DE69111878T2

DE69111878T2 - Zementierungswerkzeug im Bohrloch mit Aussenhülse.

Info

Publication number: DE69111878T2
Application number: DE69111878T
Authority: DE
Inventors: John T Brandell; Richard L Giroux
Original assignee: Halliburton Co
Current assignee: Halliburton Co
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2011-04-26
Also published as: DE69111878D1; EP0454465B1; EP0454465A3; NO911625L; US5038862A; ATE126321T1; EP0454465A2; NO911625D0; NO303466B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen Zementiergerätapparat zum Gebrauch in der Verrohrung eines Brunnens, und insbesondere, aber keineswegs ausschließenderweise, auf ein Schiebehülsen-Zementiergerät, konstruiert zur Plazierung in eine Brunnenverrohrung.
Bei der Bohrung tiefer Brunnen ist es oft wünschenswert, die Verrohrung im Brunnenbohrloch in separaten Stadien zu zementieren, beginnend am Grunde des Brunnens und nach oben arbeitend.
Dieses Verfahren wird erreicht, indem Zementiergeräte, die primär mit Ventilen ausgestattete Mundöffnungen sind, an einer oder mehreren Stellen im Brunnenbohrloch in der Verrohrung oder zwischen den Verrohrungsfugen plaziert werden, Zement durch den Boden der Verrohrung den Kreisring hinauf zum untersten Zementiergerät fließen gelassen wird, unten zugesperrt und das Zementiergerät geöffnet wird, und dann Zement durch das Zementiergerät den Kreisring hinauf bis zum nächsthöheren Abschnitt fließen gelassen wird, worauf der Vorgang wiederholt wird, bis alle Abschnitte des Brunnens zementiert sind.
Zementiergeräte zur Multi-Abschnitt-Zementierung haben gewöhnlich zwei interne Hülsen, die gewöhnlich zunächst in eine obere Position abgeschert sind, so daß die Zementieröffnungen im Gerät geschlossen sind. Zur Öffnung der Zementieröffnungen wird ein Stopfen die Verrohrung hinunter gespült und auf der unteren Hülse aufgesetzt. Der Flüssigkeitsdruck wird dann in der Verrohrung erhöht, bis genügend Druck auf Stopfen und Hülse ausgeübt wird, so daß die Scherbolzen geschert werden und sie die untere Hülse in eine Position bewegen, die die Zementieröffnungen freilegt. Zement wird dann die Verrohrung hinunter und aus den Öffnungen in den Kreisring fließen gelassen. Wenn die gewünschte, vorherbestimmte Zementmenge in den Kreisring geflossen ist, wird nach dem Zement ein weiterer Stopfen in die Verrohrung plaziert und die Verrohrung hinabgespült, so daß er auf der oberen Hülse aufsitzt. Der Druck auf den zweiten Stöpsel wird dann erhöht, bis die ihn haltenden Scherbolzen getrennt werden und sich die obere Hülse nach unten bewegt, um die Zementieröffnungen zu schliefen. Ein Zementiergerät dieser Art wird in unserer U.S Patentschrift Nr. 3,768,556 beschrieben.
Die U.S Patentschrift Nr. 4246968 beschreibt ein verbessertes Zementiergerät, das der U.S Patentschrift Nr. 3768556 ähnlich ist, aber darüberhinaus eine Schutzhülse enthält, die einige der inneren Bereiche des Gerätes bedeckt, die sonst freigelegt würden, wenn sich die interne Hülse nach unten bewegt, um die Öffnung zu schliefen. Diese Schutzhülse verhindert, daß sich andere Geräten, die eventuell später durch das Zementiergerät laufen, an der inneren Bohrung des Zementiergerätes aufhängen.
Ein anderer Zugang, der für Zementiergeräte benutzt wurde, ist es, die Schließhülse außerhalb des Gerätsgehäuses anzubringen. Eine Reihe von Geräten, die von der Bakerline Abteilung von Baker Oil Tools, Inc., bekannt als Bakerline Modell "J" und Modell "G" Abschnittzementierkränze, haben Schließhülsen, die außerhalb des Gerätsgehäuses liegen. Diese Schließhülsen haben einen Differentialbereich und werden hydraulisch betätigt in Reaktion auf den internen Verrohrungsdruck, der durch die Bewegung einer internen Betriebshülse zur Freilegung einer Flüssigkeitsdruck- Meldeöffnung an die Hülsen weitergegeben wird. Die Bakerline Vorrichtungen sind im Produkt Service Katalog 1982-1983 der Bakerline Abteilung von Baker Oil Tools, Inc., beschrieben, und zwar auf Seite 4 des Katalogs, der die Bezeichnung trägt "Stage and Stab-in Cementing Equipment and Services BL-482".
US-A-4479545 beschreibt einen Zementiergerätapparat, bestehend aus einem rohrförmigen Gehäuse mit einem inneren Längsdurchgang und einer radialen Außenoberfläche. Besagtes Gehäuse hat auch eine Zementieröffnung und einen Längsschlitz, die beide durch eine seiner Wände führen; eine äußere Schließhülse, die auf die besagte Außenoberfläche des besagten Gehäuses aufschiebbar ist, und die relativ zum besagten Gehäuse zwischen einer offenen Position, bei der die besagte Zementieröffnung durch besagte Schließhülse freigelegt wird, und einer geschlossenen Position, bei der die besagte Zementieröffnung durch besagte Schließhülse verschlossen wird, verschiebbar ist; eine in das besagte Gehäuse einschiebbare innere Betriebshülse, die zwischen erster und zweiter Position relativ zum besagten Gehäuse verschiebbar ist; mechanische Verriegelungsvorrichtungen, die durch den besagten Schlitz und die besagte Schließhülse hindurchreichen und betriebsmäßig in Verbindung stehen sowohl mit besagter Betriebshülse wie mit besagter Schließhülse, zur mechanischen Übertragung einer Schließkraft von besagter Betriebshülse zur besagten Schließhülse, und die hierdurch die besagte Schließhülse in ihre geschlossene Position bewegen, während die besagte Betriebshülse von ihrer ersten Position in ihre zweite Position bewegt wird, und ein Zementierstöpsel, der dazu bestimmt ist, auf dem oberen Ende der Betriebshülse aufzusitzen und diese zu versiegeln.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch charakterisiert, dar besagter Stöpsel und besagte Betriebshülse mit nichtdrehbaren, eingreifenden Verriegelungsvorrichtungen ausgestattet sind, die eine relative Rotation zwischen Stöpsel und Hülse während der anschließenden Herausbohrung des Stöpsels verhindern.
Diese Konstruktion gestattet, nach Beendigung der Zementierung, eine schnelle und einfache Herausbohrung der inneren Komponenten des Zementiergerätes, so daß eine glatte, freie Bohrung durch das Gerät zurückbleibt, die im wesentlichen frei von Behinderungen ist, die andere, anschließend durch sie hindurchlaufende Geräte blockieren könnten.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden jetzt, als reine Beispiele, zwei ihrer Verkörperungen beschrieben werden, unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen:
ABB. 1 ist eine Vorderansicht der ersten Verkörperung einem Gerätes der Erfindung, bei dem eine hydraulisch betriebene untere interne Öffnungshülse eingesetzt wird;
ABB. 2-7 enthalten eine sequentielle Serie von senkrechten Schnitten, die die Benutzung des Zementiergerätes aus ABB. 1 bei der abschnittweisen Zementierung eines Brunnens illustrieren.
Auf ABB. 1 wird ein Zementiergerätapparat der vorliegenden Erfindung gezeigt und allgemein mit der Nummer 10 gekennzeichnet. Das Zementiergerät 10 einhält ein Röhrengehäuse 12 mit einem oberen Ende 14 und einem unteren Ende 16 und mit einem inneren Durchgang 18, der longitudinal vom oberen Ende 14 zum unteren Ende 16 führt.
Das Röhrengehäuse 12 hat eine radiale Außenoberfläche 20.
Das Gehäuse 12 umfaßt auch eine Wand 24, in der eine oder mehrere Zementieröffnungen 22 angebracht sind. Die Wand 24 besitzt auch drei Längsschlitze, von denen zwei Schlitze auf der ABB. 1 gezeigt und als 26 und 28 bezeichnet sind.
Das Zementiergerät 10 beinhaltet eine äußere, externe Schließhülse 30, die konzentrisch und enganliegend über die Außenoberfläche 20 des Gehäuses 12 aufgeschoben wird. Die Schließhülse 30 ist relativ zum Gehäuse 12 verschiebbar zwischen einer offenen Position, wie in ABB. 1 gezeigt, und einer geschlossenen Position, bei der die Zementieröffnung 22 von der Schließhülse 30 verschlossen wird.
Die Schließhülse 30 kann als eine externe Hülse beschrieben werden und hat eine im wesentlichen zylindrisch radiale Außenoberfläche 31, die zum Brunnenkreisring 124 hin exponiert ist.
Das Zementiergerät 10 umfaßt eine innere Betriebshülse 32, die in die innere Bohrung 34 des Gehäuses 12 eingeschoben wird. Die Betriebshülse 32 ist relativ zum Gehäuse 12 verschiebbar zwischen einer ersten Position, wie in ABB. 1 zu sehen, und einer zweiten Position, die der geschlossenen Position der Schließhülse 30 entspricht, wie auf ABB. 6 schematisch dargestellt.
Drei Bolzen, von denen zwei auf ABB. 1 zu sehen und als 36 und 38 bezeichnet sind, verlaufen durch die Schlitze 26 bzw. 28 und sind fest verbunden mit der Betriebshülse 32 und der Schließhülse 30 zur Verriegelung der Betriebshülse 32 und der Schließhülse 30 für eine gemeinsame Längsbewegung relativ zum Gehäuse 12 durch den gesamten Weg der Betriebshülse 32, von ihrer ersten Position zu ihrer zweiten Position. Da die Bolzen 36 und 38 die Betriebshülse 32 und Schließhülse 30 fest verbinden, gibt es keine verlorene Längsbewegung der Betriebshülse 32 relativ zur Schließhülse 30, wenn die Betriebshülse 32 sich nach unten bewegt, um die Zementieröffnung 22 mit der Schließhülse 30 zu verschließen.
Die Bolzen 36 und 38 sind in radiale Gewindebohrungen wie z.B. 40 und 42 eingeschraubt, verlaufen durch die Betriebshülse 32 und greifen eng in eine interne ringförmige Rille 44 ein, die in die innere Bohrung 46 der Schließhülse 30 eingeschnitten ist.
Bolzen wie 36 und 38 und ihr Eingreifen mit der Betriebshülse 32 und 30 können alle als mechanische Verriegelungsvorrichtungen bezeichnet werden, die sich durch Schlitze wie 26 und 28 erstrecken und die betriebsmäßig in Verbindung stehen sowohl mit der Betriebshülse 32 wie mit der Schließhülse 30, zur Übertragung einer Schließkraft von der Betriebshülse 32 zur Schließhülse 30, und die hierdurch die Schließhülse 30 in ihre geschlossene Position bewegen, während sich die Betriebshülse 32 von ihrer ersten Position in ihre zweite Position bewegt.
Die Bolzen 36 und 38 dienen auch dazu, Hülse 32 zu halten, so daß sie sich nicht dreht, während Hülse 32 später, nachdem der Zementiervorgang beendet ist, aus dem Gehäuse 12 gebohrt wird.
Das Zementiergerät 10 umfaßt eine obere Gleitdichtung 48 und eine untere Gleitdichtung 50, angeordnet in ringförmigen Rillen, die in die Bohrung 46 der Schließhülse 30, in der Nähe ihres oberen und unteren Endes eingeschnitten sind. Sowohl die obere wie die untere Gleitdichtung 48 und 50 enthält einen O- Ring, der zwischen zwei ringförmigen Sicherungsringen gehalten wird. Wenn sich die Schließhülse 30 in ihrer offenen Position befindet, wie auf ABB. 1 gezeigt, befinden sich beide Dichtungen 48 und 50 über der Zementieröffnung 22. Wenn die Schließhülse 30 nach unten in ihre geschlossene Position bewegt wird, befindet sich die untere Dichtung 50 unterhalb der Zementieröffnung 22, und die obere Dichtung befindet sich oberhalb der Zementieröffnung 22, so daß die Zementieröffnung 22 wirksam verschlossen wird. Es kann daher gesagt werden, daß der Apparat 10 zwei und nur zwei Gleitdichtungen zwischen der Schließhülse 30 und der Außenoberfläche 20 des Gehäuses 12 besitzt, wobei eine der besagten Dichtungen 48 oberhalb der Zementieröffnung 22 und die andere Dichtung unterhalb der Zementieröffnung 22 gelegen ist, wenn sich die Schließhülse 30 in ihrer besagten geschlossenen Position befindet.
Da sowohl die obere Dichtung 48 wie die untere Dichtung 50 in identische Außendurchmesser der Außenoberfläche 20 des Gehäuses 12 eingreifen, wird kein einseitiger hydraulischer Druck auf die Schließhülse 30 ausgeübt. Die Schließhülse 30 kann daher als longitudinal hydraulisch ausgeglichen bezeichnet werden.
Wie aus ABB. 1 hervorgeht, ist der innere Durchgang 18 des Gehäuses 12 ständig in Flüssigkeitsdruck-Verbindung mit der Bohrung 46 der Schließhülse 30 zwischen ihrer oberen und unteren Dichtung 48 und 50. In der auf ABB. 1 illustrierten Position befindet sich keine Dichtung zwischen dem unteren Ende der Betriebshülse 32 und Schlitzen wie 26 und 28, folglich wird der Flüssigkeitsdruck im Durchgang 18 die Bohrung 46 der Schließhülse 30 zwischen den Dichtungen 48 und 50 erreichen, aber aufgrund der Tatsache, daß die Schließhülse 30 hydraulisch ausgeglichen ist, wird dieser Druck keine einseitige longitudinale Kraft auf die Schließhülse 30 ausüben.
Das Zementiergerät 10 umfaßt des weiteren eine innere untere Öffnungshülse 49, die in die Bohrung 34 des Gehäuses 12 unterhalb der Betriebshülse 32 eingeschoben wird. Die Öffnungshülse 49 ist verschiebbar zwischen einer geschlossenen Position, wie auf ABB. 1 gezeigt, bei der die Zementieröffnung 22 von der Öffnungshülse 49 verschlossen wird, und einer offenen Position, wie auf ABB. 3 schematisch dargestellt, bei der die Zementieröffnung 22 von der Öffnungshülse 49 freigelegt wird, indem sich die Öffnungshülse 49 relativ zum Gehäuse 12 nach unten bewegt. Es ist anzumerken, daß, wenn sich die Öffnungshülse 49 in ihrer geschlossenen Position befindet, wie auf ABB. 1 zu sehen, und sich die Betriebshülse 32 gleichzeitig in ihrer ersten Position befindet, wie auf ABB. 1 gezeigt, der innere Durchgang 18 des Gehäuses 12 in Flüssigkeitsdruckverbindung mit der Bohrung 46 der Schließhülse 30 zwischen ihren Gleitdichtungen 48 und 50 steht.
Die Öffnungshülse 49 ist eine hydraulisch betriebene Hülse. Sie umfaßt einen unteren Abschnitt 51 mit reduziertem Durchmesser, der in die Bohrung 52 eines Verankerungsringes 54 eingeschoben wird, der wie mit Gewinde 55 fest an der inneren Bohrung 34 des Gehäuses 12 befestigt ist. Eine O-Ring Dichtung 56 dichtet zwischen dem Verankerungsring 54 und dem Gehäuse 12.
Die Öffnungshülse 49 trägt eine obere ringförmige Gleitdichtung 58, die in die Bohrung 34 des Gehäuses 12 eingreift, sowie eine untere ringförmige Gleitdichtung 60, die in die reduzierte Durchmesserbohrung 52 des Verankerungsringes 54 eingreift, so daß zwischen den O-Ringen 58 und 60 ein Differenzialbereich entsteht. Die Öffnungshülse 49 ist ursprünglich, wie auf ABB. 1 gezeigt, mittels mehrerer Scherbolzen 62 in ihrer geschlossenen Position abgeschert. Diese sind durch die Wand des Gehäuses 12 gewindet und greifen in eine Rille 64 in der Öffnungshülse 49 ein.
Wie unten im einzelnen in Bezug auf ABB. 3 beschrieben, kann das Innere der Verrohrung, in der sich der Apparat 10 befindet, unterhalb des Zementiergerätes 10 zugesperrt werden, so daß ein hoher Flüssigkeitsdruck auf den Durchgang 18 durch das Gehäuse 12 ausgeübt werden kann. Dieser Druck wird nach unten auf den Differentialbereich zwischen den O-Ringen 58 und wirken, bis die Kraft die übersteigt, die von den Scherbolzen 62 gehalten werden kann. Dann werden sich die Scherbolzen 62 scheren und der nach unten gerichtete Differentialdruck wird die Öffnungshülse 49 nach unten bewegen, bis ihre untere Schulter 66 in den Verankerungsring 54 eingreift. An diesem Punkt ist der obere O-Ring 58 unterhalb der Zementieröffnung 22 gelegen, so daß die Zementieröffnung 22 hin zum Durchgang 18 durch das Gehäuse 12 offen ist.
Ein nicht-drehendes Eingreifen zwischen der Schulter 66 der Öffnungshülse 49 und dem oberen Ende des Verankerungsringes 54 wird bewerkstelligt mittels einer Vorsprung/Vertiefungs-Verriegelungsvorrichtung (nicht abgebildet), ähnlich der unten beschriebenen Vorsprünge 84 und Vertiefungen 86.
Nachdem die Öffnungshülse 49 in ihre offene Position bewegt wurde, kann Zement durch den Durchgang 18 nach unten und durch die Zementieröffnung 22 hinaus gepumpt werden, und zwar auf eine Weise, die weiter unten, auf ABB. 2-7 bezugnehmend, im einzelnen beschrieben wird.
Nachdem genügend Zement durch die Zementieröffnung 22 gepumpt worden ist, wird mittels der Betriebshülse 32 die Schließhülse 30 verschlossen. Schließkraft wird auf die Betriebshülse 32 ausgeübt mittels einer Stöpselvorrichtung, die auf der ringförmigen Aufsatzfläche 68, die sich am oberen Ende der Betriebshülse 32 befindet, aufsitzen wird. Die Betriebshülse 32 wird anfänglich relativ zum Gehäuse 12 durch eine Anzahl von Scherbolzen 70 festgehalten, die durch die Betriebshülse 32 gewindet sind und in eine Rille 72 in der Bohrung 34 des Gehäuses 12 aufgenommen werden. Ein oberer Gleit-O-Ring 74 dichtet zwischen der Betriebshülse 32 und dem Gehäuse 12.
Wenn die Scherbolzen 70 aufgrund der auf die Betriebshülse 32 ausgeübte nach unten gerichtete Kraft geschert werden, bewegt sich die Betriebshülse 32 nach unten und trägt die Schließhülse 30 mit sich. Die Schließhülse 30 trägt in einer Rille nahe ihrem unteren Ende einen nach innen vorbelasteten Schließring 76. Der Schließring 76 wird in eine äußere ringförmige Rille 76 im Gehäuse 12 einschnappen, und die Schließhülse 30 relativ zum Gehäuse 12 mechanisch in ihre geschlossene Position verriegeln.
Obere und untere externe Stützringe 80 und 82 sind fest am Gehäuse 12 befestigt, und zwar an Stellen an oder nahe bei den Positionen des oberen und unteren Endes der Schließhülse 30, wenn die Schließhülse sich in ihrer offenen bzw. geschlossenen Position befindet. Die Stützringe 80 und 82 haben Außendurchmesser gleich dem oder größer als der Außendurchmesser der Schließhülse 30, so daß, falls das Gerät 10 gegen die Wand der Verrohrung plaziert wird, die Ringe 80 und 82 das Gerät dergestalt halten werden, daß die Schließhülse 30 immer noch, relativ zum Gehäuse 12, nach unten gleiten kann, ohne an der Verrohrung steckenzubleiben.
Die Öffnungshülse 49 hat einen nach oben weisenden Vorsprung 84, der innerhalb einer nach unten weisenden Vertiefung 86 am unteren Ende der Betriebshülse 32 aufgenommen wird, wenn sich die Betriebshülse 32 nach unten in eine Position bewegt, die der geschlossenen Position der Schließhülse 30 entspricht. Dies verhindert zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die internen Bestandteile aus dem Gehäuse 12 herausgebohrt werden, eine Rotation der Betriebshülse 32 in Relation zur Öffnungshülse 49 und zum Gehäuse 12.
Das Zementiergerät 10 der ABB. 1 wurde besonders dazu entworfen, mit einer Zementierstöpselvorrichtung 88 (siehe ABB. 3-6), einschließlich eines unteren und eines oberen Stöpsels, benutzt zu werden. Wie unten im einzelnen beschrieben, wird die Zementierstöpselvorrichtung 88 im Zusammenhang mit dem zweiten Zementabschnitt benutzt, der durch die Zementieröffnung 22 des Zementiergeräts 10 gepumpt wird.
Das Zementiergerät 10 und seine dazugehörige Zementierstöpselvorrichtung 88 wurden so entworfen, daß die Zementierstöpselvorrichtung 88 relativ zum Gehäuse 12 des Zementiergerätes 10 nicht rotieren wird, wenn die Zementierstöpselvorrichtung 88 und andere interne Bestandteile des Zementiergeräts 10 nach Beendigung des Zementiervorgangs aus dem Gehäuse 12 herausgebohrt werden. Dieses Merkmal der Nicht-Drehbarkeit wird wie folgt erreicht.
Die Betriebshülse 32 besitzt eine erste nicht-drehbare Eingreifvorrichtung, im allgemeinen mit der Nummer 94 bezeichnet, die neben ihrer ringförmigen Auflagefläche 68 am oberen Ende angebracht ist. Diese nicht-drehbare Eingreifvorrichtung 94 enthält acht vertiefte Bereiche 96, die sich in der radialen inneren Oberfläche 98 der Betriebshülse 32 befinden. Die acht vertieften Bereiche 96 sind in winkligen Abständen voneinander um eine zentrale Längsachse 100 des Geräts 10 und der Betriebshülse 32 angebracht.
Die nicht-drehbare Eingreifvorrichtung 94 umfaßt auch acht nach oben weisende, hutförmige Nockenoberflächenvorrichtungen 102, von denen eine jede zwei benachbarte vertiefte Bereiche 96 trennt.
Bezugnehmend auf ABB. 3, hat der untere Stöpsel 90 der Zementierstöpselvorrichtung 88 eine ähnliche, aber umgekehrte zweite nicht-drehbare Eingreifvorrichtung 104, die an seinem unteren Ende angebracht ist. Die zweite nicht-drehbare Eingreifvorrichtung 104 umfaßt auch vertiefte Bereiche und Nockenoberflächen, die auf seiner Außenoberfläche angebracht sind, und die komplementär hierzu und solcherart gestaltet sind, daß die nach unten weisenden hutförmigen Nockenoberflächen der zweiten nicht-drehbare Eingreifvorrichtung 104 des unteren Stöpsels in den Vertiefungen 96 der Betriebshülse 32 aufgenommen werden, wobei die nach oben weisenden hutförmigen Nockenoberflächen der Betriebshülse 32 in den Vertiefungen der zweiten nichtdrehbaren Eingreifvorrichtung 104 solcherart aufgenommen werden, daß der untere Stöpsel 90 sich mit der Betriebshülse 32 verriegelt und eine Drehung zwischen diesen beiden verhindert.
Wie die, die sich auf diese Kunst verstehen, erkennen werden, wird der untere Stöpsel dazu benutzt, den Grund einer Zementsäule 106 von den unter ihr gelegenen Brunnenflüssigkeiten zu trennen, so daß eine Verunreinigung des Zementes vor seiner Pumpung durch die Zementieröffnung 22 vermieden wird.
Der untere Zementierstöpsel 90, wie am besten auf dem recht schematisierten Schnitt der ABB. 4 gesehen werden kann, hat einen Durchgang 110, der anfänglich von einer Berstscheibe oder einem Membranteller, als 112 illustriert, verschlossen ist.
Wenn der untere Stöpsel 90 auf der Auflagefläche 68 der Betriebshülse 32 aufsitzt, wie auf ABB. 4 schematisch dargestellt, wird der Druck auf die Zementsäule verstärkt bis die Berstscheibe 112 durchbricht, wie auf ABB. 6 dargestellt, so daß der Zement nach unten fliegen kann: durch den Durchgang 110 des unteren Stöpsels 90, in den Durchgang 18 des Gehäuse 12 des Zementiergerätes 10 und hinaus durch die Zementieröffnung 22.
Wie auf ABB. 5 schematisch illustriert, trennt der obere Stöpsel 92 das obere Ende der Zementsäule 106 von der Arbeitsflüssigkeit über ihr. Der obere Stöpsel 92 ist ein geschlossener Stöpsel, der keinen Durchgang besitzt, und wenn er, wie auf ABB. 6 schematisch illustriert, in den unteren Stöpsel eingreift, dichtet der obere Stöpsel 92 gegen den unteren Stöpsel 90 und verschließt dessen Durchgang 110. Das gegebene nicht-drehbare Eingreifen zwischen oberem Stöpsel 92 und unterem Stöpsel 90 dient zur Verhinderung einer Drehbewegung des oberen Stöpsels 92 relativ zum unteren Stöpsel 90, wenn die Stöpsel später herausgebohrt werden. Dieses nicht-drehbare Eingreifen zwischen oberem und unterem Stöpsel ist gleich dem in der U.S. Patentschrift Nr. 4,858,687 an Watson et al. gezeigten.
Nachdem der obere Stöpsel 92 auf dem unteren Stöpsel 90 aufsitzt, wie auf ABB. 6 schematisch abgebildet, kann weiterer Flüssigkeitsdruck auf die Arbeitsflüssigkeit 114 über ihnen ausgeübt werden, um den Scherbolzen 70, der die Betriebshülse 32 relativ zum Gehäuse 12 festhält, zu scheren und es so der Betriebshülse 32 und der Schließhülse 30 zu erlauben, sich nach unten in die geschlossene Position der Schließhülse 30 zu bewegen.
Die Scherbolzen 70 müssen so beschaffen sein, daß sie der auf sie ausgeübten nach unten gerichteten Kraft gut widerstehen können, wenn Druck ausgeübt wird, um die Berstscheibe 112 des ünteren Stöpsels 90 zu durchbrechen, und die Scherbolzen 70 müssen auch so beschaffen sein, daß sie sich bei einem vorherbestimmten Druck scheren und die Betriebshülse 32 freigeben, nachdem der obere Stöpsel 92 auf dem unteren Stöpsel aufsitzt.
Wie auf ABB. 1 illustriert, ist jeweils einer der Scherbolzen 70 unter einer jeden der hutförmigen Nockenoberflächen 102 gelegen. Die Scherbolzen können kollektiv als wieder verschließbare Haltevorrichtung 70 beschrieben werden, zur ursprünglichen Festhaltung der Betriebshülse 32 in Relation zum Gehäuse 12 bei offener Zementieröffnung 22, während die Berstscheibe 112 des unteren Zementierstöpsels 90 durchbrochen wird, um den Durchgang 110 durch den unteren Zementierstöpsel 90 zu öffnen.
Es ist auch zu vermerken, daß der Apparat 10 auch mit lediglich einem oberen Zementierstöpsel benutzt werden könnte, der dem Stöpsel 90 ähnelt, und auf dem eine nicht-drehbare Eingriffsvorrichtung ähnlich der 104 angebracht ist.
Wenden wir uns jetzt den ABB. 2-7 zu, auf denen die Hauptstadien eines Multi-Abschnitt-Zementiervorgangs des Zementiergerätes 10 schematisch dargestellt sind.
Eine Brunnenverrohrung 116 befindet sich in einer Brunnenbohrung 118.
Das Zementiergerät 10 wird in die Verrohrung 116 plaziert, bevor diese in die Brunnenbohrung 118 eingeführt wird. Es kann zwischen standardmäßigen Gewindeverbindungen der Verrohrung an gewünschten Stellen verschiedener Zementierabschnitte eingeführt werden. Mehrere Zementierabschnitte sind möglich, solange jedes Zementiergerät 10 in der Verrohrung 116 einen kleineren Innendurchmesser hat als das Zementiergerät unmittelbar über ihm.
Nachdem die Verrohrung 116 sich an ihrem Platz innerhalb der Brunnenbohrung 118 befindet, kann der erste oder unterste Abschnitt der Zementierung durch eine untere Öffnung 120 in einem Schwimmschuh 122, der am unteren Ende der Verrohrung 116 angebracht ist, vorgenommen werden.
Der Zement fließt durch die Verrohrung 116 nach unten, aus der Öffnung 120 heraus und hinauf in den Brunnenkreisring 124, der zwischen der Verrohrung 116 und der Brunnenbohrung 118 liegt. Ein Wischstöpsel 126 wird nach dem ersten Abschnitt von Zementmilch eingeführt, und Verdrängungsflüssigkeit mit ungefähr derselben spezifischen Schwerkraft wie die Zementmilch wird nach dem Wischstöpsel 126 eingepumpt, um den Zement von der Verrohrung 116 zu verdrängen.
Wie auf ABB. 3 gezeigt, wird der Wischstöpsel 126 im Schwimmschuh 122 sitzen und so verhindern, daß der erste Zementabschnitt 128 den Kreisring hinauffließt. Der erste Abschnitt 128 des Zements wird sich bis zu einem Punkt unterhalb der Zementieröffnung 122 des Zementiergerätes 10 erstrecken.
Während der Wischstöpsel 126 das untere Ende der Verrohrung 116 verschließt, kann der Druck innerhalb der Verrohrung 116 erhöht werden und wird auf den Differentialbereich in der Öffnungshülse 49 einwirken, bis die Scherbolzen 62 scheren und sich die Öffnungshülse 49 des Zementiergerätes 10 nach unten bewegt und dabei die Öffnung der Zementieröffnung 22, wie auf ABB. 3 schematisch illustriert, öffnet. Dann kann Zement 106 für den zweiten Abschnitt der Zementierung die Verrohrung 116 hinuntergepumpt werden, wobei die darunterliegenden Verdrängungsflüssigkeiten durch die Zementieröffnung 22 und wieder in den Kreisring 124 hinauf zirkuliert werden. Wie bereits angegeben, wird ein unterer Zementierstöpsel 90 unter den Zement 106 und ein oberer Stöpsel 92 am oberen Ende des Zements 106 eingeführt.
Der untere Stöpsel 90 wird, wie auf ABB. 4 gezeigt, auf der Betriebshülse 32 aufsitzen. Weiterer auf die Zementsäule 106 ausgeübter Druck wird die Berstscheibe 112 des unteren Zementierstöpsels 90, wie auf ABB. 5 illustriert, durchbrechen, und der Zement des zweiten Abschnitts fließt dann aus der Zementieröffnung 122 und aufwärts durch den Kreisring 124.
Wenn der obere Stöpsel 92 auf dem unteren Stöpsel 90 aufsitzt und diesen verschließt, wie auf ABB. 6 gezeigt, ist der zweite Abschnitt der Zementierung, repräsentiert durch die ringförmige Zementsäule 130, beendet.
Anschließend können die Zementierstöpsel 90 und 92, die Betriebshülse 32 und Öffnungshülse 49 sowie der Verankerungsring 54 alle aus dem Gehäuse 12 herausgebohrt werden, woraufhin eine glatte Bohrung durch das Zementiergerät hindurch zurückbleibt, wie auf ABB. 7 gezeigt. Die Bestandteile, die aus dem Gehäuse 12 herausgebohrt werden müssen, einschließlich der Betriebshülse 32, der Öffnungshülse 49 und des Verankerungsrings 54, sind alle aus leicht bohrbaren Werkstoffen, wie z.B. Aluminium. Die Zementierstöpsel 90 und 92 sind auch aus Aluminium oder Gummibestandteilen, die sich leicht bohren lassen. Ihre Herausbohrung aus dem Gehäuse 12 wird weiterhin dadurch erleichtert, daß alle diese Bestandteile nicht-drehbar miteinander und mit dem Gehäuse 12 verriegelt sind.

Claims

1. Ein Zementiergerätapparat (10), bestehend aus einem röhrenförmigen Gehäuse (12) mit einem inneren, in Längsrichtung angebrachten Durchgang (18) und einer radialen Außenoberfläche (20). Besagtes Gehäuse hat auch eine Zementieröffnung (22) und einen Längsschlitz (26,28), die beide durch dessen Wand (24) führen; eine äußere Schließhülse (30), die über besagte Außenoberfläche des besagten Gehäuses geschoben wird und in Relation zum besagten Gehäuse verschiebbar ist zwischen einer offenen Position, in welcher die besagte Zementieröffnung von besagter Schließhülse freigelegt wird, und einer geschlossenen Position, in welcher die besagte Zementieröffnung von besagter Schließhülse verschlossen wird; eine innere Betriebshülse (32), die in besagtes Gehäuse eingeschoben wird und die in Relation zum besagten Gehäuse verschiebbar ist zwischen einer ersten und zweiten Position; mechanische Verriegelungsvorrichtungen (36,38), die durch besagten Schlitz reichen und betriebsmäßig sowohl mit der besagten Betriebshülse und der besagten Schließhülse verbunden sind, zur mechanischen Übertragung einer Schließkraft von besagter Betriebshülse zur besagten Schließhülse, wodurch besagte Schließhülse in ihre geschlossene Position bewegt wird, während die besagte Betriebshülse von ihrer ersten Position in ihre zweite Position bewegt wird, und einen Zementierstöpsel (90), der dazu bestimmt ist, auf dem oberen Ende der Betriebshülse (32,204) aufzusitzen und diese zu versiegeln. Besagter Stöpsel (90) und besagte Betriebshülse (32) sind mit nicht-drehbaren, eingreifenden Verriegelungsvorrichtungen (94,104) ausgestattet, die eine relative Rotation zwischen dem Stöpsel und der Hülse während der anschließenden Herausbohrung des Stöpsels verhindern.

2. Ein Apparat gemäß Anspruch 1, bei dem das obere Ende der Betriebshülse (32) mit einer Rundreihe von Vertiefungen (96) und dazwischenliegenden Einrastvorrichtungen (94) ausgestattet ist, und bei dem das untere Ende des Stöpsels (90) mit einer komplementären Vertiefungs- und Einrastvorrichtung (104) ausgestattet ist.

3. Ein Apparat gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem besagte mechanische Verriegelungsvorrichtung (36,38) die besagte Betriebshülse (32) und besagte Schließhülse (30) miteinander verriegelt zur gemeinsamen Längsbewegung relativ zum besagten Gehäuse (12) durch den gesamten Weg der besagten Betriebshülse, von ihrer besagten ersten Position zu ihrer besagten zweiten Position, ohne verlorene Längsbewegung der besagten Betriebshülse relativ zur besagten Schließhülse.

4. Ein Apparat gemäß Anspruch 3, bei dem besagte mechanische Verriegelungsvorrichtung (36,38) mindestens einen Bolzen enthält, der sich durch besagten Schlitz (26,28) des besagten Gehäuse erstreckt und sowohl mit besagter Betriebshülse (32) und besagter Schließhülse (30) fest verbunden ist.

5. Ein Apparat gemäß eines jeden der vorangegangenen Ansprüche, bei dem besagte Schließhülse (30) longitudinal hydraulisch ausgeglichen ist.

6. Ein Apparat gemäp eines jeden der Ansprüche 1 bis 5, bei dem besagte Schließhülse (30) in ständiger Flüssigkeitsdruckverbindung mit besagtem inneren Durchgang (18) besagten Gehäuses (12) steht.

7. Ein Apparat gemäß eines jeden der Ansprüche 1 bis 6, der des weiteren eine innere Öffnungshülse (49) umfaßt, die in besagten inneren Durchgang (18) des besagten Gehäuses (12) eingeschoben wird, und verschiebbar ist zwischen einer geschlossenen Position, bei der die besagte Zementieröffnung (22) von besagter Öffnungshülse verschlossen wird, und einer offenen Position, bei der besagte Zementieröffnung von besagter Öffnungshülse freigelegt wird; und wobei besagte Schließhülse (30) in Flüssigkeitsdruckverbindung mit besagtem inneren Durchgang des besagten Gehäuses steht, wenn besagte Betriebshülse sich in ihrer besagten ersten Position und die besagte Öffnungshülse sich gleichzeitig in ihrer besagten geschlossenen Position befindet.

8. Ein Apparat gemäß eines jeden der Ansprüche 1 bis 7, der des weiteren zwei und nur zwei Gleitdichtungen (48,50) zwischen besagter Schließhülse (30) und besagter Außenoberfläche (20) des besagten Gehäuse enthält, von denen sich eine (48) der besagten Dichtungen oberhalb der besagten Zementieröffnung und die andere (50) unterhalb der besagten Zementieröffnung befindet, wenn sich die besagte Schließhülse in ihrer besagten geschlossenen Position befindet.

9. Ein Apparat gemäß eines jeden der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die besagte Schließhülse (30) eine externe Hülse ist und eine radiale Außenoberfläche (31) hat, die exponiert ist.