DE602004005696T2 - Aufweitsystem zum schrittweisen aufweiten eines röhrenförmigen elements - Google Patents

Aufweitsystem zum schrittweisen aufweiten eines röhrenförmigen elements Download PDF

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    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/02Subsoil filtering
    • E21B43/10Setting of casings, screens, liners or the like in wells
    • E21B43/103Setting of casings, screens, liners or the like in wells of expandable casings, screens, liners, or the like
    • E21B43/105Expanding tools specially adapted therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21DWORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/08Tube expanders
    • B21D39/20Tube expanders with mandrels, e.g. expandable

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Aufweitsystem zum radialen Aufweiten eines rohrförmigen Elementes von einem ersten Innendurchmesser auf einen zweiten Innendurchmesser, der größer als der erste Innendurchmesser ist. Das Aufweiten von rohrförmigen Elementen findet zunehmend in der Industrie der Kohlenwasserstofffluidförderung aus einer Erdformation Anwendung, bei welcher Bohrlöcher gebohrt werden, um eine Leitung für Kohlenwasserstofffluid zu schaffen, das aus einer Reservoirzone zu einer Produktionseinrichtung zur Oberfläche strömt. Konventionellerweise werden solche Bohrlochabschnitte während des Bohrens des Bohrloches mit mehreren rohrförmigen Auskleidungsabschnitten versehen. Da jeder nachfolgende Auskleidungsabschnitt durch einen vorher installierten Auskleidungsabschnitt hindurchgehen muß, haben die verschiedenen Auskleidungsabschnitte in Richtung nach unten abnehmenden Durchmesser, was zu der bekannten Nestanordnung der Auskleidungsabschnitte führt. Somit nimmt der verfügbare Durchmesser für die Förderung von Kohlenwasserstofffluid mit der Tiefe ab. Dies kann zu technischen und/oder wirtschaftlichen Nachteilen führen, speziell bei tiefen Bohrlöchern, bei denen eine relativ große Anzahl von verschiedenen Auskleidungsabschnitten installiert wird.
  • Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es bereits Praxis, ein Auskleidungsschema anzuwenden, bei dem individuelle Auskleidungen radial aufgeweitet werden, nachdem sie im Bohrloch installiert worden sind. Ein solches Auskleidungsschema führt in den untersten Auskleidungsabschnitten zu weniger Reduzierung des verfügbaren Durchmessers.
  • Im allgemeinen erfolgt der Aufweitvorgang durch Ziehen, Pumpen oder Drücken eines Aufweiterkonus durch das rohrförmige Element (wie einen Auskleidungsabschnitt), nachdem das rohrförmige Element in das Bohrloch abgesenkt worden ist. Die Kräfte, die erforderlich sind, um den Aufweiterkonus durch das rohr förmige Element zu bewegen, können jedoch extrem hoch sein, da eine solche Kraft die kumulierten Aufweitkräfte, die notwendig sind, um das rohrförmige Element plastisch zu verformen, und die Reibungskräfte zwischen dem Aufweiterkonus und dem rohrförmigen Element überwinden muß.
  • Das EP-0643794-A offenbart ein System zum Aufweiten eines rohrförmigen Elementes unter Verwendung eines Werkzeuges, das zwischen einem radial zurückgezogenen Modus und einem radial aufgeweiteten Modus bewegbar ist. Das rohrförmige Element wird in Zyklen aufgeweitet, wobei in jedem Zyklus das Werkzeug in einem Teil des rohrförmigen Elementes positioniert wird, während sich das Werkzeug in dem zurückgezogenen Modus befindet, und nachfolgend das Werkzeug aufgeweitet wird, wodurch der rohrförmige Elementteil ebenfalls aufgeweitet wird. Danach wird das Werkzeug in dem rohrförmigen Element genau repositioniert, bevor der Aufweitungszyklus wiederholt werden kann. Eine solche genaue Repositionierung des Werkzeuges ist schwierig und zeitaufwendig.
  • Das US 2003/075339-A1 offenbart ein Verfahren, mit welchem ein rohrförmiges Element in einem Bohrloch unter Verwendung eines Aufweiters radial aufgeweitet wird, der aus einem zurückgezogenen Modus in einen aufgeweiteten Modus bewegt wird, um das rohrförmige Element aufzuweiten, und aus dem aufgeweiteten Modus in den zurückgezogenen Modus bewegt wird.
  • Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Aufweitsystem zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum radialen Aufweiten eines rohrförmigen Elementes geschaffen, das einen nicht aufgeweiteten Abschnitt mit einem ersten Durchmesser hat, unter Verwendung eines Aufweiters, der zwischen einem radial zurück gezogenen Modus und einem radial aufgeweiteten Modus bewegbar ist, wobei der Aufweiter betätigbar ist, um das rohrförmige Element von dem ersten Innendurchmesser auf einen zweiten Innendurchmesser, der größer als der erste Innendurchmesser ist, durch eine Bewegung des Aufweiters aus dem radial zurückgezogenen Modus in den radial aufgeweiteten Modus desselben aufzuweiten, wobei der Aufweiter einen Kontaktabschnitt mit einem Durchmesser aufweist, der größer als der erste Innendurchmesser ist, wenn sich der Aufweiter in dem radial zurückgezogenen Modus befindet, und wobei dieser Kontaktabschnitt so ausgebildet ist, daß er eine Axialbewegung des Aufweiters durch den nicht aufgeweiteten Teil des rohrförmigen Elementes verhindert, wenn sich der Aufweiter in dem radial zurückgezogenen Modus befindet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    • a) Anordnen des Aufweiters innerhalb des rohrförmigen Elementes;
    • b) Bewegen des Aufweiters aus dem zurückgezogenen Modus in den aufgeweiteten Modus desselben, um das rohrförmige Element aufzuweiten;
    • c) Bewegen des Aufweiters aus dem aufgeweiteten Modus in den zurückgezogenen Modus desselben;
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
    • d) Gestatten einer Axialbewegung des Aufweiters durch das rohrförmige Element unter der Wirkung einer auf den Aufweiter ausgeübten Axialkraft, bis eine weitere Bewegung dadurch verhindert wird, daß sich der Aufweiter im zurückgezogenen Modus befindet und der Kontaktabschnitt an der Innenfläche des rohrförmigen Elementes angreift; und
    • e) Wiederholen der Schritte b)–d), bis der Aufweiter das rohrförmige Element oder einen erwünschten Abschnitt desselben von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser auf geweitet hat.
  • Der Ausdruck „nicht aufgeweiteter Teil" des rohrförmigen Elementes soll sich auf einen Teil des rohrförmigen Elementes beziehen, der auf einen größeren Durchmesser aufgeweitet wird. Somit soll unter dem Ausdruck „nicht aufgeweiteter Teil" ein Teil verstanden werden, der einer Aufweitung noch nicht unterworfen wurde, oder ein Teil, der bereits einer Aufweitung unterworfen war.
  • Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung wird erreicht, daß der Aufweiter nicht mehr länger nach jedem Aufweitungszyklus genau repositioniert werden muß. Durch einfaches Ausüben einer Radialkraft moderater Größe auf den Aufweiter (wenn dieser im zurückgezogenen Modus ist) in Richtung der Aufweitung des rohrförmigen Elementes, bewegt sich der Aufweiter vorwärts, bis der Kontaktabschnitt die Innenfläche des rohrförmigen Elementes kontaktiert. Der Aufweiter wird dadurch automatisch repositioniert, um den nächsten Aufweitungszyklus auszuführen.
  • Eine solche Axialkraft moderater Größe wird zweckmäßig durch das Gewicht des Aufweiters bereitgestellt, indem ein mit dem Aufweiter verbundenes Gestänge gezogen wird, oder durch irgendwelche anderen geeigneten Mittel, die mit dem Aufweiter verbunden sind, wie eine Zieheinrichtung, ein Gewichtselement oder ein Bohrgestänge. Auch die Kraft eines Fluidstromes, der sich entlang des Aufweiters bewegt, oder eine Düsenwirkung aus einem Fluidstrom, der aus dem Aufweiter während der Bewegung in den zurückgezogenen Modus ausgestoßen wird, kann eine ausreichende Kraft zum Vorwärtsbewegen des Aufweiters bereitstellen.
  • Vorzugsweise umfaßt der Aufweiter eine Aufweitfläche, die sich in axialer Richtung erstreckt und so betätigbar ist, daß sie sich radial auswärts bewegt, um das rohrförmige Element während der Bewegung des Aufweiters aus dem zurückgezogenen Modus in den aufgeweiteten Modus desselben aufzuweiten, wobei die Aufweitfläche in axialer Richtung variierenden Durchmesser hat.
  • Zweckmäßig hat der Kontaktabschnitt des Aufweiters eine Außenfläche, die mit der Aufweitfläche koinzidiert.
  • Der Durchmesser der Aufweitfläche nimmt vorzugsweise in axialer Richtung kontinuierlich zu. Beispielsweise kann die Aufweitfläche eine geneigte Fläche, eine kegelstumpfförmige Fläche, eine konvexe Fläche oder eine stufenförmig verjüngte Fläche oder konvexe Fläche sein.
  • Um sicherzustellen, daß das rohrförmige Element in gleichmäßiger Weise aufgeweitet wird, wird es bevorzugt, daß die Aufweitfläche so ausgebildet ist, daß sie sich über ihre Länge während einer Bewegung des Aufweiters aus dem zurückgezogenen Modus in den aufgeweiteten Modus desselben in im wesentlichen gleichmäßiger Weise radial auswärts bewegt.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Aufweiter einen Aufweiterkörper, der eine Vielzahl von Körpersegmenten aufweist, die über den Umfang des Aufweiterkörpers beabstandet sind, wobei sich jedes Segment in der Längsrichtung des Aufweiters erstreckt und zwischen einer radial zurückgezogenen Position und einer radial aufgeweiteten Position bewegbar ist.
  • Der Aufweiterkörper ist zweckmäßig mit einer Vielzahl von Längsschlitzen versehen, die über den Umfang des Aufweiterkörpers beabstandet sind, wobei sich jeder Schlitz zwischen einem Paar von benachbarten Körpersegmenten erstreckt. Jedes Körper segment ist beispielsweise an beiden Enden desselben integral mit dem Aufweiterkörper ausgebildet.
  • Der Aufweiterkörper ist vorzugsweise ein rohrförmiger Aufweiterkörper, wobei der Aufweiter eine aufweitbare Fluidkammer aufweist, die innerhalb des rohrförmigen Aufweiterkörpers angeordnet ist, um bei einem Aufweiten der Fluidkammer jedes Körpersegment radial auswärts zu bewegen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel detaillierter unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
  • 1A schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Aufweiters zur Verwendung in dem System gemäß der Erfindung;
  • 1B schematisch einen Querschnitt 1B-1B nach 1A;
  • 2A schematisch eine Seitenansicht des Aufweiters nach den 1A und 1B, wobei eine zusätzliche Hülse an dem Aufweiter befestigt ist;
  • 2B schematisch einen Querschnitt nach der Linie 2B-2B in 2A;
  • 3 schematisch eine Seitenansicht einer ersten alternativen Ausführungsform des Aufweiters zur Verwendung in dem System gemäß der Erfindung;
  • 4 schematisch einen Querschnitt nach der Linie 2B-2B in 3;
  • 5 schematisch einen Längsschnitt einer zweiten alternativen Ausführungsform des Aufweiters zur Verwendung in dem System der Erfindung;
  • 6A schematisch einen Querschnitt 6-6 nach 5, wenn der Aufweiter im zurückgezogenen Modus ist;
  • 6B schematisch einen Querschnitt 6-6 nach 5, bei welchem der Aufweiter im aufgeweiteten Modus ist;
  • 6C schematisch das Detail A nach 6A; und
  • 7A–E schematisch verschiedene Schritte während der normalen Verwendung des Aufweiters nach 1.
  • In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten.
  • Unter Bezugnahme auf die 1A und 1B ist in diesen ein Aufweiter 1 mit einem aus Stahl bestehenden rohrförmigen Aufweiterkörper 2 mit einem ersten Ende 3 und einem zweiten Ende 4 gezeigt. Der Aufweiterkörper 2 umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 2a, einen zylindrischen Abschnitt 2b und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 2c, der zwischen den zylindrischen Abschnitten 2a und 2b angeordnet ist. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 2c erweitert sich in Richtung vom ersten Ende 3 zum zweiten Ende 4, von einem Durchmesser D1 auf einen Durchmesser D2, der größer als der Durchmesser D1 ist. Die zylindrischen Abschnitte 2a, 2b haben einen Durchmesser im wesentlichen gleich groß D1. Eine Vielzahl von schmalen Längsschlitzen 6 ist in dem Aufweiterkörper 2 vorgesehen, wobei die Schlitze gleichmäßig über den Umfang des Aufweiterkörpers 2 beabstandet sind. Jeder Schlitz 6 erstreckt sich radial durch die gesamte Wand des rohrförmigen Aufweiterkörpers 2 und hat gegenüberliegende Enden 7, 8, die in einem kleinen Abstand von den ent sprechenden Enden 3, 4 des Aufweiterkörpers 2 liegen. Die Schlitze 6 definieren eine Vielzahl von Körperlängssegmenten 10, die entlang des Umfanges des Aufweiterkörpers 2 beabstandet sind, wobei sich jeder Schlitz 6 zwischen einem Paar von benachbarten Körpersegmenten 10 erstreckt (und umgekehrt). Durch ihre langgestreckte Gestalt und elastischen Eigenschaften können die Körpersegmente 10 durch radiales Auswärtsbiegen bei Aufbringen einer entsprechenden Radiallast auf die Körpersegmente 10 elastisch verformt werden. Somit ist der Aufweiter 1 aus einem radial zurückgezogenen Modus, in welchem sich jedes der Körpersegmente 10 in seiner Ruheposition befindet, auf einen radial aufgeweiteten Modus aufweitbar, in welchem jedes Körpersegment 10 bei Aufbringen der Radiallast auf das Körpersegment 10 radial nach außen gebogen ist.
  • Der Aufweiter umfaßt ferner zylindrische Endverschlüsse 12, 14, die so ausgebildet sind, daß sie die entsprechenden Enden 3, 4 des Aufweiterkörpers 2 verschließen, wobei jeder Endverschluß 12, 14 mit dem Aufweiterkörper 2 beispielsweise durch geeignete Bolzen (nicht gezeigt) fest verbunden ist. Der Endverschluß 12 ist mit einer Durchtrittsöffnung 15 versehen.
  • Ein auweitbares Element in Form eines elastomeren Balgens 16 ist innerhalb des rohrförmigen Aufweiterkörpers 2 angeordnet. Der Balgen 16 hat eine zylindrische Wand 18, die sich gegen die Innenfläche des rohrförmigen Aufweiterkörpers 2 abstützt, und gegenüberliegende Wände 20, 22, die an den entsprechenden Endverschlüssen 12, 14 anliegen, wodurch eine Fluidkammer 23' innerhalb des Balgens 16 gebildet wird. Die Endwand 20 ist gegen den Endverschluß 12 abgedichtet und hat eine Durchtrittsöffnung 24, die mit der Durchtrittsöffnung 15 des Endverschlusses 12 fluchtet und in Fluidverbindung steht. Eine Fluidleitung 26 ist an einem ihrer Enden mit der Fluidkammer 23 über entsprechende Durchtrittsöffnungen 15, 24 in Fluidverbindung. Die Fluidleitung 26 ist am anderen Ende derselben mit einem Fluidsteuerungssystem (nicht gezeigt) zur Steuerung des Einströmens von Fluid in die Fluidkammer 23 und des Ausströmens von Fluid aus der Fluidkammer 23 in Fluidverbindung.
  • In den 2A und 2B ist der Aufweiter 1 gezeigt, bei dem eine rohrförmige Hülse 28 konzentrisch über den zylindrischen Abschnitt 2a des Aufweiters 1 positioniert ist, wobei die Hülse 28 mit einer Endplatte 29 versehen ist, die an den Endverschluß 14 angebolzt ist. Die Hülse 28 hat einen Innendurchmesser, der geringfügig größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnittes 2a des Aufweiters 1 ist.
  • In den 3 und 4 ist eine erste alternative Aufweiterausführung 31, einschließlich eines aus Stahl bestehenden rohrförmigen Aufweiterkörpers 32 mit einem ersten Ende 33 und einem zweiten Ende 34 gezeigt. Der Aufweiter 30 ist weitgehend ähnlich dem Aufweiter 1 nach den 1 und 2, außer, daß der Aufweiterkörper 32 zwei kegelstumpfförmige Abschnitte 32, 32b aufweist, die zwischen den entsprechenden zylindrischen Abschnitten 32c, 32d angeordnet sind. Die kegelstumpfförmigen Abschnitte sind in Richtung von den entsprechenden Enden 33, 34 gegen die Mitte des Aufweiters 31 geneigt, von einem Durchmesser D1 auf einen Durchmesser D2, der größer als D1 ist. Die zylindrischen Abschnitte 32c, 32d haben einen Durchmesser im wesentlichen gleich D1.
  • In 5 ist eine zweite alternative Aufweiterausführung 41, einschließlich eines rohrförmigen Aufweiterkörpers 42, der in einem teilweise aufgeweiteten rohrförmigen Element 43 angeordnet ist, gezeigt. Der Aufweiterkörper 42 umfaßt eine Vielzahl von gesonderten langgestreckten Stahlsegmenten 46, die entlang des Umfanges des Aufweiterkörpers 42 regelmäßig beabstandet sind. Der Aufweiterkörper 42 umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 42a, einen zylindrischen Abschnitt 42b und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 42c, die zwischen den entsprechen den Abschnitten 42a und 42b angeordnet sind. Der kegelstumpfförmige Abschnitt verläuft von einem Durchmesser D1 auf einen Durchmesser D2 geneigt, der größer als D1 ist. Die Endplatten 47, 48 sind mit entsprechenden ringförmigen Anschlagschultern 50, 52 versehen und an gegenüberliegenden Enden des Aufweiterkörpers 42 angeordnet, um die Segmente 46 an Ort und Stelle zu halten. Die Segmente 46 können zwischen einer radial einwärtigen Position (in der oberen Hälfte von 5 gezeigt) und einer radial auswärtigen Position (in der unteren Hälfte von 5 gezeigt) bewegt werden, wobei die maximale radiale auswärtige Position der Segmente 46 durch die ringförmigen Anschlagschultern 50, 52 bestimmt wird. Somit nimmt der Aufweiter 41 einen radial zurückgezogenen Modus ein, wenn die Segmente 46 in ihrer entsprechenden radial einwärtigen Position sind, und einen radial aufgeweiteten Modus, wenn die Segmente 46 in ihrer entsprechenden radial auswärtigen Position sind.
  • Die Endplatten 47, 48 haben entsprechende zentrale Öffnungen 56, 56, durch welche eine Fluidleitung 54 verläuft, wobei die Endplatten 47, 48 mit der Leitung 54 fix verbunden sind. Eine Vielzahl von Öffnungen 58 ist in der Wand der Fluidleitung 54 vorgesehen, die zwischen den Endplatten 47, 48 liegen.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf die 6A, 6B ist ein Aufweiter 41 gezeigt, der sich im nicht aufgeweiteten Modus (6A) und im aufgeweiteten Modus (6B) befindet. Die Reihe von Segmenten 46 umfaßt die Segmente 46a und Segmente 46b, die einander in Umfangsrichtung des Aufweiterkörpers 42 abwechseln. Jedes Segment 46a ist am Außenumfang desselben mit einem Paar von gegensinnig angeordneten Lippen 60 versehen, und jedes Segment 46b ist am Außenumfang desselben mit einem Paar von entgegengerichteten Rücksprüngen 62 versehen, wobei sich jede Lippe 60 eines Segmentes 46a in einen entsprechenden Rücksprung 62 des benachbarten Segmentes 46b erstreckt. Der Klarheit halber sind nicht alle Segmente 46a, 46b in den 6A, 6B gezeigt. Die Segmente jedes Paares von benachbarten Segmenten 46a, 46b sind durch einen langgestreckten Elastomerkörper 64 verbunden, der an die Segmente 46a, 46b des Paares anvulkanisiert ist. Die Elastomerkörper 64 spannen die Segmente 46 in ihre entsprechenden radial einwärtigen Positionen vor und dichten die Räume ab, die zwischen den Segmenten 46 gebildet sind.
  • Außerdem sind die Segmente 46 an die Endplatten 47, 48 durch ein Elastomer angesiegelt, das an die Segmente 46 und an die Endplatten 47, 48 anvulkanisiert ist, so daß eine versiegelte Fluidkammer 66 in dem Raum gebildet wird, der durch die Segmente 46 und die Endplatten 47, 48 umschlossen ist.
  • In 6C ist das Detail A von 6A gezeigt, wobei angedeutet ist, daß jede Lippe 60 mit einer Schulter 70 versehen ist, und der entsprechende Rücksprung 62, in welchen sich die Lippe 60 erstreckt, mit einer Schulter 72 ausgestattet ist, wobei die Schultern 70, 72 so angeordnet sind, daß sie zusammenwirken, um zu verhindern, daß sich die Lippe 60 aus dem entsprechenden Rücksprung 62 herausbewegt, wenn der Aufweiter 41 radial aufgeweitet wird.
  • Die normale Verwendung des Aufweiters 61 (in den 1A, 1B gezeigt) wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7A7D erläutert, die verschiedene Stadien des Aufweitungszyklus während des Aufweitens eines aus Stahl bestehenden rohrförmigen Elementes 40 zeigen, das sich in ein Bohrloch (nicht gezeigt) erstreckt, welches in einer Erdformation geformt ist, wobei der Aufweiter in dem rohrförmigen Element 40 positioniert ist, und die Leitung 26 sich durch das rohrförmige Element 40 zu dem Fluidsteuerungssystem an der Oberfläche erstreckt. Der größte Außendurchmesser D2 des Aufweiters 1 im nicht aufgeweiteten Zustand ist größer als der Innendurchmesser d1 des rohrförmigen Elementes 40 vor dessen Aufweitung.
  • In einer ersten Stufe (7A) des Aufweitungszyklus wird der Aufweiter 1 in dem rohrförmigen Element 40 positioniert, wobei sich der Aufweiter 1 in dem radial zurückgezogenen Modus befindet. Das rohrförmige Element 40 hat einen aufgeweiteten Teil 40a mit einem Innendurchmesser d2 an der großdurchmeßrigen Seite des Aufweiters 1, einen nicht aufgeweiteten Teil 40b mit dem Innendurchmesser d1 an der kleindurchmeßrigen Seite des Aufweiters 1, und eine Übergangszone 40c, die schräg von dem nicht aufgeweiteten Teil 40b zu dem aufgeweiteten Teil 40a verläuft. Ein Teil des kegelstumpfförmigen Abschnittes 2c des Aufweiters 1 ist mit der Innenfläche der verjüngten Übergangszone 40c des rohrförmigen Elementes 40 in Kontakt.
  • In einer zweiten Stufe (7B) des Aufweitungszyklus wird das Fluidsteuerungssystem betätigt, um Druckfluid, z.B. Bohrfluid, über die Leitung 26 in die Fluidkammer 23 des Balgens 16 zu pumpen. Als Ergebnis wird der Balgen 16 aufgeweitet und übt dadurch einen Druck radial nach außen gegen die Körpersegmente 10 aus, die dadurch durch radiales Auswärtsbiegen elastisch verformt werden. Das Volumen des in den Balgen gepumpten Fluids wird derart gewählt, daß eine Verformung der Körpersegmente 10 unterhalb der Elastizitätsgrenze bleibt. Somit kehren die Körpersegmente 10 in ihre ursprünglichen Positionen zurück, nachdem der Fluiddruck in dem Balgen 16 aufgehoben ist. Das Ausmaß des radialen Auswärtsbiegens der Körpersegmente 10 ist relativ zur Differenz zwischen d2 und d1 klein. Somit wird der Aufweiter 1 durch Pumpen einer ausgewählten Fluidmenge in den Balgen 16 aus dem radial zurückgezogenen Modus in den radial aufgeweiteten Modus aufgeweitet. Als Folge davon werden die verjüngte Übergangszone 40c und ein kurzer Abschnitt des nicht aufgeweiteten Teiles des rohrförmigen Elementes 40 durch den Aufweiter 1 radial aufgeweitet, wobei das Ausmaß der Aufweitung dem Ausmaß des radialen Auswärtsbiegens der Körpersegmente 10 entspricht. Ein derartiges radiales Aufweiten des rohrförmigen Elementes 40 erfolgt im plastischen Bereich, da das rohrförmige Element 40 Umfangsspannungen unterliegt, die über den elastischen Bereich des Stahls des rohrförmigen Elementes 40 hinausgehen.
  • In einer dritten Stufe (7C) des Aufweitungszyklus wird das Fluidsteuerungssystem betätigt, um den Fluiddruck in dem Balgen 16 aufzuheben, damit Fluid aus der Fluidkammer 23 zurück zum Steuerungssystem strömen kann. Der Balgen 16 wird dadurch entlastet, und die Körpersegmente 10 bewegen sich in ihre ursprüngliche nicht verformte Gestalt zurück, so daß der Aufweiter 1 in den radial nicht aufgeweiteten Modus zurückkehrt. Als Ergebnis tritt ein schmaler Ringraum 42 zwischen dem kegelstumpfförmigen Teil 2c des Aufweiterkörpers 2 und der Innenfläche der aufgeweiteten Übergangszone 40c des rohrförmigen Elementes 40 auf.
  • In einer vierten Stufe (7D) des Aufweitungszyklus wird der Aufweiter 1 vorwärtsbewegt (d.h. in Richtung des Pfeiles 80), bis der kegelstumpfförmige Abschnitt 2c des Aufweiters 1 wieder in Kontakt mit der Innenfläche der verjüngten Übergangszone 40c des rohrförmigen Elementes 40 kommt, wodurch der Ringraum 42 verschwindet. Die Körpersegmente 10, sofern sie noch nicht vollständig in ihre ursprüngliche nicht verformte Gestalt zurückgekehrt sind, bewegen sich infolge des Ziehens oder Drückens gegen die Innenfläche des rohrförmigen Elementes 40 in ihre ursprüngliche nicht verformte Gestalt zurück. Eine Vorwärtsbewegung des Aufweiters 1 wird erreicht, indem moderate Zieh- oder Druckkräfte auf die Fluidleitung 26 an der Oberfläche ausgeübt werden.
  • Als nächstes wird die zweite Stufe wiederholt (7E), gefolgt von der Wiederholung der dritten und der vierten Stufe. Der Zyklus der zweiten Stufe, der dritten Stufe und der vierten Stufe wird dann sooft wiederholt, wie dies erforderlich ist, um das gesamte rohrförmige Element 40 oder falls erwünscht, einen Teil desselben aufzuweiten.
  • Der Normalgebrauch des ersten alternativen Aufweiters 31 (gezeigt in den 3, 4) ist ähnlich dem Normalgebrauch des vorstehend beschriebenen Aufweiters 1. Ein zusätzlicher Vorteil des ersten alternativen Aufweiters 31 ist, daß bei einer Bewegung des Aufweiters 31 aus dem radial zurückgezogenen Modus in den radial aufgeweiteten Modus eine radiale Auswärtsverformung jedes Körpersegmentes 10 über der Länge des Körpersegmentes 10 gleichmäßiger auftritt.
  • Der Normalgebrauch des zweiten alternativen Aufweiters 41 (gezeigt in den 5, 6A, 6B) ist im wesentlichen ähnlich dem Normalgebrauch des Aufweiters 1, wie vorstehend beschrieben, außer, daß in der zweiten Stufe jedes Aufweitungszyklus Druckfluid aus dem Fluidsteuerungssystem über die Leitung 54 und die Öffnungen 58 in die abgedichtete Fluidkammer 66 statt in den Balgen 16 wie bei der Ausführungsform der 1, 2 gepumpt wird. Bei der Druckbeaufschlagung der Fluidkammer 66 werden die langgestreckten Stahlsegmente 46 radial nach außen vorgespannt, bis sie von den Anschlagschultern 50, 52 gestoppt werden. Somit wird die radial äußerste Position der Segmente 46 durch die ringförmigen Anschlagschultern 50, 52 bestimmt, wodurch eine gleichmäßige radiale Aufweitung des rohrförmigen Elementes 40 in Umfangsrichtung sichergestellt wird. Die radiale Auswärtsbewegung der Segmente 46 bewirkt eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den Segmenten 46, was wiederum zu einem Strecken der Elastomerkörper 64 in Umfangsrichtung führt, welche die Segmente 46 verbinden. Außerdem bewegt sich während der Auswärtsbewegung der Segmente 46 die Lippe 60 jedes Segmentes 46a allmählich aus dem entsprechenden Rücksprung 62 des benachbarten Segmentes 46b, so daß der Fluiddruck in der Fluidkammer 66 über die Elastomerkörper zu den Teilen der Lippen 60 transferiert wird, die aus den entsprechenden Rück sprüngen 62 herausbewegt wurden. Es wird dadurch erreicht, daß der Fluiddruck P in der Fluidkammer 66 als fiktive Innenfläche der Fluidkammer 66 mit einem Durchmesser wirkt, der dem Innendurchmesser der Lippen 60 entspricht. Da die verfügbare Aufweitkraft an der Außenfläche des Aufweiterkörpers 42 mit zunehmendem Durchmesser einer solchen fiktiven Innenfläche zunimmt, werden die Innendurchmesser der Lippen 60 zweckmäßig so groß wie möglich gewählt.
  • Der Normalgebrauch des Aufweiters 1, der mit der rohrförmigen Hülse 28 (in den 2A, 2B gezeigt) versehen ist, ist im wesentlichen ähnlich dem Normalgebrauch des Aufweiters 1 ohne rohrförmige Hülse 28. Die Funktion der Hülse 28 besteht darin, das Aufweiten des zylindrischen Abschnittes 2a des Aufweiters 1 während der Aufweitung des rohrförmigen Elementes 40 zu begrenzen, insbesondere am Beginn des Aufweitvorganges, wenn der zylindrische Abschnitt 2a noch aus dem rohrförmigen Element 40 vorragt. Da der Innendurchmesser der Hülse 28 etwas größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnittes 2a ist, können sich die Teile der Segmente 10 innerhalb der Hülse 28 bei einer Druckbeaufschlagung des Balgens 16 radial nach außen verformen, bis die Hülse 28 eine solche weitere Radialverformung nach außen verhindert. Es wird dadurch erreicht, daß eine exzessive Radialverformung der Segmente 10 nach außen an der Stelle des zylindrischen Abschnittes 2a verhindert wird.
  • Statt des Aufbringens eines Aufweiterkörpers, der mit parallelen Längsschlitzen versehen ist, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Aufweiterkörpers erstrecken, kann ein Aufweiterkörper vorgesehen werden, der mit relativ kurzen parallelen Längsschlitzen versehen ist, die in einem versetzten Muster angeordnet sind, beispielsweise einem Muster ähnlich dem Muster der Schlitze des rohrförmigen Elementes, welches in dem EP 0643795 B1 gezeigt ist (wie in den 1 und 3 desselben). Ein solches versetztes Muster hat den Vorteil, daß das Aufweiten der Schlitze während der Aufweitung des Aufweiters besser kontrolliert werden kann.
  • In den vier Stufen jedes Aufweitungszyklus, der vorstehend beschrieben wurde, wird Fluid eingebracht, um abwechselnd über die Fluidleitung in die Fluidkammer und über die Fluidleitung aus der Fluidkammer zu strömen. Alternativ kann der Aufweiter mit einem steuerbaren Ventil (nicht gezeigt) für das Ausströmen von Fluid aus dem Aufweiter zum Äußeren desselben versehen sein.
  • Zweckmäßig ist das steuerbare Ventil mit elektrischen Steuermitteln versehen, wobei das Ventil beispielsweise ein Servoventil ist. Vorzugsweise umfassen die elektrischen Steuermittel einen elektrischen Leiter, der sich durch die Fluidleitung für den Transfer von Fluid von dem Steuerungssystem zu dem aufweitbaren Element erstreckt.
  • Der Normalgebrauch eines solchen Aufweiters, der mit einem steuerbaren Ventil versehen ist, ist im wesentlichen ähnlich dem Normalgebrauch des Aufweiters, wie er vorstehend beschrieben wurde. Ein Unterschied besteht jedoch darin, daß in der dritten Stufe (7C) des Aufweitungszklus das Ventil gesteuert wird, um das Ausströmen von Fluid aus der Fluidkammer über das Ventil zum Äußeren des Aufweiters zu gestatten. Das heißt, das Fluid strömt in das rohrförmige Element statt zurück durch die Fluidleitung. Das Pumpen von Fluid von dem Steuerungssystem über die Fluidleitung in die Fluidkammer kann auf kontinuierliche oder diskontinuierliche Weise erfolgen, während das Ausströmen von Fluid aus der Fluidkammer mittels des Ventils gesteuert wird.
  • Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Aufweiter abwechselnd aufgeweitet und zurückgezogen, indem Fluid in die Fluidkammer strömt bzw. das Fluid dazu veranlaßt wird, abwechselnd aus der Fluidkammer zu strömen. Bei einem alternativen System wird der Aufweiter durch abwechselnde Bewegung eines Körpers in die Fluidkammer und aus der Fluidkammer abwechselnd aufgeweitet und zurückgezogen. Ein solcher Körper kann beispielsweise ein Plunger sein, der einen Teil aufweist, der sich in die Fluidkammer erstreckt, und einen Teil, der sich außerhalb der Fluidkammer erstreckt. Der Plunger kann durch irgendein zweckmäßiges Antriebsmittel, wie ein hydraulisches, elektrisches oder mechanisches Antriebsmittel, angetrieben sein.
  • Vorzugsweise beträgt der halbe Scheitelwinkel des kegelstumpfförmigen Abschnittes des Aufweiters zwischen 3 und 10 Grad, noch bevorzugter zwischen 4 und 8 Grad. Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel beträgt der halbe Scheitelwinkel etwa 6 Grad.
  • Zweckmäßig ist der Aufweiter ein zusammenlegbarer Aufweiter, der in einen zusammengelegten Zustand gebracht werden kann, wodurch der Aufweiter durch den nicht aufgeweiteten Teil des rohrförmigen Elementes bewegt werden kann.
  • Die dritte und vierte Stufe des Aufweitungszyklus, der vorstehend beschrieben wurde, kann sequentiell oder gleichzeitig erfolgen. Im letzteren Fall kann der Aufweiter kontinuierlich in Kontakt mit der Innenfläche des rohrförmigen Elementes sein, wobei die Körpersegmente während der Vorwärtsbewegung des Aufweiters in ihre nicht verformte Gestalt zurückkehren. Zweckmäßig resultiert die Rückstellkraft für die Körpersegmente, um in ihren nicht verformten Zustand zurückzukehren, aus einem solchen kontinuierlichen Kontakt der Körpersegmente mit der Innenfläche des rohrförmigen Elementes. Eine Vorwärtsbewegung des Aufweiters wird gestoppt, sobald der Aufweiter seinen zurückgezogenen Modus erreicht hat.
  • Auf die vorstehend beschriebene Weise wird erreicht, daß das rohrförmige Element durch Aufbringen einer moderaten Zugkraft aufgeweitet wird, im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen extrem hohe Zugkräfte erforderlich sind, um die Reibung zwischen dem Aufweiter und dem rohrförmigen Element zu überwinden.
  • Außerdem wird erreicht, daß keine genaue Repositionierung des Aufweiters nach jedem Aufweitungszyklus erreicht werden muß, da der Aufweiter einfach vorwärtsgezogen wird, wenn er sich im zurückgezogenen Modus befindet, bis er durch den noch nicht (voll) aufgeweiteten Teil des rohrförmigen Elementes gestoppt wird.
  • Ein weiterer Vorteil des Systems gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein relativ großes Aufweitverhältnis des rohrförmigen Elementes durch Aufweiten des Rohres in kleinen Schritten erreicht wird, wobei der Aufweiter für jeden kleinen Schritt nur in einem kleinen Aufweitverhältnis aufgeweitet werden muß (wobei das Aufweitverhältnis als Verhältnis des Durchmessers des Aufweiters an einer gewählten Axialposition nach dem Aufweiten gegenüber diesem Durchmesser vor dem Aufweiten definiert ist).

Claims (19)

  1. Verfahren zum radialen Aufweiten eines rohrförmigen Elementes, das einen nicht aufgeweiteten Abschnitt mit einem ersten Innendurchmesser hat, unter Verwendung eines Aufweiters (1), der zwischen einem radial zurückgezogenen Modus und einem radial aufgeweiteten Modus bewegbar ist, wobei der Aufweiter (1) betätigbar ist, um das rohrförmige Element (40) von dem ersten Innendurchmesser auf einen zweiten Innendurchmesser, der größer als der erste Innendurchmesser ist, durch eine Bewegung des Aufweiters (1) aus dem radial zurückgezogenen Modus in den radial aufgeweiteten Modus desselben aufzuweiten, wobei der Aufweiter (1) einen Kontaktabschnitt (2c) mit einem Durchmesser aufweist, der größer als der erste Innendurchmesser ist, wenn sich der Aufweiter (1) in dem radial zurückgezogenen Modus befindet, und wobei dieser Kontaktabschnitt (2c) so ausgebildet ist, daß er eine Axialbewegung des Aufweiters (1) durch den nicht aufgeweiteten Teil (40b) des rohrförmigen Elementes (40) verhindert, wenn sich der Aufweiter (1) in dem radial zurückgezogenen Modus befindet, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Anordnen des Aufweiters (1) innerhalb des rohrförmigen Elementes; b) Bewegen des Aufweiters (1) aus dem zurückgezogenen Modus in den aufgeweiteten Modus desselben, um das rohrförmige Element aufzuweiten; c) Bewegen des Aufweiters (1) aus dem aufgeweiteten Modus in den zurückgezogenen Modus desselben; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte aufweist: d) Gestatten einer Axialbewegung des Aufweiters (1) durch das rohrförmige Element (40) unter der Wirkung einer auf den Aufweiter (1) ausgeübten Axialkraft, bis eine weitere Bewegung dadurch verhindert wird, daß sich der Aufweiter (1) im zurückgezogenen Modus befindet und der Kontaktabschnitt (2c) an der Innenfläche des rohrförmigen Elementes (40) angreift; und e) Wiederholen der Schritte b)–d), bis der Aufweiter (1) das rohrförmige Element (40) oder einen erwünschten Abschnitt desselben von dem ersten Durchmesser auf den zweiten Durchmesser aufgeweitet hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Aufweiter (1) eine Aufweitfläche aufweist, die sich in axialer Richtung erstreckt und so betätigbar ist, daß sie sich radial auswärts bewegt, um das rohrförmige Element (40) während der Bewegung des Aufweiters (1) aus dem zurückgezogenen Modus in den aufgeweiteten Modus desselben aufzuweiten, wobei die Aufweitfläche in axialer Richtung variierenden Durchmesser hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Kontaktabschnitt (2c) des Aufweiters (1) eine Außenfläche hat, die mit der Aufweitfläche koinzidiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem der Durchmesser der Aufweitfläche in axialer Richtung kontinuierlich zunimmt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Aufweitfläche eine verjüngte Fläche ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Aufweitfläche kegelstumpfförmige Gestalt hat.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, bei welchem die Aufweitfläche so ausgebildet ist, daß sie sich über die Länge derselben während einer Bewegung des Aufweiters (1) aus dem zurückgezogenen Modus in den aufgeweiteten Modus desselben in im wesentlichen gleichmäßiger Weise radial auswärts bewegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei welchem der Kontaktabschnitt (2c) des Aufweiters (1) einen kleinsten Durchmesser hat, der kleiner als der erste Innendurchmesser ist, und einen größten Durchmesser, der größer als der erste Innendurchmesser ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, bei welchem der Aufweiter (1) einen Aufweiterkörper (2) hat, der eine Vielzahl von Körpersegmenten (10) aufweist, die über den Umfang des Aufweiterkörpers (2) beabstandet sind, wobei sich jedes Segment (10) in der Längsrichtung des Aufweiters (1) erstreckt und zwischen einer radial zurückgezogenen Position und einer radial aufgeweiteten Position bewegbar ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Aufweiterkörper (2) mit einer Vielzahl von Längsschlitzen (6) versehen ist, die über den Umfang des Aufweiterkörpers (2) beabstandet sind, wobei sich jeder Schlitz (6) zwischen einem Paar von benachbarten Körpersegmenten (10) erstreckt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem jedes Körpersegment (10) an den beiden Enden desselben integral mit dem Aufweiterkörper (2) ausgebildet ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, bei welchem der Aufweiterkörper (2) ein rohrförmiger Aufweiterkörper ist, und wobei der Aufweiter eine aufweitbare Fluidkammer (23) aufweist, die innerhalb des rohrförmigen Aufweiterkörpers (2) angeordnet ist, um bei einem Aufweiten der Fluidkammer (23) jedes Körpersegment (10) radial auswärts zu bewegen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Fluidkammer (23) innerhalb eines aufweitbaren Balgens (16) ausgebildet ist, der innerhalb des rohrförmigen Körpers (2) angeordnet ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem ferner ein Fluidströmungs-Steuersystem zum Steuern des Einströmens des Fluids in die Fluidkammer (23) und/oder des Ausströmens des Fluids aus der Fluidkammer vorgesehen ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Fluidströmungs-Steuersystem so ausgebildet ist, daß es das Einströmen des Fluids und das Ausströmen des Fluids auf alternierende Weise steuert.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei welchem das Fluidsteuersystem ein Ventil aufweist, um das Ausströmen des Fluids aus der aufweitbaren Fluidkammer zu steuern.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem das Ventil mit einem elektrischen Steuermittel versehen ist, das so ausgebildet ist, daß es das Ventil steuert.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem das elektrische Steuermittel einen elektrischen Leiter aufweist, der sich durch eine Leitung (26) zum Übertragen von Fluid zu der oder aus der aufweitbaren Fluidkammer (23) erstreckt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18, bei welchem sich das rohrförmige Element (40) in ein Bohrloch erstreckt, das in einer Erdformation ausgebildet ist.
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