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Die
Erfindung betrifft allgemein unterirdische Bohrlochwerkzeuge, wie
beispielsweise aufblasbare Einfachschieber, Bridge-Plugs oder dergleichen,
die durch das Einleiten eines Fluids in eine ausdehnbare Elastomerblase
aufgeblasen werden, und insbesondere eine gefederte Vorrichtung
und ein Verfahren zum Aufrechterhalten eines verhältnismäßig gleichmäßigen Fluiddrucks
in der Blase, wenn das Werkzeug nach dem Ausdehnen 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
(5,6 bis 8,3°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 thermischen
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
Fluids erfahren, p, c
- – Umwandlung
einer Förderbohrung
in eine Einpreßbohrung
und zeitweilige Isolierung zwischen Perforationsintervallen, n,
c
- – Stoß/Blas Dampfeinspritzung
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.]
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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.
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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 durch
eine Vielzahl von Mitteln, wie beispielsweise mechanische, hydraulische,
pneumatische oder dergleichen, gesetzt oder aktiviert werden. Viele solcher
Vorrichtungen enthalten Dichtungsmechanismen, die sich 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 4655292, 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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GB 2322394 legt ein Druckausgleichssystem für einen
Einfachschieber offen, das ermöglicht,
das Fluid von unterhalb des aufgeblasenen Elements entweicht, wenn
Steigerungen der Fluidtemperatur den Druck unter dem Element steigern.
Das System führt
hinter dem Element zusätzlich
Fluid zu, sollten die Bohrlochfluids in der Temperatur abnehmen,
und folglich den Druck hinter dem Element absenken. Dies wird durch
die Verwendung eines durch zwei Federn gesteuerten Kolbens erreicht.
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Die
vorliegende Erfindung wendet sich den mit 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 beliebigen
Kombination von Erwärmung
und Abkühlung,
sowohl eines quasi statischen als auch eines dynamischen Wechsels,
zu vermindern.
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Nach
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine thermische
Ausgleichsvorrichtung zum Aufrechterhalten eines verhältnismäßig gleichbleibenden
Fluiddrucks innerhalb eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs bereit,
wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
einen Körper mit
einer Längsachse,
wobei der Körper für den Anschluß an das
Bohrlochwerkzeug geeignet ist,
einen Dorn im Körper, wobei
der Dorn längs
der Längsachse
im Verhältnis
zum Körper
bewegt werden kann, und
wenigstens eine Druckfeder, wobei wenigstens
ein teil der Druckfeder im Verhältnis
zum Dorn befestigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder
eine Reihe von gestapelten Belleville-Scheiben umfaßt.
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Weitere
bevorzugte Merkmale werden in den Ansprüchen 2 bis 9 dargelegt.
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Nach
einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine thermische
Ausgleichsvorrichtung zum Aufrechterhalten eines verhältnismäßig gleichbleibenden
Fluiddrucks innerhalb eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs von
der Art bereit, die auf eine Quelle eines Betätigungsfluids anspricht, um das
Werkzeug an einer Stelle in einem Bohrloch zu wenigstens einer der
Positionen Abdichtung und Verankerung zu stellen, wobei die Vorrichtung
folgendes umfaßt:
einen
Körper,
eine
Fluidkammer innerhalb des Körpers,
um ein wesentlich nicht zusammendrückbares Fluid zum Stellen des
Werkzeugs in wenigstens eine der Positionen aufzunehmen,
wobei
die Fluidkammer als Reaktion auf die Bedienung des Werkzeugs und
danach als Reaktion auf thermische Veränderungen des Fluids in der
Fluidkammer ausgedehnt und zusammengezogen werden kann, und
einen
Energiespeicher- und -freisetzungsmechanismus, der auf Druckveränderungen
in der Fluidkammer anspricht, um die Fluidkammer als Reaktion auf Druckschwankungen
im Fluid auszudehnen oder zusammenzuziehen, um das Fluid bei einem
verhältnismäßig gleichbleibenden
Druck zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher- und
-freisetzungsmechanismus eine Reihe von gestapelten Belleville-Scheiben
umfaßt.
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Weitere
bevorzugte Merkmale werden in den Ansprüchen 11 bis 13 dargelegt.
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Nach
einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Aufrechterhalten eines wesentlich gleichbleibenden Fluiddrucks
innerhalb eines unterirdischen Bohrlochwerkzeugs der Art bereit,
die auf eine Quelle eines Betätigungsfluids
anspricht, um das Werkzeug an einer Stelle in einem Bohrloch zu
wenigstens einer der Positionen Abdichtung und Verankerung zu stellen,
wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Ausdehnen und Zusammenziehen
einer Fluidkammer, die das Betätigungsfluid
enthält,
als Reaktion auf die Bedienung des Werkzeugs und danach als Reaktion
auf thermische Veränderungen
des Fluids in der Fluidkammer und
Speichern oder Freisetzen
von Energie in einem Energiespeicher- und -freisetzungsmechanismus,
der auf Druckveränderungen
in der Fluidkammer anspricht, um die Fluidkammer als Reaktion auf
Druckschwankungen im Fluid auszudehnen oder zusammenzuziehen, um
das Fluid bei einem verhältnismäßig gleichbleibenden
Druck zu erhalten,
dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher- und
-freisetzungsmechanismus eine Reihe von gestapelten Belleville-Scheiben
umfaßt.
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Weitere
bevorzugte Merkmale werden in den Ansprüchen 15 bis 17 dargelegt.
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Folglich
stellt die vorliegende Erfindung, zumindest bei ihren bevorzugten
Ausführungsbeispielen,
eine gefederte Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten
eines verhältnismäßig gleichbleibenden
Drucks in dem Werkzeug mit einer aufblasbaren Blase bereit, so daß die Integrität der Abdichtung
und der Verankerung eines Untertage-Werkzeugs nicht beeinträchtigt wird.
Das Werkzeug umfaßt
einen Körper
mit einem durch den Körper
getragenen Steuerdorn. Eine Feder, die in der Lage ist, Energie
zu speichern, wie beispielweise eine Reihe von gestapelten Belleville-Scheiben
oder andere Arten von Druckfedern, werden bereitgestellt, um Energie
aufzunehmen und zu speichern, die durch eine relative Bewegung während jeder
Betätigung
des Werkzeugs und eine anschließende
thermische Ausdehnung von Fluid innerhalb des ausdehnbaren Innern
auf die Feder übertragen
wird. Die Feder gibt außerdem
bei einem thermischen Zusammenziehen von Fluid innerhalb des ausdehnbaren
Innern des Werkzeugs alle solche gespeicherte Energie frei. Bei
einem Ausführungsbeispiel
hat die Feder die Eigenschaft, bei entsprechend größeren Durchbiegungsgraden
eine fortschreitend höhere
Kraft auszuüben.
Fachleuten auf dem Gebiet sind Federn, die diese Charakteristik
aufweisen, als Federn mit zunehmender Konstante bekannt, bei denen
die Konstante in Krafteinheiten pro laufende Durchbiegungseinheit
(z.B. Pfund pro Zoll) gemessen wird. Eine solche Feder mit zunehmender
Konstante wird sich als Reaktion auf den Blasenaufblasdruck in einem
gewissen Maß durchbiegen,
wird sich aber als Reaktion auf diesen Druck nicht vollständig durchbiegen,
wodurch diese Feder positive oder negative Temperaturauslenkungen
ausgleichen wird.
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Die
zum Betätigen
des Werkzeugs erforderliche Energiemenge, wenn die Blase aufgeblasen wird
und das Werkzeug nach außen
ausgedehnt wird, um das Werkzeug im Verhältnis zu der Wand des Bohrlochs
zu verankern und abzudichten, wird auf die Feder übertragen
derart, daß die
in der Feder gespeicherte Energiemenge die Differenz zwischen dem
hydrostatischen Druck in der Betätigungstiefe und
dem Betätigungsdruck
des Betätigungsfluids
ist. Dementsprechend wird im Fall einer Temperaturverringerung in
der Nähe
der Vorrichtung anschließend an
das Setzen die innerhalb der Feder gespeicherte Energie in das aufblasbare
Innere des Werkzeugs freigegeben derart, daß dieser Druck innerhalb des Werkzeugs
auf einem verhältnismäßig gleichbleibenden
Niveau gehalten wird.
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Gleichfalls
wird ein Anstieg der die Vorrichtung umgebenden Temperatur anschließend an
das Setzen oder Betätigen
des Werkzeugs in die Feder übertragen
derart, daß der
thermische Anstieg keine wesentliche Ausdehnung von Fluid innerhalb
des ausdehnbaren Innern des Werkzeugs verursachen und folglich seine
Abdichtungs- oder Verankerungsfunktion beeinträchtigen wird. Auf diese Weise
werden alle thermischen Abweichungen innerhalb des Betätigungsfluids
anschließend
an das Setzen oder Betätigen
des Werkzeugs durch die Energiespeicherfähigkeit der Feder absorbiert,
für eine
mögliche
anschließende
Verwendung zum Nachstellen des Fluiddrucks innerhalb des Innern
des Werkzeugs.
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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, in dem die vorliegende Erfindung
verwendet werden kann, ist,
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2 eine
teilweise Querschnittsansicht der thermischen Ausgleichsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung, angeschlossen an dem unteren Ende des Einfachschiebers
von 1, ist, welche die Vorrichtung in ihrer Einfahrposition
zeigt,
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3 eine
teilweise Querschnittsansicht der Vorrichtung von 2 in
ihrer gesetzten Position ist,
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4 eine
teilweise Querschnittsansicht der Vorrichtung von 2 in
ihrem thermisch zusammengezogenen Zustand ist und
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5 eine
teilweise Querschnittsansicht der Vorrichtung von 2 in
ihrem thermisch ausgedehnten Zustand ist.
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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 5 gezeigt und wird allgemein
durch die Referenzzahl 20 identifiziert. Die Vorrichtung 20 wird
durch eine Muffe 22, 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 Vorrichtung in ihrem
Einfahrmodus, bevor das Betätigungsfluid
eingeleitet worden ist, um die Blase auszudehnen und das Werkzeug 10 zu
betätigen,
gezeigt. Die Muffe 22 wird durch Gewinde oder einen anderen
geeigneten Verbinder (nicht gezeigt) auf eine auf dem Gebiet gut
bekannte Art mit einer Schieberuntereinheit 24 verbunden.
Ein Paar von Elastomer-O-Ring-Dichtungen 26A, 26B wird
in einer in der Schieberuntereinheit 24 geformten Nut zwischen
der Muffe 22 und der Schieberuntereinheit 24 angeordnet,
um den Durchgang von Fluid zu verhindern. Ein Kolben 28 wird
für eine
Bewegung innerhalb der Schieberuntereinheit 24 und im Verhältnis zu
derselben angeordnet. Der Kolben 28 wird ebenfalls für eine Bewegung
außerhalb
eines Dorns 32 und im Verhältnis zu demselben angeordnet.
Drei Elastomer-O-Ring-Dichtungen 30A, 30B und 30C werden in
einer in der Schieberuntereinheit 24 geformten Nut angeordnet,
um eine fluiddichte Abdichtung zwischen der Schieberuntereinheit 24 und
dem Kolben 28 zu gewährleisten.
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Es
wird zu erkennen sein, daß der
Kolben 28 nicht an der Schieberuntereinheit 24 befestigt
wird, sondern innerhalb der Schieberuntereinheit 24 und außerhalb
des Dorns 32 angeordnet wird. Im oberen Ende der Vorrichtung 20 wird
eine Fluidkammer 34 gebildet, die zum Aufnehmen eines zum
Ausdehnen der Blase und Betätigen
des Werkzeugs 10 verwendeten Fluids mit dem Innern des
Werkzeugs 10 in Verbindung steht. Zwischen der Außenfläche des Kolbens 28 und
der Innenfläche
der Schieberuntereinheit 24 wird ein Durchgang 34A angeordnet,
der mit der Fluidkammer 34 in Verbindung steht.
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Drei
Elastomer-O-Ring-Dichtungen 36A, 36B und 36C werden
in einer in der Innenfläche
des Kolbens 28 geformten Nut angeordnet, um eine fluiddichte
Abdichtung zwischen der Innenfläche
des Kolbens 28 und der Außenfläche des Dorns 32 zu
gewährleisten.
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Der
Kolben 28 hat eine untere Fläche 28A, die in Kontakt
mit dem obersten Ende einer Feder 38 ist, die, wie es in 2 bis 5 gezeigt
wird, eine Reihe von gestapelten Belleville-Scheibenelementen ist.
Obwohl die Belleville-Scheiben die zu bevorzugende Form von Federn
für diese
Erfindung sind, könnten
andere Arten von Druckfedern, in der Lage sind, Energie zu speichern,
ebenfalls verwendet werden. Die Belleville-Scheiben werden in ihrer
ausgedehnten Position gezeigt, welche die Position ist, in der wenig
oder keine Energie in ihnen gespeichert ist.
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Gegen
das unterste Ende der Feder 38 wird eine Gegenmutter 40 abgesetzt,
um einer Bewegung der Feder 38 Widerstand entgegenzusetzen.
Die Gegenmutter 40 kann eine verjüngte Innenfläche einschließen, um
einen Rohrklemmkeil 42, der die Gegenmutter 40 fest
an ihrem Platz sichert, in Eingriff zu nehmen.
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3 zeigt
die Positionen der verschiedenen Bauteile der thermischen Ausgleichsvorrichtung 20,
wenn ein Betätigungsfluid
unter Druck in das Werkzeug 10 eingeleitet worden ist,
um die Blase auszudehnen und das Werkzeug 10 zu setzen.
Das Betätigungsfluid
ist ein wesentlich nicht zusammendrückbares Fluid, zum Beispiel
Wasser, andere wäßrige Fluids,
ein zementartigen Fluid oder dergleichen.
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Wenn
Fluid unter Druck in das Werkzeug 10 eingeleitet wird,
strömt
es ebenfalls in die Fluidkammer 34 und den Durchgang 34A.
Das unter Druck gesetzte Fluid bewirkt, daß sich das Aufblaswerkzeug ausdehnt,
was wiederum bewirkt, daß sich
der untere Bund 14 zusammen mit der Muffe 22 und
der Schieberuntereinheit 24 nach oben zur Position C in 3 bewegt,
wie es durch den Pfeil 44 illustriert wird. Das unter Druck
gesetzte Fluid wirkt auf den Kolben 28 und bewegt ihn,
wie es durch den Pfeil 46 illustriert wird, zur Feder 38 nach
unten, bis er die in 3 gezeigte Position B erreicht.
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Die
Zunahme des Drucks innerhalb der Fluidkammer 34 und des
Durchgangs 34A wird folglich zu der Feder 38 übertragen
und bewirkt, daß die
Feder 38, wie es in 3 gezeigt
wird, zusammengedrückt
wird und eine Energiemenge speichert, die mit dem Produkt aus der
Differenz zwischen dem hydrostatischen Bohrlochdruck in der Betätigungstiefe
des Werkzeugs 10 und dem Druck innerhalb der Fluidkammer 34 mal
der Projektionsfläche
des Endes des Kolbens 28 und dem Durchbiegungsgrad des
Federnstapels verbunden ist.
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4 illustriert
die relativen Positionen der Bauteile der thermischen Ausgleichsvorrichtung 20 in dem
Fall, daß sich
das Fluid innerhalb der Kammer 34 und des Durchgangs 34A aufgrund
einer Abkühlung
in der Nähe
des Werkzeugs 10, zum Beispiel während einer Durchleitung von
Fluid durch die Verrohrung T und in die angrenzende Formation (nicht gezeigt),
zusammenzieht. In einem solchen Fall wird die innerhalb der Feder 38 gespeicherte
Energie durch den Kolben 28, der sich im Verhältnis zu
der Schieberuntereinheit 24 und der Muffe 22 von
der Position B zur Position D nach oben bewegt, freigegeben. Diese
Bewegung bewirkt, daß sich
die Fluidkammer 34 zusammenzieht und den Druck innerhalb des
Werkzeugs 10 wirksam stabilisiert, so daß der Fluiddruck
auf einem wesentlich gleichbleibenden Niveau gehalten wird, das
etwa das gleiche ist wie der zum Aufrechterhalten der Abdichtungsfunktion
des Werkzeugs 10 erforderliche Druck.
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5 zeigt
die relativen Positionen der Bauteile der thermischen Ausgleichsvorrichtung 20, wenn
sich das Fluid innerhalb der Kammer 34 und des Durchgangs 34A ausdehnt,
weil das Werkzeug 10 einer Heizwirkung ausgesetzt ist,
zum Beispiel, wenn bei tertiären
Rückgewinnungsoperationen
verwendeter Dampf durch die Verrohrung T eingeleitet wird oder eine
Vor-Ort-Erhitzung auftritt, wenn ein Bohrloch geschlossen wird.
Diese Heizwirkung verursacht einen gesteigerten Fluiddruck innerhalb
der Fluidkammer 34 und des Durchgangs 34A. Wie
es in 5 gezeigt wird, bewirkt diese Steigerung des Fluiddrucks,
daß sich
der Kolben 28 im Verhältnis
zu der Muffe 22 und der Schieberuntereinheit 24 nach
unten, zur Position E bewegt und bewirkt, daß die Feder 38 zusammengedrückt wird.
Diese Steigerung des Fluiddrucks wird in der Feder 38 in
gespeicherte Energie umgewandelt und wirkt, um den Fluiddruck im Werkzeug 10 auf
wesentlich dem gleichen Niveau zu halten, wie als das Werkzeug anfangs
betätigt
wurde.
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Es
wird zu erkennen sein, daß in
der thermischen Ausgleichsvorrichtung 20 eine Feder mit
einer beliebigen Zahl von Konfigurationen verwendet werden kann.
Vorzugsweise wird eine Reihe von zehn Paaren von gegenüberliegenden
Sätzen
von gestapelten Belleville-Scheiben, die eine Länge von etwa 6 Zoll bis 9 Zoll
(15 bis 23 cm) haben, für
ein Werkzeug, wie beispielsweise ein Kiesabdichtwerkzeug, verwendet,
das etwa 2 1/8 Zoll (5,5 cm) Durchmesser hat, das durch eine Einengung
von 2,31 Zoll (5,9 cm) Durchmesser in einer Förderverrohrung von 2 7/8 Zoll
(7,3 cm) eingefahren wird. Es hat sich gezeigt, daß diese
Abmessungen geeignet sind, um Temperaturschwankungen von ±15 bis
20°F (8,3
bis 11,1°C) auszugleichen.
Für Werkzeuge,
die größeren Schwankungen,
zum Beispiel +75 bis 100°F
(41,7 bis 55,6°C)
ausgesetzt sind, würde
ein längerer
Federmechanismus verwendet werden. Als Alternative dazu könnten eine
oder mehrere Metall-Schraubenfedern oder -Scheiben eingesetzt werden.
Wenn Kraft/Energiespeichermechanismen wie Belleville-Scheibenfedern
der Vorrichtung 20 verwendet werden, sind die kombinierten
Werkzeuge aus der Vorrichtung 10 und der Vorrichtung 20 in
der Lage, einen verhältnismäßig gleichbleibenden
Aufblasdruck innerhalb des Werkzeugs 10 aufrechtzuerhalten
und damit unter Umständen,
unter denen herkömmliche Werkzeuge
wie das aufblasbare Werkzeug 10 versagen würden, die
funktionelle Leistung aufrechtzuerhalten. Fachleute auf dem Gebiet
werden in der Lage sein, die erforderliche Dekompressions- oder
Expansionskraft einer geeigneten Feder oder andere erforderliche
Parameter zu berechnen.
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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 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 und Verbesserungen vorgesehen, die vorgenommen
werden können,
ohne vom Rahmen der beschriebenen Erfindung abzuweichen.