DE69617312T2

DE69617312T2 - Abdichtungseinrichtung zur Verwendung im Bohrloch

Info

Publication number: DE69617312T2
Application number: DE69617312T
Authority: DE
Inventors: Kevin T. Berscheidt; Alton L. Branch; Donald R. Smith
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-15
Also published as: DE69617312D1; EP0743422B1; EP0743422A2; US5540279A; CA2176669C; CA2176669A1; EP0743422A3

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Bohrlochwerkzeug zum Einsatz in einem Bohrlochund speziell, jedoch nicht ausschließlich Bohrloch-Packer- und Bridge-Plug- Werkzeuge.
Beim Bohren oder Nachbehandeln von Ölbohrlöchern kommen viele verschiedene Werkzeuge zum Einsatz. Häufig, jedoch nicht immer ist es wünschenswert, Rohrleitungen oder andere Rohre im Inneren der Bohrlochverrohrung abzudichten, wie z. B. um Zement oder andere Schlämme abwärts durch die Verrohrung zu fördern und diese Schlämme in eine Formation einzuführen. Dabei muss die Rohrleitung hinsichtlich der Bohrlochverrohrung abgedichtet werden, um das Herausheben der Rohrleitung aus dem Bohrloch durch die Einwirkung des Flüssigkeitsdrucks auf den Schlamm zu verhindern. Bohrlochwerkzeuge, die Packer oder Bridge-Plugs genannt werden, wurden für diese allgemeinen Zwecke konstruiert und sind dem Fachmann in der Öl- und Gasförderung einschlägig bekannt.
Wenn verschiedene dieser Bohrlochwerkzeuge aus dem Bohrloch entfernt werden sollen, ist es häufig einfacher und kostengünstiger, diese Bohrlochwerkzeuge auszubohren oder - fräsen, anstelle sie mit Hilfe komplizierter Vorgänge zu bergen. Zum Fräsen wird beispielsweise ein Fräswerkzeug zum Zermahlen des Packers oder Plugs oder wenigstens Teile dieser eingesetzt. Das Fräsen ist ein verhältnismäßig langsamer Prozess, kann jedoch beim Einsatz herkömmlicher Rohrketten an Packern oder Bridge-Plugs mit verhältnismäßig harten Komponenten, wie z. B. erosionsbeständigem, gehärtetem Stahl, eingesetzt werden. Ein solcher Packer wird in unserem US-Patent Nr. 4, 151, 875 nach Sullaway offenbart und unter der Marke EZ Disposal Packer angeboten.
Beim Bohren wird eine Bohrkrone zum Zerschneiden und Mahlen der Bauteile des Bohrlochwerkzeugs benutzt, um dieses aus dem Bohrloch zu entfernen. Das ist ein schnellerer Vorgang als das Fräsen, verlangt jedoch, dass das Werkzeug aus Werkstoffen besteht, die von der Bohrkrone bewältigt werden können. Typischerweise werden weiches und mittelhartes Gusseisen für die dem Druck ausgesetzten Komponenten sowie Messing- und Aluminiumteile eingesetzt. Zu Packern dieser Art zählen u. a. die Halliburton EZ Drill® und EZ Drill SV® Squeeze-Packer.
Der EZ Drill SV® Squeeze-Packer beinhaltet beispielsweise ein Sperrringgehäuse, einen oberen Schlupfkeil, einen unteren Schlupfkeil und eine untere Schlupfstütze aus weichem Gusseisen. Diese Teile sind auf eine Spindel aus mittelhartem Gusseisen aufgezogen. Der EZ Drill® Squeeze-Packer weist eine ähnliche Konstruktion auf. Auch der Halliburton EZ Drill® Bridge-Plug ist ähnlich, mit dem Unterschied, dass er keinen Strömungsweg in seinem Inneren aufweist.
Alle der o. g. Packer gehen aus dem Verkaufs- und Service-Katalog Nr. 43, Seiten 2561 - 2562 der Halliburton Services hervor, wogegen der Bridge-Plug auf den Seiten 2556 - 2557 des gleichen Katalogs erscheint.
Die EZ Drill® Packer und Bridge-Plugs sowie der EZ Drill SVO Packer sind zur schnellen Entfernung aus dem Bohrloch entweder durch Dreh- oder Kabelwerkzeug-Bohrmethoden konstruiert. Viele der in diesen ausbohrfähigen Packmitteln enthaltenen Bauteile sind miteinander verrastet, um deren Abdrehen beim Bohren zu verhindern. Dabei sind die gehärteten Schieber mit Rillen versehen, so dass sie in kleinere Stücke zersplittern. Normalerweise werden herkömmliche Kernrollenkronen benutzt, die mit ca. 75 bis 120/min gedreht werden. Die Krone wird dabei zu Beginn des Bohrvorgangs unter einen Druck von ca. 2200 bis 3000 kg gestellt, der je nach Größe zum Ausbohren des Rests des Packers oder des Bridge-Plugs erhöht wird. Meißelschäfte können ebenfalls, je nach Bedarf, zum Stabilisieren von Gewicht und Krone eingesetzt werden.
Solche ausbohrfähigen Mittel haben sich in der Praxis als nützlich erwiesen und verbessern die Betriebsleistung bei verhältnismäßig hohen Temperaturen und Drücken. Die oben erwähnten Packer und Bridge-Plugs sind so ausgeführt, dass sie Drücke über 700 kg/cm² und Temperaturen über 220ºC standhalten können, nachdem sie in Bohrlöchern eingesetzt worden sind. Solche Drücke und Temperaturen machen den Einsatz der bereits erwähnten gusseisernen Bauteile notwendig.
Für das Ausbohren von Eisenteilen ist jedoch eine gewisse Methodik erforderlich. Idealerweise bedient sich der Operator unterschiedlicher Drehzahlen und Kronengewichte, um das Zerbrechen der Metallteile zu beschleunigen und das Durchdringen der Krone herbeizuführen, wenn diese während des Bohrens nicht mehr vorwärts getrieben wird. Es karin zum s. g. "Bit tracking" [Kronenschleifen] kommen, wobei die Bohrkrone auf einem Fleck stehen bleibt, ohne weiter in das Bohrlochwerkzeug einzuschneiden. Wenn es dazu kommt, muss die Krone über die Bohrfläche angehoben werden und schnell wieder in Kontakt mit dem Packer oder Plug gebracht werden, wobei bei fortgesetzter Drehung Gewicht auf die Krone angesetzt wird. Dadurch wird das Zerbrechen der Kronenspur unterstützt und die Krone wieder in das Material eingeführt. Bei dieser Vorgehensweise ergeben sich selten Probleme. Operatoren folgen jedoch nicht immer diesen Methoden und erkennen häufig nicht, dass es zum Kronenschleifen gekommen ist. Folglich verlängern sich die Bohrzeiten beträchtlich, weil die Krone lediglich auf der Oberfläche des Bohrlochwerkzeuges schleift, anstelle in diese einzuschneiden und zu zerbrechen.
Um das oben erwähnte, schon seit langem bekannte Problem zu lösen, stellten wir dem Industriebereich eine Anzahl von bohrfähigen Packern und Bridge-Plugs vor, die zzt. unter der Marke FAS DRILL angeboten werden. Das FAS DRILL-Angebot umfasst mehrere Werkzeuge aus größtenteils nichtmetallischen Engineering-Kunststoffen, die das Ausbohren dieser Bohrlochwerkzeuge bedeutend verbessern. Die FAS DRILL- Werkzeugpalette hat sich als sehr erfolgreich erwiesen, und eine Anzahl von US-Patenten wurden uns zugesprochen, einschließlich dem US-Patent 5,271,468 nach Streich u. a., dem US-Patent 5,224,549 nach Streich u. a. und dem US Patent 5,390,737 nach Jacobi u. a. Beziehen Sie sich für weitere Einzelheiten bitte auf diese Patente.
Die US-A-5271468 und US-A-5390737 offenbaren Folgendes:
ein Bohrlochwerkzeug zum Einsatz in einem Bohrloch, bestehend aus den folgenden Elementen:
a) einer Spindel mit einer axialen Mittellinie;
b) einer Schlupfvorrichtung, die an der Spindel vorgesehen ist und die dem Eingreifen in das Bohrloch dient, wenn das Werkzeug im Bohrloch gesetzt wird;
c) mindestens einem Packerelement, das eine Packergruppe darstellt, die axial um die Spindel an einer festgelegten Stelle gehalten wirdund
d) mindestens einem Packerelement-Befestigungsschuh zum axialen Halten wenigstens eines Packerelements um die Spindel.
Ungeachtet des Erfolgs der FAS-DRILL-Produkte bohrfähiger Bohrlochpacker und Bridge-Plugs konnten wir feststellen, dass gewisse metallische Bauteile, die zum Zeitpunkt der Vergabe der o. g. Patente im FAS DRILL-Angebot von Packern und Bridge-Plugs Verwendung fanden, unter gewissen Umständen oder bei der Verwendung spezieller Ausrüstungsgegenstände noch schnellere Ausbohrzeiten verhinderten. Ein Beispiel stellt dass Ausfräsen mit herkömmlichen Rohrleitungen und unter Bedingungen dar, bei denen normale Kronengewichte oder -drehzahlen nicht herbeigeführt werden konnten. Zu weiteren beispielhaften Umständen zählt das Ausbohren und -fräsen mit ungewöhnlichen Bohrmethoden, wie z. B. das Ausbohren und -fräsen mit verhältnismäßig nachgiebigen Rohrschlangen.
Beim Ausfräsen oder bohren mit Rohrschlangen, bei dem kaum ein Gewichtsdruck auf das benutzte Werkzeug ausgeübt wird, erweisen sich selbst Bauteile aus verhältnismäßig weichen Stählen oder anderen Metallen, die als verhältnismäßig weich zu betrachten sind, als problematisch und verlängern den Zeitaufwand, der zum Ausbohren oder -fräsen eines Bohrlochwerkzeugs erforderlich ist, einschließlich der ausbohrfähigen, nichtmetallischen Bohrlochwerkzeuge des Patentinhabers aus der Produktserie FAS DRILL.
Weiter werden Packerschuhe und optionelle Stützringe aus metallischem Werkstoff häufig nicht als erste Wahl benutzt, sondern weil metallische Schuhe und Stützringe den normalerweise von Bohrlochwerkzeugen in Bohrlöchern angetroffenen Temperaturen und Drücken standhalten können.
Ein weiterer Nachteil beim Einsatz metallischer Packerschuhe und optioneller Stützringe liegt darin, dass nach dem Einführen des Werkzeuges der typischerweise aus Messing gefertigte Packerschuh sich u. U. nicht nach außen bauscht, wenn der Packerteil zusammengedrückt wird und sich folglich nicht so nach außen ausdehnt, wie es vorgesehen ist. Wenn sich der Messingschuh nicht richtig bauscht, kann es zu einer unerwünschten starken Verzerrung des Schuhs und daraus resultierendem Schneiden des Packerelements kommen, wodurch sich dessen Fähigkeit reduziert, den für es festgelegten Differentialdrücken standzuhalten oder es auch zum vollständigen Ausfall des Werkzeugs kommen kann.
Jetzt haben wir ein Bohrlochwerkzeug entwickelt, mit dem sich diese und andere Nachteile reduzieren oder überwinden lassen.
Laut dieser Erfindung ergibt sich ein Bohrlochgerät für den Einsatz in einem Bohrloch, bestehend aus den folgenden Bestandteilen:
a) einer Spindel mit einer axialen Mittellinie;
b) einer Schlupfvorrichtung auf der Spindel zum Eingreifen in das Bohrloch in gesetzter Stellung;
c) mindestens einem Packerelement, das axial um die Spindel gehalten und an einer festgelegten Stelle entlang der Spindel lokalisiert wird, wodurch eine Packerelementgruppe entsteht und
d) mindestens einem Packerelement-Befestigungsschuh aus einem nichtmetallischen Werkstoff zum axialen Halten des Packerelements um die Spindel, wobei der erwähnte Schuh aus mehreren Schuhsegmenten besteht und eine Vorrichtung zum Halten der Segmente in einer ersten Position um die Spindel aufweist.
Das Bohrlochwerkzeug dieser Erfindung besteht vorzugsweise größtenteils aus nichtmetallischen Werkstoffen, wie beispielsweise Engineering-Kunststoffen, Kunstharzen oder Verbundstoffen, um das Gewicht und so Versandspesen zu reduzieren, um die Herstellungszeit und -kosten zu senken, um die Leistung zu steigern, indem die Reibungskräfte der Gleitflächen reduziert werden, um Kosten zu reduzieren und die Bohrfähigkeit des Gerätes beim Ausbohren zum Entfernen des Geräts aus dem Bohrloch zu verbessern. Vorzugsweise ist das Bohrlochwerkzeug dieser Offenbarung durch ein Bohrlochpackgerät gekennzeichnet, wobei sich diese Erfindung jedoch in keiner Weise auf spezifische Ausführungsformen eines solchen Packgeräts beschränkt. Der Einsatz größtenteils nichtmetallischer Werkstoffe im Bohrlochwerkzeug ermöglicht und verbessert die Effizienz herkömmlicher Bohr- und Fräsmethoden ebenso wie die alternativer Ausbohr- oder Fräsmethoden.
Bei Ausführungsformen der Packgeräte dieser Erfindung wird die gleiche allgemeine geometrische Konfiguration der dem Fachmann bekannten ausbohrfähigen nichtmetallischen Packer und Bridge-Plugs benutzt, wie sie beispielsweise in den US- Patenten 5,271,468 nach Streich u. a., 5,224,540 nach Streich u. a. sowie 5,390,737 nach Jacobi u. a. offenbart wird, wobei im Wesentlichen alle restlichen metallischen Bauteile der in den o. g. Patenten offenbarten Werkzeuge durch nichtmetallische Werkstoffe ersetzt werden, die trotzdem den Drücken und Temperaturen, wie sie in vielen Bohrlöchern angetroffen werden, standhalten können. In weiteren Ausführungsformen dieser Erfindung kann das Gerät spezifische Konstruktionsänderungen aufweisen, um die Vorteile der Verwendung von im Wesentlichen Kunststoffen und Verbundstoffen ausschöpfen und um der reduzierten Stärke dieser, im Vergleich zu metallischen Teilen, Rechnung tragen zu können.
Bei der bevorzugten Ausführungsform dieses Bohrlochwerkzeugs umfasst diese Erfindung eine zentrale Spindel und eine an der Spindel vorgesehene Schlupfvorrichtung zum Eingreifen in das Bohrloch in der gesetzten Position. Das Gerät umfasst weiterhin eine an der Spindel ausgeführte Packvorrichtung zum dichten Eingreifen in das Bohrloch in der gesetzten Position.
Die Schlupfvorrichtung umfasst einen Schlupfkeil um die zentrale Spindel, mehrere Schlupfsegmente, die in einer ersten Stellung um die Spindel angeordnet sind und neben dem Schlupfkeil eine Haltevorrichtung zum Halten der Schlupfsegmente in einer ersten Stellung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schlupfvorrichtung getrennte Schlupfsegmente. Die Haltevorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Halteband wenigstens teilweise um die Schlupfteile läuft. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Haltevorrichtung durch ein Ringteil gekennzeichnet, das integral mit den Schlupfteilen gebildet ist. Dieses Ringteil lässt sich während des Einsetzens des Packers zerbrechen, so dass die Schlupfteile so voneinander getrennt werden, dass sie sich zum Eingreifen in das Bohrloch bewegen lassen. In die Schlupfteile können gehärtete Einsätze eingegossen werden. Diese Einsätze können aus metallischem Werkstoff, wie z. B. aus gehärtetem Stahl oder aus nichtmetallischem Material bestehen, wie z. B. aus Keramik.
In der bevorzugten Ausführungsform beinhalten die Schlupfteile einen Schlupfkeil, der auf der Spindel montiert wird sowie die Schlupfsegmente, die entweder durch das Halteband oder das integrierte Ringteil gehalten werden. Dieser Schlupfkeil weist zusammenwirkende ebene oder flache Abschnitte auf, die eine höhere Gleitlageroberfläche vermitteln, insbesondere wenn die Schlupfvorrichtung aus einem nichtmetallischen Werkstoff, wie z. B. Engineering-Kunststoff, Kunstharz, Phenol oder Verbundstoffen hergestellt wird.
Weiter werden bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Antragstellerin die dem Fachmann bekannten Packerelement-Schuhe und -Stützringe, wie z. B. die Teile, die mit den Ziffern 37 und 38 sowie 44 und 45 des der Antragstellerin zugesprochenen US- Patents 5,271,468 gekennzeichnet werden, durch einen nichtmetallischen Packerschuh mit mehreren zusammenwirkenden Segmenten und mindestens einem Halteband und vorzugsweise zwei Haltebändern ersetzt. Damit werden die Schuhsegmente nach dem ursprünglichen Zusammenbau und während des Einführens des Werkzeuges in das Bohrloch sowie vor dem Setzen des zugehörigen Packerelements in das Bohrloch zusammengehalten. Die hier offenbarte bevorzugte Packerschuhgruppe des Bohrlochwerkzeugs besteht weiter aus Packerschuhsegmenten, die vorzugsweise aus Phenol oder einem Verbundstoff hergestellt sind, um der durch die verhältnismäßig hohen Differentialdrücke und hohen Temperaturen, die in Bohrlöchern angetroffen werden, erzeugten Belastung standhalten zu können.
Zum besseren Verständnis dieser Erfindung werden im nachstehenden Text verschiedene Ausführungsformen beispielhaft beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Bohrloch-Packergerät des Stands der Technik mit den bevorzugten Schlupfteilen und Schlupfgruppen, die im Zusammenhang mit dieser Erfindung eingesetzt werden können.
Fig. 2A eine Frontansicht des in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Schlupfteils, das im Zusammenhang mit dieser Erfindung eingesetzt werden kann.
Fig. 2B einen seitlichen Querschnitt durch die bevorzugten Schlupfsegmente aus Fig. 2A.
Fig. 2C eine Draufsicht der bevorzugten Schlupfsegmente aus Fig. 2A und 2B.
Fig. 3A eine Draufsicht des bevorzugten Schlupfkeils aus Fig. 1, der mit dieser Erfindung eingesetzt werden kann.
Fig. 3B einen seitlichen Querschnitt durch den bevorzugten Schlupfkeil aus Fig. 3A.
Fig. 3C einen getrennten Schnitt durch eine der mehreren ebenen Oberflächen des Schlupfkeils entlang der Linie 3C aus Fig. 3A.
Fig. 4 einen seitlichen Querschnitt durch einen alternativen Packelement- Befestigungsschuh nach dem Stand der Technik.
Fig. 5 einen seitlichen Querschnitt durch den bevorzugten Packerelement- Befestigungsschuh dieser Erfindung.
Fig. 6A eine Draufsicht des bevorzugten Packerschuhs und des Haltebandes dieser Erfindung. Das Halteband wird zur Veranschaulichung in übertrieben ausgedehnter Form dargestellt.
Fig. 6B einen seitlichen Querschnitt des Packerelement-Schuhs aus Fig. 6A.
Jetzt wird näher auf die Zeichnungen Bezug genommen. Die Fig. 1-4 beziehen sich insgesamt auf den Stand der Technik und wurden als Hintergrund dargestellt, sowie um die bevorzugte Ausführungsform eines Werkzeuges darzustellen, für das diese Erfindung besonders geeignet ist, auf die sie sich jedoch in keiner Weise beschränkt.
Fig. 1 stellt ein Bohrlochwerkzeug 2 mit einer Spindel 4 nach dem Stand der Technik dar. Das spezifische Werkzeug in Fig. 1 wird als Bridge-Plug bezeichnet, weil es einen Plug 6 aufweist, der mit radial ausgerichteten Stiften 8 mit der Spindel 4 verbunden ist. Der Plug 6 weist eine Dichtvorrichtung 10 auf, die sich zwischen dem Plug und dem Innendurchmesser der Spindel 4 befindet, um eine Flüssigkeitsströmung zwischen beiden Bauteilen zu verhindern. Die Gesamtstruktur des Werkzeuges eignet sich jedoch ohne weiteres zum Einsatz mit Packern, die normalerweise mindestens eine Vorrichtung aufweisen, die ein Strömen von Flüssigkeiten durch das Werkzeug ermöglicht. So ermöglichen Packer die Regelung der Flüssigkeitsströmung durch das Werkzeug mit Hilfe eines oder mehrerer Ventilmechanismen, die in den Packerkörper integriert werden oder die extern am Packerkörper vorgesehen werden können. Solche Ventile sind in den Zeichnungen dieser Patentschrift nicht abgebildet. Das beispielhafte Werkzeug kann in Bohrlöchern mit einer Verrohrung oder anderen ringförmigen Strukturen oder Geometrien eingesetzt werden, in denen das Werkzeug gesetzt werden kann.
Das Werkzeug 2 umfasst gleichfalls den Einsatz eines Distanzrings 12, der vorzugsweise mit Stiften 14 an der Spindel 4 befestigt wird. Der Distanzring 12 vermittelt eine Anstoßvorrichtung, mit der Schlupfsegmente 18, die um den Umfang der Spindel 4 angeordnet sind, axial gehalten werden. Die Schlupfhaltebänder 16 dienen dem radialen Halten der Schlupfteile 18 in einer ersten Position um den Umfang der Spindel 4 sowie des Schlupfkeils 20. Die Bänder 16 bestehen aus Stahldraht, einem Kunststoff oder einem Verbundstoff mit den erforderlichen Merkmalen, d. h. ausreichender Stärke zum Halten der Schlupfteile in ihrer Position, bevor das Werkzeug tatsächlich gesetzt wird. Weiter muss sich der Werkstoff ohne weiteres ausbohren lassen, wenn das Werkzeug aus dem Bohrloch entfernt werden soll. Vorzugsweise sind diese Bänder 16 kostengünstig und lassen sich leicht um die Schlupfsegmente 18 anlegen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, befindet sich der Schlupfkeil 20 zunächst in einem gleitenden Verhältnis zu den Schlupfsegmenten 18 und etwas unterhalb von ihnen. Der Schlupfkeil 20 wird als mit den Stiften 22 arretiert dargestellt. Das bevorzugte Konzept der Schlupfsegmente 18 sowie der damit zusammenwirkenden Schlupfkeile 20 wird später näher erörtert.
Unterhalb des Schlupfkeils 20 befindet sich mindestens ein Packerelement und, wie aus Fig. 1 hervorgeht, eine Packerelementgruppe 28, bestehend aus drei ausdehnbaren Elementen, die um die Spindel 4 angeordnet sind. An beiden Seiten der Packerelementgruppe 28 befinden sich Packerschuhe 26, die das jeweilige Ende der Packerelementgruppe 28 axial abstützen. Stützringe 24, die an den jeweiligen oberen und unteren Schlupfkeilen 20 anliegen, vermitteln eine strukturelle Abstützung der Packerschuhe 26, wenn das Werkzeug in einem Bohrloch gesetzt wird. Die spezifische Packerelementanordnung in Fig. 1 dient lediglich als Beispiel, da dem Fachmann verschiedene Packerelementanordnungen laut dem Stand der Technik bekannt sind.
Unter dem unteren Schlupfkeil 20 befinden sich mehrere Schlupfsegmente 18 mit mindestens einem um die Segmente angelegten Halteband 16, das später näher beschrieben wird.
An der untersten Stelle des Werkzeuges 2 befindet sich ein abgewinkeltes teil, das hier mit Ziffer 30 gekennzeichnet und als Mule-Schuh bezeichnet und das durch radial ausgerichtete Stifte 32 an der Spindel 4 befestigt wird. Das unterste Teil 30 muss aber nicht unbedingt ein Mule-Schuh sein, sondern kann ein beliebiger Abschnitt sein, mit dem die Struktur des Werkzeuges abgeschlossen wird oder der als Verbindung zum Anschließen des Werkzeuges an andere Werkzeuge dient, wie z. B. ein Ventil, Rohre usw. Der Fachmann erkennt, dass die Stifte 8, 14, 16, 22 und 32, insoweit sie überhaupt zum Einsatz kommen, mit einer entsprechenden Abscherstärke ausgewählt werden, die das Setzen des Werkzeugs ermöglicht und den im Bohrloch während des Einsatzes des Werkzeugs anzutreffenden Kräften standhalten wird.
Laut den Beschreibungen der Patente, auf die schon Bezug genommen wurde, bestehen die meisten Bauteile in Werkzeug 2 von Fig. 1, mit Ausnahme der Packerschuhe 28 und der Stützringe 24, aus nichtmetallischem Werkstoff. Vor dieser Erfindung mussten die Packerschuhe und Stützringe der Produktreihe FAS DRILL der Antragstellerin aus Metall hergestellt werden, weil geeignete nichtmetallische Werkstoffe, die den Drücken und Temperaturen standhalten konnten, die normalerweise in den Bohrlöchern, wo das Werkzeug eingesetzt werden muss, angetroffen werden, unbekannt oder nicht verfügbar waren. Weiter weiß der Fachmann, dass bei einem Bohrlochwerkzeug mit einer Packerelementgruppe 29, die, wie aus dem Aufriss in Fig. 4 hervorgeht, um die Spindel angeordnet ist, ein metallischer Packerelement-Sicherungsschuh 25 ohne Stützring unter gewissen Umständen für die zusätzliche Sicherheit des Schuhs eingesetzt werden kann. Ein einzelner metallischer Schuh, wie beispielsweise Schuh 25 des Stands der Technik in Fig. 4, kann jedoch beim Ausfräsen oder -bohren des Werkzeugs infolge der Widerstandsfähigkeit des metallischen Werkstoffes des Einzelschuhs aus metallischem Material nach dem Stand der Technik Schwierigkeiten verursachen, insbesondere wenn nicht-herkömmliche Fräs- oder Bohrmethoden angewendet werden.
Jetzt wird auf die Fig. 5 Bezug genommen. Ein abgerissener Querschnitt des Werkzeuges mit einer Spindel 49, über der eine Packerelementgruppe 29 positioniert wurde, zeigt einen Packerschuh 50, der diese Erfindung repräsentiert. Der verbesserte Packerschuh 50 besteht vorzugsweise aus einem Phenolstoff, der von General Plastics, 5727 Ledbetter, Houston, Texas, 77087-4095 angeboten wird. Zu weiteren geeigneten Werkstoffen zählt ein richtungsspezifisches Laminat, das ebenfalls von General Plastics unter der Bezeichnung GP3581 angeboten wird sowie strukturelles Phenol, das von Handelsfirmen, wie beispielsweise Fiberite, 501 West 3rd Street, Winona, MN 55987 angeboten wird. Zu besonders geeigneten Phenolstoffen, die von Fiberite angeboten werden, die jedoch in keiner Weise andere ausschließen, zählen Stoffe mit der Markenbezeichnung FM 4056 J und FM 4005.
Fig. 6A veranschaulicht den Schuh 50, der sich aus insgesamt 8 Schuhsegmenten zusammensetzt, um eine ringförmige oder umzingelnde Struktur von 360º zu bilden, die eine optimale Endabstützung für ein Packerelement bietet, das in axialer Richtung gehalten werden soll. Je nach dem Nenndurchmesser der Spindel, der Packerelemente sowie des Bohrlochs oder der Verrohrung, in der das Werkzeug eingesetzt werden soll, kann eine kleinere oder größere Anzahl von Schuhsegmenten eingesetzt werden.
Das Schuhhalteband 52, das übertrieben ausgedehnt und entfernt von der externen Außenfläche 64 des Schuhs dargestellt wird, besteht vorzugsweise aus einem nichtmetallischen Material, wie beispielsweise Verbundstoffen, wie sie von General Plastics, 5727 Ledbetter, Houston, Texas, 77087-4095 angeboten werden. Alternativ können die Schuhhaltebänder 52 gleichfalls aus metallischem Stoff, wie z. B. Stahl nach ANSI 1018 oder anderen Werkstoffen hergestellt werden, die eine ausreichende Stärke zum Stützen und Halten der Schuhe vor dem eigentlichen Setzen eines Werkzeuges, das solche Bänder benutzt, aufweisen. Die Haltebänder 50 können weiterhin elastische oder nichtelastische Merkmale aufweisen, je nachdem, zu welchem Ausmaße die Schuhsegmente sich axial bewegen dürfen, bevor und während das ihnen zugehörige Werkzeug in das Bohrloch gesetzt wird.
Der in Fig. 6B dargestellte Schuh weist zwei Haltebänder 52 sowie die diese Bänder aufnehmenden Rillen 54 auf. Die Rillen 54 befinden sich jeweils in der Nähe der Oberfläche 60 sowie dem obersten Bereich, wo sich die externe Außenfläche 64 und die gekrümmte Fläche 56 überschneiden oder wo der Abstand zwischen beiden am geringsten ist. Wie schon erörtert, kann ein einzelnes Band 52 von angemessener Größe und aus einem bestimmten Material benutzt werden. Alternativ können mehrere Bänder von angemessener Größe und aus passendem Material hergestellt und anstelle des bevorzugten Paars von Haltebändern 52 eingesetzt werden.
Es wurden Tests unter Verwendung eines Bohrloch-Packerwerkzeuges ähnlich dem beispielhaften Bridge-Plug in Fig. 1 durchgeführt, der mit dem bevorzugten Packerschuh 50 ausgerüstet war, wobei die Schuhsegmente 51 entsprechend der o. g. Beschreibung und den Darstellungen der Zeichnungen Fig. 5-6 konstruiert waren. Die Testsegmente bestanden aus Phenolwerkstoff, der von General Plastics (siehe oben) bezogen wurde.
Das Testwerkzeug wurde in einer Testkammer installiert und gesetzt. Das Werkzeug und die dazu gehörigen Packerelemente wurden dann einem maximalen Druck von 562 km/cm² und einer Höchsttemperatur von 120ºC ausgesetzt. Nach einer Untersuchung der betroffenen Schuhsegmente im Anschluss an den Test wurde festgestellt, dass sich die Segmente nach außen gebauscht hauen und letztendlich von der Bohrlochbohrung eingespannt wurden. Die betroffenen Schuhsegmente spannten und stützten die jeweiligen Enden der zugehörigen Packerelemente mit Erfolg. So lässt sich ganz und gar erwarten, dass Drücke bis zu 700 kg/cm² und Temperaturen bis zu 205ºC unter Einsatz der Schuhe laut dieser Erfindung zu bewältigen sind. Die hier betroffenen Testschuhe wurden zunächst durch zwei Haltebänder laut Beschreibung in dieser Schrift gehalten, die aus einem Verbundstoff bestanden, der von General Plastics (siehe oben) bezogen wurde. Im Anschluss an den Test wurden die Enden der zugehörigen Packerelemente untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass sie sich in einem zufriedenstellenden Zustand befanden, wobei sie lediglich die zu erwartende nicht-katastrophale Verformung der Packerelementgruppe aufwiesen.
Jetzt wird weiter auf die Zeichnungen Fig. 2-4 Bezug genommen. Obwohl akzeptiert wird, dass Schlupfsegmente 18 und Schlupfkeile 20 den Stand der Technik darstellen, wird bevorzugt, dass die betroffenen Schlupfsegmente und -keile laut der nachstehenden Erörterung hergestellt werden, um den ganzen Nutzen aus den Merkmalen und Vorteilen eines Bohrlochwerkzeugs zu ziehen, das größtenteils aus den hier erwähnten nichtmetallischen Werkstoffen besteht.
Zur praktischen Anwendung dieser Erfindung ist es jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass die spezifische Bauweise der Schlupfsegmente und -keile, die in den Fig. 2-4 erscheint, benutzt wird, da die offenbarten Packerelementschuhe mit Bohrlochwerkzeugen jeder Art eingesetzt werden können, die mindestens ein Packerelement verwenden. Dabei ist es egal, ob das Werkzeug größtenteils aus nichtmetallischen Bauteilen oder einer Kombination von metallischen und nichtmetallischen Bauteilen besteht.
Vorzugsweise weist das Schlupfsegment 18, das in Fig. 2A in einer Frontansicht erscheint, eine externe Außenfläche 19 auf, in die mindestens ein Einsatz oder mehrere Einsätze entweder eingegossen oder sonst wie in die Oberfläche 19 eingebettet ist oder sind. Die Einsätze bestehen aus Zirkonkeramik und wurden als besonders nützlich für eine Vielzahl von Anwendungen erkannt. Das Schlupfsegment 18 besteht vorzugsweise aus einem Verbundstoff, der von General Plastics (siehe oben) bezogen wurde sowie anderen Werkstoffen, die in den erwähnten Patenten der Antragstellerin angegeben werden.
Fig. 2B ist ein Querschnitt entlang Linie 2B des Schlupfsegments 18 in Fig. 2A. Das Schlupfsegment 18 weist zwei gegenüberliegende Endbereiche 21 und 23 auf sowie eine gekrümmte innere Spindelfläche 40, deren Topologie der externen Außenfläche der Spindel 4 angepasst ist. Vorzugsweise ist die Endoberfläche 23, die in Fig. 2B mit B gekennzeichnet ist um 5º gewinkelt, um die Bewegung des Schlupfteils nach außen während des Setzens des Werkzeuges zu ermöglichen. Die Schlupfsegment-Lagerfläche 38 ist flach oder eben und wurde so konstruiert, das ihre Topologie einer passenden Oberfläche auf dem Schlupfkeil 20 entspricht. Eine solche passende Lagerfläche des Schlupfkeils 20 wird mit Ziffer 42 gekennzeichnet und lässt sich aus Fig. 3A erkennen. Eine Draufsicht des Schlupfsegments 18 mit einer flachen, jedoch vorzugsweise gewinkelten Oberfläche 23 geht aus Fig. 2C hervor. Die Lage und radiale Position der Seiten 25 bildet einen Winkel α, der ausgewählt wird, um eine optimale Anzahl von Segmenten für eine Spindel mit gegebenem Außendurchmesser und einem Verrohrungs- oder Bohrlochdurchmesser gegebener Größe zu erzielen. Der Winkel α beträgt vorzugsweise 60º. Ein Winkel α zwischen 45º und 60º ist jedoch brauchbar.
Mit weiterem Bezug auf Fig. 2B werden die Seiten des Schlupfsegments 18 mit Ziffer 25 gekennzeichnet. Es wird vorgezogen, dass sechs bis acht Segmente die Spindel 4 umgeben und vor dem eigentlichen Setzen des Werkzeugs von mindestens einem und vorzugsweise von zwei Schlupfteil-Befestigungsbändern 16, die in die um den Umfang verlaufenden Rillen 36 passen, befestigt werden. Die Schlupfteil-Befestigungsbänder 16 bestehen aus einem Verbundstoff, der von General Plastics (siehe oben) angeboten wird oder aus einem anderen Material, wie z. B. Stahldraht nach ANSI 1018, den verschiedene Handelsquellen anbieten.
Mit Bezug auf Fig. 3A wird dort eine Draufsicht des bevorzugten Schlupfkeils 20 mit flachen oder ebenen Oberflächen 42 dargestellt, die eine gegenüberstehende Gleitlagerfläche zur flachen Lagerfläche 38 der jeweiligen positionierten Schlupfsegmente 18 bilden. Das Verhältnis solcher Oberflächen 38 und 42, wie es dem ersten Zusammenbau entspricht, lässt sich am besten aus den Fig. 2B, 3C und 1 erkennen. Wie aus Fig. 3C deutlich wird, wobei es sich um einen Aufriss entlang der Linie 3C in Fig. 3A handelt, wird bevorzugt, dass die Schlupfkeiloberfläche 42 als Führung oder Schranke 44 ausgeführt wird, die einen Anschlag um den Umfang für die Schlupfsegmente 18 bildet, wenn sich die Segmente axial entlang des Schlupfkeils 20 und sich so im Verlauf des Setzens des Packerwerkzeugs radial nach außen in Richtung der Verrohrung oder des Bohrlochinnenraums bewegen. Vorzugsweise beträgt der Winkel β in Fig. 3B ca. 18º. Je nach dem Reibungswiderstand zwischen den zusammenwirkenden Oberflächen 38 und 42 sowie den Kräften, die beim Setzen in ein Bohrloch auf die Schlupfteile und -keile einwirken, können andere Winkel zwischen 15º und 20º jedoch ebenfalls eingesetzt werden. Die interne Bohrung 46 wird so abgemessen und konfiguriert, dass ein Positionieren und Bewegen entlang der Außenseite der Spindel 4 möglich ist.
Die Praxis hat erwiesen, dass Stoffe, wie die von General Plastics angebotenen Verbundstoffe, sich besonders zur Herstellung eines Schlupfkeils 20 eignen, um die gewünschten Resultate der Vermittlung einer leicht bohrfähigen Schlupfgruppe bei der gleichzeitigen Fähigkeit, Temperaturen und Drücken bis zu 700 kg/cm² und 220ºC standhalten zu können, herbeizuführen. Weitere geeignete Werkstoffe umfassen die in dieser Schrift erwähnten sowie die in den hier erwähnten Patenten der Antragstellerin.
Ein bedeutender Vorteil des Einsatzes solcher aufeinander einwirkender flacher oder ebener Lagerflächen in Schlupfsegmenten 18 und Schlupfkeilen 20 liegt darin, dass, während die Schlupfteile und -keile gegeneinander gleiten, die Kontaktfläche maximiert oder optimiert wird, während die Schlupfsegmente axial über den Schlupfkeil laufen. Dadurch minimiert sich die von der Last induzierte Belastung der Kontaktfläche am Interface zwischen dem Schlupfteil und dem -keil. Das heißt, dass, wenn der Schlupfteil über den -keil läuft, sich eine zunehmend große Kontaktfläche bildet, die übertragene Lasten absorbieren kann. Dieses Merkmal reduziert oder eliminiert die Möglichkeit, dass sich die Schlupfteile und -keile gegeneinander festfressen, bevor die Schlupfteile letztendlich an der Verrohrung oder der Innenseite des Bohrlochs zum Sitzen kommen. Diese Anordnung unterscheidet sich grundlegend von Schlupfteilen und Schlupfkegeln mit kegelförmigen Oberflächen, denn beim Einsatz konischer Lagerflächen wird die Kontaktfläche lediglich an einer spezifischen Schlupfteil:Schlupfkegelposition maximiert.
Der praktische Einsatz der Bohrlochwerkzeuge, die diese Erfindung beinhaltet, einschließlich des dargestellten beispielhaften und hier beschriebenen Werkzeugs ist herkömmlicher Natur und somit dem Fachmann einschlägig bekannt, was aus den Unterlagen hervorgeht, auf die hier Bezug genommen wird.
Obwohl diese Erfindung hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, weiß der Fachmann, dass verschiedene Änderungen in Form und Details an dieser Erfindung vorgenommen werden können.

Claims

1. Ein Bohrlochwerkzeug für den Einsatz in einem Bohrloch, bestehend aus den folgenden Bestandteilen:

a) einer Spindel (49) mit einer axialen Mittellinie,

b) einem Schlupfmittel auf der Spindel zum Eingreifen in das Bohrloch in gesetzter Form,

c) mindestens einem Packerelement (29), das axial um die Spindel gehalten wird und sich an einer festgelegten Stelle an der Spindel befindet, wodurch eine Packergruppe erzeugt wird und

d) mindestens einem Packerelement-Befestigungsschuh (50) aus einem nichtmetallischen Werkstoff, der dem axialen Festhalten des Packerelements um die Spindel dient, wobei der Schuh aus mehreren Schuhsegmenten (51) sowie einem Mittel (52) zum Halten der Segmente in einer ersten Position um die Spindel besteht.

2. Ein Gerät nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Teil des Befestigungsschuhs (50) aus einem Phenolwerkstoff besteht.

3. Ein Gerät nach Anspruch 3, bei dem mindestens eines der Schuhsegmente (51) aus einem Phenolwerkstoff besteht.

4. Ein Gerät nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem mindestens eines der Schuhsegmente (51) aus einem nichtmetallischen Verbundschichtstoff besteht.

5. Ein Gerät nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Schuhbefestigungsmittel mindestens ein Halteband (52) aus einem nichtmetallischen Verbundwerkstoff aufweist.

6. Ein Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens eines der Schuhsegmente eine externe Oberfläche mit mindestens einer Rille (54) aufweist, die zur Aufnahme mindestens eines Haltebandes dient.

7. Ein Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Spindel und mindestens ein Teil des Schlupfmittels aus einem nichtmetallischen Material besteht.

8. Ein Gerät nach Anspruch 7, bei dem die Spindel aus einem nichtmetallischen Verbundstoff und das Schlupfmittel wenigstens teilweise aus einem nichtmetallischen Verbundstoff besteht.

9. Ein Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Schlupfmittel aus mehreren Schlupfsegmenten und einem zugehörigen Schlupfkeil besteht, der sich in der Nähe eines Endbereichs der Packerelementgruppe befindet, wobei jedes der Schlupfsegmente eine flache Lagerfläche und einen zugehörigen Schlupfkeil mit abgestimmter flacher Lagerfläche für die jeweilige flache Lagerfläche aller Schlupfteile aufweist.

10. Ein Gerät nach Anspruch 9, bei dem die flachen Lagerflächen der Schlupfsegmente und des Schlupfkeils in einem Winkel von 15º bis 20º und vorzugsweise ca. 18º mit Bezug auf die axiale Mittellinie der Spindel geneigt sind.