DE3002418A1

DE3002418A1 - Packeranordnung mit aufblaehbarem packer zur abdichtung von ringraeumen in bohrloechern und steuerventilanordnung fuer solche und aehnliche geraete

Info

Publication number: DE3002418A1
Application number: DE19803002418
Authority: DE
Inventors: Eugene Earl Baker; Jun Ernest Eugene Carter
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1979-02-02
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1980-08-14
Also published as: CA1132454A; NL187820B; NL7907852A; DE3002418C2; NL187820C; GB2040342B; NO800255L; GB2040342A

Description

PATENTANWÄLTE DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE . Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF

BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG Postfadi 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung

Halliburton Company, Duncan Oklahoma 73 533 USA

Packeranordnung mit aufblähbarem Packer zur Abdichtung von Ringräumen in Bohrlöchern und Steuerventilanordnung für solche und ähnliche Geräte

Die Erfindung betrifft eine Packeranordnung mit aufblähbarem Packer zur Abdichtung von Ringräumen in Bohrlöchern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs sowie eine Steuerventilanordnug für solche und ähnliche Geräte.

Ein aufblähbarer Packer ist ein in einem Bohrloch benutztes Gerät, welches mit Bohrlochflüssigkeit aufgebläht werden kann, um den Ringraum zwischen beispielsweise der Verrohrung und der Bohrlochwandung abzudichten. Er kann auch innerhalb der Verrohrung verwendet werden.

Aufblähbare Packer können in einem Bohrloch aus einer Vielzahl von Gründen angewandt werden. Sie können benutzt werden, um eine Zementsäule oberhalb einer Zone verlorener Zirkulation abzustützen. Sie können auch benutzt werden, um Produktionszonen gegen Zementiervorgänge zu isolieren.

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BAD ORIGINAL

Typische bekannte Steuerventile für aufblähbare Packer enthalten sowohl federbelastete Rückschlagventile als auch verschiedene Formen von Schieberventilen, um die Strömung von Bohrlochflüssigkeit zu dem aufblähbaren Teil zum Aufblähen desselben zu steuern.

Beispiele von federbelasteten Rückschlagventilen sind in der US-PS 3 437 142, der US-PS 3 085 628 und der US-PS 2 177 601 dargestellt. Beispiele für Schieberventile sind in der US-PS 3 524 503 und der US-PS 3 053 322 dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte räumliche Anordnung der Ventilanordnung zu dem Packer zu schaffen.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine solche Ventilanordnung so auszubilden, daß der Packer mit einem wohl definierten Druck aufgebläht wird und dann unter diesem Druck in aufgeblähtem Zustand gehalten werden kann,

Erfindungsgemäß wird die zuerst genannte Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

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BAD; !ORIGINAL

Fig. 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im

Schnitt, einer Packeranordnung mit aufblähbarem Packer und einer erfindungsgemäßen Steuerventilanordnung im gesetzten Zustand innerhalb einer

Ölbohrung.

Fig. 2A bis 2C zeigen einen vergrößerten Längsschnitt der Packeranordnung mit der Steuerventilanordnung von Fig. 1.

Fig. 3 ist eine isometrische Darstellung der Steuerventilanordnung, wobei ein Teil der Wandung derselben entfernt ist, um die Bohrungen und die diese ver

bindenden Durchgänge zu zeigen.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Bohrungen mit den Kolben und der Durchgänge der Ventilanordnung von Fig. 3.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Darstellung der Gegenbohrung der zweiten Bohrung der Ventilanordnung von Fig. 3. 25

Fig. 6 ist ein Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der Steuerventilanordnung .

Fig. 7 ist eine abgebrochene Schnittdarstellung längs der Linie 7-7 von Fig. 6.

Fig. 8 zeigt einen Schnitt längs der Linie 8-

von Fig. 7.

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BAD ORIGINAL

Die Packeranordnung ist generell mit 10 bezeichnet. Die Packeranordnung 10, die man allgemeiner als ein in einem Bohrloch benutztes Gerät bezeichnen kann, ist üblicherweise in einen Verrohrungsstrang 12 eingebaut, der generell als rohrförmiges Glied bezeichnet werden kann. Der Verrohrungsstrang 12 ist in einem Bohrloch 14 einer Ölbohrung angeordnet, so daß ein mantelförmiger Hohlraum oder Ringraum 16 zwischen dem Verrohrungsstrang 12 und dem Bohrloch 14 gebildet wird. Es ist dem Fachmann klar, daß die vorliegende Erfindung ebenso bei einem im Bohrloch benutzten Gerät verwendet werden könnte., daß mit einem Bohrstrang verbunden ist, welcher innerhalb eines von der Innenwandung einer Verrohrung gebildeten Bohrloch angeordnet ist.

Die Packeranordnung 10 enthält einen zylindrischen Innenteil 18 mit einem aufblähbaren Teil, der als Blase oder Packer 20 bezeichnet werden kann und mit dem Innenteil 18 zum Abdichten des Ringraumes 16 verbunden ist. Die Blase 20 und der Innenteil 18 bilden einen ringförmigen, flüssigkeitsgefüllten Raum 22, wenn die Blase^ zum Abdichten des Ringraumes 16 aufgebläht sind.

Eine generell mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnete Ventilanordnung enthält einen Einlaß 26, der mit dem Inneren des rohrförmigen Teils 12 über das Innere 28 des Innenteils 18 in Verbindung steht, und einen Auslaß 30, der mit dem ringförmigen Raum 22 in Verbindung steht. Die Ventilanordnung 24 stellt eine Verbindung zwischen dem Inneren 28 des Innenteils 18 und dem ringförmigen Raum 22 her, wenn eine Druckdifferenz der Flüssigkeit zwischen dem besagten Inneren 28 des Innen-

*" teils 18 und dem Ringraum 16 angrenzend an das untere Ende 54 der Ventilanordnung 24 einen ersten vorgegebenen Wert erreicht, so daß Flüssigkeit aus dem Inneren 28 in

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den ringförmigen Raum 22 strömt und die Blase 20, wie in Fig. 1 dargestellt, aufbläht.

Die Ventilanordnung 24 enthält auch ein Mittel zur Isolation des besagten Inneren 28 von dem ringförmigen Raum 22, wenn die besagte Druckdifferenz einen zweiten Wert erreicht, der höher als der besagte erste Wert ist, wobei jeder Verlust an Druckmittel aus dem ringförmigen Raum 22 bei der Abtrennung des Inneren 28 von diesem verhindert wird.

Wie in den Figuren 2A bis 2C dargestellt ist, enthält die Packeranordnung 10 einen oberen Körper 32, der mit einem oberen Ende 34 des Innenteils 18 verschraubt ist, um den Innenteil 18 mit dem Verrohrungsstrang 12 zu verbinden.

Die Blase 20 ist an ihrem oberen und unteren Ende mit oberen und unteren Packerschuhen 36 bzw. 38 verbunden. Der obere Packerschuh 3 6 liegt mit einer Mehrzahl von O-Ringen 42 abdichtend an der zylindrischen Außenfläche 40 des Innenteils 18 an. Wenn die Blase 20 im nicht-aufgeblähten Zustand ist, wie in Fig. 2 dargestellt, dann liegt der obere Packerschuh 36 an einem oberen Anschlagring 44 an. Der obere Anschlagring 44 ist mit der zylindrischen Außenfläche 40 des Innenteils 18 bei 46 verschweißt.

Die Ventilanordnung 24 enthält ein zylinderringförmiges ™ Ventilgehäuse 48, das konzentrisch um die Außenfläche des Innenteils 18 herum angeordnet ist. Das zylinderringförmige Ventilgehäuse 48 weist einen Einlaß 26 auf, der ständig mit einem Loch 50 fluchtet, welches in einer Wandung des Innenteils 18 vorgesehen ist und

mit dem Inneren 28 des Innenteils 18 in Verbindung steht.

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Das Ventilgehäuse 24 weist auch den Auslaß 30 auf, über welchen Druckmittel aus dem Inneren 28 in den ringförmigen, druckmittelgefüllten Raum 22 der Blase leitet. Die Blase 20 kann man als einen Bauteil eines im Bohrloch benutzten Geräts bezeichnen, der durch das Druckmittel aus dem Inneren des Innenteils 18 betätigbar ist.

Wie man am besten aus den Figuren 3 und 4 erkennt, enthält das Ventilgehäuse 48 weiterhin eine erste axiale Bohrung 52, welche den besagten Einlaß 26 mit einer Stirnfläche 54 des zylinderringförmigen Ventilgehäuse 48 verbindet. Das Ventilgehäuse enthält auch eine zweite axiale Bohrung 56, welche ebenfalls in der Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 48 mündet. Die Stirnfläche 54 grenzt an den Ringraum 16 um die zylindrischen Außenfläche 40 des Innenteils 18 herum.

Ein erster Durchgang, der· generell mit dem Bezugszeichen 58 bezeichnet ist, verbindet die erste und die zweite Bohrung 52 bzw. 56. Der erste Durchgang 58 enthält eine dritte Äxialbohrung 60, die von einer ersten und einer zweiten Querbohrung 62 bzw. 64 angeschnitten wird. Die Querbohrungen 62 und 64 schneiden auch die erste und die zweite Axialbohrung 52 bzw. 56 an.

Ein zweiter Durchgang, der generell mit 66 bezeichnet ist, verbindet die zweite Bohrung 56 mit dem Auslaß Der zweite Durchgang 66 enthält eine vierte axiale ™ Bohrung 68, welche die erste Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 24 mit dem Auslaß 30 verbindet. Der zweite Durchgang 66 enthält weiterhin eine dritte Querbohrung 70, welche die zweite und die vierte

Axialbohrung 56 bzw. 68 anschneidet. 35

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Diejenigen Enden der dritten und der vierten Axialbohrung 60 bzw. 68 und der ersten, zweiten und dritten Querbohrung 62,64 bzw. 70, die in der ersten Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 48 oder in der Außenfläche 72 des Ventilgehäuses 48 münden, werden nach dem Bohren durch Stopfen 54 verschlossen, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

Ein erster Kolben 76 ist gleitbeweglich in der ersten Bohrung 52 angeordnet. Der erste Kolben 76 hat ein erstes und ein zweites Ende 78 bzw. 80, die in Druckmitte Iverbindung mit dem besagten Einlaß 26 bzw. der ersten Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses stehen.

Der erste Kolben 70 ist zwischen einer in Fig. 4 dargestellten ersten Stellung, in welcher der den ersten Durchgang 58 absperrt, und einer zweiten Stellung beweglich, die aus der in Fig. 4 dargestellten Stellung nach rechts verschoben ist, so daß der Kolben an dem unteren Anschlagring 134 zur Anlage kommt. In der zweiten Stellung gestattet der Kolben eine Druckmittelverbindung zwischen dem Einlaß 26 und dem ersten Durchgang 58. Wenn der erste Kolben in dieser zweiten Stellung ist, ist das erste Ende 78 bis hinter die erste Querbohrung 62 nach rechts verschoben, so daß der Einlaß 76 mit der ersten Querbohrung 62 in Verbindung steht.

In Fig. 2C ist der erste Kolben 76 in seiner ersten Stellung gezeigt. Der erste Kolben 76 ist mit dem Ventilgehäuse 48 durch einen ersten Scherstift 82 verbunden. Der Scherstift 82 kann bezeichnet werden als Mittel zum Festhalten des ersten Kolbens 76 in der ersten Stellung, bis eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren 78 des Innenteils 18 und der ersten Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 48, d.h. dem Ringraum 16, einen ersten Wert erreicht, und zum Freigeben

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des ersten Kolbens 76, so daß er durch die Druckdifferenz in die zweite Stellung bewegt werden kann, wenn die Druckdifferenz den besagten ersten Wert erreicht.
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Der erste Kolben 76 enthält einen Abschnitt 83 von vermindertem Durchmesser zwischen seinem ersten und zweiten Ende 78 bzw. 80. Es ist sehr schwierig, eine lange Bohrung von relativ kleinem Durchmesser wie die erste Bohrung 52 so herzustellen, daß sie absolut gerade ist. Die Bohrung 52 hat üblicherweise irgendeine sehr geringfügige Krümmung oder sonstige Abweichung von der gewünschten geraden Linie. Der Abschnitt 83 des ersten Kolbens 76 mit vermindertem Durchmesser erteilt dem Kolben 76 hinreichende Flexibilität, so daß er sich geringfügig durchbiegen und sich an solche Abweichungen der Bohrung 52 anpassen kann, wenn sich der Kolben 76 zwischen seiner ersten und zweiten Stellung in der Bohrung 52 bewegt.

Das bietet einen Vorteil gegenüber einem Kolben von konstantem Durchmesser, der stärker zum Klemmen in einer von der Geraden abweichenden Bohrung neigen würde.

In der zweiten Bohrung 76 ist ein zweiter Kolben 84 gleitbeweglich angeordnet. Der zweite Kolben 84 weist ein erstes und ein zweites Ende 86 bzw. 88 auf. Das erste Ende 86 steht in Druckmittelverbindung mit dem ersten Durchgang 58, und das zweite Ende 88 steht in Druckmittelverbindung mit der ersten Stirnfläche

^ου des Ventilgehäuses, welche an den Ringraum 16 angrenzt.

Der zweite Kolben 84 ist zwischen einer ersten, in Fig. 4 dargestellten Stellung, welche eine Druckmittel-

Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Durchgang 58 bzw. 66 gestattet, und einer zweiten Stellung beweglich, die gegenüber der Fig. 4 dargestellten so

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nach rechts verschoben ist, daß die dritte Querbohrung 70 abgesperrt wird. In der zweiten Stellung sperrt somit der zweite Kolben 84 den zweiten Durchgang 66 ab.

Der zweite Kolben 84 weist einen Mittelabschnitt 90 von vermindertem Durchmesser auf, so daß wenn der zweite Kolben in der ersten Stellung ist, der erste und der zweite Durchgang 58 bzw. 66 über diese zweite Bohrung 56 um den in seinem Durchmesser verminderten Mittelabschnitt 90 des zweiten Kolbens 84 herum in Verbindung stehen.

Der zweite Kolben 84 ist in der ersten, in Fig. 4 dargestellten Stellung durch einen (nicht dargestellten) Scherstift ähnlich dem Scherstift 82 mit dem Ventilgehäuse 84 verbunden. Der den zweiten Kolben 84 mit dem Ventilgehäuse 48 verbundene Scherstift kann auch bezeichnet werden als Mittel zum Festhalten des zweiten Kolbens 84 in der ersten Stellung, bis die Druckdifferenz zwischen dem Inneren 28 des Innenteils 18 und der ersten Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 48 einen zweiten Wert erreicht, der höher als der besagte erste Wert ist, und zum Freigeben des zweiten Kolbens 84, so daß er durch die Druckdifferenz in seine zweite Stellung bewegt werden kann, wenn die Druckdifferenz den besagten zweiten Wert erreicht.

Der erste und der zweite Kolben 76 bzw. 84 weisen ™ jeder eine Mahrzahl von O-Ringen 92 zum Abdichten gegen die jeweiligen Bohrungen 52 bzw. 56 auf.

Der zweite Kolben 84 weist eine äußere Ringnut auf, die einen Sprengring 94 enthält. Wenn der zweite ^O<J Kolben 84 aus der in Fig. 4 dargestellten Stellung nach rechts in seine zweite Stellung verschoben ist, dehnt sich der Sprengring 94 aus und greift in eine

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Gegenbohrung 96, die konzentrisch zu der zweiten Bohrung 56 liegt und in der ersten Stirnfläche des Ventilgehäuses 24 endet. Das verriegelt den zweiten Kolben in der besagten zweiten Stellung und isoliert das Innere 28 des Innenteils 18 dauernd und automatisch von dem ringförmigen Raum 22, wenn die Druckdifferenz den besagten zweiten Wert erreicht.

In Fig. 5 sind Einzelheiten des Aufbaus der Gegenbohrung 96 dargestellt. Eine Schulter 98 zwischen der zweiten Bohrung 56 und der Gegenbohrung 96 ist unter einem Winkel 100 gegen eine zur Längsachse der Bohrung 56 senkrechten Ebene geschnitten. Der Winkel 100 ist vorzugsweise ungefähr 20 . Die Schulter 98 ist mit der Gegenbohrung 96 durch eine konische Fläche verbunden, die unter einem Winkel 104 zur Längsachse der Gegenbohrung 56 geneigt ist. Der Winkel 104 ist vorzugsweise ungefähr 15°. Diese Konstruktion der Gegenbohrung 96 hat den Vorteil, daß der Sprengring 94 beim Verriegeln in der Gegenbohrung 96 unterstützt wird.

Wie in Fig. 2C dargestellt ist, greift ein abschlagbarer Stopfen 1O6 in das Loch 50 in der Wandung des Innenteils 18 ein und sperrt dieses ab. Der abschlagbare Stopfen 106 enthält einen rohrförmigen Teil 108 mit einem Außengewinde 110, das in das Loch 50 eingreift. Der äbschlagbare Stopfen 106 weist auch einen Ansatz 112 auf, der radial in das Innere 28 des Innenteils 18 vorspringt. Der abschlagbare Stopfen 1O6 ist so aufgebaut, daß der Ansatz 112 durch eine Kraft von oben abgebrochen oder abgeschert werden kann.

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Der Ansatz 112 wird im allgemeinen dadurch abgeschert, daß ein Zementstopfen im Inneren der Verrohrung 12 und des Innenteils 18 hinuntergepumpt wird, oder dadurch daß irgendeim..anderes Werkzeug oder ein Bohrstrang in die Verrohrung 12 hinabgelassen wird und den abschlagbaren Stopfen 106 trifft und den Ansatz 112 abschert.

Der abschlagbare Stopfen 106 ist so aufgebaut, daß beim Abscheren des Ansatzes 112 dieses Abscheren in einem Punkt innerhalb des Loches 15 geschieht, so daß keine scharfen Kanten in das Innere 28 des Innenteils 18 vorstehen, welche durch die Verrohrung 12 bewegte Teile einschneiden könnten.

Wenn der Ansatz 112 des abschlagbaren Stopfens 106 abgeschert ist, gestattet dies eine Druckmittelverbindung zwischen dem Inneren 28 und dem Einlaß 26 des Ventilgehäuses 48 durch den rohrförmigen Teil des abschlagbaren Stopfens 106.

Die Ventilanordnung 24 ist so aufgebaut, daß sie sehr leicht mit dem Innenteil 18 zusammengebaut werden kann. Die Ventilanordnung weist das zylinderringförmige Ventilgehäuse 48 mit der ersten Stirnfläche und einer zweiten Stirnfläche 114 auf.

Eine zylindrische Innenfläche 116 des Ventilgehäuses 48 von konstantem Durchmesser verbindet die erste und die zweite Stirnfläche 54 bzw. 114. Die zylindrische Außenfläche 40 des Innenteils 48 ist eng von der zylindrischen Innenfläche 116 des Ventilgehäuses 48 umgeben. Diese zylindrische Außenfläche 40 des Innenteils 18 erstreckt sich über das erste und das zweite Ende 54 bzw. 114 des Ventilgehäuses 48 hinaus.

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BAD ORiGiNAL

Der Auslaß 30 der Ventilanordnung 24 umfaßt ein sich axial erstreckende Ringnut 118, die in der zweiten Stirnfläche 114 des Ventilgehäuses 48 gebildet ist. Die sich axial erstreckende Ringnut 118 bildet eine radial innere und eine radial äußere, axial sich erstreckende Zunge 120 bzw. 122, die konzentrisch zueinander verlaufen.

Ein Teil 124 des unteren ringförmigen Packerschuhs angrenzend an die -zweite Stirnfläche 114 des Ventilgehäuses 48 liegt in radialem Abstand von der zylindrischen Außenfläche 40 des Innenteils 18 und bildet einen Ringkanal 126, der mit der Ringnut 118 des Auslaßes 30 der Ventilanordnung 24 in Verbindung steht.

Die innere Zunge 120 an der ersten Stirnseite 114 des Ventilgehäuses 48 ist mit der Außenfläche 40 des Innenteils 18 bei 128 verschweißt. Die radial äußere Zunge 122 der ersten Stirnfläche 114 des Ventilgehäuses 48 ist mit dem unteren ringförmigen Packerschuh 48 bei 130 verschweißt. Diese Konstruktion gewährleistet eine sichere Befestigung durch volle 8 mm-Kehlnahtschweißungen 128 und 130, während sich

*■"* auch ein großer Strömungsquerschnitt durch den Schnitt der Ringnut 118 und des Ringkanals 126 ergibt.

Die erste Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 48 ist mit der zylindrischen Außenfläche 40 des Innen-^ου teils 18 bei 132 verschweißt. Die erste Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses 48 liegt an einem unteren Anschlagring 134, der selbst bei 136 mit dem Innenteil 18 verschweißt ist.

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BAD ORIGINAL

Ein oberer Abschnitt des unteren Anschlagrings 134 liegt in radialem Abstand von der Außenfläche 40 des Innenteils 18 und bildet so einen Ringraum 138, der mit der ersten Stirnfläche 54 des Ventilgehäuses und mit der ersten und der zweiten Bohrung 52 bzw. in Verbindung steht. Eine Entlastungsbohrung 1.40 stellt eine Verbindung zwischen dem Ringraum 138 mit dem Ringraum 16 zwischen dem Innenteil 18 und dem Bohrloch 14 her.
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Der baukastenartige Aufbau der oben beschriebenen Packeranordnung 10 gestattet den Zusammenbau einer Vielzahl von verschiedenen Gewichtsbereichen der Packeranordnung unter Verwendung des gleichen Packers oder Blase 20 und der gleichen Ventilanordnung 24. Alles, was erforderlich ist, um die Nenngröße der Packeranordnung 10 zu verändern, ist die Veränderung des Gewichts des Innenteils 18. Das vermindert erheblich die Herstellungskosten der Packeranordnung im Vergleich zu vorbekannten Konstruktionen, bei denen die Ventilanordnung aus einem Stück mit einem Teil der Verrohrung oder des Innenteils hergestellt ist.

Die Wirkungsweise der Packeranordnung 10 ist wie folgt: 25

Die Packeranordnung 10 wird aufgebaut und montiert, wie in den Figuren 1 und 4 dargestellt ist, mit dem ersten und dem zweiten Kolben 76 bzw. 84 in ihren ersten Stellungen, in denen sie durch die Scherstifte ge-

^ou halten werden. Dann wird die Packeranordnung, wie in Fig. 1 dargestellt ist, als integraler Teil der Verrohrung 12 eingebaut und in das Bohrloch 14 abgesenkt, bis der Packer 20 sich an derjenigen Stelle befindet, in welcher der Ringraum 16 zwischen der Verrohrung 12 und dem Bohrloch 14 abgedichtet werden soll.

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BAD ORIGINAL

Um ein vorzeitiges Aufblähen des Packers oder der Blase 20 beim Absenken der Verrohrung in das Bohrloch 14 zu verhindern, sind das Loch 50 und der Einlaß 26 durch den abschlagbaren Stopfen 106 verschlossen.

Wenn einml die Verrohrung in der richtigen Stellung ist und der Packer 20 aufgebläht werden soll, wird der Ansatz 112 des abschlagbaren Stopfens 106 abgeschert, so daß Druckmittel aus dem Inneren 28 des Innenteils 18 in den Einlaß 26 eintreten kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bleibt der erste Kolben 76 nach Entfernung des abschlagbaren Stopfens 106 in seiner ersten Stellung, bis eine Druckdifferenz an dem ersten Kolben, d.h. eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren 28 des Innenteils 18 und dem Ringraum 16, einen ersten vorgegebenen Wert erreicht, bei welchem der Scherstift 82 seiner Konstruktion nach abschert. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht dieser erste Wert einer Druckdifferenz von 100 bar (+ 10 bar für 99% Wahrscheinlichkeit)ο

Wenn die Druckdifferenz diesen ersten Wert erreicht, schert der Scherstift 82 ab und gestattet eine Bewegung des ersten Kolbens 84 in seine zweite Stellung, so daß Druckmittel durch den ersten Durchgang 58, die zweite Bohrung 56 und den zweiten Durchgang 66 zum Auslaß 30 strömen kann. Das Druckmittel strömt durch den Auslaß 30, dann durch den Ringkanal 126 und dann durch den engen Ringspalt 142 zwischen dem unteren Packerschuh 38 und der Außenfläche 40 des Innenteils 18 zu dem ringförmigen Raum 22 zwischen der Blase 20

und dem Innenteil 18.
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Wenn das Druckmittel unter Druck aus dem Inneren 28 des Innenteils 18 in den ringförmigen Raum 28 strömt, bläht es die Blase 20 auf aus der in Fig. 2A und 2B gezeigten, nicht-aufgeblähten Stellung in die aufgeblähte Stellung, die in Fig. 1 dargestellt ist.

Der ringförmige Raum 22 bleibt in Druckmittelverbindung mit dem Inneren 28 des Kerns 18, bis die Druckdifferenz zwischen dem Inneren 28 und dem ringförmigen Raum 16 einen zweiten Wert erreicht, bei welchem der Sperstift des zweiten Kolbens 84 nach seiner Konstruktion abschert und eine Bewegung des zweiten Kolbens 84 in seine zweite, ständig verriegelte Stellung gestattet. Wenn der zweite Kolben 84 in

Ί5 seiner zweiten Stellung ist, ist der zweite Durchgang 66 ständig vom Inneren 28 des Innenteils 18 abgetrennt, so daß die Blase 20 ständig aufgebläht bleibt. Der zweite Wert, bei welchem der Scherstift des zweiten Kolbens abschert, ist höher als der erste Wert der Druckdifferenz. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dieser zweite Wert 136 bar (+ 14 bar für 99% Wahrscheinlichkeit).

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß, wenn das zweite Ventil 84 sich aus seiner ersten Stellung in seine zweite Stellung bewegt und den zweiten Durchgang 66 absperrt, kein Druckmittelverlust aus dem ringförmigen Raum 22 auftritt. Das Volumen des zweiten Durchgangs 66, wenn sich der zweite

Kolben 84 in der ersten Stellung von Fig. 4 befindet, ist gleich dem Volumen des zweiten Durchgangs 66, wenn der zweite Kolben 84 in seiner zweiten Stellung ist, in welcher er den Durchgang 66 absperrt. Automatische Steuerventile für bekannte aufblähbare Packer ent-

halten Mittel zum automatischen Absperren der Druckmittelzufuhr zu dem aufblähbaren Packer. Diese bekannten Steuerventile haben aber üblicherweise einen Aufbau wie

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der nach US-PS 3 524 503 mit einem Schieberkolben, dessen eines Ende in Druckmittelverbindung mit dem ringförmigen Raum 22 ist, so daß, wenn ein gewisser Druck in dem ringförmigen Raum 22 erreicht ist, der Schieberkolben in eine Schließstellung bewegt wird. Bei einer solchen bekannten Konstruktion bewirkt aber die Bewegung des Schieberkolbens in die zweite, geschlossene Stellung daß das in Druckmittelverbindung mit der ringförmigen Kammer 22 stehende Ende des Schieberkolbens von dieser wegbewegt wird, so daß eine kleine Menge von Druckmittel aus dem ringförmigen Raum verlorengeht.

Bei den Anwendungen der vorliegenden Erfindung, bei denen das Druckmittel üblicherweise eine inkompressible Flüssigkeit wie Wasser oder Bohrschlamm ist und unter sehr hohem Druck in einer tiefen Ölbohrung steht, kann der Verlust auch einer sehr geringen Flüssigkeitsmenge, z.B. 1 cm , einen erheblichen Druckabfall in dem ringförmigen Raum 22 hervorrufen. Da die Fähigkeit des aufgeblähten Packers 20 zum Abstützen einer Druckmittelsäule oberhalb des Packers in dem Ringraum 16 direkt von dem Aufblähdruck des ringförmigen Packers 20 abhängt, führt dieser Druckverlust innerhalb des ringförmigen Raumes 22 direkt zu einer geringeren Nennleistung des aufblähbaren Packers.

Obwohl die Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den Figuren 1 bis 5 dargestellt ist, gegenwärtig 3" vorzuziehen ist, wurde auch eine andere Ausführungsform entwickelt, die in den Figuren 6 bis 8 dargestellt ist und einen zweiten Kolben ähnlich dem Schieberkolben der US-PS 3 524 503 enthält. Obwohl die Ausführungsform nach Fig. 6 bis 8 in oben erörterten Nachteil eines Volumenverlust aus dem ringförmigen Raum 22 nach Schließen des zweiten Kolbens zeigt, bietet er nichtsdestoweniger viele

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andere wünschenswerte Merkmale der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 5.

Die Steuerventilanordnung der Figuren 6 bis 8 ist generell mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet. Fig. ist ein Schnitt ähnlich Fig. 2C und zeigt nur die Steuerventilanordnung.

Die Steuerventilanordnung 200 enthält einen Innenteil 202 und ein Ventilgehäuse 204, das mit dem Innenteil 202 verbunden ist. Das Ventilgehäuse 204 enthält einen Einlaß 206, welcher,eine Verbindung des Ventilgehäuses 204 mit dem Inneren des rohrförmigen Teils 12 durch das Innere 208 des Innenteils 202 herstellt.

Das Ventilgehäuse 204 enthält weiterhin einen Auslaß 210 (siehe Fig. 8) über welchen Druckmittel zu der Blase 20 geleitet wird. In dem Ventilgehäuse ist eine erste Bohrung 212 angeordnet, welche eine Verbindung zwischen dem Einlaß 106 und dem Ringraum zwischen dem rohrförmigen Teil 12 und dem Bohrloch herstellt. Die erste Bohrung 23 2 steht mit dem Ringraum 16 über ein erstes Entlastungsloch 214 in Verbindung, das im wesentlichen radial in einer Wandung descV-entilgehäuses 204 vorgesehen ist.

In dem Ventilgehäuse 204 ist auch eine zweite Bohrung 216 vorgesehen, die mit dem Ringraum 16 über ein 3" zweites Entlastungsloch 218 in Verbindung steht.

Ein erster Durchgang 220 verbindet die erste und die zweite Bohrung 212 bzw. 210. Ein zweiter Durchgang 222 verbindet die zweite Bohrung 216 und den Auslaß 210.

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In der ersten Bohrung 212 ist ein erster Kolben 224 angeordnet, der ein erstes und ein zweites Ende 226 bzw. 228 aufweist, die mit dem Einlaß 206 bzw. dem Ringraum 16 in Verbindung stehen. Der erste Kolben β 224 ist zwischen einer ersten, in Fig. 6 dargestellten Stellung, in welcher er den ersten Durchgang 222 absperrt, und einer zweiten Stellung beweglich, bei welcher er in der Bohrung 23 2 nach oben verschoben ist und eine Druckmittelverbindung zwischen dem Einlaß ]Q 206 und dem ersten Durchgang 220 freigibt.

In einer zweiten Bohrung 216 ist ein zweiter Kolben 230 angeordnet, der ein erstes und ein zweites Ende 23 2 bzw. 234 aufweist, die mit dem ersten Durchgang 220 bzw. dem Ringraum 216 in Verbindung sind, wenn der zweite Kolben 230, wie in Fig. 8 dargestellt, in seiner ersten Stellung ist. Der zweite Kolben ist in eine zweite Stellung beweglich, die in der Bohrung 216 nach unten verschoben ist und in welcher er den zweiten Durchgang 222 absperrt.

Der zweite Kolben 230 weist eine axiale Sacklochbohrung 236 auf, die mit dem zweiten Durchgang 222 in Verbindung steht, und eine Radialbohrung 238, welche eine Verbindung zwischen der Sacklochbohrung 236 und dem ersten Durchgang herstellt, wenn der zweite Kolben 230 in seiner ersten Stellung ist. Wenn der zweite Kolben 230 in seine zweite Stellung bewegt wird, wird die Radialbohrung 238 aus der Fluchtung mit dem ersten Durchgang 220 bewegt.

Das erste Ende 232 des zweiten Kolbens 230, welches von dem Druckmitteldruck innerhalb sowohl des ersten als auch des zweiten Durchganges 220 bzw. 222 beaufschlagt ist, wenn sich der zweite Kolben 230

03UÖ33/059

in seiner ersten Stellung befindet, enthält das geschlossene Ende der Sacklochbohrung 23 6, wie in Fig. 8 angedeutet ist. Es enthält auch die ringförmige Stirnfläche 240 am obersten Ende des zweiten Kolbens 230.

Der erste und der zweite Kolben 224 bzw. 230 sind durch Scherstifte 242 bzw. 244 in ihren ersten Stellungen gehalten, die in gleicher Weise wirken wie die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 bis 5 beschriebenen Scherstifte.

030033/05°

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Packeranordnung mit aufblähbarem Packer zur Abdichtung von Ringräumen in Bohrlöchern, enthaltend:

einen zylindrischen Innenteil,

einen Packer, der um eine zylindrische Außenfläche des Innenteils herum angeordnet ist und einen aufblähbaren Teil enthält, und

eine Ventilanordnung, die mit dem Packer verbunden ist und durch welche Druckmittel unter Druck dem Packer zum Aufblähen des aufblähbaren Teils zuleitbar ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

^ου (a) die Ventilanordnung (24) ein zylindrisches Ventilgehäuse (48) mit einem ersten und einem zweiten Ende (54 bzw. 114) und einer sich zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckenden zylindrischen Innenfläche (116)

enthält,

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(b) die zylindrische Außenfläche (40) des Innenteils (18) von der zylindrischen Innenfläche (116) des Ventilgehäuses (48) eng umschlossen wird und

(c) die zylindrische Außenfläche (40) des.

Innenteils (18) sich sowohl über das erste als auch über das zweite Ende (54,114) des Ventilgehäuses (48) hinauserstreckt. 10

2. Packeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Innenfläche (116) des Ventilgehäuses (48) einen konstanten Innendurchmesser besitzt.

3. Packeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Packer einen ringförmigen Packerschuh (36) aufweist, der mit einem Ende des aufblähbaren Teils (20) verbunden ist,

(b) das eine Ende des Ventilgehäuses (48) mit diesem ringförmigen Packerschuh (36) verbunden ist und

(c) die Ventilanordnung (24) weiterhin

(C₁) einen mit dem Inneren (28) des Innenteils (18) verbundenen Einlaß (26),

(c„) einen Auslaß (30) an dem mit dem Packerschuh (36) verbundenen Ende (114) des

Ventilgehäuses (48) und 35

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(c-d) einen in dem Ventilgehäuse (48) verlaufen

den Durchgang aufweist, der den Einlaß (26) und den Auslaß (30) miteinander verbindet.

4. Packeranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (30) der Ventilanordnung (24) eine an dem einen Ende (114) des Ventilgehäuses (48) angeordnete, sich axial erstreckende Ringnut (118) ist, welche eine konzentrische radial innere und eine konzentrische radial äußere, sich axial erstreckende Zunge (120 bzw. 122) bestimmt.

5. Packeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein an das Ventilgehäuse (48) angrenzender Teil des ringförmigen Packerschuhs (36) in radialem Abstand von der zylindrischen Außenfläche (40) des Innenteils (18) liegt und einen ringförmigen Durchgang (126) zwischen dem Packerschuh (36) und dem Innenteil (18) bildet und dieser ringförmige Durchgang (126) mit der Ringnut (118) des Auslasses (30) der Ventilanordnung in Verbindung steht.

6. Packeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die radial innere Zunge (120) an dem einen Ende (114) des Ventilgehäuses (48) mit der

Außenfläche (40) des Innenteils (18) verschweißt ist und

(b> die radial äußere Zunge (122) an dem einen Ende (114) des Ventilgehäuses (48) mit dem

ringförmigen Packerschuh (36) des Packers verschweißt ist.

Ü 0 3 37 0 ϊ ^u

7. Steuerventilanordnung für ein in einem Bohrloch benutztes Gerät, das mit einem in ein Bohrloch absenkbaren, rohrförmigen Glied verbindbar ist, insbesondere für eine Packeranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

(a) einen Innenteil (18),

(b) ein mit dem Innenteil (18) verbundenes Ventilgehäuse (48) enthaltend

(b₁) einen mit dem Inneren (28) des rohrförmigen Glieds (12) verbindbaren Einlaß (26),

(b~) einen Auslaß (30), über welchen ein

Druckmittel einem druckmittelbetätigbaren Bauteil (20) des Geräts zuleitbar ist,

(b₃) eine erste Bohrung (52), die in dem

Ventilgehäuse (48) vorgesehen ist und über welche der Einlaß (26) mit einem Ringraum (16) zwischen dem rohrförmigen Glied (12) und dem Bohrloch (14) in

Verbindung steht,

(b.) eine zweite Bohrung (56), die in dem

Ventilgehäuse (48) vorgesehen ist und ebenfalls mit dem Ringraum (16) in

Verbindung steht,

(be) einen ersten Durchgang (58), welcher die erste und die zweite Bohrung (52,56) miteinander verbindet, und

03

(b_fi) einen zweiten Durchgang (66) , welcher

die zweite Bohrung (56) und den Auslaß (30) miteinander verbindet,

(c) einen ersten Kolben (76), der in der ersten Bohrung (52) angeordnet ist und der ein erstes und ein zweites Ende (78,80) aufweist, welche von dem Druckmitteldruck in dem Einlaß (26) bzw. dem Druckmitteldruck in dem Ringraum (16) beaufschlagbar sind, und der

zwischen einer ersten Stellung, in welcher er den ersten Durchgang (58) absperrt, und einer zweiten Stellung beweglich ist, in welcher er eine Druckmittelverbindung zwischen dem Einlaß (26) und dem ersten Durchgang (58)

freigibt,

(d) Mittel (82) zum Festhalten des ersten Kolbens

(76) in der ersten Stellung, bis eine Druckdifferenz zwischen dem Inneren des rohrförmigen Gliedes (12) und dem Ringraum (16) einen ersten vorgegebenen Wert erreicht, und zum Freigeben des ersten Kolbens (76) , so daß er durch die Druckdifferenz in die zweite ^ Stellung bewegbar ist, wenn diese Druck

differenz den ersten vorgegebenen Wert erreicht,

(e) einen zweiten Kolben (84), der in der zweiten Bohrung (56) angeordnet ist und ein erstes und ein zweites Ende (86,88) aufweist, welche von dem Druckmitteldruck in dem ersten Durchgang (58) bzw. in dem Ringraum (16)

beaufschlagbar sind, und der zwischen einer

ersten Stellung, in welcher er eine

Druckmittelverbindung zwischen dem ersten und

] dem zweiten Durchgang (58 bzw. 66) freigibt,

und einer zweiten Stellung bewegbar ist, in welcher er den zweiten Durchgang (66) absperrt, und

(f) Mittel zum Festhalten des zweiten Kolbens (84)

in seiner ersten Stellung, bis die besagte Druckdifferenz einen zweiten vorgegebenen Wert erreicht, der höher als der erste vorgegebene Wert ist, und zum Freigeben des

zweiten Kolbens (84), so daß er durch die Druckdifferenz in seine zweite Stellung bewegbar ist, wenn die Druckdifferenz den zweiten vorgegebenen Wert erreicht.

8. Steuerventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Ventilgehäuse (48) zylinderringförmig

ist und eine erste Stirnfläche (54) aufweist,

welche an den Ringraum (16) angrenzt, und

(b) die erste und zweite Bohrung (52,56) erste bzw. zweite Axialbohrungen sind, welche in der besagten ersten Stirnfläche (54) münden.

9. Steuerventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das zylinderringförmige Ventilgehäuse (48) konzentrisch um den Innenteil (18) herum angeordnet ist und

(b) der Einlaß (26) des zylinderringförmigen Ventilgehäuses (48) ständig fluchtend mit

einem in einer Wandung des Innenteils (18) gebildeten Loch (50) angeordnet ist.

0 3 ύ :. 3 3 / 0 Sb

3O

Π24 1

10. Steuerventilanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß entfernbare Mittel (106) zum Absperren des Loahs (50) in der Wandung des
Innenteils (18) vorgesehen sind.

11. Steuerventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (30) des Ventilgehäuses (48) eine sich axial erstreckende
Ringnut (118) enthält, die auf einer zweiten

Stirnfläche (114) des zylinderringförmigen Ventilgehäuses (48) gebildet ist.

12. Steuerventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (48) an

seinen Enden mit dem Innenteil (18) verschweißt ist.

13. Steuerventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das zylinderringförmige Ventilgehäuse (48) in der besagten ersten Stirnfläche (54) eine Gegenbohrung (96) konzentrisch zu der zweiten Bohrung (56) aufweist und

(b) der zweite Kolben (84) einen Sprengring (94) trägt, der in der zweiten Stellung dieses Kolbens (84) in die Gegenbohrung (96) einrastet und den zweiten Kolben (84) in seiner

^ zweiten Stellung verriegelt.

14. Steuerventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

^⁵ (a) die Mittel (82) zum Festhalten des ersten Kolbens (7 6) von einem ersten Scherstift
gebildet sind, welcher den ersten Kolben (76) mit dem Ventilgehäuse (48) verbindet, und

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0 3 ^!- -■ > 3 / 0
BAP

(b) die Mittel zum Festhalten des zweiten

Kolbens (84) von einem zweiten Scherstift gebildet sind, welcher den zweiten Kolben (84) mit dem Ventilgehäuse (48) verbindet.

15. Steuerventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (84) einen Abschnitt (90) von vermindertem Durchmesser aufweist, so daß dann, wenn der zweite Kolben (84) in seiner ersten Stellung ist, der erste und der zweite Durchgang (58 bzw. 66) über die zweite Bohrung (56) um den Abschnitt (90) von vermindertem Durchmesser herum miteinander in Verbindung stehen.

16. Steuerventilanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des zweiten Durchgangs (66), wenn der zweite Kolben (84) in seiner ersten Stellung ist, gleich ist dem Volumen des zweiten Durchgangs (66), wenn der zweite Kolben (84) in seiner zweiten Stellung ist.

17. Steuerventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (76) zwischen seinem ersten und seinem zweiten Ende (78 bzw. 80) einen Abschnitt (83) von vermindertem Durchmesser aufweist, so daß sich der erste Kolben (7 6) bei seiner Bewegung in der ersten Bohrung (52) zwischen der ersten und der zweiten Stellung durchbiegen kann.

18. Steuerventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Bohrung (212 bzw. 216) mit ersten bzw. zweiten Entlastungslöchern (214 bzw. 218) verbunden sind, welche im wesentlichen radial durch eine Wandung des Ventilgehäuses (204) verlaufen und mit dem Ringraum (16) in Verbindung stehen.

ü 3 . -3/P'.

- 9-

30024 Ί

19. Steuerventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (230) eine mit dem zweiten Durchgang (222) in Verbindung stehende axiale Sacklochbohrung (236) und eine Radialbohrung

(238) aufweist, über welche die Sacklochbohrung

(236) mit dem ersten Durchgang (220) in Verbindung steht, wenn sich der zweite Kolben (230) in seiner ersten Stellung befindet.