DE69228936T2

DE69228936T2 - Abdichtwerkzeug

Info

Publication number: DE69228936T2
Application number: DE69228936T
Authority: DE
Inventors: Klaas Johannes Zwart
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-31
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: WO1993005267A3; US5467822A; DE69228936D1; WO1993005267A2; EP0599964B1; EP0599964A1; AU2479792A; DK0599964T3

Description

Diese Erfindung betrifft, ein Abdichtwerkzeug ("pack-off tool") und insbesondere ein Abdichtelement eines derartigen Werkzeuges für eine Verwendung in Verbindung mit Bohrwerkzeugen, wie beispielsweise Bridge-Plugs.
Abdichtelemente werden verwendet, um eine Abdichtung zwischen dem Innen- und Außendurchmesser von koaxialen Rohren bereitzustellen, beispielsweise der Spindel eines Bohrwerkzeuges, das das Abdichtelement trägt, und dem Bohrlochrohr, gegen das sich das Element ausdehnt, wenn es einer axialen Kraft ausgesetzt wird.
Beispiele für Bohrwerkzeuge, die derartige Abdichtelemente umfassen, werden im GB-A-1283295, GB-A-2106957, GB-A-2222845 und GB-A-2236129 beschrieben.
Ein Nachteil derartiger bekannter Abdichtelemente ist, daß eine hohe axiale Kraft erforderlich ist, um die notwendige Ausdehnung und das Vorspannen des Elementes zu bewirken, um die hohen Drücke auszuhalten, die die Abdichtelemente aufnehmen müssen.
Das US-A-3433303 betrifft einen durch Rotation eingestellten Bohrlochpacker, der eine Packerbuchse aufweist, die sich als Reaktion auf eine teleskopische Bewegung ausdehnt und zusammenzieht.
Das US-A-2988148, das den am engsten damit verbundenen bisherigen Stand der Technik verkörpert, worauf man sich im Oberbegriff des Patentanspruches 1 bezieht, betrifft ein Abdichtwerkzeug, das eine Verstärkerbuchse aufweist, die am Körper des Werkzeuges montiert ist. Das Werkzeug weist außerdem eine elastische Dichtungsbuchse auf, die um die Verstärkerbuchse herum angeordnet ist. Die Dichtungsbuchse berührt einen Ringabschnitt und kann in einer Längsabmessung verkürzt und zusammengedrückt werden, wodurch veranlaßt wird, daß sie sich nach außen in einen abdichtenden Eingriff mit der Wand der Bohrlochumhüllung ausdehnt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Abdichtwerkzeug bereitgestellt, das einen Hauptrohrkörper aufweist, der auf einer Spindel montiert und damit in abdichtender Anordnung ist, wobei der Körper umfaßt: ein ausdehnbares Dichtungselement; ein nichtausdehnbares Ringelement für das Verstärken eines Endes des Elementes gegen Verdrehung; und eine Verbindungsbohrung, die sich radial durch das Dichtungselement erstreckt, wobei der Rohrkörper axial zusammendrückbar ist, um das Dichtungselement in eine radial ausgedehnte Konfiguration für einen abdichtenden Eingriff mit einer Bohrlochwand auszudehnen, und wobei die Verbindungsbohrung gestattet, daß ein fließendes Medium zwischen das Dichtungselement und die Spindel gelangt, um radiale Druckkräfte auf einen Abschnitt des Dichtungselementes zwischen der Verbindungsbohrung und dem Ringelement auszuüben, um das Dichtungselement in einen festeren abdichtenden Eingriff mit der Bohrlochwand zu pressen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement mit dem Dichtungselement am Ende verbunden ist.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Abdichten eines Bohrloches gegen eine Druckdifferenz bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist:
(a) Bereitstellen eines Abdichtwerkzeuges, das einen Hauptrohrkörper aufweist, der auf einer Spindel und in abdichtendem Eingriff damit montiert ist, wobei der Körper umfaßt: ein ausdehnbares Dichtungselement, das mit einem nichtausdehnbaren Ringelement an einem Ende des Elementes für das Verstärken des Endes des Elementes gegen Verdrehung verbunden ist; und eine Verbindungsbohrung, die sich radial durch das Dichtungselement erstreckt;
(b) Anordnen des Werkzeuges in einem Bohrloch;
(c) Anwenden einer anfänglichen Einstellkraft axial von der Fläche auf den Körper, die ausreichend ist, um das Dichtungselement axial in eine radial ausgedehnte Konfiguration zusammenzudrücken, um einen anfänglichen Dichtungskontakt mit der Bohrlochwand zu bewirken; und
(d) Zulassen, daß ein fließendes Medium mit zunehmend höherem Druck durch die Verbindungsbohrung von der Außenseite des Werkzeuges zwischen das Dichtungselement und die Spindel fließt, um entsprechend zunehmend höhere radiale Druckkräfte auf einen Abschnitt des Dichtungselementes zwischen der Bohrung und dem Ring auszuüben, um das Dichtungselement in einen festeren abdichtenden Eingriff mit der Bohrlochwand zu pressen, so daß der resultierende Dichtungskontakt in der Lage ist, eine Druckdifferenz auszuhalten, die größer ist als die, der ein anfänglicher Dichtungskontakt widerstehen könnte, und daß der resultierende Dichtungskontakt einem Dichtungskontakt entspricht, der bei Nichtvorhandensein der radialen Druckkräfte die Anwendung einer größeren Einstellkraft als der anfänglichen Einstellkraft erfordern würde.
Die Anwendung der axialen Einstellkraft gestattet das Einstellen mittels Gleitleitung und dergleichen, was nicht angewandt werden kann, um ein Drehmoment von der Fläche zu übertragen.
Ein einzelnes ausdehnbares Dichtungselement kann bereitgestellt werden, und die Verbindungsbohrung kann in einem mittleren Abschnitt des Elementes bereitgestellt werden. Alternativ können zwei ausdehnbare Dichtungselemente mit einem nichtausdehnbaren Element dazwischen bereitgestellt werden, wobei die Verbindungsbohrung in diesem Fall im nichtausdehnbaren Element bereitgestellt werden kann.
Vorzugsweise ist ein nichtausdehnbares Ringelement an jedem Ende des ausdehnbaren Dichtungselementes vorhanden. Die Bereitstellung von zwei Ringelementen liefert eine zusätzliche Steuerung der Ausdehnung des Dichtungselementes und gestattet, daß das Werkzeug hinsichtlich der Abdichtung einer Bohrung gegen Druck, der von beiden Enden angewandt wird, gleichermaßen wirksam ist. Die Ringelemente können mit Dichtungseinrichtungen versehen sein, um eine Abdichtung mit der Spindel zu bewirken. Die Dichtungseinrichtungen sind vorzugsweise Dichtungsringe mit rundem Querschnitt, die in Ringnuten angeordnet sind, die in Innenflächen der Ringe gebildet werden.
Vorzugsweise begrenzen die Ringelemente gegenüberliegende Ringflächen für ein Anstoßen des Dichtungselementes, und die Flächen weisen Schlitze auf, um das Material des Elementes darin aufzunehmen, um die Ringelemente am Dichtungselement zu verkeilen. Axiale Durchgangsbohrungen können in den Ringelementen bereitgestellt werden, um Material des Dichtungselementes darin aufzunehmen.
Vorzugsweise wird ebenfalls ein kreisförmiges Federelement im Dichtungselement an jedem oder angrenzend an jedes Ende davon eingebunden.
Ebenfalls vorzugsweise ist jedes kreisförmige Federelement in einem Endabschnitt eines Materials enthalten, das steifer ist als das Material des übrigen Dichtungselementes, um das Zurückziehen des Dichtungselementes nach dem Gebrauch zu unterstützen. Die steiferen Endabschnitte können mit dem ausdehnbaren Dichtungselement verbunden werden und sind vorzugsweise ringförmig. Am meisten wird bevorzugt, daß jeder Endabschnitt außen auf dem Dichtungselement montiert wird und kegelig in Richtung des mittleren Abschnittes des Dichtungselementes verläuft, das mit entsprechenden kegelstumpfförmigen äußeren Flächenabschnitten versehen ist. Man bevorzugt, daß die Endabschnitte an ein entsprechendes Ringelement anstoßen.
Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden jetzt als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
Fig. 1 eine Schnittseitenansicht eines Abdichtelementes, das einen Teil eines Bohrwerkzeuges entsprechend einer Ausführung der vorliegenden Erfindung bildet, wobei das Element in der zurückgezogenen Konfiguration gezeigt wird; und
Fig. 2 eine Stirnseitenansicht eines Ringelementes des Elementes; und wobei
Fig. 3 der Fig. 1 entspricht, obgleich das Abdichtelement in einer ausgedehnten abdichtenden Konfiguration gezeigt wird und einem äußeren Druck eines fließenden Mediums ausgesetzt ist.
Mit Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 der Zeichnungen wird das Abdichtelement 10 eines Bohrabdichtwerkzeuges veranschaulicht. Das Abdichtelement 10 ist rohrförmig (zylindrisch) und um ein Rohrelement herum angeordnet, wie beispielsweise eine Spindel 25. In Fig. 1 wird das Abdichtelement separat von der Spindel 25 gezeigt. Das Element 10 weist einen Hauptrohrkörper auf, der ein geformtes ausdehnbares Dichtungselement 11 aus irgendeinem geeigneten verformbaren Material, wie beispielsweise einem Elastomer, umfaßt.
Das Dichtungselement 11 bildet den Hauptteil des Körpers des Abdichtelementes und umfaßt ringförmige Einsätze 12 an jedem Ende. Diese Einsätze 12 werden aus einem steiferen Material gebildet als dem des übrigen Dichtungselementes 11. In jedem Einsatz ist ein Paar koaxiale kreisförmige Federn 13 eingebunden, um das Zurückziehen des Abdichtelementes 10 nach dem Gebrauch zu unterstützen, und um ebenfalls die Extrudierung des Elementes 11 zu begrenzen. Die Einsätze 12 sind am Dichtungselement mittels irgendeines geeigneten Klebstoffes oder durch Binden während des Formens gesichert, wobei jedes Ende des Dichtungselementes bei 14 kegelig verläuft, um eine Abdichtung für die Einsätze 12 zu bilden.
An jedem äußersten Ende des Dichtungselementes 11 ist ein nichtausdehnbares Ringelement 16 vorhanden, um die Enden des Elementes 11 gegen eine mögliche Verdrehung zu verstärken, und um ebenfalls Abdichtungen zwischen dem Hauptrohrkörper und der Spindel 25 zu bewirken, wie beschrieben wird.
Jedes Ringelement 16 besteht aus einem starren Material, wie beispielsweise Stahl, und weist zwei gegenüberliegende ringförmige Flächen 17 auf, die jeweils einen Schlitz 18 begrenzen, in den sich Material des Dichtungselementes 11 während des Formens erstreckt, um die Ringelemente am Dichtungselement zu verkeilen. Öffnungen 18A erstrecken sich durch die Ringelemente zwischen den Schlitzen 18, um die Ringelemente sicherer am Dichtungselement 11 zu verkeilen. Der Innendurchmesser eines jeden Ringelementes 16 ist der gleiche wie der des Dichtungselementes 11, oder er kann etwas größer sein, um die Montage zu erleichtern, aber der Außendurchmesser ist kleiner als der des Dichtungselementes, obgleich eine weitere Auflage für das Element 11 wünschenswert ist, um das Element 11 aufzunehmen.
Die Innenfläche 20 eines jeden Ringelementes weist eine Ringnut 21 auf, die einen Dichtungsring 22 mit rundem Querschnitt oder eine gleiche Dichtung trägt, um eine Abdichtung mit der Spindel 25 zu bewirken.
Eine oder mehrere radiale Verbindungsbohrungen 23 sind dafür vorgesehen, daß sie sich durch das Dichtungselement 11 erstrecken. Das Vorhandensein der Bohrungen 23 verhindert, daß Luft zwischen dem rohrförmigen Dichtungselement 11 und der Spindel 25 eingeschlossen wird, während sie im Abwärtsbohrloch in Betrieb ist, und erleichtert die Bildung einer Abdichtung durch das Werkzeug, wie beschrieben wird.
Ringnuten oder Aussparungen 24 sind in der Innenfläche des rohrförmigen Dichtungselementes 11 vorhanden. Bei axialer Belastung unterstützen die Nuten 24 die Ausdehnung des Dichtungselementes nach außen.
Bei der Benutzung wird das Werkzeug in einem Rohr oder einer Bohrung, wie beispielsweise einer Bohrlochbohrung 26, nach unten abgesenkt. Bei der gewünschten Tiefe wird eine relativ geringfügige axiale Kraft auf das Abdichtelement angewandt, beispielsweise mittels einer Gleitleitung, und das Dichtungselement 11 dehnt sich radial aus, um an den Innendurchmesser der Bohrlochbohrung 26 anzustoßen. Die Ausdehnung des Elementes 11 wird durch die Bereitstellung der nichtausdehnbaren Ringelemente 16 erleichtert, die sichern, daß sich die Enden des Elementes nicht verdrehen, und daß der angewandte axiale Druck durch das Dichtungselement 11 in kontrollierter Weise absorbiert wird.
Fig. 3 der Zeichnungen veranschaulicht den Einfluß eines relativ hohen Druckes, durch Pfeile 30 angezeigt, auf das Element 11, und für eine leichte Bezugnahme wird angenommen, daß der Druck vom oberen Ende des Werkzeuges aus angewandt wird. Das fließende Medium mit höherem Druck, das auf die Außenwand des oberen Abschnittes des Elementes 11 wirkt, neigt dazu, das Element 11 nach innen durchzubiegen (wobei die gezeigte Durchbiegung in Fig. 3 etwas übertrieben wird) und steht durch die Verbindungsbohrungen mit dem Raum 32 zwischen der Spindel 25 und dem Element 11 zwischen den Dichtungsringen 22 mit rundem Querschnitt in Verbindung. Der Druck wirkt danach, um den unteren Abschnitt des Elementes 11 in einen festeren Eingriff mit der Bohrungswand zu drücken. Daher erhöht das Vorhandensein einer hohen Druckdifferenz über das Abdichtelement 10 die anfängliche geringfügige Dichtungskraft, die zwischen dem ausgedehnten Dichtungselement 11 und der Bohrung 26 wirkt, so daß sich das Element 11 wirksam selbst abdichtet. Die Bereitstellung der Bohrungen 23 verringert daher in beträchtlichem Maß die Druckkraft, die erforderlich ist, um das Abdichtwerkzeug einzustellen, damit eine vorgegebene Druckdifferenz ausgehalten wird.
Den Fachleuten wird es klar sein, daß die vorangehend angeführte Beschreibung nur ein Beispiel für die vorliegende Erfindung ist, und daß verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen betreffs des veranschaulichten Beispiels vorgenommen werden können, ohne daß man vom Bereich der Erfindung abweicht; beispielsweise kann das Dichtungselement aus zwei oder mehr Teilen gebildet werden, und ein nichtausdehnbares Teil kann zwischen zwei ausdehnbaren Teilen angeordnet werden, und darin können die Verbindungsbohrungen bereitgestellt werden.

Claims

1. Abdichtwerkzeug ("pack-off tool"), das einen Hauptrohrkörper aufweist, der auf einer Spindel montiert und damit in abdichtener Anordnung ist, wobei der Körper umfaßt: ein ausdehnbares Dichtungselement (11), ein nichtausdehnbares Ringelement (16) für das Verstärken eines Endes des Elementes gegen Verdrehung, und eine Verbindungsbohrung (23), die sich radial durch das Dichtungselement erstreckt, wobei der Rohrkörper axial zusammendrückbar ist, um das Dichtungselement (11) in eine radial ausgedehnte Konfiguration für einen abdichtenden Eingriff mit einer Bohrlochwand (26) auszudehnen, und wobei die Verbindungsbohrung (23) gestattet, daß ein fließendes Medium zwischen das Dichtungselement (11) und die Spindel (25) gelangt, um radiale Druckkräfte auf einen Abschnitt des Dichtungselementes (11) zwischen der Verbindungsbohrung (23) und dem Ringelement (16) auszuüben, um das Dichtungselement (11) in einen festeren abdichtenden Eingriff mit der Bohrlochwand (26) zu pressen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (16) mit dem Dichtungselement (11) am Ende verbunden ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, bei dem ein einzelnes ausdehnbares Dichtungselement (11) bereitgestellt wird, und bei dem die Verbindungsbohrung (23) in einem mittleren Abschnitt des Elementes vorhanden ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein weiteres nichtausdehnbares Ringelement (16) mit dem ausdehnbaren Dichtungselement (11) für das Verstärken des anderen Endes des Elementes (11) gegen Verdrehung verbunden ist.

4. Werkzeug nach Anspruch 3, bei dem die Ringelemente (16) mit Dichtungseinrichtungen (22) versehen sind, um eine Dichtung mit der Spindel (25) zu bewirken.

5. Werkzeug nach Anspruch 4, bei dem die Dichtungseinrichtungen Dichtungsringe (22) mit rundem Querschnitt sind, die in Ringnuten (21) angeordnet sind, die in Innenflächen (20) der Ringelemente (16) gebildet werden.

6. Werkzeug nach Ansprüchen 3, 4 oder 5, bei dem die Ringelemente (16) gegenüberliegende Ringflächen begrenzen, die an das Dichtungselement (11) anstoßen, und bei dem die Flächen Schlitze (18) begrenzen, um Material des Dichtungselementes (11) darin aufzunehmen, um die Ringelemente (16) am Dichtungselement (11) zu verkeilen.

7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 6, bei dem axiale Durchgangsbohrungen (18A) in den Ringelementen (16) bereitgestellt werden, um Material des Dichtungselementes (11) darin aufzunehmen.

8. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein kreisförmiges Federelement (13) in das Dichtungselement am oder angrenzend an das Ende des Elementes (11) eingebunden ist, das gegen Verdrehung verstärkt ist.

9. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes kreisförmige Federelement (13) in einem Endabschnitt (12) eines Materials enthalten ist, das steifer ist als das Material des übrigen Dichtungselementes (11), um das Zurückziehen des Dichtungselementes nach dem Gebrauch zu unterstützen.

10. Werkzeug nach Anspruch 9, bei dem die Endabschnitte (12) mit dem ausdehnbaren Dichtungselement (11) verbunden und ringförmig sind.

11. Werkzeug nach Anspruch 10, bei dem jeder Endabschnitt (12) außen auf dem Dichtungselement (11) montiert ist und kegelig in Richtung des mittleren Abschnittes des Dichtungselementes verläuft, das mit entsprechenden kegelstumpfförmigen äußeren Flächenabschnitten versehen ist.

12. Werkzeug nach Anspruch 9, 10, 11, wenn von einem der Ansprüche 3 bis 7 abhängig, bei dem jeder der Endabschnitte (12) an ein entsprechendes Ringelement (16) anstößt.

13. Verfahren für das Abdichten eines Bohrloches gegen eine Druckdifferenz, das folgende Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen eines Abdichtwerkzeuges, das einen Hauptrohrkörper aufweist, der auf einer Spindel und in abdichtendem Eingriff damit montiert ist, wobei der Körper umfaßt: ein ausdehnbares Dichtungselement (11), das mit einem nichtausdehnbaren Ringelement (16) an einem Ende des Elementes für das Verstärken des Endes des Elementes gegen Verdrehung verbunden ist, und eine Verbindungsbohrung (23), die sich radial durch das Dichtungselement erstreckt;

(b) Anordnen des Werkzeuges in einem Bohrloch;

(c) Anwenden einer anfänglichen Einstellkraft axial von der Fläche auf den Körper, die ausreichend ist, um das Dichtungselement (11) axial in eine radial ausgedehnte Konfiguration zusammenzudrücken, um einen anfänglichen Dichtungskontakt mit der Bohrlochwand (26) zu bewirken; und

(d) Zulassen, daß ein fließendes Medium mit zunehmend höherem Druck durch die Verbindungsbohrung von der Außenseite des Werkzeuges zwischen das Dichtungselement und die Spindel fließt, um entsprechend zunehmend höhere radiale Druckkräfte auf einen Abschnitt des Dichtungselementes zwischen der Bohrung und dem Ring auszuüben, um das Dichtungselement in einen festeren abdichtenden Eingriff mit der Bohrlochwand (26) zu pressen, so daß der resultierende Dichtungskontakt in der Lage ist, eine Druckdifferenz auszuhalten, die größer ist als die, der ein anfänglicher Dichtungskontakt widerstehen könnte, und daß der resultierende Dichtungskontakt einem Dichtungskontakt entspricht, der bei Nichtvorhandensein der radialen Druckkräfte die Anwendung einer größeren Einstellkraft als der anfänglichen Einstellkraft erfordern würde.