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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft das Gebiet
der Untersuchung von Erdbohrlöcher
umgebenden Formationen und schafft eine Vorrichtung und Verfahren
zum Perforieren eines verrohrten Bohrlochs, zum Messen des Drucks,
zum Entnehmen von Fluidproben in der das verrohrte Bohrloch umgebenden
Erdformation und das Wiederverschließen der Perforationen in dem
Futterrohr.
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Hintergrund
der Erfindung
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Obwohl eine ständig steigende Nachfrage, Öl- und Gasvorkommen
zu finden, besteht, wird in Nordamerika jedes Jahr die Preisgabe
von etwa 200 Bohrlöchern
erwogen, die zu den Tausenden von Bohrlöchern, die bereits brach liegen,
hinzukommen. Es wurde festgestellt, dass diese verlassenen Bohrlöcher Öl und Gas
nicht mehr in Mengen fördern,
die erforderlich sind, um wirtschaftlich profitabel zu sein. Jedoch
wurde die Mehrzahl dieser Bohrlöcher
in den späten
1960er und 1970er gebohrt und unter Anwendung von Techniken untersucht,
die gegenüber
heutigen Standards primitiv waren. So hat die jüngste Forschung den Beweis
erbracht, dass viele dieser verlassenen Bohrlöcher große Mengen an wiedergewinnbarem
Erdgas und Öl
(vielleicht bis zu 100 oder 200 Trillionen Kubikfuß) enthalten,
die wegen herkömmlicher
Fördertechniken
entgangen waren. Da der größte Teil
der Erschließungskosten
dieser Bohrlöcher
wie etwa das Bohren, das Verrohren und das Zementieren bereits bewältigt ist,
könnte
sich die Ausbeutung dieser Bohrlöcher
zur Ausbeutung von Öl-
und Erdgasressourcen als ein risikoarmes Unternehmen erweisen, das
die Förderung
von Kohlenwasserstoffen und Gas erhöhen würde.
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Bei der Bohrlochmessung zur Bestimmung, ob
es wiederzugewinnende Ressourcen gibt, ist der wichtigste Parameter,
den ein Lagerstätten-Ingenieur zur
Beaufsichtigung eines Bohrlochs nutzt, der Druck im Bohrloch. Normalerweise
wird ein Bohrloch unmittelbar nach dem Bohren (offenes Bohrloch)
untersucht (Druckmessungen und Fluidproben), um primär und sekundär ergiebige
Zonen zu lokalisieren. Das US-Patent 4.167.111 (Spuck) beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Durchführen geologischer Bewertungen
einer sich entlang eines unverrohrten Bohrlochs befindenden Formation,
wobei die Vorrichtung in einer Ausführungsform ein Bohrgerät, das ein
Paar Löcher
in die Wände
des Bohrlochs und in den umgebenden Flöz bohrt, und ein Paar in den Löchern installierter
Sonden umfasst, während
es in der anderen Ausführungsform
flexible Mittel anstelle der Bohrmittel umfasst, um durch ein verrohrtes Bohrloch
zu bohren. Eine der Sonden bringt eine Eingabe wie etwa einen Strom
oder ein unter Druck stehendes Fluid an, während die andere Sonde eine entsprechende
Eingabe, die sie von dem Flöz
empfängt,
erfasst. Bergbauoperationen haben in unverschalten Schächten ebenfalls
Bohrgeräte
eingesetzt. Gemäß der englischen
Patentanmeldung GB A 2.063.421 ist ein System zum Bohren von Löchern in den
Abraum einer Grube offenbart. Das System ist durch eine flexible
Welle mit einem zylindrischen Außengehäuse, das durch ein schraubenförmig gewundenes
Federelement gebildet ist, eine flexible innere Baueinheit, die
einen elastomeren Kern enthält,
und eine Reihe radial starrer Verstärkungssegmente, die sich Stoß an Stoß entlang
der flexiblen Welle erstrecken, gekennzeichnet.
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Jedoch kann beim Bohren und/oder
Erzeugen eines Erdformationsbohrlochs in einem oder mehreren Teilabschnitten
des Bohrlochs routinemäßig ein
Futterrohr aus Stahl verwendet werden, um die das Bohrloch umgebende
Formation zu stabilisieren und dieser eine Unterstützung zu
geben. Außerdem
wird Zement an der Außenseite
des Futterrohrs verwendet, um das Futterrohr an Ort und Stelle zu halten
und für
einen gewissen Grad strukturellen Zusammenhalts und eine Abdichtung
zwischen der Formation und dem Futterrohr zu sorgen.
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Es gibt verschiedene Umstände, unter
denen es erforderlich oder wünschenswert
ist, eine oder mehrere Perforationen durch das Futterrohr und den Zement
anzubringen, um Ressourcen aus der Formation wiederzugewinnen und
Prüfungen
hinter dem Futterrohr und durch den umgebenden Zement, falls vorhanden,
hindurch vorzunehmen. Eine kommerziell eingesetzte Technik verwendet
beispielsweise ein Werkzeug, das an einer Seilvorrichtung in einen
verrohrten Teilabschnitt eines Bohrlochs abgesenkt werden kann,
wobei das Werkzeug eine Hohlsprengladung (H-Sprengladung) zum Perforieren
des Futterrohrs und Test- und
Probenentnahmevorrichtungen zum Messen hydraulischer Parameter der
Umgebung hinter dem Futterrohr und/oder zur Entnahme von Fluidproben
aus der Umgebung enthält.
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Während
der Erzeugung eines Bohrlochs und nach der Erschöpfung der primären ergiebigen Zone
wird eine Reihe von H-Sprengladungen in das Bohrloch hinabgelassen
und das Futterrohr an der sekundären
Zone perforiert. Gegenwär tig
wird diese Perforationstechnik auch dazu angewandt, um während der
Erdölsuche
in älteren
Bohrlöchern
hinter dem Futterrohr Druck- und Porositätsinformationen zu gewinnen.
Wenn die Zone jedoch keine Kohlenwasserstoffe oder ungenügenden Druck
aufweist, müssen
die Perforationslöcher
verschlossen werden, um eine Querströmung zwischen Fluidschichten
zu verhindern.
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Außerdem wird gelegentlich anhand
von Prüfungsergebnissen
nach durchgängigen
Perforationen in dem Futterrohr eine Entscheidung getroffen, ob
das Bohrloch für
die Förderung
zu perforieren ist oder zu verlassen ist und die Zone wieder zu
verstopfen oder zu verschließen
ist. Mit dem Begriff "Verstopfen" ist traditionell
das Verstopfen eines gesamten Querschnitts des Bohrlochs gemeint.
Perforationen können
mit Zement durch Gestängerohre
hindurch verstopft werden. Ebenso wird ein elastomeres Verstopfen
angewandt, um ein gesamtes Bohrloch durch Isolieren der Zone unterhalb
des Stopfens während
oder nach der Förderung
zu verstopfen. Elsastomere Stopfen werden auch als Anker beim Abbinden
von Zement verwendet. Das Behandeln und Verstopfen eines Bohrlochs
kann auch mit gewickeltem Rohrmaterial erfolgen. Das Verstopfen
einer Perforation, um eine Querströmung zwischen Fluidschichten
zu verhindern, ist mit der Verwendung eines Sprengstoffs und einem
schwierigen und zeitaufwändigen
als "Pressarbeit" bezeichneten Prozess, der
in dem Isolieren der perforierten Zone und dem Pressen von Zement
in die Perforationen besteht, verbunden.
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Ein Nachteil der Verwendung eines
Werkzeugs, das zum Prüfen
ein Futterrohr perforiert, ist jener, dass die Perforation, die
im Futterrohr bleibt, in Fällen,
in denen das Fördern
oder das Verstopfen der Zone nicht schnell folgt, zu Problemen führt. Unter glücklichen
Umständen
kann sich die Perforation mit Schutt aus dem Bohrloch zusetzen,
wobei sie im Wesentlichen unschädlich
wird, wenn der Schutt die Perforation dauerhaft verstopft. Wenn
die Perforation oder ein Teil von dieser jedoch offen bleibt, kann
ein wesentliches Volumen an Formationsfluiden an die Formationen
verloren gehen und/oder die Formation verschlechtern. In manchen
Fällen
können
Fluide aus den Formationen in das Bohrloch eindringen, was sich
schädlich
auswirkt. Gaseinbruch in das Bohrloch kann besonders problematisch
sein.
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Nicht nur beim Verstopfen einer Perforation im
Futterrohr treten Probleme auf. Es kann auch Probleme beim eigentlichen
Perforieren des Futterrohrs geben. Ein Hauptproblem beim Perforieren
des Futterrohrs ist, dass heutige Perfora tionsmittel H-Sprengladungen
enthalten. Die Verwendung von diesen Sprengladungen erzeugt gewöhnlich ungleichmäßige Perforationen
in dem Futterrohr. Deshalb sind diese Perforationen schwer zu verstopfen und
erfordern häufig
einen festen Stopfen und eine nicht feste Dichtungsmasse. Diese
Anforderung erhöht
die Schwierigkeit und verlängert
die zum ausreichenden Verstopfen einer Perforation in dem Futterrohr
erforderliche Zeit.
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Ein Beispiel der heutigen Technik
und der Probenentnahmekonfiguration ist in dem US-Patent 5.195.588
(Dave) gezeigt. In diesem Patent ist eine Vorrichtung offenbart,
die eine Perforation in dem Futterrohr verstopft. Das Probenentnahmeverfahren weist
die obenbeschriebene Beschränkung
für das Entnehmen
von Proben in größeren Tiefen
in der Erdformation auf. Dave beschreibt eine Perforationstechnik,
die eine H-Ladung enthält,
um eine Perforation in dem Futterrohr zu erzeugen. Obwohl das Patent
von Dave das Perforieren und das Entnehmen von Proben in einem verrohrten
Bohrloch erwähnt, gibt
es bei Dave eigentlich keine Erörterung
von Techniken, die gleichmäßigere Perforationen
erzeugen, oder von Techniken, die die Tiefe der Probenentnahme in
die Formation erweitern. Obwohl das Patent von Dave der vorliegenden
Erfindung ähnlich
ist, drehen sich außerdem
die Ziele von Dave um die Entwicklung von Techniken, die beim Verstopfen
einer bereits in dem Futterrohr vorhandenen Perforation angewandt
werden. Somit besteht noch immer ein Bedarf, gleichmäßigere Perforationen
zu erzeugen und die Probenentnahmefähigkeiten auf größere Untersuchungstiefen
in die Formation auszuweiten.
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Eine unter den Aufgaben der vorliegenden Erfindung
ist, die Probleme des Perforierens und des Prüfens in verrohrten Teilabschnitten
eines Erdbohrlochs anzusprechen und eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu entwerten, die das Problem in praktischer Weise löst.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung mit einer Form
der vorliegenden Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Perforieren und Wiederverschließen eines Futterrohrs in einem
Erdbohrloch vorgesehen. Die Vorrichtung besitzt die Eignung, Proben
von Erdformationsfluiden zu entnehmen und die Erdformationsfluide
zu prüfen.
Die Vorrichtung lässt
sich durch das Futterrohr schieben und kann an einer Seilvorrichtung,
an dem Rohrstrang oder an beidem befestigt werden. In der Vor richtung
sind Perforationsmittel angebracht, die eine Perforation durch das
Futterrohr und in das Bohrloch erzeugen. Die Mittel zum Verstopfen
sind ebenfalls im Inneren der Vorrichtung zum Verstopfen der Perforation
angebracht. In der Vorrichtung können
mehrere Stopfen gelagert werden, um während einer Fahrt des Werkzeugs
in das Bohrloch das Verstopfen mehrerer Perforationen zu ermöglichen.
Die Vorrichtung enthält
im Allgemeinen auch Mittel zum Prüfen/Probenentnehmen (d. h.
Prüfen
von hydraulischen Eigenschaften wie etwa Druck oder Fließgeschwindigkeit
und/oder das Entnehmen von Fluidproben) der Fluide von Formationen
hinter dem Futterrohr.
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In einer Ausführungsform der Endung umfassen
die Perforationsmittel eine flexible Welle, die verwendet wird,
um eine Perforation durch das Futterrohr und die Formation zu bohren.
Die Elastizität der
flexiblen Welle ermöglicht
das Bohren einer Perforation in die Formation auf Längen, die
größer als der
Durchmesser des Bohrlochs sind, wodurch die Entnahme von Proben
in Tiefen möglich
wird, die größer als
der Bohrlochdurchmesser sind. In der Vorrichtung sind außerdem Mittel
zum Verstopfen der Perforation angebracht. In einer Ausführungsform
der Erfindung umfassen die Mittel zum Verstopfen der Perforation
Mittel zum Einsetzen eines Stopfens aus festem Material in die Perforation.
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Um die Vorrichtung in dem Bohrloch
anzubringen, besitzt diese Erfindung außerdem Mittel zum Anordnen
der Vorrichtung an einem im Wesentlichen festen Ort. Die Erfindung
besitzt außerdem
die Fähigkeit,
die Perforationsmittel und die Mittel zum Verstopfen zu betätigen, während die
Vorrichtung an einem im Wesentlichen festen Ort angeordnet ist.
Außerdem
kann diese Ausführungsform
Mittel zum Bewegen der Perforationsmittel an eine gewünschte Position
in dem Bohrloch besitzen. Außerdem
gibt es Mittel zum Bewegen der Mittel zum Verstopfen an eine Position,
die der Perforation in dem Futterrohr gegenüberliegt.
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Obwohl diese Erfindung manche bekannten Merkmale
enthält,
weist die vorliegende Erfindung gegenüber der gegenwärtigen Technik
mehrere Vorteile auf. Erstens verwendet diese Erfindung zum Perforieren
des Futterrohrs Perforationsmittel ohne Sprengstoff, die eine gleichmäßigere Perforation
erzeugen, die in einfacher Weise und ohne Rückgriff auf nicht feste Mittel
zum Verstopfen verstopft werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die
Fähigkeit,
die Perforation auf Längen
in der Formation, die größer als
der Durchmesser des Bohrlochs sind, auszuweiten. Ein Hauptvorteil
der vorliegenden Erfindung ist, dass sie mit einer Seilarbeitsvor richtung
implementiert werden kann und keinen Rohrstrang benötigt, obwohl,
falls erwünscht,
ein Rohrstrang verwendet werden kann. Ein weiteres Ergebnis dieses
Vorteils ist die größere Flexibilität beim Ausrichten
von Motor und Antriebsvorrichtungen. Ein weiterer Vorteil einer Form
der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Perforation verstopft
werden kann, während
das Werkzeug noch an der Stelle angeordnet ist, an der die Perforation
ausgeführt
wurde, so dass der Vorgang des Verstopfens spezifisch und genau
zur Perforation gerichtet werden kann, ohne Notwendigkeit, die Perforation
zu lokalisieren oder das Verstopfmedium durch Verstopfen eines Bereichs,
der größer als
die Perforation selbst ist, zu verschwenden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden ohne weiteres aus der folgenden genauen Beschreibung
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die verwendet werden kann, um das Verfahren der Erfindung
in die Praxis umzusetzen.
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2 ist
ein Ablaufplan einer Routine zum Steuern des Betriebs von Ausführungsformen
der Erfindung.
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3 ist
eine Ansicht eines herkömmlichen Bohrersystems
zum Erzeugen einer Perforation und zum Verstopfen der Perforation.
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4a ist
ein Werkzeugquerschnitt einer flexiblen Bohrwelle gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4b ist
ein Werkzeuglängsschnitt
einer flexiblen Bohrwelle gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5 ist
eine von einem Paar zusammenpassender Führungsplatten.
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6a ist
eine Seitenansicht der Komponenten einer Baueinheit zum Verstopfen.
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6b ist
eine Seitenansicht der Komponenten einer Baueinheit zum Verstopfen
während des
Vorgangs des Verstopfens.
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6c ist
eine Seitenansicht eines Stopfenlochs in dem Futterrohr bei Verwendung
der Baueinheit zum Verstopfen gemäß der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine Seitenansicht der mechanischen Stopfvorrichtung und des Stopfenmagazins.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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1 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, während 2 den Ablaufplan von Operationen
der Erfindung zeigt. Das Werkzeug 12 ist an einem Kabel 13 innerhalb
einer Stahlverrohrung 11 aufgehängt. Diese Stahlverrohrung
füttert
das Bohrloch 10 aus und wird mit Zement 10b unterstützt. Das Bohrloch 10 ist üblicherweise
mit einem Komplementierungsfluid oder mit Wasser gefüllt. Die
Kabellänge bestimmt
im Wesentlichen die Tiefen, in die das Werkzeug 12 in das
Bohrloch hinabgelassen werden kann. Tiefenmesser können über einen
Tragmechanismus (Seilscheibe) die Verstellung des Kabels und so
die jeweilige Tiefe des Bohrlochmesswerkzeugs 12 bestimmen.
Die Kabellänge
wird durch geeignete bekannte Mittel, wie etwa eine Trommel und
einen Windenmechanismus (nicht gezeigt) an der Oberfläche gesteuert.
Die Tiefe kann auch durch elektrische, nukleare oder andere Sensoren,
die die Tiefe mit vorhergehenden, in dem Bohrloch oder an dem Bohrlochfutterrohr
durchgeführten
Messungen korrelieren, bestimmt werden. Außerdem stellt die elektronische
Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) an der Oberfläche eine
Steuer-, Kommunikations- und Verarbeitungsschaltungsanordnung für das Bohrlochmesswerkzeug 12 dar.
Die Schaltungsanordnung kann herkömmlicher Art sein und muss
keine neuartigen Merkmale aufweisen. Der Block 800 in 2 repräsentiert das Bringen des Werkzeugs 12 auf
ein spezifisches Tiefenniveau.
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In der Ausführungsform von 1 besitzt das gezeigte Werkzeug 12 einen
im Allgemeinen zylindrischen Körper 17,
der ein Innengehäuse 14 und die
Elektronik einschließt.
Ankerkolben 15 drücken das
Werkzeug-Dichtungsstück 17b gegen
das Futterrohr 11 und bilden so einen druckdichten Abschluss
zwischen dem Werkzeug und dem Futterrohr und dienen zum Festhalten
des Werkzeugs, Block 801.
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Das Innengehäuse 14 enthält die Perforationsmittel,
die Prüf-
und Probenentnahmemittel und die Mittel zum Verstopfen. Dieses Innengehäuse wird durch
den Gehäuse-Translationskolben 16 (vertikal) entlang
der Werkzeugachse verschoben. Diese Verschiebung positioniert nacheinander
die Komponenten jedes dieser drei Systeme über demselben Punkt an dem
Futterrohr.
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In dem Innengehäuse ist eine flexible Welle 18 angeordnet,
die durch Führungsplatten 14b (siehe auch 5), die Bestandteile dieses
Innengehäuses sind,
befördert
wird. Ein Bohrer 19 wird über die flexible Welle 18 durch
den An triebsmotor 20 gedreht. Dieser Motor wird durch eine
Motorgrundplatte 21, die ihrerseits an einem Translationsmotor 22 angebracht
ist, in dem Innengehäuse
gehalten. Der Translationsmotor bewegt das Innengehäuse durch
Drehen einer Gewindewelle 23 in einer Gegenmutter in der
Motorgrundplatte 21. Der Translationsmotor mit Flexwelle übt während des
Bohrens eine Abwärtskraft
auf die Flexwelle aus und steuert so die Durchdringung. Dieses Bohrsystem
ermöglicht
das Bohren von Löchern,
die wesentlich tiefer als der Werkzeugdurchmesser sind. Dieser Bohrvorgang
ist in Block 802 gezeigt.
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Es gibt eine Technik, die Perforationen
einer Tiefe, die etwas kleiner als der Durchmesser des Werkzeugs
ist, ermöglicht.
Eines dieser Verfahren ist in 3 gezeigt.
Bei diesem Lösungsweg
ist der Bohrer 31 direkt an einem rechtwinkligen Getriebe 30 angebracht,
wobei beide senkrecht zur Achse des Werkzeugkörpers montiert sind, Wie gezeigt
ist, müssen
das Getriebe 30 und der Bohrer 31 in das Bohrloch
passen. In dieser 2 ist
die Länge
eines Bohrers begrenzt, da das Getriebe nahezu den halben Durchmesser
des Bohrlochs belegt. Dieses System enthält außerdem eine Antriebswelle 32 und
eine Fließlinie 33.
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Zum Zweck der Vornahme von Messungen und
der Entnahme von Proben sind in dem Innengehäuse außerdem ein Mess-Dichtungsstück 17c und eine
Fließlinie 24 enthalten.
Nach dem Bohren eines Lochs verschiebt der Gehäuse-Translationskolben 16 das Innengehäuse 14 so,
dass das Mess-Dichtungsstück
in eine Position über
dem gebohrten Loch bewegt wird. Der das Mess-Dichtungsstück anordnende
Kolben 24b drückt
dann das Mess-Dichtungsstück 17c gegen
das Futterrohr, wodurch ein abgeschlossener Kanal zwischen dem gebohrten
Loch und der Fließlinie 24 gebildet
wird, wie in Block 803 gezeigt ist. Der Formationsdruck
kann dann gemessen werden und, falls erwünscht, eine Fluidprobe erlangt
werden, 804. An diesem Punkt wird das Mess-Dichtungsstück zurückgezogen, 805.
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Schließlich ist in dem Innengehäuse 14 noch ein
Stopfenmagazin 26 enthalten. Nach dem Messen des Formationsdrucks
und der Entnahme von Proben verschiebt der Gehäuse-Translationskolben 16 das
Innengehäuse 14 so,
dass das Stopfenmagazin 26 in eine Position über dem
gebohrten Loch bewegt wird, 806. Ein Stopfeneinsetzkolben 25 drückt dann einen
Stopfen aus dem Magazin in das Futterrohr und verschließt so das
gebohrte Loch wieder, 807. Die Unversehrtheit der Stopfendichtung
kann geprüft werden,
indem das Innengehäuse
nochmals so verschoben wird, dass das Mess-Dichtungsstück wieder über dem
Stopfen posi tioniert ist, und dann dieses Dichtungsstückloch betätigt wird, 808,
und der Druck über
die Fließlinie überwacht
wird, während
ein "Herabzieh"-Kolben betätigt wird,
wobei der Druck abfällt und
auf diesem verringerten Wert konstant bleibt. Das Lecken eines Stopfens
wird durch eine nach Betätigen
des Herabziehkolbens festgestellte Rückkehr des Drucks auf den Fließliniendruck
angegeben. Es sei angemerkt, dass dasselbe Prüfverfahren verwendet werden
kann, um die Unversehrtheit der Abdichtung des Werkzeug-Dichtungsstücks zu verifizieren, bevor
das Bohren beginnt. Jedoch wird das Mess-Dichtungsstück für diese
Prüfung
nicht gegen das Futterrohr gesetzt, wodurch das von dem Werkzeug-Dichtungsstück unterstützte Herabziehen
ermöglicht
wird. Die Abfolge der Ereignisse wird durch das Freigeben der Werkzeuganker
abgeschlossen, 810. Das Werkzeug ist dann bereit, die Abfolge, die mit
Block 800 beginnt, zu wiederholen.
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Genaue Beschreibung der
Erfindungskomponenten
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Flexible Welle
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Die flexible Bohrwelle ist in den 4a und 4b genau gezeigt, wobei eine des Paars
von Flexwellen-Führungsplatten
in 5 näher gezeigt
ist. In 4a zeigt eine
Werkzeugquerschnittsansicht die Flexwelle und den Bohrer in dem
Werkzeugkörper 17.
Der Bohrer 19 ist über
eine Kupplung 39 mit der Flexwelle 18 verbunden.
Die Kupplung kann an der Flexwelle angeschmiedet sein. Führungsbuchsen 40 umschließen und
fassen den Bohrer, um ihn gerade und an Ort und Stelle zu halten. 4b ist ein Werkzeuglängsschnitt,
der den Vorteil einer Flexwelle gegenüber der herkömmlichen
Technik zeigt. 5 zeigt
eine von zwei zusammenpassenden Führungsplatten 42,
die den "J"-förmigen Kanal 43 bilden, durch
den die Flexwelle befördert
wird.
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Die Flexwelle ist ein an sich bekanntes
Maschinenelement zum Leiten des Drehmoments um eine Biegung. Sie
ist im Allgemeinen durch schraubenartiges Wickeln aufeinander folgenden
Drahtschichten in entgegengesetzte Richtungen um einen geraden mittleren
Drahtdorn konstruiert. Die Flexwelleneigenschaften werden auf die
spezifische Anwendung zugeschnitten, indem die Anzahl von Drähten in jeder
Schicht, die Anzahl von Schichten, der Drahtdurchmesser und das
Drahtmaterial variiert werden. In dieser speziellen Anwendung muss
die Welle auf Dauerhaltbarkeit (Anzahl von Umdrehungen), minimalen
Biegeradius (um eine Montage in dem gegebenen Werkzeugdurchmesser
zu ermöglichen)
und Förderschubkraft
optimiert werden.
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Von Wichtigkeit ist ferner die Zuverlässigkeit der
Welle, wenn über
diese eine Schubkraft auf den Bohrer ausgeübt wird. Während Bohrvorgängen werden
zur Unterstützung
des Rohrens verschieden große
Schubkräfte
auf den Bohrer ausgeübt.
Die Stärke der
aufgebrachten Schubkraft hängt
von der Schärfe des
Bohrers und dem gebohrten Material ab. Schärfere Bohrer erfordern lediglich
das Aufbringen einer minimalen Schubkraft über die flexible Welle. Diese minimale
Schubkraft besitzt praktisch keine Auswirkung auf die Zuverlässigkeit
der flexiblen Welle. Stumpfere Bohrer erfordern das Aufbringen einer größeren Schubkraft,
die die flexible Welle beschädigen
kann. Eine Lösung
besteht darin, die Schubkraft direkt auf den Bohrer, anstatt über die
flexible Welle aufzubringen. Bei diesem Verfahren wird die auf einen
in dem Werkzeug befindlichen Kolben ausgeübte Kraft durch den Kolben
auf den Bohrer übertragen. Die
zum Bohren erforderliche Schubkraft wird ohne jegliche Auswirkung
auf die flexible Welle geliefert. Diese Technik ist in einer gleichzeitig
mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
20,2650 näher
beschrieben. Eine zweite Lösung
besteht darin, stets dann, wenn ein Bohrvorgang erfolgt, einen scharten
Bohrer zu verwenden. In dem Werkzeug können mehrere Bohrer gelagert
werden, wobei für
jede Bohrprozedur ein neuer Bohrer verwendet wird. Wie oben angemerkt
worden ist, besitzt die Stärke
der Schubkraft bei schärferen
Bohrern eine minimale Auswirkung auf die flexible Welle. Diese Technik
ist in einer gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereichten
US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 20,2651 näher beschrieben.
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Führungsplatten
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Wenn die Flexwelle verwendet wird,
um sowohl das Drehmoment als auch die Schubkraft zu übertragen,
wie es in dieser Anwendung der Fall ist, müssen irgendwelche Mittel vorgesehen
sein, die die Welle unterstützen,
um zu verhindern, dass sie von der über die Flexwelle auf den Bohrer
aufgebrachte Schublast nicht geknickt wird. In dieser Ausführungsform
der Erfindung wird diese Unterstützung
durch das zusammenpassende Paar Führungsplatten gegeben, 5. Diese Platten bilden
den "J-"förmigen Kanal, durch den die
Flexwelle führt.
Das Bilden dieser Geometrie durch ein Plattenpaar ist ein praktisches
Herstellungsmittel und eine Hilfe beim Zusammenbau, jedoch für die Funktionalität nicht
unbedingt notwendig. Ein "J-"förmiges Rohr könnte dieselbe Funktion
erfüllen.
Der von dem Plattenpaar gebildete Innendurchmesser ist nur etwas
größer als
der Durchmesser der Flexwelle. Dieser enge Sitz minimiert das Verdrillen
der Flexwelle in Bohrsituationen mit hohem Drehmoment und maximiert
außerdem den
Wirkungsgrad, mit dem das Drehmoment von dem Antrieb auf den Bohrer übertragen
werden kann. Das Führungsplattenmaterial
wird nach Kompatibilität
mit der Flexwelle gewählt.
Zwischen der Flexwelle und den Führungsplatten
kann ein Schmiermittel verwendet werden.
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Bohrer
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Der bei dieser Erfindung verwendete
Bohrer muss mehrere Merkmale aufweisen. Es muss ausreichend gehärtet sein,
um Stahl zu bohren, ohne dass die scharte Schneidkante bricht. Er
muss gleichzeitig ausreichend hart sein, um scheuernde Formationen zu
bohren, ohne stumpf zu werden. Er muss eine Spitzengeometrie haben,
die Drehmoment- und Schubeigenschaften verleiht, die mit den Fähigkeiten der
flexiblen Antriebswelle übereinstimmen.
Er muss eine Riffelung haben, die für das Herausschaffen von Bohrabfällen aus
einem viele Bohrdurchmesser tiefen Loch geeignet ist. Der Bohrer
muss ein Loch ausreichend gerade, rund und nicht überdimensioniert bohren
können,
so dass der Metallstopfen dieses verschließen kann.
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Mechanismus
zum Verstopfen
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Der Mechanismus zum Verstopfen ist
in den 6a, 6b und 6c gezeigt. Diese Technik des Verstopfens
besitzt ein ähnliches
Konzept des Verstopfens wie jenes des US-Patents 5.195.588, jedoch
ist der Stopfen anders. Der Stopfen ist aus zwei Komponenten zusammengesetzt:
einem Rohrstutzen 76 und einem konischen Stopfen 77.
Der Rohrstutzen 76 besitzt ein geschlossenes vorderes Ende,
eine Lippe 78 an seinem hinteren Ende und Rillen 79 in seiner
Mitte. Der konische Stopfen 77 wird in das offene Ende
der Stutzenkomponente 76 eingesetzt. Die Lippe 78 dient
dazu, den Stutzen zu halten und zu verhindern, dass er hinter die
Futterrohrwand geht, wenn auf die konische Stopfenkomponente während ihres
Einsetzens in den Stutzen Kraft ausgeübt wird.
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Das Einsetzen des Stopfens ist ein
zweistufiger Prozess. Wenn sich der Kolben vorwärts bewegt, wird der konische
Stopfen 77 in den Rohrstutzen gedrückt, wie in 6c gezeigt ist.
Die konische Beschaffenheit der Komponente 77 zwingt den
Stutzen 76 dazu, sich radial auszudehnen, wodurch eine
hermetische Abdichtung zwischen dem Stutzen und der Futterrohroberfläche geschaffen
wird. Die Rillen 79 unterstützen ebenfalls das Bilden einer
Abdichtung und verhindern ein Herausstoßen des Stopfens. Das Vorhandensein
von mehr als einer Rille ermöglicht eine
einfachere Anpassung des Stutzens an den Umriss einer unregelmäßigen Perforation
in dem Futterrohr 11, wobei dennoch eine gute Abdichtung
gewährleistet
ist.
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7 zeigt
die mechanische Vorrichtung zum Verstopfen beim Einsetzen eines
Stopfens in eine Perforation. Die Vorrichtung zum Verstopfen enthält einen
zweistufigen Einsetzkolben (einen äußeren Kolben 71 und
einen inneren Kolben 80). Während des Vorgangs des Verstopfens
wird auf beide Kolben 71 und 80 eine Kraft ausgeübt, wobei
sich die gesamte Kolbenbaueinheit um eine Strecke durch den Raum 81 bewegt
und die Stopfenbaueinheit 76 und 77 in die Perforation
drückt.
Wenn der Lippenabschnitt 78 der Stutzenkomponente 76 das
Futterrohr erreicht, stoppt die Bewegung des äußeren Kolbens 71.
Das fortgesetzte Beaufschlagen der Kolbenbaueinheit mit hydraulischem
Druck führt
dazu, dass der innere Kolben die Kraft der Federn 82 überwindet. Somit
setzt der innere Kolben 80 seine Bewegung fort und drückt den
konischen Stopfen 77 in den Stutzen 76.
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7 zeigt
außerdem
das Magazin 85, das mehrere Stopfen 84 lagert
und diese während
des Vorgangs des Verstopfens zuführt.
Nach dem Einsetzen eines Stopfens in eine Perforation und nach dem vollständigen Zurückfahren
der Kolbenbaueinheit 71 und 80 wird ein weiterer
Stopfen nach oben und in Position gezwungen, um in die nächste zu
verstopfende Perforation eingesetzt zu werden. Diese Aufwärtsbewegung
wird durch die Kraft von der Ausstoßvorrichtung 83 hervorgerufen.
Diese Kraft kann durch eine Feder 86 oder ein Fluid aufgebracht
werden.
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Das Verfahren und die Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung schaffen einen großen Vorteil gegenüber dem
Stand der Technik. Die Erfindung ist in Verbindung mit den bevorzugten
Ausführungsformen beschrieben
worden. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Änderungen,
Abwandlungen und Modifikationen an dem grundlegenden Entwurf können vorgenommen
werden, ohne von dem erfinderischen Konzept dieser Erfindung abzuweichen.
Außerdem
sind diese Änderungen,
Abwandlungen und Modifikationen Fachleuten offenbar, die aus den
obigen, in dieser Anmeldung enthaltenen Lehren Nutzen gezogen haben.
Sämtliche
solcher Änderungen, Abwandlungen
und Modifikationen sind so auszulegen, dass sie im Umfang der Erfindung,
die durch die folgenden Ansprüche
begrenzt ist, liegen.