[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Perforationsschlitzen,
insbesondere von Längsnuten, in die Wandungen von Bohrlöchern, insbesondere in Bohrlochverkleidungen,
sowie in Bohrlöcher in Zementstein und in Berggestein, sowie die Verwendung einer
solchen Vorrichtung bei der Erzeugung und dem Betrieb von Bohrlöchern, insbesondere
Bohrlöcher von Quellbohrungen, wie beispielsweise Erdöl- oder Erdgasquellen.
[0002] Aus der RU 2039229 C1 ist eine "Vorrichtung für die spaltenartige Perforierung von
Bohrlochverkleidungen" bekannt, die ein Gehäuse mit einem ausfahrbaren Schneidwerkzeug,
welches als Walze mit einer oder mehreren Schneidscheiben ausgeführt ist, sowie einem
mit der Achse der Walze verbundenen, federbelasteten, verschiebbaren Ausleger. Gegenüber
der Walze sind Stützrollen angeordnet. Darüber hinaus verfügt die Vorrichtung über
einen Hydraulikzylinder, dessen Kolben federbelastet und mit dem federbelasteten Ausleger
verbunden ist wobei auf dem Ausleger ein Hydromonitoraufsatz (Wasserwerfer, Düse)
angeordnet ist, der eine hydraulische Verbindung zwischen dem über Rohre mit an der
Oberfläche aufgestellten Pumpen oder einem Kompressoren verbundenen Innenraum der
säulenförmigen Vorrichtung und dem Bohrloch erzeugt.
Der Hydromonitoraufsatz (Wasserwerfer, Düse) ist auf den Arbeitsbereich der am Außenumfang
der Walze gerichtet, das Gehäuse der Gegenwalze ist mit einer Nut zur Aufnahme der
Walzenachse ausgestattet.
[0003] Der Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht vor allem in der mangelnden Funktionssicherheit
aufgrund eines schnellen Verschleißes der Perforationswerkzeuge und in ihrem komplizierten
Austausch. So erfolgt beim Auf- und Abwärtsbewegen der säulenförmigen Perforations-Vorrichtung,
welche eine mehrere Tonnen starke Belastung ertragen muss, ein sehr starker Verschleiß,
der zu einer Zerstörung der verschiebbaren Teile und der Achse mit der daran angeordneten
Walze zur Folge haben kann. Zum Austausch der Achse und der verschiebbaren Teile ist
eine komplette Demontage der Vorrichtung erforderlich.
[0004] Die gemeinsamen Merkmale der bekannten und der angemeldeten Vorrichtung sind das
Gehäuse mit dem ausfahrbaren Schneidwerkzeug, welches als Walze mit einer Schneidscheibe
ausgeführt ist, ein Hydraulikzylinder, dessen Kolben federbelastet ist, einem Hydromonitoraufsatz
(Wasserwerfer, Düse), der über an der säulenartigen Vorrichtung angeordnete Rohrleitungen
mit an der Oberfläche aufgestellten Pumpen und Kompressoren in Verbindung steht. Der
Hydromonitoraufsatz (Wasserwerfer, Düse) ist auf den Arbeitsbereich am Außenumfang
der Walze gerichtet.
[0005] In der RU 2151858 ist eine "Vorrichtung für die spaltenartige Perforierung von verkleideten
Bohrlöchern" beschrieben, die ein Gehäuse mit einem ausfahrbaren Schneidwerkzeug,
das als Walze ausgeführt ist, einen federbelasteten Ausleger, einem an dem Ausleger
um eine Achse beweglich angeordneten Teil, einen Hydromonitoraufsatz (Wasserwerfer,
Düse), Stützrollen und ein Axiallager aufweist, welches zwischen dem beweglichen Teil
und dem Ausleger angeordnet ist und den beweglichen Teil mit dem Ausleger gelenkig
verbindet. Im Gehäuse der Vorrichtung ist eine schräg zu der Längsachse der Vorrichtung
verlaufende Keilnut angeordnet, welche beidseitig von abnehmbaren Platten begrenzt
wird, und mit an der Achse der Walze, zwischen zu dem beweglichen Teil gehörenden
Backen frei sitzend angeordneten Gleitstücken zusammen wirkt. Die Walzenachse ist
abgestuft ausgeführt, wobei die Achse an ihren Enden einen kleineren Durchmesser aufweist,
die wiederum in seitlich an dem Gehäuse angeordneten, parallel zu der Keilnut verlaufenden
Nuten geführt sind.
[0006] Der Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht in der komplizierten Fertigung der
Schneidbaueinheit und im komplizierten Aufbau, im begrenzten Einsatzbereich der Vorrichtung
(nur bei großen Durchmessern der Bohrlochverkleidungen), im komplizierten Austausch
von verschlissenen Bauteilen, dem sehr hohen Druck im Hohlraum der Schneidvorrichtung
sowie in der schwierigen Rohraufhängung beim Betrieb der Walze.
[0007] Die gemeinsamen Merkmale der bekannten und der angemeldeten Vorrichtung sind: das
Gehäuse, das ausfahrbare Schneidwerkzeug in Form einer Walze, der Hydromonitoraufsatz,
die schräg zur Längsachse der Vorrichtung angeordnete Keilnut mit die Keilnut seitlich
begrenzenden, abnehmbaren Platten, wobei die Walzenachse abgestuft ausgeführt ist,
an ihren Enden einen kleinen Durchmesser aufweist, und in seitlich an dem Gehäuse
angeordneten, parallel zu der Keilnut verlaufenden Nuten geführt ist.
[0008] Die technische Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer bedienungsfreundlichen,
einfach aufgebauten und zuverlässigen Vorrichtung mit einem breiten Einsatzbereich.
[0009] Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydromechanischen Erzeugung
von Schlitzen in Bohrlochwandungen gelöst, welche ein Gehäuse, ein ausfahrbares Schneidwerkzeug
in Form einer Walze, einen Hydromonitoraufsatz sowie einen schräg zur Längsachse der
Vorrichtung angeordneten, von abnehmbaren Begrenzungsplatten seitlich begrenzten Keil
aufweist, wobei die Achse der Walze abgestuft ausgeführt ist und an ihren Enden einen
kleinen Durchmesser aufweist, und in parallel zu der durch die Begrenzungsplatten
und den Keil gebildete Keilnut verlaufenden Führungsnuten geführt ist.
[0010] Neu an der Vorrichtung ist, dass sie mit einem Hohlstabfilter (mit Querbohrungen
versehenes, entlang der Längsachse der Vorrichtung angeordnetes Rohr) versehen ist,
welches (koaxial) in zwei gegeneinander abgedichteten Hydraulikzylindern untergebracht
ist, wobei der untere Hydraulikzylinder mit einer federbelasteten Kolbenstange verbunden
ist, welche einen zentralen, entlang der Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Spülkanal
als Haupt- und einen parallel zur Längsachse der Vorrichtung versetzt verlaufenden
Neben-Hydraulikkanal aufweist, und über zwei Profilplatten mit der Walze verbunden
ist, welche die beidseitig des Keils angeordneten, abnehmbaren Begrenzungsplatten
(stirnseitig) berühren, wobei der Keil abnehmbar und beim Betrieb der Walze gegenüber
der Bohrlochwandung gleitend angeordnet ist, wobei die Enden der Walzenachse in in
den Seitenplatten angeordneten Führungsnuten geführt sind, und die Seitenplatten die
Walze und die beiderseits der Walze angeordneten Profilplatten umfassen, außerdem
ist die Vorrichtung mit einem Scherzirkulationsventil (Kugelventilsitz) versehen und
ein Hydraulikmonitor (Wasserwerfer, Düse) ist an der Kolbenstange angeordnet und mit
dem Neben-Hydraulikkanal verbunden.
[0011] Die Analyse der Patentschriften, wissenschaftlichen und technischen Literatur lässt
keine ähnliche, mit den wesentlichen technischen Merkmalen übereinstimmende technische
Lösung erkennen, woraus sich sowohl Neuheit als auch erfinderische Tätigkeit schlussfolgern
lässt.
[0012] In der Figur 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Ausgangsstellung, in
Figur 2 im Querschnitt A-A dargestellt.
[0013] Die Vorrichtung weist ein Gehäuse auf, welches aus vier Teilen zusammengesetzt ist:
Pos. 1, 2, 3, 4.
[0014] In Figur 1 ist der obere Hydraulikzylinder 1 zu erkennen, in dem der mit der Feder
5 federbelastete Hohlstabfilter (mit Querbohrungen versehenes Rohr) 6 mit dem Kolben
7 angeordnet ist, der obere Hydraulikzylinder 1 ist mit dem unteren Hydraulikzylinder
2 verbunden, der mit dem Mediumteiler (Diaphragma) 8 versehen ist und die Feder 5
abstützt, die am Hohlstabfilter (mit Querbohrungen versehenes Rohr) 6 im obere Hydraulikzylinder
1 liegt und der den oberen und unteren Hydraulikzylinder sowie den Hohlstabfilter
(mit Querbohrungen versehenes Rohr) 6 gegeneinander abdichtet. Das untere Ende des
Hohlstabfilters (mit Querbohrungen versehenes Rohr) 6 ist mit der Kolbenstange 9 über
die Befestigung 10 verbunden, in der ein Sitz für ein Kugelventil angeordnet ist,
welcher oberhalb eines in der Kolbenstange 9 angeordneten, zentralen Spülkanals 11
angeordnet ist.
Der obere Teil der Kolbenstange 9 (Kolben) weist einen kreisrunden Querschnitt und
eine Vorrichtung zur Befestigung des unteren Endes der Feder 12 auf. Das obere Ende
der Feder 5 wird an der Vorrichtung 13 befestigt, welche im oberen Teil des Hydraulikzylinders
2 unter dem Mediumteiler (Diaphragma) 8 liegt. In der Kolbenstange 9 sind zwei Hydraulikkanäle
angeordnet: ein eine Ablassöffnung 12 aufweisende zentraler Spülkanal 11 und ein Nebenkanal
14, an dessen unterem Ende ein Hydromonitoraufsatz 15, insbesondere ein Wasserwerfer
oder eine Düse, angeordnet ist. Am unteren Ende der Kolbenstange 9 ist eine Bohrung
für eine Achse 17 angeordnet, an der beidseitig der Kolbenstange 9 jeweils eine Profilplatte
19 angeordnet ist, welche mit einer quer zur Längsachse der Vorrichtung angeordneten
Walzenachse 20 verbunden sind und über diese und über zwei abnehmbaren Seitenplatten
25 mit einer schräg zur Längsachse der Vorrichtung verlaufenden Keilnut 26 in Kontakt
stehen, welche am Unterteil 18 des Gehäuses 3 angeordnet ist. Im Gehäuse 3 ist ein
Spalt zur Aufnahme der Walze 23 ausgebildet. Die den kleineren Durchmesser aufweisenden
Enden der Walzenachse 20 sind in den parallel zur Richtung der abnehmbaren Keilnut
26 verlaufenden Führungsnuten 24 geführt, wobei zwischen Walze 23 und Seitenplatten
die Profilplatten 19 angeordnet sind. Das Gehäuse 3 ist mit einer Befestigungsmutter
28 und einer Unterlegscheibe 27 für ein schnelles Lösen und Austauschen der Schneidbaueinheit
von der Vorrichtung versehen. Im oberen Teil der Vorrichtung ist ein Kugelventilsitz
29 angeordnet, dessen Gehäuse 4 mit dem oberen Hydraulikzylinder 1 verbunden ist,
wobei der Kugelventilsitz 29 mit Scherstiften gehalten wird, die in einer Befestigung
30 angeordnet sind. Das Gehäuse 4 des Kugelventilsitzes 29 ist ein Gewindeübergangsstück,
welches für die Aufnahme von durch das Bohrloch zu der Vorrichtung geführten Bohr-
bzw. Pumpen- und Kompressorenrohren (PKR) dient.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
[0015] Am PKR-Strang wird die Vorrichtung zur Perforationsstelle gesenkt. Nach der Positionierung
der Vorrichtung im Bohrloch erfolgt zunächst eine Spülung der Vorrichtung und des
Bohrlochs im Bereich der Vorrichtung, um Zunder, und mechanischen Teilchen, insbesondere
Sediment und Ablagerungen von Gesteinsbrocken, die bei den geophysikalischen Arbeiten,
insbesondere beim Vorantreiben des Bohrlochs und bei den gegebenenfalls erforderlichen
Arbeiten zur Anpassung des Bohrlochs um die Vorrichtung einzuführen, in das Bohrloch
und in die Hohlräume und Rohrleitungen der Vorrichtung gelangt sind, zu entfernen.
Anschließend wird eine Kugel mit einem kleinen Durchmesser durch den PKR-Strang in
die Vorrichtung hinabgesenkt, die nach dem Durchgang durch die PKR-Aufhängung, durch
den Kugelventilsitz 29 und durch das Hohlstabfilter (mit Querbohrungen versehenes
Rohr) 6 in den Kugelventilsitz an der Befestigungsaufnahme 10 des Hohlstabfilters
(mit Querbohrungen versehenes Rohr) 6 fällt und den zentraler Spülkanal 11 in der
Kolbenstange 9 überdeckt.
[0016] Danach wird der Betriebsdruck in der PKR aufgebaut. Der Überdruck in der Flüssigkeit
wirkt auf den Kolben 7 und gleichzeitig über die Bohrungen im Hohlstabfilter (mit
Querbohrungen versehenes Rohr) 6 auf den Hohlraum im Gehäuse 2. Dadurch wird der Kolben
7 und die Kolbenstange 9 vorwärts bewegt bei gleichzeitigem Ausdehnen der Feder 12
und Zusammendrücken der Feder 5. Die Kolbenstange 9 drückt bei der Vorwärtsbewegung
in Richtung der Längsachse der Vorrichtung über die Achse 17 auf die zwischen den
Profilplatten 19 angeordnete Walze 23 und lenkt diese aufgrund der beidseitigen Lagerung
der Enden der Walzenachse 20 in den parallel zu der Keilnut 26 und schräg zur Längsachse
der Vorrichtung verlaufenden Führungsnuten 24 der Seitenplatten 21 aus. Die Profilplatten
19, zwischen denen die Walze 23 frei angeordnet ist, wirken mit den abnehmbaren Begrenzungsplatten
25 der Keilnut 26 zusammen und drücken die Walze 23 bis zum Anschlag mit der Bohrlochwandung
ab, wobei sich die Keilnut mit ihrer der Walze abgewandten Rückseite 18 an der gegenüberliegenden
Bohrlochwandung abstützt. Durch den stufenweisen Druckaufbau im PKR-Strang und der
damit verbundenen Vorrichtung von 10-20-40-60-80 (bar) wird die auf die Bohrlochwandung
wirkende Kraft der Walze erhöht. Das Auswalzen eines Spalts in der Bohrlochwandung
erfolgt durch die wechselweise Auf- und Abwärts-Verschiebung der unter Druck stehenden
Vorrichtung über die Spaltlänge. Der Spalt wird in der Bohrlochwandung auf Grund der
Plastizität (Überschreitung der maximalen Druckbeanspruchung) des Materials der Bohrlochwandung
gebildet, das von der Walze ausgewalzt wird. Nach der Auswalzung des Spalts in der
Bohrlochwandung wird der Druck in der Vorrichtung weiter erhöht, so dass aus dem Hydromonitoraufsatz
(Wasserwerfer, Düse) 15 ein Flüssigkeitsstrahl austritt. Der Flüssigkeitsstrahl tritt
aus dem Hydromonitoraufsatz (Wasserwerfer, Düse) 15 mit hoher Geschwindigkeit aus
und zerstört mit seinem Druck den Zementstein und das Berggestein hinter der Bohrlochwandung
und spült eine Kaverne über die gesamte Spaltlänge aus. Dabei bleibt der Abstand zwischen
dem Hydromonitoraufsatz (Wasserwerfer, Düse) 15 und der Walzenachse 20 konstant. Nach
dem Ausspülen der Kaverne wird der Druck in der Vorrichtung bis auf Umgebungsdruck
abgebaut.
[0017] Durch die Rückstellkraft der Federn 5 und 12 wird die Kolbenstange 9 ins Gehäuse
2 eingezogen und bringt die gesamte Schneidbaueinheit in die Ausgangsstellung zurück.
Danach wird durch den PKR-Strang eine zweite Kugel mit einem größeren Durchmesser
zu der Vorrichtung hinabgelassen, die den Kugelventilsitz 29 verschließt. Durch einen
erneuten Druckaufbau im PKR-Strang werden durch den Druck der Kugel auf den Kugelventilsitz
29 die in der Befestigung 30 angeordneten Scherstifte abgeschert, die zur Befestigung
des Kugelventilsitz 29 in Richtung Längsachse der Vorrichtung dienen, so dass nach
dem Abscheren der Kugelventilsitz 29 nach unten fällt und eine Spülvorrichtung im
Gehäuse freigibt.
Anschließend wird das Bohrloch in Betrieb genommen oder leer gepumpt, oder die Vorrichtung
wird daraus geborgen.
[0018] Der technisch-wirtschaftliche Vorteil besteht in Folgendem:
1. Durch die abnehmbare und auseinandersetzbare Schneidbaueinheit sind die Einzelteile
einfacher herstellbar und einfacher austauschbar.
2. Durch die Ausführung des abnehmbaren Keils mit einer großen Kontaktfläche gegenüber
der Bohrlochwandung auf seiner der Walze abgewandten Seite kann der Großteil der beim
Betrieb der Walze auftretenden Reaktionskräfte abgeleitet werden, so dass der Strang
der Vorrichtung selbst bei teilweise fehlendem Zementstein hinter dem Keil nicht durchgebogen
wird, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit beim Betrieb gewährleistet wird.
3. Durch die Mehrfachverwendung der Bauteile der Vorrichtung wird ein einfacher Aufbau,
eine hohe Sicherheit und eine einfache Herstellbarkeit der Vorrichtung gewährleistet.
4. Durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung und die Mehrfachverwendung der Bauteile
wird der Einsatzbereich der Vorrichtung erweitert, d.h. sie kann für die Schlitzbildung
in den Wandungen von Bohrlöchern mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden.
5. Die Ausstattung der Vorrichtung mit einem Scherzirkulationsventil ermöglicht ihr
Heben aus dem Bohrloch mit einer dem Werkzeuggewicht entsprechenden, normaler Geschwindigkeit,
wodurch die Verfahrensgerechtheit bei der Reparatur und im Betrieb der Vorrichtung
erhöht wird.
[0019] Die Vorrichtung wurde bei der Erschließung neuer Quellen erprobt. Der Einsatz der
Vorrichtung reduziert die Kosten bei der Inbetriebnahme von Bohrlöchern.
Informationsquellen
[0020]
1. Urheberschein der UdSSR Nr. 1337513, Kl. E21 B43/114
2. Patentschrift RU 2161697, Kl. E21 B43/114
3. Urheberschein der UdSSR Nr. 2039220, Kl. E21B43/114
4. Patentschrift RU 2151858, Kl. E21 B43/114
Benutzte technische Begriffe
[0021]
- Keilnut = Keil, Nut entsteht durch die abnehmbaren Begrenzungsplatten 25
- Seitenplatten 21 am Gehäuse
- Seitenplatten 25 begrenzen die Keilnut -> Begrenzungsplatten
- Rohrhohlraum = Innenbereich in der Sonde, der von Rohren, Zylindern etc gebildet ist.
-> Rohrleitung, PKR.
- Hydromonitor stellt Verbindung zwischen «Rohrhohlraum» und Bohrloch her.
- Mediumteiler = Dichtung, Dichtring, Ding im Pneumatikzylinder, an dem die Kolbenstange
befestigt ist, Diaphragma
- Sonde -> gefutterte Sonde -> casing string -> Bohrstrang Verrohrung = Bohrloch
- Perforator = Schlitzvorrichtung, Vorrichtung zum Schlitzen von Bohrlöchern, Bohrlochschlitzvorrichtung,
Schlitzer / Schlitzerzeuger, Aufschneider, Jack the Ripper, Massenmörder -> Vorrichtung
für einen Massenmörder -> Kettensäge!
- Quetschscheibe = Walze mit Schneidscheibe = Walzscheibe
- Hohler Stockfilter = Hohlstabfilter = durch Querbohrungen kann Sediment nicht durchströmen.
- Hydromonitor = Wasserwerfer, Wasserkanone, Wasserdüse
- Scherzirkulationsventil = Vereitlerventil
- Bohrlochverkleidung = Bohrlochwandung
- Profilplatte (19) /= Seitenplatte (21) /= Begrenzungsplatte (25)
- Keilnut = Keil
1. Vorrichtung zur hydromechanischen Erzeugung von Schlitzen in Bohrlochwandungen, mit
einem Gehäuse, einem ausfahrbaren Schneidwerkzeug in Form einer Walze, einem Hydromonitoraufsatz
(Wasserwerfer, Düse), einem schräg zur Längsachse der Vorrichtung angeordneten Keil,
beidseitig des Keils angeordnete abnehmbaren Begrenzungsplatten (25) sowie einer abgestuften
Walzenachse (20), welche an ihren Enden in einer parallel zu dem Keil verlaufenden
Führungsnut (24) (gleitend) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Vorrichtung ein Hohlstabfilter (6, mit Querbohrungen versehenes Rohr) angeordnet
ist, das in zwei gegeneinander abgedichteten Hydraulikzylindern (1, 2) untergebracht
ist, wobei der untere Hydraulikzylinder (2) eine federbelastete Kolbenstange (9) aufweist,
welches einen zentralen Spülkanal (11) und einen Nebenkanal (14) aufweist und mit
der Walze (23) über zwei Profilplatten (19) verbunden ist, welche stirnseitig seitlich
an dem Keil angeordneten Begrenzungsplatten (25) berühren, wobei der Keil lösbar an
dem Gehäuse angeordnet ist und während des Betriebs der Walze (23) diese gegenüber
der Bohrlochwandung gleitend abstützt und die Enden der Walzenachse (20) beidseitig
in zwei die Walze (23), die Profilplatten (19) und den Keil (18) umfassenden Seitenplatten
(21) angeordneten Führungsnuten (24) geführt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Vorrichtung ein Kugelventilsitz (29) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Hydromonitoraufsatz (15) an der Kolbenstange (9) angeordnet und mit dem in der
Kolbenstange (9) angeordneten Nebenkanal (14) verbunden ist.