DE60131578T2 - Bohrlochabdichtung - Google Patents

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Eigenschaft zum Dichten eines ringförmigen Raumes zwischen einer Bohrungswand in einer Förderbohrung für Kohlenwasserstoffe und einem Steigrohrstrang, eine periphere ringförmige Dichtung mit der in den Ansprüchen 2-10 genannten Eigenschaft, beinhaltend ein ausdehnbares Element, das hauptsächlich aus Kautschukmaterial besteht, und die sich ausdehnende ringförmige Dichtung zur Anwendung in besagtem Verfahren.
• Hintergrund der Erfindung
• Die Fertigstellung von Ölbohrungen mit Sandkontrollsieben im offenen Loch ist ein einfaches und zuverlässiges Verfahren um einen Lagerstättenabschnitt fertig zu stellen. Eine Ölbohrung durchdringt normalerweise Formationen mit variierenden Betriebseigenschaften, die, ungeachtet der Tatsache, dass die Sandkontrollsiebe auf der Innenseite geschlossen sind, dazu führen kann, dass unerwünschtes Bohrungsfluid auf der Außenseite von diesen vorbei fließt und in den Abschnitt strömt. Folglich kann es erwünscht sein, Abschnitte, die kein erwünschtes Bohrungsfluid produzieren, zu kontrollieren oder abzuriegeln. Dies macht die Abdichtung des externen Ringraumes notwendig.
• Heutzutage wird solche Dichtung durch Anwendung von aufblasbaren Offenloch-Dichtungen (externe Futterrohrdichtungen) erzielt, die durch Injizierung von Fluid, das mit Hilfe eines Ventilsystems beschränkt wird, unter Druck gesetzt werden. So bald die Dichtung unter Druck gesetzt ist, ist sie unfähig Bewegungen in der Oberfläche der Formation zu folgen. Desweiteren ist sie empfindlich gegenüber Temperatur- und Druckänderungen und es bestehen oftmals erhebliche Probleme eine vollständige Dichtung zu erzielen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Installation der Dichtung teuer ist, weil Bohrungsaktivitäten, die komplizierte Betriebsmittel erfordern, notwendig sind.
• Vom U.S. Patent 4,137,970 ist eine Dichtung mit einem Element bekannt, welches durch einen chemischen Aufquellprozess in einer Ausdehnung des Elementes bei Kontakt mit in der Bohrung vorhandenem Wasser in dem Moment resultiert, bei dem die Dichtung in das Bohrloch eingeführt wird. Das Dichtungselement wird im Bergbau eingesetzt, wo Wasser von einer wasserführenden Schicht oberhalb einer Lehmschicht abzuleiten ist. Die Abdichtung umfasst ein sich ausdehnendes Dichtungselement. Während solch eines Aufquellprozesses wird das Dichtungselement anfänglich schnell ausgedehnt, bevor es sich langsamer ausdehnt. Dies ist in einer Ölbohrung untauglich, weil sich die Dichtung ausdehnt bevor sie in der endgültigen Betriebsposition in der Bohrung platziert ist. Dies impliziert, dass die Dichtung in die falsche Position in der Bohrung bebracht werden kann, wenn sie in eine Anwendung, wie der vorliegenden Erfindung, einzusetzen wäre, und verursacht, dass der Fertigstellungsstrang nicht bis zu seiner geplanten endgültigen Position eingeführt werden kann. Die Anwendung einer mittelmäßigen Aufquellung in Wasser verursacht, dass sich das Element bei Kontakt mit allen regulär angewendeten Fertigstellungsfluiden oder Bohrfluiden ausdehnt.
• Vom U.S. Patent 4,633,950 sind in einem speziellen wasserbasierenden Trägerfluid suspendierte Polymerpartikel bekannt, welches durch Zirkulationspumpen in eine verlorene Zirkulationszone injizierte werden soll. Das Patent betrifft nicht ein Dichtungselement, aber eine Dispersion, die in poröses/brüchiges Gestein eindringen soll. Die Eigenschaften von solch einer Dispersion implizieren, dass sie nicht am Platze gehalten werden kann, um einen festen Pfropfen in dem ringförmigen Raum der Bohrung auszubilden. Des Weiteren dehnen sich die Partikel bei Kontakt mit Kohlenwasserstoffen infolge der großen Oberfläche der kleinen Partikel sehr schnell aus. Lediglich kleine Verunreinigungen von in dem System verbliebenem Öl resultieren daher in einer unerwünschten frühen Ausdehnung. Ferner dehnen sich die Partikel in solch einem System überhaupt nicht aus, wenn sie nicht, bevor die Bohrung rückwärts strömt, mit Kohlenwasserstoffen in Berührung kommen. Dies kann dazu führen, dass das Polymer mit den geförderten Fluiden produziert wird.
• Die US 3,385,367 betrifft ein Dichtungselement für Bohrungen, umfassend einen zentralen tubulären Kern und eine äußere Abdeckung aus einem elastomeren Material, das bezüglich der Kohlenwasserstoffe fest oder porös sein kann.
• Die US 2,849,070 betrifft ein Bohrwerkzeug umfassend einen Körperabschnitt, starre umperforierte Arretierungsplatten, einen ausdehnbares Dichtungselement, einen quellfähigen Dichtungsring, einen Körper aus flüssigem quellfähigem Material und Mitteln zum Lenken einer mit dem Körper aus flüssigem quellfähigem Material in Kontakt stehenden aufquellenden Flüssigkeit.
• Die meisten Kautschuke haben eine größere Absorptionskapazität in einem aromatischen und/oder naphthenen Kohlenwasserstoff als in einem aliphatischen Kohlenwasserstoff. Die meisten Kautschuke haben ebenfalls ein erheblich geringeres Aufquellen in einem wasserbasierenden Fluid als in einem ölbasierenden Fluid.
• Allgemein haben die in Bohrfluiden verwendeten Grundöle einen höheren Anteil von aliphatischen (80-100 %) Bestandteilen als die geförderten Kohlenwasserstoffe, die normalerweise 35-80 % aliphatischen Bestandteile haben. Dies impliziert, dass die meisten Kautschuke eine größere und schnellere Ausdehnung in den geförderten Kohlenwasserstoffen als in den Bohrfluiden haben.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Fertigstellung von Lagerstättenabschnitten durch vollständiges ringförmiges Dichten zu ermöglichen, wobei die Erfindung gleichzeitig Variationen von Betriebsparametern und geologischen Bedingungen erlaubt, ohne die Funktionalität der Erfindung zu verändern. Die Dichtung dehnt sich geringer aus, während die Dichtung in die Bohrung in ein Bohrfluid oder Fertigstellungsfluid eingeführt wird, als durch die Einwirkung von aus der Formation geförderten Kohlenwasserstoffen.
• Entsprechend eines Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zum Abdichten eines ringförmigen Raumes zwischen einer Bohrungswand in einer Förderbohrung für Kohlenwasserstoffe und einem Steigrohrstrang, wie in Anspruch 1 definiert, zur Verfügung gestellt.
• Entsprechend eines weiteren Aspektes der Erfindung wird eine sich ausdehnende ringförmige Dichtung zur Verwendung in besagtem Verfahren, wie in Anspruch 2 definiert, zur Verfügung gestellt.
• Weitere Eigenschaften der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
• Weitere Eigenschaften der Erfindung sind in den Ansprüchen 3-10 angegeben.
• Kurze Beschreibung der Abbildungen
• 1 zeigt einen die vorliegende Erfindung darstellenden Längsschnitt durch eine Fläche einer Förderbohrung.
• 2 zeigt einen Längsschnitt eines Steigrohrstranges mit einer ringförmigen Dichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
• 3 zeigt einem Schnitt entlang der Linie III-III in 2.
• Im Nachfolgenden wird die Erfindung weiter beschrieben. Die permanente ringförmige Dichtung 2 zur Verwendung in Kohlenwasserstoff-Förderbohrungen, vorzugsweise Öl-Förderbohrungen, wird auf der Außenseite eines Rohres 4 platziert, wobei sich besagte Dichtung durch das Aufquellen des Kernes 12 bei Einwirkung und Absorption von Kohlenwasserstoffen ausdehnt. Die Dichtung dichtet daher den ringförmigen Raum 5 gegenüber der Bohrungswand 6. Die Förderbohrung kann eine Offenloch-Bohrung oder eine Bohrung mit einem Futterrohr sein, welches dadurch charakterisiert ist, dass der Steigrohrstrang 4 in ein offenes Loch gezogen wird, beziehungsweise dass der Steigrohrstrang 4 in ein Futterrohr (nicht gezeigt) gezogen wird. Daher besteht der ringförmige Raum 5 aus der äußeren Oberfläche des Steigrohrstranges 4 und der Bohrlochwand, beziehungsweise aus der äußeren Oberfläche des Steigrohrstranges 4 und der inneren Oberfläche in dem Futterrohr.
• Ein Ölstrom 1 strömt an einem Dichtungselement 2 vorbei bevor sich das Dichtungselement 2 ausdehnt und gegenüber der Bohrungswand 6 dichtet. Ein Sandkontrollfilter 3 ist an einem Steigrohrstrang 4 befestigt. Ein Dichtungselement 2' dehnt sich aus und dichtet gegenüber der Bohrungswand 6, so dass ein Bohrungsfluid 7 nicht an dem Dichtungselement in dem ringförmigen Raum 5 vorbei fließen kann.
• Ein mit einer Verstärkung 11 ausgestatteter externer, schützender Mantel 10 umgibt einen elastisches Polymer umfassenden Kern 12, wobei gesagte Umhüllung als eine permeable Membran arbeitet. Der externe Mantel 10 umfasst einen Kautschuk mit höherer Resistenz und geringerer Diffusionsrate gegenüber Kohlenwasserstoffen als der Kern 12. Das Dichtungselement, welches aus einem Mantel 10, einer Verstärkung 11 und einem Kern 12 bestehen kann, wird auf der Außenseite eines Rohres 4 platziert.
• Die Dichtung 2 besteht aus einem Kern 12, der ein elastisches Polymer, beispielsweise EPDM-Kautschuk, Styren-Butadien, natürlichen Kautschuk, Ethylen-Propylen-Monomer-Kautschuk, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk, Ethylen-Vinyl-Azetat-Kautschuk, hydrogenisierten Acrylonitril-Butadien-Kautschuk, Acrylonitril-Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk oder Polynorbonen, umfasst, wobei der Kern bei Kontakt mit oder Absorption von Kohlenwasserstoffen aufquillt, so dass sich die Dichtung ausdehnt. Der Kautschuk des Kernes kann ebenfalls andere gelöste oder in mechanischer Mischung befindliche Materialien haben, wie etwa behandelte, wie in dem U.S. Patent 4,240,800 beschrieben, Zellulosefasern. Zusätzliche Optionen kann Kautschuk in mechanischer Mischung mit Polyvinyl-Chlorid, Methyl-Methacrylat, Acrylonitril, Ethylazetat oder anderen sich bei Kontakt mit Öl ausdehnenden Polymeren sein.
• Ein externer, verstärkter Mantel 10 schützt den Kern gegenüber der direkten Einwirkung von Bohrfluid und Kohlenwasserstoffen. Gleichzeitig ermöglicht der Mantel 10 die Migration von Kohlenwasserstoffen zum Kern 12 und das Aufquellen (und daher das Ausdehnen der Dichtung). Der externe, verstärkte Mantel 10 umfasst Kautschuk, zum Beispiel Acrylonitril, hydrogenisiertes Nitril, Chloropren, Ethylen-Vinylazetat-Kautschuk, Silikon, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Butyl, chlorlosulphonisiertes Polyethylen, Polyurethan, ACM, BIMS oder andere Typen von Kautschuk, die eine geringere Ausdehnung oder langsamere Diffusion als der Kern haben, und einer Verstärkung 11, vorzugsweise Faserverstärkung, beispielsweise Kevlar, wobei besagte Verstärkung den externen Mantel 10 verstärkt. Eine wesentliche Eigenschaft des Kautschuks in dem Mantel 10 ist, dass er eine Aufquellung in Bohrfluiden hat, die langsamer als der Kern 12 ist. Mit „einer höheren Resistenz gegenüber Kohlenwasserstoffen" ist hier gemeint, dass der Kautschuk lediglich in geringem Grad bei Einwirkung von Kohlenwasserstoffen aufquillt.
• Zahlreiche elastische Polymere haben eine erhebliche Absorption von Kohlenwasserstoffen ohne Absorption von Wasser und die Polymere in der vorliegenden Erfindung sind überwiegend hydrophob. Durch Eintauchung in ein kohlenwasserstoffhaltiges Medium gehen Kohlenwasserstoffe in den und durch den externen Mantel 10 über und weiter in den Kern 12, der bei Absorption von diesen aufquillt.
• Die vorliegende Erfindung stellt zahlreiche Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik zur Verfügung. Die Dichtung passt sich kontinuierlich an Variationen in den Bewegungen der Formation oder Auswaschungen des Bohrloches an, was impliziert, dass besserer Absperren/Abdichten zwischen den Lagerstättenabschnitten erzielt werden kann und unerwünschtes Bohrungsfluid nicht an dem Dichtungselement vorbei in den ringförmigen Raum strömen kann. Es gibt keinen Bedarf für Bohrungstätigkeiten, wenn die Dichtung installiert wird, was Kostenersparnisse gegenüber heutigen Installationsverfahren darstellt. Die Dichtung hat keine beweglichen Teile und ist daher eine einfache und zuverlässige Einrichtung. Die Dichtung dehnt sich schneller und mehr einem geförderten Kohlenwasserstoff aus, als in einem wasserbasierenden oder ölbasierenden Bohrfluid oder Fertigstellungsfluid mit der gleichen Temperatur, und wird sich daher weniger ausdehnen, wenn die Dichtung in Bohrfluid eintaucht.
• In einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kern 12 von einem externen Mantel aus Kautschuk umgeben, beispielsweise einem Nitril, das nicht verstärkt ist.
• In einem weitern anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kern 12 von einem äußeren Gewebe umgeben, das die Verstärkung sein kann.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Kern 12 von einem externen Mantel aus Kautschuk umgeben, beispielsweise einem Nitril, wobei besagter Mantel in sich selbst keine Kohlenwasserstoffe durchdringen lässt, aber ein kleiner Teil 11 der Kernes 12 direkt Kohlenwasserstoffen durch die Öffnungen in der äußeren Umhüllung ausgesetzt ist.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Kern 12 nicht von einem externen Mantel umgeben, ist aber direkt Kohlenwasserstoffen ausgesetzt. In dieser Erscheinung hat der Kern 12 eine Zusammensetzung, die elastisches Polymer mit ausreichenden Eigenschaften zum Erfüllen der gewünschten Funktionen der Dichtung umfasst.

Claims (6)

1. Ein Verfahren zum Dichten eines ringförmigen Raumes (5) zwischen einer Bohrungswand (6) in einer Förderbohrung für Kohlenwasserstoffe und einen Steigrohrstrang (4) unter Verwendung einer peripheren, ringförmigen Dichtung (2), umfassend einen ausdehnbaren Kern (12), bestehend aus oder überwiegend bestehend aus einem Kautschukmaterial, das sich durch Absorption von Kohlenwasserstoffen ausdehnt, und einem externen Mantel (10), der selbst keine Kohlenwasserstoffe durchdringen lässt, der aber eine Öffnung darin hat, durch die ein kleiner Teil des Kernes (12) direkt mit Kohlenwasserstoffen durch den Mantel (10) ausgesetzt ist, wobei besagtes Verfahren das Ausdehnen der ringförmigen Dichtung (2) hauptsächlich durch Einwirkung von in der Förderung der Bohrung enthaltenen Kohlenwasserstoffen auf den ausdehnbaren Kern (12) umfasst, worin der Kern (12) durch das Durchlaufen besagter Kohlenwasserstoffe durch die Öffnungen im Mantel (10) besagten Kohlenwasserstoffen ausgesetzt wird.
2. Eine ausdehnbare ringförmige Dichtung zur Verwendung in dem Verfahren entsprechend Anspruch 1, umfassend einen ausdehnbaren Kern (12), bestehend aus oder überwiegend bestehend aus einem Kautschukmaterial, das sich durch Absorption von Kohlenwasserstoffen ausdehnt, und einem externen Mantel (10), der selbst keine Kohlenwasserstoffe durchdringen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (10), der eine Öffnung darin hat, durch die ein kleiner Teil des Kernes (12) direkt mit Kohlenwasserstoffen durch den Mantel (10) ausgesetzt wird.
3. Eine ausdehnbare ringförmige Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kautschukmaterial aus einer Gruppe bestehend aus EPDM, Styren-Butadien-Kautschuk, natürlichem Kautschuk, Ethylen-Propylen-Monomer-Kautschuk, Ethylen-Vinylazetat-Kautschuk, hydrogenisiertem Acrylonitril-Butadien-Kautschuk, Acrylonitril-Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk und Polynorbonen selektiert wird.
4. Eine ausdehnbare ringförmige Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kautschuk des Kernes (12) andere gelöste oder in mechanischer Mischung befindliche Materialien haben kann, wie etwa behandelte Zellulosefasern oder Kautschuk in mechanischer Mischung mit Polymeren, der sich bei Kontakt mit Öl, wie etwa Polyvinyl-Chlorid, Methyl-Methacrylat, Acrylonitril oder Ethylazetat, ausdehnt.
5. Eine ausdehnbare ringförmige Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Mantel (10) aus Kautschuk gefertigt ist, der für Kohlenwasserstoffe permeabel ist mit niedrigem Diffusionskoeffizienten oder mit niedrigerer Fähigkeit sich in ölbasierenden Bohrfluiden und/oder Fertigstellungsfluiden auszudehnen als der Kern (12).
6. Eine ausdehnbare ringförmige Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Mantel (10) vollständig oder teilweise aus einem Kautschuk besteht, der aus der Gruppe, umfassend Acrylonitril, Nitril, hydrogenisiertes Nitril, Chloropren, Ethylen-Vinylazetat, Silikon, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer, Butyl, chlorlosulphonisiertes Polyethylen, Polyurethan, ACM, BIMS oder andere Typen von Kautschuk, die eine geringere Ausdehnung oder langsamere Diffusion als der Kern (12) haben, selektiert wurde.