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QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/385,633, die am 23. September 2010 eingereicht wurde und hierin unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Offenbarung
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Diese Offenbarung betrifft insgesamt eine Vorrichtung und Verfahren zum Bohren von Bohrlöchern.
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2. Technischer Hintergrund
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Ölbohrlöcher (auch als ”Bohrlöcher” bezeichnet) werden mit einem Bohrstrang gebohrt, der ein Rohrelement einschließt, das eine Bohranordnung mit einem Bohrmeißel an ihrem unteren Ende aufweist. Das Rohrelement ist im Allgemeinen entweder ein zusammengefügtes Rohr oder ein Wickelrohr. Nachdem das Bohrloch oder ein Abschnitt des Bohrlochs gebohrt worden ist, wird es mit einem Casing (auch als der Liner bezeichnet) ausgekleidet. Manchmal wird jedoch der Liner während des Bohrens außerhalb eines Abschnitts des Bohrstrangs platziert und kann oberhalb oder lochaufwärts des Bohrmeißels unten an der Bohranordnung (auch als der ”Pilot”-Bohrmeißel bezeichnet) einen zweiten Bohrmeißel einschließen, der als der Räumbohrmeißel oder Räumer bezeichnet wird. Der Pilotbohrmeißel bohrt eine Bohrung mit einem bestimmten Durchmesser und der Räumer vergrößert diese Bohrung bis zum gewünschten Bohrlochdurchmesser. Da der Liner und der Pilotbohrmeißel in eine instabile Formation eintreten, kann das Bohrloch einstürzen, was eine Beschädigung der Abschnitte des Bohrstrangs und des Bohrmeißels verursacht, die sich außerhalb des Liners befinden.
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KURZFASSUNG
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In einem Aspekt weist eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Bohrloch ein Rohr und eine Bohranordnung auf, die zum Tragen eines Bohrmeißels an einem ihrer Enden ausgestaltet ist, wobei die Bohranordnung für eine Positionierung innerhalb des Rohrs ausgestaltet ist, wobei das Rohr und die Bohranordnung so ausgestaltet sind, dass sie in dem Bohrloch zusammen gefahren werden. Die Vorrichtung weist auch eine Betätigungsvorrichtung in dem Rohr auf, die so ausgestaltet ist, dass sie die Bohranordnung selektiv aus dem Rohr ausfährt und in das Rohr einzieht.
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Ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs schließt das Befördern eines einen Bohrstrang enthaltenden Rohrs in ein Bohrloch ein, wobei der Bohrstrang eine Bohranordnung aufweist, die innerhalb des Rohrs axial beweglich ist. Das Verfahren schließt auch das selektive Einziehen der Bohranordnung in das Rohr und das Ausfahren der Bohranordnung aus diesem während des Bohrens des Bohrlochs ein.
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Bestimmte Merkmale der hierin geoffenbarten Vorrichtung und Verfahren werden hierin eher grob zusammengefasst, damit die nachfolgende detaillierte Beschreibung von diesen besser verständlich ist. Selbstverständlich gibt es zusätzliche Merkmale der geoffenbarten Vorrichtung und Verfahren, die Teil dieser Offenbarung werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein detailliertes Verständnis der vorliegenden Offenbarung sollte auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen werden, in denen gleiche Elemente im Allgemeinen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und wobei
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1 eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems ist, das das Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrstrang zeigt, der eine Bohranordnung, einen Bohrmeißel und einen Liner aufweist, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung gefertigt sind;
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2 eine schematische Darstellung einer Bohranordnung, einer Betätigungsvorrichtung und eines Liners zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung hergestellt sind;
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3 eine schematische Darstellung einer Bohranordnung, einer Betätigungsvorrichtung und eines Liners zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung hergestellt sind;
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4 eine schematische Darstellung einer Bohranordnung, einer Betätigungsvorrichtung und eines Liners zeigt, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung hergestellt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 ist eine schematische Darstellung, die ein Bohrsystem 100 zum Bohren von Bohrlöchern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 1 zeigt ein Bohrloch 110, das einen oberen Abschnitt 111 mit einem darin installierten Casing 112 und einen unteren Abschnitt 114 aufweist, der mit einem Bohrstrang 118 gebohrt wird. Der Bohrstrang 118 weist ein Rohrelement 116 auf, das an seinem unteren Ende eine Bohranordnung 130 (auch als eine ”Bohrlochanordnung” oder ”BHA” bezeichnet) trägt. Das Rohrelement kann durch das Zusammenfügen von Bohrrohrabschnitten gebildet sein. Zum Bohren einer Bohrung mit einem ersten Durchmesser in der Formation 119 ist an dem unteren Ende der Bohranordnung 130 ein Bohrmeißel 150 (hierin auch als der ”Pilotmeißel” bezeichnet) befestigt. Außerhalb des Bohrrohrs 116 ist ein Liner 120 platziert. Wie gezeigt, ist der Bohrmeißel 150 so ausgestaltet, dass er um eine ausgewählte Länge 165 (eine ”Vorstehlänge”) aus dem Liner 120 vorsteht. Oberhalb oder lochaufwärts des Pilotmeißels 150 ist auf dem Liner 120 und um einen Abschnitt des Bohrstrangs 130 herum ein zweiter Bohrmeißel 160 (hierin auch als der ”Räummeißel” oder ”Räumer” bezeichnet) angeordnet. In einem im Bohrloch befindlichen Linerabschnitt 166 ist eine Betätigungsvorrichtung 155 positioniert, wobei die Betätigungsvorrichtung 155 so ausgestaltet ist, dass sie die Bohranordnung 130 und den Pilotmeißel 150 selektiv ausfährt und einzieht. Der Betrieb der Betätigungsvorrichtung 155, der Bohranordnung 130 und des Pilotmeißels 150 wird später unter Bezugnahme auf 2–4 beschrieben.
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In einem Aspekt weist die Bohranordnung 130 eine Lenkvorrichtung 152, wie etwa Lenkrippen oder -kissen, und eine Messvorrichtung 154, wie etwa Formationsbewertungswerkzeuge und Measurement-While-Drilling(”MWD”)-Sensoren auf. Der Bohrstrang 118 erstreckt sich bis zu einem Bohrgestell 180 an der Oberfläche 167. Zum Drehen des Bohrstrangs 118 und somit der Bohranordnung 130 und des Pilotmeißels 150 kann ein Drehtisch 169 oder ein Top-Drive-Antrieb (nicht gezeigt) verwendet werden. Zum Empfangen und Verarbeiten der von der Bohranordnung 130 gesendeten Bohrlochdaten und zum Steuern von Vorgängen der verschiedenen Vorrichtungen und Sensoren in der Bohranordnung 130 ist eine Steuereinheit 190, die eine computerbasierte Einheit sein kann, an der Oberfläche 167 platziert. Die Steuereinrichtung 190 kann einen Prozessor, eine Speichervorrichtung zum Speichern von Daten und Computerprogramme aufweisen. Der Prozessor greift auf die Daten und Programme aus der Speichervorrichtung zu und führt die in den Programmen enthaltenen Befehle zur Steuerung der Bohrvorgänge aus. Aus einer Bohrfluidquelle wird ein Bohrfluid 179 unter Druck durch das Bohrrohr 116 gepumpt. Das Bohrfluid 179 strömt unten am Pilotmeißel 150 aus und kehrt über einen Ring zwischen dem Bohrstrang 118 und dem Bohrloch 110 zur Oberfläche zurück.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Abschnitts 200 eines Rohrs (eines Liners oder äußeren Elements) 202 und eines Bohrstrangs 204. In einem Aspekt werden das Rohr 202 und der Rohrstrang 204 durch ein Einfahrwerkzeug 206 zusammen in die Formation befördert. Innerhalb eines Abschnitts des Rohrs 202 ist eine Betätigungsvorrichtung 208 positioniert, um eine Bohrvorrichtung 210 aus einem Ende des Rohrs 202 selektiv auszufahren und einzuziehen. In einer Ausgestaltung weist die Betätigungsvorrichtung 208 eine Druckeinrichtung 212 und eine Greifeinrichtung 214 (auch als ”Verriegelungsmechanismus” bezeichnet) auf, die so ausgestaltet sind, dass sie die Bohranordnung 210 relativ zum Rohr 202 bewegen. In einer weiteren Ausgestaltung können eine oder mehrere zusätzliche Druck- und Greifeinrichtungskombinationen, wie etwa eine Druckeinrichtung 216 und eine Greifeinrichtung 218, verwendet werden, um die Hublänge der Betätigungsvorrichtung 208 zu vergrößern. Die exemplarischen Druckeinrichtungen 212 und 216 sind lineare Stellglieder, wie etwa Hydraulikzylinder, die so ausgestaltet sind, dass sie die Bohranordnung 210 entlang einer Achse 215 bewegen. In einem Aspekt wird durch die Druckeinrichtungen 212 und 216 Fluid, wie etwa Bohrfluid, komprimiert und mit Druck beaufschlagt, um axiales Ausfahren und Einziehen der Bohranordnung in dem Rohr zu bewirken, wie durch Pfeile 219 gezeigt. Die Axialbewegung 219 der Betätigungsvorrichtung 208 bewirkt eine Änderung einer Distanz 220, hierin auch als ”Vorstehlänge” bezeichnet. Die Vorstehlänge ist ein Indikator für den Abschnitt der Bohranordnung 210, der freigelegt bzw. nicht innerhalb des Rohrs 202 enthalten ist. Die Bohranordnung 210 weist Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 222, Lenkvorrichtungen 224 und einen Bohrmeißel 226 auf. Die Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 222 können Formationsbewertungs(”FE”)-Werkzeuge sowie Sensoren zum Messen beim Bohren (”MWD”) einschließen. In einem Aspekt schließen die Formationsbewertungwerkzeuge Gammastrahlen- und Resistivitätssensoren ein, die relativ kostenaufwändig und bei Beschädigung zu ersetzen und reparieren sind. Der Bohrmeißel 226 kann irgendein geeignetes Werkzeug zur Schaffung eines Bohrlochs in einer Formation, wie etwa ein Rollenkegelmeißel, ein PDC-Meißel oder ein Räumer sein. Die Betätigungsvorrichtung 208 kann so ausgestaltet sein, dass sie einen Abschnitt oder im Wesentlichen gänzlich alles von der Bohranordnung 210 in das Innere des Rohrs 202 im Bohrloch einzieht, wie etwa bei einer Positionierung in instabilen Formationen. Demgemäß werden durch Einziehen und Positionieren der Bohranordnung 210 innerhalb des Rohrs 202 die Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 222, die Lenkvorrichtungen 224 und der Bohrmeißel 226 vor einer Beschädigung während eines Einstürzens der Formation geschützt.
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Noch Bezug nehmend auf 2, weist die Betätigungsvorrichtung 208 Greifeinrichtungen 214 und 218 auf, die so ausgestaltet sind, dass sie mit den Innenwänden des Liner 202 in Eingriff und außer Eingriff kommen, wodurch sie ermöglichen, dass die Druckeinrichtungen 212 und 216 in einer ausgewählten Position oder einem ausgewählten Betätigungszustand (Ausfahren oder Einziehen) freigegeben oder verriegelt werden, und dass sie die Axialbewegung in der Betätigungsvorrichtung 208 steuern. Die Greifeinrichtungen 214 und 218 (Verriegelungsmechanismen) können irgendeine geeignete mechanische, hydraulische und/oder elektrische Vorrichtung sein, welche die Betätigungsvorrichtung 208 mit der Innenwand des Rohrs 202 verbindet, verriegelt oder in Eingriff bringt. Es folgt ein Beispiel für den Betrieb der Betätigungsvorrichtung 208. Die Greifeinrichtungen 214 und 218 lösen den Eingriff mit dem Liner 202, um zu ermöglichen, dass die erste Druckeinrichtung 212 vollständig ausfährt. Die erste Greifeinrichtung 214 greift dann an dem Liner 202 an, um die ausgefahrene Position der ersten Druckeinrichtung 212 an Ort und Stelle zu ”verriegeln”. Somit wird für ein weiteres Ausfahren der Bohranordnung 210 die zweite Greifeinrichtung 218 außer Eingriff gebracht, während die zweite Druckeinrichtung 216 bis zu einer gewünschten Position ausgefahren wird. Die zweite Greifeinrichtung 218 greift dann an dem Liner 202 an, um die Position der Bohranordnung 210 zu sichern oder zu ”verriegeln”, was eine ausgewählte Vorstehlänge 220 aus dem Liner 202 bewirkt. Zusätzlich sind die Greifeinrichtungen 214 und 218 so ausgestaltet, dass sie die Druckeinrichtungen (212, 216) in ausgewählten Positionen verriegeln, um den Druck von den Druckeinrichtungen abzubauen, während die Distanz 220 im Wesentlichen gleich bleibt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Abschnitts 300 eines Rohrs 302 und eines Rohrstrangs 304. In einem Aspekt werden das Rohr 302 und der Rohrstrang 304 durch ein Einfahrwerkzeug 306 zusammen in das Bohrloch befördert. Zum selektiven Ausfahren und Einziehen einer Bohranordnung 310 von einem Ende des Rohrs 302 ist innerhalb eines Abschnitts des Rohrs 302 (oder ”Liners”) eine Betätigungsvorrichtung 308 positioniert. Die Betätigungsvorrichtung 308 weist eine Druckeinrichtung 312 und Zugeinrichtungen 314 auf. Wie dargestellt, ist die Druckeinrichtung 312 ein mechanisches, elektronisches, elektromechanisches oder hydraulisches lineares Stellglied, wie etwa ein Hydraulikzylinder oder Kugelgewindemechanismus, wie oben beschrieben. In einem Aspekt sind die Zugeinrichtungen 314 Mechanismen, die rotierende radiale Elemente verwenden, welche die Innenwände (oder ”Kammerwände”) des Rohrs 302 greifen oder kontaktieren und daher die Verrohrung (oder das ”Rohr”, den ”Rohrstrangabschnitt” oder das ”Bohranordnungsrohr”) in das Rohr 302 und aus ihm heraus führen und axial befördern. Die Zugeinrichtungen 314 können irgendein geeigneter zuverlässiger und leistungsstarker Mechanismus zum Führen der Bewegung der Bohranordnung 310 und zum Bewirken der Axialbewegung, wie etwa ein mechanischer, elektronischer, elektromechanischer und/oder hydraulischer Mechanismus, sein. Die Zugeinrichtungen 314 können auch die Verriegelung der Bohranordnung 310 in einer ausgewählten ausgefahrenen oder eingezogenen Position bereitstellen. Bei einer Ausführungsform bewirken die Druckeinrichtung 312 und/oder die Zugeinrichtungen 314 das axiale Ausfahren und Einziehen der Bohranordnung 310, wie durch Pfeile 317 gezeigt. Die Axialbewegung 317 der Betätigungsvorrichtung 308 bewirkt, dass die Bohranordnung 304 über das Rohr 302 hinaus ausfährt, wie durch die Distanz 316 gezeigt, der auch als ”Vorstehlänge” bezeichnet wird. Die Vorstehlänge ist ein Indikator für den Abschnitt der Bohranordnung 310, der nicht innerhalb des Rohrs 302 enthalten ist. Die Bohranordnung 310 weist Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 318, Lenkvorrichtungen 320 und einen Bohrmeißel 322 auf. Die Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 318 können FE-Werkzeuge sowie MWD-Sensoren einschließen. Bei einer Ausführungsform führen die Zugeinrichtungen 314 den Großteil der Betätigungskraft zur Bewirkung der Bewegung 317 zu, wobei die Druckeinrichtung 312 die wesentliche axiale Ausrichtung der Bohranordnung 310 und der Verrohrung 315 innerhalb des Rohrs 302 aufrechterhält. Bei einer weiteren Ausführungsform können die Zugeinrichtungen 314 und die Druckeinrichtung 312 jeweils die axiale Kraft oder Leistung für die Bewegung 317 der Bohranordnung 310 bereitstellen. Es sollte erwähnt werden, dass eine oder mehrere Druckeinrichtungen 312 und/oder Zugeinrichtungen 314 verwendet werden können, um die Position der Axialbewegung der Bohranordnung 310 zu steuern und sie zu betätigen. Weiterhin können auch zusätzliche Komponenten, wie etwa Greifeinrichtungen, eingeschlossen sein, um den Betrieb der Betätigungseinrichtung 308 zu erleichtern.
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4 zeigt eine schematische Darstellung von noch einer weiteren Ausführungsform eines Abschnitts 400 eines Rohrs 402 und eines Bohrstrangs 404. In einem Aspekt werden das Rohr 402 (oder der ”Liner”) und der Bohrstrang 404 durch ein Einfahrwerkzeug 406 zusammen in die Formation befördert. Zum selektiven Ausfahren und Einziehen einer Bohranordnung 410 von einem Ende des Rohrs 402 ist innerhalb eines Abschnitts des Rohrs 402 eine Betätigungsvorrichtung 408 positioniert. Die Betätigungsvorrichtung 408 weist eine Druckeinrichtung 412 und Verriegelungseinrichtungen 414 auf. Wie dargestellt, ist die Druckeinrichtung 412 ein mechanisches, elektronisches, elektromechanisches oder hydraulisches lineares Stellglied, wie etwa ein Hydraulikzylinder oder Kugelgewindemechanismus. In einem Aspekt sind die Verriegelungseinrichtungen 414 (auch als ”Verriegelungsmechanismus” bezeichnet) ein Mechanismus, der so ausgestaltet ist, dass er eine Position eines Rohrs 415 innerhalb der Druckeinrichtung 412 sichert und aufrechterhält. Verriegelungseinrichtungen 414 (oder ”Verriegelungsmechanismen”) können irgendein geeigneter Mechanismus, wie etwa ein mechanischer, elektronischer, elektromechanischer und/oder hydraulischer Mechanismus sein, der so ausgestaltet ist, dass er die Position des Rohrs 415 innerhalb der Druckeinrichtung in Eingriff oder außer Eingriff bringt (verriegelt oder freigibt). In Aspekten weist die Druckeinrichtung 412 einen ausgewählten Druck PT innen in der Druckeinrichtungskammer auf, während außerhalb der abgedichteten Kammer ein Bohrlochdruck PW herrscht. Der Druckeinrichtungsdruck PT kann abhängig von einigen Parametern und Bedingungen, einschließlich Bohrlochstrecke und Formationscharakteristika, gesteuert und konfiguriert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Bohrlochstrecke (oder ”Bohrlochlänge”) proportional zum Bohrlochdruck PW wobei der Unterschied zwischen dem Druckeinrichtungsdruck PT und dem Bohrlochdruck PW die Axialbewegung 416 der Betätigungsvorrichtung 408, und daher der Bohranordnung 410, steuert. Die Axialbewegung 416 der Betätigungsvorrichtung 408 bewirkt eine Änderung der Distanz 417, auch als ”Vorstehlänge” bezeichnet. Die Vorstehlänge 417 ist ein Indikator für den Abschnitt der Bohranordnung 410, der aus dem Rohr 402 herausragt. Die Bohranordnung 410 weist Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 418, Lenkvorrichtungen 420 und einen Bohrmeißel 422 auf. Die Sensor- und Bewertungsvorrichtungen 418 können FE-Werkzeuge sowie MWD-Sensoren einschließen. Die Lenkvorrichtungen 420 können hydraulisch, mechanisch und/oder elektrisch betätigte Elemente, wie etwa Rippen oder Kissen, zur Steuerung einer Bohrrichtung der Bohranordnung 410 einschließen.
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Ein Beispiel für den Betrieb der Betätigungsvorrichtung 408 ist wie folgt. Der Druckeinrichtungsdruck PT wird auf einem im Wesentlichen höheren Druck als der Bohrlochdruck PW aufrechterhalten, wobei der Druckunterschied bewirkt, dass eine Axialkraft die Druckeinrichtung 412 und die Bohranordnung 410 ausfährt. Bei einer Ausführungsform gibt es ein im Wesentlichen minimales oder kein Gewicht auf dem Meißel, wenn der Druckeinrichtungsdruck PT das Ausfahren der Bohranordnung 410 bewirkt. Der Eingriff der Verriegelungseinrichtungen 414 mit den Kammerwänden der Druckeinrichtung 412 wird gelöst, wodurch die Axialkraft bewirken kann, dass die Bohranordnung 410 aus dem Rohr 402 ausfährt oder herausragt. Wenn die Bohranordnung 410 eine erwünschte Vorstehlänge 417 erreicht, sichern die Verriegelungselemente 414 die Kammerwände (oder ”Innenwände”) und greifen an ihnen an, um ein weiteres Ausfahren der Bohranordnung 410 durch die von dem Druckunterschied verursachte axiale Kraft zu verhindern. Somit ist die Betätigungsvorrichtung 408 so ausgestaltet, dass sie den Druckunterschied (PT – PW), die Druckeinrichtung 412 und die Verriegelungseinrichtungen 414 zur Steuerung der Axialbewegung und der Vorstehlänge 417 der Bohranordnung 410 handhabt oder verwendet. In einem Aspekt wird die Vorstehlänge 417 reduziert und die Bohranordnung 410 eingezogen, indem bewirkt wird, dass PT durch eine Vergrößerung der Kraft des Gewichts-auf-dem-Meißel 424 (”WOB”) überwunden wird, während die Verriegelungseinrichtungen 414 außer Eingriff von den Kammerwänden gebracht werden. Das erhöhte WOB kann an der Oberfläche durch einen Mechanismus, wie etwa einen Drehtisch, bewirkt werden. Bei einer Ausführungsform wird der Druckeinrichtungsdruck PT durch Einstellen der in der Druckeinrichtung 412 enthaltenen Bohrfluidmenge gesteuert. Der Druckeinrichtungsdruck PT, der Bohrlochdruck PW und das entsprechende Druckdifferential können unter Verwendung von Drucksensoren aufrechterhalten und gemessen werden, die im Bohrstrang, wie etwa in der Druckeinrichtung 412 und der Bohranordnung 410, positioniert sind. Bei einer Ausführungsform kann eine zweite Kammer der Druckeinrichtung 412 mit Druck beaufschlagt werden, um das Einziehen der Druckanordnung zu bewirken und die Vorstehlänge 417 zu reduzieren, wobei die zweite Kammer sich auf einem der Druckeinrichtungskammer entgegengesetzten Ende des Kolbens 450 befindet. Bei Ausführungsformen werden die Bohranordnungen 210, 310, 410 mit den Rohren 202, 302, 402 ins Bohrloch eingefahren, wobei die Rohre Liner oder ein Casing sein können, welche die Bohranordnungen vor Beschädigung in instabilen Formationen schützen.
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Obwohl die vorhergehende Offenbarung auf bestimmte Ausführungsformen gerichtet ist, sind für den Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen derartiger Ausführungsformen offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Umfangs und der Idee der beigefügten Ansprüche liegen, durch die hierin gemachte Offenbarung umfasst werden.
