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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Auskleiden
eines Abschnittes eines Bohrloches mit einem aufweitbaren rohrförmigen Element,
wobei sich ein langgestrecktes Gestänge in das Bohrloch erstreckt.
Ein Beispiel eines solchen Gestänges
ist ein Bohrgestänge,
das zum Bohren des Bohrloches verwendet wird. Während des üblichen Bohrlochbohrens werden
Abschnitte des Bohrloches gebohrt und in nachfolgenden Schritten
mit einer Auskleidung oder einem Futter versehen. In jedem Schritt
wird das Bohrgestänge
durch die bereits im Bohrloch installierten Auskleidungen abgesenkt, und
ein neuer Abschnitt wird unterhalb der installierten Auskleidungen
gebohrt. Infolge dieses Verfahrens muß die Auskleidung, die in dem
neu gebohrten Abschnitt installiert werden soll, vorher installierte Auskleidungen
durchsetzen, weshalb die neue Auskleidung im Vergleich zum Innendurchmesser
der früher
installierten Aufkleidung einen kleineren Außendurchmesser haben muß. Dementsprechend wird
der verfügbare
Durchmesser des Bohrloches mit der Tiefe immer kleiner. Für tiefe
Bohrlöcher
kann dies zu unpraktisch kleinen Durchmessern führen. In der nachfolgenden
Beschreibung erfolgt die Bezugnahme auf „Auskleidung" und „Futer" ohne wesentlichen
Unterschied zwischen diesen Arten von Rohren. In ähnlicher
Weise kann die Bezugnahme auf „Futter" bedeuten, daß ein Futter
oder eine Auskleidung in dem Bohrloch vorgesehen wird.
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Es
ist vorgeschlagen worden, das Problem der stufenweise kleineren
Innendurchmesser der Bohrlochauskleidung durch Installieren eines
Rohrelementes in einem Bohrloch und durch nachfolgendes radiales
Aufweiten des Rohrelementes auf einen größeren Durchmesser mit Hilfe
eines Aufweiters zu vermeiden, der gezogen, geschoben oder durch
das Rohrelement gepumpt wird. Ein solches Verfahren erfordert aber,
daß das
Bohrgestänge
aus dem Bohrloch jedes Mal dann entfernt wird, wenn ein neues aufweitbares
Rohrelement in dem Bohrloch installiert wird. Ein Beispiel eines
Systems zum Auskleiden eines Abschnittes eines Bohrloches mit einem
aufweitbaren Rohrelement ist in der WO 00/77931 offenbart.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System
zum Auskleiden eines Abschnittes eines Bohrloches mit einem aufweitbaren Rohrelement
zu schaffen, welches die Probleme des Standes der Technik vermeidet.
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Gemäß der Erfindung
wird ein System zum Auskleiden eines Abschnittes eines Bohrloches
mit einem aufweitbaren Rohrelement geschaffen, bei welchem sich
ein langgestrecktes Bohrgestänge
in das Bohrloch erstreckt, wobei das Bohrgestänge mit dem Rohrelement in
nicht aufgeweiteter Form ausgestattet ist, welches Rohrelement einen
unteren Teil des Bohrgestänges
umgibt, das Bohrgestänge
ferner mit einem Aufweiter, der an einem unteren Endteil des Rohrelementes
vorgesehen ist, und Verankerungsmitteln zum Verankern eines oberen
Endteiles des Rohrelementes in dem Bohrloch ausgestattet ist.
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Im
Betrieb wird das aufweitbare Rohrelement (z.B. ein Futter oder Auskleidungsabschnitt)
anfänglich
an dem Bohrgestänge
abgestützt
und in der erwünschten
Tiefe gegen die Bohrlochwand zur permanenten Installation in dem
Bohrloch aufgeweitet, indem zunächst
der obere Endteil an der Innenseite der bestehenden Auskleidung,
der Bohrlochwand oder eines anderen Rohrelementes verankert wird und
sodann der Aufweiter nach oben durch das Rohrelement gezogen wird.
Danach kann das Bohrgestänge
vollständig
zur Oberfläche
zurückgeholt werden.
Durch dieses Verfahren kann das Bohrgestänge mit dem aufweitbaren Rohrelement
betätigt werden,
um das Bohrloch zu bohren, wie dies normalerweise erfolgt, wenn
Bohrlöcher
im Boden gebohrt werden, der ausreichende Festigkeit aufweist. Im nicht
aufgeweiteten Zustand des aufweitbaren Rohrelementes kann das gesamte
Bohrgestänge
zur Oberfläche
zurückgeholt
werden, um abgenützte Teile
auszutauschen, falls dies erforderlich wird. Das Verfahren kann
wiederholt werden, um einen neuen Bohrlochabschnitt unterhalb des
vorher aufgeweiteten Rohrelementes zu bohren. Das aufgeweitete Element
kann zusätzlich
in dem Bohrloch versiegelt werden, indem ein Aushärtungsfluid
in jeglichen verbleibenden Ringraum zwischen dem aufgeweiteten Element
und der Bohrlochwand gepumpt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter und an einem Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 schematisch
eine Längsansicht,
zum Teil im Schnitt, eines Ausführungsbeispieles
des Systems gemäß der Erfindung;
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2A schematisch
einen Längsschnitt
eines Aufweiters, der bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 angewendet
wird und am unteren Ende des Bohrgestänges befestigt ist;
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2B schematisch
einen Längsschnitt
des Aufweiters nach 2A, wenn er von dem Bohrgestänge gelöst ist;
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3A schematisch
einen Längsschnitt
eines Verankerungssystems, das bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 angewendet
wird, bevor dieses betätigt
wird;
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3B schematisch
einen Längsschnitt
des Verankerungssystems nach 3A während einer Anfangsphase
der Aktivierung;
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3C schematisch
einen Längsschnitt
des Verankerungssystems nach 3B während eines nachfolgenden
Betätigungsschrittes;
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4 schematisch
den Schnitt 4-4 nach 3A;
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5 schematisch
den Schnitt 5-5 nach 3B; und
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6 schematisch
ein Detail des Aufweiters nach den 2A und 2B.
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Der
Einfachheit halber ist in den 2A, 2B, 3A, 3B nur
eine Hälfte
des entsprechenden Längsschnittes
gezeigt, wobei die andere Hälfte
bezüglich
der Längsachse
(angezeigt durch das Bezugszeichen 5) dazu symmetrisch
ist.
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In
den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten.
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In 1 ist
ein rohrförmiges
Bohrgestänge 1 gezeigt,
das sich in ein Bohrloch 2 erstreckt, das in einer Erdformation 3 ausgebildet
ist. Ein oberer Abschnitt des Bohrloches 2 ist mit einem
Auskleidungsstrang 4 versehen, der eine Längsachse 5 hat.
Ein neu gebohrter, offener Bohrlochabschnitt 6, der noch nicht
mit einer Auskleidung versehen ist, erstreckt sich unterhalb des
Auskleidungsstranges 4. Das Bohrgestänge 1 umfaßt eine
Vielzahl von miteinander verbundenen Bohrgestängeabschnitten 8 (z.B. Abschnitten
des Bohrrohres) und hat einen unteren Teil 10, um den herum
ein aufweitbares rohrförmiges Futter 12 im
wesentlichen konzentrisch angeordnet ist. Ein unterer Endteil des
Bohrgestänges 1,
d.h. unterhalb des Futters 12, ist durch eine Bohrloch-Bodenanordnung
(BHA) 14 gebildet, die einen Bohrmeißel 16 vom bizentrierten
oder exzentrischen Typ aufweist, einen Bohrmotor 18 zum
Antreiben des Bohrmeißels 16 und
eine Meßeinrichtung
für das
Bohrwerkzeug (MWD) 20 zur Unterstützung des Verfahrens des Richtungsbohrens
des Bohrlochpfades zu einer besonderen unterirdischen Stelle. Auf
der Oberseite des MWD-Werkzeuges 20 können andere Komponenten inkludiert
werden, die normalerweise beim Bohren von Bohrlöchern verwendet werden. Eine
Charakteristik des bizentrierten Bohr meißels 16 ist, daß er Bohrlochabschnitte
eines größeren Durchmessers
als der eigene Durchmesser des Meißels bohrt, wenn er gedreht
wird, weil er eine größere Kreisfläche als
im nicht gedrehten Zustand beschreibt. Das Bohrgestänge 1 ist
ferner mit einem Aufweitungskonus 22 ausgestattet, der
an der Oberseite des BHA 10 vorgesehen ist, um das Futter durch
plastische Verformung aufzuweiten, indem der Aufweitungskonus 22 durch
das Futter 12 bewegt wird. Der untere Teil 10 des
Bohrgestänges 1 umfaßt eine
Axialverlängerungs-Unteranordnung 23,
die es gestattet, daß das
Bohrgestänge 1 über eine
kurze Entfernung axial relativ zum Futter 12 gleitet, um
die differentielle Wärmeausdehnung
des Bohrgestänges 1 und
des Futters 12 zu kompensieren.
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Unter
Bezugnahme auf die 2A und 2B ist
der Aufweitungskonus 22 mit einer lösbaren Stützeinrichtung zum Abstützen des
Futters 12 versehen, wobei die Stützeinrichtung eine Vielzahl von
einziehbaren Halteblöcken 24 umfaßt, die
in Umfangsrichtung entlang der Außenfläche des Konus 22 beabstandet
und in entsprechenden Löchern 26 positioniert
sind, die in der konischen Außenfläche des Aufweitungskonus 22 vorgesehen
sind. Die Halteblöcke 24 bilden
mit ihren kombinierten Außenflächen ein
Gewindemuster 28, wie ein Sägezahngewinde, welches Gewindemuster
mit einem komplementären gewindeartigen
Muster 30 am unteren Ende des Futters 12 in Eingriff
kommt. Der Eingriff des Gewindemusters 28 mit dem Gewindemuster 30 erfolgt
durch Schieben des unteren Endes des Futters 12 mit dem Gewindemuster 30 über das
Gewindemuster 28 der zurückziehbaren Halteblöcke 24.
Bei der Eingriffsbewegung kann sich das Futter 12 nur nach
unten und nicht nach oben bewegen. Das untere Ende des Futters 12 kann
alternativ auf die Halteblöcke 24 geschraubt
werden, wobei die bevorzugte Schraubrichtung im Gegenuhrzeigersinn
verläuft.
Eine Schutzhülse 32 ist
am unteren Ende des Futters 12 befestigt, um eine Beschädigung der
Außenfläche des
Aufweitungskonus 22 zu verhindern.
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Der
Aufweitungskonus 22 ist an seiner Innenfläche mit
einem Ring 34 versehen, der in einer ringförmigen Ausnehmung 36 des
Konus 22 derart angeordnet ist, daß der Ring in der ringförmigen Ausnehmung 36 axial
gleitet. Wie aus den 2A, 2B hervorgeht,
stehen die Löcher 26 mit
der ringförmigen
Ausnehmung 36 in Fluidverbindung, und der Ring 34 und
die Halteblöcke
wirken derart zusammen, daß ein
Gleiten des Ringes nach unten ein radiales Zusammenziehen der Halteblöcke 24 bewirkt.
Der Ring hat ein Anlageprofil 38, welches mit einem Verschlußpfropfen 40 zusammenpaßt (in 1, 3A, 3B gezeigt),
der durch das Bohrgestänge 1 gepumpt
werden kann. Wenn der Verschlußpfropfen 40 auf
dem Anlageprofil 38 sitzt, ist der Fluidzirkulationsdurchgang
durch das Bohrgestänge 1 blockiert.
Ein fortgesetztes Pumpen des Fluids durch das Gestänge bewirkt,
daß der
Fluiddruck oberhalb des Verschlußpfropfens 40 ansteigt
und dadurch den Ring 34 nach unten gleiten läßt. Als
Ergebnis können
sich die Halteblöcke 24 radial
nach innen zurückziehen,
so daß der
Aufweitungskonus 22 von dem Futter 12 freigegeben
wird.
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Es
wird weiter auf die 3A und 3B Bezug
genommen. Das Bohrgestänge 1 umfaßt eine Aufweitungsvorrichtung 42,
die am oberen Ende des Futters 12 vorgesehen ist, um das
Futter 12 gegen die Auskleidung 4 radial aufzuweiten,
damit eine feste Verbindung und eine Fluidabdichtung mit der Auskleidung 4 hergestellt
wird. Die Aufweitungsvorrichtung 42 umfaßt entsprechende
obere und untere Rohrelemente 44, 46, die relativ
zueinander infolge einer Keilanordnung 48 axial beweglich
sind, welche befähigt
ist, ein Drehmoment zwischen den Elementen 44, 46 zu übertragen.
Ein kleines Spiel zwischen den Keilen der beiden Elemente 44, 46 definiert
eine Vielzahl von kleinen Längsfluiddurchgängen 49,
von denen einige mit dem Inneren 50 des Bohrgestänges 1 über Öffnungen 52 in
Fluidverbindung stehen, die im unteren Element 46 vorgesehen
sind. Die Außenfläche des
unteren Elementes 46 wird gegen die Innenfläche des
oberen Elementes 44 durch Ringdichtungen 54 abgedichtet,
die oberhalb der Öffnungen 52 angeordnet
sind. Das untere Element 46 wird gegen das Futter 12 durch
Ringdichtungen 56 abgedichtet.
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Die
beiden Elemente 44, 46 sind miteinander durch
einen Verriegelungsring 58 verriegelt, der in einer ringförmigen Ausnehmung 60 des
unteren Elementes 46 angeordnet ist und sich in eine ringförmige Ausnehmung 62 des
oberen Elementes 44 erstreckt, um Axialkräfte zwischen
den beiden Elementen 44, 46 zu übertragen.
Der Verriegelungsring 58 ist federbelastet, um sich vollständig in
die ringförmige
Ausnehmung 60 zurückzuziehen,
wenn er freigegeben ist. Ein gesplitteter Sitzring 64 ist
in dem unteren Element 46 auf der Höhe der ringförmigen Ausnehmung 60 angeordnet,
um die Ausnehmung 60 zu verschließen, wobei der Sitzring 64 relativ
zum unteren Element 46 axial verschiebbar ist. Der Teil
der Ausnehmung 60 zwischen dem Sitzring 64 und
dem Verriegelungsring 58 ist mit einem nicht komprimierbaren Fluid
gefüllt.
Ein Anschlagring 65 ist mit der Innenfläche des unteren Elementes 46 in
einem geeigneten Abstand unterhalb der ringförmigen Ausnehmung 60 fest
verbunden.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf die 4 und 5 ist
das obere Element 44 mit einem aufweitbaren ringförmigen Dorn 66 versehen,
der in Umfangsrichtung in eine Vielzahl von Dornsegmenten 68 unterteilt
ist, die es dem Dorn 66 gestatten, zwischen einem radial
zurückgezogenen
Zustand (in 4 gezeigt), in welchem benachbarte
Segmente aneinander anliegen, und einem radial aufgeweiteten Zustand
(wie in 5 gezeigt) bewegt zu werden,
in welchem benachbarte Segmente in Umfangsrichtung voneinander beabstandet
sind. Der Dorn 66 hat eine untere Fläche 70 (3A, 3B),
die nach unten in Richtung radial nach außen verjüngt ist, und eine obere Fläche 71,
die nach oben in Richtung radial nach außen verjüngt ist. Die untere Fläche 70 steht
in Berührung
mit einer komplementären
kegelstumpfförmigen
Fläche 72 eines
ersten ringförmigen
Betätigers 74,
welcher einen integralen Teil des oberen Elementes 44 bildet.
Die obere Fläche 71 ist
in Kontakt mit einer komplementären
kegelstumpfförmigen Fläche 76 eines
zweiten ringförmigen
Betätigers 78, der
durch eine Federvorrichtung 80 gegen den Dorn gedrückt wird.
Durch diese Anordnung wird der Dorn 66 in seinen radial
aufgeweiteten Zustand bewegt, wenn sich das obere Element 44 relativ
zum unteren Element 46 nach oben bewegt. Eine Fluidkammer 82 ist
zwischen dem ersten Betätiger 74 und
dem unteren Element 46 gebildet, welche Kammer 82 mit
dem Inneren 50 des Bohrgestänges 1 über die
kleinen Fluiddurchgänge 49 und
die Öffnungen 52 in
Fluidverbindung steht. Wenn somit Bohrfluid von dem Inneren 50 des
Bohrgestänges 1 über die Öffnungen 52 und
die Fluiddurchgänge 49 in
die Fluidkammer 82 gepumpt wird, wird das obere Element 44 dazu veranlaßt, sich
relativ zum unteren Element 46 nach oben zu bewegen. Der
Dorn 66 hat eine radial äußere Fläche ähnlicher Qualität wie die äußere Fläche des
Aufweitungskonus 22. Die Segmente 68 sind miteinander
durch Verbindungselemente 84 (5) verbunden,
die auch dazu dienen, die Spalten abzudecken, die zwischen den Segmenten 68 vorhanden sind,
wenn diese sich radial nach außen
bewegen. Die Spalten können
auch durch vorbestimmte Eingriffsprofile der Segmente 68 abgedeckt
werden.
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Während des
Normalbetriebes wird der neue Offenlochabschnitt 6 unterhalb
der Auskleidung 4 gebohrt, wobei das Bohrgestänge 1 durch
die Auskleidung 4 abgesenkt wird. Der bizentrierte Bohrmeißel 16 bohrt
den neuen Bohrlochabschnitt 6 auf einen Durchmesser, der
etwa gleich dem Durchmesser des oberen Bohrlochab schnittes 2 ist.
Während
des Bohrens wird ein Strom von Bohrfluid durch den inneren Durchgang 50 des
Bohrgestänges 1 gepumpt.
Nachdem der Abschnitt 6 gebohrt ist, wird das Bohrgestänge 1 so
positioniert, daß ein
oberer Endteil des Futters 12 innerhalb der Auskleidung 4 liegt.
Danach wird der Verschlußpfropfen 40 gemeinsam
mit dem Strom vom Bohrfluid in das Bohrgestänge 1 gepumpt, bis
der Pfropfen 40 in dem Sitzring 64 zu sitzen kommt.
Dadurch blockiert der Verschlußpfropfen 40 den
Fluiddurchgang 50, und fortgesetztes Pumpen von Fluid in
dem Bohrgestänge 1 bewirkt,
daß der
Sitzring 64 nach unten gegen den Anschlagring 65 gleitet.
Durch diese Bewegung werden die Öffnungen 52 entsiegelt,
und das nicht kompromierbare Medium wird durch den Verriegelungsring 58 hinausgedrückt, der
sich vollständig
in die ringförmige
Ausnehmung 60 zusammenzieht. Dadurch wird das obere Element 44 von
dem unteren Element 46 entriegelt.
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Bohrfluid,
welches in die Fluidkammer 82 über die Öffnungen 52 und die
Fluiddurchgänge 49 eintritt,
bewirkt, daß die
Fluidkammer 82 als hydraulische Kolben/Zylinderanordnung
wirkt, so daß das obere
Element 44 relativ zum unteren Element 46 nach
oben gedrückt
wird. Der Dorn 66 wird dadurch an seiner unteren verjüngten Oberfläche 72 durch das
obere Element 44 einer nach oben gerichteten Kraft ausgesetzt,
und durch die Federvorrichtung 80 einer nach unten gerichteten
Reaktionskraft an seiner oberen verjüngten Oberfläche 71.
Dadurch werden die Dornsegmente 68 radial nach außen gedrückt, so
daß sich
der Dorn 66 in seine radial aufgeweitete Stellung (3B)
bewegt, wodurch der obere Endteil des Futters 12 plastisch
verformt und radial gegen die Auskleidung 4 aufgeweitet
wird. Dann wird das obere Element 44 weiter nach oben gedrückt, wodurch
das verbleibende obere Ende des Futters 12 (3C)
aufgeweitet wird. Wenn das obere Ende des Futters 12 gegen
die bestehende Auskleidung 4 voll aufgeweitet ist, er reicht
das obere Element 44 einen Anschlag (nicht gezeigt), um
die weitere Bewegung zu begrenzen. Als Ergebnis wird das obere Ende
des Futters 12 fest gegen die Auskleidung 4 verankert.
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Als
nächstes
wird der Verschlußpfropfen 40 von
dem Sitzring 64 durch Aufbringen eines erhöhten Pumpendruckes
freigegeben, so daß der
Anschlagring 65 bricht und der Sitzring 64 weiter
nach unten in eine Axialposition gleiten kann, in welcher er auf
einen größeren Durchmesser
aufgeweitet werden kann. Der Verschlußpfropfen 40 wird
dann weiter nach unten in dem Rohrgestänge 1 gepumpt, bis
er an dem Anlageprofil 38 des Ringes 34 zu sitzen kommt.
Fortgesetztes Pumpen des Bohrfluids durch das Bohrgestänge 1 bewirkt,
daß der
Ring 34 in der ringförmigen
Ausnehmung 36 nach unten gleitet und dadurch bewirkt, daß die Halteblöcke 24 radial
zusammengezogen werden. Auf diese Weise wird der Aufweitungskonus 22 von
dem Futter 12 gelöst.
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In
einem nächsten
Schritt wird das Bohrgestänge 1 mit
dem Aufweitungskonus 22 durch das Futter 12 nach
oben gezogen, so daß das
Futter 12 durch seinen verankerten oberen Endteil an einer Axialbewegung
gehindert wird. Durch Hindurchziehen des Aufweitungskonus 22 durch
das Futter 12 wird das Futter 12 auf einen Außendurchmesser
aufgeweitet, der nahe zugleich dem Durchmesser des Bohrloches 2 ist.
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Die
Wanddicke des oberen Endes des Futters 12 kann von der
Wanddicke des übrigen
Teiles des Futters 12 verschieden sein, speziell kann sie kleiner
sein, um die Kraft zu reduzieren, die erforderlich ist, um das Futter
aufzuweiten.
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Statt
des bizentrierten Bohrmeißels
kann auch ein aufweitbarer Meißel
verwendet werden.
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Das
aufweitbare rohrförmige
Futter kann eine vorbestimmte Länge
haben, die für
den neu gebohrten Abschnitt größer sein
kann als ursprünglich geplant,
derart, daß eine Überlappung
mit der bestehenden Auskleidung vorhanden ist. Das aufweitbare Futter
kann dann an einer anderen Zwischentiefe installiert werden, wenn
dies erforderlich wird.
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Das
aufweitbare Futter kann vorgeformte Löcher aufweisen, die in dem
nicht aufgeweiteten Zustand geschlossen sind und die sich während des Aufweitens öffnen, damit
ein Pumpen von Aushärtungsfluid
in den Ringraum zwischen dem aufgeweiteten Futter und der Bohrlochwand
stattfinden kann.
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Statt
der Anwendung der Federvorrichtung 80 zur Erzielung einer
nach unten gerichteten Reaktionskraft auf den zweiten ringförmigen Betätiger 78 in
Abhängigkeit
von einer Aufwärtsbewegung
des oberen Elementes 44 gegen den Dorn 66, kann
eine hydraulische Kolben/Zylinderanordnung angewendet werden, um
eine nach unten gerichtete Reaktionskraft auf den zweiten ringförmigen Betätiger 78 auszuüben. Eine
solche Kolben/Zylinderanordnung wird zweckmäßig durch den Fluiddruck des
Fluids hydraulisch angetrieben, das im Inneren 50 des Bohrgestänges 1 vorhanden
ist.