DE2838552C2

DE2838552C2 - Kugeldichtungen zur selektiven Abdichtung von Perforationen einer Bohrlochauskleidung

Info

Publication number: DE2838552C2
Application number: DE2838552A
Authority: DE
Inventors: Steven Ray Houston Tex. Erbstoesser
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1978-09-04
Publication date: 1983-07-07
Also published as: AU3764978A; MY8500145A; NO151558B; NL7804565A; NO151558C; CA1080613A; US4102401A; MX147448A; DE2838552A1; GB1595366A; AU520468B2; NL8401702A; NO782306L

Description

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Die Erfindung betrifft Kugeldichtungen zur selektiven Abdichtung von Perforationen einer Bohrlochauskleidung, aufgebaut aus einem Kern und einer Umhüllung unterschiedlicher Materialien, wobei die Umhüllung aus einem Elastomeren besteht

Derartige Kugeldichtungen sind beispielsweise der US-PS 34 37 147 entnehmbar. Bei diesen bekannten Kugeldichtungen bestehen der Kern aus Nylon und die Umhüllung aus Gummi. Sowohl Kern als auch Umhüllung solion deformierbar sein, um sich an die jeweiligen Unregelmäßigkeiten ier Perforationen anpassen zu können. Aus diesen Materialien, hergestellte Kugeldichtungen sind jedoch 'iel zu weich und nachgiebig, um dem Druck, den die Formationsbehandlungsflüssigkeit ausübt, standhalten zu können. Sie extrudieren in die Perforationen hinein oder gar durch diese hindurch und können die Perforation von der Rückseite verstopfen, so daß eine anschließende Förderung von geringem Druck aus der Formation -to behindert wird.

Kugeldichtungen größerer Festigkeit werden in der US-PS 27 54 910 beschrieben. Es handelt sich hierbei um Aluminiumlegierungen, Stahl, Bronze, lameliierten Kunststoff oder Hartgummi. Diese Materialien besitzen ein zu hohes spezifisches Gewicht, als daß sie für eine selektive Abdichtung einzelner Perforationen eingesetzt werden könnten.

Gleiches gilt für die US-PS 32 92 700, die Kugeldichtungen beschreibt, welche aus Metall, Gummi oder so Kunststoff bestehen und somit für eine selektive Abdichtung der Perforationen ungeeignet sind.

Schließlich beschreibt die US-PS 3010 514 Kugeldichtungen, die aus einem Nylonkern mit einer Gummiumhüllung bestehen. Auch hier reicht die Festigkeit, die erforderlich ist, um dem eingesetzten hohen Druck standzuhalten, nicht aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kugeldichtungen der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie sowohl eine hinreichend hohe &o Festigkeit einerseits als auch ein hinreichend geringes spezifisches Gewicht andererseits besitzen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung in einer Ausführungsform dadurch, daß der Kern aus einem syntaktischen Schaum, gebildet aus in einem « Binder dispergierten, hohlen, kugelförmigen Teilchen, besteht. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht der Kern aus Polymethylpenten.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kugeldichtungen können diese nunmehr auf das gewünschte geringe spezifische Gewicht eingestellt werden, bei gleichzeitiger hoher Festigkeit, so daß sie dem hohen Druck der Behandlungsflüssigkeit standzuhalten vermögen. Darüber hinaus ist das Umhüllungsmaterial hinreichend inert, so daß es durch die Behandlungsflüssigkeit nicht angegriffen wird.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Dabei zeigt im einzelnen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Bohrung, in welcher die Dichtungen gemäß der Erfindung eingesetztwerden,

Fig.2 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Bohrlochkopfes mit einer Einrichtung zur Steuerung des Kohlenwasserstoffstromes aus dem Bohrloch sowie einen Kugelfänger zur Absonderung der Kugeldichtungen,

Fig.3 eine grafische Darstellung des Abdichtwirkungsgrades über den normalisierten Dichteunterschied zwischen den Kugeldichtungen und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund von Untersuchungen,

F i g. 4 eine grafische Darstellung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb des Futterrohres über den normalisierten Dichteunterschied zwischen einer Kugeldichtung und der Behandlungsflüssigkeit aufgrund von Experimenten, und

F i g. 5 einen Schnitt durch eine Kugeldichtung.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kugeldichtungen wird anhand der F i g. 1 erläutert

Das Bohrloch 1 gemäß F i g. 1 besitzt ein Futterrohr 2, das bis zum Boden des Bohrloches läuft und außen einzementiert ist, damit das Futterrohr 2 gehalten wird und die durchdrungenen Formationen oder Abschnitte isoliert werden. Die Betonumhüllung 3 erstreckt sich von dem Boden des Bohrloches bis mindestens zu einem Punkt oberhalb der Förderformation 5. Damit die Kohlenwasserstoffe aus der Formation 5 gefördert werden können, ist es erforderlich, eine Verwendung zwischen der Formation 5 und dem Inneren des Futterrohres 2 herzustellen. Dies wird durch Perforationen 4 erzielt, die sich durch das Futterrohr 2 und die Zementumhüllung 3 erstrecken. Die aus der Formation 5 durch die Perforationen 4 in das Innere des Futterrohres 2 strömenden Kohlenwasserstoffe werden durch eine Förderleistung 6 zur Oberfläche geführt Im Bereich des unteren Endes der Förderleitung 6 oberhalb der höchsten Perforation ist ein Dichtungsstück 7 eingebracht, um eine Druckdichtung zwischen der Förderleistung 6 und dem Futterrohr 2 herzustellen. Es werden nicht immer Förderleitungen eingesetzt, sondern statt dessen wird das gesamte innere Volumen des Futterrohres für die Leitung der Kohlenwasserstoffe zur Erdoberfläche eingesetzt

Wenn eine Ableitung während einer Bohrlochbehandlung erforderlich ist, werden Kugeldichtungen eingesetzt, um einige der Perforationen abzudichten. Diese Kugeldichtungen besitzen vorzugsweise eine etwa sphärische Form, wobei jedoch auch andere Geometrien vorgeschlagen worden sind.

Wenn man die Kugeldichtungen 10 zur Abdichtung einiger Perforationen 4 einsetzen will, werden diese Kugeldichtur.gen 10 zunächst in das Futterrohr 2 zu einer vorbestimmten Behandlungszeit eingeführt. Die Kugeldichtungen können mit der Flüssigkeit vermischt werden, vor oder nachdem die Flüssigkeit in das obere

Ende des Futterrohres eingepumpt ist. Wie diese Verfahren durchzuführen sind, ist hinlänglich bekannt.

Wenn die Kugeldichtungen 10 in die Flüssigkeit oberhalb der perforierten Teile des Futterrohres eingeführt werden, trägt sie der Flüssigkeitsstrom über die Förderleitung 6 oder das Futterrohr 2 nach unten. Nachdem die Flüssigkeit bei den perforierten Teilen des Futterrohres ankommt, bewegt sie sich radial nach außen zusätzlich zur Abwärtsbewegung in Richtung auf und durch die Perforationen 4. Der Strom der ι ο Behandlungsflüssigkeit durch die Perforationen 4 trägt die Kugeldichtungen 10 bis an die Perforationen 4 heran, wobei sie sich auf die Perforationen 4 aufsetzen. Die Kugeldichtungen 10 werden dort durch die Druckdifferenz gehalten, wodurch eine wirkungsvolle Abdichtung der Perforationen 4 erzielt wird, bis der Druckunterschied aufgehoben bzw. umgekehrt wird. Im Idealsfall dichten die Kugeldichtungen 10 diejenigen Perforationen ab, durch welche die Behandlungsflüssigkeit am schnellsten fließt Dieses bevorzugte Schließen der Perforationen ermöglicht eine gleichmäßige Behandlung der Förderförmation über den gesamten Bereich der Perforation.

Wenn Kugeldichtungen gemäß der Erfindung eingesetzt werden, verbleiben sie niemals in dem Rattenloch 8 am Fuße des Bohrloches. Das bedeutet, daß die Kugeldichtungen aufgrund ihres Auftriebes nicht unter die unterste Perforation, durch weiche die Behandlungsflüssigkeit fließt, absinken. Unter der untersten Perforation, die Behandlungsflüssigkeit aufnimmt, steht die Flüssigkeit in dem Bohrloch still. Damit sind keine abwärts gerichteten Kräfte vorhanden, die auf die Kugeldichtungen wirken, um sie unter die niedrigste Perforation zu führen, die Behandlungsflüssigkeit aufnimmt Dementsprechend wirken die nach oben J5 gerichteten Auftriebskräfte auf die Kugeldichtung als stärkste Kräfte.

Dementsprechend ist es bei Verwendung der erfindungsgemäßen Kugeldichtungen so, daß die Vertikal-Geschwinöidkeit einer jeden Kugeldichtung eine Funktion der vertikalen Position innerhalb des Futterrohres ist Zumindest unterhalb der untersten Perforation und möglicherweise höher, wenn nur wenig Flüssigkeit durch die unteren Perforationen fließt, ist die Vertikal-Geschwindigkeit einer jeden Kugeldichtung nach oben gerichtet infolge des Vorliegens der Auftriebskräfte über jegliche abwärts gerichteten Kräfte der Flüssigkeit Zumindest oberhalb der höchsten Perforation und möglicherweise niedriger, wenn nur wenig Flüssigkeit durch diese höher gelegenen >r> Perforationen fließt, ist die Vertikal-Geschwindigkeit einer jeden Kugel abwärts gerichtet infolge des Überwiegens der abwärts gerichteten Flüssigkeitskräfte über die Auftriebskräfte.

Die Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer « ist als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit, verbleiben in dem oder bewegen sich in dem Bereich des Futterrohres zwischen der obersten Perforation und der unteren Perforation, durch wA he Flüssigkeit hindurchströmt, bis sich die Kugeldichtungen auf eine Perfora- ω tion aufgesetzt haben. Während sie sich in diesem Bereich des Futterrohres aufhalten, übt die radial nach außen in die Perforationen hineingerichtete Flüssigkeit eine Kraft auf die Kugeldichtungen aus, um diese nach außen auf die Perforationen zuzuführen, wo sie sich « festsetzen und durch den Druckunterschied gehalten werden.

Dies führt dazu, daß die in das Bohrloch injizierten Kugeldichtungen in den perforierten Bereich des Futterrohres transportiert werden und sich dort immer auf eine Perforation, durch welche Flüssigkeit strömt, aufsetzen und diese abdichten mit einem unveränderlichen Wirkungsgrad von 100%. Das bedeutet, daß unabweichlich jede Kugeldichtung eine Perforation zusetzt und abdichtet, solange eine Perforation vorliegt, durch weiche Flüssigkeit strömt, und der Flüssigkeitsstrom in abwärtiger Richtung oberhalb der obersten Perforation ausreicht, um eine abwärts gerichtete Kraft auf die Kugeldichtung zu übertragen, die größer ist als die Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtung wirkt

Wenn die Behandlung beendet ist und der Druckunterschied aufgehoben oder umgekehrt wird, lösen sich die Kugeldichtungen von den Perforationen. Wenn die Kugeldichtungen eine geringere Dichte haben als die Behandlungsflüssigkeit wie dies bei den erfindungsgemäßen de.r Fall ist wandern alle Kugeldichtungen nach oben. Dementsprechend sollte eine Anordnung vorgesehen sein, um diese Kugeldich vngen auszusondern, bevor sie in Ausrüstungsgegenständ-s hineingeraten, die sie verstopfen oder beschädigen können. Ein Kugelfänger 30, der für diesen Zweck geeignet ist wird in F i g. 2 dargestellt

Die Fjg.2 zeigt eine typische Ausbildung eines Bohrlochkopfes für eine fördernde Bohrung. Das Futterrohr 2 erstreckt sich ein wenig über das Niveau des Bodens und stützt den Bohrlochkopf 20 ab. Die Förderleitung 6 wird innerhalb des Futterrohres 2 gehalten und steht mit dem unteren Ende eines Hauptventils 21 in Verbindung. Das Hauptventil 21 steuert den Strom von öl und Gas aus dem Bohrloch. Oberhalb des Hauptventils 21 befindet sich ein T-Stück 25, das eine Verbindung mit dem Bohrloch entweder über das Kopfventil 22 oder das Seitenventil 23 herstellt. Verschiedene Ausrüstungsgegenstände können an dem oberen Ende des Kopfventils 22 angeschlossen sein, wobei eine Verbindung zwischen diesen Ausrüstungigegenständen und dem Bohrloch hergestellt wird, indem man das Kopfventil 22 und das Hauptventil 21 öffnet Normalerweise wird das Kopfventil 22 in einer geschlossenen Stellung gehalten. Das geförderte Material aus dem Bohrloch durchströmt das T-Stück 25 seitlich in das Seitenventil 23 hinein. Das Seitenventil 23 richtet den Medienstrom von dem Bohrlochkopf auf eine Sammelleitung 26.

Ein im Schnitt dargestellter Kugelfänger 30 befindet sich stromabwärts von dem Seitenventil 23 und stromaufwärts von einer Drosselstelle 24. Das geförderte Material durchströmt den Kugelfänger 30, wobei jedoch die Kugeln hierin aufgehalten werden. Nachdem das geförderte Material die Drosselstelle 24 verlassen hat, wirt es einer Sammelleitung 26 zugeführt, die den Transport zu einer Trenneinrichtung und dann entweder in einen Vorratsbehälter oder eine Transportleitung übernimmt

Der Kugelfänger 30 besteht im Grunde aus einem T-Stück mit einem Ablenkeinsatz 34, der ein Ablenkgitter 35 trägt, der am stromaufwärtigen Ende des T-Stückes eingeschoben ist Das Ablenkgitter 35 gestattet den Durchtritt der Flüssigkeit jedoch nicht von Gegenständen der Größe der Kugeldichtungen. Vorzugsweise ist das Ablenkgitter 35 in einem Winkel innerhalb des Kugelfängers 30 derart angeordnet, dsß die Kugeldichtungen benn Aufireffen auf das Ablenkgitter 35 in den Fuß 32 des T-Stückes geleitet werden. Am unteren Ende des Fußes 32 befindet sich eine leicht abnehmbare KaDDe 33. die bei eeschlossenem Seiten-

ventil und Druckausgleich zur Entnahme der eingefangenen Kugeldichtungen geöffnet werden kann.

Es wurden Versuche durchgeführt, um den Wirkungsgrad hinsichtlich der Abdichtung von Kugeldichtungen nach dem Stand der Technik, d. h. Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit und Kugeldichtungen gemäß der Erfindung, d. h. Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Behandlungsflüssigkeit, zu vergleichen.

Die Laborversuche simulieren die Abdichtung von Perforationen in einem Gehäuse durch Kugeldichtungen. Die Versuchsausrüstung umfaßte ein 244 cm langes Stück eines Lucite-Rohres von 76,2 mm Durchmesser, das einen Teil des Futterrohres darstellt. Das Lucite- r, Rohr war vertikal in dem Labor montiert, wobei das untere Ende abgedichtet war. Zwischen 91 cm und 122 cm vom Boden des Rohres waren 5 vertikal ausgerichtete Löcher durch die Wand des Rohres gebohrt, die die Perforation darstellen sollten. Die Löcher besaßen einen Durchmesser von 9,5 mm und einen Abstand jeweils von der Mitte von 50,8 mm.

Ein 90° Rohrkrümmer wurde auf das obere Ende des Lucite-(Plexiglas-)Rohres aufgesetzt und über eine Leitung an eine Pumpe angeschlossen. Die Pumpe zog 2; Flüssigkeit von einem Vorratstank ab und pumpte diese in verschiedenen gesteuerten Geschwindigkeiten durch die Zuleitung in das obere Ende des Rohres hinein. Die Flüssigkeit durchströmte das Lucite-Rohr in abwärtiger Richtung durch die Perforationen und wurde durch eine Leitung in den Vorratstank zurückgeführt.

Um die Kugeldichtungen zu injizieren, wurde eine entsprechende öffnung in den Rohrkrümmer eingebracht, worauf ein Stück Rohr mit einem Durchmesser von 25,4 mm in das Loch eingeschweißt wurde. Das Ende des 25,4 mm Durchmesser-Rohres wurde koaxial zu dem Lucite-Rohr an dessen ober;m Ende ausgerichtet. Die Kugeldichtungen wurden in das Lucite-Rohr durch das 25.4 mm Durchmesser-Rohr eingeführt.

Der Flüssigkeitsstrom in das obere Ende des Lucite-Rohres wurde gemessen. Es wurde angenommen, daß der Strom durch jede der Perforationen der gleiche war. wobei dementsprechend für jede Perforation 1/5 des im oberen Teil des Lucite-Rohres gemessenen Flusses angenommen wurde.

Während des Versuchs wurde Wasser mit einer Dichte von 1,0 g/cm³ als Flüssigkeit verwendet. Starre Kugeldichtungen wurden aus 4 verschiedenen Materialien mit 4 verschiedenen Dichten hergestellt. Die Kugeln besaßen alle ein<*n Durchmesser von 19,1 mm und waren hergestellt aus Polypropylen (0,84 bis 0,86 g/cm³). Nylon (1,11 g/cm³), Acetal (139 g/cm³) und Teflon (2,17 g/cm³). Diese Kujeldichtungen besaßen keinen elastomeren Oberzug. In der Praxis sind die Kugeldichtungen normalerweise mit einem Elastomeren überzogen, wie beispielsweise Gummi, um dadurch eine bessere Abdichtung zu bewirken. Der Zweck dieser Versuche war jedoch, die Aufsetzcharakteristika zu beobachten und nicht die Abdichtungscharakteristika.

Der Versuch umfaßt aligemein die Aufstellung einer spezifischen Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Perforationen, die Injektion der Kugeldichtungen durch das 25,4-Durchmesser-Rohr in das obere Ende des 244 cm langen Lucite-Rohres und die Beobachtung, ob sich die Kugein auf die Perforationen bs aufsetzten oder nicht Das Versuchsprogramm wurde durchgeführt, indem die Kugeldichtungen aus allen 4 Materialien in das Rohr injiziert wurden, durch welches das Wasser strömte.

Eine Versuchsdurchführung umfaßte die Injektion von 10 Kugeln des gleichen Materials zu einer Zeit in das obere Ende des 244 cm-Rohres. Es wurde beobachtet, ob sich die Kugeldichtungen auf eine der Perforationen aufsetzten oder nicht. Wenn sich eine Kugel auf eine Perforation aufsetzte, wurde diese abgenommen, bevor man die nächste Kugel fallenließ, so daß stes fünf offene Perforationen für jede Kugel vorlagen. Während einer Versuchsdurchführung verblieb die Flüssigkeit und deren Strömungsgeschwindigkeit gleich. Nachdem alle 10 Kugeln fallengelassen wurden, wurde die Zahl der Kugeln bestimmt, die sich auf die Perforationen aufgesetzt hatten, als Aufsetzwirkungsgrad unter den jeweiligen Bedingungen und als Prozentzahl ausgedrückt.

Sechs oder sieben Versuche wurden durchgeführt, um eine Regressionskurve des Aufsetzwirkungsgrades über die Strömungsgeschwindigkeit durch eine Perforation für die jeweilige Kugeldichtung und die Flüssigkeit zu bestimmen. Diese Regressionskurven wurden für jede Gruppe von Kugeldichtungen mit gleicher Dichte konstruiert. Die Daten dieser Regressionskurven wurden dann zur Herstellung der grafischen Darstellung gemäß F i g. 3 verwendet.

In Fig.3 ist der Aufsetzwirkungsgrad über den normalisierten Dichteunterschied aufgetragen. Der normalisierte Dichteunterschied ist der Unterschied der Dichte zwischen der Kugeldichtung und der Flüssigkeit dividiert durch die Dichte der Flüssigkeit. Ein positiver normalisierter Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtung größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, und ein negativ normalisierter Dichteunterschied bedeutet, daß die Dichte der Kugeldichtungen geringer ist als die Dichte der Flüssigkeit. Hieraus folgt, daß ein normalisierter Dichteunterschied von Null bedeutet, daß die Kugeldichtung und die Flüssigkeit die gleiche Dichte besitzen.

Wenn der normalisierte Dichteunterschied größer als Null ist, stellt sich der Aufsetzwirkungsgrad als eine Funktion der Strömung durch die Perforationen heraus. In F i g. 3 sind 4 Kurven des Aufsetzwirkungsgrades über den normalisierten Dichteunterschied für 4 verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten durch eine Perforation aufgetragen, nämlich 1.2620 Liter pro Sekunde, 0,9465 Liter pro Sekunde, 0,6310 1/sec. und 03155 l/sec. Es zeigte sich auch, daß der Aufsetzwirkungsgrad anstieg, wenn der normalisierte Dichteunterschied auf Null absank.

Wenn der normalisierte Dichteunterschied ge'^:nger als Null ist, ist der Aufsetzwirkungsgrad immer 100% vorausgesetzt, daß der abwärtsgerichtete Flüssigkeitsstrom innerhalb des Futterrohres oberhalb der Perforationen hinreichend groß ist um auf die Kugeldichtungen eine Kraft zu übertragen, die größer ist als die aufwärtsgerichtete Auftriebskraft, die auf die Kugeldichtungen wirkt Mit anderen Worten: Wenn die abwärtsgerichtete Strömung innerhalb des Futterrohres ausreicht, die Kugeldichtungen bis zu den Perforationen zu transportieren, werden sie sich immer aufsetzen.

Eine besondere Situation entsteht wenn der normalisierte Dichteunterschied gleich Null ist Wie bereits oben erwähnt, ist der normalisierte Dichteunterschied gleich Null, wenn die Dichte der Kugeldichtung die gleiche wie die Dichte der Flüssigkeit ist Es wurden keine Versuche durchgeführt, bei welchen die Kugeldichtungen genau die gleiche Dichte wie die Flüssigkeit besaß, aber aus den übrigen Daten ergibt sich, daß der

Aufsetzwirkungsgrad für einen normalisierten Dichteunterschied von Null sehr nahe bei 100% liegt. Der Aufsetzwirkungsgrqd kann ein klein wenig ger ^;nger als 100% sein, da es die theoretische Möglichkeit gibt, daß sich eine Kugeldichtung nicht aufsetzt. Dies könnte eintreten, wenn die Kugeldichtung durch die Flüssigkeit auf ein Niveau unterhalb der untersten Perforation transportiert wird, ohne daß sich die Kugel aufsetzt und die Kugel aufgrund ihres Beharrungsvermögens über das Niveau der untersten Perforation hinauswandert. Es leuchtet ein, daß eine Kugeldichtung, die aufgrund ihres Beharrungsvermögens an der untersten Perforation vorbeigeführt wird, in dem Rattenloch verbleibt, ohne daß sie sich aufsetzt, wenn der Flüssigkeitsstrom durch das Futterrohr und die Perforationen nicht über für eine η hinreichende Turbulenz unterhalb der untersten Perforation führt, um diese Kugeldichtung nach oben zu fördern. Diese Situation ist jedoch nicht möglich, wenn die Kugeldichtungen eine geringere Dichte besitzen als diejenige der Flüssigkeit, da der Auftrieb der Kugel ein Ansteigen zumindest bis zum Niveau der untersten offenen Perforation, die Flüssigkeit aufnimmt, bewirkt. Wenn der normalisierte Dichteunterschied größer als Null ist, d. h. wenn die Dichte der Kugeldichtungen größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ist der Aufsetzwirkungsgrad aller Kugeldichtungen eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen und dem Dichteunterschied zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit. Je größer die Geschwindigkeit durch die Perforationen und je geringer der Dichteunterschied zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit ist, umso größer wird der Aufsetzwirkungsgrad sein. Der Aufsetzwirkungsgrad von Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als die Dichte der Flüssigkeit, ist stets als statistisches j-, Phänomen zu betrachten. Eine Veränderung der Zahl, des Abstandes und der Ausrichtung der Perforationen beeinflußt den genauen Aufsetzwirkungsgrad, der in dieser Situation zu erwarten ist. Da es sich bei dem Aufsetzen der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die größer ist als diejenige der Flüssigkeit, stets um ein statistisches Phänomen handelt, gibt es stets die Möglichkeit, daß zuwenige oder zuviele der Kugeldichtungen sich zur gewünschten Ablenkung auf den Perforationen aufsetzen. ₄-.

Durch die Verwendung von Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Flüssigkeit, wird ein lOO°/oiger Aufsatzwirkungsgrad erreicht, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen und unabhängig von der w Größe des Dichteunterschiedes zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit Der Aufsetzwirkungsgrad der Kugeldichtungen mit einer Dichte, die geringer ist als diejenige der Flüssigkeit, ist lediglich eine Funktion der abwärtsgerichteten Strömung der Flüssigkeit oberhalb der obersten Perforation des Futterrohres. Wenn der abwärtsgerichtete Strom innerhalb des Futterrohres die Kugeldichtungen bis auf das Niveau der Perforationen zu transportieren vermag, dann werden sich in jedem Fall die Kugeldichtungen aufsetzen. Ein vorhersagbares Ableitverfahren tritt ein, da die Anzahl der Perforationen, die durch die Kugeldichtungen verstopft werden, der geringeren Zahl gleich ist von der Zahl der Kugeldichtungen, die in das Futterrohr injiziert werden bzw. der Anzahl von Perforationen, die Flüssigkeit aufnehmen.

Die Beziehung zwischen dem normalisierten Dichteunterschied und der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um die Kugeldichtungen durch das Futterrohr abwärts zu führen, wurde untersucht. Fi g. 4 zeigt eine grafische Darstellung des normalisierten Dichteunterschiedes zwischen den Kugeldichtungen und der Flüssigkeit, aufgetragen über die Geschwindigkeit der Flüssigkeit durch das Futterrohr abwärts. Diese Darstellung beruht auf mehreren Tests, bei welchen eine Kugeldichtung innerhalb eines vertikalen Stückes eines Lucite-Rohres eingebracht und ein abwärtiger Strom durch das Rohr erzeugt wurde. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit wurde so geregelt, daß die Kugeldichtung in einer festen Position im Mittelpunkt des Rohres verbliebe. In dieser Gleichgewichtsstellung sind die Kräfte, die durch das Vorbeistreichen der Flüssigkeit an der Kugeldichtung auf diese übertragen werden, gleich den Auftriebskräften, die auf die Kugeldichtung wirken. Kugeldichtungen verschiedener Dichten wurden zusammen mit 2 Flüssigkeiten eingesetzt, nämlich Wasser und Kalziumchloridsole mit einer Dichte von 1,13 g/cm^J, woraus sich die Kurve gemäß F i g. 4 ergibt.

Die ausgezogene Linie gibt den Gleichgewichtszustand an, bei welchem die Kugeldichtung stationär in dem Futterrohr verbleibt, ohne sich aufwärts oder abwärts zu bewegen. Unterhalb der Linie in Fig.4 würde die Flüssigkeitsgeschwindigkeit innerhalb des Futterrohres unzulänglich sein, um die Auftriebskräfte zu überwinden und die Kugeldichtung würde in dem Futterrohr aufsteigen. Oberhalb der Linie <n F ί g. 4 übt die Flüssigkeit infolge der höheren Geschwindigkeit eine Kraft auf die Kugeldichtung aus, die größer ist ais die Auftriebskraft auf die Kugeldichtung. Dementsprechend wird die Kugeldichtung durch das Futterrohr nach unten transportiert.

Alle Punkte auf der Linie und unterhalb derselben entsprechen einem bestimmten normalisierten Dichteunterschied und einer bestimmten Geschwindigkeit innerhalb des Futterrohres und führen zu einem Aufsetzwirkungsgrad von Null Prozent. Da die Kugeldichtungen nicht zu den Perforationen hin transportiert werden, können sie sich nicht aufsetzen. Wenn jedoch der normalisierte Dichteunterschied und die Geschwindigkeit innerhalb des Futterrohres einem Punkt oberhalb der Linie in F i g. 4 entsprechen, beträgt der Aufsetzwirkungsgrad 100%. Wenn die Kugeldichtungen zu den Perforationen hin transportiert werden, setzen sie sich auf. Ihre Auftriebskraft hält sie in einer Lage bei oder oberhalb der untersten Perforation und die abwärtsgerichtete Flüssigkeitsgeschwindigkeit in dem Futterrohr oberhalb der obersten Perforation hält die Kugeldichtung bei oder unterhalb dem Niveau der untersten Perforation. Es ist nur eine sehr geringe Flüssigkeitsströmung durch eine Perforation erforderlich, um die Kugeldichtung zur Perforation hinzuziehen und auf dieser abzusetzen, wenn die Zeitdauer, während welcher der Flüssigkeitsstrom durch die Perforation auf die Kugeldichtung wirkt, nur durch die Länge der Injektionszeit begrenzt ist

In der Praxis ist es somit erforderlich, eine Kugeldichtung bereitzustellen, deren Dichte geringer ist als die Bohrlochflüssigkeit, und die gleichzeitig eine Festigkeit besitzt dem Druck in dem Bohrloch zu widerstehen. Es ist nicht ungewöhnlich, daß der Druck am Fuße des Bohrloches 680 bar übersteigt oder sogar 1020 bar während der Bohrlochbehandlung erreicht Wenn eine Kugeldichtung diesem Druck nicht zu widerstehen vermag, wird sie 2wsammengedrückt und bewirkt daß die Dichte der Kugeldichtung auf einen Wert ansteigt der leicht die Flüssigkeitsdichte über-

ίο

schreitet. Da die für die Bohrlochbehandlung eingesetzten Flüssigkeiten im allgemeinen eine Dichte von etwa 0,8 g/cm³ bis wesentlich oberhalb 1,1 g/cm³ besitzen, ist eine Reihe leichter Kugeldichtungen erforderlich, deren Dichte in dem gleichen Bereich von 0,8 bis 1,1 g/cm³ liegt.

Es sind geeignete Materialien für Kugeldichtungen im Bereich von 1,1 g/cm³ und höher verfügbar. In dem Bereich von 0,8 bis 1,1 g/cm³ sind die Verfahren zur Herstellung derartiger Kugeldichtungen nicht sehr zufriedenstellend. Es ist beispielsweise eine mit BUNA-N überzogene Kugeldichtung mit einem Phenolkern verfügbar, der ein beträchtliches Leervolumen besitzt, das zu einer Dichte von weniger als 1,0 g/cm³ führt. Da das Leervolumen in dem Phenolkern durch eine teilweise Konsolidierung eines Phenolharzes erzeugt wird unter Niederdruck-Formbedingungen, ist die Steuerung der Dichte außerordentlich schwierig.

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eine durchschnittliche Dichte von 0,996 g/cm³ und eine weite Verteilung über 0,908 bis 1,085 g/cm³. Darüber hinaus zeigte sich bei einer hydrostatischen Druckbelastung dieser Kugeldichtungen, daß bei vielen der Kugeldichtungen die Leerräume instabil waren und sich zusammendrückten, wenn sie einem Druck von lediglich 408 at ausgesetzt wurden. Dementsprechend stieg bei einem Zusammendrücken des Leervolumens die Dichte der Kugeldichtungen an.

Eine Kugeldichtung, die imstande ist, einem großen Druck zu widerstehen bei einer Dichte im Bereich von 0,8 bis 1,1 g/cm³ ist in Fig. 5 dargestellt. Die sphärische Kugeldichtung 10 besitzt einen sphärischen Kern 101 aus einem syntaktischen Schaum, der mit einem elastomeren Material 201 überzogen ist.

Bei dem syntaktischen Schaum handelt es sich um ein Mater al, das aus hohlen sphärischen Partikeln besteht, die in einem Binder dispergiert sind; vgl. dazu »Journal of Applied Mechanics«, September 1969, S. 551-557. Der im Handel verfügbare syntaktische Schaum niedriger Dichte, der hinreichend stark ist, um die für Kugeldichtungen typischen Drucke und Temperaturen auszuhalten, besteht aus mikroskopisch kleinen hohlen Glaskugeln (mit einem Durchmesser von durchschnittlich 50 Mikron), die in einem Harzbinder wie beispielsweise Epoxyharz dispergiert sind. Es ist möglich, daß zukünftig bei der Herstellung eines syntaktischen Schaumes Kugeln aus einem ändert,i Material als Glas und Binder hergestellt werden können, wie beispielsweise aus thermoplastischen und wärme-

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Glasmikrokugeln entwickelt worden, die einem Druck zu widerstehen vermögen, der typisch beim Injektionsguß ist. Wenn Injektionsformen eingesetzt werden können, um die Kugeldichtungen herzustellen, wird es möglich, einen leichten thermoplastischen oder wärmeaushärtenden Kunststoff als Binder einzusetzen, wodurch sich eine hochfeste Kugeldichtung mit einer sehr niedrigen Dichte herstellen läßt. Verschiedene im Handel verfügbare synthetische Schaumarten, die sich als Kernmaterial für Kugeldichtungen niedriger Dichte eignen, sind in Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Eigenschaften verschiedener syntaktischer Schaumsysteme

Produkt	Hersteller	Dichte	Hydrosta tische Druckfestig keit	Kompressions modul
		(g/cm³)	(at)	(at)
EL 30	Emerson & Cuming	0,48	544	17 010
EL 36	Emerson & Cuming	0,57	1089	26 536
EL 39	Emerson & Cuming	0,62	1633	28 577
EL 38	Emerson & Cuming	0,60	476	nicht verfügbar
34-2C6	Lockheed	0,54	1225	nicht verfügbar
36-1B4	Lockheed	0,57	929	nicht verfügbar
39-1B5	Lockheed	0,62	1061	nicht verfügbar
XP-241-36	3M	0,57	748	22 113
XP-241-42H	3M	0,57	1361	30 618

Die in Tabelle I aufgezählten syntaktischen Schaumarten ergeben eine gute Festigkeit, wenn sie einem hydrostatischen Druck ausgesetzt werden. Viele dieser Materialien halten leicht 1020 at aus. Darüber hinaus zeigte jede der syntaktischen Schaumarten, für welche ein Kompressionsmodul der Elastizität verfügbar war, einen dem Wasser vergleichbaren Kompressionsmodul, der bei 20 412 at liegt

Der Elastizitäts-Kompressionsmodul ist die Umkehrung der Materialkompressibilität. Er stellt die Widerstandsfähigkeit eines Materials hinsichtlich der voiumetrischen Änderung als Funktion des hydrostatischen Druckes dar. Wenn beispielsweise der Kompressionsmodul eines Materials größer ist als derjenige des Wassers, ist das Material weniger kompressibel als Wasser. Dementsprechend steigt der Auftrieb des Materials an in bezug auf das Wasser, wenn beide dem gleichen Druck ausgesetzt werden, da das Wasser in einem stärkeren MaBe zusammengedrückt wird. Die Qualität dieser syntaktischen Schaumarten stellt sicher, daß die Dichte der Kugeldichtungen geringer bleibt als die Dichte der Behandlungsflüssigkeit, wodurch die Probleme umgangen werden, die bei Phenolkern-Kugeldichtungen auftreten.

*■> Syntaktischer Schaum ist gegenwärtig nur in Blocken mit einem Standardvolumen von etwa 283 Litern verfügbar. Der erste Schritt bei der Herstellung von Kugeldichtungen aus syntaktischem Schaum iit dement-

sprechend die Fertigung von syntaktischen Schaumkugein mit einem Durchmesser von 19,1 im aus den 'yntaktischen Schaumblöcken. Es wird di.in die Oberfläche der Kugeln präpariert, mit einem geeigneten Bindemittel beaufschlagt und mit dem gewünschten Oberzug versehen.

Die Oberflächenbearbeitung umfaßt auch eine Reinigung, um sicherzustellen, daß eine gute Bindung zwischen dem Überzug und dem syntaktischen Schaum hergestellt wird. Es ist sehr vorteilhaft, wenn die Oberflächenbehandlung auf einen starken Luftstrahl beschränkt werden kann, der den größten Teil des Glasstaubes, der während der Herstellung entstanden ist, zu entfernen. Eine Sandbestrahlung wurde mit einem guten Erfolg durchgeführt, wobei diese jedoch auf sehr kurze Behandlungszeiten beschränkt werden sollte, da hierdurch die hornoberfläche rasch abgetragen wird, wodurch die Kugeldichte ansteigt und die Gesamtdichte geln herumgepreßt ist, können die Kugeln gehärtet werden. Die genaue Temperatur, der Druck und die Härtezeit ändern sich mi', den Gummibestandteilen. Die Aushärtungsverfahren sind alt und hinlänglich bekannt.

Ein kritischer Parameter bei dem Härteve<-fahren in bezug auf die syntaktischen Schaumkupeldichtungen ist die Temperatur. Da die Härtetemperatur im allgemeinen für BUNA-N oder Epichlorhydringummi-Bestandteile etwa eine halbe Stunde lang bei etwa 149°C gehalten wird, ist es zwingend, daß der syntaktische Schaumbinder hitzebeständig ist.

Alle in Tabelle 1 aufgestellten Hersteller für syntaktischen Schaum verwenden Epoxybindersysteme n.it geeigneten Härtern wie beispielsweise Anhydrit, die sich bei diesen angehobenen Temperaturen (um etwa 149⁰C) nicht erweichen oder zersetzen. Das einzig,, getestete Polyamidbindersystem war EF 38 (Tabelle I) und zeigte sich als ungeeignci. wenn es Temperaturen

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sind, oder sich in einem öligen Zustand befinden, hat sich eine Waschung mit Trichlorethylen als zufriedenstellend erwiesen. Wenn die Kugeln fett und -ölfrei sind, können sie in ein geeignetes Bindemittel eingetaucht werden, das entsprechend dem aufzubringenden Überzugsmaterial ausgewählt wird.

Als elastomeres Überzugsmaterial kann Gummi Verwendung finden. Nachdem der ungehärtete Gummiüberzug mittels einer Dornpresse um die Schaumku-Während in Tabelle I die Dichten dieser ausgewählten syntaktischen Schaummaterialien aufgeführt sind, wird die Gesamtdichte einer Kugeldichtung sowohl durch das Kernmaterial als auch durch das Uberzugsmaterial bestimmt. Die Tabelle Il gibt statistische Werte an einschließlich der Gesamtkugeldichte für 4 Gruppen von gummiüberzogenen syntaktischen Schaumkugeldichtungen, die hergestellt worden sind.

Tabelle II

Hergestellte gummiüberzogene syntaktische Schaumkugeldichtungen

Menge	durchschnittliche	Größe	Gummi-Bestand	syntaktischer
	Dichte		teil	Schaum
	(g/cm³)	(mm)	(F. H. Maloney Co.)
275	0,879	22,2	490 FB	Lockheed 36-1B4
242	0,994	22,2	483	Lockheed 36-1B4
237	0,898	22,2	490 FB	Lockheed 36-1B4
175	0,832	31,8	490 FB	Lockheed 36-1B4

Bei den Eingangsuntersuchungen zeigten sich die hergestellten syntaktischen Schaumkugeldichtungen als mechanisch stabil, wenn sie einer Druckdifferenz von 102 at über die Perforationen und einer Temperatur im Bereich von 77°C ausgesetzt wurden. Außerdem zeigten diese Kugeldichtungen, wenn sie mit einem hydrostatischen Druck belastet wurden, keinen Schaden, bis ein Druck von etwa 919 at erreicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt begannen sie unelastisch zu versagen aufgrund des Zusammenfallens des syntaktischen Schaumes. Das Versagen bei diesem Druck entspricht genau der vom Hersteller angegebenen hydrostatischen Druckfestigkeit von 929 aL (s. Tabelle I Lockheed 36-1B4).

Obwohl es sich bei dem syntaktischen Schaum um ein Kernmaterial für die Kugeldichtung handelt, können bestimmte thermoplastische Materialien verwendet werden. Obwohl kein ungeschäumter Kunststoff eine

4i hinreichend niedrige Dichte besitzt, um eine Kugeldichtung mit einer Dichte von 0,8 bis 0,9 g/cm³ herzustellen, kann Polymethylenpenten als Kernmaterial für Kugeldichtungen in dem 1,0 g/cm³-Dichte-Bereich verwendet werden. Polymethylpenten besitzt eine Dichte von

so 0,83 g/cm³ und ist ein hochtemperatur-thermoplastisches Material (Schmelzpunkt etwa bei 250⁰C). Alle anderen leichten Kunststoffe, die typischerweise PoIybutylen, Polyethylen, Polyprophylen und Polyallomer Copolymere umfassen, sind nahezu doppelt so schwer wie annehmbar wäre. Da es sich außerdem bei diesen Materialien um Niedrigtemperaturthermoplaste handelt, sind sie sicherlich für Kugeldichtungskerne nicht geeignet, da sie sich wahrscheinlich bei den Temperatur- und Druckbedingungen, wie sie am Fuß des Bohrloches vorliegen, durch die Perforationen durchdrücken

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kugeldichtung zur selektiven Abdichtung von Perforationen einer Bohrlochauskleidung, aufgebaut aus einem Kern und einer Umhüllung unterschiedlicher Materialien, wobei die Umhüllung aus einem Elastomeren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (101) aus einem syntaktischen Schaum, gebildet aus in einem Binder dispergierten, hohlen, kugelförmigen Teilchen, besteht

2. Kugeldichtimg zur selektiven Abdichtung von Perforationen einer Bohrlochauskleidung, aufgebaut aus einem Kern und einer Umhüllung unterschiedlicher Materialien, wobei die Umhüllung aus einem Elastomeren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (101) aus Polymethylpenten besteht