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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Verbindungskanälen zwischen
dem Innern der Auskleidung eines Bohrlochs und nutzbaren Erdschichten beim Einzementieren
der Auskleidung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einzementieren
von Auskleidungsrohren in einem Bohrloch sowie zum Schaffen von Verbifidungskanälen
für das Einströmen von Flüssigkeiten und Gasen aus nutzbaren Erdschichten in die
Auskleidungsrohre.
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Bisher wurden die Auskleidungsrohre in Bohrlöchern in der Weise einzementiert,
daß flüssiger Zement nach unten durch die Auskleidung hindurch und dann um die Außenwand
ihres unteren Teiles wieder nach oben gepreßt wurde, um so den Ringraum zwischen
der Außenwand der Verrohrung und der sie umgebenden Bohrlochwand auszufüllen. Eg
wurde daraufhin die Auskleidung und der sie umgebende Zementmantel jeweils in der.
Höhe der nutzbaren Erdschichten mittels horizontal arbeitender Bohrer oder Schießvorrichtungen,
die ein Geschoß durch die Auskleidung und den Zementmantel treiben, mit Löchern.versehen,
um so den Einfluß, von Öl und Gas zum Bohrloch zu schaffen. Derartige Verfahren
und Vorrichtungen haben verschiedene Schwierigkeiten und Nachteile ergeben,
z.
B. Zertrümmerung des Zements, Zerstörung der Bindung zwischen der Auskleidung und
dem Zement sowie die Bildung von Rissen im Zement, wodurch dieser der Zerstörung
durch Säuren ausgesetzt ist; die nachträglich eingeführt werden, um die nutzbaren
Schichten poröser zu machen, um ihre Ausbeutung zu erleichtern.
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Um alle diese Nachteile zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, die
im Bereich der produktiven Schichten einzuzementierenden Auskleidungsrohre mit einer
Mehrzahl von seitlich angeordneten, quer zur Bohrlochächse gerichteten, die Wandung
der Rohre durchdringenden, durch. Flüssigkeits- oder Gasdruck betätigten Kolben
in verschiedenen Abständen voneinander zu versehen, um nach dem Zementieren Verbindungsöffnungen
im Zementmantel zwischen dem Auskleidungsrohr und den umgebenden produktiven Schichten
herzustellen, ohne den Zementmantel selbst zu beschädigen.
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Zu diesem Zwecke werden die Kolben nach außen hin bis zur Wandung
des Bohrloches bewegt, um so Kerne zwischen der Auskleidung Und der Bohrlochwandung
innerhalb der dazwischen anzubringenden Zementierung zu bilden. Die Kolben oder
wenigstens einige ihrer Teile bestehen aus einem sich in Säure auflösenden Material,
so daß sich die Kerne wenigstens teilweise auflösen können; und es werden auf diese
Weise Verbindungskanäle im Zementmantel ausgespart, die einen einvrandfreien Durchgang
zwischen dem Innern der Auskleidung und der Bohrlochwandung gewährleisten. Die Kolben
können auch auf mechanische Weise entfernt werden.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist in
der Zeichnung in beispielsweisen Ausführungen dargestellt. In dieser Zeichnung zeigt
Fig. i einen Längsschnitt durch ein Bohrloch und die teilweise einzementierte Auskleidung,
Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch die Auskleidung und die Vorrichtung zur
Herstellung des Verbindungskanals in ihrer Anfangsstellung, d. h. vor der Verbindung
mit der Bohrlochwand, Fig. 3 einen horizontalen Schnitt durch die Auskleidung und
die Vorrichtung zur Herstellung von Verbindungskanälen im verkleinerten Maßstabe,
teilweise in Draufsicht, wie in Fig.2, wobei die Vorrichtung zur Herstellung des
Verbindungskanals bis an die Bohrlochwand vorgestoßen ist, Fig. q. einen horizontalen
Schnitt durch die Auskleidung und die Vorrichtung zur Herstellung des Verbindungskanals
in -Endstellung; nachdem einzelne Teile aufgelöst worden sind, Um eine Verbindung
zwischen dem Innern der Auskleidung und der Bohrlochwand herzustellen, Fig. 5 eine
andere Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung zur Herstellung des
Verbindungskanals.
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Gemäß der Erfindung werden die Vorrichtungen zur Herstellung der Verbindungskanäle
an der Auskleidung befestigt, bevor diese in das Bohrloch hinuntergelassen wird.
Sie-werden so angeordnet, daß sie nach dem Hinunterlassen der Auskleidung den anzuzapfenden
Erdschichten genau gegenüberliegen.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist in bekannter Weise ein
Bohrloch io in den Schichten ii niedergebracht. Beim Bohren durch Kalkseinschichten
wird der Durchmesser des Bohrloches, das eine im wesentlichen glatte und regelmäßige
Wandung besitzt, ungefähr 23 cm betragen.
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Eine ungefähr 18 cm im Durchmesser betragende Auskleidung 12 ist im
Bohrloch vorgesehen, so daß sich ein ungefähr z1/2 cm breiter Ringraum zwischen
der äußeren Wandung der Auskleidung 12 und der Wandung des Bohrloches-io ergibt.
Dieser ringförmige Zwischenraum wird mit einem Einzementiermittel13 gefüllt, das
eine verbindende Masse zwischen der Wandung des Bohrloches und der Auskleidung.
bildet.
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Mit 14 ist eine Mehrzahl von öl- oder gashaltigen Schichten bezeichnet.
Manche dieser Schichten 14 sind poröser als andere benachbarte Schichten. Wo ein
Bohrloch durch mehrere Schichten verschiedener Porosität hindurchgeht und diese
Schichten mit Säuren oder anderen Chemikalien behandelt werden müssen, ist es wünschenswert,
daß das Zernentiermaterial 13 zwischen den verschiedenen Schichten unzerstört bleibt,
so daß im Falle einer Behandlung mit Säuren unter Druck keine Leckage stattfindet
oder Säure von einer Schicht 14 nach einer anderen ' Schicht außerhalb der Auskleidung
12 fließt. In der Praxis werden die Schichten 14 meistens nur in geringer Mächtigkeit
und sogar nur in geringem Abstand voneinander entfernt vorgefunden. Sollte es sich
als notwendig erweisen, die Schichten mit Säuren oder arideren Chemikalien zu behandeln,
so muß die Auskleidung aus einem Metall oder Material bestehen, das von Säuren oder
anderen Chemikalien nicht angegriffen wird. -Der den Schichten 14 gegenüberliegende
Teil der Auskleidung 12 wird vor dem Hinunterlassen in das Bohrloch mit- einer Anzahl
Kolben zur Herstellung der Verbindungskanäle 15 versehen, die in der Wandung der
Auskleidung in Höhe der nutzbaren Schichten i¢ vorgesehen sind.
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In Fig. 2 ist 16 eine Buchse, z. B. aus Stahl; die in eine entsprechende
Öffnung in der Auskleidung 12 mittels Gewinde 17 derart von außen eingeschraubt
ist, daß sie aus der Auskleidung hinausragt. In die innere Öffnung der Buchse 16
ist ein Verschlußstück 18 eingeschraubt, dessen innere Stirnfläche eine Öffnung
hat, die. als Sitz für ein Kugelventil2o dient. In normaler Lage hält das Ventil
diese Öffnung durch eine Schraubenfeder 2i geschlossen, die zwischen Ventil und
einer am äußeren Ende des Verschlußstückes eingeschraubten Muffe 22 eingespannt
ist. Die Feder 21 steht unter solchem Anfangsdruck, daß sie das Ventil so lange
auf =seinem Sitz festhält, -bis ein vorherbestimmter Druck innerhalb der Auskleidung
i2 das Ventil gegen die genannte Feder drückt und so die Öffnung freigibt. Das Verschlußstück
besteht aus einem Metall oder einer Legierung, die sich in den obenerwähnten, für
die Schicht in Frage kommenden Säuren oder Chemikalien auflösen. Falls Salzsäure
verwendet
wird, kann das Metall aus Magnesium bestehen und die Legierung eine Zinklegierung
sein. Ein solches Metall und eine derartige Legierung sind nicht nur in Salzsäure
löslich, sondern auch verhältnismäßig weich.
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In der Buchse 16 ist gleitend ein Kolben 24 in Form einer Muffe vorgesehen.
Diese Muffe besteht aus einem äußeren Teil 26 und einem mit einem Ansatz 28 versehenen
inneren Teil 27, wobei die zwei Teile im Preßsitz miteinander verbunden sind und
so den Kolben 24 bilden. Der innere .Teil 27 des Kolbens 2,4 besteht ebenfalls aus
einem Metall oder einer Legierung, die sich schnell in den für die obenerwähnte
Behandlung der Schichten verwendeten Säuren oder Chemikalien auflösen, während der
äußere Teil 26 des Kolbens 24 nicht unbedingt säurelösbar ist. Wird nun gewöhnlicher
Beton als Zementierungsmaterial zwischen Auskleidung und Bohrloch verwendet, dann
muß dieser während der Behandlung gegen die Säure geschützt werden. Dies erfolgt
zweckmäßig dadurch, daß der säurebeständige äußere Teil 26 des Kolbens 24 eine dichte
Verbindung bis zur Bohrlochwand herstellt.
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Innerhalb der Buchse 16 befindet sich eine durch Stifte 29 befestigte
Hülse 30, die beispielsweise aus Stahl bestehen kann. Diese Hülse 30 und
das Verschlußstück 18 bilden einen Zylinder, in dem der Ansatz 28 des Kolbens 24
gleitet. Das äußere Ende des Kolbens gleitet am äußeren Ende der Buchse, wobei ein
Dichtungsring 3r einen flüssigkeitsdichten Gleitkontakt zwischen Kolben 24 und Buchse
16 darstellt.
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Der Ansatz 28 ist vorzugsweise mit einem Entlüftungsloch 39 versehen.
Der auswechselbare Kolben 24 ist im Zylinder und besonders im Verschluß 18 gegen
Verschiebung nach außen durch Abscherstifte 45 arretiert. Diese Stifte werden bei
einem bestimmten Druck auf den Kolben abgeschert und geben den Kolben frei.
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Der äußere Teil 26 des Kolbens 24 ist mit einem Dichtungsring 32 aus
elastischem Material, z. B. Gummi, versehen, um eine abgedichtete Verbindung zwischen
der Bohrlochwand und dem angedrückten Kolben zu schaffen (Fig. 3). Es ist selbstverständlich,
daß die Verbindung des äußeren Teils des Kolbens 24 mit der Wandung des Bohrloches
so eng und innig wie nur möglich sein soll. Die Wandung ist- nicht immer glatt,
selbst wenn das Loch mit einem Diamantbohrer gebohrt wurde, so daß deshalb ein elastischer
Ring 32 zur sicheren Abdichtung zwischen Kolben und Wandung am besten geeignet ist.
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Der Kolben .wird infolge des schon erwähnten Druckes von seiner Anfangsstellung
innerhalb der Auskleidung 12 (Fig. 2) bis zu seiner Endstellung an der Wandung des
Bohrloches (Fig.3) vorgeschoben. Die Länge des Kolbens ist derart, daß sein äußerer
Teil, genauer gesagt, der Gummiring 32, schon in Verbindung mit der Wandung des
Bohrloches ist, ehe der Ansatz 28 in Berührung mit den Kugeln 34 kommt. (Näheres
hierüber weiter unten.) Nach Abscherung der Stifte 45 und nachdem Kolben 24 in Kontakt
mit der Wandung des Bohrloches gekommen ist, ist zur Vermeidung einer rückläufigen
Verschiebung des Kolbens im Zylinder, besonders aber im Verschlußstück 18, eine
Vorrichtung vorgesehen, die aus einer Anzahl Stahlkugeln 34 besteht, welche auf
dem abgeschrägten Teil 33 der Hülse 30 gelagert sind und gegen welche eine
Unterlegscheibe 35 drückt, die durch eine zwischen dieser und .der Buchse befindliche
Federscheibe 37 gegen die Stahlkugeln gepreßt wird. Diese Stahlkugeln sind stets
in Verbindung mit der abgeschrägten Fläche 33 sowie mit dem äußeren Teil 26 des
Kolbens 24, so daß eine rückläufige Bewegung des Kolbens gesperrt wird.
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Der Teil 26 des Kolbens 24 wird zweckmäßig mit zermahlenen Austerschalen
gefüllt, die sich in den für die Bearbeitung der Erdschichten verwendeten Säuren
oder Chemikalien schnell auflösen. Hierdurch wird auch das Eindringen von Schlamm
oder anderen Substanzen in den Kolben aus dem ringförmigen Raum zwischen Auskleidung
und - Wandung des Bohrloches verhindert.
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Vorzugsweise ist auch eine mit Löchern versehene Scheibe46 vorgesehen,
die aus einem sich in den für die Bearbeitung der Erdschichten verwendeten Säuren
oder Chemikalien schnell auflösenden Metall bzw. Legierung besteht.
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In der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung für die Herstellung der
Verbindungskanäle besteht der Kolben 24A aus einem einzigen Stück und nicht aus
zwei sich ergänzenden Teilen wie in Fig. 2. Der ganze Kolben besteht aus einem sich
in den für die Bearbeitung der Erdschichten verwendeten Säuren oder Chemikalien
schnell auflösenden Metall bzw. Legierung.
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Diese Vorrichtung wird vorzugsweise dann verwendet, wenn das Zementierungsmaterial
säurefest ist, so daß es von der bei der Bearbeitung von Erdschichten zur Anwendung
kommenden Säure oder Chemikalie weder angegriffen noch aufgelöst wird. Wenn die
entsprechende Erdschicht mit Säure behandelt werden soll, löst sich der Kolben 24A
vollständig auf, denn das säurebeständige Zementierungsmaterial kann in diesem Fall
unbedenklich der Säure ausgesetzt werden.
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Da der Boden der Auskleidung 12 durch ein bewegliches Ventil oder
eine Platte 41 abgedeckt ist, so wirkt ein vorher festgelegter innerhalb der Auskleidung
ausgeübter Flüssigkeits- oder Gasdruck auf den Kolben 24 und schert die diesen Kolben
24 arretierenden Scherstifte 45 ab, so daß der Kolben a4 bzw. 24A nach außen bis
an die Wandung des Bohrloches gepreßt wird. Der zur Anwendung kommende Druck hängt
von der Scherfestigkeit der Scherstifte 45 ab.
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Das Herstellen des Zementmantels mit den Verbindungskanälen geht auf
folgende Weise vor sich: Das in die Erde r r gebohrte Bohrloch wird zunächst in
üblicher Weise geologisch aufgenommen, um sowohl die Porosität als auch die jeweilige
Tiefe der verschiedenen porösen Erdschichten 14 zu bestimmen. Die Auskleidung i2
wird darauf entsprechend der Tiefe der verschiedenen anzuzapfenden Erdschichten
mit den Vorrichtungen zur Herstellung
der Verbindungskanäle 15 versehen,
worauf die Cuvelage bzw. Auskleidung in das Bohrloch hinabgelassen wird, bis sie
den Boden erreicht.
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Dann wird eine unter Druck stehende Flüssigkeit oder ein Gas in die
Auskleidung hineingepumpt, bis der Druck genügend groß ist, um die Stifte 45 abzuscheren
und den Kolben nach außen hin bis an die Wandung des Bohrloches zu drücken. Die
Klemmvorrichtung (Kugeln 34 usw.) hindert den Kolben an einer Rückbewegung nach
der Auskleidung hin. Darauf wird Zementierungsmaterial unter größerem hydraulischen
oder Gasdruck in die Auskleidung gepumpt, um das bewegliche Bodenventil 41 in seiner
Ausgangsstellung 4,A entweder zu öffnen oder unter seitliche Öffnungen 42. in der
Auskleidung zu drücken, wobei das flüssige Zementierungsmaterial dann durch diese
Öffnungen in den zwischen Auskleidung und Bohrlochwandung liegenden ringartigen
Raum so weit nach oben gedrückt wird, bis alle eingebauten Vorrichtungen zur Herstellung
der Verbindungskanäle von dem Zementierungsmaterial umgeben sind.
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Nachdem das Zementierungsmaterial mit der Außenfläche der Auskleidung,
- der Wandung des. Bohrloches und den Vorrichtungen zur Herstellung der Verbindungskanäle
nach seiner Erstarrung eine innige Verbindung eingegangen ist, wird die für die-
Erdschichten in Frage kommende Säure oder Chemikalie, z. B. Salzsäure, in die Auskleidung
hineingepumpt. Ist die Vörrichtung zur Herstellung der Verbindungskanäle gleich
der in Fig. 2 dargestellten, so löst die Säure das Verschlußstück 18, den inneren
Teil 27 des Kolbens, die Lochscheibe 46 und das gemahlene Material 44 auf, so daB
eine Öffnung; wie in Fig. 4 dargestellt, entsteht. Wird jedoch eine Vorrichtung
zur Herstellung der Verbindungskanäle, wie in Fig. 5 dargestellt, verwendet, so
wird nicht nur der Verschluß 18, sondernder ganze Kolben 24A aufgelöst.
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Wenn, wie schon erwähnt, der Verschluß 18 aus einer Zinklegierung
oder einer anderen verhältnismäßig weichen Legierung oder einem weichen Metall besteht,
so kann der in die Auskleidung hineinragende Teil dieses Verschlusses gegebenenfalls
mittels eines üblichen Bohrers herausgebohrt werden, nachdem der Kolben 24 bzw.
24A gegen die Wandung des Bohrloches gedrückt wurde, worauf dann die Säure, in die
Cuvelage bzw. Auskleidung hineingepumpt wird, um die löslichen Teile des Kolbens
-aufzulösen.
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Es ist vorteilhaft, die Buchse 16 aus Stahl und nicht aus Weichmetall
oder einer weichen Legierung herzustellen, da Stahl beim Hinunterlassen der Cuvelage
bzw. Auskleidung in das Bohrloch einer eventuellen Deformation oder Beschädigung
größeren Widerstand entgegenzusetzen vermag.
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Es ist auch denkbar, zuerst das Zementierungsmaterial einzubringen
und dann, ehe das Material erstarrt ist, den Kolben 24 bzw. 24A "hindurchzustoßen.