DE1193447B

DE1193447B - Apparatus for cementing a casing string in a borehole

Info

Publication number: DE1193447B
Application number: DEB76956A
Authority: DE
Inventors: Lyle B Scott
Original assignee: Byron Jackson Inc
Current assignee: Byron Jackson Inc
Priority date: 1959-05-19
Filing date: 1959-05-19
Publication date: 1965-05-26

Description

Vorrichtung zum Zementieren eines Futterrohrstranges in einem Bohrloch Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zementieren eines Futterrohrstranges in einem Bohrloch mit einem ein rohrförmiges, an dem Rohrstrang befestigtes Gehäuse aufweisenden Zementierschuh mit einem Flüssigkeitsdurchgang.Apparatus for cementing a casing string in a borehole The invention relates to a device for cementing a casing string in a borehole with a tubular housing attached to the tubing string having cementing shoe with a liquid passage.

Gewöhnlich wird beim Einfahren des Rohrstranges in ein Bohrloch der Rohrstrang entsprechend der Länge der einzelnen aneinanderzusetzenden Rohrabschnitte in aufeinanderfolgenden Schüben in das Bohrloch hinuntergelassen. Während des Einbauens des Rohrstranges dringt die im Bohrloch befindliche Spülflüssigkeit in den Rohrstrang ein. Es ist erwünscht, das Eintreten dieser Spülflüssigkeit in den Rohrstrang zu beschränken bzw. abzumessen und zu überwachen, um zu vermeiden, daß Spülflüssigkeit, insbesondere beim Anhalten des Rohrstranges während des Einfahrens, aus dem oberen Ende des Rohrstranges austritt und sich über die Turmbühne ergießt. Andererseits ist es, insbesondere beim Einfahren einer Verrohrung in verhältnismäßig tiefe Bohrlöcher, erforderlich, daß der Rohrstrang mit Spülflüssigkeit angefüllt ist, um zu verhindern, daß er auf Grund des äußeren hydrostatischen Druckes zusammengedrückt wird. Es sind schon zahlreiche Vorrichtungen ersonnen worden, um den Eintritt der Spülflüssigkeit in den Rohrstrang zu steuern.Usually when the tubing string is run into a borehole, the Pipe string according to the length of the individual pipe sections to be joined together lowered into the wellbore in successive thrusts. During installation of the pipe string, the flushing fluid located in the borehole penetrates the pipe string a. It is desirable to prevent this flushing fluid from entering the tubing string limit or measure and monitor in order to avoid that flushing liquid, especially when stopping the pipe string during retraction from the upper one Exits the end of the pipe string and pours over the tower platform. on the other hand it is, especially when running a casing into relatively deep boreholes, it is necessary that the pipe string is filled with flushing liquid in order to prevent that it is compressed due to the external hydrostatic pressure. There are Numerous devices have already been devised to prevent the entry of the flushing liquid steer into the pipe string.

Die der Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders wirksam und mit einfachen Mitteln die vorerwähnten Forderungen erfüllt. In Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß im Flüssigkeitsdurchgang des Gehäusekopfteiles eine Drosseleinrichtung zur Beschränkung der den Durchgang beim Absenken. des Rohrstranges durchströmenden Flüssigkeit vorgesehen, die eine Ventilvorrichtung aufweist, welche sich bei abwärts gerichtetem Spülflüssigkeitsstrom schließt und dann die Ausstoßung der Drosseleinrichtung bewirkt. In Weiterbildung der Erfindung weist eine solche Drosseleinrichtung eine mit einer mittleren Öffnung versehene elastische Membran auf, über der ein Klappenventil angeordnet ist, oder sie weist gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung eine mit einer mittleren Öffnung versehene elastische Membran auf, unter der ein Sieb angeordnet ist, wobei die Membran durch Anlage am Sieb die Ventilvorrichtung bildet. Bei der letztgenannten Ausführungsart ist vorteilhafterweise das Sieb durch abscherbare Glieder im Durchgang des Kopfteiles ausstoßbar befestigt. Bei beiden erfindungsgemäßen Lösungsarten kann die Drosseleinrichtung zweckmäßigerweise einen hohl ausgebildeten, die Drosseleinrichtung durch Reibung im Flüssigkeitsdurchlaß haltenden Trägerkörper aufweisen. Die erfindungsgemäß angeordnete elastische Membran wird den durch ihre mittlere Öffnung hindurchgehenden Spülflüssigkeitsstrom bei gewöhnlichen Drücken drosseln. Bei übermäßigen Druckstößen, die dadurch verursacht werden können, daß der Rohrstrang mit einer übermäßigen Geschwindigkeit in das Bohrloch eingefahren wird, gibt sie jedoch nach und ermöglicht eine größere Durchflußgeschwindigkeit, wodurch die Einwirkung von unerwünschten Drücken auf die Bohrlochwand vermieden wird.The object on which the invention is based is to provide a device of the type mentioned to create the particularly effective and simple Means met the aforementioned requirements. This object is achieved by the invention a throttle device for restriction in the liquid passage of the housing head part of the passage when lowering. the liquid flowing through the pipe string is provided, which has a valve device which is located when the flushing liquid flow is directed downwards closes and then causes expulsion of the throttle device. In further training According to the invention, such a throttle device has one with a central opening provided elastic membrane, over which a flap valve is arranged, or according to a second advantageous embodiment of the invention, it has one an elastic membrane provided with a central opening, under which a sieve is arranged is, wherein the membrane forms the valve device by resting on the sieve. In the The latter embodiment is advantageously the sieve by shearable Links in the passage of the head part fastened so that they can be pushed out. With both of the invention Types of solution, the throttle device can expediently be a hollow, the throttle device by friction in the liquid passage holding the carrier body exhibit. The elastic membrane arranged according to the invention is the through their Flow of rinsing fluid passing through the middle opening at ordinary pressures throttle. In the event of excessive pressure surges, which can be caused by the tubing run into the wellbore at an excessive speed however, it gives way and allows a greater flow rate, thereby avoiding the effect of undesirable pressures on the borehole wall will.

Bei abwärts gerichtetem Spülflüssigkeitsstrom schließt sich das Klappenventil, bzw. die elastische Membran legt sich auf das darunter angeordnete Sieb und verschließt den Großteil der Sieböffnungen, so daß die ganze Drosseleinrichtung durch den Pumpendruck aus dem Gehäusekopfteil gedrückt wird und dadurch ein im wesentlichen unbeschränkter Flüssigkeitsdurchlaß entsteht, durch den die im Kreislauf gepumpte Spülflüssigkeit und die Zementtrübe gepumpt werden können.If the flow of flushing liquid is directed downwards, the flap valve closes, or the elastic membrane lies on the sieve arranged underneath and closes the majority of the screen openings, so that the entire throttle device by the pump pressure is pressed out of the housing head part and thereby an essentially unlimited Liquid passage is created through which the flushing liquid pumped in the circuit and the cement slurry can be pumped.

In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen in ein Bohrloch eingefahrenen Rohrstrang, dessen unteres Ende im Schnitt gezeichnet ist und einen unteren Zementierschuh und eine erste Aufführungsart der erfindungsgemäßen Drosseleinrichtung zeigt, F i g. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des unteren Endes des Rohrstranges nach F i g. 1, bei aufwärts gerichtetem Spülflüssigkeitsstrom, F i g. 3 das untere Ende des Rohrstranges gemäß F i g. 2 bei abwärts gerichtetem Spülflüssigkeitsstrom, nachdem die Drosseleinrichtung aus dem unteren Kopfteil ausgestoßen wurde, F i g. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsart der erfindungsgemäßen Drosseleinrichtung, in Ruhestellung, F i g. 5 die Ausführungsart nach F i g. 4 bei aufwärts gerichtetem Spülflüssigkeitsstrom, wie er während des Einfahrens des Rohrstranges herrscht, F i g. 6 dieselbe Ausführungsart bei abwärts gerichtetem Spülflüssigkeitsstrom, jedoch noch nicht ausgestoßener Drosseleinrichtung, wie es sich bei Beginn des durch den Rohrstrang abwärts gepumptem Flüssigkeitsumlaufes ergibt, und F i g. 7 dieselbe Ausführungsart bei ausgestoßener Drosseleinrichtung.In the drawing, F i g. 1 one driven into a borehole Pipe string, the lower end of which is drawn in section, and a lower cement shoe and shows a first embodiment of the throttle device according to the invention, F i g. 2 is an enlarged sectional view of the lower end of the pipe string according to FIG F i g. 1, with the flushing liquid flow directed upwards, FIG. 3 the lower end of the pipe string according to FIG. 2 with a downward flow of flushing liquid, after this the throttle device has been ejected from the lower head part, FIG. 4 one Section through a second embodiment of the throttle device according to the invention, in rest position, F i g. 5 the embodiment according to FIG. 4 when facing upwards Flushing liquid flow as it prevails during the running-in of the pipe string, F i g. 6 the same embodiment with a downward flow of rinsing liquid, However, the throttle device has not yet been ejected, as it was at the start of the the tubing yields fluid circulation pumped downward, and FIG. 7 the same Type of execution with throttle device ejected.

Bei dem in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist am unteren Ende eines Rohrstranges C über eine Verbindungsmuffe 1 ein nach unten abgerundetes Kopfteil 2 befestigt. Dieses Kopfteil bildet einen Zementierschuh.In the case of the FIG. 1 to 3, a head part 2 rounded downwards is attached to the lower end of a pipe string C via a connecting sleeve 1. This head part forms a cement shoe.

Die erfindungsgemäße Drosseleinrichtung ist im ganzen mit 3 bezeichnet. Sie besitzt die Gestalt eines zylindrischen Gummikörpers 5, der in einer zylindrisehen Mittelfassung 4 des Kopfteiles 2 sitzt und an seinem oberen Ende eine biegsame Membran 6 aufweist, die mit einer durchgehenden Mittelöffnung 7 versehen. ist. Der Gummikörper 5 ist um eine zylindrische metallische Verstärkungseinlage 8 herumgeformt, die an ihrem oberen Ende einen nach innen gerichteten radialen Verstärkungsflansch 9 aufweist, der teilweise in die Membran 6 hineinreicht.The throttle device according to the invention is designated by 3 as a whole. It has the shape of a cylindrical rubber body 5, which is in a cylindrisehen Central socket 4 of the head part 2 is seated and a flexible membrane at its upper end 6, which is provided with a central opening 7 through it. is. The rubber body 5 is formed around a cylindrical metallic reinforcement insert 8, which is attached to its upper end has an inwardly directed radial reinforcing flange 9, which partially extends into the membrane 6.

Der Kopfteil 2 ist mit einer rings um die Mittelfassung 4 vorstehenden Ringschulter 10 versehen, zwischen der und dem oberen Ende der Drosseleinrichtung 3 ein biegsames Klappenventil 11 eingefügt ist, das einen äußeren, zwischen der Ringschulter 10 und dem oberen Ende des Gummikörpers 5 eingeklemmten Einsetzring 12 und eine Ventilklappe 13 besitzt, die an einer Seite einer durch den Ringe 12 führenden Öffnung 14 mit ihm verbunden ist. Vorzugsweise ist die Klappe 13 ein Teil des Ringes 12 und besteht, wie in der Zeichnung dargestellt, aus Gummi oder einem anderen biegsamen Material. Die Mitte der Ventilklappe 13 ist durch eine metallische Einlage 15 verstärkt, durch die eine Mittelöffnung 16 hindurchführt.The head part 2 is provided with an annular shoulder 10 protruding around the central socket 4 , between which and the upper end of the throttle device 3 a flexible flap valve 11 is inserted, which has an outer insert ring 12 clamped between the annular shoulder 10 and the upper end of the rubber body 5 and has a valve flap 13 connected to it on one side of an opening 14 passing through the ring 12 . Preferably, the flap 13 is part of the ring 12 and, as shown in the drawing, consists of rubber or another flexible material. The center of the valve flap 13 is reinforced by a metallic insert 15 through which a central opening 16 extends.

Die Membran 6 ist so gebaut, daß sie der nach oben durch die Mittelöffnung 7 gehenden Flüssigkeitsströmung Widerstand entgegensetzt und gewöhnlich die in F i g. 2 mit strichpunktierten Linien gezeigte Ruhestellung einnehmen würde; wenn sie jedoch Druckstöße erleidet, wie sie bei einem mit übermäßiger Geschwindigkeit erfolgenden Einfahren des Rohrstranges C auftreten könnten, wird sich die Membran 6 aufwärts biegen, wie es in F i g. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, und die Öffnung 7 wird vergrößert, so daß der Durchfluß eines größeren Flüssigkeitsvolumens ermöglicht wird. Damit wird verhindert, daß auf die Bohrlochwand übermäßige Druckstöße ausgeübt werden.The membrane 6 is constructed in such a way that it passes upwards through the central opening 7 opposed to the flow of liquid and usually that in F i g. 2 would assume the rest position shown by dash-dotted lines; if however, it suffers pressure surges such as those caused by one at excessive speed occurring retraction of the pipe string C could occur, the membrane will 6 bend upwards as shown in FIG. 2 is shown in solid lines, and the opening 7 is enlarged, so that the flow of a larger volume of liquid is made possible. This prevents excessive pressure surges on the borehole wall be exercised.

Wenn jedoch der Rohrstrang C bis in die gewünschte Tiefe in das Bohrloch eingefahren worden ist, wird durch ihn hindurch Spülflüssigkeit abwärts gedrückt, um das Bohrloch von der anfangs darin enthaltenen Bohrspiilflüssigkeit freizuspülen. Unter diesen Umständen ist es wünschenswert, daß die Durchgangsöffnung so groß wie möglich ist. Gemäß der Erfindung schließt sich das Klappenventil 11, wenn der durch den Rohrstrang abwärts gerichtete Umlauf von Flüssigkeit beginnt. Dadurch wird oberhalb des Ventils 11 ein Druck aufgebaut, der ausreicht, um das Ventil 11 und die Drosseleinrichtung 3 aus der Fassung 4 nach unten herauszudrücken, wie es in F i g. 3 gezeigt ist. Dadurch wird der Kopfteil 2 im wesentlichen von jedem Hindernis für den nach unten gehenden Flüssigkeitsstrom freigemacht. Die einzelnen Teile 3 und 11 fallen nach dem Ausstoßen auf den Grund des Bohrloches W.However, once the tubing string C has been run into the wellbore to the desired depth, mud fluid is forced down through it to flush the wellbore free of the drilling fluid initially contained therein. Under these circumstances, it is desirable that the through opening be as large as possible. According to the invention, the flap valve 11 closes when the downward circulation of liquid through the pipe string begins. As a result, a pressure is built up above the valve 11 which is sufficient to push the valve 11 and the throttle device 3 downward out of the holder 4, as shown in FIG. 3 is shown. As a result, the head part 2 is essentially cleared of any obstacle to the downward flow of liquid. The individual parts 3 and 11 fall to the bottom of the borehole W after being ejected.

Die zweite erfindungsgemäße Ausführungsart ist in den F i g. 4 bis 7 dargestellt. Der nach unten abgerundete Kopfteil ist hier mit 2' und die Verbindungsmuffe zum nicht gezeichneten Rohrstrang mit 1' bezeichnet. Der Kopfteil 2' besitzt eine zylindrische Mittelfassung 4', die nach oben durch eine vorstehende Ringschulter 10' begrenzt ist. In der Fassung 4' ist mittels einer geeigneten Anzahl von über den Umfang verteilter Scherbolzen 50 eine Siebscheibe 51 befestigt, deren Sieböffnungen mit 52 bezeichnet sind. Die obere Fläche der Siebscheibe 51 ist konkav und besitzt einen nach außen abstehenden, eine äußere Ringnut bildenden Ringflansch 53, um den herum ein Ringabschnitt 54 einer elastischen Membran 55 derart angeordnet ist, daß sich das Material der Membran in der äußeren Ringnut verklammert. Die Membran besitzt eine mittlere Öffnung 56. Der gewöhnliche, entspannte Zustand der Membran 55 ist in F i g. 4 dargestellt. Beim Einfahren eines mit dem Kopfteil 2' versehenen Rohrstranges in ein Bohrloch wird die Spülflüssigkeit von unten durch die Sieböffnungen 52 eintreten und ein Aufwärtsbiegen der Membran 55 bewirken, wie es in F i g. 5 dargestellt ist. Wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform wird die Membran 55 in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der der Rohrstrang in das Bohrloch eingefahren wird, sich mehr oder wenig durchbiegen, so daß sich die Öffnung 56 mehr oder weniger vergrößert und ein Durchtreten der Spülflüssigkeit nach oben ermöglicht wird, ohne daß unerwünschte Druckwellen auf die Bohrlochwand W einwirken.The second embodiment of the invention is shown in FIGS. 4 to 7 shown. The downwardly rounded head part is denoted here by 2 'and the connecting sleeve to the pipe string (not shown) is denoted by 1'. The head part 2 'has a cylindrical central socket 4', which is delimited at the top by a protruding annular shoulder 10 '. A sieve disk 51, the sieve openings of which are denoted by 52, is fastened in the mount 4 ′ by means of a suitable number of shear bolts 50 distributed over the circumference. The upper surface of the sieve disk 51 is concave and has an outwardly projecting annular flange 53 which forms an outer annular groove and around which an annular section 54 of an elastic membrane 55 is arranged in such a way that the material of the membrane is clamped in the outer annular groove. The diaphragm has a central opening 56. The usual, relaxed state of the diaphragm 55 is shown in FIG. 4 shown. When a pipe string provided with the head part 2 'is driven into a borehole, the flushing liquid will enter from below through the sieve openings 52 and cause the membrane 55 to bend upwards, as shown in FIG. 5 is shown. As in the previously described embodiment, the membrane 55 will bend more or less depending on the speed at which the tubing string is run into the borehole, so that the opening 56 is more or less enlarged and allows the flushing fluid to pass upwards without undesired pressure waves acting on the borehole wall W.

Wenn der Rohrstrang bis zu einer gewünschten Tiefe in das Bohrloch eingefahren worden ist und mit dem Abwärtspumpen einer Spülflüssigkeit begonnen wird, wird die Membran 55, wie in F i g. 6 dargestellt, dann nach unten zur Anlage an der oberen Fläche der Siebscheibe 51 gedrückt, wodurch die Mehrzahl der Sieböffnungen 52 verschlossen wird. Vorzugsweise ist das Sieb 51 in der dargestellten Weise mit einer Mittelöffnung versehen, die unterhalb der Mittelöffnung 56 der Membran 55 liegt, so daß ein begrenzter Durchfluß von Spülflüssigkeit von oben nach unten durch das Sieb 51 ermöglicht wird. Durch die durch die Membran bewirkte Schließung der Mehrzahl der Sieböffnungen 52 wird jedoch eine ausreichende Einschränkung des Durchflusses verursacht, so daß sich oberhalb der Drosseleinrichtung ein Druck aufbaut, bis die Scherbolzen 50 abgeschert und die Drosseleinrichtung aus der Fassung 4' ausgestoßen wird, was in F i g. 7 veranschaulicht ist.When the tubing string is downhole to a desired depth has been retracted and started pumping down a flushing liquid is, the membrane 55, as shown in FIG. 6, then down to the system pressed against the upper surface of the sieve disk 51, thereby creating the majority of the sieve openings 52 is closed. The sieve 51 is preferably included in the manner shown a central opening located below the central opening 56 of the membrane 55 is so that a limited flow of flushing liquid through from top to bottom the sieve 51 is enabled. The closure caused by the membrane However, plurality of the screen openings 52 becomes a sufficient restriction on the flow caused, so that a pressure builds up above the throttle device until the Shear bolt 50 sheared off and the throttle device ejected from the socket 4 ' what is shown in FIG. 7 is illustrated.

Claims

Claims: 1. Device for cementing a casing string in a borehole with a cementing shoe having a tubular housing attached to the pipe string with a fluid passage, as it is indicated that in the passage (4) of the casing head part (2) a throttle device (5; 55 ) is provided to restrict the passage when lowering the pipe string (C) flowing through the liquid, which has a valve device (11; 51 to 55) which closes when the flushing liquid flow is directed downwards and causes the throttle device (5; 55) to be expelled.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the throttle device (5) is provided with a central opening (7) elastic Has membrane (6), over which a flap valve (11) is arranged.

3. Device according to claim 1, characterized in that the throttle device is one with a middle COopening (56) provided elastic membrane (55), under which a Sieve (51) is arranged, the membrane (55) by resting on the sieve (51) the valve device forms.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the sieve (51) can be ejected by shearable members (50) in the passage (4 ') of the head part (2') is attached.

5. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the throttle device (5) is hollow, the throttle device through Has friction in the passage (4) holding the carrier body (8).