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Zirkulationsstück
DE69634399T2
Germany
- Other languages
English - Inventor
Andrew Mcdonald - Current Assignee
- National Oilwell Varco UK Ltd
Worldwide applications
Application DE1996634399 events
1995-09-01
1996-07-03
2005-04-07
2005-12-29
Application granted
2005-12-29
2016-09-03
Anticipated expiration
Status
Expired - Lifetime
Description
translated from
-
[0001] Diese Erfindung bezieht sich auf einen Zirkulationsübergang und insbesondere auf einen Mehröffnungs-Zirkulationsübergang zur Verwendung bei Energieerkundung, Fräs- und Bohrarbeiten. -
[0002] Herkömmliche Öl- und Gasbohrtechniken nutzen Bohrmeißel, die auf individuellen Längen (üblicherweise 30 Fuß) Bohrgestänge befördert und von der Oberfläche des Bohranlagenbodens gedreht werden, um die zum Bohren von Bohrlöchern notwendige Drehschneideaktion zu erzeugen. Alternativ dazu kann die Drehschneideaktion durch die Verwendung eines Verdrängermotors (PDM = Positive Displacement Motor), der sich über dem Bohrmeißel befindet und entweder über Wickelrohr, das in einer ununterbrochenen Länge bereitgestellt ist, oder durch herkömmlicheres Bohrgestänge mit der Oberfläche verbunden ist. Der PDM erzeugt die Drehaktion, wenn von der Oberfläche Bohrspülung dadurch gepumpt wird. Der Hauptvorteil der Verwendung von Wickelrohr in Verbindung mit einem PDM ist eine Abnahme der Einbauzeit des Geräts in das Bohrloch. -
[0003] Durch die Schneideaktion werden Trümmer oder Bohrklein erzeugt, die/das durch die Bohrspülung zum oberen Ende des Bohrlochs transportiert werden/wird. Um das Bohrloch wirksam zu reinigen, muss die Bohrspülung in einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit gepumpt werden, um das Bohrklein zur Oberfläche zu heben. Es können jedoch nur relativ geringe Volumen an Bohrspülung ohne einen starken Druckabfall an der Oberfläche durch die ganze untere Bohrgarnitur (BHA = Bottom Hole Assembly) gepumpt werden. -
[0004] Dieses Problem kann verringert werden, indem Stickstoff zur Reinigung des Bohrlochs verwendet wird, was ein erhöhtes Lochreinigungsvermögen ergibt. -
[0005] Die Verwendung von Stickstoff verursacht jedoch ein zweites Problem, da Stickstoff nur für sehr kurze Zeitspannen durch einen PDM-Motor gepumpt werden kann, ohne den PDM-Motor zu beschädigen. Der Nutzen der Verwendung von Stickstoff zur Reinigung des Bohrlochs mit der bestehenden Technologie ist also beschränkt. -
[0006] Traditionsgemäß wird das erste Problem überwunden, indem in Verbindung mit dem Motor und der Bohr-/Fräsanordnung ein zusätzliches Werkzeug verwendet wird, das als ein Fallkugel-Zirkulationsübergang bekannt ist. Dieses Werkzeug wird über dem Motor laufen gelassen und wird betrieben, indem eine Kugel von der Oberfläche das Bohrgestänge oder Wickelrohr hinab fallen gelassen wird. Die Kugel sitzt auf einem Kolben innerhalb des Werkzeugs, und auf das obere Ende des Kolbens und der Kugel wird Druck angewendet. Der Druck wird erhöht, bis sich Scherstifte, die sich innerhalb des Hauptkörperkolbens befinden, innerhalb des Hauptkörpers axial nach unten bewegen, wodurch sie in dem Hauptkörper Zirkulationslöcher freilegen, die quer zur Mittellinie des Fallkugel-Zirkulationsübergangs gebohrt sind. Diese Löcher ermöglichen es, eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit durch das Bohrgestänge oder Wickelrohr zu pumpen, was ein wirksameres Lochreinigungsvermögen ergibt. -
[0007] Dieses Werkzeug weist jedoch den Nachteil auf, dass keine weiteren Fräs- oder Bohrarbeiten stattfinden können, nachdem die Kugel in den Zirkulationsübergang fallen gelassen worden ist, da der Fluidweg zum PDM durch die Kugel blockiert worden ist. Werden weitere Fräs- oder Bohrarbeiten erfordert, so muss das Werkzeug aus dem Bohrloch entfernt werden, damit die Kugel entfernt werden kann. Zudem kann die von der Kugel zum Herunterfallen im Bohrgestänge oder Wickelrohr benötigte Zeit beträchtlich sein. -
[0008] Das zweite Problem des Pumpens von Stickstoff wird durch die Verwendung eines Fallkugel-Zirkulationsübergangs zum Teil, aber nicht gänzlich gelöst, da die Fallkugel keine vollständige Dichtung auf dem Kolben bewirkt, was es ermöglicht, dass Stickstoff durch den Motor fließt. -
[0009] US 4,632,187 offenbart ein Sicherheits- und Totpumpventil (safety and kill valve) für das Bohrloch, das entweder über Ringraum-/Formationsdruck oder über Steuerleitungen betrieben wird. -
[0010] US 4,298,077 offenbart ein Zirkulationsventil für einen Motor im Loch undGB 2,054,008A -
[0011] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zirkulationsübergangsapparat bereitgestellt, der eine Durchgangsbohrung aufweist, um die Zirkulation von Fluid aus dem Inneren der Durchgangsbohrung in einen Bohrlochringraum hinaus zu erlauben, wobei der Apparat Folgendes beinhaltet: ein röhrenförmiges äußeres Körperteil und ein röhrenförmiges inneres Körperteil, wobei sowohl das äußere Körperteil als auch das innere Körperteil ein Loch oder mehrere Löcher aufweisen und die Löcher im Wesentlichen quer zur Längsachse des äußeren Körperteils und des inneren Körperteils stehen, sowie einen Verdrängungsmechanismus zum Erzeugen einer relativen Bewegung zwischen dem äußeren Körperteil und dem inneren Körperteil, so dass das innere Körperteil und das äußere Körperteil wiederholt zwischen einer ausgerichteten Position, in der ein Loch oder mehrere Löcher auf dem inneren Körperteil auf das Loch oder die mehreren Löcher auf dem äußeren Körperteil ausgerichtet ist/sind, so dass es einem innerhalb der Durchgangsbohrung enthaltenen Fluid erlaubt ist, aus der Durchgangsbohrung durch die Löcher und in den Bohrlochringraum hinaus zu fließen, und einer abgedichteten Position, in der das eine Loch oder die mehreren Löcher auf dem inneren Körperteil durch das äußere Körperteil abgedichtet sind, so dass ein innerhalb der Durchgangsbohrung enthaltenes Fluid davon abgehalten wird, durch die Löcher zu fließen, bewegt werden können, wobei der Apparat ferner eine Dichtungsvorrichtung beinhaltet, welche die Durchgangsbohrung unterhalb der Löcher abdichtet, wenn sich das innere und äußere Körperteil in der ausgerichteten Position befinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungsmechanismus durch das Variieren der Fluidströmungsgeschwindigkeit von der Oberfläche durch die Durchgangsbohrung betrieben wird. -
[0012] Vorzugsweise kann Fluid aus der inneren Bohrung des äußeren Körperteils zur inneren Bohrung des inneren Körperteils und aus dem unteren Ende des inneren Körperteils hinaus passieren, wenn das äußere Körperteil und das innere Körperteil relativ zu einander in der abgedichteten Position positioniert sind. -
[0013] Wenn das äußere Körperteil und das innere Körperteil relativ zu einander in der ausgerichteten Position positioniert sind, ermöglicht ein gebildeter Umgehungsdurchlass es dem Fluid bei Gebrauch vorzugsweise, von der internen Bohrung des Zirkulationsübergangsapparats zum Ringraum zwischen dem Außendurchmesser des Werkzeugs und dem Innendurchmesser des Bohrlochs zu fließen. -
[0014] Vorzugsweise wird der Verdrängungsmechanismus durch Fluiddruck gesteuert. Der Verdrängungsmechanismus beinhaltet vorzugsweise eine Kolbenanordnung und eine Drosseldüse im Fluidweg. -
[0015] Alternativ dazu umfasst der Verdrängungsmechanismus typischerweise eine Rückhaltevorrichtung. -
[0016] Die Drosseldüse befindet sich vorzugsweise auf dem obersten Abschnitt des inneren Körperteils, so dass Fluid, das durch die innere Bohrung des Zirkulationsübergangsapparats passiert, durch die Drosseldüse passiert. -
[0017] Die Kolbenanordnung ist typischerweise an das innere Körperteil gekoppelt. -
[0018] Typischerweise versetzt ein Anstieg des Fluiddrucks das innere Körperteil in eine Abwärtsrichtung. -
[0019] Typischerweise beinhaltet die Rückhaltevorrichtung montiert auf dem inneren und dem äußeren Körperteil je mindestens ein Rückhalteteil, wobei das/die auf dem inneren Körperteil montierte(n) Körperteil(e) selektiv mit dem/den auf dem äußeren Körperteil montierten entsprechenden Rückhalteteil(en) zusammenarbeiten kann/können. -
[0020] Vorzugsweise gibt es montiert auf dem inneren und äußeren Körperteil je zwei Rückhalteteile. -
[0021] Vorzugsweise sind die zwei auf einem der Körperteile montierten Rückhalteteile mit größerem Abstand voneinander angeordnet als die zwei auf dem anderen der Körperteile montierten Rückhalteteile. Besser noch sind die zwei auf dem inneren Körperteil montierten Rückhalteteile mit größerem Abstand voneinander angeordnet als die zwei auf dem äußeren Körperteil montierten Rückhalteteile. -
[0022] Die zwei auf dem inneren Körperteil montierten Rückhalteteile sind typischerweise auf der Kolbenanordnung montiert. -
[0023] Typischerweise bewegt eine Längsbewegung des inneren Körperteils in Hinsicht auf das äußere Körperteil eines der auf dem inneren Körperteil montierten Rückhalteteile in den Kontakt mit dem auf dem äußeren Körperteil montierten entsprechenden Rückhalteteil. -
[0024] Vorzugsweise sind eines der auf dem inneren Körperteil montierten Rückhalteteile und das entsprechende auf dem äußeren Körperteil montierte Rückhalteteil angepasst, um das innere Körperteil in Hinsicht auf das äußere Körperteil im Anschluss an eine fortgesetzte Längsbewegung des inneren Körperteils in Hinsicht auf das äußere Körperteil zu drehen. -
[0025] Nach einer vorbestimmten Längsbewegung des inneren Körperteils sind die auf dem inneren und äußeren Körperteil im Kontakt stehenden Rückhalteteile vorzugsweise angepasst, um das innere Körperteil in einer ersten Position von weiterer Drehung zurückzuhalten. -
[0026] Eine Längsbewegung in der entgegengesetzten Richtung bewegt vorzugsweise das andere der auf dem inneren Körperteil montierten Rückhalteteile in den Kontakt mit dem entsprechenden auf dem äußeren Körperteil montierten Rückhalteteil. -
[0027] Typischerweise sind das andere der auf dem inneren Körperteil montierten Rückhalteteile und das entsprechende auf dem äußeren Körperteil montierte Rückhalteteil angepasst, um das innere Körperteil in Hinsicht auf das äußere Körperteil im Anschluss an eine fortgesetzte Längsbewegung des inneren Körperteils in die entgegengesetzte Richtung in Hinsicht auf das äußere Körperteil zu drehen. -
[0028] Nach Längsbewegung in die entgegengesetzte Richtung zur Richtung der Längsbewegung, mit der die erste Rückhalteposition erreicht wurde, wird typischerweise eine zweite Rückhalteposition erreicht. -
[0029] Die Drehrichtung des inneren Körperteils in Hinsicht auf das äußere Körperteil, mit der die erste Rückhalteposition erreicht wird, ist typischerweise die gleiche Drehrichtung, mit der die zweite Rückhalteposition erreicht wird. -
[0030] Vorzugsweise ist die erste Position die ausgerichtete Position und die zweite Position die abgedichtete Position. -
[0031] Alternativ dazu ist die erste Position die abgedichtete Position und die zweite Position die ausgerichtete Position. -
[0032] Wenn sich der Zirkulationsübergang in der ausgerichteten Position befindet, verhindert die Dichtungsvorrichtung vorzugsweise die Fluidströmung durch das untere Ende des Zirkulationsübergangs, und noch besser verhindert sie die Fluidströmung durch das untere Ende des inneren Körperteils. -
[0033] Wenn sich der Zirkulationsübergang in der ausgerichteten Position befindet, dichtet die Dichtungsvorrichtung typischerweise das untere Ende des inneren Körperteils ab. -
[0034] Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass Stickstoffgas durch den Zirkulationsübergang und durch die Zirkulationslöcher gepumpt werden kann, wenn sich der Zirkulationsübergang in der ausgerichteten Position befindet, um das Bohrloch ohne eine Beschädigung irgendwelcher unterhalb des Zirkulationsübergangs befindlicher Werkzeuge zu reinigen. -
[0035] Vorzugsweise ist der Zirkulationsübergang in einem Bohrstrang eingeschlossen, der auch einen mit Fluid betriebenen Motor wie etwa einen Verdrängungsmotor und/oder einen Räumer umfasst. -
[0036] Das Fluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein und ist vorzugsweise eine Bohrspülung. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Fluid Stickstoffgas sein. -
[0037] Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei: -
[0038] 1 eine geteilte Schnittansicht eines nicht erfindungsgemäßen Zirkulationsübergangs in einer ersten Einbau-Aufmachung, die sich in einer normalen Position befindet, ist; -
[0039] 2 eine geteilte Schnittansicht des Zirkulationsübergangs aus1 in einer zweiten Einbau-Aufmachung ist; -
[0040] 3 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des Zirkulationsübergangs aus1 während eines Fräs-/Bohrbetriebs ist; -
[0041] 4 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des unteren Abschnitts des Zirkulationsübergangs aus1 während der Einleitung eines Zirkulationsbetriebs ist; -
[0042] 5 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des mittleren Abschnitts des Zirkulationsübergangs aus1 während der Einleitung eines Zirkulationsbetriebs ist; -
[0043] 6 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des Zirkulationsübergangs aus1 während eines Zirkulationsbetriebs ist; -
[0044] 7 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des Zirkulationsübergangs aus1 während des Einleitens eines Fräs-/Bohrbetriebs ist; -
[0045] 8 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des Zirkulationsübergangs aus1 während eines Fräs-/Bohrbetriebs ist; -
[0046] 9 eine geteilte Schnittansicht eines ersten Beispiels eines erfindungsgemäßen Zirkulationsübergangs während eines Fräs-/Bohrbetriebs ist; -
[0047] 10(a) und(b) schematische Zeichnungen der Lagebeziehung zwischen Rückhaltevorrichtungen sind, die auf dem Zirkulationsübergang aus9 montiert sind; -
[0048] 11(a) und(b) die Rückhaltevorrichtungen aus10(a) und(b) während eines Fräs-/Bohrbetriebs zeigen; -
[0049] 12(a) und(b) die Rückhaltevorrichtungen aus10(a) und(b) während des Einleitens eines Zirkulationsbetriebs zeigen; -
[0050] 13(a) und(b) die Rückhaltevorrichtungen aus10(a) und(b) während eines Zirkulationsbetriebs zeigen; -
[0051] 14 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des unteren Abschnitts des Zirkulationsübergangs aus9 während eines Fräs-/Bohrbetriebs ist; und -
[0052] 15 eine detaillierte geteilte Schnittansicht des unteren Abschnitts des Zirkulationsübergangs aus9 während eines Zirkulationsbetriebs ist. -
[0053] 1 zeigt einen Mehröffnungs-Zirkulationsübergang100 , der nicht erfindungsgemäß ist und aus einem äußeren Hauptkörper1 , einem unteren Übergang2 , welcher aus dem äußeren Hauptkörper1 hinaus und in ihn hinein gehen kann, einem hydraulischen Arretiersystem25 und einer internen Kolbenanordnung4 , die nachfolgend detailliert erläutert wird, besteht. -
[0054] Bei gewissen Betriebsabläufen ist es erforderlich, dass der Mehröffnungs-Zirkulationsübergang100 in einer geschlossenen Position, wie der in1 gezeigten, in das Bohrloch eingelassen wird. Bohrspülung fließt von einem Wickelrohr durch einen inneren Durchlass110 des Mehröffnungs-Zirkulationsübergangs100 und nachfolgend weiter zu einem Gerät, das sich unterhalb des Zirkulationsübergangs100 befindet, wie etwa einem PDM. -
[0055] Während des Einbauens der BHA in das Loch ist es vorteilhaft und in der Mehrheit der Fälle ratsam, die Bohrspülung durch das Wickelrohr (nicht gezeigt) zirkulieren zu lassen, obwohl es jedoch nicht vorteilhaft ist, länger als nötig Fluid durch den PDM zu pumpen. Traditionelle Zirkulationsübergänge leiden unter dem Nachteil, dass Fluid durch die ganze BHA, einschließlich des PDM, passieren muss, bis eine Kugel fallen gelassen wird, um den Kolben zu betätigen und die Zirkulationslöcher freizulegen. -
[0056] Wie in2 gezeigt, wird durch das Einsetzen von Scherstiften (nicht gezeigt) durch Gewindelöcher14 bis zu ihrem Ruhen in Aussparungen13 der Mehröffnungs-Zirkulationsübergang100 in einer offenen Position festgesteckt, da Zirkulationslöcher16 , welche sich auf dem äußeren Hauptkörper1 befinden, auf Umgehungskanäle8 , welche sich auf der internen Kolbenanordnung4 befinden, ausgerichtet sind. Wenn Bohrspülung durch das Wickelrohr gepumpt wird, fließt sie somit den inneren Durchlass110 des Mehröffnungs-Zirkulationsübergangs100 hinab und über die Umgehungskanäle8 aus den Zirkulationslöchern16 . -
[0057] Diese Fluidströmungsaufmachung umgeht den PDM, während die BHA in das Bohrloch eingelassen wird. -
[0058] Sobald die richtige Frästiefe erreicht worden ist, werden die Scherstifte durch das Absetzen ausreichenden Gewichts auf der BHA abgeschert, was es dem Kolben4 ermöglicht, in seine natürliche Position zurückzukehren, wobei die Bewegung des Kolbens4 durch eine Feder23 bereitgestellt wird, die den Kolben4 in seine am weitesten gelegene Verschiebeposition zwingt, wie in3 gezeigt. -
[0059] Fluid fließt nun den inneren Durchlass110 hinab und auf den PDM, der dann anfängt, sich zu drehen. Dichtungen7 ,9 halten Fluid davon ab, durch den Umgehungskanal8 aus dem inneren Durchlass110 auszulaufen. -
[0060] Der Zirkulationsbetrieb kann zu jeder Zeit, während der der Mehröffnungs-Zirkulationsübergang100 im Bohrloch ist, eingeleitet werden, indem die folgende Prozedur befolgt wird. -
[0061] Die Bohrgarnitur und die BHA werden von der Sohle des Bohrlochs gehoben, und die Bohrspülungszufuhrrate wird auf ungefähr 90 bis 100% des verfügbaren Höchstwerts erhöht.4 zeigt, dass der untere Übergang2 an eine Antriebswelle11 gekoppelt ist, wobei die Antriebswelle11 gleitfähig an den äußeren Hauptkörper1 gekoppelt ist.4 zeigt, dass das Heben der Bohrgarnitur von der Sohle des Bohrlochs es dem unteren Übergang2 ermöglicht, aus dem Inneren des äußeren Hauptkörpers1 des Mehröffnungs-Zirkulationsübergangs100 zu gehen. Diese Hebeaktion ist notwendig, wenn zum Beispiel gerade zuvor ein Fräs- oder Bohrbetrieb stattgefunden hatte. -
[0062] 5 zeigt, dass durch eine Drosselungsdüse20 und von der unteren Bohrgarnitur ein Gegendruck von Bohrspülung erzeugt wird, wenn die Pumprate der Bohrspülung erhöht wird. Dieser Gegendruck zwingt den Kolben4 , sich innerhalb des äußeren Hauptkörpers1 abwärts zu bewegen. Der Kolben4 wird nicht nur von der Feder23 von einer Abwärtsbewegung zurückgehalten, sondern auch durch ein hydraulisches Arretiersystem25 . Das hydraulische Arretiersystem25 beinhaltet eine hydraulische Fluidkammer3 , die mit einem viskosen Fluid gefüllt ist, den Kolben4 und eine Einweg-Strömungsdrosselung5 . Das hydraulische Arretiersystem25 schränkt die Abwärtsbewegung des Kolbens durch die Aktion des viskosen Fluids, das durch die Einweg-Strömungsdrosselung5 passiert, ein. Wie in5 zu sehen ist, fließt das viskose Fluid von einer Seite der Einweg-Strömungsdrosselung5 durch eine Drosselungsmündung zur anderen Seite der Strömungsdrosselung5 , wodurch der Kolben4 langsam verschoben wird. -
[0063] 2 , und6 im Detail, zeigen, dass die Zirkulationslöcher16 auf die Umgehungskanäle8 ausgerichtet sind, wenn der Kolben4 seinen vollen Hub ausgeführt hat, und die Bohrspülung somit dahindurch fließen kann. Wenn ein Ausgangsweg in den Bohrlochringraum der Bohrspülung oberhalb des PDM und der Unterschneideranordnung bereitgestellt ist, können ferner erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten erzielt werden, wodurch die Bohrlochreinigungseffizienz erhöht wird, ohne den Kopfdruck zu erhöhen. -
[0064] Wenn der Zirkulationszyklus vollständig ist, können die Zirkulationslöcher16 von den Umgehungskanälen8 weg ausgerichtet werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit der Bohrspülung auf 50% oder weniger des Höchstwerts reduziert wird. Diese Aktion senkt den Gegendruck, der durch die Drosselungsdüse20 verursacht wird, wodurch die Belastung des Kolbens4 aufgehoben wird, was es der Feder23 ermöglicht, den Kolben4 in seine normale Position zurückzuführen. Die Einweg- Strömungsdrosselung5 inkorporiert ein Einweg-Rückschlagventil, das sich parallel zur Drosselungsmündung befindet, wobei das Rückschlagventil Fluid beim Auwärtshub des Kolbens4 vom Passieren abhält, aber beim zurückkehrenden Aufwärtshub eine Fluidumgehung ermöglicht. Somit eliminiert das Rückschlagventil eine Wartezeit, während der Kolben4 im Anschluss an einen Zirkulationsbetrieb zurückkehrt. Der Fluidweg durch die Zirkulationslöcher16 über die Umgehungskanäle8 wird unterbrochen, und Fluid fließt nun den inneren Durchlass110 hinab und weiter zum PDM und/oder zu der Unterschneideranordnung darunter. Dieser Fluidströmungsweg ist in1 zu sehen. -
[0065] Zu jeder Zeit, während der der Mehröffnungs-Zirkulationsübergang100 im Bohrloch ist, können die Zirkulationslöcher16 auf die Umgehungskanäle8 ausgerichtet werden, so dass Bohrspülung dahindurch zirkulieren kann. Es ist jedoch üblich, dass ein Zirkulationszyklus auf eine Periode von Bohr- oder Fräsarbeiten folgt, da hierdurch Trümmer erzeugt werden, die aus dem Bohrloch entfernt werden müssen. Dieser Betrieb von Bohr- oder Fräsarbeiten unter Verwendung des Mehröffnungs-Zirkulationsübergangs100 wird nun beschrieben. -
[0066] Die Bohrgarnitur und die BHA werden von der Sohle des Bohrlochs gehoben und der Bohrspülungsdruck wird ausreichend erhöht, so dass die Drehung des PDM eingeleitet wird und, wenn angemessen, Unterschneiderarme geöffnet werden, wenn ein Unterschneidewerkzeug verwendet wird. Gewöhnlich leitet das Erhöhen des Drucks der Bohrspülung einen Zirkulationsbetrieb ein, der nachfolgend detailliert erläutert wird. Jedoch stellt das hydraulische Arretiersystem25 der Abwärtsbewegung des Kolbens4 Widerstand entgegen und bietet dem Betreiber in wirksamer Weise eine Zeitspanne vor dem Beginn des Zirkulationsbetriebs. -
[0067] Diese Zeitspanne wird verwendet, um auf dem Fräs- oder Bohrmeißel ein Fräsgewicht abzusetzen. Dieses Gewicht drückt den unteren Übergang2 aufwärts und zwingt die Antriebswelle11 zurück in den äußeren Hauptkörper1 , wie in7 gezeigt. Dies wiederum hält den Kolben4 davon ab, sich weit genug abwärts zu bewegen, damit der Zirkulationsbetrieb stattfinden kann, indem eine Schulter10 , die sich auf der Antriebswelle11 befindet, gegen den Kolben4 stößt, wie in8 gezeigt. -
[0068] 9 zeigt ein erstes Beispiel eines Mehröffnungs-Zirkulationsübergangs50 gemäß der vorliegenden Erfindung, der aus einem äußeren röhrenförmigen Körper, welcher durch eine Reihe von Teilstücken51 ,53 ,54 ,55 ,56 und57 des äußeren Körpers gebildet ist, und einem inneren röhrenförmigen Körper, welcher einen oberen Kolben52 und einen unteren Kolben65 beinhaltet, besteht. Der obere Kolben52 ist an seinem unteren Ende an den unteren Kolben65 gekoppelt. Das obere Ende des oberen Kolbens52 ist an eine Drosseldüse60 gekoppelt. -
[0069] Für einen Fräs- oder Bohrbetrieb fließt Bohrspülung von einem Wickelrohr, das mit einem oberen Teilstück53 des äußeren Körpers verbunden ist, durch die Drosseldüse60 , durch eine Bohrung70 des Zirkulationsübergangs50 , aus dem unteren Teilstück57 des äußeren Körpers und nachfolgend weiter zu einem Gerät, das sich unterhalb des Zirkulationsübergangs50 befindet, wie etwa einem PDM. -
[0070] Um einen Zirkulationsbetrieb zu erhalten, wird die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch den Zirkulationsübergang50 erhöht. Diese erhöhte Fluidströmungsgeschwindigkeit durch die Drosseldüse60 erzeugt einen Gegendruck an Bohrspülung über die Drosseldüse60 , welche die Kolbenanordnung52 ,65 innerhalb der Teilstücke51 ,53 ,54 ,55 ,56 des äußeren Körperteils in Längsrichtung abwärts zwingt. -
[0071] Während sich die Kolbenanordnung52 ,65 in Längsrichtung abwärts bewegt, kontaktieren passende Winkelstücke61 , die auf dem oberen Kolben52 montiert sind, eine obere Kupplung58 , die auf einem Teilstück54 des oberen Körpers montiert ist, wobei der Kontakt die Kolbenanordnung52 ,65 innerhalb der Teilstücke51 ,53 ,54 ,55 ,56 des oberen Körpers dreht. -
[0072] Die obere Kupplung58 ist so gebildet, dass sie zwei Rückhaltepositionen aufweist. Die erste Rückhalteposition ermöglicht das Verschieben der Kolbenanordnung52 ,65 nur um eine kurze Entfernung, so dass die Bohrspülung weiterhin durch den Zirkulationsübergang50 und auf ein darunter befindliches Gerät fließt. -
[0073] Die zweite Rückhalteposition ermöglicht das Verschieben der Kolbenanordnung52 ,65 um eine größere Entfernung, so dass sich die auf dem unteren Kolben65 befindlichen Umgehungskanäle66 in die Ausrichtung auf Zirkulationslöcher68 , die sich auf einem Teilstück56 des oberen Körpers befinden, bewegen. Bohrspülung wird nun die Bohrung70 des Zirkulationsübergangs50 herab und über die Umgehungskanäle66 aus den Zirkulationslöchern68 fließen. Ein Abpackungs-Dichtungselement69 hält jedwede Bohrspülung davon ab, durch das unterste Teilstück57 des äußeren Körpers und weiter in Richtung auf das darunter befindliche Gerät zu fließen. Der Betrieb des Abpackungs-Dichtungselements69 wird nachfolgend beschrieben. -
[0074] Sobald der Zirkulationsübergang50 über die erforderliche Zeitspanne in einer der Rückhaltepositionen, das heißt, entweder im Bohrmodus oder im Zirkulationsmodus, betrieben worden ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit der Bohrspülung reduziert, um in den anderen Betriebsmodus zu wechseln. Diese Aktion reduziert den Gegendruck der Bohrspülung über die Drosseldüse60 . Eine Rückstellfeder63 , die zwischen einer auf dem Teilstück54 des äußeren Körpers montierten Schulter72 und einem auf dem oberen Kolben52 montierten Drucklager62 wirkt, spannt den oberen Kolben52 aufwärts vor, und wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Bohrspülung reduziert wird, bewegt sich die Kolbenanordnung52 aufwärts. -
[0075] Das Drucklager62 gewährleistet, dass jedes restliche, in der Rückstellfeder63 zurückgehaltene Drehmoment abgebaut wird und somit die Drehung der Kolbenanordnung52 ,65 nicht stört. -
[0076] Wenn sich die Kolbenanordnung52 ,65 aufwärts bewegt, kontaktiert eine auf dem unteren Kolben65 montierte Indexiereinrichtung64 eine untere Kupplung59 , die an dem Teilstück54 des äußeren Körpers montiert ist. Der Kontakt zwischen der Indexiereinrichtung64 und der unteren Kupplung dreht die Kolbenanordnung52 ,65 in die gleiche Richtung wie die von der oberen Kupplung58 und den passenden Winkelstücken61 auf einer Abwärtsbewegung erzeugte Drehung. Durch diese Drehung, während sich die Kolbenanordnung nach oben verschiebt, wird sie sich auf ihre nächste Rückhalteposition und somit ihren nächsten Betriebsmodus bewegt haben. -
[0077] 10(a) und(b) ,11(a) und(b) ,12(a) und(b) sowie13(a) und(b) zeigen die Lagebeziehung erstens zwischen der unteren Kupplung59 und der Indexiereinrichtung64 und zweitens zwischen der oberen Kupplung58 und den passenden Winkelstücken61 für einen vollständigen Zyklus des Zirkulationsübergangs50 , wobei die Komponenten zur Verdeutlichung flach liegend gezeigt sind. -
[0078] 10(b) zeigt die Indexiereinrichtung64 und die untere Kupplung59 in einer eingegriffenen Position, und10(a) zeigt die passenden Winkelstücke61 von der oberen Kupplung58 in Längsrichtung versetzt.10(a) und(b) zeigen die Kolbenanordnung52 ,65 in der in9 gezeigten Position. -
[0079] 11(b) zeigt, dass die Indexiereinrichtung64 und die untere Kupplung59 aufgrund der Abwärtsbewegung der Kolbenanordnung52 ,65 in Längs- und Drehrichtung versetzt worden sind. Aus11(a) ist ersichtlich, dass die passenden Winkelstücke61 in Kontakt mit der oberen Kupplung58 stehen und durch die obere Kupplung58 in der zweiten oder weitest möglichen Position zurückgehalten werden. Diese Position entspricht dem Zirkulationsmodus der Bohrspülung. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass sich die Kolbenanordnung aufgrund der Kombination der Profile von erstens der oberen Kupplung58 und den passenden Winkelstücken und zweitens der unteren Kupplung59 und der Indexiereinrichtung64 nur in einer Richtung dreht. -
[0080] 12(a) und(b) zeigen, dass die Indexiereinrichtung64 und die untere Kupplung59 in Kontakt kommen und die Kolbenanordnung52 ,65 weiter in die gleiche Richtung wie zuvor gedreht wird, wenn der Gegendruck über die Drosseldüse60 reduziert wird. Die obere Kupplung58 und die passenden Winkelstücke61 werden wieder in Längs- und Drehrichtung mit Abstand angeordnet und warten auf eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Bohrspülung, um einen Bohrspülungs-Durchflusszyklus einzuführen. -
[0081] 13(b) zeigt, dass die untere Kupplung59 und die Indexiereinrichtung64 wieder weiter in Längs- und Drehrichtung versetzt werden, obwohl die Versetzung in Längsrichtung nicht so groß ist, wie in11(b) gezeigt. Dies liegt daran, dass die passenden Winkelstücke61 durch die obere Kupplung58 in der ersten und letzten Verschiebeposition zurückgehalten werden, wie in13(a) gezeigt. Dies ist der Bohrspülungs-Durchflussbetriebsmodus des Zirkulationsübergangs50 . -
[0082] Wie zuvor beschrieben wurde, hat der Zirkulationsübergang50 zwei Betriebsmodi, Bohrspülungs-Durchfluss und Zirkulation jeweils dann, wenn die Kolbenanordnung52 ,65 in einer ersten bzw. zweiten Position zurückgehalten wird. -
[0083] Der untere Abschnitt des Zirkulationsübergangs50 in der ersten Rückhalteposition ist detailliert in14 gezeigt. Eine Dichtung67 verhindert ein Auslaufen von Bohrspülung zwischen dem Umgehungskanal66 und dem Zirkulationsloch68 , während sich der Zirkulationsübergang50 in der ersten Position und somit im Bohrspülungs-Durchflussbetriebsmodus befindet. -
[0084] Der untere Abschnitt des Zirkulationsübergangs50 in der zweiten Rückhalteposition ist detailliert in15 gezeigt. Der untere Kolben65 hat sich nach unten bewegt, so dass die Umgehungskanäle66 nun auf die Zirkulationslöcher68 ausgerichtet sind, was es der Bohrspülung ermöglicht, durch die Zirkulationslöcher68 aus der Bohrung70 des Zirkulationsübergangs50 auszutreten. Wenn die Umgehungskanäle66 auf die Zirkulationslöcher68 ausgerichtet sind, greift das untere Ende des unteren Kolbens65 in das Abpackungs-Dichtungselement69 so ein, dass keine Bohrspülung durch einen Durchbruch71 in einem Vorstopfen72 am unteren Ende des Zirkulationsübergangs50 zum Gerät darunter passieren kann. Wenn Stickstoffgas durch die Bohrung70 des Zirkulationsübergangs50 und durch die Zirkulationslöcher68 hinaus zirkuliert wird, stellt die Dichtung zwischen dem Abpackungs-Dichtungselement69 und dem unteren Kolben65 ferner sicher, dass kein Stickstoffgas durch eines der Werkzeuge unter dem Zirkulationsübergang50 passieren kann. -
[0085] Änderungen und Verbesserungen können an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne den allein durch die beigefügten Ansprüche definierten Bereich der Erfindung zu verlassen.
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- Ein Zirkulationsübergangsapparat (
50 ), der eine Durchgangsbohrung (70 ) aufweist, um die Zirkulation von Fluid aus dem Inneren der Durchgangsbohrung (70 ) in einen Bohrlochringraum hinaus zu erlauben, wobei der Apparat (50 ) Folgendes beinhaltet: ein röhrenförmiges äußeres Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) und ein röhrenförmiges inneres Körperteil (52 ,65 ), wobei sowohl das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) als auch das innere Körperteil (52 ,65 ) ein Loch oder mehrere Löcher (66 ,68 ) aufweisen und die Löcher (66 ,68 ) im Wesentlichen quer zur Längsachse des äußeren Körperteils (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) und des inneren Körperteils (52 ,65 ) stehen, sowie einen Verdrängungsmechanismus zum Erzeugen einer relativen Bewegung zwischen dem äußeren Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) und dem inneren Körperteil (52 ,65 ), so dass das innere Körperteil (52 ,65 ) und das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) wiederholt zwischen einer ausgerichteten Position, in der ein Loch oder mehrere Löcher (66 ,68 ) auf dem inneren Körperteil (52 ,65 ) auf das Loch oder die mehreren Löcher (66 ,68 ) auf dem äußeren Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) ausgerichtet ist/sind, so dass es einem innerhalb der Durchgangsbohrung (70 ) enthaltenen Fluid erlaubt ist, aus der Durchgangsbohrung (70 ) durch die Löcher (66 ,68 ) und in den Bohrlochringraum hinaus zu fließen, und einer abgedichteten Position, in der das eine Loch oder die mehreren Löcher (66 ,68 ) auf dem inneren Körperteil (52 ,65 ) durch das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) abgedichtet sind, so dass ein innerhalb der Durchgangsbohrung (70 ) enthaltenes Fluid davon abgehalten wird, durch die Löcher (66 ,68 ) zu fließen, bewegt werden können, wobei der Apparat (50 ) ferner eine Dichtungsvorrichtung (65 ,69 ) beinhaltet, welche die Durchgangsbohrung (70 ) unterhalb der Löcher (66 ,68 ) abdichtet, wenn sich das innere (52 ,65 ) und äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) in der ausgerichteten Position befinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungsmechanismus durch das Variieren der Fluidströmungsgeschwindigkeit von der Oberfläche durch die Durchgangsbohrung (70 ) betrieben wird. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 1, wobei Fluid aus der inneren Bohrung (70 ) des äußeren Körperteils (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) zur inneren Bohrung (70 ) des inneren Körperteils (52 ,65 ) und aus dem unteren Ende des inneren Körperteils (52 ,65 ) hinaus passieren kann, wenn das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) und das innere Körperteil (52 ,65 ) relativ zu einander in der abgedichteten Position positioniert sind. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei ein Umgehungsdurchlass (66 ,68 ) gebildet wird, der es dem Fluid bei Gebrauch ermöglicht, von der internen Bohrung (70 ) des Zirkulationsübergangsapparats (50 ) zum Ringraum zwischen dem Außendurchmesser des Zirkulationsübergangsapparats (50 ) und dem Innendurchmesser des Bohrlochs zu fließen, wenn das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) und das innere Körperteil (52 ,65 ) relativ zu einander in der ausgerichteten Position positioniert sind. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdrängungsmechanismus durch Veränderungen des Fluiddrucks, die durch das Variieren der Fluidströmungsgeschwindigkeit erzeugt werden, gesteuert wird. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdrängungsmechanismus eine Kolbenanordnung (52 ,65 ) und eine Drosseldüse (60 ) im Fluidweg beinhaltet. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 5, wobei der Verdrängungsmechanismus ferner eine Rückhaltevorrichtung (58 ,59 ,61 ,64 ) beinhaltet. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 6, wobei die Rückhaltevorrichtung (58 ,59 ,61 ,64 ) montiert auf dem inneren (52 ,65 ) und dem äußeren (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) Körperteil je mindestens ein Rückhalteteil (58 ,59 ,61 ,64 ) beinhaltet, wobei das/die auf dem inneren Körperteil (52 ,65 ) montierte(n) Rückhalteteil(e) (58 ,59 ,61 ,64 ) selektiv mit dem/den auf dem äußeren Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) montierten entsprechenden Rückhalteteil(en) (58 ,59 ,61 ,64 ) zusammenarbeiten kann/können. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 7, wobei es montiert auf dem inneren (52 ,65 ) und äußeren Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) je zwei Rückhalteteile (58 ,59 ,61 ,64 ) gibt. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 8, wobei die zwei auf dem inneren Körperteil (52 ,65 ) montierten Rückhalteteile (61 ,64 ) mit größerem Abstand voneinander angeordnet sind als die zwei auf dem äußeren Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) montierten Rückhalteteile (58 ,59 ). - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 9, wobei eines der auf dem inneren Körperteil (52 ,65 ) montierten Rückhalteteile (61 ,64 ) und das entsprechende auf dem äußeren Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) montierte Rückhalteteil (58 ,59 ) angepasst sind, um das innere Körperteil (52 ,65 ) in Hinsicht auf das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) im Anschluss an eine fortgesetzte Längsbewegung des inneren Körperteils (52 ,65 ) in Hinsicht auf das äußere Körperteil (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) zu drehen. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichtungsvorrichtung es dem Fluid erlaubt, von dem Durchgangsbohrungsdurchlass (70 ) weiter zu einem Gerät, das sich unterhalb des Zirkulationsübergangs (50 ) befindet, zu fließen, wenn sich das innere (52 ,65 ) und äußere (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) Körperteil in der abgedichteten Position befinden. - Zirkulationsübergangsapparat (
50 ) gemäß Anspruch 11, wobei der Apparat (50 ), ungeachtet der Position des inneren (52 ,65 ) und äußeren (51 ,53 ,54 ,55 ,56 ,57 ) Körperteils relativ zu einander, eine Fluidströmung in der Durchgangsbohrung (70 ) erlauben kann.