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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Stabilisierung von Bohrlöchern und
ist insbesondere anwendbar auf Verfahren zum Stabilisieren von Bohrlöchern, bei
denen die Verwendung von durchbohrbaren Futterrohren oder Verschalungen
vorgesehen ist.
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Das
Zementieren von Verschalungen in Bohrlöchern zur Stabilisierung und
Zonentrennung ist wohlbekannt, insbesondere auf dem Gebiet der Bohrlochkonstruktion
in der Öl-
und Gasindustrie. Derartige Operationen werden in verschiedenen
Stufen ausgeführt,
während
das Bohrloch gebohrt wird. Bei einer Verschalungsoperation wird
der Bohrstrang, der zum Bohren des Bohrlochs verwendet wird, herausgezogen
und eine röhrenförmige Verschalungen
wird in das Bohrloch eingebracht, so dass ein Raum zwischen der äußeren Oberfläche der Verschalung
und der Wand des Bohrlochs verbleibt (ein Ringraum). Zementschlamm
wird dann nach unten in das Innere der Verschalung gepumpt, so dass er
an der Unterseite der Verschalung austritt und in dem Ringraum zurück zur Oberfläche fließt. Wenn der
Zement aushärtet,
ist die Verschalung in dem Bohrloch befestigt und die verschiedenen
Schichten, durch die das Bohrloch verläuft, werden unterstützt und
durch den Zement und die Verschalung getrennt. Anschließend wird
das Bohren wieder aufgenommen, jedoch wegen des Vorhandenseins der
Verschalung mit einem kleineren Durchmesser als zuvor.
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Das
Einsetzen von Gehäusen
kann nützlich sein,
um eine schwache Formation zu unterstützen oder um Zonen mit hohem
oder niedrigem Druck abzudichten, um ein ungesteuertes Einströmen von Fluiden
oder Schäden
an der Formation infolge der Verwendung von Bohrfluiden mit hoher
Dichte, um hohe Formationsdrücke
auszugleichen, zu verhindern. Bei Tiefbohrungen kann es erforderlich
sein, Verschalungen mehrfach einzusetzen, bevor das Bohrloch auf
die Solltiefe gebohrt wird. Da jede Verschalung den Durchmesser
des Bohrlochs unterhalb dieses Punkts verringert, kann es bei der
Planung der Bohrung schwierig sein, die festgelegte Bohrpraxis oder
einen angemessenen Kostenrahmen einzuhalten, während trotzdem eine Bohrung
mit nützlichen Abmessungen
erreicht wird. In bestimmten Fällen sind
zehn Verschalungsoperationen notwendig gewesen.
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Ein
Grund für
das Einsetzen einer Verschalung besteht darin, eine schwach verfestigte
Formation zu unterstützen,
die beim Fortsetzen der Bohrung abgetragen wird oder die gebrochen
sein kann. In diesen Fällen
kann der erforderliche Grad der Verstärkung lediglich aus einer verhältnismäßig dünnen Zementschicht
erhalten werden, ohne dass eine Verschalung vorhanden sein muss,
insbesondere dann, wenn feste Zemente, wie etwa faserverstärkte Zemente,
verwendet werden. Es ist früher
vorgeschlagen worden, derartige Zonen zu stabilisieren, indem das
Bohrloch in dieser Zone durch einen Nachnahmebohrer vergrößert wird
und ein kurzer Abschnitt der Verschalung über die Zone eingesetzt und
darin zementiert wird. Nachdem der Zement ausgehärtet ist, werden die Verschalung
und ein Teil des Zements mit dem gleichen Durchmesser, der vor der
Zementierungsoperation verwendet wurde, ausgebohrt, wobei der nachgebohrte
Abschnitt mit einer Zementschicht an der Bohrlochwand zurückbleibt.
Eine derartige Operation ist in
US
5,842,518 beschrieben und weitere Operationen, die durchbohrbare
Verschalungen enthalten, sind in
US
5,957,225 beschrieben.
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Ein
weiterer Ansatz für
das Problem der Verringerung des Bohrlochdurchmessers, wenn mehrere
Verschalungen installiert werden, ist in
US 6,098,710 und
US 6,267,181 beschrieben. In diesem Fall
wird ein spezielles Verschalungswerkzeug verwendet, um die Notwendigkeit
eines Ringraums in der Zone darüber
zu vermeiden, indem eine Fluidströmung wieder in das Bohrloch
umgeleitet wird. Da dies die Verwendung einer Verschalung mit im
Wesentlichen dem gleichen Durchmesser wie der darüber liegende
Durchmesser ermöglicht,
ist es nicht erforderlich, die Verschalung auszubohren, wenn die Bohroperation
fortgesetzt wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen zu schaffen,
die ermöglichen, dass
schwache Zonen von Bohrlöchern
unterstützt werden,
ohne dass der Durchmesser des Bohrlochs an diesem Punkt übermäßig verringert
wird.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Stabilisieren
einer interessierenden Zone eines Bohrlochs, das von einer Formation
umgeben ist, geschaffen, das umfasst: (i) Bilden eines Bereichs
des Bohrlochs, der im Vergleich zu der benachbarten Zone darüber einen
vergrößerten Durchmesser
besitzt, in der interessierenden Zone; (ii) Positionieren eines
durchbohrbaren Futterrohrs in dem Bohrloch, das sich über die
interessierende Zone hinweg und in die benachbarte Zone darüber erstreckt,
wobei das durchbohrbare Futterrohr einen Ringraum zwischen der äußeren Umgebung
des Futterrohrs und dem Bohrloch in der interessierenden Zone bildet,
wobei das durchbohrbare Futterrohr ein mit einem Einstellwerkzeug
verbundenes Bohrrohr besitzt; wobei das Bohrrohr – sich zu
einem tieferen Abschnitt hindurch erstreckt, – mit einem Schwimmschuh (32)
im tieferen Abschnitt verbunden ist, der Seitenanschlüsse, um
eine Verbindung mit dem Ringraum herzustellen, und Querstege (46),
um mit der Formation im tieferen Abschnitt in Eingriff zu gelangen,
aufweist, und – mit
einer Zementzufuhreinrichtung an der Oberfläche verbunden ist; (iii) Pumpen von
Zement von der Oberfläche
innerhalb des Bohrrohrs, so dass er das durchbohrbare Futterrohr
am tieferen Abschnitt verlässt
und nach oben strömt,
um den Ringraum zu füllen
und sich in die benachbarte Zone darüber zu erstrecken; (iv) Herausziehen
des Bohrrohrs aus dem durchbohrbaren Futterrohr; und (v) Bohren
durch den Zement und das durchbohrbare Futterrohr in der interessierenden
Zone, nachdem der Zement ausgehärtet
ist, um ein Bohrloch mit einem Durchmesser zu bilden, der im Wesentlichen gleich
jenem der benachbarten Zone darüber
ist.
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Der
Abschnitt des Futterrohrs, der sich in die benachbarte Zone darüber erstreckt,
besitzt vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als der Teil des Futterrohrs
in der interessierenden Zone. Durch Verringern des Durchmessers
des Futterrohrs an seinem oberen Teil ist es möglich, eine Strömungseinschränkung in
dem Ringraum an dem Punkt, an dem das Futterrohr in die Zone darüber eintritt,
zu vermeiden. Das Futterrohr kann alternativ einen im Wesentlichen
konstanten Durchmesser besitzen mit einem ausreichenden Freiraum
in der oberen Zone, um eine geeignete Anordnung von Zement zu ermöglichen. Durch
Erweitern der Zementhülse
in die Zone darüber
wird die Hülse
in der oberen Zone verankert, was zu einer besseren Stabilität führt. Der
hier verwendete Ausdruck "Futterrohr" bezieht sich gleichfalls
auf Verschalungen.
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Es
ist zu bevorzugen, dass das Futterrohr in einem Zustand mit eingefülltem Fluid
ist, wenn es in der Zone angeordnet wird, und das Fluid durch das Rohr
gepumpt wird, wenn es aus dem Futterrohr herausgezogen wird, um
den Zustand mit eingefülltem Fluid
aufrechtzuerhalten und um jeglichen Zement oberhalb des Futterrohrs
in die Zone darüber
zu verlagern. Das Fluid, das zum Füllen des Futterrohrs verwendet
wird, kann typischerweise ein schwerer Schlamm oder ein anderes
Fluid sein, um einen Auftrieb des Futterrohrs zu verhindern, wenn
es in der Bohrung installiert wird.
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Die
Zone über
der interessierenden Zone kann eine offene, verfestigte und stabile
Zone sein, oder kann mit einem zementierten Futterrohr oder einer
Hülse verkleidet
sein. Sie kann alternativ eine Zone sein, die vorher unter Verwendung
eines gebohrten Futterrohrs entweder gemäß der vorliegenden Erfindung
oder durch ein anderes Verfahren stabilisiert worden ist. Der Bereich
mit vergrößertem Durchmesser
kann unter Verwendung eines Nachnahmebohrers oder einer bizentrischen
Bohrspitze gebildet werden. Es ist zu bevorzugen, dass an der Unterseite
des vergrößerten Abschnitts
ein Bohrspitzen-Vorloch vorgesehen wird.
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Das
Futterrohr wird mit dem Bohrrohr mittels eines Einstellwerkzeugs
verbunden. Dieses kann mit dem oberen Teil des Futterrohrs mittels
eines Gewindeverbinders oder irgendeines anderen lösbaren Verbinders
verbunden sein. Zentrierer können
vorgesehen sein, um das Futterrohr sowohl in der interessierenden
Zone als auch in der Zone darüber
zu zentrieren. Eine Ankeraufsetz-Untereinheit kann im Bohrrohr in
der Nähe
seines Bodens vorgesehen sein.
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Zentrierer
können
vorgesehen sein, um das Bohrrohr in dem Futterrohr zu zentrieren.
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Wenn
der Zement angeordnet wurde, wird das Bohrrohr von dem Futterrohr
gelöst
und eine Zirkulation von Verlagerungsfluid durch das Bohrrohr in dem
Futterrohr wird veranlasst, um zu verhindern, dass Zement das Futterrohr
füllt,
und um Zement über
das Futterrohr zu verlagern.
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Der
verwendete Zement ist vorzugsweise ein faserverstärkter Zement.
Die Fasern können
aus Metall oder aus einem geeigneten Polymermaterial gebildet sein.
Nicht verschäumte
Schlämme
mit geringer Dichte sind bevorzugt.
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Vor
den oben beschriebenen Schritten kann außerdem die Installierung einer
Verschalung in der Zone darüber
erfolgen, die einen durchbohrbaren Verschalungsschuh mit Übergröße besitzt,
in dem das Futterrohr installiert und zementiert wird.
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Die
Verfahren der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um "Problemzonen" von Bohrlöchern in
verschiedenen Situationen zu stabilisieren, z. B. in Formationen
mit mechanischen Stabilitätsproblemen,
in denen ein Scherfehler oder ein plastisches Fließen auftritt,
in nicht verfestigten Formationen, in Formationen mit engen Poren
oder Frakturgradient-Grenzen oder engen Schlag- oder Verlustfenstern
oder in Formationen, die für
unterschiedliche Haftprobleme auf Grund großer Differenzen zwischen dem
hydrostatischen Druck des Bohrfluids und dem Formationsdruck anfällig sind.
Das Verfahren findet insbesondere Anwendung bei Zonen, die entweder
mit einem Schlamm gebohrt werden müssen, dessen Gewicht geringer
als das Stabilitätsfenster
oder höher
als der Frakturgradient ist, um einen Verschalungspunkt zu sichern,
oder wenn es kein sicheres Schlammgewicht gibt.
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 einen
Abschnitt eines Bohrlochs zeigt, der sich durch eine Problemzone
erstreckt;
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2 die
Installation eines durchbohrbaren Futterrohrs in der Problemzone
zeigt;
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3 Zement
zeigt, der in den Ringraum der Problemzone gepumpt wird;
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4 einen
Ankeraufsatz in dem Bohrrohr am Ende der Zementierung zeigt;
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5 das
Bohrrohr zeigt, wenn es aus dem Futterrohr herausgezogen wird;
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6 das
Futterrohr zeigt, das an der Verwendungsstelle zementiert wurde;
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7 das
Futterohr zeigt, das teilweise ausgebohrt ist; und
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8 das
Bohrloch zeigt, nachdem das Futterrohr ausgebohrt wurde.
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1 zeigt
teilweise ein Beispiel eines Bohrlochs, bei dem die Erfindung typischerweise
angewendet wird. Das Bohrloch 10 wurde von der Oberfläche gebohrt
und wenigstens eine Verschalung 12 wurde zementiert 14,
um die durchdrungenen Zonen 16 zu stabilisieren und zu
isolieren. Das weitere Bohren hat bewirkt, dass das Bohrloch in
einer verhältnismäßig dünnen Problemzone 18 eintritt.
Diese Formation kann eine Formation sein, die mechanische Stabilitätsprobleme
hat, eine Formation, in der ein Scherfehler oder ein Kriechen (plastisches
Fließen) auftritt,
eine nicht verfestigte Formation (Salz, Kohle, Schiefer usw.), eine
Formation mit engen Poren oder Frakturgradient-Grenzen oder engen
Schlag- oder Verlustfenstern oder eine Formation, die für unterschiedliche
Haftprobleme auf Grund großer
Differenzen zwischen dem hydrostatischen Druck des Bohrfluids und
dem Formationsdruck anfällig
ist. In diesen Fällen
kann die große
Gefahr von Bohrproblemen bestehen, wie etwa Festklemmen, Fluidverlust
oder Einströmen
(Schlag), selbst wenn die Zone 20 darüber stabil sein könnte. Um
das Bohrloch für
eine Stabilisierung gemäß der Erfindung
vorzubereiten, wurde der Durchmesser des Bohrlochs in der Problemzone 18 unter
Verwendung eines Nachnahmebohrers oder einer bizentrischen Bohrerspitze
(nicht gezeigt) vergrößert 22.
Ein Bohrspitzen-Vorloch 24 ist an der Unterseite der vergrößerten Zone 22 ausgebildet.
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In 2 wird
ein mit Fluid gefülltes,
durchbohrbares Futterrohr 26 an dem Bohrrohr 28 in
das Bohrloch 10 eingebracht, so dass es sich durch die vergrößerte Zone 22 erstreckt.
Das Futterrohr 26 wird an dem Bohrrohr 28 an der
Oberseite mittels eines Futterrohreinsetzwerkzeugs 30 und
an der Unterseite mittels eines Schwimmschuhs 32 gehalten.
Das Futterrohreinsetzwerkzeug 30 besitzt einen Gewindeabschnitt 34,
der an entsprechenden Gewinden 36 in dem Futterrohr 26 in
Eingriff ist. Der untere Teil des Bohrrohrs 28 enthält eine
Ankeraufsatz-Untereinheit 29 und
verbindet mittels einer Einsteckaufnahme 38 mit dem Schwimmschuh 32.
Zentrierer 27 sind an dem Bohrrohr 28 vorgesehen,
um eine Zentrierung des Futterrohrs 26 zu ermöglichen
und um eine Verbindung mit dem Schwimmschuh 32 zu vereinfachen.
Der Schwimmschuh 32 enthält außerdem ein selbstfüllendes
Schwimmventil 40 und Seitenanschlüsse 42, die eine Fluidverbindung
zwischen dem Bohrrohr 28 und dem Ringraum 44 außerhalb
des Futterrohrs 10 schaffen. Der Schwimmschuh 32 enthält außerdem an
seinem unteren Ende Querstege 46, die an der Unterseite
des Vorlochs 24 mit der Formation in Eingriff gelangen,
wenn das Futterrohr auf die Unterseite gesetzt ist.
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Der
Hauptteil 26' des
Futterrohrs 26 besitzt einen Durchmesser, der geringfügig kleiner
ist als der Durchmesser der Verschalung 12 über der
vergrößerten Zone 22.
Der Abschnitt 26''' des Futterrohrs 26, der
sich in die Verschalung 12 darüber erstreckt, besitzt einen
kleineren Durchmesser, damit ein ausreichender ringförmiger Raum
für eine
Fluidströmung erreicht
wird, und der Abschnitt 26'' des Futterrohrs 26,
der den oberen Teil 26''' und den unteren Teil 26' verbindet,
weist eine zunehmende Durchmesserveränderung auf (in Form einer
Granatenspitze), um sicherzustellen, dass keine Strömungseinschränkung zwischen
dem Ringraum in dem vergrößerten Abschnitt 22 und
dem Ringraum in der Verschalung 12 darüber vorhanden ist.
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Das
Futterrohr 26 wird in der vergrößerten Zone 22 durch
Bogenfeder-Zentrierer 48 und
in der oberen Verschalung 12 durch kleinere Scheibenzentrierer 50 zentriert.
Die Zentrierer 48, 50 können aus Metall, Metallverbindungen
oder anderen faserverstärkten
Materialien hergestellt sein. Außer ihrer zentrierenden Rolle
ist es wichtig, dass beide durchbohrbar sein sollten, wenn möglich in
einer Weise, die den Zement, in den sie eingebettet sein können, nicht
beeinträchtigt.
Während
Scheiben- und Bogenfeder-Zentrierer gezeigt sind, kann bei einer entsprechenden
Eignung jede andere Form verwendet werden.
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In 3 wird
Zement 54 von der Oberfläche nach unten in das Bohrrohr 28 gepumpt.
Der verwendete Zement ist eine faserverstärkte Aufschlämmung mit
geringer Dichte, die Metallfasern enthält, um eine festere Struktur
zu bilden, wenn sie aushärtet.
Die Menge der von der Oberfläche
gepumpten Aufschlämmung
ist ausreichend, um den Ringraum 22 zu füllen und
sich teilweise in die verschalte Zone 12 zu erstrecken.
Nachdem eine ausreichende Menge der Aufschlämmung 54 in den Bohrstrang 28 gepumpt
wurde, wird ein Anker 52 freigegeben und mit einem Verlagerungsfluid 56 in
das Bohrrohr 28 nach unten gepumpt. Der Zement 54 tritt
an dem Schwimmschuh 32 über
die Seitenanschlüsse 42 aus
und füllt
den Ringraum 22, wie gezeigt ist.
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Wenn
der Anker 52 die Aufsatz-Untereinheit 29 erreicht,
wird an der Oberfläche
ein Druckimpuls erfasst und das Pumpen wird angehalten. An diesem Punkt
schließt
das Schwimmventil 40 und verhindert, dass Zement 54 in
das Futterrohr oder das Bohrrohr 28 zurückfließt (4).
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Nachdem
das Pumpen angehalten wurde, wird das Einsetzwerkzeug 30 von
dem Futterrohr 26 gelöst,
indem die Schraubverbinder 34, 36 abgeschraubt
werden, die Stege 46, die das Futterrohr 26 drehfest
halten, werden gelöst
und das untere Ende des Bohrrohrs 28 wird aus dem Einstellverbinder 38 herausgezogen.
Der Druck in dem Bohrrohr 28 wird auf einen ausreichenden
Pegel angehoben, um eine Scheibe in dem Anker 52 zu zerbrechen
und eine Fluidverbindung zwischen dem Bohrrohr 28 und dem Innenraum
des Futterrohrs 26 zu ermöglichen. Wenn das Bohrrohr 28 aus
dem Futterrohr 26 herausgezogen wird, wird Verlagerungsfluid 56 gepumpt,
um sicherzustellen, dass der Zement 54 nicht in das Futterrohr 26 angesaugt
wird, und um Zement 54 in die verschalte Zone 12 über dem
Futterrohr 26 zu verlagern (5).
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Nachdem
der Zement ausgehärtet
ist (6), wird das Bohren unter Verwendung einer Bohrspitze 58 mit
dem gleichen Durchmesser wie die zuvor eingeschalte Zone 12 fortgesetzt.
Diese wird verwendet, um durch das Futterrohr 26 und einen
Teil der Zementhülse 54 nach
unten zu bohren und um den Schwimmschuh 32 an der Unterseite
auszubohren (7).
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Nachdem
das Futterrohr 26 und der Schwimmschuh 32 ausgebohrt
wurden (8), verbleibt eine Zementhülse 54 in
der Zone 18 an der Bohrlochwand. Somit ist die Problemzone 18 stabilisiert
und das Bohren kann in dieser Zone ohne weitere Probleme wiederaufgenommen
werden.
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Während die
Erfindung im Kontext des Zementierens einer Problemzone unter einem
zementierten Bohrloch beschrieben wurde, wird anerkannt, dass sie
nicht auf diese Anwendung beschränkt
ist. Die oben beschriebene Operation kann z. B. unmittelbar unter
einer Zone, die bereits in der gleichen Weise stabilisiert wurde,
wiederholt werden. Alternativ kann der Bereich darüber nicht
verschalt oder zementiert sein, wenn er selbst stabil und tragend
ist. Es ist somit möglich,
dass die Anzahl von Verschalungen in einer Bohrung im Vergleich
zu Bohrungen, die unter Verwendung von früheren Techniken gebohrt werden,
bedeutend verringert werden kann, wodurch möglich ist, dass der Bohrlochdurchmesser bis
zur Solltiefe beibehalten wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung besitzt das Futterrohr einen im Wesentlichen konstanten
Durchmesser. In diesem Fall wird der Durchmesser des Futterrohrs
so ausgewählt, dass
der Abschnitt, der sich in die Zone darüber erstreckt, in der oberen
Zone einen ausreichenden Ringraum für eine geeignete Zementanordnung
sowohl in der Problemzone als auch in dem Überlappungsbereich des Futterrohrs
in der oberen Zone schafft. In diesem Fall ist die Menge des Zements,
die ausgebohrt werden muss, größer.
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In
dem oben beschriebenen Fall wurde außerdem die obere Zone unter
Verwendung eines normalen Verschalungsschuhs an der Unterseite der oberen
Verschalung zementiert. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt
vor der Installation des Futterrohrs eine Zementierung der Verschalung
in der oberen Zone unter Verwendung eines Verschalungsschuhs, der
Innen- und Außendurchmesser
in Übergröße aufweist.
In diesem Fall kann die Vergrößerung in
der oberen Zone begonnen werden, so dass die erzeugte Zementhülse in der oberen
Zone sowie in der Problemzone verankert ist, was zu einer größeren Stabilität führt. Der
Verschalungsschuh kann alternativ oder zusätzlich in der Zone darüber unter
Verwendung von durchbohrbaren Röhren
verlängert
werden, damit sich die gleiche Wirkung und der gleiche Vorteil ergeben.