohlen Dorn (22) einschließt, durch den das Betätigungsfluid übertragen wird, und die erste Fluidkammer (49) in Fluidverbindung mit dem Dorn steht.
  5. Thermische Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 4, die außerdem ein Einweg-Rückschlagventil (42) im sekundären Kolben (36) einschließt, durch das ein zusammendrückbares Fluid in die zweite Fluidkammer (21) gefüllt werden kann.
  6. Thermische Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 5, die außerdem einen Stopfen einschließt, um das Einweg-Rückschlagventil (42) zu verstopfen und zu verhindern, dass Fördermedium in die zweite Fluidkammer (21) eintritt.
  7. Thermische Ausgleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, die außerdem einen Fluiddurchgang (22B) in Fluidverbindung mit dem Betätigungsfluid und eine Berstscheibe (45) im Durchgang einschließt, eingestellt, um bei einem vorher festgelegten Druck zu bersten, um das Werkzeug zu setzen.
  8. Verfahren zum Aufrechterhalten eines wesentlich gleichbleibenden Fluiddrucks innerhalb eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) eine erste Fluidkammer (49), die das zum Betätigen des Werkzeugs im Bohrloch verwendete Betätigungsfluid enthält und mit demselben in Verbindung steht, und eine zweite Fluidkammer (21), gefüllt mit einem zusammendrückbaren Fluid, bereitzustellen, wobei die beiden Kammern bei Betätigung des Werkzeugs in dem Bohrloch erste volumetrische Größen innerhalb des Körpers definieren, und (b) die Fluidkammern wirksam miteinander zu verbinden, ohne Fluid zwischen denselben zu übertragen, so dass durch Temperaturveränderungen im Betätigungsfluid verursachte Veränderungen in der volumetrischen Größe der ersten Kammer die volumetrische Größe der zweiten Fluidkammer verändern werden, um das Betätigungsfluid bei einem wesentlich gleichbleibenden Druck zu halten, gekennzeichnet durch das Einschließen eines sekundären schwimmenden Kolbens (36) in der zweiten Fluidkammer, wobei die eine Seite (36A) des Kolbens zum zusammendrückbaren Gas zeigt und die andere Seite (36B) dem hydrostatischen Bohrlochdruck ausgesetzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das außerdem den Schritt einschließt, einen primären schwimmenden Kolben (32) wirksam mit der ersten und der zweiten Fluidkammer zu verbinden, wobei eine Seite (32A) des primären Kolbens einen Abschnitt der ersten Fluidkammer (49) definiert und eine zweite Seite (32B) des primären Kolbens einen Abschnitt der zweiten Fluidkammer (21) definiert, wobei der primäre Kolben als Reaktion auf Druckveränderungen in der ersten Fluidkammer bewegt werden kann.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, das außerdem den Schritt einschließt, das Betätigungsfluid durch einen hohlen Dorn (22) zu übertragen, wobei die erste Fluidkammer (49) in Fluidverbindung mit dem Dorn steht.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, das außerdem den Schritt einschließt, ein zusammendrückbares Fluid durch ein Einweg-Rückschlagventil (42) im sekundären Kolben (36) zu füllen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, das außerdem den Schritt einschließt, das Einweg-Rückschlagventil (42) zu verstopfen, um zu verhindern, dass Fördermedium in die zweite Fluidkammer (21) eintritt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, das außerdem den Schritt einschließt, durch Bereitstellen eines Durchgangs (22B) in Fluidverbindung mit dem Betätigungsfluid und einer Berstscheibe (45) im Durchgang, eingestellt, um bei einem vorher festgelegten Druck zu bersten, um das Werkzeug zu setzen, eine Überdrucksituation im Betätigungsfluid zu verhindern.
  14. Vorrichtung zum Aufrechterhalten der Integrität eines Aufblasdrucks innerhalb einer längs einer Wand in einem unterirdischen Bohrloch gesetzten Vorrichtung, die folgendes umfasst: einen Körper einschließlich eines Dorns (22), ein um den Dorn angeordnetes ausdehnbares aufblasbares Elastomerelement (25), eine Abdeckung (16), die das aufblasbare Element umschließt und bei einer Fluidausdehnung des aufblasbaren Elements in Axialrichtung nach außen in einen Dichteingriff mit der Wand des Bohrlochs bewegt werden kann, einen Durchgang (22B), der mit einer Druckquelle eines wesentlich nicht zusammendrückbaren Fluids in Verbindung steht und zum Übertragen des Fluiddrucks, um das aufblasbare Element aufzublasen, durch den Körper, den Dorn und das aufblasbare Element verläuft, eine Aufblasfluidkammer (49) innerhalb des aufblasbaren Elements und des Körpers, eine zweite Kammer (21) innerhalb des Körpers zum Aufnehmen einer wesentlich zusammendrückbaren Fluidmasse und einen ersten beweglichen Kolben (32) mit einer Fläche, die das eine Ende der zweiten Kammer innerhalb des Körpers bildet, um die Aufblasfluidkammer und die zweite Kammer zu trennen, gekennzeichnet durch einen zweiten beweglichen Kolben (36) innerhalb des Körpers, der eine Fläche, die das eine Ende der zweiten Kammer innerhalb des Körpers bildet, und eine andere Fläche, die dem hydrostatischen Druck innerhalb des Bohrlochs ausgesetzt wird, hat und als Reaktion auf einen Anstieg des hydrostatischen Bohrlochdrucks auf die andere Fläche zu der Aufblasfluidkammer hin bewegt werden kann.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher der zweite bewegliche Kolben (36) ein Einweg-Rückschlagventil (42) einschließt, um ein zusammendrückbares Fluid in einer Richtung in die zweite Kammer (21) einzuleiten und eine Bewegung des zusammendrückbaren Fluids in einer anderen Richtung aus der Kammer zu verhindern.
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