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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine aufblasbare Abdichtung zur Verwendung in einem Bohrloch in
Verbindung mit der Produktion von Öl und Gas.
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Derartige unten in einem Loch angeordnete Abdichtungen
(siehe zum Beispiel die US-A-4 655 292) sind von einem Ballon-Typ
und das Aufblasmedium ist eine Flüssigkeit. Unten in einem Loch
angeordnete Abdichtungen dieser Art sind für eine Anzahl von Jahren verwendet
worden.
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In einem aufgeblasenen Zustand dienen
sie als Pfropfen in dem Bohrloch, und in einem Anwendungsfall können sie
die Weitergabe von unerwünschtem
Fluid, z. B. Wasser, welches in einer Zone der Formation unterhalb
einer Öl-
und/oder Gas-produzierenden Formationszone erzeugt wird, verhindern.
In einem derartigen Fall wird eine unten in dem Loch angeordnete
Abdichtung sofort über
der oberen Grenzschicht der Wasser-produzierenden Formationszone
platziert.
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Bei einem anderen Anwendungsfall
werden zwei voneinander beabstandete aufblasbare unten in einem
Loch angeordnete Abdichtungen verwendet, und hier verhindern die
Abdichtungen ebenfalls, dass ein unerwünschtes Fluid (Wasser) weitergegeben wird,
aber in diesem Fall besteht der Wunsch darin, Öl und/oder Gas einer Formation
unterhalb der Wasser-produzierenden Zone auszubeuten. In einem derartigen
Fall kann auch eine Öl-produzierende
Formationszone über
der Wasser-produzierenden Zone existieren.
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In dem letzteren Fall wird eine Rohrverbindung
hergestellt, die durch die niedrigere aufgeblasene Abdichtung führt, und
zwar durch den Bohrlochabschnitt zwischen den Abdichtungen, in dem
Wasser gerade produziert wird, und durch die obere aufgeblasene
Abdichtung. Öl/Gas
in der Formationszone, unterhalb der Wasser-produzierenden Zone,
wird somit durch die untere Abdichtung, dann durch das Rohr, das
die Abdichtungen verbindet, und schließlich durch die obere Abdichtung
und aus dieser heraus transportiert, wobei dieses Öl/Gas nicht
in Kontakt mit dem Wasser in der Zone gewesen ist, die sich unterhalb
der Abdichtungen befindet.
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In der folgenden Beschreibung wird
die Erfindung in Verbindung mit vertikalen Bohrlöchern erläutert werden, und die Ausdrücke "über" und "unter" werden dann leicht verständlich werden.
abweichenden Bohrlöcher
und horizontalen Bohrlöchern
bedeutet "über" "näher
zu dem Bohrlochkopf' und "unter" bedeutet "weiter weg von dem "Bohrlochkopf'. Natürlich sind
Abdichtungen des aufblasbaren Ballon-Typs in Übereinstimmung mit der Erfindung
nicht auf die Anwendung in Bohrlöchern
von einer bestimmten Orientierung begrenzt, sondern können in
vertikalen Bohrlöchern,
abweichenden Bohrlöchern,
verlängerten
Erreichungsbohrlöchem
(reach wells) und horizontalen Bohrlöchern verwendet werden.
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Wenn die Abdichtung (die Abdichtungen)
in dem aufgeblasenen Zustand in einem Bohrloch ist (sind), wobei
dessen (deren) Umfangsabschnitt in einer abdichtenden Weise an der
Formationswand anliegt (anliegen), bewirken Temperaturänderungen
in der Umgebung unmittelbar benachbart zu dem Bohrloch interne Druckänderungen
in den aufgeblasenen Abdichtungen. Durch eine hohe Temperatur, die
sich in dem Bohrlochgebiet entwickelt, in dem die aufgeblasene Dichtung
einen Pfropfen bildet, kann es passieren, dass die Abdichtung in
der gleichen Weise wie ein aufgeblasener Ballon platzt. Durch eine
niedrige Temperatur wird das Anlegen und der Abdichtungsdruck der
Abdichtung auf der Wand des Bohrlochs verringert, und es passiert
deshalb, dass sich die Abdichtung lockert.
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Es ist bekannt, Bohrlöcher vorher
zu konditionieren, bevor derartige Abdichtungen eingebracht werden,
so dass die Abdichtungen in einer Temperatur eingebracht werden
können,
von der angenommen wird, dass sie die normale Betriebstemperatur ist.
Eine vorherige Konditionierung eines Bohrlochs wird durch Regeln
der Flussrate (Produktionsrate oder Einspritzrate) des Bohrlochs
durchgeführt
und ist zeitaufwendig, kostenintensiv und hinsichtlich des Ergebnisses
unsicher.
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Genauso ist es bekannt, die Abdichtung
mit aushärtbaren
Materialien – eine
Zusammensetzung eines Zementgemischs oder einer Flüssigkeit,
mit einem nachfolgend aushärtendem
Epoxydharz – anstelle
eines flüssigen
aufblasbaren Mediums, das in seiner flüssigen Form bleibt, zu füllen. Ein
Nachteil einer harten, festen, pfropfen-artigen Abdichtung ist, das
sie nicht leicht entfernt werden kann. Anstelle dessen muss sie
in Stücke
zerbohrt werden, was ein teurer Betrieb ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es deshalb, eine aufblasbare, unten in einem Loch angeordnete
Abdichtung bereitzustellen, die ohne die Verwendung eines aushärtbaren,
aufblasbaren Mediums in der Lage sein wird, hohe und niedrige Temperaturen
und große
Temperaturveränderungen in
seiner Betriebsumgebung auszuhalten, ohne zerstört zu werden oder seinen Dichtungs-Anlagedruck an
der umgebenden Formationswand zu lockern.
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Sie zielt darauf ab, zwei Hauptausführungsformen
bereitzustellen, eine für
jeden der zwei anfänglich
erwähnten
typischen Anwendungsfälle.
Eine Ausführungsform
weist die exklusive Aufgabe auf, das Bohrloch über einer Formationszone, die
ein unerwünschtes
Fluid erzeugt, abzublocken. Die andere Ausführungsform erlaubt zusätzlich die
Ausbeutung eines Fluids einer Formationszone, die sich unter einer
Zone befindet, die ein unerwünschtes
Fluid produziert. In dem letzteren Fall werden zwei Abdichtungen
verwendet, eine über
und eine unter der Formationszone, die das unerwünschte Fluid produziert.
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Das besagte Ziel wird im wesentlichen
mit Hilfe von aufblasbaren unten in einem Loch angeordneten Abdichtungen
erreicht, die sich selbst durch die Charakteristiken unterscheiden,
die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben sind.
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Eine aufblasbare, unten in einem
Loch angeordnete Abdichtung der fraglichen Art ist im Prinzip dadurch
charakterisiert, dass sie mit einem Druckkompensator, zum Beispiel
des Kolben-Typs, versehen ist, der den Reservovdruck als Referenzwert
verwendet.
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Auf ihrer Unterseite weist die aufblasbare Abdichtung
eine axial vorstehende Rohrverbindung vor, die an einem Sockelelement
angreift, dessen unterer Teil einen festen zentralen Körper einschließt, durch
den sich wenigstens ein Durchkanal von dem Innenraum der aufgeblasenen
Abdichtung erstreckt, die sich in das Gebiet der ersten (oberen)
Kolbenoberfläche
eines oberen Kolbens öffnet,
der von einer axial verschiebbaren Kolbeneinrichtung gebildet wird,
die ferner einen unteren Kolben mit einer zweiten (nach unten gerichteten)
Kolbenoberfläche
umfasst. Die zwei Kolben sind miteinander in einer zueinander nichtverschiebbaren
Weise durch einen zentralen Kolbenstab verbunden. Für den oberen Kolben
der Kolbeneinrichtung ist ein oberes zylindrisches Gehäuse vorgesehen,
und für
den unteren Kolben ein unteres zylindrisches Gehäuse, wobei die zylindrischen
Gehäuse
mit benachbarten bzw. angrenzenden Endabschnitten zusammengebracht
und abgedichtet sind, und zwar aneinanderliegend. Das untere zylindrische
Gehäuse
weist ein unteres Ende auf, das eine nach unten verjüngte konische
Form mit einer Endöffnung
aufweist, die eine Fluid-Kommunikation zwischen dem Zylinderelement
und der nach unten gerichteten Kolbenoberfläche des unteren Kolbens und
der umgebenden Umgebung herstellt, um diese Kolbenoberfläche zu veranlassen,
von dem Druck in dem Bohrloch beeinflusst zu werden.
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Durch Einstellen der Größe der Fläche der nach
oben gerichteten Endoberfläche
des Kolbens, beeinflusst durch den internen Flüssigkeitsdruck der aufgeblasenen
Abdichtung, in einer bestimmten Proportion (zum Beispiel 1 : 6)
zu der Fläche
der nach unten gerichteten Endoberfläche des Kolbens, wird die Kolbeneinrichtung
als ein Druckkompensator für die
aufgeblasene, unten in einem Loch angeordnete Abdichtung arbeiten.
Die Druckkompensations-Kolbeneinrichtung wird den Effekt der Kühlung oder
Erwärmung
der Flüssigkeit
innerhalb der Abdichtung absorbieren oder verringern. Dies wird
durch Verwenden des Drucks unterhalb der Abdichtung und den Effekt
der Flächen
der Kolbenoberflächen,
die in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind, erreicht. Mit
einer Kolbenflächen-Proportion
von 1: 6 wird der Druck ausgeglichen werden, wenn der Reservoirdruck
unterhalb der Abdichtung sechsmal höher als der Flüssigkeitsdruck
innerhalb der Abdichtung ist. Der Flüssigkeitsdruck der aufgeblasenen
Abdichtung wirkt somit gegen die Endoberfläche des oberen Kolbens, und
der Reservoirdruck gegen die Endoberfläche des unteren Kolbens, die
in die entgegengesetzte Richtung weist.
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Der Druck innerhalb der Abdichtung
wird sich somit auf den Druck in dem Bohrloch wie die Proportion
der Flächen
der Kolbenoberflächen,
die in entgegengesetzte Richtungen weisen, beziehen.
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Nachstehend wird auf ein nicht-beschränkendes
Beispiel einer Ausführungsform
Bezug genommen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
ist, wobei die 1–3 eine erste Ausführungsform
der Erfindung zeigen, wohingegen die 4 und 5 eine andere Ausführungsform
der Erfindung zeigen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer unten in einem Loch angeordneten Abdichtung,
die aufgeblasen und somit in einer Röhre befestigt ist, wobei die Röhre und
der nach unten hängende
Druckkompensator der unten in einem Loch angeordneten Abdichtung
in einer axialen Ansicht gezeigt sind;
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2 in
einer axialen Ansicht und in einem etwas größeren Maßstab als in 1, den unteren Abschnitt der 1;
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3 eine
Entsprechung zu 2, wobei hier
aber die Kolbeneinrichtung etwas nach oben verschoben worden ist,
im Vergleich zu 2;
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4 eine
entsprechende axiale Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform,
bei der Vorkehrungen für
den Transfer eines gewünschten
Fluids durch die Abdichtung und dem Druckkompensator getroffen worden
sind, wobei die dargestellte Abdichtung in der Praxis mit einer
identischen Abdichtung zusammenarbeitet, die dort darunter eingerichtet
ist; und
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5 eine
Entsprechung zu 4, die
aber die Kolbeneinrichtung zeigt, die hier und in 4 einen ringförmigen Kolben umfasst, der
auf der Außenseite
eines zentralen röhrenförmigen Kolbenstabs gebildet
ist, der nach oben versetzt bzw. verschoben ist, so dass er eine
andere Position einer axialen Verschiebung als diejenige in 4 annimmt.
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Zunächst wird auf die 1–3 Bezug
genommen, die eine aufblasbare, unten in einem Loch angeordnete
Abdichtung 10 zeigen, die in einer an sich bekannten Weise
mit einer geeigneten Flüssigkeit
aufgeblasen und an einer bestimmten Stelle innerhalb einer Röhre 12 eingerichtet
worden ist, gegen die die aufgeblasene Abdichtung 10 eine
absolute Dichtigkeit über
den gesamten internen Querschnitt der Röhre 12 eingerichtet
hat und aufrechterhält.
Die Abdichtung 10 kann zum Beispiel über einer Formationszone eingerichtet
werden, die Wasser oder ein anderes unerwünschtes Fluid produziert. Ganz
oben weist die eingerichtete, unten in dem Loch angeordnete Abdichtung 10 einen
Engpass 14, 1,
auf und ganz unten einen Druckkompensator, der allgemein mit dem
Bezugszeichen 16 definiert ist.
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Das untere Ende der unten in einem
Loch angeordnete Abdichtung 10 ist als ein nach unten gerichteter
Rohrsockel 18, 2 und 3, gebildet, der ebenfalls
in einer abdichtenden Weise an das obere Teil eines oberen Zylindergehäuses 20 angeschraubt worden
ist. Diese Gehäuse 20 nimmt
einen oberen Kolben 22 auf, der nach oben und nach unten
verschiebbar ist.
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In seinem oberen Abschnitt weist
das obere Zylindergehäuse 20 zwei
oder eine größere Anzahl von
axialen Kanälen 24, 24', die darin
gebildet sind und sich dadurch erstrecken, auf, die mit ihren oberen
Enden in einer Flüssigkeitskommunikation
mit dem Hohlraum 10' der
aufgeblasenen Abdichtung 10 stehen und die sich mit ihren
unteren Enden in eine Kammer 26 hinein öffnen, die durch eine nach
unten gerichtete Endoberfläche 20'' durch den Hohlraum des oberen
Zylindergehäuses 20,
die entgegengesetzte, nach oben gerichtete Endoberfläche 22' eines ersten
Kolbens 22, und einen Abschnitt der inneren Zylinderoberfläche 20''' des
oberen Zylindergehäuses 20 definiert
ist. Die obere Kolbenendoberfläche 22' wird von dem
Flüssigkeitsdruck
innerhalb der Abdichtung 10 beaufschlagt bzw. beeinflusst.
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Der Zylindergehäuseabschnitt 20' des oberen
Zylindergehäuses 20 für den ersten
Kolben 22 ist mit seinem unteren Ende fest und abdichtend
an dem oberen Ende eines unteren Zylindergehäuses 27 angeschraubt,
das eine größere innere
Querschnittsfläche
aufweist als der Zylindergehäuseabschnitt 20' des oberen
Zylindergehäuses 20.
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Das untere Zylindergehäuse 27 nimmt
einen zweiten unteren hin- und herbewegbaren, verschiebbaren Kolben 30 auf.
Das untere, sich nach unten konisch verjüngende Ende 27' des Zylindergehäuses 27 ist
mit einer zentralen Öffnung 32 versehen,
so dass die nach unten gerichtete Endoberfläche 30' des unteren Kolbens 30 von
dem Druck in dem Bohrloch kontinuierlich beeinflusst wird, ohne
dass die Zylinderflüssigkeit
in Kontakt mit dem Bohrlochfluid gehalten wird.
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Die Endoberfläche 30' des Kolbens 30 weist eine
wesentlich größere Oberfläche auf
als diejenige der Endoberfläche 22' des Kolbens 22.
Zum Beispiel kann die Kolbenoberfläche 30' eine Kolbenoberfläche aufweisen,
die 6 Mal so groß wie
die Kolbenoberfläche 22' ist. Diese
Kolben 22 und 30 sind miteinander mit Hilfe eines zentralen
Kolbenstabs 34 nicht-verschiebbar verbunden.
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Somit ist eine Druckkompensation
in der Form einer Kolbeneinrichtung bereitgestellt worden, die unter
anderem die Kolben 22, 30 und den röhrenförmigen Kolbenstab 34,
der die Kolben 22, 30 in einer zueinander nicht-verschiebbaren
Weise verbindet, umfasst und die auf zwei entgegengesetzte Kolbenendoberflächen 22', 30' mit unterschiedlich
bemessenen Flächen
gestützt
ist und die den Reservoirdruck als einen Referenzdruckwert verwendet.
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Der auf einen Kolben gestützte Druckkompensator,
der mit dem Reservoirdruck als der Referenzdruck arbeitet, absorbiert
oder reduziert den Effekt einer Kühlung und Erwärmung der
sich ausdehnenden bzw. aufblasenden Flüssigkeit der unten in einem
Loch angeordneten Abdichtung. Wie erwähnt, passiert dies durch Verwendung
des Drucks unter der Abdichtung (dem Reservoirdruck).
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Eine aufblasbare, unten in einem
Loch angeordnete Abdichtung mit einem verbundenen Druckkompensator
ist auf das individuelle Bohrloch angepasst. Ein Anwendungsfall
ist, wenn zum Beispiel Wasser in die Formation über einem Punkt eingespritzt
werden soll, der von einer unten in einem Loch angeordneten Abdichtung 10 verstopft
werden soll, um so Öl
oder Gas dadurch herauszutreiben.
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In einem derartigen Fall wird das
Einspritzwasser die Abdichtung 10 kühlen, so dass deren interner
Druck verringert wird. Durch eine derartige Verringerung im Druck
gibt es das Risiko, dass die Abdichtung 10 sich lockern
kann. In dem entgegengesetzten Fall kann die Abdichtung 10 durch
die Umgebungstemperatur in dem Bohrloch erwärmt werden, so dass das Risiko
besteht, dass die Abdichtung platzen kann. Bezugnehmend auf 3 wird die Abdichtung durch
eine Flüssigkeit
oder ein gasförmiges Aufblasmedium
aufgeblasen, so dass durch die Kanäle 24, 24' eine Flüssigkeit
oder Gas genauso in die Kammer 26 fließen wird, die eine beträchtliche
longitudinale Ausdehnung aufweisen kann. Der Druck auf der Unterseite
der Abdichtung 10 ist bekannt und bleibt im wesentlichen
konstant. Durch Verringern des internen Flüssigkeits-/Gas-Drucks in der
aufgeblasenen Abdichtung 10, wird der Druck auf der Unterseite
der Abdichtung 10 (der Reservoirdruck) zusätzliche
Flüssigkeit/Gas
aus der Kammer 26 in den internen Hohlraum 10' der Abdichtung 10 hineindrängen, um
im wesentlichen den ursprünglichen
Druck aufrechtzuerhalten. Indem der innere Flüssigkeits-/Gas-Druck in der
Abdichtung 10 ansteigt, um den normalen Druck zu übersteigen,
wird eine zusätzliche
Flüssigkeit
oder ein anderes aufblasbares Medium von dem Innenraum 10' der Abdichtung 10 in die
Kammer 26 herausgedrängt,
bis der Druck ausgeglichen ist.
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Nun wird auf die Ausführungsform
gemäß der 4 und 5 Bezug genommen, die sich von der beschriebenen
Ausführungsform
gemäß der 1–3 nur
in (a) der Konfiguration der Kolbeneinrichtung, (b) einem zentralen
Durchgang für
den Transport eines gewünschten
Fluids (Öl)
von einer darunter liegenden Formationszone durch eine darüber liegende Formationszone,
die ein unerwünschtes
Fluid (Wasser) erzeugt, und (c) der Verwendung von zwei entgegengesetzten,
unten in einem Loch angeordneten Abdichtungen (nur eine von diesen
identischen Abdichtungen ist gezeigt), die axial beabstandet sind, unterscheidet.
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In dieser zweiten Ausführungsform
ist der zentrale röhrenförmige Kolbenstab 34a mit
einem ringförmigen
Kolben 36 mit einer ersten Kolbenoberfläche 36', die auf eine aufgeblasene Abdichtung 10 gerichtet
ist, und die eine beträchtlich
kleinere Oberfläche
als eine zweite Kolbenoberfläche 36'' aufweist, die auf das freie Ende 27' des Druckkompensators 16 hin
gerichtet ist, gebildet. Die Oberflächenproportion kann zum Beispiel
1 : 6 sein, wie in der ersten Ausführungsform, 1–3.
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Gemäß den 4 und 5 steht
der obere Endabschnitt des zentralen röhrenförmigen Kolbenstabs 34a in
einem axial verschiebbaren Eingriff mit einem unteren Röhrenabschnitt 38' einer konzentrischen
inneren Röhre 38 des
ersten Kolbens des oberen Zylindergehäuses 20, wobei die
innere Röhre 38 an
den Enden anstoßend
mit einer koaxialen Röhre 40 verbunden
ist, die eine Bohrung 40' aufweist,
die sich durch die aufgeblasene Abdichtung 10 hindurch erstreckt.
Der Röhrenabschnitt 38', der einen
vergleichsweise großen
Durchmesser aufweist und in einer abdichtenden Weise um den Kolbenstab 34a greift,
ist wie der Rest dieser Röhre 38 von
longitudinalen Kanälen 24, 24' (alternativ
durch einen konzentrischen Ring) umgeben, die in Übereinstimmung
mit 4 durch eine zylindrische
Bohrung 42 fortgesetzt werden, die sich nach unten erstreckt,
wobei die zylindrische Bohrung 42 mit dem gleichen Radius
fortgesetzt wird wie derjenige einer koaxialen Zylinderbohrung 44 des
unteren zylindrischen Kolbengehäuses 27.
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5 zeigt
eine Begrenzungsposition für den
Kolbenstab/Kolben 34a/36 in dem oberen Zylindergehäuse.
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In dieser Ausführungsform, bei der zwei vergleichsweise
weit voneinander beabstandete, symmetrisch angeordnete, aufgeblasene,
unten in einem Loch angeordnete Abdichtungen 10 verwendet
werden, ist das untere zylindrische Kolbengehäuse 27, welches gezeigt
ist, an einem geeigneten Punkt von seiner axialen Länge mit
hauptsächlich
radial gerichteten Öffnungen 46, 46' versehen, wobei
die zylindrische Bohrung 44 unmittelbar unterhalb der Öffnungen 46, 46' mit einem radial
nach innen gerichteten ringförmigen
Flansch mit einer Abdichtung 48, die fest um den röhrenförmigen Kolbenstab 34a herum angebracht
ist, versehen ist. Der untere konische, sich nach unten verjüngende Endabschnitt 27' des unteren
zylindrischen Kolbengehäuses 27 ist
in einer eng eingepassten Weise mit einem Rohr (nicht gezeigt) verbunden,
dessen anderes Ende mit der zweiten unten in dem Loch angeordneten
Abdichtung (nicht gezeigt) verbunden ist, die darunter angeordnet
ist und die, wie bereits erwähnt,
spiegelsymmetrisch in Bezug auf die gezeigte Dichtung 10 mit
dem Kompensator 16 orientiert ist. Somit sind die zwei aufgeblasenen,
unten in dem Loch angeordneten Abdichtungen 10 an derartigen
relativen Positionen, dass die freien Enden 27' der Kompensatoren
aufeinander zu gerichtet sind. Somit wird eine durchlaufende Fluid-weitergebende
Verbindung von unterhalb der nicht gezeigten Abdichtung zu über der
gezeigten Abdichtung hergestellt, ohne irgendeine Möglichkeit eines
Lecks zu/von dem Raum 50 zwischen den Abdichtungen.
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Wenn es erforderlich ist, immer und
in sich ändernden
Temperaturbedingungen einen sicheren inneren Druck in den Abdichtungen
aufrechtzuerhalten – nicht
zu hoch, nicht zu niedrig, ist der Betrieb der Ausführungsform
gemäß den 4 und 5 exakt der gleiche wie derjenige der
Ausführungsformen
gemäß den 1–3,
und zwar dadurch, dass der Druck von dem Bohrloch, beziehungsweise
der Abdichtung 10, die Kolbenoberflächen 36'' bzw. 36' beeinflusst, so
dass der Kolbenstab 34 in eine Richtung oder die andere
versetzt wird, bis der Druck ausgeglichen worden ist.