DE60106529T2

DE60106529T2 - Bohrlochpacker mit Käfigkugelventil

Info

Publication number: DE60106529T2
Application number: DE60106529T
Authority: DE
Inventors: Kevin T. Marlow Berscheidt; Donald R. Wilson Smith; Lee Wayne Comanche Stepp; Don S. Duncan Folds; Gregory W. Duncan Vargus
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: NO20013332D0; US6394180B1; EP1384850A2; NO20013332L; DK1172521T3; CA2352905A1; EP1172521A3; US20020096365A1; EP1172521B1; EP1384850A3; EP1172521A2; DE60106529D1; CA2352905C; US6491116B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Tieflochgerät für die Anwendung in Öl- und Gasbohrlöchern, und insbesondere auf einen Tieflochpacker mit Ventil oder einen Frak-Plug.
Während des Bohrens oder der Reparatur von Ölbohrlöchern wird eine sehr umfangreiche Reihe von Tieflochwerkzeugen angewendet. Es ist dabei zum Beispiel oft wünschenswert, eine Rohranordnung oder ein anderes Rohr innerhalb der Verrohrung des Bohrloches abzudichten, zum Beispiel wenn es erwünscht ist, Zement oder einen anderen Schlamm in die Rohranordnung einzupumpen und den Schlamm dann in eine Formation hinein zu verdrängen, wobei die Anwendung jedoch nicht auf diese Verfahren beschränkt ist. Es wird dabei notwendig sein, die Rohranordnung im Verhältnis zu der Verrohrung abzudichten und den Flüssigkeitsdruck des Schlammes daran zu hindern, die Rohranordnung aus dem Bohrloch herauszuheben. Tieflochwerkzeuge, welche als Packer und Bridge-Plugs bezeichnet werden, werden für diese allgemeinen Zwecke entworfen und sind dem Fachmann auf dem Bereich des Förderns von Öl und Gas sehr wohl bekannt.
Der Druckpacker EZ Drill SV^® umfasst zum Beispiel ein festgestelltes Ringgehäuse, einen oberen Schieberkeil, einen unteren Schieberkeil, und eine untere Schieberstütze, welche aus weichem Gußeisen hergestellt wird. Diese Komponente sind an einer Spindel befestigt, welche aus einem mittelharten Gußeisen gefertigt wird. Der Druckpacker EZ Drill^® ist ähnlich konstruiert. Der Halliburton Bridge-Plug EZ Drill^® ist auch ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, dass derselbe keinen Flüssigkeitsfluß durch denselben ermöglicht.
Alle der oben aufgeführten Packer werden im Verkaufs- und Kundendienstkatalog Nr. 43 des Unternehmens Halliburton Services auf den Seiten 2561-2562 angeboten, und der Bridge-Plug wird in demselben Katalog auf Seiten 2556-2557 angeboten.
Der Packer und der Bridge-Plug EZ Drill^® und der Packer EZ Drill SV^® wurden für ein schnelles Entfernen derselben aus dem Bohrloch, entweder mit Hilfe der Rotier- oder der Kabelwerkzeugbohrmethode, entworfen. Viele der Komponente dieser herausbohrbaren Packergeräte sind miteinander verriegelt, um ein Drehen derselben während des Bohrens zu verhindern, und die härteren Schieber umfassen Rillen, so dass sie in kleine Stücke zerbrochen werden können. Es werden normalerweise standardgemässe „dreikegelige" Rotierbohrkronen angewendet, welche mit Geschwindigkeiten von ungefähr 75 bis ungefähr 120 upm rotiert werden. Eine Gewichtslast von ungefähr 5,000 bis ungefähr 7,000 Pfund (2268-3175 kg) wird während des anfänglichen Bohrens auf die Bohrkrone auferlegt und wird wenn erforderlich gesteigert, um den Rest des Packers oder des Bridge-Plugs herauszubohren, wobei diese von der jeweiligen Grösse derselben abhängen wird.
Bohrmanschetten können wenn erforderlich für die Stabilisierung des Gewichtes und der Bohrkrone angewendet werden.
Solche herausbohrbaren Geräte funktionieren sehr gut und ermöglichen eine verbesserte Betriebsleistung bei relativ hohen Temperaturen und Drucken. Die weiter oben erwähnten Packer und Bridge-Plugs wurden so entworfen, dass sie nach ihrem Feststellen innerhalb des Bohrloches Drucken von ungefähr 10,000 psi (700 Kg/cm²) und Temperaturen von ungefähr 425°F (220°C) widerstehen können. Solche Drucke und Temperaturen fordern das Anwenden der weiter oben schon beschriebenen Gußeisenkomponente.
Diese herausbohrbaren Eisenkomponente setzen jedoch das Anwenden bestimmter Techniken voraus. Im Idealfall verwendet das Betriebspersonal Variationen der Rotiergeschwindigkeit und des Bohrkronengewichts, um auf diese Weise die Metallteile zu zerbrechen und die Bohrkronenpenetrierung erneut zu etablieren, wenn dieselbe während des Bohrens unterbrochen wird. Ein Phänomen, welches als „Bit-Tracking" bekannt ist, kann auftreten, wobei die Bohrkrone einen bestimmten Pfad verfolgt und nicht länger in das Tieflochwerkzeug hinein schneidet. Wenn dies geschieht wird es notwendig sein, die Bohrkrone über der Bohrfläche anzuheben und die Bohrkrone dann schnell wieder in einen Kontakt mit dem Packer oder dem Plug herabzulassen und ein Gewicht aufzuerlegen, während dieselbe weiter rotiert wird. Auf diese Weise kann der etablierte Bohrkronenpfad unterbrochen und die Bohrkronenpenetrierung erneut etabliert werden. Dieses Verfahren hilft bei dem Unterbrechen des etablierten Bohrkronenpfades und bei der erneuten Etablierung der Bohrkronenpenetrierung. Wenn dieses Verfahren angewendet wird, treten selten Probleme auf. Es ist jedoch möglich, dass das Betriebspersonal diese Techniken nicht anwendet oder nicht erkennt, wenn die Bohrkrone einen bestimmten Pfad verfolgt. Als ein Resultat wird die Bohrzeit sehr wesentlich verlängert, denn die Bohrkrone trägt lediglich die Oberfläche des Tieflochwerkzeugs ab, anstatt in dasselbe einzuschneiden und es zu zerbrechen.
Um die oben aufgeführten, seit langer Zeit bekannten Probleme zu überwinden haben wir auf diesem Industriebereich schon eine Reihe von herausbohrbaren Packern und Bridge-Plug eingeführt, welche zurzeit unter dem Handelsnamen FAS DRILL^® vertrieben werden. Die Werkzeugreihe FAS DRILL^® besteht zum Großteil aus Komponenten, welche aus nichtmetallischen technischen Plastikmaterialen gefertigt sind, um auf diese Weise die Herausbohrbarkeit solcher Tieflochwerkzeuge wesentlich zu verbessern. Die Werkzeugreihe FAS DRILL^® hat sich als sehr erfolgreich erwiesen, und eine ganze Reihe von US-Anmeldungen wurden diesbezüglich eingereicht, welche die US-Anmeldung 5,271,468 von Streich et al, die US-Anmeldung 5,224,540 von Streich et al, die US-Anmeldung 5,390,737 von Jacobi et al, die US-Anmeldung 5,540,279 von Branch et al, die US-Anmeldung 5,701,959 von Hushbeck et al, die US-Anmeldung 5,839,515 von Yuan et al, und die US-Anmeldung 5,984,007 von Yuan et al einschliessen. Wir beziehen uns auf alle dieser Anmeldungen für weitere Einzelheiten.
Die in allen dieser Anmeldungen beschriebenen Werkzeuge verwenden normalerweise metallische oder nicht-metallische Schieberelemente oder Schieber, welche anfänglich ganz in der Nähe der Spindel positioniert werden, später jedoch von der Spindel des Werkzeugs hinweg nach aussen verdrängt werden und in eine Verrohrung eingreifen, welche vorher innerhalb des Bohrloches installiert worden ist, in welchem nach dem Feststellen des Werkzeugs Verfahren durchgeführt werden sollen. Auf diese Weise werden die Schieber nach dem Positionieren des Werkzeugs in der gewünschten Tiefe nach aussen und gegen das Bohrloch gedrückt, um den Packer oder den Bridge-Plug, je nachdem welcher vorhanden ist, festzustellen, so dass das Werkzeug sich nicht relativ zu der Verrohrung bewegen kann, wenn zum Beispiel Verfahren für das Aufzeichnen von Tests, ein Stimulieren der Produktion des Bohrloches, oder ein Plugging des gesamten oder eines Abschnitts des Bohrloches durchgeführt werden.
US-Anmeldung 3,861,414 bietet ein normalerweise geöffnetes Ventil, welches sich schließt und geschlossen bleibt, wenn eine kalibrierte Fließrate in einer beliebigen Fließrichtung überschritten wird, und welches weiter geschlossen bleibt, bis der Druck über dem Ventil ausgeglichen wird. Der Ventilkörper ist so konstruiert, dass derselbe mit einem Rohr gekoppelt werden kann.
US-Anmeldung 3,372,649 bietet einen Bohrlochpistonierkolben, in welchem das Pistonierkolbenelement eine Reihe von flexiblen Lippen umfasst, welche von einer aufwärtigen aussenseitigen Konfigurierung nach unten ausgerichtet werden können, um eine Last zu stützen, und welche sich weiter nach unten erstrecken, um eine Überbelastung zu umgehen oder abzuwerfen. Die Bohrlochpistonierkolbeneinheit umfasst einen Ventilkäfig, welcher an dem oberen Ende einer Spindel befestigt ist, und ein Kugelrückschlagventil, welches innerhalb des Käfigs eingeschlossen ist.
Die Werkzeugreihe FAS DRILL^® beinhaltet einen Frak-Plug, welcher in diesem Industriebereich allgemein bekannt ist. Ein Frak-Plug ist grundsätzlich ein Tieflochpacker mit einem Kugelsitz, für das Empfangen einer Dichtungskugel. Wenn der Packer festgestellt ist und die Dichtungskugel in den Kugelsitz eingreift, ist die Verrohrung oder ein anderes Rohr, in welchem der Frak-Plug festgestellt ist, abgedichtet. Flüssigkeit wie zum Beispiel ein Schlamm kann dann in das Bohrloch hinein gepumpt werden, nachdem die Kugel in den Sitz eingreift, und in eine Formation über dem Frak-Plug eingedrückt werden. Vor dem Empfangen der Kugel ist jedoch ein Durchfluß durch den Frak-Plug möglich.
Eine Art und Weise, den Frak-Plug abzudichten, besteht aus dem Herablassen der Dichtungskugel von der Erdoberfläche, nachdem der Packer festgestellt wurde. Obwohl die Kugel letztendlich den Kugelsitz erreichen und der Frak-Plug seine gewünschte Funktion erfüllen wird dauert es dennoch eine Weile, bis die Dichtungskugel den Kugelsitz erreicht, und es kann eine beachtliche Menge von Flüssigkeit durch den Frak-Plug verloren gehen, während die Kugel nach unten gepumpt wird.
Die Kugel kann auch zusammen mit dem Packer in das Bohrloch eingeführt werden. Trotzdem können der Flüssigkeitsverlust und der Zeitverlust bis zum Erreichen des Kugelsitzes durch die Kugel immer noch ein Problem repräsentieren, besonders in gekrümmten Bohrlöchern. Manche Bohrlöcher sind so sehr gekrümmt, dass die Dichtungskugel sich während des Herablassens in das Bohrloch durch die gekrümmten Abschnitte desselben von dem Packer abtrennt und entfernt, obwohl die Kugel zusammen mit dem Packer in das Bohrloch eingeführt wird. Ein Fachmann auf diesem Gebiet weiß, dass manche Bohrlöcher so sehr gekrümmt sind, dass sie horizontal oder in manchen Abschnitten sogar leicht in eine aufwärtige Richtung verlaufen. In diesen Fällen kann die Dichtungskugel innerhalb des Bohrloches über eine grosse Strecke hinweg von dem Packer abgetrennt werden. Es sind deshalb eine grosse Menge von Flüssigkeit und eine lange Zeitspanne erforderlich, bevor die Dichtungskugel auf den Kugelsitz bewegt werden kann, so dass der Frak-Plug das Bohrloch abdichtet und einen Durchfluß durch denselben verhindert. Obwohl standardgemäße Frak-Plugs eigentlich sehr gut funktionieren besteht dennoch ein Bedarf für einen Frak-Plug, welcher einen Flüssigkeitsfluß durch denselben ermöglichen wird, bis derselbe innerhalb des Bohrloches festgestellt wird, und bis die Dichtungskugel in den Kugelsitz eingreift, wobei derselbe jedoch mit einem minimalen Flüssigkeitsverlust und Zeitverlust festgestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung befriedigt diese Erfordernisse.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Tieflochwerkzeugs, welches sich während des Herausbohrens nicht Drehen wird. Wenn die hier beschriebenen herausbohrbaren Werkzeuge herausgebohrt werden, wird der untere Abschnitt des Werkzeugs, welches herausgebohrt wird, innerhalb des Bohrloches nach unten verdrängt, nachdem der obere Abschnitt des Werkzeugs durchbohrt worden ist. Wenn sich unter demselben innerhalb des Bohrloches ein weiteres Werkzeug befindet, wird der Abschnitt des zum Teil herausgebohrten Werkzeugs innerhalb des Bohrloches nach unten verdrängt und greift in das tiefer gelegene Werkzeug ein. Wenn der Bohrer in das Bohrloch herabgelassen wird und in den Abschnitt des Werkzeugs eingreift, welcher in das Bohrloch herabgefallen ist, neigt dieser Abschnitt des Werkzeugs manchmal dazu, sich zu drehen, und das Herausbohren desselben kann daher manchmal länger als erwünscht dauern. Es besteht deshalb ein Bedarf für ein Tieflochwerkzeug, welches sich nicht drehen wird, wenn ein noch nicht durchbohrter Abschnitt desselben Werkzeugs in ein weiteres Werkzeug innerhalb des Bohrloches eingreift, wenn dasselbe aus dem Bohrloch herausgebohrt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet einen Frak-Plug für die Anwendung in einem Bohrloch, welcher das Folgende umfasst: einen Packer und eine Dichtungskugel, wobei derselbe Packer eine Spindel mit einem oberen Ende und einem unteren Ende umfasst, und wobei dieselbe Spindel eine längliche zentrale Öffnung definiert, für das Ermöglichen eines Durchflusses durch dieselbe, und wobei die Spindel weiter einen Kugelsitz definiert; ein Dichtungselement, welches um die vorgenannte Spindel herum positioniert ist, für das abdichtende Eingreifen in das Bohrloch; eine obere Endkappe, welche über dem vorgenannten Kugelsitz positioniert ist; einen Kugelkäfig, welcher mit einem oberen Ende der vorgenannten Spindel verbunden ist, wobei der vorgenannte Käfig einen Körperabschnitt umfasst, welcher sich von dem vorgenannten oberen Ende der vorgenannten Spindel hinweg aufwärtig erstreckt, wobei die vorgenannte obere Endkappe mit dem vorgenannten Körperabschnitt des vorgenannten Käfigs verbunden ist, und wobei der vorgenannte Käfig Fließöffnungen definiert, für das Ermöglichen eines Durchflusses durch dieselben hindurch und in die vorgenannte längliche zentrale Öffnung hinein; und wobei die Dichtungskugel zwischen der vorgenannten oberen Endkappe und dem vorgenannten Kugelsitz festgehalten wird, für ein abdichtendes Eingreifen in den vorgenannten Kugelsitz.
Der Packer umfasst ein oberes Ende, ein unteres Ende, und einen länglichen Fließdurchgang durch denselben hindurch. Der Frak-Plug der vorliegenden Erfindung umfasst weiter einen Kugelkäfig, welcher an dem oberen Ende des Packers positioniert ist. Die Dichtungskugel ist innerhalb des Kugelkäfigs positioniert und wird auf diese Weise daran gehindert, sich weiter als einen vorbestimmten Abstand von dem Kugelsitz hinweg zu bewegen. Der Packer umfasst eine Packerspindel mit einem oberen und einem unteren Ende sowohl wie eine innere Oberfläche, welche den länglichen Fließdurchgang definiert. Der Kugelsitz wird durch die Spindel, und insbesondere durch die innere Oberfläche derselben definiert.
Es kann eine Feder innerhalb der Spindel positioniert werden, wobei dieselbe ein oberes Ende umfasst, welches in die Dichtungskugel eingreift. Die Feder liefert eine Federkraft, welche die Dichtungskugel an einem Eingreifen in den Kugelsitz hindert, bis ein vorbestimmter Durchfluß innerhalb des Bohrloches erreicht ist. Wenn diese vorbestimmte Fließrate erreicht ist, wird die Dichtungskugel die Feder zusammen drücken und in den Kugelsitz eingreifen, um auf diese Weise den länglichen Fließdurchgang zu schliessen. Ein Durchfluß in eine abwärtige Richtung durch den länglichen Fließdurchgang wird auf diese Weise verhindert, wenn die Dichtungskugel in den Kugelsitz eingreift. Die vorliegende Erfindung kann ohne die oder mit derselben Feder realisiert werden.
Der Packer umfasst Schieber und ein Dichtungselement, welches auf eine solche Art und Weise um die Spindel herum positioniert ist, dass kein Durchfluß durch den Frak-Plug möglich ist, wenn dieselbe innerhalb des Bohrloches festgestellt wird und die Dichtungskugel in den Kugelsitz eingreift. Ein Schlamm oder eine andere Flüssigkeit kann auf diese Weise über dem Frak-Plug in die Formation hinein geleitet werden. Der Kugelkäfig umfasst eine Reihe von Fließöffnungen, so dass Flüssigkeit durch dieselben hindurch und in die längliche zentrale Öffnung hinein fliessen kann und auf diese Weise einen Flüssigkeitsfluß durch den Frak-Plug ermöglicht, wenn der Packer festgestellt ist, aber die Dichtungskugel noch nicht in den Kugelsitz eingegriffen hat. Flüssigkeit kann so lange durch den Frak-Plug hindurch fliessen, wie die Fließrate unter der Rate liegt, welche die Federkraft überwinden und ein Eingreifen der Dichtungskugel in den Kugelsitz verursachen wird. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frak-Plug zu bieten, welcher einen Flüssigkeitsfluß durch denselben hindurch ermöglicht, welcher aber den Umfang des Flüssigkeitsverlustes und des Zeitverlustes reduziert, welcher normalerweise für das Festsetzen einer Kugel auf dem Kugelsitz eines Frak-Plugs auftritt. Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen einer solchen bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht, wobei:
1 eine schematische Ansicht von zwei Tieflochwerkzeugen der vorliegenden Erfindung darstellt, welche in einem Bohrloch positioniert sind;
2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Frak-Plugs der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine Querschnittsansicht des in 2 geoffenbarten Frak-Plugs in der festgestellten Position darstellt, in welcher die Schieber und die Dichtungselemente ausgefahren sind, um in die Verrohrung oder ein anderes Rohr innerhalb des Bohrloches einzugreifen;
4 ein unteres Ende des in 2 geoffenbarten Frak-Plugs darstellt, welches in das obere Ende eines zweiten Werkzeugs eingreift.
Innerhalb der folgenden Beschreibung wurden gleiche Teile über die gesamte Spezifikation und die Zeichnungen hinweg jeweils mit den gleichen Referenznummern ausgezeichnet. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht, und die Proportionen bestimmter Teile wurden übertrieben, um Details und Eigenschaften der Erfindung besser darstellen zu können. Innerhalb der folgenden Beschreibung werden die darin verwendeten Bezeichnungen „oberer", „aufwärtig", „unterer", „Tiefloch" und ähnliche stets im Verhältnis zu dem Boden oder dem am weitesten entfernt gelegenen Punkt des umgebenden Bohrloches verwendet, obwohl das Bohrloch oder Abschnitte desselben gekrümmt oder horizontal verlaufen können. Die Bezeichnungen „innenseitig" und „aussenseitig" repräsentieren Richtungen, welche jeweils auf den geometrischen Mittelpunkt eines erwähnten Gegenstandes zu führen oder von demselben hinweg führen. Wo Komponente eines relativ bekannten Designs verwendet wurden, wird deren Struktur und Betrieb nicht detailliert beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, und insbesondere auf 1, wird hier das Tieflochwerkzeug oder der Frak-Plug der vorliegenden Erfindung dargestellt und allgemein mit der Referenznummer 10 ausgezeichnet. Der Frak-Plug 10 umfasst ein oberes Ende 12 und ein unteres Ende 14. In 1 werden zwei Frak-Plugs 10 dargestellt, und diese können hier als ein oberes Tieflochwerkzeug oder Frak-Plug 10A, und ein unteres Tieflochwerkzeug oder Frak-Plug 10B bezeichnet werden. Die Frak-P1ugs 10 werden in 1 schematisch in einer festgestellten Position 15 dargestellt. Die in 1 geoffenbarten Frak-Werkzeuge werden hier dargestellt, nachdem dieselben mit Hilfe eines Feststellwerkzeugs eines beliebigen, dem Fachmann bekannten Typs in das Bohrloch 20 herabgelassen worden sind. Das Bohrloch 20 umfasst ein Bohrloch 25 mit einer Verrohrung 30, welche in demselben festgestellt ist.
Unter Bezugnahme auf 2 wird hier eine Querschnittsansicht des Frak-Plugs 10 in einer nicht festgestellten Position 32 dargestellt. Das in 2 geoffenbarte Werkzeug wird hier als ein Frak-Plug bezeichnet, da es dazu angewendet wird, das Bohrloch abzudichten, um einen Durchfluß an dem Frak-Plug vorbei zu verhindern. Der innerhalb des Bohrloches positionierte Frak-Plug kann in Bohrlöchern angewendet werden, welche Verrohrungen oder andere solche ringförmige Strukturen oder Geometrien beinhalten, in welchen das Werkzeug festgestellt werden kann. Wie hier deutlich erkennbar ist, besteht die gesamte Tieflochwerkzeugstruktur aus einer solchen, welche allgemein als ein Packer bezeichnet wird, und welche normalerweise mindestens eine Vorrichtung für das Ermöglichen einer Flüssigkeitsverbindung durch das Werkzeug umfasst. Man darf deshalb sagen, dass der Frak-Plug 10 einen Packer 34 mit einem Kugelkäfig oder einer Kappe 36 umfasst, welche sich von dem oberen Ende desselben hinweg erstreckt. Eine Dichtungskugel 38 ist in dem Kugelkäfig 36 positioniert oder in denselben eingefügt. Der Packer 34 umfasst eine Spindel 40 mit einem oberen Ende 42, einem unteren Ende 44, und einer inneren Oberfläche 46, welche einen länglichen zentralen Fließdurchgang 48 definiert. Die Spindel 48 definiert einen Kugelsitz 50. Der Kugelsitz 50 ist vorzugsweise an dem oberen Ende der Spindel 40 definiert.
Der Packer 34 umfasst Distanzringe 52, welche mit Stiften 54 an der Spindel 40 befestigt sind. Ein jeder Distanzring 52 umfasst einen Vorsprung, welcher der axialen Halterung von Schiebersegmenten 56 dient, welche umlaufend um die Spindel 40 herum positioniert sind. Die Schiebersegmente 56 können Keramikknöpfe 57 umfassen, welche in US-Anmeldung 5,984,007 im Detail beschrieben sind. Schieberhaltebänder 58 dienen dazu, die Schieber 56 radial in einer anfänglichen, um die Spindel 40 sowohl wie um die Schieberkeile 60 herum umlaufenden Position zu halten. Die Bänder 58 sind aus einem Stahldraht, einem Plastikmaterial, oder einem Verbundmaterial mit den erforderlichen Eigenschaften einer ausreichend grossen Stärke für das Halten der Schieber in Position gefertigt, bevor das Werkzeug endgültig festgestellt wird, wobei dieselben einfach herausgebohrt werden können, wenn das Werkzeug aus dem Bohrloch entfernt werden soll. Die Bänder 58 sind vorzugsweise preiswert und einfach um die Schiebersegmente 56 herum zu installieren. Der Schieberkeil 60 ist anfänglich in einem verschiebbaren Verhältnis zu und zum Teil unter dem Schiebersegment 56 positioniert. Der Schieberkeil 60 wird hier von zwei Stiften 62 in Position gehalten. Unter dem Schieberkeil 60 befindet sich mindestens ein Packerelement, und wie in 2 dargestellt eine Packerelementeinheit 64, welche drei ausfahrbare Packerelemente 66 umfasst, welche um die Packerspindel 40 herum positioniert sind. Packerschuhe 68 sind an den oberen und unteren Enden der Dichtungseinheit 64 positioniert und liefern denselben axiale Unterstützung. Die in 2 geoffenbarte Packerdichtung oder das Element ist hier lediglich repräsentativ dargestellt, da dem Fachmann auf diesem Gebiet mehrere Packerelementanordnungen bekannt sind und angewendet werden.
Unter einem unteren Schieberkeil 60 befindet sich eine Reihe von Schiebersegmenten 56. Ein Selfaktorschuh 70 ist mit Hilfe von radial ausgerichteten Stiften 72 an der Spindel 40 befestigt. Der Selfaktorschuh 70 erstreckt sich bis unter das untere Ende 44 des Packers 40 und umfasst ein unteres Ende 74, welches wiederum das untere Ende 14 des Werkzeugs 10 umfasst. Der unterste Abschnitt des Werkzeugs muss nicht aus einem Selfaktorschuh bestehen, sondern kann auch aus einem beliebigen Typ von Abschnitt bestehen, welcher dazu dient, die Struktur des Werkzeugs abzuschliessen, oder welcher als ein Verbindungsstück für das Verbinden des Werkzeugs mit anderen Werkzeugen, einem Ventil, einer Rohranordnung, oder anderen Tieflochgeräten dient.
Unter wiederholter Bezugnahme auf den oberen Abschnitt von 2 definiert eine innere Oberfläche 46 hier einen ersten Durchmesser 76, einen zweiten Durchmesser 78, welcher radial innenseitig von demselben verdrängt positioniert ist, und einen Ansatz 80, welcher durch den ersten und den zweiten Durchmesser 76 und 78 definiert wird und sich zwischen denselben erstreckt. Eine Feder 82 ist innerhalb der Spindel 40 positioniert. Die Feder 82 umfasst ein unteres Ende 84 und ein. oberes Ende 86. Das untere Ende 84 greift in einen Ansatz 80 ein. Die Dichtungskugel 38 ruht auf dem oberen Ende 86 der Feder 80.
Der Kugelkäfig oder die Kugelkappe 36 umfasst einen Körperabschnitt 88 mit einer oberen Endkappe 90, welche mit demselben verbunden ist, und durch welchen hindurch eine Reihe von Öffnungen 92 definiert ist. Unter Bezugnahme auf den unteren Abschnitt von 2 ist hier eine Reihe von Keramikknöpfen 93 an dem oder in der Nähe des unteren Endes 74 des Werkzeugs 10 und an dem unteren Ende 44 der Spindel 40 positioniert. Wie weiter unten noch eingehender beschrieben werden soll wurden die Keramikknöpfe so entworfen, dass dieselben in Werkzeuge eingreifen, welche unter denselben innerhalb des Bohrloches positioniert sind und dieselben ergreifen und ein Drehen derselben verhindern, wenn die Werkzeuge herausgebohrt werden.
Der Betrieb des Frak-Plugs 10 ist wie folgt. Der Frak-Plug 10 kann mit Hilfe eines Feststellwerkzeugs eines Typs, welcher dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, in das Bohrloch herabgelassen werden. Wie in 1. schematisch dargestellt ist können ein, zwei oder mehrere Frak-Plugs oder Werkzeuge in dem Loch festgestellt werden. Wenn der Frak-Plug in das Loch herabgelassen wird, ist ein Durchfluß durch denselben hindurch möglich, da die Feder 80 ein Eingreifen der Dichtungskugel 38 in den Kugelsitz 50 verhindern wird, während der Käfig 36 die Kugel 80 daran hindert, sich weiter von dem Kugelsitz 50 hinweg zu bewegen, als die obere Kappe 90 erlaubt. Wenn der Frak-Plug 10 bis auf die gewünschte Position in das Bohrloch herabgelassen worden ist, kann ein Feststellwerkzeug eines Typs, welcher dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt ist, dazu angewendet werden, den Frak-Plug wie in 1 und 3 geoffenbart von seiner nicht festgestellten Position 32 auf die festgestellte Position 15 zu bewegen. In der festgestellten Position 15 greifen die Schiebersegmente 56 und die Dichtungselemente 66 in die Verrohrung 30 ein. Flüssigkeit kann in eine abwärtige Richtung durch die Öffnungen 92 in dem Kugelkäfig 36 hindurch, und daher in den länglichen zentralen Fließdurchgang oder die Öffnung 48 hinein, und durch dieselbe hindurch verdrängt werden. Es kann unter bestimmten Umständen wünschenswert oder notwendig sein, Flüssigkeit durch die Öffnungen 92 und durch den Frak-Plug 10 hindurch zu verdrängen. Wenn der Frak-Plug 10 festgestellt worden ist kann es zum Beispiel wünschenswert sein, ein Werkzeug wie zum Beispiel ein Perforierungswerkzeug an einer Drahtleitung in das Bohrloch herabzulassen. In gekrümmten Bohrlöchern kann es dabei notwendig sein, das Perforierungswerkzeug mit Hilfe des Flüssigkeitsflusses innerhalb des Bohrloches auf den gewünschten Standort zu bewegen. Wenn eine Dichtungskugel schon festgestellt worden ist und nicht wieder entfernt werden kann, oder wenn ein Bridge-Plug angewendet wurde, würde ein solcher Flüssigkeitsfluß nun nicht möglich sein, und das Perforierungs- oder ein anderes Werkzeug würde auf eine andere Art und Weise herabgelassen werden müssen.
Wenn es erwünscht ist, die Dichtungskugel 38 festzusetzen, kann Flüssigkeit mit Hilfe einer vorbestimmten Fließrate, welche die Federkraft der Feder 82 überwinden wird, in das Bohrloch hinein verdrängt werden. Der Fluß von Flüssigkeit mit Hilfe der vorbestimmten oder einer höheren Rate wird die Dichtungskugel 38 dazu veranlassen, sich in eine abwärtige Richtung zu bewegen, so dass dieselbe in den Kugelsitz 50 eingreift. Wenn die Kugel 38 in den Kugelsitz 50 eingegriffen hat und der Packer sich in seiner festgestellten Position befindet, wird ein Flüssigkeitsfluß durch den Frak-Plug 10 verhindert. Auf diese Weise kann ein Schlamm oder eine andere Flüssigkeit in das Bohrloch hinein verdrängt, und in eine Formation über dem Frak-Plug 10 hinein gedrückt werden. Die in 3 geoffenbarte Position kann auch als eine geschlossene Position 94 bezeichnet werden, da der Fließdurchgang geschlossen ist und kein Durchfluß durch den Frak-Plug 10 möglich ist. Die in 2 geoffenbarte Position kann deshalb auch als eine geöffnete Position 96 bezeichnet werden, da ein Flüssigkeitsfluß durch den Frak-Plug möglich ist, wenn die Kugel 38 nicht in den Sitz 50 eingegriffen hat. Wie hier deutlich erkennbar ist, ist die Kugel 38 in den Käfig 36 eingeschlossen, und wird daher daran gehindert, sich relativ zu dem Kugelsitz über einen vorbestimmten Abstand hinweg nach oben zu bewegen, wobei derselbe durch die Länge des Kugelkäfigs 36 bestimmt wird. Die Aktion der Feder hält die Kugel von dem Kugelsitz fern, so dass ein Durchfluß möglich ist, bis die vorbestimmte Durchflußrate erreicht ist. Der Käfig 36 umfasst daher eine Haltevorrichtung für die Dichtungskugel 38 und trägt dieselbe Dichtungskugel 38 als einen Teil des Frak-Plugs 10 mit sich, und umfasst ausserdem eine Vorrichtung für das Verhindern einer Bewegung der Kugel 38 in eine aufwärtige Richtung und über einen vorbestimmten Abstand von dem Kugelsitz 50 hinweg.
Wenn es erwünscht ist, den Frak-Plug 10 aus dem Bohrloch heraus zu bohren, kann eine dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte Vorrichtung für diesen Zweck angewendet werden. Wenn der Bohrer einen Abschnitt des Frak-Plugs durchbohrt hat, nämlich die Schieber und die Dichtungselemente, wird zumindest ein Teil des Frak-Plugs 10, nämlich der untere Endabschnitt, welcher bei der hier dargestellten Ausführungsform den Selfaktorschuh 70 umfassen wird, in das Bohrloch herabfallen oder von der Bohrkrone in das Bohrloch hinunter geschoben. Unter der Voraussetzung, dass keine weiteren Werkzeuge unter demselben positioniert sind, kann dieser Abschnitt des Frak-Plugs in dem Bohrloch hinterlassen werden. Es können jedoch wie in 1 ein oder mehrere Werkzeuge unter dem Frak-Plug positioniert sein. Daher werden bei der hier dargestellten Ausführungsform Keramikknöpfe 93 des oberen Frak-Plugs 10A auf eine solche An und Weise in das obere Ende des unteren Frak-Plugs 10B eingreifen, dass der Abschnitt des Werkzeugs 10A sich nicht drehen wird, wenn derselbe aus dem Bohrloch herausgebohrt wird. Obwohl für die oben aufgeführte Beschreibung Frak-Plugs angewendet wurden, können die Keramikknöpfe auch mit einem beliebigen anderen Tieflochwerkzeug angewendet werden, so dass eine relative Drehung zu dem darunter befindlichen Werkzeug verhindert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf eine spezifische Ausführungsform beschrieben wurde, sollte die vorhergehende Beschreibung nicht auf eine einschränkende An und Weise angesehen werden. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird anhand der obigen Spezifikation und Zeichnungen verschiedene Modifizierungen sowohl wie alternative Anwendungen durchführen können.

Claims

Ein Frak-Plug für die Anwendung in einem Bohrloch, welcher das Folgende umfasst: einen Packer (34) und eine Dichtungskugel (38), wobei derselbe Packer eine Spindel (40) mit einem oberen Ende (42) und einem unteren Ende (44) umfasst, wobei die Spindel (40) eine längliche zentrale Öffnung (48) definiert, für das Erstellen eines Durchflusses durch dieselbe, und wobei die Spindel weiter einen Kugelsitz (50) definiert; ein Dichtungselement (64), welches um die vorgenannte Spindel (40) herum positioniert ist, für das abdichtende Eingreifen in das Bohrloch; eine obere Endkappe (90), welche über dem vorgenannten Kugelsitz (50) positioniert ist; ein Kugelkäfig (36), welcher mit einem oberen Ende (42) der vorgenannten Spindel (40) verbunden ist, wobei der vorgenannte Käfig (36) einen Körperabschnitt (88) umfasst, welcher sich von dem vorgenannten oberen Ende (42) der vorgenannten Spindel (40) aufwärts erstreckt, wobei die vorgenannte obere Endkappe (90) mit dem vorgenannten Körperabschnitt (88) des vorgenannten Käfigs (36) verbunden ist, und wobei der vorgenannte Käfig (38) Fließöffnungen (92) definiert, für das Erstellen eines Durchflusses durch denselben in die vorgenannte längliche zentrale Öffnung (48) hinein; und bei welchem die Dichtungskugel (38) zwischen der vorgenannten oberen Endkappe (90) und dem vorgenannten Kugelsitz (50) festgehalten wird, für das abdichtende Eingreifen in den vorgenannten Kugelsitz (50).
Ein Frak-Plug nach Anspruch 1, welcher zwischen einer geöffneten (32) und einer geschlossenen (15) Position hin und her gestellt werden kann, wobei in der geschlossenen Position (15) die vorgenannte Dichtungskugel (38) in den vorgenannten Kugelsitz (50) eingreift, um auf diese Weise einen abwärtigen Flüssigkeitsfluß durch die vorgenannte längliche zentrale Öffnung (48) zu verhindern, und wobei in der vorgenannten geöffneten Position (32) die vorgenannte Kugel (38) aus dem vorgenannten Kugelsitz (50) gelöst wird, um auf diese Weise einen Durchfluß durch die vorgenannte längliche zentrale Öffnung (48) zu erstellen.
Ein Frak-Plug nach Anspruch 2, welcher in Reaktion auf eine vorbestimmte Flüssigkeitsfließrate innerhalb des vorgenannten Bohrloches von der vorgenannten geöffneten Position (32) auf die vorgenannte geschlossene Position (15) umgestellt wird.
Ein Frak-Plug nach Anspruch 1, 2 oder 3, welcher weiter eine Feder (82) umfasst, welche innerhalb der vorgenannten Spindel positioniert ist, wobei die vorgenannte Feder (82) ein oberes Ende (84) und ein unteres Ende (86) umfasst, und wobei das vorgenannte obere Ende (86) in die vorgenannte Dichtungskugel (38) eingreift, und wobei die vorgenannte Feder (82) der vorgenannten Dichtungskugel (38) eine vorbestimmte aufwärtige Federkraft auferlegt, um auf diese Weise die vorgenannte Dichtungskugel (38) von dem vorgenannten Kugelsitz (50) entfernt zu halten, bis eine vorbestimmte Fließrate in dem vorgenannten Bohrloch erreicht ist, wobei derselbe Flüssigkeitsfluß in dem vorgenannten Bohrloch gemäß einer vorbestimmten Rate die vorgenannte Federkraft überwinden und die vorgenannte Kugel (38) in Eingriff mit dem vorgenannten Kugelsitz (50) zwingen wird, um auf diese Weise einen abwärtigen Durchfluß durch die vorgenannte längliche zentrale Öffnung (48) zu verhindern.
Ein Frak-Plug nach einem der obigen Ansprüche, welcher aus einem durchbohrbaren Material besteht.
Ein Frak-Plug nach einem der obigen Ansprüche, welcher weiter eine Greifvorrichtung (93) umfasst, für das Ergreifen eines zweiten Tieflochwerkzeugs innerhalb des vorgenannten Bohrloches, welches unter dem vorgenannten Frak-Plug positioniert ist, wobei die vorgenannte Greifvorrichtung (93) ein relatives Verdrehen eines jeden Abschnitts des vorgenannten Frak-Plugs verhindern wird, welcher innerhalb des vorgenannten Bohrloches nach unten fällt und in das vorgenannte zweite Tieflochwerkzeug (106) eingreift, wenn ein Bohrer für das Herausbohren des vorgenannten Frak-Plugs aus dem vorgenannten Bohrloch in den vorgenannten Abschnitt des vorgenannten Frak-Plugs eingreift.