DE957112C - Verfahren und Vorrichtung zum Zementieren von OEl- und Gasbohrungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM Sl. JANUAR 1957

N10503 VI15a

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zementieren der Verrohrung innerhalb einer Bohrung, wobei man das Absetzen eines Zementringes im Bereich der produzierenden Zone der Bohrung verhindert.

Während des Fertigmachens von Ölbohrungen, insbesondere während des Zementierens der Verrohrung in dem Bohrloch, ist es oft wünschenswert, Zement von dem Teil der Bohrung in der Nähe, der ίο produzierenden Formationen fernzuhalten. Dies wird normalerweise erreicht, indem man ein Paar von Abdichtungen vorsieht, die in einem Abstand voneinander auf der Verrohrung oberhalb und unterhalb der produzierenden Formation angebracht sind und die bis zur Berührung mit der Bohrlochwandung ausgedehnt werden können. Die Verwendung eines Paares von Abdichtungen ist jedoch unerwünscht, wenn der Ring zwischen der Verrohrung und der Bohrlochwand mit Zement sowohl oberhalb der oberen Abdichtung als auch ao unterhalb der unteren Abdichtung ausgefüllt werden soll, da es dann notwendig ist, die Verrohrung mit geeigneten Ventilen oberhalb der oberen Dichtung auszurüsten, um Zement durch die Verrohrung und in den Ringraum oberhalb der oberen Abdichtung fließen zu lassen.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, um während des Zementierens Zement und andere Flüssigkeiten von dem Ringraum zwischen der Verrohrung und der Bohrlochwandung in der Nähe des gesamten Produktionsabschnittes oder eines geringen Abschnitts dieses gesamten Teiles fernzuhalten.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ίο zunächst der Ringraum zwischen der Bohrlochwand und der Verrohrung ein Stück unterhalb der produktiven Zone, im Bereich der produktiven Zone und ein Stück oberhalb dieser mit Zementschlamm gefüllt und anschließend auf hydraulischem Wege mittels eines dehnbaren Mantels der Zement aus dem Bereich der produktiven Zone verdrängt wird. Diese und weitere Zwecke der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verständlich.

Fig. i, 2 und 3 sind Darstellungen in senkrechtem Querschnitt der Vorrichtung in Verbindung mit einer Verrohrung in einem Bohrloch während des Zementierens;

Fig. 4 und 5 sind vergrößerte Teilansichten des Querschnitts von Druckplatten in öffnungen der Verrohrung.

Ein Rohrkörper 11 ist an seinem oberen und unteren Ende mit den anschließenden Rohren der Verrohrung 12 in beliebiger geeigneter Weise verbunden, z. B. mit Hilfe von mit Gewinde versehenen Halsstücken 13 und 14. Der Durchmesser des Rohrkörpers 11 ist im wesentlichen gleich dem der Verrohrung 12, während die Länge des Rohrkörpers gleich groß, größer oder kleiner gewählt wird, als die Mächtigkeit der produzierenden Schicht innerhalb des Bohrloches beträgt, und zwar je nachdem, ob für die Produktion die ganze produzierende Schicht oder nur ein Teil geöffnet werden soll. So soll, wenn z. B. der ölsand der produktiven Schicht 1,5 m dick ist und er ganz für die Produktion geöffnet werden soll, der Rohrkörper 11 etwa 2,4 oder 3 m lang sein. Jedoch wird in einem anderen Gebiet mit etwa 21m ölsand mit Gas darüber und Wasser darunter normalerweise nur ein Abschnitt von etwa 1,5 bis 3 m für die Produktion geöffnet, wobei der Abschnitt mindestens etwa 4,5 m unterhalb der Berührungsstelle von öl und Gas und etwa 1,5 bis 3 m oberhalb der Berührungsstelle von Öl und Wasser liegen soll. In einem solchen Fall braucht der Rohrkörper 11 nur wenig mehr als 3 m lang sein.

Auf dem Rohrkörper 11 befindet sich über dem größten Teil seiner Länge ein dehnbarer Mantel 15, der an jedem Ende fest an der Außenseite des Rohrkörpers 11 in beliebiger geeigneter flüssigkeitsdichter \Veise, -z. B, mit Hilfe von Ringklammern 16 und 17, befestigt ist.

Die; Ringklammern 16 und ij können auch die Unterlage bilden, an der eine Mehrzahl von federähnlichen Armen 18 befestigt sein können. In der Wand des Rohrkörpers 11, vorzugsweise in der Nähe seines oberen Endes, aber auch in der Nähe des unteren Endes des dehnbaren Mantels 15, sind K %4 mi ?Λ ßjj
eine oder mehrere Flüssigkeitsöffnungen 21 und 22 angebracht, um Flüssigkeit aus dem Hohlraum 23 des Rohrkörpers 11 in den Raum zwischen der Außenfläche des Rohrkörpers 11 und der Innenfläche des dehnbaren Mantels 15 gelangen zu lassen. Vorzugsweise wird eine Reihe von oberen öffnungen 21 und eine Reihe von unteren Flüssigkeitsöffnungen 22 verwendet. Wenn die vorliegende Vorrichtung zum Füllen sich in ihrer normalen Stellung befindet bzw. nicht in Tätigkeit ist, sind die Flüssigkeitsöffnungen 21 und 22 flüssigkeitsdicht durch Differenzialdruckscheiben 24 und 25 geschlossen, die fest in den Flüssigkeitsöffnungen 'i'dieht = durch===©tSereötia4d;Fackseh«ibe-n· 24 und 25 sind z. B. aus Metall, Kunststoff od. dgl. hergestellt und können bei einem gewünschten hydraulischen Druck aus den öffnungen 21 und 22 herausgedrückt oder zerrissen werden.

. Der dehnbare Mantel 15 kann aus Kautschuk, synthetischem Kautschuk, Kunststoffmaterial, mit Kautschuk ausgerüsteter Segelleinwand, einem Segelleinwandschichtstoff u. dgl. hergestellt- sein, wobei das Material so ausgewählt ist, daß es der Zerstörung und Zersetzung durch Säuren oder durch ein chemisches Lösungsmittel ausgesetzt ist. Wenn der Mantel 15 aus Kautschuk oder einem beliebigen anderen elastischen Kunststoff hergestellt ist, wird der Mantel so bemessen, daß er auf dem Rohrkörper 11 dicht anliegt, wenn er nicht in Tätigkeit ist. Wenn jedoch der Mantel 15 aus Segelleinen oder mit Kautschuk überzogener Segel leinwand oder einem anderen praktisch nicht elastischen Kunststoff hergestellt ist, wird der Mantel um den Rohrkörper gefaltet, wenn man die Arbeitsvorrichtung in das Bohrloch einlaufen läßt.

Die an den Ringklammern 16 und 17 befestigten Federarme 18 erstrecken sich über die Teile des Mantels 15, die den Klammern benachbart sind, und dienen dazu, den Mantel an dem Rohrkörper 11 zu halten.

Während nur zwei oder vier Federn verwendet zu werden brauchen, die sich von beiden Ringklammern 16 und 17 aus erstrecken, wird vorgezogen, daß eine Vielzahl von Blattfedern an beiden Federklammern 16 und 17 befestigt sind, so daß sie sich einander überlappend ganz um den Umfang des Rohrkörpers und des Mantels 15 erstrecken, etwa so, wie in der USA.-Patentschrift 2602515 beschrieben ist. Die Federarme 18 schützen den Mantel 15, indem sie ihn an den Rohrkörper 11 halten, wenn die Einrichtung in das Bohrloch eingeführt wird. Vorzugsweise haben die Federarme eine solche Länge, daß sie sich von den Ringklammern 16 und 17 bis über die Flüssigkeitsöffnungen 21 und 22 hinaus erstrecken. Somit dienen die Enden der Federarme, welche die Flüssigkeitsöffnungen 21 und 22 außerhalb der Mantelstücke 15 bedecken, als Schirme oder Schutzvorrichtungen, um den Mantel 15 zu schützen, wenn die Differentialdr.uckscheiben 24 und 25 zerrissen werden.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist an jedem Federarm 18 über der Flüssigkeitsöffnung 22 an dessen Ende eine kreisförmige Platte 26 befestigt, die im Durch-

messer etwas größer als der Durchmesser der Druckscheibe 25 ist. Beim Zerreißen der Druckscheibe 25 verhindert die Platte 26, daß die abgerissene Scheibe durch den Mantel geschleudert wird. Fig. 5 der Zeichnung erläutert eine andere Form der Schutzeinrichtung, die außerhalb der zerreißbaren Scheibe 25 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform besitzt der Schutzschirm die Form einer Platte 27, die auf der Innenfläche des Mantels 15 durch beliebige Mittel, z. B. durch Ankleben, befestigt ist. Die Schutzplatte 27 kann aus beliebigem Material, z. B. aus Metall oder hartem Kunststoff, hergestellt sein, das nicht bricht, wenn die Druckscheibe 25 gegen ihn geschleudert wird.

Vorzugsweise wird ein Satz von Zentrierungsfedern 28 und 29 an der Außenseite des Rohrkörpers 11 oberhalb und unterhalb seines dehnbaren Mantels 15 befestigt, um eine Beschädigung des Mantels durch Reiben an der Bohrlochwandung zu verhindern, wenn die Vorrichtung in das Loch der Bohrung herabgelassen wird.

Die Verrohrung ist an einer Stelle unterhalb des mit dem Mantel versehenen Rohrkörpers mit einem Ventilsitz 31 ausgerüstet, der eine Bohrung zur Aufnahme eines Kugelventils oder Stopfens 32 (Fig. 2) für den Zweck, der nachher beschrieben wird, aufweist. Dieser Ventilsitz ist so groß, daß er das Hindurchtreten üblicher Zemöntierungsstöpfen gestattet.

Die Arbeitsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die folgende. Der Rohrkörper 11 nach Fig. 1 wird mit der Verrohrung 12 verbunden und wird in das Bohrloch herabgelassen, bis er sich gegenüber der Produktionszone befindet, die normalerweise durch übliche Standardperforierungsverfahren durch einen Zementverschluß hindurch geöffnet werden würde. Es werden die üblichen Zementierungsweisen angewendet, und es wird ein Zementschlamm in die Verrohrung 12 nach unten gepumpt, bis er um das untere Ende des Bohrlochgehäuses herumgelangt und in dem Ringraum 33 zwischen der Bohrlochwandung und der Außenwand der Verrohrung 12 nach oben steigt bis zu einem Punkt oberhalb des Rohrkörpers 11 und oberhalb der produzierenden Formation.

Wie in Fig. 2 der Zeichnung gezeigt ist, steigt, wenn eine Kugel 32 oder ein Zementierungsstopfen, der in das Bohrungsgehäuse auf der Oberseite der Zementschlammsäule nach unten gepumpt wurde, unmittelbar auf dem Ventilsitz 31 aufsitzt, der Druck innerhalb der Verrohrung 12 oberhalb der Kugel 32 langsam an mit dem fortgesetzten Einpumpen von Flüssigkeit, z. B. Wasser, nach unten in die Verrohrung, bis eine oder mehrere der Differentialdruckscheiben 24 und 25 zerreißen. Ein weiteres Einpumpen einer Flüssigkeit nach unten in die Verrohrung 12 läßt diese durch die Flüssigkeitsöffnungen 22 in den Raum zwischen dem Mantel 15 und der Außenwand des Rohrteiles 11 fließen, wobei sich dann der Mantel 15 ausdehnt, bis er die Bohrlochwandung berührt. Wenn keine Zentrierungsfedern 28 und 29 verwendet werden, zentriert die vorliegende Vorrichtung sich selbst und die Verrohrung 12 innerhalb des Bohrloches bei der ■Expansion des Mantels 15. Die Expansion des Mantels 15 bewirkt, daß der Zement, der sich zunächst zwischen dem Mantel und der Bohrlochwandung befindet, nach oben oder nach unten verdrängt wird.

Die an beiden Enden des Mantels 15 diesen umgebenden Federarme 18 expandieren ebenfalls gegen die Bohrlochwandung, halten aber gleichzeitig den Mantel innerhalb der gewünschten Zone und verhindern, daß der hydraulische Druck die Enden des Mantels zerreißt. Es wird ein hoher Differentialflüssigkeitsdruck in der Bohrlochverrohrung 12 und in dem expandierten Mantel 15 aufrechterhalten, bis der Zement, der die Bohrlochverrohrung umgibt, permanent abgebunden hat.

Nachdem der Zement abgebunden hat, kann das Innere der Bohrlochverrohrung 12 mit der produzierenden Zone der Bohrung in beliebiger bekannter Art in Verbindung gesetzt werden, z. B. kann ein Perforierungsschußger'ät in die Bohrlochverrohrung bis zur Stelle gegenüber dem Mantel 15 herabgelassen und abgeschossen werden, so daß der Rohrkörper 11 und der dehnbare Mantel 15 perforiert werden. Wenn der dehnbare Mantel 15 aus Naturkautschuk oder einem öllöslichen Kunststoff hergestellt ist, wird das Öl aus der Formation die Reste go des Mantels zerstören und bewirken, daß diese bis an die Oberfläche gewaschen werden.

Vorzugsweise jedoch kann das Mantelmaterial schneller durch Einführung von Säure oder eines Lösungsmittels zerstört und so aus dem Bohrloch entfernt werden.

Wie in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt, kann ein Rohrstrang 36 durch die Bohrlochverrohrung herabgelassen werden, die einen Kolben 37 trägt, der zwischen den oberen und unteren Flüssigkeitsöffnungen 20 und 21 in der Bohrlochverrohrung gegen die Innenwand der Bohrlochverrohrung expandiert wird. Die Säure oder das Lösungsmittel können dann durch den Rohrstrang 36 herabgepumpt werden, um aus dessen unteren perforierten Abschnitt 38 hinauszuströmen und werden nach oben durch die Flüssigkeitsöffnungen 22 und 21 in Zirkulation gesetzt, dann durch den Ringraum zwischen dem Rohrstrang 36 und der Bohrlochverrohrung 12, nachdem der ausdehnbare Mantel 15 zerstört wurde, in Kreislauf gesetzt. Wenn nur ein Satz von Differentialdruckscheiben 24 oder 25 während des Anfangsbetriebes zerrissen wird, kann durch den Rohrstrang 36 hinreichend Flüssigkeitsdruck zugeführt werden, um die restlichen, nicht zerrissenen Scheiben zu zerreißen, falls es für den Kreislauf notwendig ist. Eine Zerstörung des expandierbaren Mantels erlaubt dann eine chemische Behandlung der Formation in beliebiger gewünsch · ter Weise, und dieser folgen weitere übliche Maßnahmen.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zum Zementieren von öl- und Gasbohrungen oberhalb und unterhalb einer

   produzierenden Zone, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verrohrung (12), die auf einem Teilabschnitt (11) mit einem dehnbaren Mantel (15) versehen ist und durch Druckscheiben (25) verschlossene Öffnungen (21,22) aufweist, bis unter die produzierende Zone heruntergelassen wird, so weit, daß der mit dem dehnbaren Mantel versehene Teil der Verrohrung der produzierenden Zone gegenüberliegt, daß anschließend Zement durch die Verrohrung in den Ringraum zwischen der Verrohrung und der Wand des Bohrloches bis unter die, gegenüber der und oberhalb der produzierenden Zone gebracht wird, daß daraufhin der Durchgang durch die Verrohrung unterhalb der Öffnungen blockiert wird, daß nachher ein hydraulischer Druck in der Verrohrung ausgeübt wird, wodurch die Scheiben zerrissen werden, so daß Flüssigkeit durch die frei gewordenen Öffnungen gedrückt wird, um den Mantel zu dehnen, ao bis er die" Bohrlochwandung in der produzierenden Zone berührt.
2. 2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckscheiben durch Platten (26) abgedeckt sind, die an den Enden von Federarmen (18) sitzen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Mantels flüssigkeitsdicht an dem Rohrkörper des Teilabschnitts durch Klammern befestigt sind und eine Vielzahl von Federarmen mit dem einen Ende an jeder Klammer befestigt ist, die sich mit dem anderen Ende über einen Teil des dehnbaren Mantels erstrecken, um normalerweise diesen Mantel an dem Rohrkörper festzuhalten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   i 609547/143 6.56 (609 777 1.57)