NO812204L

NO812204L - Sementerings- og pakningsverktoey for broennhull

Info

Publication number: NO812204L
Application number: NO812204A
Authority: NO
Inventors: David Durward Szarka
Original assignee: Halliburton Co
Priority date: 1980-07-15
Filing date: 1981-06-26
Publication date: 1982-01-18
Also published as: CA1159360A; DE3125035A1; DE3125035C2; SG10585G; AR230475A1; NL189422B; GB2079819B; NL189422C; BR8104516A; GB2079819A; NL8102909A; IT8122959A0; IT1138076B; US4421165A; AU535244B2; AU7184581A

Description

Oppfinnelsen vedrører verktøy til bruk nede i et brønnhull for utførelse av sementering, og mer særskilt ved-rører oppfinnelsen en innretning utformet.for bruk ved flertrinns sementering av ringrommet mellom en brønnhullforing og borehullet.

Ved forberedelse av borehull for olje,- og/eller gassproduksjon er den såkalte sementering et viktig tiltak.

I hovedsaken består brønnsementeringen i at man blander

en sement- og vannmasse og pumper denne ned gjennom stål-foringen til kritiske steder i ringrommet rundt foringen,

i et åpne hull under foringen, eller i frakturerte formasjoner.

Sementering av en brønn beskytter mulige prod-uksjonssoner bak foringen mot saltvannsstrømmer og beskytter foringen mot korrosjon fra underjordisk mineralvann og elektrolyse fra utsiden. Sementering eliminerer også faren for at drikkevannlag og rekreasjonsvannlag forurenses av olje eller saltvann fra formasjoner som inneholder slike substanser. Videre hindrer sementeringen utblåsninger og branner som skyldes høytrykksgass-soner bak foringen, og hindrer foringen i å bryte sammen under påvirkningen av høye utvendige trykk som kan bygge seg opp i grunnen.

En sementering i den hensikt å tilveiebringe beskyttelse for de ovenfor nevnte forhold kalles primærsementering. Sekundærsementering innbefatter sementeringer som foretas i et brønnhull i dettes produksjons levetid, så

som utbedringssementering og reparasjoner av eksisterende sementerte områder. Foreliggende oppfinnelse egner seg særlig godt i forbindelse med primærsementering.

Før i tiden, da alle brønner var relativt grunne, ble sementeringen foretatt ved å føre sementmassen ned gjennom foringen og tilbake opp på utsiden av foringen, i ringrommet mellom foringen og borehullet.

Etter som brønnhullene bores dypere og dypere

for å finne frem til petroleumreservoarene, har det blitt stadig vanskeligere å foreta tilfredsstillende sementering av hele brønnhulen i fra bunnen av foringen, og man har

derfor utviklet flertrinns sementering som muliggjør sementering av ringrommet i separate trinn, idet man begynner i bunnen av brønnen og arbeider seg oppover.

Flertrinns sementering oppnås ved at man plass-erer sementeringsverktøy, som i hovedsaken er ventilåpninger,

i foringen eller i foringsskjøtene på et eller flere steder

i borehullet. Sement føres så ned gjennom bunnen av foringen og opp i ringrommet til det nederste sementerings-verktøy i brønnen. Deretter stenger man bunnen av forings-røret og åpner sementeringsverktøyet. Sement kan da strømme gjennom sementeringsverktøyet og opp i ringrommet til neste sementeringsverktøy, idet man derved gjennomfører et andre sementeringstrinn. Ytterligere sementeringstrinn kan gjenn-omføres ved å bruke ytterligere sementeringsverktøy.

Ved flertrinns-sementering vil det av og til

være ønskelig å ha en oppblåsbar foringsrørpakning plassert like under sementeringsverktøyet. Etter at det første sementeringstrinn er ferdig blåser man opp pakningen ved den øvre begrensning av den sement som er bragt på plass i det første sementeringstrinn, og deretter åpner man sem-enteringsverktøyet for gjennomføring av neste sementeringstrinn .

Det er kjent kombinerte sementerings- og pak-ningsverktøy. Det skal her eksempelvis vises til U patent-skriftene 3 524 503 og 3 948 322.

Det er også kjent verktøy hvor den oppblåsbare pakning innbefatter et oppblåsbart pakningselement som er bygget opp med en rørformet metallmembran inne i et elastom-ert oppblåsningslegeme. En slik utførelse er vist i US patentskrift 3 948 322.

Fra tidligere er det kjent sementeringsverktøy

som ligner meget på det sementeringsverktøy som benyttes i det nye kombinerte verktøy ifølge foreliggende oppfinnelse. Således er det sementeringsverktøy som benyttes i det nye kombinasjonsverktøy ifølge foreliggende oppfinnelse i hovedsaken lik det som er vist i US patentskrift 3 768 556.

Andre sementeringsverktøy er kjent i fra US patent-skriftene 3 768 562, 3 247 905, 3 228 473 og 3 223 160..

Fra US patentskrift 3 270 814 er det også kjent

en sementeringspakning.

Det kombinerte flertrinns-sementerings- og pak-ningsverktøy ifølge foreliggende oppfinnelse byr på flere fordeler sammenlignet med de kjente kombinerte verktøy, eller separate sementeringsverktøy og pakninger som benyttes sammen.

Et særlig problem ved verktøy som benyttes i et . brønnhull er at verktøyets maksimale ytterdiameter vil være begrenset av innerdiameteren til brønnboringen som verk-tøyet benyttes i, og den mindte innerdiameter vil vanligvis også bestemmes av ønsket om å kunne føre andre verktøy ned gjennom foringsstrengen. Ofte må man således holde seg til en viss minste innvendig løpsdiameter, og den konstruktive oppbygging av det spesielle verktøy vil derfor være avgjørende for ytterdiameteren til verktøyet. Jo tynnere man kan holde verktøyveggen, desto mindre vil verktøyets ytterdiameter kunne gjøres, desto lettere vil verktøyet kunne manipuleres i borehullet. Ved kombinerte sementerings- og paknings-verktøy og i verktøystrenger fremstilt av separate pakninger og sementeringsverktøy har den største ytterdiameter for de to komponenter alltid vært ytterdiameteren til den oppblåsbare pakning, idet denne har vært større enn ytterdiameteren til sementeringsverktøyet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et kombi-nasjonsverktøy hvor ytterdiameteren til det oppblåsbare pakningselement gjøres så liten som mulig, slik at den blir like eller mindre enn ytterdiameteren til selve sementerings-verktøyet. Dette gjør det mulig for kombinasjonsverktøyet å føres ned i brønnhull med mindre diameter enn det hittil har vært mulig for kombinerte verktøy.

Ytterligere fordeler oppnås ved at det nye verk-tøy er mer økonomisk i fremstilling og bruk enn to separate verktøy, som må koples sammen på stedet.

Foreliggende oppfinnelse innbefatter en oppblåsbar pakning med en pakningskjerne og et oppblåsbart pakningselement rundt kjernen. Oppfinnelsen innbefatter også et sementerings-verktøy med et sylindrisk ytre hus, åpninger i husets sidevegg, og ventiler for åpning og lukking av åpningene. Det sylindriske ytre hus er permanent festet til pakningskjernen og har en maksimal ytterdiameter som minst er like stor som det oppblåsbare pakningselements ytre diameter i oppblåst tilstand.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under hen-visning til tegningene, hvor

fig. IA og IB viser et snitt gjennom et kombi-nasjonsverktøy ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et snitt gjennom en oppblåsningsventil som er vist i fig. IB,

fig. 3 viser et snitt etter linjen 3-3 i fig.

2, og

fig. 4 viser et snitt etter linjen 4-4 i fig. 3.

Det kombinerte sementerings- og pakningsverktøy ifølge oppfinnelsen er vist spesielt i fig. IA og IB og er betegnet med henvisningstallet 10. Verktøyet 10 innbefatter et sementeringsverktøy 12 og en oppblåsbar pakning 14.

Den oppblåsbare pakning 14 innbefatter en kjerne-del 16 og et oppblåsbart pakningselement 18 som er anordnet konsentrisk rundt kjernen 16.

Et oppblåsningsventilhus 20 er forbundet med den nedre enden av pakningskjernen 16 og er skrudd sammen med denne ved skrueforbindelsen 22. En nedre overgang 24 er festet til huset 20 med skrueforbindelsen 26. Den nedre overgang 24 har en gjenget nedre ende 2 8 for innkopling i en ikke vist foringsstreng. Det oppblåsbare pakningselement 18 innbefatter en ringformet fast sko 30 som er forbundet med

kjernen 16 og ved hjelp av en låsering 32 som forbinder

skoen 30 med ventilhuset 20.

En ringformet glidesko 34 er konsentrisk plassert rundt en utvendig sylindrisk flate 36 på kjernen 16, med mellomliggende 0-ring 38.

En rørformet membran 40 er innspent mellom den faste sko 30 og glideskoen 34. Membranen 40 er fremstilt av et metall, eksempelvis aluminium, en aluminiumlegering,

stål eller rustfritt stål. Membranen 40 er relativ tynn og den er tett. Den fysiske egenskaper muliggjør at et mellomparti av membranen, mellom membranens øvre og nedre ender 42 og 44, kan ekspandere uten å briste, under oppblås-ingen av pakningen 14.

En elastomer blære 46 er innspent mellom den faste sko 30 og glideskoen 34 og er anordnet konsentrisk om membranen 40 og er forbundet med denne.

En innvendig sylinderflate 48 i membranen 40

har en radiell avstand i fra den ytre sylinderflaten 36 på kjernen 16, slik at det dannes et ringformet oppblåsningsrom 50. En oppblåsningspassasje 52 forbinder dette oppblåsningsrom 50 med oppblåsningsventilhuset 20.

Oppblåsningsventilhuset 20 er vist nærmere i fig. 2. Huset 20 innbefatter en oppblåsningsventil 54 som sørger for en forbindelse mellom oppblåsningspassasjen 52 og det indre løp 56 i pakningskjernen 16.

Oppblåsningsventilen 54 er fordelaktig utført

på samme måte som vist o g beskrevet i US patentsøknad nr. 048 977, 15. juni 1979 (Eugene E. Baker og Ernest E. Carter, Jr.) .

Oppblåsningsventilen 54 innbefatter et innløp 58 som står i forbindelse med løpet 56 i kjernen 16. Ventilen 54 innbefatter også en utløpspassasje 60 for forbindelse med oppblåsningspassasjen 52. Utløpspassasjen 60 innbefatter et langsgående parti 62 og et øvre ringparti 64.

En første boring 66 er uttatt i ventilhuset 20 for å tilveiebringe forbindelse mellom innløpet 58 og ringrommet mellom verktøyet 10 og brønnborehullet. Denne for-bindelsen skjer ved den nedre enden på 60 av boringen 66.

En andre boring 70 er anordnet i ventilhuset 20 og gir også forbindelse med ringrommet mellom verktøyet 10 og brønnborehullet ved den nedre enden 72.

En første åpning 74 forbinder første og andre boring 66 og 70 med hverandre, og en andre åpning 76 forbinder den andre boring 70 med utløpet 60.

Et første stempel 7 8 er anordnet i den første boring 66 og er med sine første og andre ender 80 og 82 anordnet for fluidumforbindelse med innløpet 58 henholdsvis ringrommet. Det første stempel 78 kan beveges mellom en første stilling, som vist i fig. 4, hvor stempelet blokkerer den første åpning 74,og en andre nedre stilling som gir fluidumforbindelse mellom innløpet 58 og den første åpning 74.

En skjærpinne 84 utgjør et middel for å holde det første stempel 78 i den førstnevnte stilling helt til et fluidumtrykkdifferensial mellom løpet 56 og ringrommet på utsiden av verktøyet 10 når en første bestemt verdi, eksempelvis 70 kg/cm o, og for frigjøring av det første stempel 78 slik at det kan beveges til sin andre stilling når trykkdifferensialet når den nevnte verdi.

Et andre stempel 86 er anordnet i den andre boring 70 har første og andre ender 88 og 90 anordnet for fluidumforbindelse med henholdsvis den første åpning 74 og ring-romme.t. Det andre stempel 86 kan beveges mellom en første stilling, som er vist i fig. 4, i hvilken stilling det er fluidumforbindelse mellom den første åpning 74 og den andre åpning 76, og en andre, nedover forskjøvet stilling, i hvilken stilling den andre åpning 76 blokkeres.

En skjærpinne 92 tjener til å holde det andre stempel 86 i den nevnte første stilling helt til fluidum-trykkdifferensialet når en andre bestemt verdi, eksempelvis ca. 100 kg/cm 2. Denne verdi er høyere enn den foran nevnte verdi. Skjærpinnen 92 vil frigjøre det andre stempel 86

når denne nevnte andre verdi nås, slik at stempelet derved kan beveges til den nevnte andre stilling i hvilken stempelet blokkerer åpningen 76.

En utslagningsplugg 9 4 er skrudd inn i løpet 58 og blokkerer innløpet 58 til å begynne med.

Sementeringsverktøyet 12 innbefatter et sylindrisk ytre hus 94 med en eller flere sementeringsåpninger 9 6 i side-veggen. Huset 94 har en nedre ende 9 8 med et gjengeparti 100 hvormed huset er skrudd sammen med pakningskjernens 16 øvre ende 104 hvor det er et tilsvarende gjengeparti 102. Huset 94 og kjernen 16 sammenkoples permanent ved hjelp av en sveise-søm 10 6 mellom endeflaten 10 8 på husets 9 4 nedre ende 9 8

og ytterflaten 110 på kjernen 16 ved kjernens øvre ende 104.

Ved å feste huset 94 og kjernen 16 permanent til hverandre får man et enhetlig verktøy 10 med flere tilhørende fordeler sammenlignet med separate sementeringsverktøy og oppblåsningspakninger, som må settes sammen på stedet.

Dersom det benyttes separate sementeringsverktøy og oppblåsbare pakninger så må pakningskjernens øvre ende over det oppblåsbare pakningselement strekke seg nesten en meter oppover slik at man kan få den nødvendige skrufor-bindelse med sementeringsverktøyet. Dette unngår man med foreliggende oppfinnelse idet det muliggjøres en innpakning i lengden på ca. en meter, sammenlignet med en separat pakning. I tillegg blir det avstand mellom sementeringsåpningene 96 og pakningselementet 18 mindre, slik at man også får mindre lengde av tilsvarende parti av ringrommet mellom verktøyet 10 og borehullet, dvs. det parti som av og til kan bli fylt dårlig med sement dersom det første sementeringstrinn ikke kjøres langt nok slik at sementen går forbi sementeringsåpningene 96.

Den maksimale ytterdiameter av huset 94 er minst like stor som den maksimale ytterdiameteren til det oppblåsbare pakningselement 18. Dette står i sterk motsetning til tidligere kjente utførelser hvor den oppblåsbare pakning alltid har hatt større diameter enn sementeringsverktøyet. Som følge herav kan det kombinerte verktøy ifølge oppfinnelsen brukes i borehull med mindre diameter enn tilfellet er for de tidligere kjente innretninger.

Den relativt tynne metallmembran 40 i kombinasjon med det elastomere legeme 46 som er bundet til utsiden av membranen gir et relativt tynt oppblåsbart paknings-

element i forhold til de fleste andre kjente utførelser,

og brukt i kombinasjon med de andre komponentene ifølge foreliggende oppfinnelse tillater dette at det oppblåsbare pakningselements 18 maksimale ytterdiameter kan holdes på

en verdi som ikke er større enn den maksimale diameteren til huset 94.

Det nye verktøy 10 virker på følgende måte: Verktøyet 10, som innbefatter sementeringsverk-tøyet og den oppblåsbare pakning 14, plasseres i en foringsstreng og senkes ned på plass i et brønnborehull på samme måte som vist i fig. 3-5 i US patentskrift 3 948 332.

Det første sementeringstrinn foretas ved at det pumpes sement ned gjennom foringsstrengen og ut gjennom bunnen av foringsstrengen og tilbake opp gjennom ringrommet mellom foringsstrengen og borehullet, opp til et nivå like over sementeringsverktøyet 12.

En avstengningsplugg pumpes ned i foringsrøret ved hjelp av et forskyvningsfluidum, vanligvis vann eller slam. Når avstengningspluggen går gjennom verktøyet 10

vil den påvirke utslagningspluggen 94 og skjære av denne og derved åpnes innløpet 58. Pluggen går så videre nedover til under verktøyet 10 og legger seg an mot et anslag anordnet i en krave eller en bunnsko i foringsstrengen.

Deretter øker man trykket i foringsstrengen

opp til den første bestemte verdi for trykkdifferensialet mellom innsiden av foringsstrengen og det ytre ringrom,

slik at det første stempel 78 i oppblåsningsventilen 54 beveges nedover og forbinder boringen 56 i kjernen 16 med passasjen 52, idet strømmen går gjennom boringen 66, den første åpning 74, rundt det andre stempel 86 i den andre boring 70, gjennom den andre åpning 76 og ut gjennom ut-løpet 60 i ventilen 54. Forskyvningsfluidet kan da strømme til pakningen 14 og blåse opp denne.

Pakningen 14 blåses opp umiddelbart etter at det første sementeringstrinn er ferdig. Dette er i motsetning til det som skjer ved innretningen i US patentskrift 3 948 322 hvor oppblåsnings- og sementeringsventiler er kombinert slik at pakningen ikke blåses opp før en åpningsplugg har åpnet seraenteringsventilen. I en slik innretning vil det være en forsinkelse mellom stengepluggens anslag og åpningen av sementeringsventilen ved hjelp av åpningspluggen.

Trykket i boringen 56 økes til en andre bestemt verdi og nå vil det andre stempel 86 bevege seg nedover og stenge den andre åpning 76 i oppblåsningsventilen 54. Oppblåsningsrommet 50 i pakningen 14 vil da ikke lenger ha forbindelse med løpet i foringsstrengen og oppblåsnings-trykket bibeholdes derfor i oppblåsningsrommet 50.

De nevnte første og andre bestemte trykknivåer eller trykkverdier kan varieres ved å variere utførelsen av skjærpinnene 84 og 92.

En åpningsplugg føres så ned i foringsstrengen og faller ned til anslag mot en sementeringsventil-åpnings-hylse 112 i sementeringsverktøyet 12. Trykket i foringsstrengen over åpningenpluggen økes helt til en eller flere skjærpinner 114 bryter, hvorved åpningshylsen 112 tillates å bevege seg nedover og åpner sementeringsåpningene 96.

Nå kan det andre sementeringstrinn utføres. Sement pumpes ned gjennom foringsstrengen og ut gjennom sementeringsåpningene 9 6 og inn i ringrommet og opp i dette.

Når det andre sementeringstrinn er ferdig og det er ønskelig å lukke sementeringsåpningene 96 blir en stengeplugg pumpet ned i foringsstrengen på toppen av sementeringsmassen. Pumpingen av denne avstengingspluggen skjer ved hjelp av et forskyvningsfluidum og pluggen bringes til anslag mot en oppadrettet skulder 116 i lukke-hylsén 118.

Trykket øker så igjen i foringsstrengen helt til en eller flere skjærpinner 120 bryter i stykker, hvorved lukkehylsen 118 frigjøres og kan bevege seg nedover og ta med seg mellomhylsen 122. Derved lukkes sementeringsåpningene 96.

Virkemåten til sementeringsverktøy såsom semen-teringsverktøyet 12 er beskrevet mer detaljert i US patentskrift 3 768 556.

Claims

Brønnhullverktøy, karakterisert ved at det innbefatter en oppblåsbar pakning med en pakningskjerne og et oppblåsbart pakningselement anordnet rundt kjernen, og et sementeringsverktøy med et sylindrisk ytre hus, åpninger i husets sidevegg, og ventiler for åpning og lukking av åpningene, idet det sylindriske ytre hus er festet til pakningskjernen og har en maksimal ytterdiameter som minst er like stor som den maksimale ytterdiameter for det nevnte oppblåsbare pakningselement når det er i ikke-oppblåst tilstand.
2. Brønnhullverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at.det sylindriske ytre hus er permanent festet til pakningskjernen.
3. Brønnhullverktøy ifølge krav 2, karakterisert ved at en ende av pakningskjernen innbefatter et utvendig gjengeparti som har gjengesamvirke med et innvendig gjengeparti på en ende av det nevnte hus i sementeringsverktøyet, og at pakningskjernen og det nevnte hus er permanent sammenfestet ved hjelp av en sveisefor-bindelse mellom en endeflate av den nevnte husende og en utvendig sylindrisk flate på pakningskjernen ved det nevnte utvendige gjengeparti.
4. Brønnhullverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at det oppblåsbare pakningselement innbefatter en ringformet fast sko som er fast forbundet med pakningskjernen, en ringformet slidesko som er konsentrisk anordnet rundt en ytre sylindrisk flate av pakningskjernen,

en sylindrisk membran innspent mellom den faste sko og glideskoen, hvilken membran har en tett vegg, og en elastomer blære innspent mellom den faste sko og glideskoen og anordnet konsentrisk om den nevnte membran.
5. Brønnhullverktøy.ifølge krav 4, karakterisert ved at membranen er en metallmembran.
6. Brønnhullverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den oppblåsbare pakning innbefatter en oppblåsningspassasje i forbindelse med en innerside av det oppblåsbare pakningselement, og en oppblåsningsventil for forbindelse mellom oppblåsningspassasjen og et innvendig løp i pakningskjernen.
7. Brønnhullverktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at den oppblåsbare pakning er en oppblåsbar foringsrø rpakning.
8. Brønnhullverktøy, karakterisert ved at det innbefatter en oppblåsbar foringsrørpakning med en pak-ningsk j erne i hvis ene ende det er et utvendig gjengeparti,

et oppblåsbart pakningselement anordnet rundt kjernen og utført med en ringformet fast sko som er fast forbundet med pakningskjernen, en ringformet glidesko som er konsentrisk anordnet rundt en ytre sylindrisk flate på pakningskjernen,

en sylindrisk med tett metallvegg utført membran innspent mellom den faste sko og glideskoen, og en elastomer blære innspent mellom den faste sko og glideskoen, og anordnet konsentrisk om den nevnte membran, en oppblåsningspassasje i forbindelse med en innerside av membranen, og en oppblåsningsventil for forbindelse mellom oppblåsningspassasjen og et innvendig løp i pakningskjernen, og et sementeringsverktøy med et sylindrisk ytre hus, åpninger i husets sidevegg og sementeringsventiler for åpning og lukking av åpningene, idet det sylindriske ytre hus har en ende med et innvendig gjengeparti beregnet for skrusamvirke med det nevnte utvendige gjengeparti på pakningskjernen, idet huset og pakningskjernen er permanent sammenfestet ved hjelp av en sveise-forbindelse mellom en endeflate av den nevnte husende og en ytterflate på pakningskjernen ved pakningskjernens utvendige gjengeparti, idet huset har en maksimal ytterdiameter som minst er like stor som en maksimal ytterdiameter av det oppblåsbare pakningselement når det oppblåsbare pakningselement ikke er oppblåst.