DE3115467C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Zirkulationsventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Zirkulationsventil ist bekannt durch die US-PS 39 70 147.

Die US-PS 39 70 147 offenbart ein als Schieberventil ausgebildetes Zirkulationsventil für die Strömungsumkehr, das auf den Ringraumdruck auf einen an einem Ventilinnen­ teil angebrachten Ringkolben anspricht. Die Vorrichtung weist Scherstifte auf, die durch ihre Anordnung in radialen Bohrungen im Ventilinnenteil mit diesem unmittelbar verbunden sind.

Eine solche Scherstiftanordnung ist manchmal proble­ matisch, wenn der Rohrstrang, an dem das Zirkulations­ ventil angebracht ist, während seiner Montage und seines Absenkens in das Bohrloch wiederholt durch Unterdruck­ setzen seines Innenraums geprüft wird. Dieses Unterdruck­ setzen des Innenraums des Ventilinnenteils des Zirkulationsventils mit den bei einer solchen Rohrprüfung oft anzutreffenden sehr hohen Drücken ist Ursache für ein Verbiegen des Ventilinnenteils. Das beeinflußt die Belastbarkeit der unmittelbar am gleitenden Ventilglied angebrachten Scherstifte.

Andere Vorrichtungen nach dem Stand der Technik betreffen allgemein auf den Ringraumdruck ansprechende Ventile zur Verwendung beim Prüfen von Ölbohrungen.

Die US-PS 38 50 250 und US-PS 39 30 540 offenbaren zum Beispiel ein Zirkulationsventil, das sich nach dem Ausüben einer vorgegebenen Anzahl von Ringraumdruck-Veränderungen auf den Ringraum der Bohrung öffnet.

Die US-PS 40 64 937 offenbart ein Schließventil zur Verwendung beim Prüfen von Ölbohrungen, das einen sich vollständig öffnenden hindurchgehenden Strömungskanal vorsieht und ein Zirkulationsventil einschließt. Dieses Zirkulationsventil ist so angeordnet und aufgebaut, daß ein gleitender Ventilinnenteil von einer normalerweise eine Zirkulationsöffnung schließenden Schließstellung in eine normalerweise die Zirkulationsöffnung öffnende Offenstellung bewegbar ist. Am Ventilinnenteil ist eine Mehrzahl von Federfingern angebracht, die zu Anfang durch enges Anliegen an einen Antriebsinnenteil gegen eine Leiste eines Gehäuse gehalten werden. Nach der Bewegung des Antriebsinnenteils über eine vorgegebene Distanz können sich die Köpfe der Federfinger in einen Teil des Antriebsinnenteils mit geringerem Durchmesser zusammen­ ziehen, wodurch der Ventilinnenteil losgelassen wird und abwärts in seine Offenstellung bewegt werden kann. Diese Abwärtsbewegung wird durch die Dehnung einer Schrauben­ druckfeder durchgeführt.

Die US-PS 38 23 773 offenbart ein Zirkulationsventil, das beim Öffnen und Schließen eines auf Druckveränderungen im Ringraum der Bohrung ansprechenden Probenahme-Mechanismus eine Einheit dieses Probenahme-Mechanismus darstellt. Das hier offenbarte Zirkulationsventil bewegt sich nach einer vorgegebenen Anzahl von Betätigungen des Probenahmeventils von einer Schließ- in eine Offenstellung.

Ein von den Halliburton Services in Duncan, Oklahoma angebotes Doppel-CIP Umkehrzirkulationsventil ist ein Zirkulationsventil, bei dem federbelastete Finger einen als Schieber ausgebildeten Ventilinnenteil in einer Stellung halten, in welcher Zirkulationsöffnungen in einem Gehäuse des Ventils abgedeckt sind. Der Ventilinnenteil ist in Richtung auf die Offenstellung federbelastet. Das Doppel- CIP-Umkehrzirkulationsventil wird durch Drehbewegung des Rohrstranges betätigt, wobei die Drehbewegung einen betätigbaren Innenteil vortreibt, der ebenfalls einen Prüfventilmechanismus öffnet und schließt. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Drehungen wird das Prüfventil geschlossen, worauf zusätzliche Drehung einen Auslöse­ mechanismus betätigt, der den Ventilinnenteil haltenden Mechanismus löst. Durch die erwähnte Feder wird der Ventilinnenteil dann in die Offenstellung bewegt, wodurch die Zirkulationsöffnung freigegeben wird, so daß eine Zirkulation mit umgekehrter Strömungsrichtung stattfinden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Zirkulationsventil nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 die Belastbarkeit der Scherstifte unabhängig von Verformungen des Ventilinnenteils zu machen, die beim Unterdrucksetzen des Innenraumes des Ventilinnenteils auftreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Die brechbaren Haltemittel sind dabei nicht unmittelbar mit dem Ventilinnenteil verbunden, sondern mit einer Tragstruktur, die ihrerseits nur kraftschlüssig an einer Fläche des Ventilinnenteils anliegt, Verformungen des Ventilinnenteils haben dann keinen Einfluß auf die Belastbarkeit der brechbaren Haltemittel.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Bohrprüfstrangs in einer Unterwasserölbohrung mit dem Umkehrzirkulationsventil in Betriebsstellung.

Fig. 2A und 2B zeigen eine Seitenansicht, die nur auf der rechten Seite im Schnitt dargestellt ist, des Umkehrzirkulations­ ventils mit dem Ventilinnenteil in Schließstellung.

Bei einer Ölbohrung wird das Bohrloch während des Bohr­ vorgangs mit einer als Bohrflüssigkeit oder Bohrschlamm bekannten Flüssigkeit gefüllt. Zweck dieser Bohr­ flüssigkeit ist es unter anderem, in durchsetzten Forma­ tionen irgendeine der dort auffindbaren Formations­ flüssigkeiten zurückzuhalten. Zu diesem Zweck wird der Bohrschlamm mit verschiedenen Additiven so beschwert, daß der hydrostatische Druck des Schlamms in Formations­ tiefe ausreicht, um die Formationsflüssigkeit in der Formation zu halten, ohne ihren Austritt in das Bohrloch zu ermöglichen.

Wird eine Prüfung der Ergiebigkeit der Formation ge­ wünscht, senkt man einen Prüfstrang bis auf Formations­ tiefe in das Bohrloch ab und läßt innerhalb eines kontrollierten Prüfprogramms Formationsflüssigkeit in den Bohrstrang fließen. Beim Absenken des Prüfstrangs in das Bohrloch wird innerhalb des Bohrstrangs ein niedrigerer Druck aufrechterhalten. Dies wird normaler­ weise dadurch erreicht, daß ein Formations-Prüfventil am unteren Ende des Prüfstrangs in Schließstellung ge­ halten wird. Wenn die Prüftiefe erreicht ist, wird zum Abdichten des Bohrlochs ein "Packer" gesetzt, der die Formation vom hydrostatischen Druck der Bohrflüssigkeit im Ringraum der Bohrung abschließt.

Dann wird das Ventil am unteren Ende des Prüfstrangs geöffnet, und die vom eingeschlossenen Druck der Bohr­ flüssigkeit freie Formationsflüssigkeit kann in den Prüfstrang fließen.

Das Prüfprogramm enthält Perioden des Formationsflusses und Perioden des Formationsabschlusses. Um bei späteren Analysen die Ergiebigkeit der Formation bestimmen zu können, werden während des Programms Druckaufzeich­ nungen gemacht. Falls gewünscht, kann in einer geeig­ neten Probenkammer eine Probe von Formationsflüssigkeit genommen werden.

Am Ende des Prüfprogramms wird ein Zirkulationsventil im Prüfstrang geöffnet, die Formationsflüssigkeit tritt aus, der Packer wird gelöst und der Prüfstrang hochge­ zogen.

Die vorliegenden Erfindung betrifft besonders Verbesserung an Zirkulationsventilen, wie sie zur Verwendung in einem Prüfstrang gerade beschrieben wurden.

Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung für eine Offshore- Bohrstrangprüfung. Die allgemeine Anordnung eines sol­ chen Prüfstrangs ist bekannt und z. B. in der US-PS 40 64 937 dargestellt, auf deren Einzelheiten hier Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt besonders eine schwimmende Bohrplattform 10, von der aus ein Prüfstrang 12 in eine durch die Verrohrung 14 des Bohrlochs begrenzte Unterwasser- Bohrung eingelassen ist. Am unteren Ende des Prüfstrangs 12 ist ein Umkehrzirkulationsventil 16 angebracht. Zum Abdichten des Ringraums 20 zwischen Prüfstrang 12 und Verrohrung 14 des Bohrlochs oberhalb der zu prüfenden Erdformation 22 ist unterhalb des Zirkulationsventils 16 ein üblicher Packer 18 angebracht.

Fig. 2A und 2B zeigen eine Seitenansicht des Zirkula­ tionsventils, die nur auf der rechten Seite im Schnitt dargestellt ist.

Das Zirkulationsventil 16 weist ein zylindrisches Gehäuse 24 mit einem offenen Längsdurchgang oder einer hindurchgehenden axialen Bohrung 26 auf.

Das zylindrische Gehäuse 24 enthält ein oberes Paßstück 28, ein unteres Paßstück 30 und ein mittleres zylindri­ sches Gehäuseglied 32. Ein oberes Ende des mittleren Gehäuseglieds 32 ist durch ein mit Gewinde versehenes Verbindungsstück 14 am oberen Paßstück 29 angebracht, und ein unteres Ende des mittleren Gehäuseglieds 32 ist durch ein mit Gewinde versehenes Verbindungsstück 36 mit dem unteren Paßstück 30 verbunden.

Das obere Paßstück 28 des zylindrischen Gehäuses 24 weist eine radial durch eine seiner Wände hindurchge­ hende Zirkulationsöffnung oder einen Durchgang 38 auf.

Ein Ventilinnenteil oder Ventilkörper 40 wird gleitend im Gehäuse 24 aufgenommen und ist von einer in Fig. 2A und 2B dargestellten, die Zirkulationsöffnung 38 schließenden Schließstellung durch die Abwärtsbewegung des Innenteils von der in Fig. 2A und 2B gezeigten Stellung in eine die Zirkulationsöffnung 38 öffnende Offenstellung bewegbar.

Der Ventilinnenteil 40 weist einen oberen Ventilinnen­ teilabschnitt 42 und einen unteren Ventilinnenteilab­ schnitt 44 auf, die durch ein mit Gewinde versehenes Verbindungsstück 46 miteinander verbunden sind.

Auf dem unteren Ventilinnenteilabschnitt 44 des Ventil­ innenteils 40 ist ein Ringkolben 48 gebildet, dessen äußere Oberfläche 50 eng in einer zylindrischen inneren Oberfläche 52 des unteren Paßstücks 30 aufgenommen wird. Der Ringkolben 48 wird durch ringförmige Dich­ tungen 54 gegen die innere zylindrische Oberfläche 52 abgedichtet.

In einer Wand des unteren Paßstücks 30 ist eine Antriebs­ öffnung 56 angeordnet, die den Ringkolben 48 mit einem außerhalb des Gehäuses 24 im Ringraum 20 herrschenden Druck verbindet (vgl. Fig. 1).

Der Ringkolben 48 bildet ein Mittel, das indem es auf den durch die Antriebsöffnung 56 auf den Ringkolben 48 über­ tragen Druck im Ringraum 20 anspricht, das Ventil­ innenteil 40 von seiner Schließ- in seine Offenstellung bewegt.

Eine ringförmige Zone 58 unterhalb des Ringkolbens 48 ist eine Zone geringen Drucks, in der ungefähr Atmosphären­ druck herrscht, und wenn durch die Antriebsöffnung 56 ein höherer Druck auf die obere Oberfläche des Ringkol­ bens 48 ausgeübt wird, bewegen die auf den Ringkolben ausgeübten Druckkräfte den Ringkolben 48 relativ zum Gehäuse nach unten.

Zwischen Ventilinnenteil 40 und zylindrischem Gehäuse 24 sind allgemein mit 60 bezeichnete brechbare Haltemittel angeordnet. Die brechbaren Haltemittel 60 sind ein Mittel, um die Bewegung des Ventilinnenteils 40 von seiner Schließ- in seine Offenstellung solange aufzuhalten, bis der besagte, außerhalb des Gehäuses 24 im Ringraum 20 herrschende Druck einen vorgegebenen Wert übersteigt, und um den Ventilinnenteil 40 brechbar zu lösen, wenn der besagte Druck außerhalb des Gehäuses 24 einen vorge­ gebenen Wert übersteigt.

Die brechbaren Haltemittel 60 können auch als Riegel­ mittel 60 zur Verriegelung des Ventilinnenteils 40 in seiner ersten Schließstellung und zur Entriegelung des Ventilinnenteils 40 vom Gehäuse 24 beim Erreichen des vorgegebenen Drucks im Ringraum 20 bezeichnet werden.

Die brechbaren Haltemittel 60 weisen eine Tragstruktur 62 auf, die ihrerseits eine innere und eine äußere konzentrische Hülse 64 bzw. 66 aufweist. Ferner weisen die brechbaren Haltemittel 60 eine Mehrzahl von zwischen innerer und äußerer konzentrischer Hülse 64 bzw. 66 befestigten Scherstiften 68 auf, die so angeordnet sind, daß sie bei relativer Bewegung in Längsrichtung zwischen innerer und äußerer konzentrischer Hülse 64 und 66 ab­ geschert werden.

Der zum Abscheren der Scherstifte 68 im Ringraum 20 erforderliche Druck hängt von Anzahl, Größe und Bauma­ terial der Scherstifte 68 ab.

Die innere konzentrische Hülse 64 der Tragstruktur 62 der brechbaren Haltemittel 60 weist am oberen Ende eine Oberfläche 70 auf, die zur kraftübertragenden Anlage an eine nach unten weisende ringförmige Oberfläche 72 des Ventilinnenteils 40 ausgebildet ist.

Um die äußere konzentrische Hülse 66 herum ist eine Haltehülse 73 angeordnet, die die Scherstifte 68 inner­ halb der Tragstruktur 62 in Stellung hält.

Eine ringförmige Dichtung 74 dichtet das obere Ende des Ventilinnenteils gegen eine ringförmige innere Ober­ fläche 76 des Gehäuses 24 ab. Eine ringförmige Dichtung 78 dichtet das untere Ende des Ventilinnenteils 40 gegen eine innere zylindrische Oberfläche 80 des unteren Paßstücks 30 ab.

Durch die ringförmigen Dichtungen 74 und 78 wird die Tragstruktur 62 der brechbaren Haltemittel 60 von dem Flüssigkeitsdruck im Durchgang 26 in Längsrichtung des Gehäuses 24 abgedichtet.

Durch einen Strömungskanal 82, der in Fig. 2A und 2B mit einer Mehrzahl von den Gang der Flüssigkeit von der Antriebsöffnung 56 zur Tragstruktur 62 zeigenden 82- Zeichen versehen ist, ist die Tragstruktur 62 in unmittel­ barem Flüssigkeitskontakt mit der unter Druck gesetzten Flüssigkeit des Ringraumes 20.

Dieser Strömungskanal 82 kann als Druckkompensations­ mittel beschrieben werden, über welches die Tragstruktur 62 mit dem Druck außerhalb des Gehäuses 24 beaufschlag­ bar und dieser äußere Druck und die dadurch hervorgeru­ fene Längskraft an dieser Tragstruktur 62 kompensierbar ist, so daß eine Belastung der Scherstifte 68 in Längs­ richtung durch den direkt auf die Tragstruktur 62 wirken­ den äußeren Druck verhindert wird.

Die Wichtigkeit dieser Druckkompensationsmittel ist besser einzuschätzen, wenn andere Anordnungsmöglich­ keiten der Tragstruktur 62 in Betracht gezogen werden. Wäre zum Beispiel eine untere Oberfläche der Tragstruk­ tur 62 der unter Druck gesetzten Flüssigkeit des Ring­ raums 20 unmittelbar ausgesetzt, die Tragstrukur 62 jedoch so dicht zwischen Ventilinnenteil 40 und Ventil­ gehäuse 24 eingepaßt, daß diese äußere Flüssigkeit nicht vollständig mit der oberen Oberfläche der Tragstruktur 62 in Verbindung gebracht werden könnte, dann würde ein ungleicher Druck in Längsrichtung über die Tragstruktur 62 erzeugt, der die Scherstifte 68 abscherende Kräfte aus­ üben könnte. Dies würde Probleme hinsichtlich der genauen Vorhersagbarkeit des Drucks im Ringraum 20 aufwerfen, bei dem die brechbaren Haltemittel 60 den Ventilinnenteil 40 loslassen würden.

Wie Fig. 2A und 2B zeigt, ist die Tragstruktur 62 auf derselben Seite, d. h. auf der Oberseite des Ringkolbens 48 angeordnet wie die Antriebsöffnung 56. Die Trag­ struktur 62 ist auch zwischen Antriebsöffnung 56 und Zirkulationsöffnung 38 angeordnet.

Die Wirkungsweise des Umkehrzirkulationsventils 16 ist wie folgt:

Wie Fig. 1 zeigt, wird der Prüfstrang in die Verrohrung 14 des Bohrlochs abgesenkt, bis sich das untere Ende des Prüfstrangs nahe der zu prüfenden Erdformation 22 befin­ det. Dann wird zum Abdichten des Ringraums 20 zwischen Prüfstrang 12 und der Verrohrung 14 der Packer 18 gesetzt, um einen Abschnitt des Ringraums 20 oberhalb des Packers 18 zu isolieren. Dann werden die oben beschriebenen Prüfvorgänge ausgeführt. Gegebenenfalls wird zum Öffnen des Zirkulationsventils 16 und zum Zirkulieren der Flüssigkeit vom Ringraum 20 durch das Zirkulationsventil 16 in den Prüfstrang 12 der Druck im Ringraum 20 auf einen vom Aufbau der Scherstifte 68, wie vorher beschrie­ ben, abhängenden vorgegebenen Wert erhöht, und dieser vom Ringraum 20 durch die Antriebsöffnung 56 auf den Ring­ kolben 48 wirkende Druck übt dann abwärts gerichtete Kräfte auf das Ventilinnenteil 40 aus, das seinerseits durch das Anliegen der Oberflächen 70 und 72 eine ab­ wärts gerichtete Kraft auf die innere konzentrische Hülse 64 ausübt. Diese übt abscherende Kräfte auf die Scherstifte 68 aus und bewirkt ihr Abscheren durch eine relative Längsbewegung zwischen innerer und äußerer konzentrischer Hülse 64 bzw. 66.

Der normale hydrostatische Druck der Bohrflüssigkeit im Ringraum 20 wird in Verbindung mit dem oberen Ende des Ringkolbens 48 durch die Antriebsöffnung 56 aufrecht­ erhalten und hält dadurch, ansprechend auf diesen normalen hydrostatischen Druck, den Ventilinnenteil 40 in Schließ­ stellung.

Claims (8)

1. Zirkulationsventil zum Einbau in einen Rohrstrang, der in ein Bohrloch hinabgelassen wird, wobei das Zirkulationsventil eine Verbindung zwischen dem Inneren des Rohrstranges und dem Raum außerhalb des Rohrstranges beherrscht, enthaltend

• (a) ein zylindrisches Gehäuse (24) das einen offenen, in Längsrichtung verlaufenden Durchgangskanal (26) aufweist und in dessen Wandung eine Zirkulationsöffnung und eine Stelldrucköffnung (56) gebildet sind,
• (b) einen Ventilinnenteil (40), der gleitbeweglich in dem Gehäuse aufgenommen ist und der einen in dem Gehäuse (24) geführten Ringkolben (48) aufweist, der über die Stelldrucköffnung (56) von einem außerhalb des Gehäuses (24) herrschenden Stell­ druck beaufschlagbar ist und durch diesen Stell­ druck aus einer Schließstellung, in welcher er die Zirkulationsöffnung (38) abschließt, in eine Offenstellung beweglich ist, in welcher er die Zirkulationsöffnung (38) freigibt,
• (c) brechbare Haltemittel (60) zwischen dem Ventil­ innenteil (40) und dem zylindrischen Gehäuse (24), die in einer in dem Gehäuse (24) gehaltenen Tragstruktur gehalten sind und durch welche eine Bewegung des Ventilinnenteils (40) aus seiner Schließstellung in seine Offenstellung verhindert wird, bis der Stelldruck außerhalb des Gehäuses (24) einen vorgegebenen Wert überschreitet,

dadurch gekennzeichnet, daß

• (d) die brechbaren Haltemittel (60) mit der Trag­ struktur (62) in kraftübertragender Weise an einer Fläche (72) des Ventilinnenteils (40) anliegen.

2. Zirkulationsventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tragstruktur für die brechbaren Haltemittel zweiteilig ist, die beiden Teile durch die brechbaren Haltemittel gegen axiale Relativ­ bewegungen gehalten sind und ein Teil in kraftüber­ tragender Weise an der Fläche (72) des Ventilinnen­ teils (40) anlegbar und der andere Teil durch das Gehäuse (24) gehalten ist.

3. Zirkulationsventil nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• (a) die Tragstruktur (62) eine innere und eine dazu koaxiale äußere Hülse (64 bzw. 66) aufweist, von denen die innere Hülse (64) in der besagten kraftübertragenden Weise an die Fläche (72) des Ventilinnenteils (40) anlegbar ist und
• (b) die brechbaren Haltemittel (60) Scherstifte (68) aufweisen, die zwischen der inneren und der äußeren Hülse (64, 66) formschlüssig gehalten sind und bei einer relativen Längsbewegung der inneren und der äußeren Hülse (64 bzw. 66) abscherbar sind

4. Zirkulationsventil nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß um die äußere Hülse (66) der Trag­ struktur (62) herum eine Haltehülse (73) angeordnet ist, durch welche die Scherstifte (68) an ihrer Stelle innerhalb der Tragstruktur (62) gehalten sind.

5. Zirkulationsventil nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Tragstruktur (62) gegen den Flüssigkeitsdruck im längsverlaufenden Durchgangs­ kanal abgeschlossen ist.

6. Zirkulationsventil nach Anspruch Abb. 3, gekennzeichnet durch Druckkompensationsmittel (82) über welche die Tragstruktur (62) mit dem Druck außerhalb des Gehäuses (24) beaufschlagbar und dieser äußere Druck und die dadurch hervorgerufene Längskraft an der Tragstruktur (62) kompensierbar ist, so daß eine Belastung der Scherstifte (68) in Längsrichtung durch den direkten auf die Tragstruktur (62) wirkenden äußeren Druck verhindert wird.

7. Zirkulationsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Stelldrucköffnung (56) oberhalb des Ring­ kolbens (48) angeordnet ist,
• (b) die Tragstruktur (62) oberhalb der Stelldruck­ öffnung (56) sitzt und
• (c) die Zirkulationsöffnung (38) oberhalb der Tragstruktur (62) angeordnet ist.