DE60222452T2 - Zementiersystem für bohrlöcher - Google Patents

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DE60222452T2 DE60222452T DE60222452T DE60222452T2 DE 60222452 T2 DE60222452 T2 DE 60222452T2 DE 60222452 T DE60222452 T DE 60222452T DE 60222452 T DE60222452 T DE 60222452T DE 60222452 T2 DE60222452 T2 DE 60222452T2
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    • E21B33/00Sealing or packing boreholes or wells
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    • E21B33/03Well heads; Setting-up thereof
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    • E21B33/05Cementing-heads, e.g. having provision for introducing cementing plugs
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    • E21B33/10Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices, or the like
    • E21B33/14Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices, or the like for cementing casings into boreholes
    • E21B33/16Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices, or the like for cementing casings into boreholes using plugs for isolating cement charge; Plugs therefor

Description

  • HINTERGRUND
  • Für die vorliegende Anmeldung wird der Zeitrang der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/968,659 , Anwaltsakte Nr. 27003.62, eingereicht am 01.10.2001, in Anspruch genommen. Die Erfindung betrifft allgemein Bohrlöcher und insbesondere Zementiersysteme für Bohrlöcher.
  • In 1a weist ein konventionelles System 10 zum Zementieren eines Bohrlochs 12 einen Schuh 14 auf, der einen Kanal 14a definiert, der mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 16, das einen Kanal 16a definiert, verbunden ist. Das rohrförmige Element 16 weist in der charakteristischen Weise ein oder mehrere rohrförmige Elemente auf, die Ende an Ende miteinander verschraubt sind. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 16 ist mit einem Ende einer Schwimm-Manschette 18 verbunden, die einen Schwimmer 18a enthält. Das andere Ende der Schwimm-Manschette 18 ist mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 20 verbunden, das einen Kanal 20a definiert. Zentralisierelemente 22a, 22b und 22c sind mit den Außenseiten der rohrförmigen Elemente 16 und 18 verbunden. Allgemein kann das System 10 eine beliebige Anzahl von Zentralisierelementen aufweisen. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 20 ist mit einer Fluid-Einspritzeinheit 24 verbunden, die einen Kanal 24a und radiale Kanäle 24b, 24c und 24d definiert und Haltebolzen 24e und 24f aufweist. Die Fluid-Einspritzeinheit 24 wird üblicherweise als Zementierkopf bezeichnet. Ein unterer Zementierstopfen 26 und ein oberer Zementierstopfen 28 sind durch Haltebolzen 24e und 24f in dem Kanal 24a der Fluid-Einspritzeinheit 24 gehalten. Der untere Zementierstopfen 26 weist in charakteristischer Weise einen Längskanal auf, der durch eine zerbrechliche Membrane verschlossen ist.
  • Wie in 1a dargestellt ist, wird während des Betriebs Bohrschlamm 30 durch das Bohrloch 12 zirkuliert, indem der Bohrschlamm durch den radialen Kanal 24b in die Fluid-Einspritzeinheit 24 eingespritzt wird. Der Bohrschlamm 30 gelangt dann durch die Kanäle 24a, 20a, 18a und 14a in den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Element 20, der Schwimm-Manschette 18, dem rohrförmigen Element 16 und dem Schuh 14. Wie 1b zeigt, wird der untere Zementierstopfen 26 danach gelöst, und es wird eine Spacer-Flüssigkeit 32 gefolgt von einem Zementschlamm 34 durch den radialen Kanal 24c hinter und über dem unteren Zementierstopfen in die Einspritzeinheit 24 eingespritzt. Wie in 1c dargestellt ist, wird dann der obere Zementierstopfen 28 gelöst, und es wird eine Verdrängungsflüssigkeit 36 durch den radialen Kanal 24d hinter und über dem oberen Zementierstopfen in die Einspritzeinheit 24 eingespritzt. 1d zeigt, dass das fortgesetzte Einspritzen von Verdrängungsflüssigkeit 36 den unteren Zementierstopfen 26 verlagert und in Kontakt mit der Schwimm-Manschette 18 bringt und die zerbrechliche Membrane des unteren Zementierstopfens bricht und dadurch bewirkt, dass der Zementschlamm 34 in den Ringraum zwischen dem Bohrloch 12 und dem Schuh 14, dem rohrförmigen Element 16, der Schwimm-Manschette 18 und dem rohrförmigen Element 20 fließt. Wie in 1e dargestellt ist, verdrängt die fortgesetzte Einspritzung der Verdrängungsflüssigkeit 36 dann den oberen Zementierstopfen 28 nach unten, bis der obere Zementierstopfen auf dem unteren Zementierstopfen 26 aufschlägt. Das Schwimmelement 18a der Schwimm-Manschette 18 verhindert den Rückfluss des Zementschlamms 34 in das rohrförmige Element 20. Der Zementschlamm 34 kann dann aushärten.
  • In 2a ist ein weiteres konventionelles System 100 zum Zementieren eines Bohrlochs 102 mit einer bereits bestehenden Bohrlochverrohrung 104 gezeigt und hat einen Schwimmschuh 106 mit einem Schwimmelement 106a, das mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 108 verbunden ist, das einen Kanal 108a definiert. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 108 ist mit einem Ende einer Auffangmanschette 110 verbunden, die einen Kanal 110a definiert.
  • Das andere Ende der Auffangmanschette 110 ist mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 112 verbunden, das einen Kanal 112a definiert. Eine Futterrohr-Abhängevorrichtung 114 ist mit dem rohrförmigen Element 112 verbunden, damit das rohrförmige Element mit der bereits vorhandenen Bohrlochverrohrung 104 verbunden und von dieser gehalten werden kann. Ein Zentralisierer 116 ist ebenfalls mit der Außenseite des rohrförmigen Elements 112 verbunden, um das rohrförmige Element in der bereits vorhandenen Bohrlochverrohrung 104 zentral zu positionieren. Ein Ende eines rohrförmigen Halteelements 118, das einen Kanal 118a definiert, erstreckt sich in das andere Ende des rohrförmigen Elements 112 hinein. Eine lösbare Kupplung 120 ist mit dem rohrförmigen Halteelement 118 verbunden, um das rohrförmige Halteelement mit dem rohrförmigen Element 112 lösbar zu verbinden. Ein Wischerstopfen 122, der einen verengten Kanal 122a definiert, ist in dem anderen Ende des rohrförmigen Elements 112 mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements 118 verbunden. Ein Stoßfänger 124 und eine Tassendichtung 126 sind innerhalb des rohrförmigen Elements 112 mit der Außenseite des Endes des rohrförmigen Halteelements 118 verbunden.
  • Wie in 2a dargestellt ist, wird während des Betriebs Bohrschlamm 128 durch das Bohrloch 102 zirkuliert, indem der Bohrschlamm durch die Kanäle 118a, 122a, 112a, 110a, 108a und 106a in den Ringraum zwischen dem Schwimmschuh 106, dem rohrförmigen Element 108, der Auffangmanschette 110 und dem rohrförmigen Element 112 eingespritzt wird. Wie 2b zeigt, wird danach eine Spacer-Flüssigkeit 130 gefolgt von einem Zementschlamm 132 in die Kanäle 118a, 122a und 112a hinter und über dem Bohrschlamm 128 eingespritzt. Wie 2c zeigt, wird dann ein nach unten pumpbarer Stopfen 134 in den Kanal 118a eingebracht, gefolgt von einer Verdrängungsflüssigkeit 136. Wie 2d zeigt, bewirkt das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 136, dass der Stopfen 134 nach unten gepumpt und in dem verengten Kanal 122a des Wischerstopfens 122 in Eingriff gebracht wird, wodurch der Wischerstopfen von dem Ende des rohrförmigen Halteelements 118 gelöst wird.
  • Als Ergebnis werden der Wischerstopfen 122 und der nach unten pumpbare Stopfen 134 durch das kontinuierliche Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 136 in dem rohrförmigen Element 112 nach unten getrieben, wodurch wiederum die Spacer-Flüssigkeit 130 und der Zementschlamm 132 in den Ringraum zwischen dem Bohrloch 102 und dem Schwimmschuh 106, dem rohrförmigen Element 108, der Auffangmanschette 110 und dem rohrförmigen Element verdrängt werden. Wie 2e zeigt, bewirkt das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 136, dass der Wischerstopfen 122 und der nach unten pumpbare Stopfen 134 auf der Auffangmanschette 110 aufprallen und in dem Kanal 110a in Eingriff gelangen. Wie in 2e dargestellt ist, füllt das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 136 den Ringraum zwischen der Bohrung 102 und dem rohrförmigen Element 112 mit Zementschlamm 132. Das Schwimmelement 106a des Schwimmschuhs 106 verhindert einen Rückfluss des Zementschlamms in das rohrförmige Element 108. Wie in 2f gezeigt ist, wird das rohrförmige Halteelement 118 dann von dem rohrförmigen Element 112 abgekoppelt und nach oben von dem Ende des rohrförmigen Elements 112 wegbewegt. Die Spacer-Flüssigkeit 130 und überschüssiger Zementschlamm 132 können dann durch Zirkulieren von Bohrschlamm 138 durch den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Halteteil 118 und der bereits vorhandenen Verrohrung 104 abtransportiert werden. Der Zementschlamm 132 kann dann aushärten.
  • In 3a ist noch ein weiteres konventionelles System 200 zum Zementieren eines Bohrlochs 202 mit einer bereits bestehenden Verrrohrung 104 gezeigt, das einen Schwimmschuh 206 mit einem Schwimmelement 206a, der mit einem Ende eines einen Kanal 208a definierenden rohrförmigen Elements 208 verbunden ist, aufweist. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 208 ist mit einem Ende einer einen Kanal 210a definierenden Auffangmanschette 210 verbunden. Das andere Ende der Auffangmanschette 210 ist mit einem Ende eines einen Kanal 212a definierenden rohrförmigen Elements 212 verbunden. Ein Zentralisierer 214 ist mit der Außenseite des rohrförmigen Elements 212 verbunden, für die zentrale Positionierung des rohrförmigen Elements im Inneren der bereits vorhanden Verrohrung 204. Ein Ende eines rohrförmigen Halteelements 216, das einen Kanal 216a definiert, erstreckt sich in das andere Ende des rohrförmigen Elements 212 hinein, und das andere Ende des rohrförmigen Halteelements 216 ist mit einem üblichen Unterwasser-Zementierkopf verbunden. Eine lösbare Kupplung 218 ist mit dem rohrförmigen Halteelement 216 verbunden, für eine lösbare Verbindung des rohrförmigen Halteelements 216 mit dem rohrförmigen Element 212. Ein einen verengten Kanal 220a definierender Wischerstopfen 220 ist in dem anderen Ende des rohrförmigen Elements 212 mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements 216 verbunden. Ein Stoßfänger 222 und eine Tassendichtung 224 sind in dem rohrförmigen Element 212 mit der Außenseite des Endes des rohrförmigen Halteelements 216 verbunden.
  • Während des Betriebs wird, wie in 3a dargestellt ist, Bohrschlamm 226 durch das Bohrloch 202 zirkuliert, indem der Bohrschlamm durch die Kanäle 216a, 220a, 212a, 210a, 208a und 206a in den Ringraum zwischen dem Schwimmschuh 206, dem rohrförmigen Element 208, der Auffangmanschette 210 und dem rohrförmigen Element 212 eingespritzt wird. Wie 3b zeigt, wird dann eine Spacer-Flüssigkeit 228 gefolgt von einem Zementschlamm 230 in die Kanäle 216a, 220a und 212a hinter und über dem Bohrschlamm 226 eingespritzt. 3c zeigt, dass danach ein nach unten pumpbarer Stopfen 232 in den Kanal 216a eingebracht wird, gefolgt von einer Verdrängungsflüssigkeit 234. Wie in 3d dargestellt ist, bewirkt das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 234, dass der nach unten pumpbare Stopfen 232 in dem verengten Kanal 220a des Wischerstopfens 220 in Eingriff gelangt und dadurch den Wischerstopfen von dem Ende des rohrförmigen Halteelements 216 löst. Das Ergebnis ist, dass der Wischerstopfen und der nach unten pumpbare Stopfen 232 durch das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 234 in dem rohrförmigen Element 212 nach unten getrieben werden, wodurch wiederum die Spacer-Flüssigkeit 228 und der Zementschlamm 230 in den Ringraum zwischen dem Bohrloch 202 und dem Schwimmschuh 206, dem rohrförmigen Element 208, der Auffangmanschette 210 und dem rohrförmigen Element verdrängt werden. 3e zeigt, dass durch die fortgesetzte Einspritzung der Verdrängungsflüssigkeit 234 bewirkt wird, dass der Wischerstopfen 220 und der nach unten pumpbare Stopfen 232 auf der Auffangmanschette 210 aufprallen und in dem Kanal 210 in Eingriff gelangen. Ferner füllt die fortgesetzte Einspritzung der Verdrängungsflüssigkeit, wie in 3e dargestellt, den Ringraum zwischen dem Bohrloch 202 und dem rohrförmigen Element 212 mit dem Zementschlamm 230. Das Schwimmelement 206a des Schwimmschuhs verhindert einen Rückfluss des Zementschlamms 230 in das rohrförmige Element 208. Das rohrförmige Halteelement 216 wird dann von dem rohrförmigen Element 212 abgekoppelt und nach oben aus dem Bohrloch 202 herausbewegt. Der Zementschlamm 230 kann dann aushärten.
  • Zusätzliche Systeme nach dem Stand der Technik werden im folgenden beschrieben.
  • Das Dokument D1 ( US 6,082,451 ) beschreibt Verfahren und Vorrichtungen zum Einführen von Bohrlochzement in die Verbindungsstelle eines Bohrlochschuhs, wobei die Schuhverbindungsstelle in einem Bohrloch-Zementiersystem zwischen einem Schwimmschuh, einem Führungsschuh und einem Hohlrohrelement über der Schuhverbindungsstelle angeordnet ist, wobei das Hohlrohrelement ein unterer Teil des Bohrloch-Rohrstrangs ist.
  • Das Dokument D2 ( US 5,323,858 ) beschreibt ein System zum Zementieren von Brunnenverrohrungen in einem Bohrloch, wobei lediglich obere und untere Zementierstopfen verwendet werden. Sobald der untere Zementierstopfen durch den Zementschlamm nach unten durch die Verrohrung hindurch zu dem Ende des Verrohrungsstranges getrieben wurde, erstreckt sich ein Riegel über den Stopfen und verbindet den Stopfen mit der unteren Lippe der Verrohrung, wodurch verhindert wird, dass der Stopfen durch den Zementschlamm durch den Boden der Verrohrung gedrückt wird. Während der Zementschlamm weiter nach unten verdrängt wird, führt der erhöhte Druck zum Zerreißen der oberen Membrane, drückt dabei die Rückschlagkugel zur Seite und zerreißt die untere Membrane, so dass der Zementschlamm aus der Unterseite der Verrohrung ausgepumpt und in den Ringraum hineingepumpt wird.
  • Das Dokument D3 ( US 4,164,980 ) beschreibt Zementierstopfen für die Verwendung beim Auszementieren von Erdbohrlöchern, wobei der Stopfenkörper mit einer zentralen Öffnung versehen ist, durch welche sich ein Stringer hindurch erstreckt. Die zentrale Öffnung hat ein oberes Ende mit einem ringförmigen Sitz, der ein schwenkbares Klappenelement aufweist, das mit einer ringförmigen Auflageschulter und einem zentralen, ausscherbaren Element versehen ist. Nachdem der Stopfen freigegeben und den Schuh der Verrohrung bewegt wird, kann über dem Stopfen ein ausreichender Druck aufgebaut werden, um ein Element zum Bersten zu bringen, so dass der sich über dem Stopfen befindende Zementschlamm durch die Öffnung und in das Bohrloch fließen kann.
  • Dadurch erfordern konventionelle Systeme zum Zementieren eines Bohrlochs die Verwendung einer Schwimm-Manschette und/oder eines Schwimmschuhs, um einen Rückfluss des Zementschlamms zu verhindern. Das Ergebnis ist, dass konventionelle Systeme zum Zementierung eines Bohrlochs in typischer Weise die Zirkulation einschränken und Druckstöße erzeugen, die unterirdische Formationen beschädigen und zu einem Verlust von wertvollen Bohrflüssigkeiten führen können. Ferner erhöhen konventionelle Systeme auch die Nutzungszeit von Verrohrung und Futterrohr und die Zeit, über welche das Bohrloch offen ist und die Elemente exponiert sind, wobei die Schwimmventile der Zirkulation von Bohrflüssigkeit ausgesetzt sind, wodurch die Schwimmventile erodieren und nicht mehr richtig arbeiten. Außerdem sind die konventionellen Gerätschaften, die zum Zementieren eines Bohrlochs verwendet werden, umfangreich, kompliziert und teuer im Betrieb. Dadurch, dass konventionelle Schwimm- Manschetten und/oder Schwimmschuhe und die in deren Zusammenhang benötigten Gerätschaften groß, schwer und fragil sind, ist deren Transport häufig teuer.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf die Beseitigung einer oder mehrerer dieser Einschränkungen bei bestehenden Zementiersystemen für Bohrlöcher gerichtet.
  • ÜBERSICHT
  • Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein System zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch gemäß Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 10 beschreiben bevorzugte weitere Einschränkungen.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch angegeben, die eine einen verengten Kanal definierende Auffangmanschette, eine einen Kanal, der mit der Auffangmanschette verbunden ist, definierende Bohrlochverrohrung, einen oberen Zementierstopfen für den dichten Eingriff in die Bohrlochverrohrung, einen unteren Zementierstopfen für den dichten Eingriff in die Bohrlochverrohrung und eine Fluid-Einspritzeinheit aufweist, die mit der Bohrlochverrohrung verbunden ist, um Fluidstoffe in die Bohrlochverrohrung einzuspritzen und den oberen Zementierstopfen und den unteren Zementierstopfen in die Bohrlochverrohrung hinein gesteuert freizugeben. Der untere Zementierstopfen weist einen Stopfenkörper auf, der einen Stopfenkanal definiert, eine zerbrechliche Membrane zum dichten Verschließen des Stopfenkanals und ein Einwegventil zum Steuern/Regeln des Fluidmaterialflusses durch den Stopfenkanal.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch an gegeben, umfassend das Positionieren einer Bohrlochverrohrung, die einen Kanal definiert und die an einem Ende eine Auffangmanschette aufweist, die einen verengten Kanal in das Bohrloch definiert, das Einspritzen eines nichthärtenden Fluidmaterials in das andere Ende der Bohrlochverrohrung, das Einbringen eines unteren Zementierstopfens in das andere Ende der Bohrlochverrohrung, wobei der untere Zementierstopfen einen einen Stopfenkanal definierenden Stopfenkörper, eine zerbrechliche Membrane für den dichten Verschluss des Stopfenkanals und ein Einwegventil für die Steuerung/Regelung des Fluidmaterialflusses durch den Stopfenkanal aufweist, das Einspritzen eines Fluiddichtungsmaterials in das andere Ende der Bohrlochverrohrung, das Einbringen eines oberen Zementierstopfens in das andere Ende der Bohrlochverrohrung, das Einspritzen eines nichthärtenden Fluidmaterials in das andere Ende der Bohrlochverrohrung, das Brechen der zerbrechlichen Membrane des unteren Zementierstopfens, um härtbares Fluiddichtungsmaterial durch den Stopfenkanal, das Einwegventil und den verengten Kanal in den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Element und dem Bohrloch passieren zu lassen, wobei das Einwegventil verhindert, dass härtbares Fluiddichtungsmaterial aus dem Ringraum zurück in die Bohrlochverrohrung fließt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein System zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch angegeben, umfassend Mittel zum Positionieren der Bohrlochverrohrung in dem Bohrloch, Mittel zum Einspritzen eines nichthärtenden Fluidmaterials in die Bohrlochverrohrung, Mittel zum Einspritzen eines härtenden Fluiddichtungsmaterials in die Bohrlochverrohrung, Mittel zum Trennen des nichthärtenden Fluiddichtungsmaterials und des härtenden Fluiddichtungsmaterials in der Bohrlochverrohrung, Mittel zum Unterdrucksetzen des härtenden Fluiddichtungsmaterials in der Bohrlochverrohrung, Mittel zum gesteuerten Freigeben des härtenden Fluiddichtungsmaterials in den Ringraum zwischen der Bohrlochverrohrung und dem Bohrloch und Mittel zum Verhindern eines Rückflusses des härtenden Fluiddichtungsmaterials aus dem Ringraum in die Bohrlochverrohrung.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein unterer Zementierstopfen zur Verwendung in einem System zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch vorgesehen, umfassend einen Stopfenkörper, der einen Stopfenkanal definiert, ein Abdichtungselement, das für den dichten Eingriff in die Bohrlochverrohrung mit dem Stopfenkörper verbunden ist, eine zerbrechliche Membrane für den dichten Verschluss des Stopfenkanals und ein Einwegventil zum Steuern/Regeln des Fluidmaterialflusses durch den Stopfenkanal.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Zementieren eines Ringraums zwischen einem Futterrohr und einem Bohrloch, das eine bereits bestehende Verrohrung aufweist, angegeben, umfassend ein rohrförmiges Halteelement, einen Wischerstopfen, der lösbar mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements verbunden ist, ein Futterrohr, das lösbar mit dem rohrförmigen Halteelement verbunden ist, eine einen verengten Kanal definierende Auffangmanschette, die mit einem Ende des Futterrohres verbunden ist, einen Zementierstopfen für den dichten Eingriff in das Futterrohr, der lösbar mit dem Wischerstopfen verbunden ist, der einen einen Stopfenkanal definierenden Stopfenkörper und ein Ventil zum Steuern/Regeln des Fluidmaterialflusses durch den Stopfenkanal aufweist, und eine Fluid-Einspritzeinheit, die mit dem rohrförmigen Halteelement verbunden ist, zum Einspritzen von fluidförmigen Materialien in das rohrförmige Halteelement und zum kontrollierten/gesteuerten Freigeben einer Kugel und eines nach unten pumpbaren Stopfens in das rohrförmige Halteelement hinein, für den Eingriff in den Zementierstopfen und den Wischerstopfen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren angegeben zum Zementieren eines Ringraums zwischen einem Futterrohr und einem Bohrloch, in dem bereits eine Verrohrung existiert, umfassend das lösbare Halten eines Futterrohres, das einen Kanal definierent und an einem Ende eine einen verengten Kanal definierende Auffangmanschette hat, in dem Bohrloch unter Verwendung eines rohrförmigen Halteelements, das einen mit dem Kanal des Futterrohres über ein Fluid verbundenen Kanal definiert und einen mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements verbundenen Wischerstopfen aufweist, das lösbare Verbinden eines Zementierstopfens mit dem Wischerstopfen in dem rohrförmigen Element, wobei der Zementierstopfen einen einen Stopfenkanal definierenden Stopfenkörper und ein Ventil zum Steuern/Regeln des Fluidmaterialflusses durch den Stopfenkanal aufweist, das Einspritzen eines nichthärtenden Fluidmaterials in den Kanal des rohrförmigen Halteelements, das Einbringen einer Kugel in den Kanal des rohrförmigen Halteelements, das Einspritzen eines härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in den Kanal des rohrförmigen Halteelements, das Abkoppeln des Zementierstopfens von dem Wischerstopfen durch die Kugel, den Eingriff des Zementierstopfens in die Auffangmanschette, das Einbringen eines nach unten pumpbaren Stopfens in den Kanal des rohrförmigen Halteelements, das Einspritzen eines nichthärtenden Fluidmaterials in den Kanal des rohrförmigen Halteelements, das Abkoppeln des Wischerstopfens von dem Ende des rohrförmigen Halteelements und den Eingriff des Wischerstopfens und des nach unten pumpbaren Stopfens in den Zementierstopfen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein System angegeben zum Zementieren eines Ringraums zwischen einem Futterrohr und einem Bohrloch, umfassend Mittel zum Einspritzen eines nichthärtenden Fluidmaterials in das Futterrohr, Mittel zum Einspritzen eines härtenden Fluiddichtungsmaterials in das Futterrohr, Mittel zum Trennen des nichthärtenden Fluidmaterials und des härtenden Fluiddichtungsmaterials in dem Futterrohr, Mittel zum Unterdrucksetzen des härtenden Fluiddichtungsmaterials in dem Futterrohr, Mittel zum kontrollierten/gesteuerten Freigeben von härtendem Fluiddichtungsmaterial in den Ringraum zwischen dem Futterrohr und dem Bohrloch und Mittel zum Verhin dern des Rückflusses des härtenden Fluiddichtungsmaterials aus dem Ringraum in das Futterrohr.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein unterer Zementierstopfen zur Verwendung in einem System zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch angegeben, umfassend einen Stopfenkörper, der einen Kanal definiert, einen zerbrechlichen Kugelsitz, der in einem Ende des Kanals positioniert ist, ein in dem anderen Ende des Kanals positioniertes Einwegventil zum Steuern/Regeln des Fluidmaterialflusses durch den Kanal und ein zerbrechliches Rückehalteelement, das innerhalb des anderen Endes des Kanals positioniert ist, um das Einwegventil in einer stationären Position zu halten.
  • Die vorliegenden Ausführungsformen sorgen für eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Systemen zum Zementieren von Bohrlöchern. Zum Beispiel entfällt in den vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung die bei herkömmlichen Systemen erforderliche Schwimm-Manschette. Deshalb muss während des Betriebs der vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung Bohrschlamm nicht durch die Schwimmgeräte zirkuliert werden, um das Bohrloch vor dem Zementieren zu stabilisieren. Außerdem ermöglichen die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung durchgehend den Einsatz von Systemen mit größerem Innendurchmesser, wodurch die Betriebsleistung gesteigert wird. Ferner entfallen durch die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung die Betriebs- und Logistikkosten, die mit dem Transport und der Montage der Schwimm-Manschette und zugehörigen Ausrüstungsteilen verbunden sind. Zudem reduzieren die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung die Einschränkungen hinsichtlich der Zirkulation, Druckstöße, Fluidverluste an unterirdische Formationen, Einsatzzeiten der Verrohrung und der Futterrohre, die Dauer der Offenlegung des Bohrlochs und den Verlust von wertvollen Bohrflüssigkeiten an die Formation.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1a1e sind fragmentarische Schnittansichten einer Ausführungsform eines konventionellen Systems für die Zementierung eines Bohrlochs;
  • 2a2f sind fragmentarische Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform eines konventionellen Systems für die Zementierung eines Bohrlochs;
  • 3a3e sind fragmentarische Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform eines konventionellen Systems für die Zementierung eines Bohrlochs;
  • 4a4e sind fragmentarische Schnittansichten einer Ausführungsform eines Systems für die Zementierung eines Bohrlochs;
  • 5 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur Verwendung in dem System der 4a4e;
  • 6 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur Verwendung in dem System der 4a4e;
  • 7 ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur Verwendung in dem System der 4a4e;
  • 8a8f sind fragmentarische Schnittansichten einer Ausführungsform eines Systems zum Zementieren eines Bohrlochs;
  • 9a ist eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur Verwendung in dem System der 8a8f in einer initialen Betriebsposition;
  • 9b ist eine Darstellung des unteren Zementierstopfens von 9 nach Entfernen des Kugelsitzes und des Klappenventilhalters;
  • 9c ist eine Darstellung des unteren Zementierstopfens von 9b nach dem Drehen des Klappenventils in die geschlossene Position;
  • 9d ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform des unteren Zementierstopfens von 9a;
  • 9e ist eine Draufsicht von oben auf den unteren Zementierstopfen von 9d;
  • 9f ist eine Querschnittsdarstellung des unteren Zementierstopfens von 9d.
  • 10a10e sind fragmentarische Querschnittsdarstellungen einer Ausführungsform eines Systems zum Zementieren eines Bohrlochs.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In den 4a4e bezeichnet Bezugsziffer 400 allgemein ein System zum Zementieren eines Bohrlochs 402 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das einen Schuh 404 aufweist, der mit einem Ende eines einen Kanal 406a definierenden rohrförmigen Elements 406 verbunden ist. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 406 ist mit einem Ende einer Auffangmanschette 408 verbunden, die einen Kanal 408a definiert. Das andere Ende der Auffangmanschette 408 ist mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 410 verbunden, das einen Kanal 410a definiert. Zentralisierer 412a, 412b und 412c können mit den Außenseiten der rohrförmigen Elemente 406 und 410 verbunden sein. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 410 ist mit einer Fluid-Einspritzeinheit 414 verbunden, die einen Kanal 414a und radiale Kanäle 414b, 414c und 414d definiert und die Haltebolzen 414e und 414f aufweist. Ein unterer Zementierstopfen 416 und ein oberer Zementierstopfen 418 sind durch Haltebolzen 414e und 414f in dem Kanal 414a der Fluid-Einspritzeinheit 414 gehalten.
  • In einem Ausführungsbeispiel, das in 5 dargestellt ist, weist der untere Zementierstopfen 416 einen rohrförmigen Körper 416a auf, der einen Kanal 416aa und einen Kanal 416ab definiert. Eine zerbrechliche Scheibe 416b ist mit einem Ende des rohrförmigen Körpers 416a verbunden, um ein Ende des Kanals 416aa dicht zu verschließen. Ein Klappenventil 416c ist durch ein Schwenklager 416d schwenkbar mit dem anderen Ende des rohrförmigen Körpers 416a verbunden und innerhalb der Kreuzungsstelle der Kanäle 416aa und 416ab positioniert, um einen Fluidmaterialfluss aus dem Kanal 416ab in den Kanal 416aa zu verhindern. In dem Ausführungsbeispiel ist das Klappenventil 416c elastisch vorgespannt, so dass es um das Schwenklager 416d schwenken kann und dadurch den Kanal 416aa verschließt. Ein elastisches rohrförmiges Dichtungselement 416e ist mit der Außenseite des rohrförmigen Körpers 416a verbunden, um die Verbindungsstelle zwischen dem unteren Zementierstopfen 416 und dem rohrförmigen Element 410 abzudichten. Während des Betriebs, erlaubt das Klappenventil 416c den Fluidmaterialfluss aus dem Kanal 416aa in den Kanal 416ab und verhindert, dass Fluidmaterial aus dem Kanal 416ab in den Kanal 416aa fließt.
  • Wie in 4a dargestellt ist, wird während des Betriebs Bohrschlamm 420 durch das Bohrloch 402 zirkuliert, indem der Bohrschlamm durch den radialen Kanal 414b in die Fluid-Einspritzeinheit 414 eingespritzt wird. Der Bohrschlamm 420 gelangt dann durch die Kanäle 414a, 410a, 408a, 406a und 404a in den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Element 410, der Auffangmanschette 408, dem rohrförmigen Element 406 und dem Schuh 404.
  • Wie in 4b dargestellt ist, wird der untere Zementierstopfen 416 dann freigegeben, und es wird eine Spacer-Flüssigkeit 422 gefolgt von einem Zementschlamm 424 durch den radialen Kanal 414c hinter und über dem Zementierstopfen in die Einspritzeinheit 414 eingespritzt.
  • Wie in 4c dargestellt ist, wird der obere Zementierstopfen 418 dann freigegeben, und es wird eine Verdrängungsflüssigkeit 426 durch den radialen Kanal 414d hinter und über dem Zementierstopfen in die Einspritzeinheit 414 eingespritzt.
  • Wie in 4d dargestellt ist, verdrängt die fortgesetzte Einspritzung von Verdrängungsflüssigkeit 426 den unteren Zementierstopfen 416 weiter, bis er auf der Auffangmanschette 408 aufschlägt und mit derselben in Eingriff gelangt. Die weitere Einspritzung der Verdrängungsflüssigkeit 426 setzt den Bereich des Kanals 410a zwischen dem oberen Zementierstopfen 418 und dem unteren Zementierstopfen 416 unter Druck und bricht dadurch die zerbrechliche Scheibe 416b. Infolgedessen fließt der Zementschlamm 424 durch die Kanäle 416aa und 416ab des unteren Zementierstopfens und durch den Kanal 408a in den Ringraum zwischen dem Bohrloch 402 und dem Schuh 404, dem rohrförmigen Element 406, der Auffangmanschette 408 und dem rohrförmigen Element 410.
  • Wie in 4e dargestellt ist, verdrängt die fortgesetzte Einspritzung der Verdrängungsflüssigkeit 426 den oberen Zementierstopfen 418 dann nach unten, bis der obere Zementierstopfen auf dem unteren Zementierstopfen 416 aufschlägt. Das Klappenventil 416c des unteren Zementierstopfens 416 verhindert einen Rückfluss des Zementschlamms 424 in das rohrförmige Element 410. Der Zementschlamm 424 kann dann aushärten.
  • Das System 400 sorgt für eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Systemen zum Zementieren von Bohrlöchern. Zum Beispiel entfällt bei dem System 400 die bei herkömmlichen Systemen erforderliche Schwimm-Manschette. Deshalb muss während des Betriebs des Systems 400 Bohrschlamm nicht durch die Schwimmgeräte zirkuliert werden, um das Bohrloch vor dem Zementieren zu stabilisieren. Außerdem ermöglicht das System 400 durchgehend die Verwendung von einem größeren Innendurchmesser, wodurch die Betriebsleistung gesteigert wird. Ferner entfallen beim dem System 400 die Betriebs- und Logistikkosten, die mit dem Transport und der Montage der Schwimm-Manschette und zugehörigen Ausrüstungsteilen verbunden sind. Zudem reduziert das System 400 die Einschränkungen hinsichtlich der Zirkulation, Druckstöße, Fluidverluste an unterirdische Formationen, Einsatzzeiten der Verrohrung und der Futterrohre, die Dauer der Offenlegung des Bohrlochs und den Verlust von wertvollen Bohrflüssigkeiten an die Formation.
  • In einer alternativen Ausführungsform können der Schuh 404 und der rohrförmige Körper 406 entfallen.
  • In 6 weist eine alternative Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens 500 einen rohrförmigen Körper 500a auf, der einen Kanal 500aa, einen Kanal 500ab und einen Kanal 500ac definiert. Eine zerbrechliche Scheibe 500b ist mit einem Ende des rohrförmigen Körpers 500a verbunden, um ein Ende des Kanals 500aa abzudichten. Ein Kugelventil-Halteelement 500c ist mit dem anderen Ende des rohrförmigen Körpers 500a in dem Kanal 500ac verbunden. Ein Kugelventil 500ab ist in dem Kanal 500ab positioniert, um den Fluidmaterialfluss aus dem Kanal 500ab in den Kanal 500aa zu verhindern. Ein elastisches rohrförmiges Dichtungselement 500e ist mit der Außenseite des rohrförmigen Körpers 500a verbunden, um die Verbindungsstelle zwischen dem unteren Zementierstopfen 500 und einem rohrförmigen Element abzudichten. Während des Betriebs erlaubt das Kugelventil 500d ein Passieren von Fluidmaterial aus dem Kanal 500aa in den Kanal 500ac, verhindert jedoch den Fluidmaterialfluss aus dem Kanal 500ac in den Kanal 500aa.
  • In 7 ist eine alternative Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens 505 gezeigt, der einen einen Kanal 505aa definierenden rohrförmigen Körper 505a, einen verengten Kanal 505ab und einen Kanal 505ac aufweist. Eine zerbrechliche Scheibe 505b ist mit einem Ende der rohrförmigen Körpers 505a verbunden, um eine Ende des Kanals 505aa dicht zu verschließen. Ein rohrförmiges Halteelement 505c eines Rückschlagventils ist in dem Kanal 505ac mit dem anderen Ende des rohrförmigen Körpers 505a verbunden. Eine Feder 505d und ein ankerförmiges Rückschlagventil 505e sind in dem Kanal 505ac positioniert, um den Fluidmaterialfluss aus dem Kanal 500ac in den Kanal 505aa zu verhindern. Ein elastisches rohrförmiges Dichtungselement 505f ist mit der Außenseite des rohrförmigen Körpers 505a verbunden, um die Verbindungsstelle zwischen dem unteren Zementierstopfen 505 und einem rohrförmigen Element abzudichten. Während des Betriebs erlaubt das ankerförmige Rückschlagventil 505e, dass Fluidmaterial aus dem Kanal 505aa in den Kanal 505ac fließt, verhindert jedoch den Fluidmaterialfluss aus dem Kanal 505ac in den Kanal 505aa.
  • In mehreren alternativen Ausführungsformen nutzt das System 400 die unteren Zementierstopfen 500 oder 505 anstelle des unteren Zementierstopfens 416, um den Rückfluss von Zementschlamm 424 in das rohrförmige Element 410 zu verhindern.
  • In den 8a8f umfasst eine alternative Ausführungsform eines Systems 600 zum Zementieren eines Bohrlochs 602 mit einer bereits existierenden Verrohrung 604 einen einen Kanal 606a definierenden Schuh 606, der mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 608 verbunden ist, das einen Kanal 608a definiert. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 608 ist mit einem Ende einer Auffangmanschette 610 verbunden, die einen Kanal 610a definiert. Das andere Ende der Auffangmanschette 610 ist mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 612 verbunden, das einen Kanal 612a definiert. Eine Futterrohr-Abhängevorrichtung 613 ist mit der Außenseite des rohrförmigen Elements 612 verbunden, zum Verbinden des rohrförmigen Elements 612 mit der bereits existierenden Bohrlochverrohrung 604. Ein Zentralisierer 614 kann mit der Außenseite des rohrförmigen Elements 612 verbunden sein, um das rohrförmige Element im Inneren der bereits existierenden Bohrlochverrohrung 604 zentral zu positionieren. Eine Ende eines rohrförmigen Halteteils 616, das einen Kanal 616a definiert, erstreckt sich in das andere Ende des rohrförmigen Elements 612 hinein. Eine lösbare Kupplung 618 ist mit dem rohrförmigen Halteelement 616 verbunden, zum lösbaren Verbinden des rohrförmigen Halteelements mit dem rohrförmigen Element 612. Ein Wischerstopfen 620, der einen verengten Kanal 620a definiert, ist lösbar mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements 616 in dem anderen Ende des rohrförmigen Elements 612 verbunden, und ein unterer Zementierstopfen 622 ist innerhalb des rohrförmigen Elements lösbar mit einem Ende des Wischerstopfens 620 verbunden. Ein Stoßfänger 624 und eine Tassendichtung 626 sind mit der Außenseite des Endes des rohrförmigen Halteelements 616 innerhalb des rohrförmigen Elements 612 verbunden.
  • Wie in einem Ausführungsbeispiel in 9a dargestellt ist, umfasst der untere Zementierstopfen 622 einen rohrförmigen Körper 622a, der einen Kanal 622aa und einen Kanal 622ab definiert. Ein brechbarer rohrförmiger Kugelsitz 622b ist innerhalb der Innenfläche eines Endes des Kanals 622aa positioniert und damit verbunden, um eine übliche Kugel aufzunehmen. Ein Klappenventil 622c ist durch ein Schwenklager 622d innerhalb der Innenfläche des Kanals 622ab positioniert und mit damit schwenkbar verbunden, um den Fluss von fluidförmigen Materialien aus dem Kanal 622ab in den Kanal 622aa kontrolliert/gesteuert zu verhindern. In einem Ausführungsbeispiel ist das Klappenventil 622c elastisch vorgespannt, so dass es um das Schwenklager 622d schwenken kann und da durch den Kanal 622aa verschließt. Ein Ende eines zerbrechlichen rohrförmigen Rückhalteelements 622e ist in dem Kanal 622aa positioniert und damit verbunden. Das andere Ende des zerbrechlichen rohrförmigen Rückhalteelements 622e erstreckt sich in den Kanal 622ab hinein, um zu verhindern, dass das Klappenventil 622c schwenkt und den Kanal 622aa verschließt. Ein elastisches rohrförmiges Dichtungselement 622f ist mit der Außenseite des rohrförmigen Körpers 622a verbunden, zum Abdichten der Verbindungsstelle zwischen dem unteren Zementierstopfen 622 und dem rohrförmigen Element 612. Während des Betriebs und nachdem das zerbrechliche rohrförmige Rückhalteelement 622e entfernt wurde, erlaubt das Klappenventil 622c, dass fluidförmige Materialien aus dem Kanal 622aa in den Kanal 622ab fließen, verhindert jedoch, dass fluidförmige Materialien aus dem Kanal 622ab in den Kanal 622aa fließen.
  • Während des Betriebs wird, wie in 8 gezeigt ist, Bohrschlamm 628 durch das Bohrloch 602 zirkuliert, indem Bohrschlamm durch die Kanäle 616a, 620a, 612a, den unteren Zementierstopfen 626, die Kanäle 610a, 608a und 606a in den Ringraum zwischen dem Schuh 606, dem rohrförmigen Element 608, der Auffangmanschette 610 und dem rohrförmigen Element 612 eingespritzt wird. Eine Kugel 630 wird aus noch zu beschreibenden Gründen in den eingespritzten Bohrschlamm 628 eingebracht.
  • Wie in 8b dargestellt ist, wird dann eine Spacer-Flüssigkeit 632 gefolgt von einem Zementschlamm 632 in die Kanäle 616a, 620a und 612a hinter und über dem Bohrschlamm 628 eingespritzt. Die Kugel 630 schlägt auf dem Kugelsitz 622b des unteren Zementierstopfens 662 auf und fügt sich in den Kugelsitz 622b des unteren Zementierstopfens 622 und entkoppelt den unteren Zementierstopfen von dem Wischerstopfen 620. Infolgedessen wird der untere Zementierstopfen 622 in dem rohrförmigen Element 612 nach unten verlagert und schlägt auf der Auffangmanschette 610 auf und schließt sich mit der Auffangmanschette zusammen.
  • Wie in 8c dargestellt ist, wird dann ein nach unten pumpbarer Stopfen 636 in den Kanal 616a eingebracht, gefolgt von einer Verdrängungsflüssigkeit 638. Das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 638 setzt den Teil des Kanals 612a über dem unteren Zementierstopfen 622 und der Kugel 630 unter Druck. Infolgedessen bricht die Kugel 630 durch und entfernt den zerbrechlichen Kugelsitz 622b und das Rückhalteelement 622e des unteren Zementierstopfens 622 und bricht in den Kanal 608a ein, wodurch fluidförmige Materialien aus dem Kanal 612a durch die Kanäle 622aa und 622ab des unteren Zementierstopfens 622 und in den Kanal 608a fließen können. Wie in 9 gezeigt ist, wird das Klappenventil 622c in der Folge nicht mehr am Schwenken gehindert, um den Kanal 622a zu verschließen.
  • Wie 8d zeigt, bewirkt das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 638, dass der nach unten pumpbare Stopfen 636 in dem verengten Kanal 620a des Wischerstopfens 620 in Eingriff gelangt und dadurch den Wischerstopfen von dem Ende des rohrförmigen Halteelements 616 löst. In der Folge werden der Wischerstopfen 620 und der nach unten pumpbare Stopfen 636 durch das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 638 in dem rohrförmigen Element 612 nach unten getrieben, wodurch wiederum die Spacer-Flüssigkeit 632 und der Zementschlamm 634 durch die Kanäle 622aa und 622ab des unteren Zementierstopfens 626, durch die Kanäle 610a, 608a und 606a in den Ringraum zwischen dem Bohrloch 602 und dem Schuh 606, dem rohrförmigen Element 608, der Auffangmanschette 610 und dem rohrförmigen Element verdrängt werden.
  • Wie in 8e gezeigt ist, bewirkt das fortgesetzte Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 638, dass der Wischerstopfen 620 und der nach unten pumpbare Stopfen 634 auf dem unteren Zementierstopfen 622 auftreffen und sich mit diesem zusammenschließen, wodurch der Ringraum zwischen dem Bohrloch 602 und dem rohrförmigen Element 612 mit Zementschlamm 632 gefüllt wind. Der durch den eingespritzten Zementschlamm 634 erzeugte Gegendruck be wirkt, dass das Klappenventil 622c schwenkt und dadurch den Kanal 622aa schließt, wie das in den 8e und 9c dargestellt ist. Das Ergebnis ist, dass der Rückfluss von Zementschlamm 634 aus dem Kanal 608a in den Kanal 612a verhindert wird.
  • Wie in 8f dargestellt ist, wird das rohrförmige Halteelement 616 dann von dem rohrförmigen Element 612 entkoppelt und nach oben aus dem rohrförmigen Element 612 herausbewegt. Die Spacer-Flüssigkeit 632 und der Zementschlamm 634 über dem rohrförmigen Element 612 können dann durch zirkulierenden Bohrschlamm 640 durch den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Halteelement 616 und der bereits existierenden Bohrlochverrohrung 604 abtransportiert werden. Der Zementschlamm 634 kann dann aushärten.
  • Das System 600 sorgt für eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Systemen zum Zementieren von Bohrlöchern. Zum Beispiel entfällt bei dem System 600 der bei herkömmlichen Systemen erforderliche Schwimmschuh. Deshalb muss während des Betriebs des Systems 600 Bohrschlamm nicht durch die Schwimmgeräte zirkuliert werden, um das Bohrloch vor dem Zementieren zu stabilisieren. Außerdem ermöglicht das System 600 durchgehend die Verwendung von einem größeren Innendurchmesser, wodurch die Betriebsleistung gesteigert wird. Ferner entfallen beim dem System 600 die Betriebs- und Logistikkosten, die mit dem Transport und der Montage der Schwimm-Manschette und zugehörigen Ausrüstungsteilen verbunden sind. Zudem reduziert das System die Einschränkungen hinsichtlich der Zirkulation, Druckstöße, Fluidverluste an unterirdische Formationen, Einsatzzeiten der Verrohrung und der Futterrohre, die Dauer der Offenlegung des Bohrlochs und den Verlust von wertvollen Bohrflüssigkeiten an die Formation.
  • In einer alternativen Ausführungsform können der Schuh 606 und das rohrförmige Element 608 bei dem System 600 entfallen.
  • In einer alternativen Ausführungsform des unteren Zementierstopfens 622 weist der zerbrechliche rohrförmige Kugelsitz 622b, wie in den 9d, 9e und 9f dargestellt ist, einen zerbrechlichen oberen Kugelsitz 722ba und einer unteres zerbrechliches rohrförmiges Element 622bb auf, das innerhalb des Endes des Kanals 622aa positioniert und mit diesem lösbar verbunden ist. Der zerbrechliche obere rohrförmige Kugelsitz 622ba ist aus einem elastischen und zerbrechlichen Material hergestellt und definiert einen zentralen Kanal 622baa und eine Vielzahl von Hilfskanälen 622bab, 622bac, 622bad und 622bae. Das zerbrechliche untere rohrförmige Element 622bb ist aus einem zerbrechlichen Material hergestellt und definiert einen zentralen Kanal 622bba und eine Vielzahl von Hilfskanälen 622bbb, 622bbc, 622bbd und 622bbe. In einem Ausführungsbeispiel sind die Hilfskanäle 622bab, 622bac, 622bad und 622bae mit den Hilfskanälen 622bbb, 622bbc, 622bbd und 622bbe verschachtelt. Ferner ist in einer Ausgangsposition zumindest ein Bereich des zerbrechlichen oberen rohrförmigen Kugelsitzes 622ba von dem zerbrechlichen unteren rohrförmigen Element 622bb beabstandet. Auf diese Weise können in einer Ausgangsposition fluidförmige Materialien durch die Kanäle 622baa und 622bba und einen Serpentinenweg, der durch die Hilfskanäle 622bab, 622bac, 622bad und 622bae und die Hilfskanäle 622bbb, 622bbc, 622bbd und 622bbe definiert ist, hindurchtreten. Auf diese Weise wird in der Ausgangsposition der Volumenfluss der fluidförmigen Materialien durch den unteren Zementierstopfen 622 verbessert.
  • In einer komprimierten Position, wenn zum Beispiel die Kugel 630 auf den zerbrechlichen rohrförmigen Kugelsitz 622ba auftritt und sich mit dem Sitz zusammenschließt, wird der rohrförmige Kugelsitz 622ba komprimiert und mit dem zerbrechlichen unteren rohrförmigen Element 622bb in Kontakt gebracht. In der Folge werden die Kanäle 622baa und 622bba durch die Kugel 630 abgedichtet, und der durch die Hilfskanäle 622bab, 622bac, 622bad und 622bae und die Hilfskanäle 622bbb, 622bbc, 622bbd und 622bbe definierte Serpentinenweg wird abgesperrt.
  • In den 10a10e ist eine alternative Ausführungsform eines Systems 700 zum Zementieren eines Bohrlochs 702 mit einer bereits existierenden Bohrlochverrohrung 704 dargestellt, umfassend einen einen Kanal 706a definierenden Schuh 706, der mit einem Ende eines rohrförmigen Elements verbunden ist, das einen Kanal 708a definiert. Das andere Ende des rohrförmigen Elements 708 ist mit einem Ende einer Auffangmanschette 710 verbunden, die einen Kanal 710a definiert. Das andere Ende der Auffangmanschette 710 ist mit einem Ende eines rohrförmigen Elements 712 verbunden, das einen Kanal 712a definiert. Ein Zentralisierer 714 kann mit der Außenseite des rohrförmigen Elements 712 verbunden sein, um das rohrförmige Element im Inneren der bereits existierenden Bohrlochverrohrung 704 zentral zu positionieren. Ein Ende eines rohrförmigen Halteelements 716, das einen Kanal 716a definiert, erstreckt sich in das andere Ende des rohrförmigen Elements 712 hinein. Eine lösbare Kupplung 718 ist mit dem rohrförmigen Halteelement 716 verbunden, um das rohrförmige Halteelement mit dem rohrförmigen Element 712 lösbar zu verbinden. Ein einen verengten Kanal 720a definierender Wischerstopfen 720 ist in dem anderen Ende des rohrförmigen Halteelements 712 mit dem einen Ende des rohrförmigen Halteelements 716 verbunden. Der untere Zementierstopfen 622 ist lösbar mit einem Ende des Wischerstopfens 720 verbunden und in dem Kanal 712a positioniert. Ein Stoßfänger 724 und eine Tassendichtung 726 sind innerhalb des rohrförmigen Elements 712 mit der Außenseite des Endes des rohrförmigen Halteelements 716 verbunden.
  • Wie in 10a dargestellt ist, wird während des Betriebs Bohrschlamm 728 durch das Bohrloch 702 zirkuliert, indem der Bohrschlamm durch die Kanäle 716a, 720a, 712a, den unteren Zementierstopfen 726, die Kanäle 710a, 708a und 706a in den Ringraum zwischen dem Schuh 706, dem rohrförmigen Element 708, der Auffangmanschette 710 und dem rohrförmigen Element 712 eingespritzt wird. Aus noch zu beschreibenden Gründen wird zusammen mit dem eingespritzten Bohrschlamm 728 auch eine Kugel 730 in den Kanal 716a eingebracht.
  • Wie 10b darstellt, wird eine Spacer-Flüssigkeit 732 gefolgt von einem Zementschlamm 734 in die Kanäle 716a, 720a und 712a hinter und über dem Bohrschlamm 728 eingespritzt. Die Kugel 730 schlägt auf dem Kugelsitz 722b des unteren Zementierstopfens 622 auf, schließt sich mit dem Sitz zusammen und entkoppelt den unteren Zementierstopfen von dem Wischerstopfen 720. Infolgedessen wird der untere Zementierstopfen 622 in dem rohrförmigen Element 712 nach unten verlagert und trifft auf die Auffangmanschette 710.
  • Wie in 10c dargestellt ist, wird dann ein nach unten pumpbarer Stopfen 736 gefolgt von einer Verdrängungsflüssigkeit 738 in den Kanal 716a eingspritzt. Das fortdauernde Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 738 setzt den Bereich des Kanals 712a über dem unteren Zementierstopfen 622 und der Kugel 730 unter Druck. Dadurch bricht die Kugel 730 durch und entfernt den zerbrechlichen rohrförmigen Kugelsitz 622b und das rohrförmige Rückhalteelement 622e des unteren Zementierstopfens 622, wodurch fluidförmige Materialien durch den Kanal 622aa und 622ab des unteren Zementierstopfens hindurchtreten können.
  • Wie in 10d dargestellt ist, bewirkt das fortdauernde Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 738, dass der nach unten pumpbare Stopfen 736 in den verengten Kanal 720a des Wischerstopfens 720 eingreift und dabei den Wischerstopfen von dem Ende des rohrförmigen Halteelements 716 löst. Als Ergebnis werden der Wischerstopfen 720 und der nach unten pumpbare Stopfen 736 durch das fortdauernde Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 738 innerhalb des rohrförmigen Elements 712 nach unten getrieben, wodurch wiederum die Spacer-Flüssigkeit 732 und der Zementschlamm 734 durch den unteren Zementierstopfen 622 und die Kanäle 710a, 708a und 706a in den Ringraum zwischen dem Bohrloch 702 und dem Schuh 706, dem rohrförmigen Element 708, der Auffangmanschette 710 und dem rohrförmigen Element verdrängt werden.
  • Wie in 10e dargestellt ist, bewirkt das fortdauernde Einspritzen der Verdrängungsflüssigkeit 736, dass der Wischerstopfen 720 und der nach unten pumpbare Stopfen 734 auf dem unteren Zementierstopfen 622 auftreffen und sich mit diesem zusammenschließen und dass sich der Ringraum zwischen dem Bohrloch 702 und dem rohrförmigen Element 712 mit Zementschlamm 712 füllt. Der durch den Zementschlamm 734 erzeugte Gegendruck schwenkt das Klappenventil 622c des unteren Zementierstopfens 622, um den Kanal 622aa abzusperren und dadurch einen Rückfluss des Zementschlamms aus dem Kanal 708a in den Kanal 712a zu verhindern.
  • Das rohrförmige Halteelement 716 kann dann von dem rohrförmigen Element 712 abgekoppelt und nach oben aus dem rohrförmigen Element 712 herausbewegt werden. Die Spacer-Flüssigkeit 730 und der Zementschlamm 732 über dem rohrförmigen Element 712 können dann durch den zirkulierenden Bohrschlamm über den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Halteelement 716 und der bereits existierenden Bohrlochverrohrung 704 ausgetragen werden. Der Zementschlamm 732 kann dann aushärten.
  • Das System 700 sorgt für eine Reihe von Vorteilen gegenüber konventionellen Systemen zum Zementieren von Bohrlöchern. Zum Beispiel entfällt bei dem System 700 der Schwimmschuh, der bei herkömmlichen Systemen erforderlich ist. Als Ergebnis muss während des Betriebs des Systems 700 Bohrschlamm nicht durch die flexiblen Ausrüstungsteile zirkuliert werden, um das Bohrloch vor dem Zementieren zu stabilisieren. Ferner erlaubt das System 700 durchgehend die Verwendung eines größeren Innendurchmessers, wodurch die Betriebsleistung erhöht wird. Die Betriebskosten und die Logistikkosten, die mit dem Transport und mit der Montage der zugehörigen Ausrüstungsteile verbunden sind, entfallen bei dem System 700. Außerdem werden Einschränkungen hinsichtlich der Zirkulation, Druckstöße und Drücke, Flüssigkeitsverluste an unterirdische Formationen, Einsatzzeiten der Verrohrung und des Futterrohrs und die Offenlegungsdauer der Bohrung sowie Verluste von Bohrflüssigkeiten an die Formation reduziert.
  • In einer alternativen Ausführungsform können der Schuh 706 und das rohrförmige Element 708 bei dem System 700 entfallen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in zahlreicher Hinsicht variiert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann das vorliegende System zum Zementieren eines Bohrlochs verwendet werden, um eine ringförmige Zementschicht rund um eine Rohrleitung oder um eine Stützkonstruktion anzubringen. Ferner weisen die Auffangmanschetten 408, 610 und 710 der Systeme 400, 600 und 700 in mehreren alternativen Ausführungsformen konventionelle Drehsicherungsvorrichtungen und/oder Riegelvorrichtungen auf, um die Bewegung der unteren Zementierstopfen 416 und 622 noch weiter zu verhindern, nachdem die Zementierstopfen mit der Auffangmanschette in Eingriff gelangt sind, wodurch die hydraulische Abdichtung zwischen den unteren Zementierstopfen und den Auffangmanschetten verbessert wird.
  • Obwohl die Erfindung anhand der dargestellten Ausführungsformen beschrieben wurde, sind weitreichende Modifikationen, Änderungen und Substitutionen möglich. In manchen Fällen können einige Merkmale der vorliegenden Erfindung ohne entsprechende Verwendung der anderen Merkmale verwendet werden. Dem gemäß ist es angebracht, die anliegenden Ansprüche in Übereinstimmung mit dem Rahmen der Erfindung breit auszulegen.

Claims (10)

  1. System (400) zum Zementieren eines Ringraums zwischen einer Bohrlochverrohrung und einem Bohrloch (402), umfassend: einen Zementierstopfen (416), mit einem Stopfenkörper (416a), der einen Kanal (416aa) definiert, ein Einwegventil (416c), ein Dichtungselement (500e), das für den dichten Eingriff in die Bohrlochverrohrung mit dem Stopfenkörper (416a) verbunden ist, und eine zerbrechliche Membrane (416b) zum dichten Verschließen des Stopfenkanals (416aa), wobei das Einwegventil (416c) in dem Stopfenkanal (416aa) gehalten wird und angepasst ist, um einen Fluss von fluidförmigen Materialien (424) lochaufwärts durch den Stopfenkanal zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner einen Verrrohrungsschuh (404) mit einem Zweirichtungs-Durchflusskanal (404a) umfasst und dass eine Auffangmanschette (408) für einen Zementierstopfen lochaufwärts von dem Verrohrungsschuh (404) angeordnet ist und durch diesen hindurch einen verengten Durchflusskanal (408a) definiert.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das Einwegventil ein Klappenventil, ein Kugelventil oder ein durch eine Feder vorgespanntes Ankerventil umfasst.
  3. System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zerbrechlichen Sitz für den Zusammenschluss mit einer Kugel als Gegenstück.
  4. System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Mittel zum Verbinden eines Futterrohres mit einer bereits existierenden Bohrlochverrohrung.
  5. System nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen oberen Zementierstopfen für den dichten Eingriff in die Bohrlochverrohrung; eine Fluid-Einspritzeinheit, die mit der Bohrlochverrohrung verbunden ist, zum Einspritzen von fluidförmigen Materialien in die Bohrlochverrohrung und zum kontrollierten/gesteuerten Freigeben des oberen Zementierstopfens und des Zementierstopfens in die Bohrlochverrohrung.
  6. System nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein rohrförmiges Halteelement; einen Wischerstopfen, der lösbar mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements verbunden ist; ein Futterrohr, das lösbar mit dem rohrförmigen Halteelement verbunden ist; die Auffangmanschette, die mit einem Ende des Futterrohres verbunden ist; den Zementierstopfen, der lösbar mit dem Wischerstopfen verbunden ist; und eine Fluid-Einspritzeinheit, die mit dem rohrförmigen Halteelement verbunden ist, zum Einspritzen von fluidförmigen Materialien in das rohrförmige Halteelement und zum kontrollierten/gesteuerten Freigeben einer Kugel und eines nach unten pumpbaren Stopfens in das rohrförmige Halteelement hinein, für den Eingriff in den Zementierstopfen und dem Wischerstopfen.
  7. System nach Anspruch 1, ferner umfassend: Mittel zum Positionieren der Bohrlochverrohrung in dem Bohrloch; Mittel zum Einspritzen eines nichthärtenden fluidförmigen Materials in die Bohrlochverrohrung; Mittel zum Einspritzen des Zementierstopfens in ein Ende der Bohrlochverrohrung; Mittel zum Trennen des nichthärtenden fluidförmigen Materials und des härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in der Bohrlochverrohrung; Mittel zum Unterdrucksetzen des härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in der Bohrlochverrohrung; und Mittel zum kontrollierten/gesteuerten Freigeben des härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in den Ringraum zwischen der Bohrlochverrohrung und dem Bohrloch.
  8. System nach Anspruch 1, ferner umfassend: Mittel zum Einspritzen eines nichthärtenden fluidförmigen Materials in das Futterrohr; Mittel zum Einspritzen des Zementierstopfens in das Futterrohr; Mittel zum Trennen des nichthärtenden fluidförmigen Materials und des härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in dem Futterrohr; Mittel zum Unterdrucksetzen des härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in dem Futterrohr; Mittel zum kontrollierten/gesteuerten Freigeben des härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in den Ringraum zwischen dem Futterrohr und dem Bohrloch.
  9. Verfahren zur Verwendung des Systems von Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: das Positionieren der Bohrlochverrohrung in dem Bohrloch; das Einspritzen eines nichthärtenden fluidförmigen Materials in die Bohrlochverrohrung; das Einspritzen eines härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in die Bohrlochverrohrung; das Einbringen eines oberen Zementierstopfens in die Bohrlochverrohrung; das Einspritzen eines nichthärtenden fluidförmigen Materials in die Bohrlochverrohrung; und das Brechen der zerbrechlichen Membrane des Zementierstopfens, um zu ermöglichen, dass das härtende fluidförmige Dichtungsmaterial den Stopfenkanal, das Einwegventil und den verengten Kanal passieren und in den Ringraum zwischen dem rohrförmigen Element und dem Bohrloch eindringen kann.
  10. Verfahren zur Verwendung des Systems von Anspruch 1, ferner umfassend die folgenden Schritte: das lösbare Halten eines Futterrohres, das einen Kanal definiert und das an einem Ende eine Auffangmanschette hat; das Vorsehen eines rohrförmigen Halteelements, das einen Kanal definiert, der fluidmäßig mit dem Kanal des Futterrohres verbunden ist, und das einen Wischerstopfen aufweist, der lösbar mit einem Ende des rohrförmigen Halteelements verbunden ist; das lösbare Verbinden des Zementierstopfens mit dem Wischerstopfen in dem rohrförmigen Element; das Einspritzen eines nichthärtenden fluidförmigen Materials in den Kanal des rohrförmigen Halteelements; das Einbringen einer Kugel in den Kanal des rohrförmigen Halteelements; das Einspritzen eines härtenden fluidförmigen Dichtungsmaterials in den Kanal des rohrförmigen Halteelements; das Entkoppeln des Zementierstopfens von dem Wischerstopfen durch die Kugel; das Eingreifen des Zementierstopfens in die Auffangmanschette; das Einbringen eines nach unten pumpbaren Stopfens in den Kanal des rohrförmigen Halteelements; das Einspritzen eines nichthärtenden fluidförmigen Materials in den Kanal des rohrförmigen Halteelements; das Entkoppeln des Wischerstopfens von dem Ende des rohrförmigen Halteelements; und das Eingreifen des Wischerstopfens und des nach unten pumpbaren Stopfens in den Zementierstopfen.
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