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HINTERGRUND
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzliche
Systeme nach dem Stand der Technik werden im folgenden beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf die Beseitigung einer oder mehrerer
dieser Einschränkungen bei
bestehenden Zementiersystemen für
Bohrlöcher gerichtet.
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ÜBERSICHT
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1a–1e sind
fragmentarische Schnittansichten einer Ausführungsform eines konventionellen
Systems für
die Zementierung eines Bohrlochs;
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2a–2f sind
fragmentarische Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform
eines konventionellen Systems für
die Zementierung eines Bohrlochs;
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3a–3e sind
fragmentarische Schnittansichten einer weiteren Ausführungsform
eines konventionellen Systems für
die Zementierung eines Bohrlochs;
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4a–4e sind
fragmentarische Schnittansichten einer Ausführungsform eines Systems für die Zementierung
eines Bohrlochs;
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5 ist
eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur
Verwendung in dem System der 4a–4e;
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6 ist
eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur
Verwendung in dem System der 4a–4e;
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7 ist
eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur
Verwendung in dem System der 4a–4e;
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8a–8f sind
fragmentarische Schnittansichten einer Ausführungsform eines Systems zum
Zementieren eines Bohrlochs;
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9a ist
eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines unteren Zementierstopfens zur
Verwendung in dem System der 8a–8f in
einer initialen Betriebsposition;
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9b ist
eine Darstellung des unteren Zementierstopfens von 9 nach
Entfernen des Kugelsitzes und des Klappenventilhalters;
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9c ist
eine Darstellung des unteren Zementierstopfens von 9b nach
dem Drehen des Klappenventils in die geschlossene Position;
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9d ist
eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform des unteren Zementierstopfens von 9a;
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9e ist
eine Draufsicht von oben auf den unteren Zementierstopfen von 9d;
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9f ist
eine Querschnittsdarstellung des unteren Zementierstopfens von 9d.
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10a–10e sind fragmentarische Querschnittsdarstellungen
einer Ausführungsform
eines Systems zum Zementieren eines Bohrlochs.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den 4a–4e 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
der Schuh 404 und der rohrförmige Körper 406 entfallen.
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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.
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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.
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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.
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In
den 8a–8f 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
der Schuh 606 und das rohrförmige Element 608 bei
dem System 600 entfallen.
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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.
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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.
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In
den 10a–10e 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.
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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.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
der Schuh 706 und das rohrförmige Element 708 bei
dem System 700 entfallen.
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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.
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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.