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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren, geeignet zur Anwendung in Ölfeldleitungen („Rohren"). Im Speziellen
bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren,
die eingesetzt werden, um Bohrlochrohrelemente in einem Bohrloch
zu erweitern.
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Stand der Technik
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Futterrohrverbindungen,
Futterrohr beziehungsweise Abstandsstücke und andere Ölfeldhohlrohre
werden oft beim Bohren, Vervollständigen und Herstellen eines
Bohrloches genutzt. Futterrohrverbindungen können zum Beispiel in einem
Bohrloch eingelagert werden, um eine Formation zu stabilisieren,
um eine Formation gegen erhöhte
Bohrlochdrücke
(zum Beispiel Bohrlochdrücke,
die einen Formationsdruck übersteigen)
und ähnliches
zu schützen. Futterrohrverbindungen
können
in einer Ende-auf-Ende-Art und Weise beziehungsweise einer Stoßverbindungsart
durch Gewindeverbindungen, Schweißverbindungen und andere im
Stand der Technik bekannte Verbindungen gekoppelt werden. Die Verbindungen
können
so ausgeführt
sein, dass eine Dichtung zwischen einem Innenraum der gekoppelten
Futterrohrverbindungen und einem ringförmigen Raum ausgebildet wird,
der zwischen den äußeren Wänden der
Futterrohrverbindungen und den Wänden
des Bohrloches ausgebildet ist. Die Dichtung kann zum Beispiel eine
Elastomerdichtung (zum Beispiel eine O-Ringdichtung), eine Metall-auf-Metall-Dichtung
beziehungsweise Metalldichtung, die auf die Verbindung folgend ausgebildet
ist oder ähnliche
Dichtungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, sein.
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In
einigen Bohrlocherstellungsarbeitsabläufen ist es vorteilhaft, mit
Gewinde versehene Rohre oder Futterrohrverbindungen in einem gebohrten („offenen") Bohrloch oder innerhalb
eines ummantelten Bohrloches radial plastisch zu erweitern. In einem ummantelten
Bohrloch kann ein radial erweiterbares Futterrohr genutzt werden,
um verschlissene oder geschädigte
Futterrohre zu verstärken,
um so zum Beispiel eine Berstrate älterer Futterrohre zu erhöhen, wodurch
das frühzeitige
Einfallen der Bohrung verhindert wird. In offenen Bohrlochabschnitten
des Bohrloches kann die Verwendung eines radial erweiterbaren Futterrohres
einen erforderlichen Durchmesser eines gebohrten Loches für den gewünschten
endgültigen
verkleideten Lochdurchmesser reduzieren und kann außerdem ein
erforderliches Volumen an Zement, das zur Fixierung des Futterrohres im
Bohrloch erforderlich ist, reduzieren.
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Bei
herkömmlichen Ölfeldbohrungen
werden Futterrohrstränge
in gleichmäßigen Intervallen
installiert, wobei das Futterrohr für das nächste Intervall durch das Futterrohr
des vorhergehenden Intervalls hindurch eingebaut wird. Dies bedeutet,
dass der äußere Durchmesser
eines Futterrohrstranges durch den inneren Durchmesser des vorher
eingebauten Futterrohrstranges begrenzt wird. Daher werden Futterrohrstränge in konventionellen
Bohrlöchern
relativ zueinander mit Futterrohrdurchmessern, die sich in Abwärtsrichtung
verringern, ineinander geschachtelt.
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Üblicherweise
wird ein ringförmiger
Raum zwischen jedem Strang des Futterrohres und des Bohrloches ausgebildet,
so dass der Zement beziehungsweise ein Bindemittel in den ringförmigen Raum
oder Ringraum hineingepumpt werden kann, um zwischen dem Futterrohr
und dem Bohrloch zu dichten.
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Aufgrund
der ineinander geschachtelten Anordnung der Futterrohrstränge in einem
herkömmlichen
Bohrloch und dem ringförmigen
Raum, der um die Futterrohrstränge
zur Zementierung erforderlich ist, ist der Lochdurchmesser, der
im oberen Teil des Bohrloches gefordert wird, relativ groß. Dieser
große anfängliche
Bohrlochdurchmesser kann zu erhöhten Kosten
infolge der Aufwendung für
das Futterrohr mit großem
Durchmesser, dem Aufwand zum Bohren großer Lochdurchmesser und dem
zusätzlichen
Aufwand zur Zementierung eines großen Futterrohrstranges führen.
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Zusätzlich kann
die ineinander geschachtelte Anordnung der Futterrohrstränge in einem
herkömmlichen
Bohrloch in erheblicher Weise den inneren Durchmesser des Endfutterrohrstranges
am Boden des Bohrloches begrenzen, welcher den möglichen Produktionsdurchsatz
des Bohrloches beschränkt.
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Es
ist wünschenswert,
dass ein Futterrohrstrang an Ort und Stelle radial erweitert werden
kann, nachdem dieser in das Bohrloch durch den vorhergehenden Futterrohrstrang
hineingeführt
wurde, um so die Reduzierung des inneren Durchmessers des Endgehäusestranges
am Boden des Bohrloches zu minimieren. Die radiale Erweiterung eines
Futterrohrstranges in dem Bohrloch hat den zusätzlichen Vorteil der Reduzierung
des ringförmigen
Raumes zwischen dem gebohrten Bohrloch und dem Futterrohrstrang,
welcher den Anteil an Zement, der erforderlich ist, um eine Abdichtung
zwischen dem Futterrohr und dem Bohrloch zu bewirken, reduziert.
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Wird
ein kaltverformender Aufweitungsprozess genutzt (zum Beispiel wenn
ein kaltverformendes Aufweitungswerkzeug oder „Meisel" durch einen Futterrohrstrang bewegt
wird, um den Futterrohrstrang radial plastisch aufzuweiten), fährt der
Futterrohrstrang gewöhnlich
in das Bohrloch „Kasten
nach unten" („box-down") (zum Beispiel,
die „box" oder der Innengewindeanschluss
fährt in
das Loch dem Bohrloch gegenüberliegend
ein, so dass das Aufweitungswerkzeug („Meisel") nicht die Nase des Zapfens oder den
Außengewindeanschluss
deformiert, wenn das Aufweitungswerkzeug in Richtung nach oben durch
den Futterrohrstrang getrieben wird). Es ist zu beachten, dass Rohrstränge, solche
wie Bohrrohre, Futterrohre oder ähnliche
rohrförmige
Elemente, normalerweise in das Bohrloch „Zapfen nach unten" (pin-down) einfahren,
weil es leichter ist, die Gewindeanschlüsse in dem Rohrstrang miteinander
zusammenzubringen.
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Verschiedene
Aufweitungstechniken für
Futterrohre wurden bereits entwickelt. Ein Aufweitungswerkzeug wird
typischerweise genutzt, um einen Strang eines Futterrohres oder
Rohrleitung, der innerhalb des Bohrloches angeordnet ist, von einem Anfangszustand
(zum Beispiel von einem Anfangsdurchmesser) in einen aufgeweiteten
Zustand (zum Beispiel mit einem größeren Durchmesser) zu erweitern.
Ein herkömmliches
Verfahren des Standes der Technik nutzt ein konisches beziehungsweise
spitz zulaufendes, kaltverformendes Aufweitungswerkzeug (gewöhnlich als „Meisel" bezeichnet), um
das Futterrohr in einem Bohrloch zu aufzuweiten. Das Aufweitungswerkzeug
ist gewöhnlich
an einem unteren Ende eines Futterrohrstranges angefügt, der
in das Bohrloch einfährt.
Ein Führungsdorn
des Aufweitungswerkzeuges umfasst üblicherweise einen Zylinder
mit einem äußeren Durchmesser,
der kleiner ist als ein „Aufweitungs"-durchmesser des
zusammengesetzten Futterrohres oder Rohrstranges, der radial zu
erweitern ist. Das Aufweitungswerkzeug beinhaltet einen verjüngenden
beziehungsweise konischen Abschnitt, der einen Kegelwinkel aufweist,
der üblicherweise
zwischen 5 Grad und 45 Grad beträgt.
Das Aufweitungswerkzeug ist üblicherweise
symmetrisch um eine Längsachse
davon. Das Aufweitungswerkzeug beinhaltet auch einen zylindrischen
Bereich, der einen Durchmesser aufweist, der typischerweise mit
einem gewünschten
aufgeweiteten inneren Durchmesser des Futterrohrstranges übereinstimmt. Dem
zylindrischen Abschnitt folgt ein konischer beziehungsweise spitz
zulaufender Abschnitt.
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Nachdem
der Futterrohrstrang an Ort und Stelle im Bohrloch verbracht ist,
gewöhnlich
durch Aufhängen
des Futterrohrstranges an einer Futterrohraufhängeeinrichtung, wird ein Arbeitsstrang
des Bohrgestänges
oder Rohrstranges in das Bohrloch eingetrieben und angeschlossen
an ein Aufweitungswerkzeug (zum Beispiel wird der Arbeitsstrang
gewöhnlich
an einen Führungsdorn
angeschlossen). Das Aufweitungswerkzeug kann auch eine axiale Bohrung
durch dieses (nicht gezeigt) umfassen, so dass Druckfluid (zum Beispiel Spülschlamm)
durch den Arbeitsstrang, durch das Aufweitungswerkzeug und in das
Bohrloch gepumpt werden kann, um das Bohrloch hydraulisch unter
Druck zu setzen. Der hydraulische Druck wirkt an einer Kolbenfläche, die
von einem unteren Ende des Aufweitungswerkzeuges bestimmt wird,
und der hydraulische Druck wird mit einer axialen nach oben gerichteten
Hebekraft am Arbeitsstrang kombiniert, um das Aufweitungswerkzeug
nach oben durch den Futterrohrstrang zu zwingen, um den Futterrohrstrang
nach radial außen
auf einen gewünschten
Aufweitungsdurchmesser zu verdrängen.
In diesem Aufweitungsverfahren wird ein Grad der radialen Erweiterung
durch zum Beispiel eine gesamte plastische Beanspruchung bestimmt, die
erforderlich ist, um den Futterrohrstrang zu erweitern, den Kegelwinkel
und eine Geschwindigkeit der axialen Verdrängung des Aufweitungswerkzeuges durch
den Futterrohrstrang. Die Stetigkeit des Aufweitungsverfahrens wird
durch Übergänge entlang des
Aufweitungswerkzeuges gesteuert und einer Querschnittsfläche von
zum Beispiel Futterrohrlängen,
die den Futterrohrstrang bilden, Gewindeverbindungen, die die Futterrohrlängen miteinander
koppeln und Ähnlichem.
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Das
Aufweitungswerkzeug kann in den Futterrohrstrang entweder am Boden
oder oben eingeführt
werden, in Abhängigkeit
von der Werkzeugausführung
und der Anwendung. Die radiale Erweiterung kann im Verhältnis von
zum Beispiel 25 bis 60 Fuß pro
Minute vorgenommen werden. Andere Aufweitungsverfahren, solche wie
Erweiterung unter lokalem hydrostatischem Druck oder „Hydroforming" sind im Stand der
Technik bekannt, werden jedoch üblicherweise
nicht so oft verwendet wie der vorher genannte Kaltverformungsaufweitungsprozess.
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Das
US-Patent Nr. 5,348,095 ,
das für
Worrall und andere erteilt wurde, offenbart ein Verfahren zur Erzeugung
eines Bohrloches in einer Untergrundformation. Ein Bohrloch wird
in die Untergrundformation gebohrt, wonach ein Futterrohr aus einem
duktilen Werkstoff in das Bohrloch hinabgesenkt wird. Das Futterrohr
wird so ausgewählt,
dass dieses eine geringere elastische radiale Deformation aufweist
als die Umgebungsformation, wenn das Futterrohr radial gegen die
Bohrlochwand durch Anwendung einer Radialkraft auf das Futterohr
erweitert wird. Die Radialkraft wird auf das Futterrohr aufgebracht,
um das Futterrohr radial gegen die Bohrlochwand zu erweiten, dabei
eine plastische radiale Deformation des Futterrohres und eine elastische
radiale Verformung der umgebenden Untergrundformation induzierend, wonach
die Radialkraft vom Futterrohr entfernt wird.
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Das
US-Patent Nr. 5,667,001 ,
das für
Gill und andere erteilt wurde, offenbart ein Verfahren zur Erzeugung
eines Futterrohres in einem Bohrloch, das in einer Untergrundformation
ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte (a) Installierung
eines rohrförmigen
Einsatzes beziehungsweise Futterrohres (liner) in dem Bohrloch,
wobei der rohrförmige Einsatz
radial im Bohrloch erweiterbar ist, wobei der rohrförmige Einsatz
in seiner radial erweiterten Stellung eine Mehrzahl von Öffnungen
aufweist, die sich in Längsrichtung
des rohrförmigen
Einsatzes überlappen,
(b) radiale Erweiterung des rohrförmigen Einsatzes im Bohrloch,
und (c) entweder vor oder nach Schritt (b) Installierung eines Körpers aus
aushärtbarem
fluidischem Dichtmaterial in das Bohrloch, so dass der Dichtwerkstoff
die Öffnungen
ausfüllt
und dabei im wesentlichen die Öffnungen
verschließt.
Der Dichtwerkstoff beziehungsweise das Dichtmaterial wird derart
ausgewählt,
dass dieser in den Öffnungen aushärtet und
dabei die Druckfestigkeit des rohrförmigen Einsatzes erhöht.
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US-Patent Nr. 6,012,523 ,
erteilt für
Campbell und andere, offenbart eine Bohrlochvorrichtung zur Anwendung
zur Erweiterung eines rohrförmigen
Einsatzes beziehungsweise Futterrohres oder Rohrleitung. Die Vorrichtung
umfasst einen Körper
zur Verbindung mit einem Strang und einen Aufweitungsabschnitt am
Körper.
Der Aufweitungsabschnitt schließt eine
Mehrzahl von radial bewegbaren Teilen zur Bestimmung einer äußeren Oberfläche von
diesem ein. Die Teile sind anfänglich
an einer axialen und umfänglichen
ersten, einen Absatz bildenden Konfiguration angeordnet, in welcher
die Teile eine erste Konfiguration mit kleinerem Durchmesser einnehmen können. Die
Vorrichtung wird dann in das Bohrloch getrieben und durch eine Länge der
erweiterbaren Rohrleitung. Die Teile werden dann radial nach außen bewegt
und axial ausgerichtet, so dass die Teile eine zweite Konfiguration
mit größerem Durchmesser
einnehmen und einen im wesentlichen gleichmäßigen äußeren Umfang definieren. Der
Aufweitungsabschnitt wird dann durch den Rohrstrang zur Erweiterung
des Rohrstranges gezogen.
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Das
US-Patent Nr. 6,021,850 ,
erteilt für Wood
und andere, offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erweiterung
von Rohren. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein abgerundetes Rohr
durch ein größeres Rohr
eingefügt,
während
es an einem Dorn entlang verschoben wird. Eine Arretiervorrichtung,
solche wie ein Rohraufhängeinrichtung
beziehungsweise eine Rohrhalteeinrichtung, wird am größeren Rohr
nach der Bereitstellung des Bohrloches am Dorn angeschlossen. Aufgrund
der Kopplung der Rohrhalteeinrichtung oder anderen Arretiervorrichtung
mit dem größeren Rohr
ist der Dorn frei bewegbar mit Bezug zur Arretiervorrichtung. Der Dorn
enthält
eine Deformiereinrichtung, eine solche wie ein konisch geformter
Keil, der unter dem zu erweiternden Rohr angeordnet ist. Es wird
eine Kraft von der Oberfläche
auf den Dorn aufgebracht, den Keil in das Rohr mit hineinziehend,
das zu erweitern ist. Wenn der Keil sich durch das Rohr arbeitet,
welches zu erweitern ist, löst
er die Arretiervorrichtung, so dass die Arretiervorrichtung mit
dem Dorn zur Oberfläche
zurückgebracht
werden kann. Folglich wird die Arretiervorrichtung durch das größere Rohr abgestützt, während das
kleinere Rohr erweitert wird, wenn der Keil durch diesen durchgebracht
wird. Sollte das Rohr, das erweitert wird, sich längs zusammenziehen,
während
es erweitert wird, ist es frei sich von der Arretiervorrichtung
weg zu bewegen.
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US-Patent Nr. 6,029,748 ,
erteilt für
Forsyth und andere, offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren,
die die Bohrlocherweiterung langer Stränge gerundeter Rohre ermöglichen,
eine Technik nutzend, die das Rohr von oben bis unten erweitert.
Die Vorrichtung stützt
das Rohr beziehungsweise die Rohrleitung, die zu erweitern ist,
durch einen Satz von vorspringenden Mitnehmern beziehungsweise Nocken,
welche eingezogen werden können,
falls ein Notfallauslösen
erforderlich wird. Ein konisch geformter Keil wird am oberen Teil
des Rohres, welches zu erweitern ist, eingetrieben. Nach einigen
anfänglichen
Erweiterungen kontaktiert eine Dichtung hinter dem Keil den erweiterten
Abschnitt des Rohres. Das weitere Eintreiben des Keiles in das Rohr
bringt letztendlich eine Reihe von rückwärtigen Dichtungen (back up
seals) ein, welche mit dem erweiterten Rohr zusammenwirken und an
dieser Stelle von einem Antriebsdorn entkoppelt sind. Der überdies
aufgebrachte Druck macht nun Gebrauch von einem Kolben eines vergrößerten Querschnittsbereiches,
um die weitere Erweiterung des Rohres fortzusetzen. Wenn der Keil
vollständig
durch das Rohr geschlagen wurde, hat dieser dann das Rohr auf einen
inneren Durchmesser größer als
der der vorstehenden Nocken, welche dieses vorher gestützt haben,
erweitert. An diesem Punkt kann die Anordnung von dem Bohrloch entfernt
werden. Ein Notfallauslösen,
dass die Senkung einer Kugel und Schalten beziehungsweise Verschieben
einer Buchse einschließt,
erlaubt durch die Verwendung des angewendeten Druckes das Schalten
einer Buchse, welche den Nocken abstützt, welcher bei Drehung das
Rohr, das zu erweitern ist, abstützt.
Wenn die Lagerbuchse für
den Nocken geschaltet wurde, kann der Nocken zurückgenommen werden, um eine
Entfernung des Werkzeuges zu erlauben, auch falls das zu erweiternde
Rohr noch nicht vollständig
erweitert worden ist.
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US-Patent Nr. 6,085,838 ,
erteilt für
Vercaemer und andere, offenbart ein Verfahren zur Zementierung eines
Bohrloches, das eine Reduzierung im Maß der geforderten Durchmesserreduzierung
des Futterrohres oder rohrförmigen
Einsatzes zulässt und
nicht übermäßig große Anfangsleitungsfutterrohre
erfordert. Dieses Verfahren ist durch die Bereitstellung eines vergrößerten Bohrloches
charakterisiert und einen neuen Ummantelungsaufbau, der zur Erweiterung
von einem verringerten Durchmesserabschnitt davon im Bohrloch geeignet
ist, der vor der Erweiterung des Abschnittes einen ungehinderten Durchfluss
von Fluid von dem vergrößerten Bohrloch während der
Zementierung und nachdem die Zementierung und die Erweiterung des
Abschnittes abgeschlossen ist, einen festen Sitz des erweiterten
Abschnittes mit dem Futterrohr oder dem vorhergehenden rohrförmigen Einsatz
und die Erweiterung des Abschnittes bereitstellt. Ein neuartiger
Bohrlochummantelungsaufbau und neuartige Bohrlochaufweitungsmittel
sind auch offenbart.
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Die
Patentanmeldung
WO 00/37766 beschreibt
ein Verfahren und ein Werkzeug zur Profilierung und Verbindung von
Rohrleitungen. Das Werkzeug weist Kontaktoberflächen in der Form von Rollen
auf, die von einem rollenführenden
Kolben in Richtung der inneren Oberfläche des Rohres, das lokal zu
erweitern ist, gedrückt
werden. in einer Ausführungsform
weist jede der Rollen unmittelbar eine zylindrische oder ein wenig
fassförmige
Form auf. in einer anderen Ausführungsform
weist das Rollenwerkzeug nach außen eine konische Anordnung
von konischen Rollen auf. In noch einer anderen Ausführungsform
werden die konischen Rollen von Hartstahlwälzlagern gebildet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Erfindung ein Werkzeug zum radialen plastischen Aufweiten
eines Rohres mit einem Anschlussgewinde beziehungsweise einer Gewindeverbindung
darin, das einen ersten Abschnitt beinhaltet. Der erste Abschnitt weist
einen sich vergrößernden
Durchmesser und einen sich vergrößernden
Konuswinkel entlang der Bewegungsrichtung durch das Rohr auf. Der
erste Abschnitt weist eine erste äußere Oberfläche auf, die geeignet ist,
eine innere Oberfläche
des Rohres an einer Mehrzahl von ausgewählten Kontakt- beziehungsweise
Aufstandsflächen
an der ersten äußeren Oberfläche zu berühren. Das
Werkzeug weist einen zweiten Abschnitt auf, der axial hinter dem
ersten Abschnitt entlang der Bewegungsrichtung angeordnet ist. Der
zweite Abschnitt weist einen sich vergrößernden Durchmesser und einen
sich verringernden Konuswinkel entlang der Bewegungsrichtung auf.
Der zweite Abschnitt umfasst eine zweite äußere Oberfläche, die geeignet ist, um eine
innere Oberfläche
des Rohres an wenigstens einer ausgewählten Kontakt- beziehungsweise
Aufstandsfläche
an der zweiten äußeren Oberfläche zu berühren.
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In
einer weiteren Ausführung
beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Erweiterung eines Futterrohres,
ein Verrohrungsaufweitungswerkzeug durch ein Verrohrungs- beziehungsweise
Futterrohrsegment treibend. Das Futterrohrsegment weist einen kleineren
inneren Durchmesser auf als der größte äußere Durchmesser des Aufweitungswerkzeuges.
Das Aufweitungswerkzeug beinhaltet eine äußere Oberfläche und eine Mehrzahl von Kontaktbeziehungsweise
Aufstandsflächen
an der äußeren Oberfläche. Die
Kontaktbeziehungsweise Aufstandsflächen sind geeignet, um einen
Abschnitt des Futterrohres an einer Mehrzahl von axialen Stellen
am inneren Durchmesser des Futterrohres zu berühren.
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In
einer weiteren Ausführung
umfasst die Erfindung eine Bohrvorrichtung, die ein Futterrohr-
beziehungsweise Verrohrungsaufweitungswerkzeug beinhaltet, umfassend
eine äußere Oberfläche und eine
Mehrzahl von Aufstandsflächen
an der äußeren Oberfläche. Zwei
benachbarte Aufstandsflächen
definieren zwei umfängliche
Kontaktflächen,
die unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Vorrichtung beinhaltet
auch einen Abschnitt der Verrohrung. Eine innere Oberfläche des
Abschnittes der Verrohrung ist mit einer Mehrzahl der umfänglichen
Aufstandsflächen
des Verrohrungsaufweitungswerkzeuges an wenigstens zwei axialen
Stellen in Berührung.
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Andere
Ausführungen
und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den anhängenden
Ansprüchen
offenkundig.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht einer gemäß dem Stand der Technik ausgeführten rohrförmigen Gewindeverbindung
mit Keilgewinde und einer inneren Metall-auf-Metall-Dichtung beziehungsweise
Metalldichtung.
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2 zeigt
eine Schnittsdarstellung eines typischen konischen Aufweitungswerkzeuges
gemäß dem Stand
der Technik, das die Futterrohrleitung mit einer rohrförmigen Gewindeverbindung
zu deformieren beginnt.
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3 verdeutlicht
eine zusammengesetzte rohrförmige
Gewindeverbindung mit Keilgewinde während der Erweiterung durch
ein kegelstumpfförmiges
beziehungsweise konisches Aufweitungswerkzeug gemäß dem Stand
der Technik.
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4 zeigt
eine zusammengesetzte rohrförmige
Gewindeverbindung gemäß 3 im
erweiterten Zustand, das heißt,
nachdem das Aufweitungswerkzeug gemäß dem Stand der Technik vollständig die
Verbindung durchlaufen hat.
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht auf eine Ausführung des Futterrohraufweitungswerkzeuges
der vorliegenden Erfindung.
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5a zeigt
eine Teilquerschnittsdarstellung einer Ausführungsform des Futterrohraufweitungswerkzeuges
der vorliegenden Erfindung.
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5b zeigt
einen Querschnittsabschnitt gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Futterrohraufweitungswerkzeuges der vorliegenden Erfindung,
das in das Futterrohr eindringt.
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6 zeigt
eine teilweise Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform
eines Fünf-Segment-Aufweitungswerkzeuges
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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7 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht auf eine andere Ausführungsform
des Aufweitungswerkzeuges der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform
des Aufweitungswerkzeuges der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform
des Aufweitungswerkzeugs der vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform
des Aufweitungswerkzeuges der vorliegenden Erfindung.
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11 zeigt
eine teilweise Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform
des Aufweitungswerkzeuges der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
radial plastische Aufweitung von zusammengesetzten Gewindeverbindungen
in ölfeld-
und anderen rohförmigen
Waren kann strukturbedingt Dichtprobleme in den erweiterten Gewindeverbindungen
hervorbringen. Gewindeverbindungen, die radialer Aufweitung unterliegen,
haben die Tendenz, eine nicht gleichmäßige axiale Ausdehnung zu zeigen
und reagieren unterschiedlich auf die zurückbleibenden Umfangsspannungen,
die nach der radialen Erweiterung verbleiben. Im speziellen deformieren männliche
beziehungsweise Außen(Zapfen)-Gewindeelemente
und weibliche beziehungsweise Innen(Gehäuse)-Gewindeelemente sich unterschiedlich
während
der radialen Erweiterung. In Abhängigkeit
von der Richtung der Bewegung des Aufweitungswerkzeuges (zum Beispiel
Zapfen zum Gehäuse
oder Gehäuse
zum Zapfen), wird das zweite Element, das der radialen Erweiterung
unterliegt, sich im allgemeinen weg von dem ersten Element bewegen. Diese
unterschiedlichen Verschiebungsphänomene resultieren in einem
Verlust der Vorspannung in axial eingerückten Dichtungen, die die Verwendung
konventioneller Metall-auf-Metall-Dichtungen (einschließlich zum
Beispiel Schulterdichtungen) im allgemeinen unwirksam für ein plastisch
radial aufgeweitetes Futterrohr und Rohrstrang macht.
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Wird
eine Verbindung eines Futterrohres oder Rohrstranges radial plastisch
erweitert, wird die Wanddicke der Futterrohrverbindung und die gesamte
axiale Länge
der Futterrohrverbindung durch einen Prozess, der gewöhnlich als „Querkontraktion" bezeichnet wird,
reduziert, und Eigenspannungen bleiben in der Futterrohrverbindung
erhalten. In jedem vorgegebenen finiten Element nahe einer Mitte
der Futterrohrverbindung wird die Futterrohrverbindung einen im
wesentlichen gleichen Durchmesser und Wanddicke aufrechterhalten,
da jedes finite Element eine Unterstützung von benachbarten finiten
Elementen erfährt.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer zusammengesetzten rohrförmigen Gewindeverbindung mit Keilgewinde
und einer inneren Metall-auf-Metall-Dichtung eines Typs, welcher
bevorzugt für
aufweitbare Verrohrungen eingesetzt wird. Keilgewinde sind im allgemeinen
zinkengeformte Gewinde mit konvergierender Gewindekopfbreite. Keilgewinde sind
ausführlich
in
US-Patent Nr. RE 30,647 ,
US-Patent
Nr. RE 34,467 ,
US-Patent
Nr. 4,703,954 und
US-Patent
Nr. 5,454,605 offenbart, alle übertragen auf den Rechtsnachfolger
der vorliegenden Erfindung. Diese zusammengesetzte Verbindung besteht aus
einem weiblichen beziehungsweise Innengehäuseanschluss
100 und
einem männlichen
beziehungsweise Außenzapfenanschluss
101.
Die zusammengesetzte Verbindung weist eine Gesamtverbindungslänge
102 (oder
die Größe L1) vom
Zapfenvorsprung beziehungsweise der Zapfennase
103 zur
Gehäusenase
104 auf
und eine Eingriffsgewindelänge
105 (oder
die Größe
L2)
vom Beginn der ersten eingreifenden Gewindewindung am Zapfen
106 zum
Ende der letzten eingreifenden Gewindewindung am Zapfen
107.
Man beachte, dass die Eingriffsgewindelänge
105 nicht immer
in der gleichen axialen Ebene wie in
1 verdeutlicht
gemessen werden kann, da der Beginn der ersten eingreifenden Gewindewindung nicht
immer in der gleichen axialen Ebene wie das Ende der letzten eingreifenden
Gewindewindung liegen wird.
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Die
Keilgewindeform weist Einbringungsflanken (stab flanks) 108 auf,
so bezeichnet, weil diese gewöhnlich
in Kontakt gelangen, wenn die Gewindeanschlüsse der Gewindeverbindung anfänglich zusammengeführt werden,
um zusammengesetzt zu werden. Die Gewindeform weist auch Lastflanken 109 auf,
so genannt, da diese die Zugkraft, die an der zusammengesetzten
Verbindung in einem Strang der Verrohrung, die in der Bohrung hängt, führen. Die Gewindeform
am Zapfenanschluss 101 weist Zapfengewindekerne 110 und
Zapfengewindeköpfe 111 mit
einer Zapfengewindekopfbreite 114 auf. Die Gewindeform
am Gehäuseanschluss 100 weist
Gehäusegewindekerne 112 und
Gehäusegewindeköpfe 113 auf.
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Keilgewinde
sind eine geeignete Gewindeform für Anwendungen in erweiterbaren
Verrohrungen, da (a) ihre gewöhnlich
gezinkte Gewindeform radialen Kräften
während
und nach der Erweiterung widersteht, welche auf das Trennen des
Zapfenanschlusses vom Gehäuseanschluss
gerichtet sein könnten,
und (b) weil diese nicht entgegen einer radialen Drehmomentschulter
zusammengesetzt werden können,
jedoch stattdessen typischerweise durch gleichzeitige Berührung der
Gewindelastflanken 109 und der Einbringflanken 108 erzeugt
werden. Während
des Aufweitungsverfahrens werden axiale Belastungen in der Verbindung
oft einen Ausfall der radialen Drehmomentschulter verursachen, wenn
die Druckbelastung an der Schulter die Druckstreckgrenze des Verrohrungsmaterials übersteigt.
Andere Typen rohrförmiger
Gewindeverbindungen können auch
erfolgreich in erweiterten Verrohrungsanwendungen mit einem Werkzeug
und einem Verfahren gemäß der Erfindung
genutzt werden.
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Die
zusammengesetzte Verbindung gemäß
1 weist
einen inneren Metall-auf-Metall-Dichtungsbereich
115 auf.
Diese Art der Metalldichtung entspricht einem Typ, der vom
US-Patent Nr. 5,423,579 ,
das für
Blose und andere erteilt wurde, gelehrt wird. Um eine Metall-auf-Metall-Dichtung
diesen Typs zu erreichen, müssen
die zwei Dichtoberflächen
am Zapfen und Gehäuse
zusammenkommen, um eine dünne
zylindrische oder kegelstumpfförmige beziehungsweise
konische (frustoconical) Kontakt- beziehungsweise Aufstandsfläche (gewöhnlich im aktuellen
Stand der Technik durch die Verwendung von versetzten Dichtwinkeln
an den Zapfen- und Gehäuseelementen
erreicht) auszubilden und es muss eine bestimmte minimale Kontaktspannung
an der Dichtaufstandsfläche
vorliegen, um eine Abdichtung gegen den inneren Druck innerhalb
der Verrohrung zu bewirken.
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Gewöhnlich kann
diese Kontaktspannung während
des Zusammenfügens
entwickelt werden, wenn die Zapfen- und die Gehäusedichtflächen axial aneinandergebracht
werden, indem die Anschlüsse ineinander
geschraubt („zusammengesetzt") werden und der
Zapfendichtungsbereich allmählich
nach innen gedrückt
wird. Diese leichte Beugung erzeugt eine verbleibende Biegebeanspruchung
in der Zapfennase, welche bei Verdrehung den Kontaktdruck an der
Dichtkontaktfläche
erzeugt.
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2 ist
eine Schnittdarstellung eines typischen konischen Aufweitungswerkzeuges 202 gemäß dem Stand
der Technik (oder „Aufweitungsmeisels"), dass das Futterrohr 260 mit
einer zusammengesetzten rohrförmigen
Gewindeverbindung 250, die aus einem Gehäuseanschluss 200 und
einem Zapfenanschluss 201 besteht, zu deformieren beginnt. Die
zusammengesetzte rohrförmige
Gewindeverbindung 250 weist eine Gesamtverbindungslänge 209 und
eine Gewindeeingriffslänge 208 auf.
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Das
konische Aufweitungswerkzeug 202 und die zusammengesetzte
rohrförmige
Gewindeverbindung 250 teilen eine gemeinsame Mittellinie 203.
In dieser Figur wird das konische Aufweitungswerkzeug 202 durch
das Futterrohr 260 in Bewegungsrichtung des Aufweitungswerkzeuges 204 gedrückt.
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Das
konische Aufweitungswerkzeug 202 weist eine zylindrische
Oberfläche 210 auf,
eine kegelstumpfförmige
beziehungsweise konische Ausgangsoberfläche 211 und eine kegelstumpfförmige beziehungsweise
konische Aufweitungsoberfläche 205 mit
einem Konuswinkel 206 (bezeichnet mit α) von ungefähr 10 Grad von der Axialen
und einer aktiven Länge 207.
Die Überschneidung
der zylindrischen Oberfläche 210 und
der kegelstumpfförmigen beziehungsweise
konischen Aufweitungsoberfläche 205 bildet
einen Beugungspunkt 213.
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Die
meisten Aufweitungswerkzeuge gemäß dem Stand
der Technik weisen einen Konuswinkel größer als 10 Grad auf. Ein flacher
Konuswinkel 206 wird im Beispiel des Standes der Technik,
der in 2 gezeigt ist, verwendet, um zu demonstrieren, dass
ein einfaches Verwenden eines flachen Konuswinkels 206 an
einer kegelstumpfförmigen
beziehungsweise konischen Aufweitungsoberfläche 205 auch noch
Unzulänglichkeiten
anderer Aufweitungswerkzeuge gemäß dem Stand
der Technik, die einen großen
Konuswinkel aufweisen, hervorbringen kann, wenn diese genutzt werden,
um rohrförmige
Gewindeverbindungen zu erweitern.
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Die
aktive Länge 207 der
kegelstumpfförmigen
beziehungsweise konischen Aufweitungsoberfläche 205 wird als die
axiale Länge
der Aufweitungsfläche 205 vom
Schnitt mit der inneren Oberfläche des
Futterrohres 212 bis zum Beugungspunkt 213 (der
Schnitt der Aufweitungsoberfläche 205 und
der zylindrischen Fläche 210)
bestimmt. Die aktive Länge 207 ist
deshalb der Abschnitt der kegelstumpfförmigen beziehungsweise konischen
Aufweitungsfläche 205,
der an der Innenseitenfläche
des Futterrohres 212 während
des Futterrohraufweitungsprozesses lagert. Es ist charakteristisch
für Aufweitungswerkzeuge
des Standes der Technik, dass die aktive Länge der Aufweitungsoberfläche ziemlich
kurz ist, typischerweise um die Reibung zwischen dem Aufweitungswerkzeug
und dem Futterrohr zu verringern. Typischerweise ist die aktive
Länge 207 der
Aufweitungsoberfläche
kürzer
als die Eingriffsgewindelänge 208 der
zu erweiternden Verbindung.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wurde durch Experimente und Finite Elemente Analyse entdeckt,
dass rohrförmige
Gewindeverbindungen an erweiterbaren Ölfeldfutterrohren und ähnlichen,
welche mechanisch aufgeweitet werden, wie mit einem kegelstumpfförmigen beziehungsweise
konischen Aufweitungswerkzeug, während
des Aufweitungsprozesses axial gestützt werden müssen, entweder durch
wiederholte Abstützung über die
Eingriffsgewindelänge
oder vorzugsweise an einer Mehrzahl von Punkten innerhalb der Eingriffsgewindelänge. Einige
mögliche
Konsequenzen der Verwendung eines Aufweitungswerkzeuges, welches
zu kurz ist, um die Gewindeverbindung ordnungsgemäß abzustützen, werden
in 3 und 4 dargestellt.
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Die 3 zeigt
eine zusammengesetzte Gewindeverbindung 350 mit Keilgewinde,
bestehend aus einem Gehäuseanschluss 300 und
einem Zapfenanschluss 301, ähnlich zu der Verbindung, die
in 2 gezeigt ist, während der Aufweitung durch
ein Aufweitungswerkzeug gemäß dem Stand
der Technik (nicht gezeigt) mit dem Gewindeabschnitt der Verbindung über die
aktive Länge
des Aufweitungswerkzeuges. Wie es herkömmliche Praxis im Stand der Technik
ist, verfährt
das Aufweitungswerkzeug in der Bewegungsrichtung des Aufweitungswerkzeuges 302 vom
Zapfenanschluss 301 zum Gehäuseanschluss 300,
um eine starke Deformierung der Zapfennase 301A zu vermeiden.
Dieses Erfordernis beschränkt
den Aufweitungsbetrieb ernsthaft, in dem entweder das Aufweitungswerkzeug
(nicht gezeigt) in das Bohrloch hinunter bewegt werden muss (falls der
Strang im Loch in konventioneller Art und Weise eingebracht wird,
mit dem Zapfenanschluss, der nach unten weist) oder der Strang muss
in das Bohrloch eingebracht werden „Gehäuse nach unten" (was gewöhnlich viel
langsamer erfolgt und deshalb erheblich teurer ist) um zu erlauben,
dass das Aufweitungswerkzeug (nicht gezeigt) sich aufwärts im Bohrloch
bewegt.
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Das
Gehäuseende 300A der
zusammengesetzten Verbindung 305 hat bereits den Knickpunkt 308 passiert,
welcher der Überschneidung
der kegelstumpfförmigen
beziehungsweise konischen Aufweitungsoberfläche 309 und der zylindrischen
Oberfläche 310 entspricht.
Es ist zu beachten, dass die letzte in Eingriff stehende weibliche
beziehungsweise innere Gewindewindung 303 am Zapfenanschluss „kammgeöffnet" ist (so bezeichnet,
da die Wirkung der Spreizung der Zähne eines Kammes entspricht, so
wie wenn dieser rückwärts an seinem
Rücken
gebogen wird) und dass die erste in Eingriff stehende männliche
beziehungsweise äußere Gewindewindung 304 am
Gehäuseanschluss
eine massive plastische Deformation durch Biegung erfährt. Ein ähnliches „Kammdurchbiegen" („Combing") beginnt an der
nächsten
weiblichen beziehungsweise inneren Gewindewindung 305 am
Zapfenanschluss aufzutreten, welcher direkt neben dem Knickpunkt 308 am Aufweitungswerkzeug
angeordnet ist und ein großer Abstandsspalt
hat sich an der Einbringflanke 306 der zweiten in Eingriff
stehenden männlichen
beziehungsweise äußeren Gewindewindung
am Gehäuse ausgebildet.
Es ist zu berücksichtigen,
dass der freigegebene Spalt an den Einbringflanken 307 bereits begonnen
hat, sich auszubilden, selbst wenn es bis jetzt noch kein Anzeichen
an dieser Stelle in der Verbindung für „Combing" gibt.
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Die 4 verdeutlicht
eine zusammengesetzte rohrförmige
Gewindeverbindung 450 gemäß 3 im aufgeweiteten
Zustand, das heißt,
nachdem das Aufweitungswerkzeug (nicht gezeigt) vollständig durch
die Verbindung in Bewegungsrichtung des Aufweitungswerkzeuges 102 bewegt
worden ist. Die zusammengesetzte rohrförmige Gewindeverbindung 450 besteht
aus einem Gehäuseanschluss 400 und
einem Zapfenanschluss 401.
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Die
letzte in Eingriff stehende weibliche beziehungsweise innere Gewindewindung
403 am Zapfenanschlusses 401 ist erheblichen axialen Belastungen
als ein Ergebnis des „Combings", hervorgerufen durch
das Aufweitungswerkzeug, ausgesetzt. Die erste in Eingriff stehende
männliche
beziehungsweise äußere Gewindewindung 404 des
Gehäuseanschlusses 400 weist
eine plastische Deformation durch Biegung, dargestellt in 3,
auf. Als Ergebnis haben diese Gewindewindungen im wesentlichen keinen
Einbringflankenkontakt und größtenteils
reduzierten Lastflankenkontakt. Die nächste in Eingriff stehende
männliche
beziehungsweise äußere Gewindewindung 408 des
Gehäuseanschlusses 400 zeigt
eine ähnliche
plastische Deformation durch Biegung, welche zu einem großen Abstandsspalt
an der belasteten Flanke 407 beiträgt. Die nächste in Eingriff stehende
männliche
beziehungsweise äußere Gewindewindung 410 des
Gehäuseanschlusses 400 zeigt
langsam weniger plastische Deformation aufgrund Biegung, aber noch
einen erheblichen Abstandsspalt an der entsprechenden Belastungsflanke 409.
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In ähnlicher
Weise weist die letzte eingreifende weibliche beziehungsweise innere
Gewindewindung 408 des Gehäuseanschlusses 400 eine
plastisch vergrößerte Windungsbreite
auf, während
die erste äußere eingreifende
Windung 405 des Zapfenanschlusses 401 eine plastische
Deformation durch Biegung aufweist, die in einem sehr großen Lastflankenabstandsspalt 411 resultiert.
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Zusätzlich wird
die Zapfennase 401A üblicherweise
allmählich
radial nach innen deformiert, um den Kontaktdruck in der Metall-auf-Metall-Dichtung
zu reduzieren. Die Aufweitung mit einem Aufweitungswerkzeug gemäß dem Stand
der Technik, insbesondere einem Aufweitungswerkzeug mit einer einfachen
kegelstumpfförmigen
beziehungsweise konischen Aufweitungsoberfläche, verursacht gewöhnlich,
dass die Metall-auf-Metall-Dichtung während des Aufweitungsverfahrens
zu lecken beginnt. Dies kann eine kritische Beschränkung für diesen Aufweitungsprozess
sein, welcher vom Fluiddruck hinter dem Aufweitungswerkzeug abhängt, um
das Werkzeug antreiben zu helfen. Werden Aufweitungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik zur Erweiterung rohrförmiger Gewindeverbindungen
mit einer Metall-auf-Metall-Dichtung verwendet, ist es unwahrscheinlich,
dass die Metall-auf-Metall-Dichtung den Aufweitungsprozess unbeschadet übersteht.
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Ein
mögliches
Ergebnis dieser Deformationen in einer rohrenförmigen Gewindeverbindung, die durch
Aufweitungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik verursacht werden, besteht darin, dass (a) die Wirksamkeit
der Verbindung (gewöhnlich
definiert als das Verhältnis
der mechanischen Eigenschaften des Rohrkörpers, solche wie die axiale
Spannungskapazität,
zur gleichen mechanischen Eigenschaft im Querschnitt der Verbindung)
nach der Erweiterung des Gehäuses
ernsthaft abfallen kann, ungeachtet dem Fakt, dass die Rohrkörperwanddicke
im allgemeinen während
des Aufweitungsprozesses reduziert wird, wodurch sich die mechanische
Eigenschaften des Rohrkörpers
selbst reduzieren und (b) die Metall-auf-Metall-Dichtungen den Aufweitungsprozess
nicht überstehen
können.
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5 verdeutlicht
eine Querschnittsansicht einer Ausführung eines Futterrohraufweitungswerkzeuges 500 der
vorliegenden Erfindung. Das Aufweitungswerkzeug 500 ist
achssymmetrisch um die Mittellinie 501 und weist eine erste
Fase 502 mit einem Fasenwinkel 502A und eine letzte
Fase 503, eine Gesamtlänge 504,
eine Länge
abzüglich
der Fasen 505 auf und die Bewegungsrichtung des Aufweitungswerkzeuges 510 auf.
Die Länge
abzüglich
den Fasen 505 ist in vier Abschnitte unterteilt: einen
ersten Aufweitungsabschnitt 506, einen zweiten Aufweitungsabschnitt 507,
einen zylindrischen Abschnitt 508 und einen Endabschnitt 509.
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Der
erste Aufweitungsabschnitt 506 in dieser Ausführungsform
ist weiter unterteilt in vier im wesentlichen gleichlange kegelstumpfförmige beziehungsweise
konische Aufweitungssegmente 506A bis 506D, ein
jedes mit einem unterschiedlichen Konuswinkel und getrennt voneinander
durch Radienintervalle 511A bis 511C.
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Das
Aufweitungssegment 506A weist einen eingeschlossenen Winkel 513A von
ungefähr
177.5 Grad ausgehend von der zylindrischen Ebene 515 auf, äquivalent
zum Konuswinkel β 515A von
2.5 Grad. Der Konuswinkel β 515A ist
der Winkel, der durch den Schnitt der zylindrischen Ebene 515 und der äußeren Oberfläche 550 des
Aufweitungssegmentes 506A gebildet wird. Die enthaltenen
Winkel 513B bis 513D zwischen den benachbarten
Aufweitungssegmenten 506A bis 506D betragen auch
ungefähr
177.5 Grad in dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das heißt, der Konuswinkel für das Aufweitungssegment 506B beträgt ungefähr 5.0 Grad
(der Winkel, der durch den Schnitt der zylindrischen Ebene 515 und
der äußeren Oberfläche 551 des
Aufweitungssegmentes 506B ausgebildet wird), der Konuswinkel
für das
Aufweitungssegment 506C beträgt ungefähr 7.5 Grad (der Winkel, der
vom Schnitt der zylindrischen Ebene 515 und der äußeren Oberfläche 552 des
Aufweitungssegmentes 506C ausgebildet wird), und der Konuswinkel
für das
Aufweitungssegment 506D beträgt ungefähr 10.0 Grad (der Winkel, der
durch den Schnitt der zylindrischen Ebene 515 und der Außenoberfläche 553 des
Aufweitungssegmentes 506D ausgebildet wird). In dem ersten
Aufweitungsabschnitt 506 dieser Ausführungsform weist jedes Segment
einen Konuswinkel auf, der 2,5 Grad größer als der des vorhergehenden Segmentes
ist.
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Der
zweite Aufweitungsabschnitt 507 ist weiter unterteilt in
drei im wesentlichen gleich lange kegelstumpfförmige beziehungsweise konische Aufweitungssegmente 507A bis 507C,
ein jedes mit einem unterschiedlichen Konuswinkel und voneinander
getrennt durch Radienintervalle 511E und 511F.
In dem zweiten Aufweitungsabschnitt 507 dieser Ausführungsform
weist jedes Segment einen Konuswinkel auf, der 2.5 Grad kleiner
als der des vorhergehenden Segmentes ist.
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Der
erste Aufweitungsabschnitt 506 und der zweite Aufweitungsabschnitt 507 sind
durch eine Beugungsebene 516 getrennt, welche im Mittelpunkt des
Radienintervalls 511D anliegt. Der eingeschlossene Winkel 514A zwischen
den Aufweitungssegmenten 506D (das letzte Aufweitungssegment
im ersten Aufweitungsabschnitt 506) und dem Aufweitungssegment 507A (dem
ersten Aufweitungssegment des zweiten Aufweitungsabschnittes 507)
beträgt
ungefähr
182.5 Grad in dieser Ausführungsform.
Der Konuswinkel der Aufweitungssegmente 507A beträgt deshalb
ungefähr
7.5 Grad.
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Die
vorgesehenen Winkel 514B und 514C zwischen den
benachbarten Aufweitungssegmenten 507A bis 507C und
der eingeschlossene Winkel 514D zwischen dem Aufweitungssegment 507C und dem
zylindrischen Segment 508A betragen auch alle ungefähr 182.5
Grad in dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das heißt, der Konuswinkel für das Aufweitungssegment 507B beträgt ungefähr 5.0 Grad
und der Konuswinkel für
das Aufweitungssegment 507C beträgt ungefähr 2.5 Grad.
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Im
allgemeinen bilden die Aufweitungssegmente 506A bis 506D im
ersten Aufweitungsabschnitt 506 eine „konkave" Oberfläche, das heißt, jedes
kegelstumpfförmige
beziehungsweise konische Aufweitungssegment im ersten Aufweitungsabschnitt 506 hat
einen größeren Konuswinkel
als das vorangegangene Segment. Im allgemeinen bilden die Aufweitungssegmente 507A bis 507C im
zweiten Aufweitungsabschnitt 507 eine konvexe Oberfläche, das heißt, jedes
kegelstumpfförmige
beziehungsweise konische Aufweitungssegment in dem zweiten Aufweitungsabschnitt 507 hat
einen kleineren Konuswinkel als das vorangegangene Segment.
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In
einer Ausführungsform
hat es sich von der Modellbildung und dem Experiment her gezeigt,
dass der Konuswinkel β 515A des
ersten Aufweitungssegmentes 506A des ersten Aufweitungsabschnittes 506 zwischen
ungefähr
2 Grad und ungefähr
6 Grad betragen sollte, und dass der eingeschlossene Winkel zwischen
den benachbarten Aufweitungssegmenten zwischen ungefähr (180
Grad – β) und (180 Grad
+ β) betragen
sollte.
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Radienintervalle 511A bis 511C können vorgesehen
werden, um einen Radienübergang
von einem Aufweitungssegment zum nächsten bereitzustellen, der
herkömmlichen
Herstellungspraxis folgend. Betrachte 5A, welche
eine teilweise Querschnittsansicht des Aufweitungswerkzeuges 500 zeigt,
das in 5 dargestellt ist, und vergrößerte Darstellungen des Radienintervalls 511A (zwischen den
Aufweitungssegmenten 506A und 506B) und des Radienintervalls 511D,
zwischen den Aufweitungssegmenten 506D und 507A.
In dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die Radienintervalle 511A bis 511C konkave
Krümmungsradien
von ungefähr
2 Inch auf, welche einen gleichmäßigen Übergang
von einem Aufweitungssegment zum nächsten ermöglichen, aber welche eine axiale
Länge aufweisen,
die geringer ist als ein Zehntel der axialen Länge des benachbarten Aufweitungssegmentes.
Im Gegensatz dazu weisen die Radienintervalle 511D bis 511G konvexe
Krümmungsradien von
ungefähr
2 Inch auf.
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5B verdeutlicht
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Aufweitungswerkzeuges 500 der
vorliegenden Erfindung, das in einen Rohrstrang oder Bohrgestänge 517,
das zu erweitern ist, eindringt. In dieser Ausführungsform weist eine erste
Fase beziehungsweise Abschrägung 502 einen Fasenwinkel 502A auf,
der mit dem Fasenwinkel einer Rohrfase 517A zusammenpasst
und die axiale Länge
der ersten Fase 502 ist größer als die der ersten Fase,
gezeigt in 5 und 5A. Diese
Modifikationen sichern ab, dass das Werkzeug 500 in den Rohrstrang 517 beim
Starten des Aufweitungsprozesses geführt wird.
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Zusätzlich ist
das erste Aufweitungssegment 506A des ersten Aufweitungsabschnittes 506 ungefähr doppelt
so lang wie jedes der anderen Aufweitungssegmente 506B bis 506D und 507A bis 507C. Der
erste Durchmesser 518 des Aufweitungssegmentes 506A wird
so festgelegt, dass der nominale ID der Verrohrung beziehungsweise
des Futterrohres 517 die Oberfläche des Aufweitungssegmentes 506A in
der ersten Kontaktebene 519 berühren wird, die nahe der Hälfte des
Weges entlang der Oberfläche
des Aufweitungssegmentes 506A angeordnet ist. Das heißt, die
Länge des
Segmentes 506A nach der Kontaktebene 519 ist ungefähr die gleiche,
wie die Länge
der anderen Aufweitungssegmente. Diese Merkmale sichern, dass das
Aufweitungssegment 506A tief in den Rohrstrang 517,
der zu erweitern ist, eingebracht werden kann, aber diese Bearbeitungszugabe
wurde zur Veränderung
des Rohrleitungs-ID von seinem nominalen ID gegeben.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1, würde man, wenn das Aufweitungswerkzeug 500 den
Rohrstrang durchdringt, erwarten, dass der Verrohrungs-ID auf einen
neuen Durchmesser erweitert werden wird, welcher der gleiche ist
wie der größte Durchmesser
des Aufweitungswerkzeuges 500, nämlich der Durchmesser des zylindrischen
Abschnittes 508. Jedoch in der Praxis werden kegelstumpfförmige beziehungsweise
konische Aufweitungswerkzeuge typischerweise durch feste Rohre oder
erweiterte Metallsiebe so schnell wie möglich hindurchgetrieben, mit
dem Ergebnis, dass der Verrohrungs-ID gewöhnlich auf einen Durchmesser
größer als
der größte Durchmesser
des verwendeten Aufweitungswerkzeuges erweitert wird. Dieser zusätzliche
Anteil der Erweiterung wird gewöhnlich
als „Überschusserweiterung" bezeichnet. Diese Überschusserweiterung
kann durch unterschiedliche Belastungen, die durch den Aufweitungsprozess
erzeugt werden, verursacht werden. Der Anteil der Überschusserweiterung
scheint von der Konstruktion des Aufweitungswerkzeuges, den Reibungskoeffizienten
zwischen dem Werkzeug und der Verrohrung und der Geschwindigkeit
der Anwendung des Werkzeuges im Rohrstrang abhängig zu sein. Im derzeitigen
Stand der Technik wird der Anteil der Überschusserweiterung meist
wirtschaftlich in einer empirischen Art und Weise bestimmt, durch
Testen bestimmter Kombinationen von Aufweitungswerkzeugen und rohrförmigen Waren
bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Bewegung des Aufweitungswerkzeuges.
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Das
Aufweitungswerkzeug 500 wird für eine bestimmte Anwendung
durch die zuerst erfolgende Bestimmung der folgenden Variablen konstruiert:
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- – nominaler
ID der unerweiterten Verrohrungsleitung
- – erweiterter
ID der erweiterten Verrohrungsleitung
- – voraussichtliche
diametrale Überschusserweiterung
- – L2
= Eingriffsgewindelänge 105 (in 1)
der rohrförmigen
Gewindeverbindung
-
Der
Durchmesser des Aufweitungswerkzeuges dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung an der ersten Kontaktebene 519 in 5B ist derart
bestimmt, um gleich zum nominalen ID der unerweiterten Verrohrungsleitung 517 zu
sein.
-
Der
Durchmesser des zylindrischen Abschnittes 508 in 5B ist
gestaltet, um gleich zum erweiterten ID des erweiterten Futterrohres
zu sein, abzüglich
der diametralen zusätzlichen
Erweiterung.
-
Die
Differenz zwischen dem Durchmesser der ersten Kontaktebene 519 in 5B und
dem Durchmesser des zylindrischen Abschnittes 508 in 5B entspricht
der geforderten diametralen Änderung
im Aufweitungswerkzeug 500.
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In
einer Ausführungsform
ist die axiale Länge eines
jeden Aufweitungssegmentes in dem ersten Aufweitungsabschnitt 506 und
dem zweiten Aufweitungsabschnitt 507 durch Experimente
derart bestimmt worden, dass diese zwischen ungefähr L2 (Eingriffsgewindelänge 105 in 1)
und ungefähr 0,1
L2 (oder 1/10 der Eingriffsgewindelänge) beträgt. In einer anderen Ausführungsform
ist die axiale Länge
eines jeden Aufweitungssegmentes in dem ersten Aufweitungsabschnitt 506 und
dem zweiten Aufweitungsabschnitt 507 derart durch Experiment
bestimmt worden, dass diese zwischen ungefähr 0.8 L2 und ungefähr 0.2 L2
beträgt.
In einer anderen Ausführungsform
ist die axiale Länge
eines jeden Aufweitungssegmentes in dem ersten Aufweitungsabschnitt 506 und
dem zweiten Aufweitungsabschnitt 507 durch Experiment derart
bestimmt worden, dass diese zwischen ungefähr 0.5 L2 und ungefähr 0.25
L2 beträgt.
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In
einer Ausführungsform
muss die zusammengesetzte Länge
des ersten Aufweitungsabschnittes 506 und des zweiten Aufweitungsabschnittes 507 wenigstens
ungefähr
L2 (Eingriffsgewindelänge 105 in 1)
betragen.
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In
einer Ausführungsform
sind alle die Aufweitungssegmente von gleicher axialer Länge. In
einer weiteren Ausführungsform
sind alle der Aufweitungssegmente von gleicher axialer Länge mit
Ausnahme des ersten Aufweitungssegmentes 506A des ersten
Aufweitungsabschnittes 506, welches länger ausgestaltet werden kann,
um das Einbringen das Aufweitungswerkzeuges in die Verrohrung zu
unterstützen,
wie in 5B gezeigt. Längere axiale
Längen
der Aufweitungssegmente können
die Reibung zwischen dem Aufweitungswerkzeug und der Verrohrung
vergrößern und
können
in einer geringeren zusätzlichen
Erweiterung resultieren. Kürzere
axiale Längen
der Aufweitungssegmente können
die Reibung zwischen dem Aufweitungswerkzeug und der Verrohrung
während
des Aufweitungsverfahrens reduzieren, können aber in einer größeren Überschusserweiterung
resultieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann jedes Aufweitungssegment eine unterschiedliche axiale Länge aufweisen,
um die Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen in gleicher Länge auszugestalten.
Im allgemeinen vergrößert sich
die Länge
der Aufstandsflächen,
so wie sich der Konuswinkel vergrößert. Um die Länge der
Aufstandsflächen
zu vereinheitlichen, würden
die Segmente mit einem größeren Konuswinkel
eine kürzere
axiale Länge
aufweisen, während
die Segmente mit einem kleineren Konuswinkel eine längere axiale
Länge aufweisen würden.
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Ein „Stufenwinkel
zwischen ungefähr
2 Grad und ungefähr
6 Grad kann ausgewählt
werden. Dieser Stufenwinkel wird der Konuswinkel des ersten Aufweitungssegmentes 506A und
der absolute Wert der Winkeländerung
zwischen den folgenden Aufweitungssegmenten sein. Zum Beispiel,
der eingeschlossene Winkel zwischen den Aufweitungssegmenten in
dem ersten Aufweitungsabschnitt 506 in 2 beträgt 177.5
Grad, das heißt,
der Stufenwinkel beträgt
2.5 Grad oder der absolute Wert 180 Grad minus dem eingeschlossenen
Winkel. Es wurde durch Finite Elemente Analyse herausgefunden, dass
der Stufenwinkel für
gemäßigte Rohrerweiterungen,
normalerweise zwischen 10 bis 15 Prozent, von ungefähr 2 bis
ungefähr
2.5 Grad betragen kann.
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Eine
Gesamtanzahl von Aufweitungssegmenten wird ausgewählt, welche
eine ungerade ganze Zahl sein kann. In den meisten Fällen der
Verrohrungsaufweitung wurde herausgefunden, dass ungefähr 7 oder
ungefähr
9 Aufweitungssegmente praktisch sind, obgleich es möglich ist,
ein bedienerfreundliches Werkzeug mit mehr oder weniger Segmenten
zu konstruieren.
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Die
folgenden Gleichungen betreffen die Aufweitungssegmentlänge, den
Stufenwinkel und die Gesamtanzahl von Segmenten, die am Aufweitungswerkzeug
zur diametralen Änderung
erforderlich sind. Für
jedes Segment: H = L tan βwobei:
- H
- = radiale Höhe des Segmentes
- L
- = axiale Länge des
Segmentes
- β
- = Stufenwinkel
-
Für ein Aufweitungswerkzeug
mit sieben Aufweitungssegmenten bedeutet dies H1
= L tan β +
L tan 2β +
L tan 3β +
L tan 4β
H2
= L tan β +
L tan 2β +
L tan 3βund HTOTAL = H1 + H2 wobei
- H1
- = radiale Höhe des ersten
Aufweitungsabschnittes
- H2
- = radiale Höhe des zweiten
Aufweitungsabschnittes
- HTOTAL
- = die gesamte radiale
Höhe des
Aufweitungswerkzeuges
was ergibt
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HTOTAL = L tan β + L tan 2β + L tan 3β + L tan 4β + L tan β + L tan 2β + L tan 3β
HTOTAL = 2L (tan β + tan 2β + tan 3β + 1/2 tan
4β)
DTOTAL
= 4L (tan β +
tan 2β +
tan 3β +
1/2 tan 4β) wobei
- HTOTAL
- = gesamte radiale
Höhe des
Aufweitungswerkzeuges
- DTOTAL
- = gesamte diametrale Änderung
im Aufweitungswerkzeug
-
Falls
es zum Beispiel gewünscht
wird, einen 7 bis 5/8 Inch CD eines Olfeldbohrrohres mit einem nominalen
ID von 6.875 Inch auf einen erweiterten ID von wenigstens 8.005
Inch (eine Erweiterung von 16%) zu erweitern, könnte ein Aufweitungswerkzeug gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, gezeigt in 2, wie folgt
konstruiert werden: Die erste Kontaktebene 519 in 5B sollte
6.875 Inch betragen, der ID der unerweiterten 7 bis 5/8 Inch, 29.70
Pfund per Fuß Verrohrung.
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Wird
eine Überschusserweiterung
(empirisch durch Experiment bestimmt) von ungefähr 1 % angenommen, sollte der
Durchmesser des zylindrischen Abschnittes 506 in 2 8.005
Inch abzüglich 1%
oder 7.925 Inch betragen.
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Die
gesamte diametrische Änderung,
die im Aufweitungswerkzeug erforderlich ist, beträgt deshalb
1.050 Inch.
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Für ein Aufweitungswerkzeug
mit sieben Aufweitungsstufen und einem Stufenwinkel von 2 Grad (β = 2 Grad)
wird die Segmentlänge
wie folgt berechnet: DTOTAL = 4L ((tan β + tan 2β + tan 3β + 1/2 tan
4β)
1.050
= 4L (tan 28 + tan 48 bis tan 68 + 1/2 tan 88)
1.050 = 4L (0.280)
L
= 1.050/1.120 = 0.937 Inch
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Für eine Gewindeverbindung
mit einer Eingriffsgewindelänge
(L2) von 3 Inch stellt eine Segmentlänge von 0.937 Inch 0.312 L2
dar, innerhalb des Bereiches der Aufweitungssegmentlänge von 0.25
L2 bis 0.5 L2.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Fünf-Segment-Aufweitungswerkzeuges,
welches einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entspricht. In dieser Ausführungsform
sind die Konuswinkel und die Änderungen
der Konuswinkel zwischen den Segmenten viel größer als die äquivalenten
Winkel der Ausführungsformen,
die in den 5, 5A und 5B gezeigt
sind. Dies bedeutet, dass die eingeschlossenen Winkel zwischen den Aufweitungssegmenten 605A bis 605C wesentlich kleiner
sind und die eingeschlossenen Winkel zwischen den Aufweitungssegmenten 605C, 606A und 606B viel
größer als
die entsprechenden Winkel der Ausführungsformen, die in den 5, 5A und 5B,
gezeigt sind. Diese Winkel sind in der Ansicht von 6 hauptsächlich zum
Zweck der Klarheit übertrieben
dargestellt.
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Das
Aufweitungswerkzeug 600 weist eine Mittellinie 601 auf,
eine erste Fase 602, eine letzte Fase 603 und
die Bewegungsrichtung 604 des Aufweitungswerkzeuges. Das
Werkzeug 600 weist auch einen ersten Aufweitungsabschnitt 605,
einen zweiten Aufweitungsabschnitt 606, einen zylindrischen Abschnitt 607 und
Endabschnitt 608 auf.
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Der
erste Aufweitungsabschnitt 605 ist in drei Aufweitungssegmente 605A bis 605C unterteilt,
ein jedes mit einem unterschiedlichen Konuswinkel. Zum Zweck der
Klarheit sind keine Radienintervalle zwischen den Aufweitungssegmenten
dargestellt. Der zweite Aufweitungsabschnitt 606 ist in
zwei Segmente 606A und 606B unterteilt.
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Das
Aufweitungssegment 605A weist einen Konuswinkel 608A von
12 Grad von der zylindrischen Ebene 609 auf. Das Aufweitungssegment 605B weist einen
Konuswinkel 608B von 24 Grad und das Aufweitungssegment 605C weist
einen Konuswinkel 608C von 36 Grad auf. In dem zweiten
Aufweitungsabschnitt 606 weist das Aufweitungssegment 606A einen
Konuswinkel 611A von 24 Grad auf und das Aufweitungssegment 606B weist
einen Konuswinkel 611B von 12 Grad auf. Der erste Aufweitungsabschnitt 605 und
der zweite Aufweitungsabschnitt 606 sind durch eine Beugungsebene 610 voneinander getrennt.
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Das
Futterrohr beziehungsweise die Verrohrung 612 ist während des
Verfahrens der Erweiterung dargestellt. So wie das Aufweitungswerkzeug
durch das Futterrohr hindurchtritt, zeigt die Futterrohrleitung
die charakteristische Überschusserweiterung 613,
welche der Differenz zwischen dem ID des erweiterten Futterrohres
und dem größten OD
des Aufweitungswerkzeuges entspricht, nämlich dem Durchmesser des zylindrischen
Abschnittes 607.
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Die
Aufweitungssegmente 605B, 605C, 606A und 606B sind
alle ungefähr
von gleicher axialer Länge,
während
das Aufweitungssegment 605A ungefähr zweimal so lang wie die
anderen Erweiterungen ist, wie in der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in 5B gezeigt, um einfacher in
das Bohrrohr beziehungsweise die Futterrohrleitung einzudringen.
Alternativ können
die Aufweitungssegmente 605B, 605C, 606A und 606B verschiedene Längen aufweisen,
um die Längen
der Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen 614A bis 614E wie oben
diskutiert zu vereinheitlichen.
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Die
großen
Konuswinkel der Aufweitungssegmente am Aufweitungswerkzeug, die
in 6 dargestellt sind, erlauben es einem, deutlich
die Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen 614A bis 614E zwischen
dem Bohrrohr beziehungsweise der Futterrohrleitung 612 und
dem Aufweitungswerkzeug 600 zu sehen. Beachte, dass die
Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen 615A bis 615C im
ersten Aufweitungsabschnitt 605 nahe der Mitte ihrer jeweiligen
Aufweitungssegmente vorkommen, während die
Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen 614D und 614E im
zweiten Aufweitungsabschnitt 606 an den Beugungsebenen
zwischen den Segmenten auftreten. Die Kontakt- beziehungsweise Aufstandsfläche 614C,
welche unmittelbar vor der Beugungsfläche 610 vorkommt,
ist charakteristischerweise axial länger als die anderen Kontakt-
beziehungsweise Aufstandsflächen,
und der Abstandsspalt 615C unmittelbar nach der Beugungsebene 610 ist
axial länger
als die anderen Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen.
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6 zeigt
viele der wichtigen Elemente der vorliegenden Erfindung. Eine Mehrzahl
von Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen stellen eine Abstützung der
rohrförmigen
Gewindeverbindung während
des Aufweitungsprozesses bereit. In einer Ausführungsform gibt es wenigstens
zwei Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen. In einer anderen Ausführungsform
gibt es wenigstens drei Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen. In
einer weiteren Ausführungsform
gibt es wenigstens vier Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen. Relativ kleine
eingeschlossene Winkel zwischen den Aufweitungsstufen begrenzen
die Dehnungsrate, dem die Futterrohrleitung ausgesetzt ist. Das
Aufweitungswerkzeug weist zwei unterschiedliche Abschnitte von Aufweitungsstufen
auf: der erste Abschnitt ist nominell „konkav", das heißt, der eingeschlossene Winkel zwischen
den Stufen in dem ersten Abschnitt ist kleiner als 180 Grad. Der
zweite Abschnitt ist nominell „konvex", das heißt, der
eingeschlossene Winkel zwischen den Stufen in dem zweiten Abschnitt
ist größer als
180 Grad. Abstandsspalte zwischen den Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen reduzieren
sowohl die Reibung zwischen dem Aufweitungswerkzeug und dem erweiterten
Rohr und es wird gemeint, erlauben es auch, die Belastungen in der
erweiterten Verrohrung auszugleichen oder durch die Eingangsdicke
des Rohrkörpers
und der Rohrgewindeverbindung während
der Erweiterung ins Gleichgewicht zu bringen.
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Die
Ausführung
von Aufweitungswerkzeugen des Standes der Technik folgt intuitiv
dem Prinzip, dass das Profil des Aufweitungswerkzeuges so lange
wie möglich
in Kontakt mit dem zu erweiternden Futterrohr sein sollte, konsistent
mit der Begrenzung der Reibung zwischen dem Aufweitungswerkzeug
und der Futterrohrleitung, um die erforderliche Aufweitungskraft
zu steuern. Es ist durch die Finite Elemente Analyse und Experimente
jedoch entdeckt worden, dass ein ununterbrochenes Aufweitungswerkzeugprofil
in großen
Unterschieden zwischen den Eigenspannungen am CD des Rohres und
den Eigenspannungen am ID des Rohres resultieren kann. Diese Eigenspannungsdifferenzen
sind gewöhnlich
nicht schädlich
für den
Rohrkörper,
können aber
zwangsläufig
ein Versagen der rohrförmigen Gewindeverbindungen
am Ende der Rohrverbindung verursachen, wo die Eigenspannungen nicht
durch ein benachbartes Rohrkörperelement
entlastet beziehungsweise abgeleitet werden können, jedoch durch die mit
Gewinde versehene Rohrverbindung hindurch entlastet werden müssen. Es
ist dargestellt worden, dass auch die beste verfügbare Keilgewindeverbindung
mäßige radiale
plastische Erweiterungen (in der Größe von 10% oder größer) durch
ein vollständig
berührendes
Aufweitungswerkzeug gemäß dem Stand
der Technik nicht ohne Ausfall der Verbindung und/oder der Metall-auf-Metall-Dichtung tolerieren
kann.
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7 verdeutlicht
eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform des Aufweitungswerkzeuges
der vorliegenden Erfindung. Das Aufweitungswerkzeug 700 weist
ein Aufweitungsoberflächenprofil 703 auf,
einen zylindrischen Abschnitt 706, einen ersten Aufweitungsabschnitt 701 mit
Aufweitungssegmenten 701A bis 701C und einen zweiten Aufweitungsabschnitt 702 mit
Aufweitungssegmenten 702A und 702B. Der erste
Aufweitungsabschnitt 701 und der zweite Aufweitungsabschnitt 702 werden
durch eine Beugungsebene 705 voneinander getrennt. Jedes
Aufweitungssegment weist eine konische Kontaktebene 704A bis 704C und 706A und 706B auf.
Die nominalen Kontaktebenen sind tangential zu den Kontakt- beziehungsweise
Aufstandsflächen
an der Oberfläche
eines jeden Aufweitungssegmentes. Das Aufweitungsoberflächenprofil 703 ist
radial entlastet (oder „zurück geschnitten") zwischen den Kontakt-
beziehungsweise Aufstandsflächen,
um radiale Entlastungsnuten 707A bis 707D auszubilden.
In dieser Ausführungsform
bilden die Entlastungsnuten einen spitzen Winkel an ihren Wurzeln.
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Die
Kontaktebene 704A weist zum Beispiel einen Konuswinkel 707 von
6 Grad auf und durchsetzt die Kontaktebene beziehungsweise schneidet die
Kontaktebene 704B, welche einen Konuswinkel von 12 Grad
aufweist, in der Ebene 708, die die Aufweitungselemente 701A und 701B voneinander trennt.
Nach der Reihenfolge weist die Kontaktebene 704C einen
Konuswinkel von 18 Grad auf, die Kontaktebene 706A weist
einen Konuswinkel von 12 Grad auf und die Kontaktebene 706B weist
einen Konuswinkel von 8 Grad auf.
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Im
wesentlichen sind die Kontaktebenen tangentiale „Geister" – Oberflächen, welche
eine Ausführung
der folgenden Erfindung beschreiben, in welcher die Aufweitungselemente
eine Reihe von benachbarten kegelstumpfförmigen beziehungsweise konischen
Oberflächen
sind. Die Ausführungsform, die
in 7 gezeigt ist, kann in der Tat durch spanende
Bearbeitung des Profiles der Aufweitungsoberfläche, das durch die Kontaktebenen
beschrieben wird, bis die Form der Kontaktoberflächenprofile 703 erreicht
wird, erzeugt werden, sichernd, dass die Aufstandsflächen intakt
sind, jedoch radial die Abstandsspalte entlasten.
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8 zeigt
eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ähnlich
zu der in 7 gezeigten. Das Aufweitungswerkzeug 800 weist
Aufweitungssegmente 801A bis 801C und 802A und 802B auf
und Kontaktebenen 803A bis 803C und 804A und 804B.
Die Konuswinkel für
die Kontaktebenen in dieser Ausführungsform
sind die gleichen wie für
die Ausführungsform,
die in 7 gezeigt ist. Jedoch sind in dieser Ausführungsform
die radialen Entlastungsnuten 805A bis 805D glatte
Mulden.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsform des
Aufweitungswerkzeuges der vorliegenden Erfindung. Dies ist ein mehrteiliges
Aufweitungswerkzeug, welches aus einer zentralen Welle 900 besteht, um
welche eine Reihe von Scheiben unterschiedlicher Profile positioniert
ist. Aufweitungsstempelscheiben 901A bis 901D weisen
Aufstandsflächen tangential
zu den Kontaktebenen 902A bis 902D auf. In einer
Ausführungsform
können
die Aufweitungsstempelscheiben aus einem sehr harten und dauerhaften
Material mit einem geringen Reibungskoeffizienten hergestellt werden,
wenn diese in kaltverformtem Stahl, zum Beispiel einem feinkörnigen Wolframcarbid
oder einem keramischen Material eingesetzt werden. Abstandsrollen
beziehungsweise Abstandsspulen 903A bis 903E dienen
der axialen Positionierung und Abstützung der Aufweitungsstempelscheiben
an der zentralen Welle. Die Scheiben können an der Welle durch jedes
beliebige konventionelle Mittel, einschließlich zum Beispiel Gewindeabschlussstücken oder
Scherzapfen gesichert sein. Diese Ausführungsform hat den Vorteil,
dass ein relativ kleiner Bestand von Scheiben und Abstandsspulen
eingesetzt werden kann, um eine große Bandbreite von Aufweitungswerkzeugen
zusammenzustellen, dass bestimmte Variablen (solche wie das Überschusserweiterungsrate)
feldverstellt werden können,
und dass die individuellen Stempelscheiben besser als das gesamte
Werkzeug ersetzt oder repariert werden können.
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10 zeigt
eine andere Ausführungsform in
welcher die Oberflächen
von Wälzlagern
genutzt werden, um Kontakt- beziehungsweise Aufstandsflächen entlang
der Länge
des Aufweitungswerkzeuges bereitzustellen. Das Aufweitungswerkzeug 1000 ist in
einen ersten Aufweitungsabschnitt 1001, einen zweiten Aufweitungsabschnitt 1002 und
einen zylindrischen Abschnitt 1003 unterteilt. Der erste
Aufweitungsabschnitt 1001 weist Aufweitungssegmente 1001A bis 1001C auf.
Der zweite Aufweitungsabschnitt 1002 weist Aufweitungssegmente 1002A und 1002B auf.
Wälzlager
beziehungsweise Kugellager 1005 sind am Aufweitungswerkzeugskörper 1000 montiert,
so dass die Oberfläche
des Kugellagers tangential zu den Kontaktflächen ist. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die Reibung zwischen dem Aufweitungswerkzeug
und der Futterrohrleitung während
des Aufweitungsprozesses größtenteils
reduziert werden kann und dass das Werkzeug leicht verdreht werden
kann indem es vorgeschoben wird. Abhängig vom Schraubenlinienwinkel,
der von einem Kugellager beschrieben wird, indem das Aufweitungswerkzeug
verdreht und zur gleichen Zeit durch die Futterrohrleitung hindurch
geschoben wird, kann das Verdrehen des Werkzeuges einen viel geringeren
wirksamen Konuswinkel als der gerade axiale Vorschub des Aufweitungswerkzeuges
ergeben. In einer Ausführungsform,
wenn der Schraubenlinienwinkel mit einiger Genauigkeit bekannt ist,
das heißt,
falls der Anteil der axialen Bewegung und der Anteil der Rotationsbewegung
beide bekannt sind, können
die Kugellager spiralförmig
versetzt um den Umfang angeordnet werden, so dass der Umfangsspalt
zwischen den Kugeln minimiert wird. In einer anderen Ausführungsform
können
die Kugellager in Umfangsrichtung um das Werkzeug angeordnet werden.
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11 zeigt
eine andere Ausführungsform, welche
Aufweitungsrollen 1102A bis 1102D nutzt, die am
Aufweitungswerkzeug 1100 montiert sind, so dass die radiale
Oberfläche
der Rollen den Kontaktebenen 1101A bis 1101E folgt.
Das Aufweitungswerkzeug 1000 weist einen ersten Aufweitungsabschnitt 1103 und
einen zweiten Aufweitungsabschnitt 1104 auf. Die Aufweitungsrollen
sind axial derart angeordnet, dass diese Kontakt- beziehungsweise
Aufstandsflächen
des Aufweitungswerkzeuges ausbilden. Die Aufweitungsrollen 1102A und 1102B in
dem ersten Aufweitungsabschnitt sind nahe der Mitte eines Aufweitungssegmentes
angeordnet und weisen einfache konische Profile mit Konuswinkeln
gleich zu den Konuswinkeln der mit ihnen verbundenen Kontaktebenen
auf. Aufweitungsrollen 1102C und 1102D in dem
zweiten Aufweitungsabschnitt sind zwischen den Aufweitungssegmenten
angeordnet und weisen zusammengesetzte kegelstumpfförmige beziehungsweise
konische Profile mit einem stumpfen eingeschlossenen Winkel auf.
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In
einer Ausführungsform
wird das Werkzeug dieser Erfindung in einem Bohrloch abgesenkt und dann
im Bohrloch durch den Flüssigkeitsdruck
heraufgezogen und/oder angehoben, um das Gehäuse zu erweitern. Heraufziehen
und/oder Herauftreiben eines Werkzeuges in einem Bohrloch zur Erweiterung
des Rohres ist auf diesem Gebiet bekannt.
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In
einer anderen Ausführungsform
wird das Werkzeug dieser Erfindung in das Bohrloch durch Flüssigkeitsdruck
hinuntergetrieben und/oder gedrückt,
um das Futterrohr zu erweitern und wird dann entlastet oder fallen
gelassen. Treiben und/oder Hinunterdrücken eines Werkzeuges in ein
Bohrloch, um das Futterrohr zu erweitern, ist auf diesem Gebiet
bekannt.
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In
einer Ausführungsform
ist das Werkzeug dieser Erfindung ein statisches beziehungsweise
ruhendes Einzelteil aus einem Material, zum Beispiel Stahl, das
bearbeitet und/oder ausgebildet worden ist, um die gewünschte Form
zum Erweitern des Rohres zu erreichen.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist das Werkzeug dieser Erfindung aus einer Mehrzahl von radial
bewegbaren Teilen zusammengesetzt, um eine äußere Oberfläche von diesem zu definieren, wie
in
US-Patent Nr. 6,012,523 ,
erteilt für
Campbell und andere offenbart. Die Mehrzahl von radial bewegbaren
Teilen würde
so ausgeformt sein, um eine Mehrzahl von Kontakt- beziehungsweise
Aufstandsflächen,
zum Beispiel 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, wie oben erörtert, auszubilden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
beinhaltet das Werkzeug dieser Erfindung einen hydraulischen Mechanismus,
der zum Erweitern und/oder Zusammenziehen des Werkzeuges dienen
kann. Das Werkzeug könnte,
bevor es zum Expandieren des Gehäuses
beziehungsweise Rohres genutzt wird, erweitert werden und das Werkzeug
kann, bevor es durch das Rohr in einen unerweiterten Status hindurchtritt,
geschrumpft werden. In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Werkzeug
dieser Erfindung einen mechanischen Mechanismus und/oder einen elektro-mechanischen
Mechanismus, der dazu dienen kann, das Werkzeug zu erweitern und/oder
zu schrumpfen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Werkzeug aus einer Mehrzahl von Einzelteilen zusammengestellt,
die versagen können
und/oder auseinander genommen werden können, um zu erlauben, dass
das Werkzeug durch kleine Durchmesseröffnungen hindurchtritt. Zusätzlich können die
Stücke erweitert
werden und/oder wieder zusammengebaut, bevor diese zum Erweitern
des Futterrohres genutzt werden.
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Es
wird für
einen Fachmann ersichtlich sein, dass das Aufweitungswerkzeug der
vorliegenden Erfindung viele unterschiedliche Formen einnehmen kann,
anders als bei einem monolithischen „Meißel" mit konischen Segmenten.
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Vorteile
der Erfindung können
eine oder mehrere der folgenden sein:
- – Eine mechanische
Aufweitungstechnik, die betriebssicher und/oder relativ unaufwendig
ist;
- – ein
Aufweitungswerkzeug, das die Fähigkeit zum
radialen Deformieren rohrförmiger
Gewindeverbindungen aufweist, welche gewöhnlicherweise in miteinander
verbundenen Segmenten („joints") von Rohrsträngen in
einem langen Strang eingesetzt werden, ohne signifikante Schwächung der
lastführenden
Kapazität
der Gewindeverbindung und/oder ohne die Metall auf Metall-Dichtungen,
die gewöhnlich
in solchen Gewindeverbindungen gefordert sind, zu zerstören; und
- – ein
Aufweitungswerkzeug, das relativ niedrige Reibungskräfte zwischen
dem Werkzeug und dem Rohr während
des Aufweitungsprozesses erzeugt.
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Während die
Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird der Fachmann, der Nutzen aus dieser Offenbarung
zieht, erkennen, dass andere Ausführungsformen eingeschlossen
sind, welche nicht vom Schutzumfang dieser Erfindung, wie hierin
beschrieben, abweichen. Demgemäß, sollte
der Schutzumfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.