DE3641103A1 - Totpump-ventil fuer eine foerdersonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Totpump-Ventil für eine Förder­ sonde, mit einer zwischen Abschnitte eines Steigrohrs der För­ dersonde einsetzbaren Innenhülse, die einen Durchlässe aufwei­ senden Wandbereich hat, und mit einer die Durchlässe abdecken­ den, an der Innenhülse längsverschiebbar angeordneten Außenhül­ se, die mit einem ersten Sollbruchelement an der Innenhülse fi­ xiert ist.

Fördersonden sind ausgebaute Tiefbohrungen, über die belie­ bige Medien, beispielsweise Öl, Wasser oder Gase aus der ange­ bohrten Lagerstätte gefördert werden. Die Lagerstätten stehen unter einem mehr oder weniger hohen Druck, durch den es zu un­ kontrollierten Eruptionen des Fördermediums durch die Förderson­ den kommen kann. Die Gefahr unkontrollierter Eruptionen ist insbesondere dann gegeben, wenn Schäden an den Fördersonden auftreten.

Es ist üblich, daß eine Fördersonde im Schadensfall "totge­ pumpt" wird, damit durch Eruptionen oder dergleichen kein wei­ terer Austritt des zu fördernden Mediums unter Lagerstätten­ druck erfolgen kann. Dieses Totpumpen erfolgt durch Eindrücken eines fließfähigen Mediums, z.B. einer Spültrübe in die Fördersonde. Die Fördersonden bestehen aus der Verrohrung der Bohrlochwandung, dem sog. Casing, und dem darin verlaufenden Steigrohr, dem sog. Tübing.

Es ist bekannt, in den Tübing ein sog. "Totpump-Ventil" einzusetzen. Das Totpump-Ventil sitzt in der Tiefe der Bohrung möglichst nahe an der Lagerstätte. Im Schadensfall erfolgt das Totpumpen entweder durch Hinabdrücken der Spültrübe in das Steigrohr. Das Sollbruchelement, mit dem die Außenhülse an der Innenhülse fixiert ist, ist derart bemessen, daß bei einem be­ stimmten Druck der Spültrübe ein Bruch erfolgt und die Außen­ hülse sich gegenüber der Innenhülse verschieben kann. Dadurch werden die Durchlässe in der Innenhülse freigegeben, so daß die Spültrübe aus dem Steigrohr über die Durchlässe in der In­ nenhülse in den Raum zwischen Steigrohr und Bohrlochwandung eintritt und wieder hochsteigt.

Es sind auch Totpump-Ventile bekannt, die derart ausgebil­ det sind, daß die Spültrübe zunächst in den Raum zwischen Steigrohr und Bohrlochwandung hinabgedrückt werden kann und dann, nach Brechen des Sollbruchelementes und Verschieben der Außenhülse, über die Durchlässe in der Innenhülse in das Steig­ rohr eintritt und wieder hochsteigt.

Bei der Installation von Totpump-Ventilen ist vorher fest­ zulegen, ob ein Totpumpen im Schadensfall von außen, d.h. Hin­ abdrücken der Spültrübe durch den Ringraum, oder von innen, d.h. Hinabdrücken der Spültrübe durch das Steigrohr, erfolgen soll. Je nach Art des eingebauten Totpump-Ventils ist man bei der jeweiligen Fördersonde dann auf das Totpumpen entweder von außen oder von innen festgelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Totpump-Ven­ til für eine Fördersonde dahingehend zu verbessern, daß es nach seiner Installation in die Fördersonde wahlweise für das Totpumpen von innen oder von außen verwendbar ist.

Ein zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenes Totpump-Ventil zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen Innenhülse und Außen­ hülse im Bereich der Durchlässe eine Ringkammer angeordnet ist, daß die Außenhülse in eine Endseite der Ringkammer mün­ dende Durchbrechungen hat, daß eine Endseite der Ringkammer durch einen Rezeß der Innenhülse und die jeweils andere End­ seite durch einen Rezeß der Außenhülse gebildet ist und daß der Abschnitt der Ringkammer, welcher zwischen der Einmündung der Durchbrechungen und dem Wandbereich mit Durchlässen liegt, durch einen in der Ringkammer längsverschiebbar angeordneten Ringkolben abgedichtet ist, der mit einem zweiten Sollbruchele­ ment an der Innenhülse fixiert ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Totpump-Ventil hat die in beson­ derer Art und Weise durch Rezesse der Hülsen ausgebildete Ringkammer den Vorteil, daß der darin angeordnete Ringkolben durch den Druck der in die Fördersonde hinabgedrückten Spültrü­ be verschoben werden kann, sobald das Sollbruchelement, mit dem er an der Innenhülse fixiert ist, bei einer bestimmten Kol­ benkraft, die vom Druck der auf den Ringkolben einwirkenden Spültrübe abhängig ist, gebrochen ist. Je nachdem, von wel­ cher Seite aus die Spültrübe in die Fördersonde hinabgedrückt wird, also entweder von innen, vom Steigrohr aus oder von außen, vom Ringraum aus, wird der Ringkolben in der Ringkammer des Totpump-Ventils nach oben oder nach unten geschoben.

Soll z.B. die Fördersonde von außen totgepumpt werden, so wird Spültrübe in den Ringraum zwischen Steigrohr und Bohrloch­ wandung hinabgedrückt und tritt durch die Durchbrechungen in der Außenhülse in die Ringkammer ein. Der Druck der Spültrübe wirkt auf die den Durchbrechungen zugekehrte Ringkolbenfläche und bringt, sobald ein bestimmter Druckwert überschritten ist, das zweite Sollbruchelement zum Brechen, so daß sich der Ring­ kolben in der Ringkammer nach oben verschieben kann. Dabei erfolgt die Verschiebung soweit, bis der Ringkolben die Durch­ lässe in der Innenhülse freigibt, so daß die von außen hinabge­ drückte Spültrübe nunmehr auch durch die Durchlässe in die In­ nenhülse und damit in das Steigrohr eintreten kann, um wieder in der Fördersonde aufzusteigen.

Soll die Fördersonde dagegen von innen totgepumpt werden, wobei die Spültrübe durch das Steigrohr hinabgedrückt wird, so tritt die Spültrübe zunächst durch die Durchlässe in der Innen­ hülse in die Ringkammer ein und drückt auf die zugekehrte Ring­ kolbenfläche. Nach Überschreiten eines vorbestimmten Druckes bricht zunächst das zweite Sollbruchelement, mit welchem der Ringkolben an der Innenhülse fixiert ist. Nach dem Brechen des zweiten Sollbruchelementes kann sich der Ringkolben soweit in der Ringkammer verschieben, bis er an der Endseite der Ringkam­ mer anschlägt, die durch einen Rezeß der Außenhülse gebildet ist. Steigt der Druck der hinabgedrückten Spültrübe weiter an, so bewirkt die auf die Außenhülse übertragene Kolbenkraft des Ringkolbens, das auch das erste Sollbruchelement bricht. Nun­ mehr wird sich die vom Ringkolben mitgeschleppte Außenhülse gegenüber der Innenhülse verschieben, bis die Außenhülse die Durchlässe in der Innenhülse freigibt, so daß die durch das Steigrohr hinabgedrückte Spültrübe frei in den Ringraum zwi­ schen Steigrohr und Bohrlochwandung eintreten und dort wieder aufsteigen kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Totpump-Ventil ist es möglich, eine Fördersonde wahlweise von innen oder von außen totzupum­ pen, so daß das Totpumpen in optimaler Weise auf den jeweils gegebenen Schadensfall anpaßbar ist.

Nach einer Weiterbildung zeichnet sich das Totpump-Ventil dadurch aus, daß der Sollbruchwert des zweiten Sollbruchelemen­ tes kleiner als der Sollbruchwert des ersten Sollbruchelemen­ tes ist. Dadurch läßt sich über den Druck der für das Totpum­ pen benutzten Spültrübe die jeweilige Einsetzart des Totpump- Ventils vorbestimmen. Aufgrund des kleineren Sollbruchwertes des zweiten Sollbruchelementes kann sich der Ringkolben in der Ringkammer zwischen Innenhülse und Außenhülse bereits bei ge­ ringerem Druck in der Spültrübe verschieben. Die Außenhülse verschiebt sich dagegen erst bei wesentlich höherem Druck. Der Ringkolben, der durch ein schwächeres Sollbruchelement fixiert ist, dient somit als ein über den Druck in der Spültrübe steuerbares Steuerelement für die Einschaltung der jeweiligen Einsetzart des Totpump-Ventils.

Bei dem erfindungsgemäßen Totpump-Ventil genügt bereits ein geringerer Druck in der Spültrübe, um von außen nach innen totzupumpen.

Wird dagegen von innen nach außen totgepumpt, muß der Druck in der Spültrübe höher sein, um das Sollbruchelement des Ringkolbens und auch das erste Sollbruchelement, mit dem die Außenhülse an der Innenhülse fixiert ist, zu zerbrechen, damit sich die Außenhülse gegenüber der Innenhülse verschieben kann.

Das zweite Sollbruchelement ist vorzugsweise ein Scher­ stift. Selbstverständlich kann auch das erste Sollbruchelement ein Scherstift sein, wobei die unterschiedlichen Sollbruchwer­ te z.B. durch einfache Abmessungsunterschiede oder unterschied­ lich feste Werkstoffe erreicht werden können. Der Scherstift, der die Funktion des ersten Sollbruchelementes übernimmt, hat beispielsweise einen größeren Durchmesser als der dem Ring­ kolben zugeordnete Scherstift.

Zur Verbesserung der Abdichtwirkung sind die Mantelflächen des Ringkolbens mit Ringnuten versehen, in die Dichtungsringe eingelegt sind.

Das erfindungsgemäße Totpump-Ventil besteht in vorteilhaf­ ter Weise aus wenigen einfachen Bauteilen, die durch spanab­ hebende Bearbeitung herstellbar sind. Wesentliche Bauteile sind die Innenhülse, die Außenhülse und der Ringkolben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich wei­ tere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dar­ gestellt. Es zeigen.

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch ein Totpump- Ventil, das in eine angedeutete Fördersonde instal­ liert ist,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des Totpump-Ven­ tils gemäß Fig. 2 in zwei verschiedenen Betriebs­ stellungen für das Totpumpen der Fördersonde von innen und

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Totpump-Ven­ tils in einer Betriebsstellung zum Totpumpen von außen.

In Fig. 1 ist eine Fördersonde lediglich schematisch ange­ deutet. Die Wandung 1 eines Bohrloches einer Tiefbohrung ist zu einer Fördersonde ausgestaltet, indem eine hier nicht wei­ ter dargestellte Verrohrung eingezogen wird, welche die Wan­ dung 1 des Bohrloches verkleidet. Diese verkleidende Verroh­ rung wird auch als "Casing" bezeichnet.

Von der Lagerstätte des zu fördernden Mediums bis zur Erd­ oberfläche verläuft ein aus mehreren Abschnitten zusammenge­ setztes Steigrohr 2, das auch als "Tübing" bezeichnet wird, von dem hier lediglich die Abschnitte 3 und 4 schematisch angedeutet sind.

Mit 5 ist eine in der Tiefe der Fördersonde sitzende Ab­ dichtung bezeichnet, die auch "Packer" genannt wird. Der Packer dichtet den Ringraum 6 zwischen Bohrlochwandung 1 und Steigrohr 2 ab, verschließt also die Lagerstätte des zu för­ dernden Mediums gegenüber der Fördersonde.

Im Bereich der Erdoberfläche sind weitere Dichtelemente 7, 8 und 9 vorhanden, wobei die Dichtelemente 7, 8 und 9 auch Ab­ sperrorgane sein können.

Zwischen die Abschnitte 3 und 4 des Steigrohres ist ein so­ genanntes Totpump-Ventil gesetzt, indem dessen Innenhülse 11 in Verlängerung der Abschnitte 3 und 4 des Steigrohres 2 mit den jeweiligen Enden der Abschnitte 3 und 4 verschraubt ist, was beispielsweise über entsprechende Gewindemuffen 12 und 13 erfolgen kann. Die Innenhülse 11 weist etwa im mittleren Be­ reich radial verlaufende Durchlässe 14 auf, die durch die Wan­ dung der Innenhülse geführt sind. Diese Durchlässe 14 werden durch eine außen an der Innenhülse 11 gehaltene Außenhülse 15 abgedeckt. Die Wandung der Außenhülse 15 ist mit Durchbrechun­ gen 16, die ebenfalls radial verlaufen, versehen. Mit 18 ist ein Dichtring bezeichnet, der in eine Nut der Innenhülse einge­ legt ist, und mit 19 ist ein Dichtring bezeichnet, der in eine Nut der Außenhülse eingelegt ist. Die Dichtringe 18 und 19 dienen der Abdichtung der Außenhülse gegenüber der Innenhülse.

Die Außenhülse 15 ist längsverschiebbar gegenüber der In­ nenhülse, wird jedoch durch ein erstes Sollbruchelement 20, das hier als Scherstift ausgebildet ist, zunächst an der Innen­ hülse fixiert. Mit 21 ist eine Ringkammer bezeichnet, die zwi­ schen Innenhülse 11 und Außenhülse 15 ausgebildet ist, wobei die Endseiten der Ringkammer durch einen Rezeß 22 der Innenhül­ se und einen Rezeß 23 der Außenhülse gebildet sind.

In der Ringkammer befindet sich ein Ringkolben 24, der die Ringkammer so abdichtet, daß zwischen den Durchlässen 14 und den Durchbrechungen 16 keine Verbindung besteht. Der Ringkol­ ben 24 ist mit Dichtringen 25 gegenüber den Anlageflächen von Innenhülse und Außenhülse abgedichtet und mit einem zweiten Sollbruchelement 26, das hier ebenfalls als Scherstift ausge­ bildet ist, an der Innenhülse fixiert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 und Fig. 3, in denen das Tot­ pump-Ventil gemäß Fig. 1 noch einmal dargestellt ist, ist die Funktion des Totpump-Ventils folgende:

Für den Fall, daß die gesamte Fördersonde von innen durch das Steigrohr totgepumpt werden soll, wird eine zum Totpumpen verwendbare Flüssigkeit, beispielsweise eine Spültrübe, über den Abschnitt 4 der Steigleitung in Richtung des Pfeiles 27 hinabgedrückt. Die Spültrübe tritt aus den Durchlässen 14 in der Innenhülse 11 aus, tritt in die Ringkammer 21 ein und drückt, wie dargestellt, von oben auf den Ringkolben 24.

Da der als zweites Sollbruchelement 26 dienende Scher­ stift, der den Ringkolben 24 an der Innenhülse 11 fixiert, bereits bei relativ geringen, auf den Ringkolben wirkenden Kräften abscheren kann, wird der Ringkolben in der Ringkammer nach unten verschoben, sobald der Scherstift abgeschert ist. Der Ringkolben 24 schlägt an den Rezeß 23 der Außenhülse 15 an und drückt aufgrund des weiter ansteigenden Druckes der Tot­ pump-Flüssigkeit, bzw. der Spültrübe, auf die Außenhülse 15, bis deren erstes Sollbruchelement 20, hier ebenfalls ein Scher­ stift, jedoch mit höherem Sollbruchwert als der Sollbruchwert des Scherstiftes 26, ebenfalls abschert und somit die Fixie­ rung der Außenhülse 15 gegenüber der Innenhülse 11 aufgehoben ist. Bei weiterem Verschieben drückt der Ringkolben die Außen­ hülse 15 in eine Stellung, die auf der linken Seite der Fig. 2 dargestellt ist, und bei der die Außenhülse 15 so weit verscho­ ben ist, daß die Durchlässe 14 in der Innenhülse freigegeben sind, so daß die zum Totpumpen verwendete Flüssigkeit im Ring­ raum 6 zwischen Bohrlochwandung 1 und Steigrohr 2 wieder auf­ steigen kann (in Richtung der eingezeichneten Pfeile).

In Fig. 3 ist das Totpump-Ventil in Betriebstellungen ge­ zeigt, die einem Totpumpen der Fördersonde "von außen" entspre­ chen.

Auf der rechten Seite der Zeichnung ist das Totpump-Ventil in der Ausgangsstellung entsprechend Fig. 1 gezeichnet, welche seiner Installation entspricht. Die Außenhülse 15 ist gegen­ über der Innenhülse 11 über das Sollbruchelement 20 noch fi­ xiert. Auch der Ringkolben 24 ist mit seinem Sollbruchelement 26 an der Innenhülse festgesetzt.

Für den Fall, daß die Fördersonde von außen totgepumpt wer­ den soll, wird beispielsweise eine Spültrübe in Richtung des Pfeiles 28 in den Ringraum 6 zwischen Steigrohr 2 und Bohrloch­ wandung 1 hinabgedrückt. Über die radialen Durchbrechungen 16 tritt das Medium in die Ringkammer 21 ein und drückt auf den Ringkolben 24. Sobald der Druck soweit angestiegen ist, da8 das zweite Sollbruchelement 26 abschert, wandert der Ringkol­ ben 24 in der Ringkammer 21 nach oben, bis er an den Rezeß 22 der Innenhülse 11 anschlägt. Diese Stellung ist auf der linken Seite der Fig. 3 dargestellt. In dieser Stellung hat der Ring­ kolben die Durchlässe 14 in der Innenhülse freigegeben, so daß die zum Totpumpen benutzte Spültrübe nun auch in die Innenhül­ se und damit in das Steigrohr eintreten und wieder zur Erdober­ fläche aufsteigen kann (s. eingezeichnete Pfeile).

Fig. 2 und Fig. 3 verdeutlichen somit, daß das in Fig. 1 dargestellte Totpump-Ventil sowohl für das Totpumpen einer För­ dersonde von außen als auch von innen wahlweise genutzt werden kann. Im Schadensfall kann die jeweils optimale Art des Totpum­ pens gewählt werden.

Claims (4)

1. Totpump-Ventil für eine Fördersonde, mit einer zwischen Abschnitte eines Steigrohres der Fördersonde einsetzbaren In­ nenhülse, die einen Durchlässe aufweisenden Wandbereich hat und mit einer die Durchlässe abdeckenden, an der Innenhülse längsverschiebbar angeordneten Außenhülse, die mit einem er­ sten Sollbruchelement an der Innenhülse fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innenhülse (11) und Außenhülse (15) im Bereich der Durchlässe (14) eine Ringkammer (21) angeordnet ist, daß die Außenhülse (15) in eine Endseite der Ringkammer (21) mün­ dende Durchbrechungen (16) hat, daß eine Endseite der Ringkam­ mer (21) durch einen Rezeß (22) der Innenhülse (11) und die je­ weils andere Endseite durch einen Rezeß (23) der Außenhülse (15) gebildet ist und daß der Abschnitt der Ringkammer (21), welcher zwischen der Einmündung der Durchbrechungen (16) und dem Wandbereich mit Durchlässen (14) liegt, durch einen in der Ringkammer (21) längsverschiebbar angeordneten Ringkolben (24) abgedichtet ist, der mit einem zweiten Sollbruchelement (26) an der Innenhülse (11) fixiert ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollbruchwert des zweiten Sollbruchelementes (26) kleiner als der Sollbruchwert des ersten Sollbruchelementes (20) ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Sollbruchelement (26) ein Scherstift ist.

4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mantelflächen des Ringkolbens (24) umlau­ fende Ringnuten mit einliegenden Dichtungsringen (25) aufwei­ sen.