DE10201631A1

DE10201631A1 - Technik zum Ausbilden expandierbarer Vorrichtungen aus Zellen, die zwischen einem kontrahierten Zustand und einem expandierten Zustand wechseln können

Info

Publication number: DE10201631A1
Application number: DE10201631A
Authority: DE
Inventors: Barrie Hart; Craig D Johnson; L Mcdonald Schetky
Original assignee: Schlumberger Technology Corp
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2002-11-28
Also published as: AU784777B2; SG104956A1; NL1019753C2; NL1022037C2; BRPI0216109B8; NL1021076C2; US10053963B2; NL1021076A1; NL1022037A1; US20060037745A1; NO335594B1; US8776876B2; BRPI0216109B1; US20140299331A1; US20020107562A1; US8397804B2; ITMI20020077A1; US20110214855A1; NO20020225D0; US20180328152A1

Abstract

Eine expandierbare Vorrichtung, die mehrere expandierbare Zellen umfaßt. Die Zellen können bistabile Zellen oder andere Typen von Zellen sein, die aus einer kontrahierten Position in Richtung einer expandierten Position expandiert werden. Außerdem können die Zellen mit Verriegelungsmechanismen kombiniert sein, um die Struktur in einer expandierten Position zu halten.

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf expandierbare Vorrichtungen und insbesondere auf Vorrichtungen, die aus einer oder mehreren expandierbaren Zellen gebildet sind, die den Übergang der Vorrichtung von einem kontrahierten Zustand in einen expandierten Zustand erleichtern.

In einer Vielzahl von Anwendungen und Umgebungen wäre es vorteilhaft, eine Vorrichtung zu haben, die von einem kontrahierten Zustand in einen expan dierten Zustand übergehen kann. Solche Vorrichtungen können flache Elemente, rohrförmige Elemente, rechtwinklige Elemente und eine Vielzahl anderer Konfigu rationen umfassen. Beispielhafte Anwendungen umfassen medizinische Anwen dungen, in welchen expandierbare Vorrichtungen, z. B. Stents, an einen ge wünschten Ort gebracht werden und anschließend expandiert werden. Eine wei tere beispielhafte Anwendung umfaßt die Verwendung von expandierbaren Vor richtungen bei der Gewinnung verschiedener Flüssigkeiten, z. B. Öl, aus unterirdi schen Bereichen.

Zum Beispiel werden Flüssigkeiten, etwa Öl, Erdgas und Wasser, aus unterirdischen geologischen Formationen ("Lagerstätten") durch Bohren eines Bohrloches, das die flüssigkeitsführende Lagerstätte durchdringt, erhalten. Sobald ein Bohrloch bis zu einer gewissen Tiefe gebohrt worden ist, wird die Bohrloch wand typischerweise gestützt, um ein Kollabieren zu verhindern. Während des Bohrens und der Nutzung eines Bohrloches werden verschiedene rohrförmige Elemente, z. B. Verkleidungen, Fütterungen, Sandsiebe und dergleichen, inner halb des Bohrloches ausgesetzt.

Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um Rohre radial zu expandieren, z. B. durch Ziehen eines Erweiterungsdorns durch das Rohr, um das Rohr radial nach außen gerichtet zu verformen. Ein solcher Lösungsansatz erfor dert jedoch eine große Kraft, um die gewünschte Expansion zu erreichen.

Die medizinische Industrie, die Ölindustrie und eine Vielzahl anderer Indu strien nutzt bestimmte Typen von Expansionsvorrichtungen oder würde aus der Verwendung von Expansionsvorrichtungen in zahlreichen Anwendungen Nutzen ziehen. Es gibt jedoch sehr wenige bestehende Vorrichtungen, die an einem ge wünschten Ort leicht expandierbar sind. Von den bestehenden Vorrichtungen werden wesentliche Kräfte benötigt, um die Expansion zu bewirken. Ferner tritt häufig eine wesentliche plastische Verformung auf, die die Auswahl geeigneter Materialien für eine gegebene expandierbare Vorrichtung begrenzen kann. Die vorliegende Erfindung ist daher auf die Beseitigung oder wenigstens die Verringe rung der Auswirkungen eines oder mehrerer der obenerwähnten Probleme ge richtet.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf expandierbare Vor richtungen, die z. B. in unterirdischen Umgebungen verwendet werden können. In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die expandierbare Vorrichtung eine oder mehrere expandierbare Zellen, die die Expansion der Vorrichtung erleichtern. Beispielsweise kann ein Rohr mit mehreren expandierbaren Zellen ausgebildet sein, die die radiale Expansion der Vorrichtung von einem kollabierten oder kon trahierten Zustand zu einem expandierten Zustand erleichtern. Es kann in Abhän gigkeit von der Anwendung und den gewünschten Parametern der expandierbaren Vorrichtung eine Vielzahl von Zellentypen und Zellenkonfigurationen verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnun gen genauer beschrieben, in welchen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen, und in welchen:

Fig. 1A und 1B Darstellungen der Kräfte sind, die ausgeübt werden, um eine bistabile Struktur zu schaffen;

Fig. 2A und 2B Kraft-Verformung-Kurven von zwei bistabilen Strukturen zeigen;

Fig. 3A-3F expandierte und kollabierte Zustände von drei bistabilen Zellen mit unterschiedlichen Dickenverhältnissen zeigen;

Fig. 4A und 4B ein bistabiles expandierbares Rohr in seinem expandierten und kollabierten Zuständen zeigen;

Fig. 4C und 4D ein bistabiles expandierbares Rohr in seinen kollabierten und expandierten Zuständen innerhalb eines Bohrloches zeigen;

Fig. 5A und 5B einen expandierbaren Versatzmaschinen-Typ einer Einsetzvorrichtung zeigen;

Fig. 6A und 6B einen mechanischen Versatzmaschinen-Typ einer Einsetz vorrichtung zeigen;

Fig. 7A-7D einen expandierbaren Gesenktyp von Einsetzvorrichtung zei gen;

Fig. 8A-8D einen Kolbentyp von Einsetzvorrichtung zeigen;

Fig. 9A und 9B einen Pfropfentyp von Einsetzvorrichtung zeigen;

Fig. 10A und 10B einen Kugeltyp von Einsetzvorrichtung zeigen;

Fig. 11 eine Skizze eines Bohrloches ist, das ein expandierbares bistabi les Rohr verwendet;

Fig. 12 eine motorbetriebene Radialwalzen-Einsetzvorrichtung zeigt;

Fig. 13 eine hydraulisch betriebene Radialwalzen-Einsetzvorrichtung zeigt;

Fig. 14 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Versatzma schine gemäß der Erfindung ist;

Fig. 15 eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Versatzmaschine gemäß der Erfindung ist;

Fig. 16 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung in einem kontrahierten Zustand ist;

Fig. 17 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung in einem expandierten Zustand ist;

Fig. 18A-18C schematische Ansichten einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind;

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 20 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 21 eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist;

Fig. 22A-B partielle Seitenansichten einer Ausführungsform der Erfindung in den kontrahierten bzw. expandierten Positionen sind;

Fig. 23A-B partielle Seitenansichten einer Ausführungsform der Erfindung in den kontrahierten bzw. expandierten Positionen sind;

Fig. 24A-B Seitenansichten einer alternativen Ausführungsform einer expandierbaren Zelle in ihren kontrahierten bzw. expandierten Positionen sind;

Fig. 25A-B Seitenansichten einer Zelle in ihren kontrahierten bzw. expan dierten Positionen sind, die derjenigen ähnlich ist, die in den Fig. 24A-B eingesetzt wird;

Fig. 26A-B eine weitere Ausführungsform von expandierbaren Zellen in ihren kontrahierten bzw. expandierten Positionen zeigen;

Fig. 27A-B eine weitere Ausführungsform von expandierbaren Zellen in ihren kontrahierten bzw. expandierten Positionen zeigen;

Fig. 28A-B eine weitere Ausführungsform von expandierbaren Zellen in ihren kontrahierten bzw. expandierten Positionen zeigen;

Fig. 29A-B eine weitere Ausführungsform von expandierbaren Zellen in ihren kontrahierten bzw. expandierten Positionen zeigen;

Fig. 30A-B eine weitere Ausführungsform einer expandierbaren Zelle in ihrer kontrahierten bzw. expandierten Position zeigen;

Fig. 31A-C eine Zelle mit Energiespeicherelementen zeigen, die sich von einem kontrahierten Zustand in einen expandierten Zustand bewegt;

Fig. 32A-B eine weitere Ausführungsform der in den Fig. 31A-C gezeigten Zelle in einer kontrahierten Position bzw. einer expandierten Position zeigen;

Fig. 33 eine weitere beispielhafte expandierbare Zellenkonfiguration zeigt;

Fig. 34 eine weitere beispielhafte expandierbare Zellenkonfiguration zeigt;

Fig. 35A-D einen beispielhaften Verriegelungsmechanismus zeigen, der sich durch verschiedene Stufen von einer geschlossenen Position in eine offene, verriegelte Position bewegt;

Fig. 36A-D eine weitere Ausführungsform des Verriegelungsmechanismus der Fig. 35 zeigen;

Fig. 37 einen Verriegelungsmechanismus zeigt, der mit einer expandierba ren Zelle kombiniert ist;

Fig. 38A-B eine expandierbare Zelle, die mit einem Verriegelungs mechanismus kombiniert ist, in einer kollabierten bzw. expandierten Position zeigen;

Fig. 39 eine expandierbare Zelle mit einer weiteren Ausführungsform ei nes Verriegelungsmechanismus zeigt;

Fig. 40A-B eine einzelne expandierbare Zelle und mehrere expandierbare Zellen zeigen, die jeweils mit entsprechenden Verriegelungsmechanismen kombi niert sind;

Fig. 41A-B eine weitere Ausführungsform einer Kombination von expandierbaren Zellen und Verriegelungsmechanismen in kollabierten bzw. ex pandierten Positionen zeigen; und

Fig. 42 eine schematische Darstellung der Kombination expandierbarer Zellen mit unterschiedlichen Größen und Konfigurationen in einer einzigen expan dierbaren Vorrichtung ist.

Obwohl die Erfindung einer Vielfalt von Abwandlungen und alternativen Formen unterworfen werden kann, sind in den Zeichnungen spezifische Ausfüh rungsformen derselben beispielhaft gezeigt und werden im folgenden genauer beschrieben. Es ist jedoch klar, daß die folgende Beschreibung spezifischer Aus führungsformen die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Formen be schränken soll, sondern im Gegenteil die Erfindung alle Abwandlungen, Äquiva lente und Alternativen abdecken soll, die in den Geist und Umfang der Erfindung fallen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Es folgt eine Beschreibung einer Vielfalt von expandierbaren Vorrichtun gen, die expandierbare Zellen verwenden, um die Expansion der Vorrichtung von einem kontrahierten Zustand in einen expandierten Zustand zu erleichtern. Es werden verschiedene Expansionstechniken, expandierbare Zellenkonfigurationen und Verriegelungsmechanismen beschrieben, wobei die Beschreibung typischer weise auf eine oder mehrere beispielhafte Anwendungen Bezug nimmt. Zum Bei spiel werden die Zellen für die Verwendung in Rohrkomponenten beschrieben, wie z. B. Rohren, die in der Ölproduktionsindustrie verwendet werden. Diese Anwen dung ist jedoch nur eine beispielhafte Anwendung, um die Anwendbarkeit der verschiedenen Zellen und der Verriegelungsmechanismen, die hier beschrieben werden, zu demonstrieren. Die Beschreibung sollte nicht aufgefaßt werden als Einschränkung der Anwendung solcher expandierbarer Vorrichtungen auf be stimmte Umgebungen oder Anwendungen, die hier beschrieben werden. Vielmehr können die Techniken zur Bildung expandierbarer Vorrichtungen einen großen Anwendungsbereich in anderen Umgebungen und Industrien aufweisen.

Wie im folgenden beschrieben wird, können beispielhafte expandierbare Vorrichtungen bistabile Zellen umfassen, oder auch nicht. Unabhängig davon, ob sie bistabil sind oder nicht, erleichtern die expandierbaren Zellen die Expansion einer gegebenen Vorrichtung zwischen einem kontrahierten Zustand und einem expandierten Zustand für eine Vielfalt von Operationen oder Prozeduren. Die Auswahl eines bestimmten Typs einer expandierbaren Zelle hängt ab von einer Vielfalt von Faktoren, einschließlich der Umgebung, des Expansionsgrades, der verfügbaren Materialien und so weiter.

Bistabile Vorrichtungen, die in der Erfindung verwendet werden, können Vorteil aus einem Prinzip ziehen, das in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist. Fig. 1A zeigt eine Stange 10, die an jedem Ende an starren Trägern 12 befestigt ist. Wenn die Stange 10 einer axialen Kraft unterworfen wird, beginnt sie sich, zu verformen, wie in Fig. 1B gezeigt ist. Wenn die axiale Kraft erhöht wird, erreicht die Stange 10 schließlich ihre Euler-Knickgrenze und verformt sich zu einer der zwei stabilen Positionen, die mit 14 und 15 gezeigt sind. Wenn die geknickte Stange nun in der geknickten Position festgeklemmt wird, kann eine Kraft im rechten Winkel zur Längsachse die Stange veranlassen, sich in eine der zwei stabilen Positionen zu bewegen, jedoch in keine andere Position. Wenn die Stange einer seitlichen Kraft ausgesetzt wird, muß sie sich über einen Winkel β bewegen, bevor sie sich in ihre neue stabile Position verformt.

Bistabile Systeme sind gekennzeichnet durch eine Kraft-Verformung-Kurve, wie z. B. diejenige, die in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist. Die von außen ausgeübte Kraft 16 veranlaßt die Stange 10 der Fig. 1B, sich in die Richtung X zu bewegen, und erreicht ein Maximum 18 am Beginn der Verschiebung von einer stabilen Konfiguration in die andere. Eine weitere Verformung erfordert weniger Kraft, da das System nun eine negative Federkonstante aufweist, wobei dann, wenn die Kraft gleich 0 wird, die Verformung in die zweite stabile Position spontan ist.

Die Kraft-Verformung-Kurve für dieses Beispiel ist symmetrisch und ist in Fig. 2A gezeigt. Durch Einführen entweder einer Vorkrümmung der Stange oder eines asymmetrischen Querschnitts, kann die Kraft-Verformung-Kurve asymme trisch gemacht werden, wie in Fig. 2B gezeigt ist. In diesem System ist die Kraft 19, die erforderlich ist, um die Stange zum Einnehmen einer stabilen Position zu veranlassen, größer als die Kraft 20, die erforderlich ist, um die umgekehrte Ver formung hervorzurufen. Die Kraft 20 muß größer sein als 0, damit das System bistabile Eigenschaften aufweist.

Bistabile Strukturen, die manchmal auch als Kippvorrichtungen bezeichnet werden, wurden in der Industrie für solche Vorrichtungen wie z. B. flexible Schei ben, Über-Mitte-Klammern, Niederhaltevorrichtungen und Schnellösesysteme für Spannseile (wie z. B. in Segelboot-Takelpardunen) verwendet.

Anstelle der Verwendung von starren Trägern, wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt, kann eine Zelle konstruiert werden, bei der die Rückhaltung mittels gebo gener Streben bewerkstelligt wird, die an den jeweiligen Enden verbunden sind, wie in den Fig. 3A-3F gezeigt ist. Wenn beide Streben 21 und 22 die gleiche Dicke aufweisen, wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, ist die Kraft-Verformungs-Kurve li near und die Zelle wird länger, wenn sie aus ihrer in Fig. 3B gezeigten offenen Position in ihre in Fig. 3A gezeigte geschlossene Position komprimiert wird. Wenn die Zellenstreben unterschiedliche Dicken aufweisen, wie in den Fig. 3C-3F ge zeigt, weist die Zelle die Kraft-Verformung-Eigenschaften auf, die in Fig. 2B ge zeigt sind, und ändert ihre Länge nicht, wenn sie sich zwischen ihren zwei stabilen Positionen bewegt. Ein expandierbares bistabiles Rohr kann somit so konfiguriert sein, daß dann, wenn sich die Radialabmessung ausdehnt, die axiale Länge kon stant bleibt. Wenn in einem Beispiel das Dickenverhältnis über etwa 2 : 1 liegt, widersteht die schwerere Strebe Längenänderungen. Durch Ändern des Verhält nisses der dicken zu den dünnen Strebenabmessungen können die Öffnungs- und Schließkräfte verändert werden. Zum Beispiel zeigen die Fig. 3C und 3D ein Dickenverhältnis von etwa 3 : 1, während die Fig. 3E und 3F ein Dickenverhältnis von etwa 6 : 1 zeigen.

Ein expandierbares bistabiles Bohrlochrohr, wie z. B. ein Futterrohr, ein Rohr, ein Flicken oder eine Rohrleitung, kann mit einer Serie von in Umfangsrich tung bistabilen; verbundenen Zellen 23 konstruiert werden, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist, wobei jede dünne Strebe 21 mit einer dicken Strebe 22 verbunden ist. Die Längsflexibilität eines solchen Rohres kann modifiziert werden durch Ändern der Länge der Zellen und durch Verbinden jeder Reihe von Zellen mit einer nachgiebigen Verbindung. Ferner können die Kraft-Verformung-Eigenschaften und die Längsflexibilität auch geändert werden durch die Konfiguration der Zellenform. Fig. 4A zeigt ein expandierbares bistabiles Rohr 24 in seiner expandierten Konfi guration, während Fig. 4B das expandierbare bistabile Rohr 24 in seiner kontra hierten oder kollabierten Konfiguration zeigt. In dieser Anmeldung wird der Aus druck "kollabiert" verwendet, um die Konfiguration des bistabilen Elements oder der bistabilen Vorrichtung in dem stabilen Zustand mit dem kleinsten Durchmesser zu bezeichnen, wobei dies nicht bedeutet, daß das Element oder die Vorrichtung in irgendeiner Weise beschädigt ist. Im kollabierten Zustand wird das bistabile Rohr 24 leicht in ein Bohrloch 29 eingeführt, wie in Fig. 4C gezeigt ist. Nach der Platzierung des bistabilen Rohres 24 an einer gewünschten Bohrlochstelle wird es expandiert, wie in Fig. 4D gezeigt ist.

Die Geometrie der bistabilen Zelle ist so beschaffen, daß der rohrförmige Querschnitt in Radialrichtung expandiert werden kann, um den Gesamtdurchmes ser des Rohres zu erhöhen. Wenn das Rohr radial expandiert, verformen sich die bistabilen Zellen elastisch, bis eine spezifische Geometrie erreicht ist. An diesem Punkt bewegen sich die bistabilen Zellen, z. B. durch Schnappen, in eine endgül tige expandierte Geometrie. Bei bestimmten Materialien und/oder Konfigurationen bistabiler Zellen kann bei der elastischen Verformung der Zelle genügend Energie freigesetzt werden (wenn jede bistabile Zelle über die spezifische Geometrie hin weg schnappt), so daß die expandierenden Zellen fähig sind, die Expansion be nachbarter bistabiler Zellen über die kritische bistabile Zellengeometrie hinweg einzuleiten. In Abhängigkeit von den Verformungskurven kann ein Abschnitt oder sogar die gesamte Länge eines bistabilen expandierbaren Rohres ausgehend von einem einzigen Punkt expandiert werden.

Wenn in ähnlicher Weise radiale Kompressionskräfte auf ein expandiertes bistabiles Rohr ausgeübt werden, kontrahiert dieses radial, wobei die bistabilen Zellen sich elastisch verformen bis eine kritische Geometrie erreicht ist. An diesem Punkt schnappen die bistabilen Zellen in eine endgültige kollabierte Struktur. Auf diese Weise ist die Expansion des bistabilen Rohres umkehrbar und wiederholbar. Das bistabile Rohr kann daher ein wiederverwendbares Werkzeug sein, das se lektiv zwischen dem expandierten Zustand, wie in Fig. 4A gezeigt, und dem kolla bierten Zustand, wie in Fig. 4B gezeigt, wechseln kann.

Im kollabierten Zustand, wie in Fig. 4B gezeigt, wird das bistabile expandierbare Rohr leicht in das Bohrloch eingesetzt und in Position gebracht. Eine Einsetzvorrichtung wird anschließend verwendet, um die Konfiguration vom kollabierten Zustand in den expandierten Zustand zu überführen.

Im expandierten Zustand, wie in Fig. 4A gezeigt, kann die Konfigurations kontrolle der elastischen Materialeigenschaften jeder bistabilen Zelle so beschaf fen sein, daß eine konstante Radialkraft von der Rohrwand auf die umschließende Bohrlochoberfläche ausgeübt wird. Die Materialeigenschaften und die geometri sche Form der bistabilen Zellen können so konfiguriert sein, daß gewisse ge wünschte Ergebnisse erhalten werden.

Ein Beispiel der Konfiguration für gewisse gewünschte Ergebnisse ist eine expandierbare bistabile Rohrkette mit mehr als einem Durchmesser über die Länge der Kette. Dies kann nützlich sein in Bohrlöchern mit veränderlichen Durchmessern, die entweder in dieser Weise konfiguriert sind, oder als Ergebnis nichtgeplanter Ereignisse, wie z. B. Formationsauswaschungen oder Keilnuten innerhalb des Bohrloches. Dies kann ferner vorteilhaft sein, wenn erwünscht ist, einen Abschnitt der bistabilen expandierbaren Vorrichtung innerhalb eines gefüt terten Abschnitts des Bohrloches zu platzieren, während ein weiterer Abschnitt in einem ungefütterten Abschnitt des Bohrlochs platziert wird. Fig. 11 zeigt ein Bei spiel dieses Zustands. Ein Bohrloch 40 wird von der Oberfläche 42 ausgehend gebohrt und umfaßt einen gefütterten Abschnitt 44 und einen offenen Lochab schnitt 46. Eine expandierbare bistabile Vorrichtung 48, die Segmente 50, 52 mit verschiedenen Durchmessern aufweist, wird in der Bohrung platziert. Das Seg ment mit einem größeren Durchmesser 50 wird verwendet, um den offenen Loch abschnitt 46 des Bohrloches zu stabilisieren, während das Segment mit einem reduzierten Durchmesser 52 innerhalb des gefütterten Abschnitts 44 des Bohr lochs angeordnet wird.

Bistabile Ringe oder Verbinder 24A (Siehe Fig. 4C) können so konfiguriert sein, daß sie Abschnitten des bistabilen expandierbaren Rohres erlauben, mitein ander zu einer Kette brauchbarer Längen verbunden zu werden unter Verwen dung des gleichen Prinzips, wie in Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Dieser bistabile Verbinder 24A enthält ferner eine bistabile Zellenkonfiguration, die es erlaubt, radial zu expandieren unter Verwendung des gleichen Mechanismus wie für die bistabile expandierbare Rohrkomponente. Beispielhafte bistabile Verbinder weisen einen Durchmesser auf, der etwas größer ist als die expandierbaren Rohrab schnitte, die verbunden werden. Der bistabile Verbinder wird anschließend über den Enden der zwei Abschnitte platziert und mechanisch an den expandierbaren Rohrabschnitten angebracht. Mechanische Befestigungsvorrichtungen, wie z. B. Schrauben, Nieten oder Bänder, können verwendet werden, um den Verbinder mit den Rohrabschnitten zu verbinden. Der bistabile Verbinder ist typischerweise so konfiguriert, daß er eine Expansionsrate aufweist, die mit den expandierbaren Rohrabschnitten kompatibel ist, so daß er die zwei Abschnitte nach der Expansion der zwei Segmente und des Verbinders weiterhin verbindet.

Alternativ kann der bistabile Verbinder einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als die zwei verbundenen expandierbaren Rohrabschnitte. Anschlie ßend wird der Verbinder in die Enden der Rohre eingesetzt und mechanisch befe stigt, wie oben beschrieben worden ist. Eine weitere Ausführungsform verwendet die Bearbeitung der Enden der Rohrabschnitte an ihren inneren oder äußeren Oberflächen, um eine ringförmige Aussparung auszubilden, in der der Verbinder angeordnet wird. Ein Verbinder, der so konfiguriert ist, daß er in die Aussparung paßt, wird in der Aussparung platziert. Der Verbinder wird anschließend mecha nisch an den Enden angebracht, wie oben beschrieben worden ist. Auf diese Weise bildet der Verbinder eine relativ bündige Verbindung mit den Rohrab schnitten.

Eine Fördervorrichtung transportiert die bistabilen expandierbaren Rohrab schnitte und die bistabilen Verbinder in das Bohrloch an die richtige Position. (Siehe Fig. 4C und 4D). Die Fördervorrichtung kann einen oder mehrere Mecha nismen verwenden, wie z. B. Drahtseile, spiralförmige Verrohrungen, spiralförmige Verrohrungen mit Drahtleiter, Bohrgestänge, Verrohrungen oder Fütterungen.

Eine Einsetzvorrichtung 33 kann in die Gesamtanordnung eingebaut wer den, um die bistabilen expandierbaren Rohre und Verbinder zu expandieren. (Siehe Fig. 4C und 4D). Einsetzvorrichtungen können zahlreichen Typen entspre chen, wie z. B. einem aufblasbaren Versatzmaschinenelement, einem mechani schen Versatzmaschinenelement, einem expandierbaren Gesenk, einer Kolben vorrichtung, einem mechanischen Betätigungselement, einem elektrischen Sole noid, einer Pfropfentyp-Vorrichtung, z. B. einer konisch geformten Vorrichtung, die durch die Verrohrung gezogen oder geschoben wird, einer Kugeltyp-Vorrichtung oder einem Rotationstyp-Expandierer, wie im folgenden genauer beschrieben wird.

Ein aufblasbares Versatzmaschinenelement ist in den Fig. 5A und 5B gezeigt und ist eine Vorrichtung mit einer aufblasbaren Blase, einem Element oder Balgen, die in die bistabile Rohrsystem-Bodenlochanordnung eingebaut sind. In der Darstellung der Fig. 5A ist das aufblasbare Versatzmaschinenelement 25 im Innern in der gesamten Länge oder in einem Abschnitt des Anfangs kollabierten bistabilen Rohres 24 und irgendwelcher bistabiler expandierbarer Verbinder (nicht gezeigt) angeordnet. Sobald das bistabile expandierbare Rohrsystem sich in der richtigen Einsetztiefe befindet, wird das aufblasbare Versatzmaschinenelement 25 radial expandiert durch Pumpen eines Fluids in die Vorrichtung, wie in Fig. 5B gezeigt ist. Das Aufblasfluid kann von der Oberfläche durch die Verrohrung oder das Bohrgestänge mittels einer mechanischen Pumpe oder einer elektrischen Bohrlochpumpe gepumpt werden, die über ein Drahtseil mit Leistung versorgt wird. Wenn das aufblasbare Versatzmaschinenelement 25 expandiert, zwingt es auch das bistabile expandierbare Rohr 24, radial zu expandieren. Bei einem ge wissen Expansionsdurchmesser veranlaßt das aufblasbare Versatzmaschinen element die bistabilen Zellen im Rohr, eine kritische Geometrie zu erreichen, in der der bistabile "Schnapp"-Effekt eingeleitet wird, wobei das bistabile expandier bare Rohrsystem bis zu seinem endgültigen Durchmesser expandiert. Schließlich wird das aufblasbare Versatzmaschinenelement 25 entleert und aus dem einge setzten bistabilen expandierbaren Rohr 24 entfernt.

Ein mechanisches Versatzmaschinenelement ist in den Fig. 6A und 6B gezeigt und ist eine Vorrichtung mit einem verformbaren Kunststoffelement 26, das radial expandiert, wenn es in Axialrichtung zusammengedrückt wird. Die Kraft zum Komprimieren des Elements kann über einen Kompressionsmechanismus 27, wie z. B. einen Schraubmechanismus, einen Nocken oder einen Hydraulikkol ben, geliefert werden. Das mechanische Versatzmaschinenelement setzt die bi stabilen expandierbaren Rohre und Verbinder in der gleichen Weise ein wie das aufblasbare Versatzmaschinenelement. Das verformbare Kunststoffelement 26 übt eine nach außen gerichtete Radialkraft auf den Innenumfang der bistabilen expandierbaren Rohre und Verbinder aus, um diesen wiederum zu erlauben, aus einer kontrahierten Position (siehe Fig. 6A) zu einem endgültigen Einsetzdurch messer (siehe Fig. 6B) zu expandieren. Ein expandierbares Gesenk ist in den Fig. 7A-7D gezeigt und umfaßt eine Serie von Fingern 28, die radial um einen konischen Dorn 30 angeordnet sind. Die Fig. 7A und 7C zeigen jeweils Seitenan sichten und Draufsichten. Wenn der Dorn 30 durch die Finger 28 gedrückt oder gezogen wird, expandieren diese radial nach außen, wie in den Fig. 7B und 7D gezeigt ist. Ein expandierbares Gesenk wird in der gleichen Weise verwendet wie ein mechanisches Versatzmaschinenelement, um ein bistabiles expandierbares Rohr und einen Verbinder einzusetzen.

Eine Kolbentyp-Vorrichtung ist in den Fig. 8A-8D gezeigt und umfaßt eine Serie von Kolben 32, die radial nach außen weisen, und wird als ein Mechanismus zum Expandieren der bistabilen expandierbaren Rohre und Verbinder verwendet. Wenn die Kolben 32 erregt werden, üben sie eine radial gerichtete Kraft aus, um die bistabile expandierbare Rohranordnung einzusetzen, so wie das aufblasbare Versatzmaschinenelement. Die Fig. 8A und 8C zeigen die zurückgezogenen Kol ben, während die Fig. 8B und 8D die ausgefahrenen Kolben zeigen. Die Kolben typ-Vorrichtung kann hydraulisch, mechanisch oder elektrisch betätigt werden.

Ein Pfropfentyp-Betätigungselement ist in den Fig. 9A und 9B gezeigt und umfaßt einen Pfropfen 34, der durch die bistabilen expandierbaren Rohre 24 oder Verbinder gezogen oder geschoben wird, wie in Fig. 9A gezeigt ist. Der Pfropfen ist so bemessen, daß er die bistabilen Zellen über deren kritischen Punkt hinaus expandiert, wobei sie in einen endgültigen expandierten Durchmesser schnappen, wie in Fig. 9B gezeigt ist.

Ein Kugeltyp-Betätigungselement ist in den Fig. 10A und 10B gezeigt und funktioniert so, daß eine übergroße Kugel 36 durch die Mitte der bistabilen expan dierbaren Rohre 24 und der Verbinder gepumpt wird. Um Fluidverluste durch die Zellenschlitze zu verhindern, läuft im Innern des bistabilen expandierbaren Rohr systems eine expandierbare Verkleidung 38 auf Elastomerbasis. Die Verkleidung 38 wirkt wie eine Dichtung und erlaubt der Kugel 36, hydraulisch durch das bista bile Rohr 24 und die Verbinder gepumpt zu werden. Die Wirkung des Pumpens der Kugel 36 durch die bistabilen expandierbaren Rohre 24 und Verbinder besteht darin, die Zellengeometrie über den kritischen bistabilen Punkt hinaus zu expan dieren, was ermöglicht, daß eine vollständige Expansion stattfindet, wie in Fig. 10B gezeigt ist. Sobald die bistabilen expandierbaren Rohre und Verbinder expandiert sind, werden die Elastomerhülse 38 und die Kugel 36 zurückgezogen.

Radialwalzentyp-Betätigungselemente können ebenfalls verwendet wer den, um die bistabilen Rohrabschnitte zu expandieren. Fig. 12 zeigt ein motorge triebenes expandierbares Radialwalzenwerkzeug. Das Werkzeug umfaßt einen oder mehrere Sätze von Armen 58, die zu einem Setzdurchmesser expandiert werden mittels eines Mechanismus und eines Gelenks. An einem Ende jedes Satzes von Armen befindet sich eine Walze 60. Am Werkzeug können Zentralisie rer 62 angebracht sein, um es korrekt innerhalb des Bohrloches und des bistabilen Rohres 24 zu platzieren. Ein Motor 64 liefert die Kraft zum Drehen der gesamten Anordnung, so daß sich die Walze oder die Walzen in Umfangsrichtung im Inne ren des Bohrloches dreht bzw. drehen. Die Achse der Walze bzw. der Walzen liegt so, daß sie der Walze bzw. den Walzen erlaubt, frei zu rotieren, wenn sie mit der Innenoberfläche des Rohres in Kontakt kommt. Jede Walze kann im Querschnitt konisch geformt sein, um die Kontaktfläche der Walzenoberfläche mit der Innen wand des Rohres zu erhöhen. Die Walzen sind anfangs zurückgezogen, wobei das Werkzeug im Innern des kollabierten bistabilen Rohres läuft. Das Werkzeug wird anschließend durch den Motor 64 gedreht, wobei die Walzen 60 nach außen bewegt werden, um die Innenoberfläche des bistabilen Rohres zu berühren. So bald die Walzen mit dem Rohr in Kontakt sind, werden sie um eine größere Strecke nach außen geschwenkt, um eine nach außen gerichtete Radialkraft auf das bistabile Rohr auszuüben. Die Auswärtsbewegung der Walzen kann bewerk stelligt werden mittels Zentrifugalkraft oder eines geeigneten Betätigungsmecha nismus, der zwischen dem Motor 64 und den Walzen 60 eingebunden ist.

Die End-Schwenkposition ist auf einen Punkt eingestellt, an dem das bistabile Rohr zu seinem endgültigen Durchmesser expandieren kann. Das Werk zeug wird anschließend in Längsrichtung durch das kollabierte bistabile Rohr bewegt, während der Motor weiterhin die Schwenkarme und Walzen dreht. Die Walzen folgen einem flachen Schraubenlinienpfad 66 innerhalb des bistabilen Rohres, wobei sie die bistabilen Zellen in ihrem Pfad expandieren. Sobald das bistabile Rohr eingesetzt ist, wird die Werkzeugdrehung gestoppt und die Walzen werden zurückgezogen. Das Werkzeug wird anschließend aus dem bistabilen Rohr zurückgezogen mittels einer Fördervorrichtung 68, die auch zum Einsetzen des Werkzeuges verwendet werden kann.

Fig. 13 zeigt eine hydraulisch angetriebene Radialwalzen-Einsetzvorrich tung. Das Werkzeug umfaßt eine oder mehrere Walzen 60, die mit der inneren Oberfläche des bistabilen Rohres mittels eines Hydraulikkolbens 70 in Kontakt gebracht werden. Die auswärtsgerichtete Radialkraft, die von den Walzen ausge übt wird, kann bis zu einem Punkt erhöht werden, an dem das bistabile Rohr zu seinem endgültigen Durchmesser expandiert. Es können Zentralisierer 62 am Werkzeug angebracht sein, um es innerhalb des Bohrloches und des bistabilen Rohres 24 richtig zu platzieren. Die Walzen 60 sind anfangs zurückgezogen, und das Werkzeug läuft in das kollabierte bistabile Rohr 24. Die Walzen 60 werden anschließend eingesetzt und drücken gegen die Innenwand des bistabilen Rohres 24, um einen Abschnitt des Rohres zu seinem endgültigen Durchmesser zu ex pandieren. Das gesamte Werkzeug wird anschließend in Längsrichtung durch das bistabile Rohr 24 geschoben oder gezogen, um die gesamte Länge der bistabilen Zellen 23 zu expandieren. Sobald das bistabile Rohr 24 in seinen expandierten Zustand eingesetzt ist, werden die Walzen zurückgezogen und das Werkzeug wird aus dem Bohrloch mittels der Fördervorrichtung 80, die zum Einsetzen desselben verwendet worden ist, zurückgezogen. Durch Ändern der Achsen der Walzen 60 kann das Werkzeug mittels eines Motors gedreht werden, wenn es in Längsrich tung durch das bistabile Rohr 24 wandert.

Die Leistung zum Betreiben der Einsetzvorrichtung kann aus irgendeiner oder einer Kombination von Quellen entnommen werden, wie z. B.: elektrische Leistung, die entweder von der Oberfläche zugeführt wird oder in einer Batterie anordnung an der Einsetzvorrichtung gespeichert ist; hydraulische Leistung, die von der Oberfläche oder von Bohrlochpumpen, Turbinen oder einem Fluidakku mulator geliefert wird; und mechanische Leistung, die durch eine geeignete Ver bindung geliefert wird, die durch die Bewegung betätigt wird, die an der Oberflä che bewirkt wird, oder die im Bohrloch gespeichert ist, wie z. B. in einem Feder mechanismus.

Das bistabile expandierbare Rohrsystem ist so konfiguriert, daß der Innen durchmesser des eingesetzten Rohres expandiert wird, um eine maximale Quer schnittsfläche längs des expandierbaren Rohres zu erhalten. Dieses Merkmal ermöglicht die Konstruktion von, Monokaliber-Bohrlöchern und erleichtert die Be seitigung von Problemen, die herkömmlichen Bohrlochfütterungssystemen zuge ordnet sind, bei denen der Fütterungsaußendurchmesser mehrmals stufenweise verkleinert werden muß, was bei tiefen Bohrlöchern den Zugang beschränkt.

Das bistabile expandierbare Rohrsystem kann in zahlreichen Anwendun gen angewendet werden, wie z. B. als eine expandierbare Offenbohrloch-Verklei dung, wo das bistabile expandierbare Rohr 24 verwendet wird, um eine offene Bohrlochformation zu unterstützen durch Ausüben einer externen radialen Kraft auf die Bohrlochoberfläche. Wenn das bistabile Rohr 24 radial expandiert wird, kommt das Rohr mit der das Bohrloch 29 bildenden Oberfläche in Kontakt. Diese Radialkräfte helfen bei der Stabilisierung der Formationen und erlauben das Boh ren von Bohrlöchern mit weniger herkömmlichen Fütterungsketten. Die Offen bohrloch-Verkleidung kann auch ein Material wie z. B. eine Umwicklung umfassen, das die Rate des Fluidverlustes aus dem Bohrloch in die Formationen reduziert. Die Umwicklung kann aus einer Vielfalt von Materialien gefertigt werden, ein schließlich expandierbarer metallischer und/oder elastomerischer Materialien. Durch Reduzieren des Fluidverlustes in die Formationen können die Kosten für Bohrfluide reduziert werden, wobei die Gefahren eines Zirkulationsverlustes und/oder eines Bohrlochkollapses minimiert werden.

Verkleidungen können auch innerhalb von Bohrlochrohren verwendet werden zu Zwecken, wie z. B. dem Korrosionsschutz. Zum Beispiel ist eine korro sive Umgebung eine Umgebung, die sich ergibt, wenn Kohlendioxid verwendet wird, um die Ölgewinnung aus einer produzierenden Formation zu verbessern. Kohlendioxid (CO₂) reagiert leicht mit irgendwelchem Wasser (H₂O), das vorhan den ist, um Kohlensäure (H₂CO₃) zu bilden. Andere Säuren können ebenfalls erzeugt werden, insbesondere wenn Schwefelverbindungen vorhanden sind. Rohre, die zum Einspritzen des Kohlendioxids verwendet werden, sowie solche, die in Produktionsbohrlöchern verwendet werden, unterliegen stark erhöhten Kor rosionsraten. Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um Schutzver kleidungen zu platzieren, wie z. B. ein bistabiles Rohr 24, innerhalb eines beste henden Rohres, um die Korrosionswirkungen zu minimieren und die Lebensdauer der Bohrlochrohre zu verlängern.

Eine weitere beispielhafte Anwendung nutzt das bistabile Rohr 24 als expandierbare perforierte Verkleidung. Die offenen bistabilen Zellen im bistabilen expandierbaren Rohr erlauben eine unbeschränkte Strömung aus der Formation, während eine Struktur zum Stabilisieren des Bohrloches geschaffen wird.

Eine weitere Anwendung des bistabilen Rohres 24 ist ein expandierbares Sandsieb, bei dem die bistabilen Zellen so bemessen sind, daß sie als ein Sand kontrollsieb wirken. Ferner kann ein Filtermaterial mit dem bistabilen Rohr kombi niert werden, wie im folgenden erläutert wird. Zum Beispiel kann ein expandierba res Siebelement am bistabilen expandierbaren Rohr befestigt sein. Das expan dierbare Siebelement kann als eine Umwicklung um das bistabile Rohr 24 ausge bildet sein. Es wurde festgestellt, daß die Ausübung von Reifenbeanspruchungs kräften auf die Wand eines Bohrloches an sich zum Stabilisieren der Formation beiträgt und das Einfließen von Sand aus den produzierenden Zonen reduziert oder beseitigt, selbst wenn kein zusätzliches Siebelement verwendet wird.

Die obenbeschriebenen bistabilen expandierbaren Rohre können in vielen verschiedenen Weisen hergestellt werden, wie z. B. durch: Schneiden geeignet geformter Pfade durch die Wand einer Rohrleitung, um somit eine expandierbare bistabile Vorrichtung in ihrem kollabierten Zustand zu erzeugen; Schneiden von Mustern in eine Rohrleitung, um somit eine expandierbare bistabile Vorrichtung in ihrem expandierten Zustand zu erzeugen, und anschließendes Komprimieren der Vorrichtung in ihren kollabierten Zustand; Schneiden geeigneter Pfade durch eine Lage des Materials, Walzen des Materials zu einer Rohrform und Verbinden der Enden, um eine expandierbare bistabile Vorrichtung in ihrem kollabierten Zustand zu bilden; oder Schneiden von Mustern in eine Bahn eines Materials, Walzen des Materials zu einer Rohrform, Verbinden der aneinanderliegenden Enden, um eine expandierbare bistabile Vorrichtung in ihrem expandierten Zustand zu bilden, und anschließendes Komprimieren der Vorrichtung in ihren kollabierten Zustand.

Die Konstruktionsmaterialien der bistabilen expandierbaren Rohre können diejenigen enthalten, die typischerweise in der Cl- und Gasindustrie verwendet werden, wie z. B. Kohlenstoffstahl. Sie können auch aus speziellen Legierungen (wie z. B. Monel, Inconel, Hastelloy oder Legierungen auf Wolframbasis) beste hen, wenn es die Anwendung erfordert.

Die für das bistabile Rohr 24 gezeigten Konfigurationen erläutern die Operation einer bistabilen Basiszelle. Andere Konfigurationen können geeignet sein, jedoch ist das vorliegende Konzept auch für diese anderen Geometrien gül tig.

In den Fig. 14 und 15 ist eine Versatzmaschine 80 gezeigt, die aus bistabi len Zellen gebildet ist. Die Versatzmaschine 80 besitzt ein Rohr 82, das aus bista bilen Zellen 83 gebildet ist, wie z. B. denjenigen, die vorher beschrieben worden sind. Außerdem weist die Versatzmaschine 80 wenigstens eine Dichtung 84 längs wenigstens eines Abschnitts seiner Länge auf. Eine beispielhafte Dichtung 84 kann eine oder mehrere Schichten aufweisen, die intern, extern oder intern und extern bezüglich des Rohres 82 angeordnet sind. Außerdem können die Schichten mit dem in den Zellen ausgebildeten Öffnungen gemischt sein.

Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform mit einer internen und einer externen Dichtung 84. Fig. 15 zeigt eine Versatzmaschine 80 mit nur einer internen Dich tung 84. Die Dichtung 84 kann aus einem Elastomer oder einem anderen Material gebildet sein. Ferner erlauben die Eigenschaften der Dichtung 84, daß diese we nigstens an das Expansionsverhältnis des Rohres 82 angepaßt ist. Falten oder andere Konfigurationsmerkmale der Dichtung 84 können verwendet werden, um die Expansion zu erleichtern.

Ferner kann ein Kunstharz oder eine Katalysator 85 verwendet werden, um die Dichtung 84 nach dem Setzen zu härten. In einer alternativen Ausfüh rungsform wird ein Kunstharz oder ein anderes fließfähiges Material zwischen den Schichten der Dichtung 84 platziert (wie in Fig. 14 gezeigt). Sobald die Versatz maschine im Bohrloch platziert und expandiert ist, kann das fließfähige Material gehärtet oder auf andere Weise verändert werden, um die Dichtungseigenschaf ten der Versatzmaschine 80 zu verbessern. In bestimmten Anwendungen erfordert die Härtung des Kunstharzes oder des anderen Materials die Erwärmung des Materials durch ein Service-Werkzeug. Die Versatzmaschine 80 kann wie hier beschrieben expandiert werden, und kann eine Vielfalt bistabiler Zellen umfassen. In einer Ausführungsform wird die Versatzmaschine 80 auf ein Einlaufwerkzeug gesetzt, das ein Expansionswerkzeug enthält. Die Versatzmaschine 80 wird am gewünschten Ort positioniert und expandiert, um die Wände der Fütterung oder des Rohres abzudichten. Typischerweise ist die Versatzmaschine 80 mit einer Verrohrung oder einer anderen Leitung verbunden, die sich unterhalb der Versatzmaschine 80 im Bohrloch nach unten erstreckt. Die Versatzmaschine 80 bewirkt eine Abdichtung im Ring, um eine Fluidströmung in Längsrichtung im Bohrloch zu verhindern oder zu beschränken (die typische Verwendung für Versatzmaschinen).

Die vorliegende Erfindung kann auch als Bohrlochanker dienen, der die Dichtung 84 einschließt oder ausschließt.

In Fig. 16 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, in der die Versatzmaschine 80 einen Teil einer Leitung bildet. In der gezeigten Ausfüh rungsform weist eine Bohrlochleitung 90 (wie z. B. eine Verrohrung) einen Ab schnitt (als Versatzmaschine 80 gekennzeichnet) auf, der geschnitten wird, um die bistabilen Zellen zu bilden. Der Versatzmaschinenabschnitt 80 weist eine darauf angeordnete Dichtung 84 auf, wie vorher beschrieben worden ist. In Fig. 16 ist ein Abschnitt des Dichtungsmaterials 84 abgenommen gezeigt, um die bistabilen Zellen 83 im darunterliegenden Rohr 82 freizulegen. In Fig. 17 ist der Versatzma schinenabschnitt 80 in seinem expandierten Zustand gezeigt. Es ist zu beachten, daß in typischen Anwendungen die Bohrlochleitung 90, die keine darin ausgebil deten bistabilen Zellen aufweist, nicht expandiert. Somit besteht eine Ausfüh rungsform zum Anbringen der Bohrlochleitung an der Versatzmaschine 80 darin, die Versatzmaschine 80 als integralen Bestandteil der Bohrlochleitung 90 auszu bilden (es ist zu beachten, daß eine geschweißte Verbindung dieser Ausfüh rungsform ähnelt und ein alternatives Verfahren zur Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist). Andere Verfahren umfassen herkömmliche Verfahren einer nicht integralen Verbindung.

In alternativen Ausführungsformen weist die Bohrlochleitung mehrere bistabile Zellenversatzmaschine 80 auf, die darauf ausgebildet sind. In einer weite ren alternativen Ausführungsform werden ein Abschnitt oder Abschnitte 91 der Bohrlochleitung zusätzlich zu den Versatzmaschinenabschnitten 80 aus bistabilen Zellen gebildet, so daß diese anderen Abschnitte ebenfalls einer Expansion unter liegen (siehe Fig. 17). Die anderen Abschnitte können ein darauf aufgetragenes Material aufweisen, oder auch nicht. Zum Beispiel kann der andere Abschnitt ein Sieb oder ein Filtermaterial aufweisen, das darauf aufgetragen ist, um ein Bohr loch-Sandsieb zu schaffen.

In den Fig. 18A-C ist eine alternative Konfiguration der vorliegenden Erfin dung in einer schematischen Teilquerschnittsansicht gezeigt. Die expandierbare Versatzmaschine ist jeweils in den zurückgezogenen und expandierten Zuständen und in einer Teilseitenansicht (Fig. 18C) gezeigt. Die gezeigte Versatzmaschine enthält ein Basisrohr 82, das aus dünnen Streben 21 und dicken Streben 22 gebil det ist, die bistabile Zellen 23/83 bilden, wie vorher beschrieben worden ist. Latten 92 sind an der Verrohrung 82 an einer Kante angebracht und erstrecken sich im wesentlichen in Längsrichtung in der gezeigten Ausführungsform (siehe Fig. 18C). Genauer ist jede Latte 92 an der Verrohrung 82 an den dicken Streben 22 ange bracht, wobei die Breite der Latten so beschaffen ist, daß diese wenigstens jeweils die benachbarte Latte überlappen, wenn die Verrohrung 82 sich im expandierten Zustand befindet. Obwohl die Versatzmaschine gezeigt ist mit einer an jeder dicken Strebe angebrachten Latte, kann sie auch an jeder zweiten dicken Strebe 22 eine daran angebrachte Latte aufweisen, oder kann andere Konfigurationen aufweisen. Ferner können sich die Latten in einer anderen Richtung als die Längs richtung erstrecken. Die Latten 92 gleiten während der Expansion übereinander, so daß die Außenseite der Verrohrung 82 mittels der überlappenden Latten 92 abgedeckt ist.

Eine Dichtung 84 kann an den Latten 92 angebracht sein, um eine Abdich tung für die Versatzmaschine zu schaffen. Obwohl in den Figuren die Abdichtung 84 gefaltet gezeigt ist, kann sie andere Eigenschaften aufweisen, die ihre Fähig keit zum Expandieren mit den Latten 92 und dem Rohr 82 erleichtern. Ferner kann die Dichtung 84 andere Eigenschaften aufweisen, die vorher erwähnt worden sind (z. B. Kunstharz, interne Dichtung usw.).

Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung, obwohl sie als Versatz maschine beschrieben wird, verwendet werden kann, um eine Isolation über eine große Länge zu schaffen, im Gegensatz zu einer herkömmlichen Versatzma schine oder einem Bohrlochwerkzeug, das im allgemeinen nur eine relativ kurze Längsstrecke abdichtet. Somit kann die vorliegende Erfindung in einer Weise ähnlich einer Fütterung verwendet werden, um eine Isolation für eine erweiterte Länge zu schaffen.

In Fig. 19 ist eine perspektivische Ansicht der Versatzmaschine 80 (oder der Isolationsvorrichtung) mit mehreren daran angebrachten Latten 92 in einer überlappenden Anordnung gezeigt, wie vorher beschrieben worden ist. Die Ver rohrung 82 enthält Endverlängerungen 94, die ausgehend von den äußersten Zellen in Längsrichtung überlappen. Die Latten 92 können an den Endverlänge rungen 94 angebracht sein, an gewissen Abschnitten der dicken Streben 22 und/oder an gewissen dicken Streben 22. In einer Ausführungsform sind die Lat ten 92 z. B. an den dicken Streben angebracht, die in Längsrichtung auf die End verlängerungen 94 ausgerichtet sind. Obwohl im allgemeinen die Latten an einer Kante der Latten 92 angebracht gezeigt sind, können diese auch an der Verroh rung 92 an einer Position zwischen den Kanten angebracht sein.

In Fig. 20 ist eine expandierbare Verrohrung (oder Leitung) 90 in einem Bohrloch 100 positioniert gezeigt. Die Leitung 90 enthält mehrere beabstandete Versatzmaschinen 80 oder expandierbare Dichtungsvorrichtungen. Die expan dierbaren Versatzmaschinen 80 sind mit der Bohrlochwand in Eingriff, um somit ein ringförmiges Fließen zu verhindern. Somit wird jeder Mikroring, der zwischen der expandierbaren Verrohrung 90 und dem Bohrloch 100 (welches ein Futter enthalten kann) ausgebildet ist, in Längsrichtung abgedichtet, um somit eine un erwünschte Strömung zu begrenzen oder zu verhindern. Die Leitung 90 kann eine oder mehrere solcher Versatzmaschinen 80 enthalten, falls gewünscht, um die Strömung zu kontrollieren. Ferner können die Versatzmaschinen 80 in regelmäßi gen Intervallen oder in einer bestimmten anderen vorgegebenen Beabstandung angeordnet sein, um die Strömung im Ring nach Bedarf zu kontrollieren.

In einem Beispiel, das in Fig. 21 schematisch gezeigt ist, sind die individuellen Verbindungen der Verrohrung 90 mittels einer Versatzmaschine 80 verbunden, um jede Verbindung der Leitung von den benachbarten Verbindungen abzuteilen. Die Versatzmaschine 80 kann ein separater Verbinder sein, wie in Fig. 21 gezeigt, oder kann als Teil der Verbindung ausgebildet sein. Dementspre chend kann die Versatzmaschine 80 an einem Ende der Verbindung 90, in der Mitte der Verbindung 90 oder an irgendeinem anderen Ort längs ihrer Länge posi tioniert sein. In einer Ausführungsform sind sowohl die Leitung 90 als auch die Versatzmaschinen 80 der Fig. 20 und 21 aus bistabilen Zellen gebildet.

In der Fig. 22A-B ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart. Die in diesen Figuren gezeigte Vorrichtung kann als eine Versatzmaschine, ein Hänger, ein Futterflicken oder als andere Vorrichtung ver wendet werden, die eine Expansion erfordert, und wird im allgemeinen hier mit Bezug auf diese Figuren als ein expandierbares Rohr 120 bezeichnet, um die Beschreibung zu erleichtern. Das expandierbare Rohr 120 umfaßt eine Serie von Zellen 122, die darin ausgebildet sind durch z. B. Laserschneiden, Strahlschnei den, Wasserstrahlschneiden oder anderen Herstellungsverfahren. Die Zellen 122 sind so ausgerichtet, daß mehrere Längsstreben 24 am expandierbaren Rohr 120 ausgebildet sind. Wie in den Figuren gezeigt ist, liegen somit die Längsstreben 124 zwischen den Längsabschnitten der Zellen 122, wobei die Zellen 122 relativ dünnere Streben 126 aufweisen, die sich zwischen benachbarten Längsstreben 124 erstrecken. Wenn wie in den Figuren gezeigt die benachbarten Längsstreben 124 in Längsrichtung relativ zueinander bewegt werden (z. B. in entgegengesetz ten Richtungen), öffnen sich die Zellen 122, um die Struktur radial zu expandieren. Es müssen sich nicht alle Längsstreben 124 bewegen; es können jeweils alle zweiten Längsstreben 124 bewegt werden, während die anderen Streben ortsfest bleiben. Die relative Bewegung der Längsstreben 124 sorgt für die Expansion der Zellen 122 und des expandierbaren Rohres 120. Dieser Typ von Zelle ist ein Bei spiel einer expandierbaren Zelle, die nicht bistabil ist.

Ein Verriegelungsmechanismus 128 kann verwendet werden, um die expandierte Position des expandierbaren Rohres 120 aufrechtzuerhalten. Wie in den Fig. 22a-b gezeigt, kann das expandierbare Rohr einen oder mehrere Verrie gelungsmechanismen 128 umfassen, die längs der Länge des expandieren Roh res 120 beabstandet sind und radial beabstandet um das expandierbare 120 an geordnet sind. Eine Ausführungsform des Verriegelungsmechanismus ist in den Fig. 23a-b gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform umfaßt der Verriegelungs mechanismus 128 eine Klinke (oder einen Finger) 130, die sich von einer Längs strebe 124 ausgehend erstreckt und mit einem Satz von Ratschenzähnen 132 kooperiert, die an einer weiteren Längsstrebe 124 vorgesehen sind. Die Rat schenzähne 132 erstrecken sich ausgehend von einem Rampenbereich 134 der Längsstrebe 124, um die Relativbewegung der Klinke 130 zur Längsstrebe 124 mit den Ratschenzähnen 132 aufzunehmen. Die Ratschenzähne 132 erlauben im allgemeinen eine Bewegung der Klinke 130 in einer ersten Richtung, die der Ex pansion des expandierbaren Rohres 120 zugeordnet ist, und verhindern eine Bewegung der Klinke 130 in der entgegengesetzten Richtung. Sobald sich die Klinke 130 in der expandierten Position befindet, dient sie als eine verriegelte Strebe, die ein Zurückziehen des expandierten Rohres 120 verhindert. Um die strukturelle Integrität des expandierten Rohres 120 zu erhöhen und Kräften zu widerstehen, die das expandierbare Rohr 120 aus einem expandierten Zustand oder der expandierten Position tendenziell in eine reduzierte Position bewegen, kann das expandierbare Rohr 120 mehrere Verriegelungsmechanismen 128 ent halten.

Obwohl der Verriegelungsmechanismus als eine Ratsche gezeigt ist, kann ein alternativer Verriegelungsmechanismus weniger diskrete Abschnitte aufwei sen, wie z. B. einen, in welchem die Klinke nur in der vollständig expandierten Position einrastet. In einer weiteren Ausführungsform kann die Klinke einen elasti schen Finger umfassen, der in Richtung einer expandierten Position vorbelastet ist, in der er in eine Rille in einer benachbarten Längsstrebe 124 einrastet. In ähn licher Weise können die benachbarten Streben 124 jeweils elastische Klinken aufweisen, die zusammenarbeiten, um die Vorrichtung in der expandierten Posi tion nur dann zu verriegeln, wenn das Rohr 120 die expandierte Position erreicht. Dies sind nur einige Beispiele vieler möglicher Alternativen für den Verriege lungsmechanismus 128.

Ferner können verschiedene andere Rohrexpansionsmechanismen und expandierbare Zellen verwendet werden, wie z. B. expandierbare Rohre und an dere Vorrichtungen. Einzelheiten eines Typs von expandierbarer Zelle sind z. B. in den Fig. 24A, 24B, 25A und 25B gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die Zelle, wie in anderen Ausführungsformen, von einem komprimierten Zustand in einen expandierten Zustand überführt.

Während der Bewegung aus dem komprimierten Zustand in den expandierten Zustand und in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen sowie den verwendeten Materialien, der Materialdicke und anderen Konfigurati onsparametern der Zelle und der aus der Zelle gebildeten Vorrichtungen, können bestimmte Bereiche der Zelle und der Streben eine plastische Verformung erfah ren. In den Fig. 24A, 24B, 25A und 25B sind alternative Ausführungsformen einer Zelle in komprimierten und expandierten Zuständen dargestellt. In diesen Ausfüh rungsformen weist eine der Streben 21 (gezeigt als die dünnere obere Strebe) dünnere Abschnitte 140 auf, die als flexible Gelenke oder Verbindungen dienen. Die verdünnten Abschnitte 140 sind vorzugsweise in Bereichen plaziert, in denen eine plastische Verformung der Strebe wahrscheinlich auftritt, wenn sich die Strebe aus einem komprimierten in einen expandierten Zustand bewegt. Somit können die verdünnten Abschnitte 140 z. B. nahe dem Schnittpunkt der Streben 21, 22 angeordnet sein, um einen Bereich zu schaffen, der weniger anfällig für eine plastische Verformung ist. Obwohl die Figuren mehrere verdünnte Abschnitte 140 zeigen, kann die Strebe einen einzelnen verdünnten Abschnitt 140 enthalten, z. B. in einem Bereich einer erhöhten plastischen Verformung. Ferner können die verdünnten Abschnitte 140 an anderen Positionen längs der Streben 21, 22 zu anderen Zwecken plaziert sein. Die verdünnten Bereiche 140 definieren dazwi schen Verbindungen 142, die Abschnitte umfassen, die im allgemeinen dicker sind als die verdünnten Abschnitte 140. Die Plazierung mehrerer verdünnter Abschnitte 140 längs der Länge einer Strebe 21, 22 erzeugt mehrere Verbindungen 142.

Ein weiterer Faktor bei der Ermittlung der Positionierung der verdünnten Abschnitte 140 sind die Anzahl, die Plazierung und die Konfiguration der Verbin dungen. Obwohl in den Figuren die Verbindungen 142 mit einer gleichmäßigen Dicke gezeigt sind, können sie auch eine Veränderung der Dicke aufweisen, um die Expansion, Kontraktion und andere Eigenschaften der Zelle nach Bedarf zuzu schneiden. In einem breiten Aspekt der Erfindung weist daher wenigstens eine der Streben 21, 22 eine variierende Dicke auf Ferner können andere Faktoren bei der Plazierung der verdünnten Abschnitte 140 und der dicken Variationen der Streben 21, 22 berücksichtigt werden. Ferner können die verdünnten Abschnitte am Schnittpunkt der Streben 21, 22 auftreten.

In den Fig. 24A und 24B ist eine Zelle mit drei Verbindungen 142 gezeigt; während in den Fig. 25A und 25B eine Zelle mit zwei Verbindungen gezeigt ist. Obwohl die Fig. 24A-25B nur eine einzelne Zelle zeigen, können die Zellen in ein Werkzeug eingebaut sein, wie z. B. ein Rohr, das mehrere Zellen aufweist, wie z. B. dasjenige, das in den Fig. 4A und 4B gezeigt ist. Die Figuren zeigen eine einzelne Zelle, um das Grundkonzept und die Zellenkonfiguration deutlicher zu zeigen. Die in den Figuren gezeigten Griffe sind nicht Bestandteil der Zellenstruk tur, sondern werden lediglich an Testzelle verwendet, um das Testen der Zellen zu erleichtern.

In den Fig. 26A und 26B ist eine weitere Ausführungsform von expandierbaren Zellen gezeigt, die als expandierbare Zellen 150 bezeichnet sind. Jede expandierbare Zelle 150 umfaßt eine dicke Strebe 152 und eine oder meh rere dünne Streben 154, z. B. zwei dünne Streben 154. In der dargestellten Aus führungsform umfaßt jede expandierbare Zelle 150 zwei dünne Streben, wobei jede dünne Strebe 154 ein Paar von Enden 156 aufweist, die an jeweils benach barten dicken Streben angelenkt sind. Die Enden 156 können Stifte umfassen, die schwenkbar in entsprechenden Buchsen 158 aufgenommen sind.

Wenn die mehreren expandierbaren Zellen 150 aus dem kontrahierten Zustand, der in Fig. 26A gezeigt ist, in den in Fig. 26B gezeigten expandierten Zustand bewegt werden, verformen sich die Streben 154 ausreichend, um ein Schwenken der Stifte 156 in ihren entsprechenden Buchsen 158 zu erlauben. Wie in Fig. 26B am besten gezeigt ist, weisen die Paare von dünnen Streben 154, die jede Zelle 150 bilden, außenliegende Enden 156 auf, die an oberen Anbringungs bereichen 160 der unteren dicken Strebe 152 angelenkt sind. Die gegenüberlie genden Enden jedes Paares von dünnen Streben 154 sind an einem unteren Anbringungsbereich 162 der nächsten darüberliegenden dicken Strebe 152 ange lenkt. Es ist zu beachten, daß Positionsausdrücke, wie z. B. oben und unten, le diglich verwendet werden, um die Erläuterung des Ortes verschiedener Merkmale bezüglich der vorliegenden Figuren zu erleichtern, und nicht als Einschränkung aufgefaßt werden sollten.

In einer weiteren Ausführungsform, die in den 27A und 27B gezeigt ist, umfassen mehrere expandierbare Zellen, die mit dem Bezugszeichen 164 be zeichnet sind, jeweils eine dicke Strebe 166 und eine oder mehrere dünne Streben 168. Jede dicke Streben 166 ist im allgemeinen gebogen und mit einer entspre chenden dünnen Strebe 168 an einem festen Verbindungsbereich 170 verbunden, der an einem im wesentlichen zentralen Ort längs des äußeren oder konvexen Abschnitts der gebogenen dicken Strebe angeordnet ist. Die äußeren Enden jeder dünnen Strebe 168 sind über einen Gelenkabschnitt 172, der eine Kugel und eine Buchse umfassen kann, an der nächsten benachbarten dicken Strebe 166 ange lenkt.

Wenn die mehreren Zellen aus dem in Fig. 27A gezeigten kontrahierten Zustand in den in Fig. 27B gezeigten expandierten Zustand bewegt werden, bie gen oder verformen sich die dünnen Streben 168, wenn ihre äußeren Enden am jeweiligen Gelenkabschnitt 172 geschwenkt werden. Wie bei vielen anderen Zel len, die hier beschrieben werden, tendiert die gespeicherte Federenergie dann, wenn die dünne Strebe 168 über ihren Punkt der größten Biegung hinaus bewegt wird, dazu, die Zellen 164 in ihren stabilen expandierten Zustand zu zwingen, wie in Fig. 27B gezeigt ist. Wie bei dem in den Fig. 26A und 26B gezeigten bista bilen Zellen bewegen sich somit die Zellen 164 zwischen einem stabilen kontra hierten Zustand und einem stabilen expandierten Zustand.

Eine weitere expandierbare Zellenausführungsform ist in den Fig. 28A und 28B gezeigt. In dieser Ausführungsform wird jede expandierbare Zelle 174 aus einer dicken Strebe 176 und einer dünnen Strebe 178 gebildet. Jede dünne Strebe weist ein Paar von Enden 180 auf, die an einer dicken Strebe angelenkt sind. Zum Beispiel umfaßt eine gegebene dicke Strebe ein Paar von Buchsen 182, um stift- oder kugelförmige Enden 180 schwenkbar aufzunehmen. Außerdem ist die dünne Strebe 178 fest mit den benachbarten dicken Streben 176 in einem abwechseln den Muster verbunden. Zum Beispiel umfaßt jede Zelle in der dargestellten Aus führungsform drei feste Verbindungen 184, die zwischen benachbarten dicken Streben 176 wechseln. Mit dieser Konfiguration sind die expandierbaren Zellen 174 wiederum zwischen einem in Fig. 28A gezeigten stabilen kontrahierten Zu stand und einem in Fig. 28B gezeigten stabilen expandierten Zustand beweglich.

Mit Bezug auf die Fig. 29A und 29B wird eine weitere expandierbare Zellenkonfiguration gezeigt. In dieser Ausführungsform umfaßt jede der mehreren expandierbaren Zellen 186 eine dicke Strebe 188 und wenigstens ein Paar von gestapelten dünnen Streben 190 bzw. 192. Die dünnen Streben 190, 192 sind im allgemeinen in einer gestapelten Ausrichtung angeordnet und mittels eines Ver bindungselement 194 verbunden. Die dünne Strebe 192 umfaßt ein Paar von Enden 196, die an einer entsprechenden dicken Strebe 188 befestigt sind. Ein Zwischenverbindungsbereich 198 der dünnen Strebe 192 ist an der nächsten benachbarten dicken Strebe 188 befestigt, wie in Fig. 29B am besten gezeigt ist. Die dünne Strebe 190 weist andererseits unbefestigte Enden 200 auf. Die Enden 200 sind in einem Stoßeingriff mit einem gekerbten Bereich 202 gefangen, der in der gleichen dicken Strebe 188 ausgebildet ist, an der die Enden 196 befestigt sind. Wenn die mehreren expandierbaren Zellen 186 aus dem in Fig. 29A gezeig ten kontrahierten Zustand in den in Fig. 29B gezeigten expandierten Zustand bewegt werden, wird jedes Paar von dünnen Streben 190 und 192 bis zu einem Verformungspunkt verformt, an dem die gespeicherte Energie in den dünnen Streben maximiert ist. Wenn die dünnen Streben über diesen Verformungspunkt hinaus bewegt werden, wird die gespeicherte Energie freigesetzt, um eine Expan sion der Zellen in ihren expandierten Zustand zu erleichtern.

Selbstverständlich kann bei jedem dieser Typen von bistabilen Zellen der Expansionsgrad durch eine externe Barriere begrenzt werden. Wenn z. B. die bistabilen Zellen verwendet werden, um ein Rohr zu bilden, kann das Rohr gegen eine Bohrlochwand expandiert werden, die die Zellen an einer Bewegung bis zu ihren vollexpandierten Zustand hindert. Typischerweise wird die Größe des Roh res so gewählt, daß sie eine Expansion der Zellen wenigstens über den Punkt der maximalen Verformung hinaus erlaubt. In Abhängigkeit vom verwendeten Material können die Zellen somit kooperieren, um eine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Bohrlochwand auszuüben.

In den Fig. 30A und 30B ist eine weitere expandierbare Zellenkonfigura tion gezeigt. Jede expandierbare Zelle 204 umfaßt ein Paar gebogener dünnen Streben 206, die an einem im wesentlichen zentrierten erweiterten Bereich 210 über Gelenkenden 212 an einer entsprechenden dicken Strebe 208 angelenkt sind. Die dünnen Streben 206 umfassen im wesentlichen den Gelenkenden 212 gegenüberliegend Außengelenkenden 214, die an der nächsten benachbarten dicken Strebe 208 angelenkt sind. Die Gelenkenden 212 und 214 können in einer Vielfalt von Konfigurationen ausgebildet sein, wie z. B. als Kugelgelenke, Stiftge lenke und dergleichen. Das Entnehmen der jeweiligen dünnen Strebe 206 wird verhindert durch geeignete Bänder 216 und 218, die an den Gelenkenden 212 bzw. 214 anordnet sind. Die Bänder 216 und 218 sind zwischen der dünnen Strebe 206 und den entsprechenden dicken Streben 208 angebracht.

In den Fig. 31A-31C ist ein anderer Typ von expandierbarer Zelle 220 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist eine dicke Strebe 222 mit einer oder mehre ren dünnen Streben 224 mittels eines oder mehrerer Federelemente 226 verbun den. In der gezeigten besonderen Ausführungsform werden zwei Federelemente 226 im wesentlichen in Form eines Horns verwendet, wobei die Basis jedes Horns mit der dicken Strebe 222 verbunden ist und die Spitze jedes Horns mit der be nachbarten dünnen Strebe 224 verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist eine dünne Strebe 224 mit dem jeweiligen Federelement 226 mittels eines flexiblen Gelenks 228 verbunden. Die zwei dünnen Streben 224 sind miteinander über einen Zentralbalken 230 und ein Paar flexibler Gelenke 232 verbunden.

Wenn die Zellen von einem in Fig. 31A gezeigten kontrahierten Zustand in einen in Fig. 31C gezeigten expandierten Zustand expandiert werden, biegen sich die Federelemente 226 nach außen und speichern Federenergie. Mit dieser Kon figuration unterliegen die dünnen Streben 224 typischerweise keiner wesentlichen Verformung während der Bewegung vom kontrahierten Zustand in den expan dierten Zustand. Vielmehr werden die Federelemente 226 elastisch verformt, wenn sie nach außen gedrückt werden während der Bewegung des Zentralbal kens 230 vom kontrahierten Zustand in den expandierten Zustand. Wenn die Federelemente 226 nach außen gebogen werden, speichern sie Federenergie wenigstens bis zu dem Punkt der maximalen Biegung, der in Fig. 31B gezeigt ist, an den die Streben 224 im wesentlichen parallel zu einer dicken Strebe 222 sind. Sobald der Zentralbalken 230 sich über diesen Punkt der maximalen gespeicher ten Federenergie hinwegbewegt, tendieren die Federelemente 226 dazu, die ge speicherte Energie freizusetzen und sich nach innen zu bewegen, wodurch die dünnen Streben 224 und der Zentralbalken 230 in die expandierte Position ge drückt werden, wie in Fig. 31C am besten gezeigt ist. Die Verformung der Gelenke 228 und 232 erleichtert das Schwenken der dünnen Streben 224 vom kontrahier ten Zustand in den expandierten Zustand.

Eine Doppelhorn-Zellenkonfiguration ist in den Fig. 32A und 32B gezeigt. Bei dieser Konfiguration sind mehrere dicke Streben 236 über dünne Streben 238 und Hornfederelemente 240 miteinander verbunden. Genauer ist jede dünne Strebe 238 mit zwei Hornfederelementen 240 verbunden, um ein Speichern einer größeren Energiemenge zu ermöglichen. Diese große Energiespeicherung liefert zusätzliche positive Energie für die Öffnung der Zellen 234 in ihre expandierten Positionen, wie in Fig. 32B gezeigt ist.

In der dargestellten Ausführungsform weist jede Doppelhornzelle 234 zwei äußere Hornfederelemente 240 auf, die mit einer dicken Strebe 236 verbunden sind, und zwei innere Hornfederelemente 240, die mit der nächsten benachbarten dicken Strebe 236 verbunden sind. Eine dünne Strebe 238 ist mit jedem entspre chenden Paar von inneren und äußeren Hornfederelementen über geeignete Gelenkbereiche 242 verbunden. Wenn somit die Doppelhornzellen 234 aus dem in Fig. 32A gezeigten kontrahierten Zustand in den in Fig. 32B gezeigten expandier ten Zustand bewegt werden, werden die kooperierenden Paare von inneren und äußeren Hornfederelementen 240 nach außen gebogen bis zu einem Punkt, an dem die dünnen Streben 238 im wesentlichen ausgerichtet sind. Nach diesem Punkt der Expansion beginnen die Hornfederelemente 240, die gespeicherte Fe derenergie freizusetzen, und drücken die dünnen Streben 238 in Richtung zum vollständig expandierten Zustand.

Andere Formen von Federelementen können ebenfalls verwendet werden zur Erleichterung der Expansion einer Vielfalt von Zellentypen. Zum Beispiel ist in Fig. 33 eine expandierbare Zelle 244 gezeigt, in der benachbarte dicke Streben 246 mit einer dünnen Strebe 248 über einen anderen Typ von Federelementen 250 verbunden sind. Die Federelemente 250 können schraubenlinienförmig, ge wellt oder längs anderer Pfade angeordnet sein, die den Übergang der dünnen Strebe 248 von dem in Fig. 33 gezeigten kontrahierten Zustand in einen expan dierten Zustand aufnehmen.

Ein weiterer Typ von Federsystem ist in Fig. 34 gezeigt als expandierbare Zelle 252. Ein Paar dicker Streben 254 ist mittels eines Paares von gewellten dünnen Streben 256 verbunden. Die Konfiguration der dünnen Streben 256 ent hält mehrere Federelemente 258, die eine Biegung der dünnen Streben 256 und eine Expansion der Zelle 252 aufnehmen durch Speichern und anschließendes Freisetzen von Federenergie. Die Federenergie wird freigesetzt, wenn die dünnen Streben über einen Punkt der maximalen Biegung hinweg in Richtung zum voll ständig expandierten Zustand versetzt werden.

Um die gesamte Vorrichtung, wie z. B. das Rohr, in der expandierten Position zu sichern, kann ein Verriegelungsmechanismus verwendet werden, um die einzelnen Zellen an einer Kontraktion zu hindern. Beispielhafte Verriege lungsmechanismen können den einzelnen Zellen zugeordnet sein, oder sie kön nen an einer oder mehreren Positionen längs der expandierbaren Vorrichtung angeordnet sein. In den Fig. 35A-35D ist ein Typ von Anordnungsmechanismus 258 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein Stift 260 gleitend in einer ent sprechenden Aussparung 262 aufgenommen. Ein Ratschenfinger 264 erstreckt sich im wesentlichen transversal in Richtung zum Stift 260. Genauer umfaßt der Ratschenfinger ein Eingriffende 266, das in einem ausgesparten Bereich 268 des Stifts 260 ruht, wenn die gesamte Vorrichtung und der Verriegelungsmechanismus 258 sich in einem kontrahierten Zustand befinden, wie in Fig. 35A gezeigt ist.

Wenn die Vorrichtung, wie z. B. das Rohr, expandiert wird, wird der Rat schenfinger 264 von einer benachbarten Unterstützungsfläche 270 weggebogen, wie in Fig. 35D am besten gezeigt ist. Der Ratschenfinger 264 gleitet weiter längs der Seite des Stifts 260, wenn die Vorrichtung bis zu einem maximalen Grad ex pandiert wird, wie in Fig. 35C gezeigt ist. Wenn die Expansionskraft nachläßt, wird jede wesentliche Bewegung des Stifts 260 in Richtung zur kontrahierten Position durch den Ratschenfinger 264 blockiert, wie in Fig. 35D gezeigt ist. Wenn der Stift 260 versucht, sich in Richtung seines kontrahierten Zustands zu bewegen, wird das Eingriffende 260 fest in einen Preßeingriff mit der Seite des Stifts 260 ge drückt. Außerdem begrenzt die Unterstützungsoberfläche 270 die Bewegung des Ratschenfingers 264 in die Kontraktionsrichtung. Die Seitenwand des Stifts 260 kann Zähne oder andere Eingriffmerkmale aufweisen, die zur Verhinderung der Bewegung des Stifts 260 zurück in Richtung des kontrahierten Zustands beitra gen. Ein weiterer beispielhafter Verriegelungsmechanismus 272 ist in den Fig. 36A-36D gezeigt. In dieser Ausführungsform ist eine Gabelratsche 274 in der expandierbaren Vorrichtung ausgebildet, wie z. B. in der Wand eines expandierba ren Rohres. Die Gabelratsche 274 umfaßt ein Paar von Zinken 276, die jeweils ein divergierendes Ende 278 aufweisen. Im kontrahierten Zustand sind die Zinken 276 in einer Öffnung 280 aufgenommen, die im wesentlichen ein Stundenglas-Profil aufweist. Mit anderen Worten, die divergierenden Enden 278 ruhen in einem di vergierenden oder expandierenden Abschnitt 282 der Öffnung 280 und müssen durch einen schmalen oder begrenzten Abschnitt 284 gezogen werden, wenn die Vorrichtung expandiert wird.

Während der Expansion des Rohres oder der anderen Vorrichtung werden die divergierenden Abschnitte 282 durch den begrenzten Bereich 284 gezogen (siehe Fig. 36b und 36c). Sobald die Zapfen 276 aus der Öffnung 280 gezogen werden, springen die divergierenden Abschnitte 282 erneut nach außen in ihre Normalposition. In dieser Position sind die divergierenden Abschnitte 282 breiter als der Eingang zur Öffnung 280, wobei die Gabelratsche 274 an einem Wieder eintritt in die Öffnung 280 gehindert wird. Somit kann die gesamte Vorrichtung in ihrem expandierten Zustand gehalten werden.

Ein weiterer beispielhafter Verriegelungsmechanismus 282 ist in Fig. 37 gezeigt. Der Verriegelungsmechanismus 284 ist für die Verwendung mit Horntyp- Zellen konfiguriert. Im dargestellten spezifischen Beispiel ist ein Schlitz 286 zwi schen einem Paar von Federelementhörnern 288 innerhalb einer dicken Strebe 290 einer expandierbaren Zelle 292 ausgebildet. Ein Keil 294 erstreckt sich von einer benachbarten dicken Strebe 296 in den Schlitz 286. Wenn die Zelle 292 expandiert wird, wird der Keil 294 durch den Schlitz 286 herausgezogen. Die Größe der Keilspitze 298 und des Schlitzauslasses 300 werden so gewählt, daß sie einander überlagern, wenn die Zelle 292 sich in ihrem expandierten Zustand befindet. Dies verhindert das Biegen der Hörner 288 in Richtung zum Schlitz 286 und verhindert somit ein Kollabieren der expandierten Zelle.

In den Fig. 38A-41B sind eine Vielfalt von Kombinationen aus expandierbaren Zellen und Verriegelungsmechanismen dargestellt. Mit spezifi schem Bezug auf die Fig. 38A und 38B umfaßt eine Ausführungsform einer ex pandierbaren Zelle 302 dicke Streben 304, die mittels dünner Streben 306 über Federelemente 308 miteinander verbunden sind. Jede dicke Strebe 304 umfaßt einen oder mehrere, z. B. zwei, Ratschenfinger 310, die längs einer entsprechen den Ratschenoberfläche 312 gleiten, die auf erweiterten Bereichen der dünnen Streben 306 ausgebildet ist (siehe Fig. 38B).

Die Ratschenoberfläche 312 kann Ratschenzähne enthalten, um mit dem Ende des entsprechenden Ratschenfingers 310 in Eingriff zu gelangen. Wenn die expandierbare Zelle 302 von ihrem kontrahierten Zustand, wie in Fig. 38A gezeigt, in einen expandierten Zustand, wie in Fig. 38B gezeigt, übergeht, werden die Ratschenfinger 310 von der Unterstützungsoberfläche 314 weggebogen, während sie längs der entsprechenden Ratschenoberflächen 312 gleiten. Die Enden der Ratschenfinger 310 erlauben keine Gleitbewegung der entsprechenden Rat schenoberflächen 312 zurück in Richtung zum kontrahierten Zustand. Ferner können die Unterstützungsoberflächen 314 verwendet werden, um irgendein Bie gen der Finger 310 zurück in Richtung zur kontrahierten Position zu begrenzen. Wenn somit die expandierbare Zelle sich in ihrem expandierten Zustand befindet, wirkt jeder der Ratschenfinger 310 gegen eine entsprechende Ratschenoberfläche 312, um die Zelle gegen einen Kollaps zu stützen.

Eine weitere Ausführungsform des Systems ist in Fig. 39 gezeigt und verwendet Finger in Form von Ratschenklauen 316. In dieser Ausführungsform ist jede Ratschenklaue in einer geeigneten dicken Strebe 304 ausgebildet durch Erzeugen eines offenen Bereiches 318, der so konfiguriert ist, daß er einen ent sprechenden Abschnitt 320 einer dünnen Strebe 306 aufnimmt, wenn er sich in der kontrahierten Position befindet. Jede Ratschenklaue 316 kann mehrere Zähne 322 umfassen, die so angeordnet sind, daß sie mit den vom Abschnitt 320 hervor stehenden entsprechenden Zähnen 324 in Eingriff gelangen. Außerdem kann ein Reliefschnitt 326 längs der Ratschenklaue 316 ausgebildet sein, der im allgemei nen dem offenen Bereich 318 gegenüberliegt. Der Reliefschnitt 326 erlaubt der Ratschenklaue 316, sich zu biegen, wenn die Zähne 322 über die Zähne 324 gezogen werden während des Übergangs der Zelle von einem kontrahierten Zu stand in einen expandierten Zustand. Die Zähne 322 und 324 sind so konfiguriert, daß sie ein Schließen der Zelle verhindert, sobald die Expansion beginnt. Die Ratschenklaue 316 gleitet somit effektiv längs des Abschnitts 320 und hält die Zelle in jedem weiteren Expansionsgrad fest. Als Alternative zu den Zähnen kann die Ratschenklaue 316 und der kooperierende Abschnitt 320 andere Typen von Eingriffmerkmalen verwenden, um eine Kontraktion der Zelle zu verhindern.

Die Verriegelungsmechanismen können ferner in Kooperation mit expandierbaren Zellen verwendet werden, die nicht unbedingt bistabile Zellen sein müssen. Zum Beispiel umfaßt in Fig. 40A eine expandierbare Zelle 330 eine dünne Strebe 332, die in einer expandierbaren "Brustbein"-Typ-Konfiguration zwischen den dicken Streben 334 angeordnet ist, mit denen sie verbunden ist. Ein Verriegelungsmechanismus 336 kooperiert mit einer oder mehrerer der expan dierbaren dünnen Streben 332, um die expandierbaren Zellen 333 in einer expan dierten Position zu halten. Wie in Fig. 40B gezeigt, kann ein Verriegelungsmecha nismus 336 mit jeder expandierbaren Zelle 330 kombiniert sein, oder es können mehrere expandierbare Zellen für jeden Verriegelungsmechanismus 336 vorhan den sein.

In dieser Ausführungsform umfaßt der Verriegelungsmechanismus 336 einen Stift 338 mit externen Zähnen 340. Der Stift 338 ist gleitend in einer Öffnung 342 aufgenommen, die durch einen oder mehrere flexible Finger 344 definiert ist, die Eingriffspitzen 346 aufweisen, die mit den Zähnen 340 in Eingriff gelangen. Die Finger 344 biegen sich nach außen, um den Zähnen 340 zu ermöglichen, über die Eingriffspitzen 346 hinwegzugleiten, wenn die Zelle expandiert wird, wobei jedoch die Eingriffspitzen 346 den Stift 338 an einer Bewegung in einer Richtung zum kontrahierten Zustand hindern. Sobald die expandierbare Zelle 330 expandiert ist, verhindert der Verriegelungsmechanismus 336 somit eine Kontraktion der Zelle.

Eine ähnliche Konfiguration ist in den Fig. 41A und 41B gezeigt. Die Konfiguration kombiniert die expandierbare Zelle, die mit Bezug auf Fig. 40A be schrieben worden ist, und einen Verriegelungsmechanismus des in den Fig. 36A-36D beschriebenen Typs. Wenn somit die mehreren expandierbaren Zellen 330 aus den in Fig. 41A gezeigten kontrahierten Zustand in den in Fig. 41B gezeigten expandierten Zustand bewegt werden, wird die dünnen Brustbeintyp- Strebe expandiert. Gleichzeitig werden die Zinken 276 aus ihrer entsprechenden Öffnung 280 in eine Position gezogen, die einen Wiedereintritt der Gabel 274 in die Öffnung 280 verhindert. Der Verriegelungsmechanismus kann so konfiguriert sein, daß die Zapfen 276 aus der Öffnung 280 gezogen werden und an einem Wiedereintritt gehindert werden. Alternativ können die Zapfen 276 so konfiguriert sein, daß sie mit entsprechenden Zähnen oder anderen Eingriffmerkmalen 350 in Eingriff gelangen, die längs der Außengrenze jeder Öffnung 280 angeordnet sind, um eine Rückkehrbewegung der Zinken 276 in die Öffnung 280 zu verhindern.

Ferner ist zu beachten, das expandierbare Vorrichtungen, wie z. B. expan dierbare Rohre, mit einer Vielfalt von Zellen und Verriegelungsmechanismen aus gebildet werden können, die unterschiedliche Konfigurationen aufweisen, wie z. B. Änderungen der Größe oder des Typs, wie in Fig. 42 schematisch gezeigt ist. Zum Beispiel ist es durch Stapeln von Zellen unterschiedlicher Länge oder durch einen exzentrischen Versatz in einer Bahn oder einem Rohr möglich, eine Öffnungsvor belastung in die Struktur einzubauen. Die expandierbare Vorrichtung kann so konfiguriert sein, daß sie bestimmten Reihen von Zellen erlaubt, vor anderen Rei hen von Zellen zu öffnen, oder Zellen erlaubt, in einem vorgegebenen Muster oder einer vorgegebenen Rate zu öffnen. Zum Beispiel umfaßt in Fig. 42 eine expan dierbare Vorrichtung 352 Reihen von expandierbaren Zellen 354. Unterschiedliche Reihen 354 weisen jedoch Zellen mit unterschiedlichen Längen auf, wie z. B. die Zellen 356, 358 und 360. Dies erlaubt bestimmten Reihen von Zellen, vor angren zenden Reihen von Zellen zu öffnen, da wenigstens bei bestimmten Zellenkonfigu rationen die Länge der Zelle die Kraft beeinflußt, die zum Expandieren der Zelle erforderlich ist. Das Einbauen unterschiedlicher Reihen von Zellen in eine expan dierbare Vorrichtung erlaubt dem Benutzer, die Expansionsrate für eine gegebene Einsetzkraft zu kennen, und erleichtert die Konfiguration von Vorrichtungen mit Zellen, die in einer vorgegebenen Sequenz öffnen. Außerdem kann die Verwen dung unterschiedlicher Zellentypen die Nachgiebigkeit der expandierbaren Vor richtung verbessern, wenn die Einsetzkraft längs der Länge der Vorrichtung nicht gleichmäßig ist.

Es ist klar, daß sich die vorangehende Beschreibung auf beispielhafte Ausführungsformen dieser Erfindung bezieht, wobei die Erfindung nicht auf die gezeigten spezifischen Formen beschränkt ist. Zum Beispiel können die expan dierbaren Zellen in einer Vielfalt von Rohren und anderen expandierbaren Struktu ren kombiniert sein; können die Größe und die Form der expandierbaren Zellen und der Verriegelungsmechanismen angepaßt werden; können die verwendeten Materialtypen verändert werden in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung; und kann eine Vielfalt von Mechanismen verwendet werden, um die Zellen zu expandieren. Ferner können die verschiedenen Zellen mittels einer Vielfalt von Techniken ausgebildet werden, einschließlich des Laserschneidens, des Strahl schneidens, des Wasserstrahlschneidens und anderer Ausbildungstechniken. Diese und andere Abwandlungen können an der Konfiguration und der Anordnung der Elemente vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuwei chen, wie er in den beigefügten Ansprüchen ausgedrückt ist.

Claims

1. Expandierbare Vorrichtung, die ein Expansionselement mit mehreren Zellen umfaßt, die aus einer geschlossenen Position in eine offene Position ex pandierbar sind, wobei jede Zelle eine dünne Strebe aufweist, die mit einer dicken Strebe verbunden ist.

2. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dünne Strebe und die dicke Strebe jeder Zelle mittels eines Stiftgelenks angelenkt sind.

3. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dünne Strebe und die dicke Strebe jeder Zelle mittels eines Kugel- und Buchsengelenks ange lenkt sind.

4. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dünne Strebe zwischen einem festen Ende und einem schwenkbaren Ende angebracht ist.

5. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Expansions element ein Rohr umfaßt, das während der Expansion der mehreren Zellen einer radialen Expansion unterworfen wird.

6. Expandierbare Vorrichtung, die ein Expansionselement mit mehreren Zellen umfaßt, die aus einer geschlossenen Position in eine offene Position ex pandierbar sind, wobei jede der mehreren Zellen eine dicke Strebe, eine erste dünne Strebe und eine zweite dünne Strebe umfaßt.

7. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die erste dünne Strebe mit der zweiten dicken Strebe physikalisch verbunden ist und die zweite dünne Strebe in Stoßeingriff mit der dicken Strebe angeordnet ist.

8. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die erste dünne Strebe und die zweite dünne Strebe im wesentlichen parallel sind.

9. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die erste dünne Strebe länger als die zweite dünne Strebe ist.

10. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Erweiterungselement ein Rohr umfaßt.

11. Expandierbare Vorrichtung, die ein Expansionselement mit mehreren Zellen umfaßt, die aus einer geschlossenen Position in eine offene Position ex pandierbar sind, wobei jede der mehreren Zellen ein Federelement umfaßt, um die Zelle in der offenen Position zu halten.

12. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Federele ment ein Horn umfaßt.

13. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Federele ment ein Paar von Hörnern umfaßt.

14. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem sich eine dünne Strebe und ein dicke Strebe zwischen dem Paar von Hörnern erstrecken.

15. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 11, bei dem jede Zelle eine Doppelhornzelle umfaßt.

16. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der jedes Federele ment ein gewelltes Federelement umfaßt.

17. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das expandier bare Element ein Rohr umfaßt, das während der Expansion der mehreren Zellen einer radialen Expansion unterworfen wird.

18. Expandierbare Vorrichtung, die ein Expansionselement mit mehreren Zellen umfaßt, die aus einer geschlossenen Position in eine offene Position ex pandierbar sind, wobei jede der mehreren Zellen eine dicke Strebe und eine dünne Strebe umfaßt und wobei die dünne Strebe mehrere flexible Verbindungen aufweist.

19. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der jede flexible Verbindung einen verdünnten Bereich aufweist.

20. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der jeder verdünnte Bereich während der Expansion von der geschlossenen Position in die offene Position einer plastischen Verformung unterliegt.

21. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der das Expansionselement ein Rohr umfaßt.

22. Expandierbare Vorrichtung, die ein Expansionselement mit mehreren Zellen umfaßt, die aus einer geschlossenen Position in eine offene Position ex pandierbar sind, wobei jede Zelle eine dünne Strebe aufweist, die mittels eines Bandes mit einer dicken Strebe verbunden ist.

23. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die dünne Strebe und die dicke Strebe jeder Zelle mittels eines Stiftgelenks angelenkt sind.

24. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die dünne Strebe und die dicke Strebe jeder Zelle mittels eines Kugel- und Buchsengelenks angelenkt sind.

25. Expandierbare Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die dünne Strebe zwischen einem festen Ende und einem schwenkbaren Ende angebracht ist.

26. Verfahren zum Expandieren einer Vorrichtung, dass das Erzeugen mehrerer bistabiler Zellen in einer Wand der Vorrichtung durch Verbinden von dünnen Streben mit entsprechenden dicken Streben über Scharniergelenke, und das Ausüben einer Expansionskraft auf die Wand in einer Richtung umfaßt, die die mehreren bistabilen Zellen aus einem kontrahierten Zustand in einen expandierten Zustand überführt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, das ferner das Ausbilden mehrerer Verriegelungsmechanismen in der Wand umfaßt.

28. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Erzeugen das Verbinden jeder dünnen Strebe mit einer entsprechenden dicken Strebe über eine schwenk bare Scharnierverbindung umfaßt.

29. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Erzeugen das Verbinden jeder dünnen Strebe mit einer entsprechenden dicken Strebe über eine flexible Scharnierverbindung umfaßt.

30. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Erzeugen das Verbinden jeder dünnen Strebe mit einer entsprechenden dicken Strebe über eine Scharnier verbindung umfaßt, die einen plastisch verformbaren verdünnten Bereich aufweist.

31. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Erzeugen das Erzeugen der mehreren bistabilen Zellen in einem Rohr umfaßt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem das Ausüben der Kraft das Ausüben einer Kraft in einer radial nach außen gerichteten Richtung umfaßt.

33. Verfahren nach Anspruch 26, das ferner das Verbinden wenigstens einer dünnen Strebe mit wenigstens einer dicken Strebe mittels eines Federele ments umfaßt.

34. Verfahren nach Anspruch 26, das ferner das Verbinden wenigstens einer dünnen Strebe mit wenigstens einer dicken Strebe mittels eines Hornfederelements umfaßt.

35. Vorrichtung, die ein expandierbares Element mit mehreren Zellen umfaßt, die von einer geschlossenen Position in eine offene Position expandierbar sind, wobei die mehreren Zellen Zellen unterschiedlicher Größen umfassen.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der das expandierbare Element ein Rohr umfaßt.

37. Vorrichtung, die ein expandierbares Element umfaßt, das mehrere Zellen aufweist, die von einer geschlossenen Position in eine offene Position ex pandierbar sind, wobei die mehreren Zellen Zellen unterschiedlicher Konfiguratio nen umfassen.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei der das expandierbare Element ein Rohr umfaßt.