-
GEBIET DER OFFENBARUNG
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Zirkulation von Bohr- und Komplettierungsfluiden und insbesondere ein Untertagewerkzeug, das diesen Fluiden während der Zirkulation weitere Energie zuführt.
-
HINTERGRUND
-
Ein Kohlenwasserstoffgewinnungsbohrloch kann durch Drehen eines Bohrstrangs gebohrt werden, der eine Baugruppe ist, die allgemein eine Vielzahl von miteinander verbundenen Bohrrohrsegmenten mit einem Bohrmeißel und einer Bohrlochsohlenbaugruppe (bottom hole assembly, „BHA”) an einem unteren Ende beinhaltet. Wenn das Bohrloch gebohrt wird, erzeugt der Bohrmeißel Bohrklein und anderen Schutt. Bei Untertagebohrvorgängen wird allgemein Fluidzirkulation zur Bohrlochreinigung und zum Feststofftransport verwendet, etwa um das Bohrklein und anderen Schutt zu entfernen. Im Allgemeinen schließt Zirkulation das Pumpen von Fluid durch den Bohrstrang herab (mithilfe einer Schlammpumpe an der Oberfläche) und wieder nach oben durch den Ringraum zwischen dem Bohrstrang und einer Bohrlochwand ein. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Fluid durch den Ringraum bewegt, wird als Ringraumgeschwindigkeit bezeichnet. Somit ist es wichtig, die Ringraumgeschwindigkeit zu überwachen, um angemessene Bohrlochreinigung und angemessenen Feststofftransport sicherzustellen und eine Erosion der Bohrlochwand zu vermeiden.
-
Die Fluidringraumgeschwindigkeit wird in unterschiedlicher Weise negativ beeinflusst. Während Zirkulation treten beispielsweise durch Reibungsverluste in den Rohrleitungen und dem Ringraum sowie durch Flüssigkeitsdruckdifferenzen zwischen den Rohrleitungen und dem Ringraum Druckabfälle im Zirkulationssystem auf. Der maximale Druck wird am Schlammpumpenverteiler erzeugt (der Standrohrdruck (standpipe pressure, „SPP”)) und der niedrigste Druck wird erzeugt, wenn das Fluid zurückkehrt (Luftdruck für offene Rückleitungen oder angewandter Drosseldruck für geregelte Druckvorgänge). Somit wird die Fluidgeschwindigkeit durch den maximalen SPP begrenzt. Auf diese Weise ist die Ringraumgeschwindigkeit in einigen Fällen möglicherweise nicht hoch genug, um das Bohrloch in einem ausreichenden Maße zu reinigen. Wenn der Fluiddruck jedoch während der Zirkulation in irgendeiner Weise erhöht wird, kann der SPP reduziert werden. Dies würde wiederum für eine Steigerung der maximalen Pumpenfördermenge ermöglichen, was höhere Ringraumgeschwindigkeiten erzeugt.
-
Entsprechend besteht angesichts des Vorstehenden in der Technik ein Bedarf an einem Verfahren zum Erhöhen der Fluidringraumgeschwindigkeit.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 stellt ein Zirkulationssystem für Bohrvorgänge gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung dar;
-
2A ist eine Schnittansicht eines Untertagewerkzeugs gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
-
2B stellt eine aufgeschnittene Ansicht eines Zahnkranzes dar, der an der Innenfläche der Drehhülse eines Untertagewerkzeugs angeordnet ist, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
-
2C ist eine dreidimensionale Ansicht eines Untertagewerkzeugs, das eine Vielzahl von versetzten Greifelementen beinhaltet, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung;
-
2D ist eine Schnittansicht eines Untertagewerkzeugs entlang der Linie 2D aus 2A von oben;
-
3A stellt eine alternative Ausführungsform eines Antriebsmechanismus dar, der in einem Untertagewerkzeug verwendet wird, gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung; und
-
3B stellt eine dreidimensionale Außenansicht des Untertagewerkzeugs aus 3A dar.
-
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Im Folgenden werden veranschaulichende Ausführungsformen und zugehörige Methodiken der vorliegenden Offenbarung beschrieben, die in einem Untertagewerkzeug verwendet werden können, das Fluidringraumdruck während der Zirkulation verstärkt und dadurch höhere Fluidringraumgeschwindigkeiten zulässt. Im Interesse der Klarheit werden nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung oder Methodik in dieser Patentschrift beschrieben. Auch beziehen sich hier beschriebene Ausführungs„Beispiele” auf Beispiele der vorliegenden Offenbarung. Natürlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung derartiger tatsächlicher Ausführungsformen zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erfüllen, etwa die Einhaltung systembezogener und geschäftsbezogener Einschränkungen, die je nach Implementierung unterschiedlich sind. Darüber hinaus versteht es sich, dass derartige Entwicklungsbestrebungen zwar komplex und zeitaufwändig sein können, jedoch trotzdem für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen darstellen. Weitere Aspekte und Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen und verwandten Methodiken der Offenbarung werden durch Lektüre der nachfolgenden Beschreibung und Betrachtung der Zeichnungen deutlich werden.
-
Wie hier beschrieben, betreffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ein Reihenuntertagewerkzeug, das durch die Bohrstrangdrehung angetrieben wird, um einen Pumpmechanismus anzutreiben, der Fluiddruck während des Zirkulierens verstärkt und dadurch eine Erhöhung der Ringraumgeschwindigkeit zulässt. Eine offenbarte Ausführungsform eines Untertagewerkzeugs umfasst einen Antriebsmechanismus, der ein Antriebszahnrad und eine Antriebswelle beinhaltet, um ein Drehmoment (d. h. eine Drehkraft) zu nutzen, die durch Drehen des Bohrstrangs erzeugt wird. Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Zahnrad” im weiteren Sinne ein Drehelement mit einer Fläche an einem Umfang, die dazu konfiguriert ist, mit einer Fläche am Umfang eines anderen Drehelements in Eingriff zu treten. In den unten erörterten Ausführungsbeispielen können die beschriebenen Zahnräder übliche Zahnräder mit einer Vielzahl von Zähnen sein, die dazu konfiguriert sind, in eine entsprechende Vielzahl von Zähnen an dem anderen Drehelement (z. B. einem anderen Zahnrad oder einem Zahnkranz) einzugreifen. Ein solches Zahnrad kann jedoch alternativ beispielsweise eine Fläche am Umfang des Zahnrads umfassen, die ohne Verwendung üblicher Zahnradzähne durch Reibung in eine entsprechende Fläche an dem anderen Drehelement eingreift, derart, dass Drehung des einen Drehung des anderen bewirkt, ohne das Zähne verwendet werden. Die Flächen für den Reibeingriff miteinander können mit einem hohen Reibungskoeffizienten versehen sein, etwa durch Aufrauen der Flächen oder Aufbringen eines Reibungsmaterials wie etwa einer Gummiverbindung. In Reaktion auf eine Drehung des Bohrstrangs dreht sich das Antriebszahnrad, um Kraft (durch Anwenden eines Drehmoments) auf eine Antriebswelle zu übertragen, die an den Pumpmechanismus gekoppelt ist. Die Antriebswelle dreht sich in Reaktion auf das angewandte Drehmoment, um dann Kraft von der Antriebswelle auf die Pumpenbaugruppe zu übertragen, um die Pumpenbaugruppe anzutreiben, um den Druck von Fluid zu verstärken, das sich durch das Untertagewerkzeug bewegt. Diese und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden ausführlich beschrieben.
-
1 stellt ein Zirkulationssystem für Bohrvorgänge gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Bohrsystem 100 (beispielsweise des Rotary-Typs) beinhaltet einen Bohrturm 102, der an einer Oberfläche 104 eines Bohrlochs angeordnet ist. Der Bohrturm 102 bietet Halt für einen Bohrstrang 108. Der Bohrstrang 108 durchdringt einen Drehtisch 110, um ein Bohrloch 112 durch unterirdische Formationen zu bohren. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Bohrstrang 108 eine Mitnehmerstange 116 (im oberen Abschnitt) und eine Bohrlochsohlenbaugruppe 120, die am unteren Abschnitt des Bohrstrangs 108 angeordnet ist. Die Bohrlochsohlenbaugruppe 120 beinhaltet einen Bohrkragen 122, ein Untertagewerkzeug 124 zum Verstärken des Fluiddrucks und einen Bohrmeißel 126. Außerdem, obwohl nicht dargestellt, kann die Bohrlochsohlenbaugruppe 120 eine beliebige Anzahl von anderen Untertagewerkzeugen umfassen, wie zum Beispiel MWD(Measurement While Drilling, Messen während des Bohrens)-Werkzeuge, LWD(Logging While Drilling, Vermessen während des Bohrens)-Werkzeuge usw.
-
Während der Bohrvorgänge werden der Bohrstrang 108 und die Bohrlochsohlenbaugruppe 120 durch den Drehtisch 110 oder einen Kraftdrehkopf gedreht, wie es abgesehen von den spezifischen Lehren der Offenbarung allgemein auf dem Gebiet bekannt ist. In anderen Ausführungsformen, etwa bei direktionalen Bohranwendungen, kann ein Bohrmeißel alternativ von einem Motor (nicht dargestellt) gedreht werden, der untertage angeordnet ist. Der Bohrkragen 122 kann dazu verwendet werden, dem Bohrmeißel 126 mehr Gewicht zu verleihen und die Bohrlochsohlenbaugruppe 120 zu versteifen, und ermöglicht es dadurch der Bohrlochsohlenbaugruppe 120, das Gewicht auf den Bohrmeißel 126 zu übertragen. Entsprechend hilft das vom Bohrkragen 122 bereitgestellte Gewicht auch dem Bohrmeißel 126 beim Durchdringen der Oberfläche 104 und der unterirdischen Formationen.
-
Bei Bohrvorgängen kann eine Schlammpumpe 132 Bohrfluid (bezeichnet als „Bohrschlamm”) von einer Schlammgrube 134 durch einen Schlauch 136, in das Bohrrohr (angeordnet am Bohrstrang 108), durch Untertagewerkzeug 124 und hinab zum Bohrmeißel 126 pumpen. Wie hier beschrieben, werden Ausführungsbeispiele des Untertagewerkzeugs 124 verwendet, um die Drehung des Bohrstrangs auszunutzen, um einen Pumpmechanismus anzutreiben, der den Druck des Fluids erhöht, während es sich durch das Untertagewerkzeug 124 bewegt. Das Bohrfluid kann dann aus dem Bohrmeißel 126 heraus strömen und durch einen Ringbereich 140 zwischen dem Bohrstrang 108 und den Seiten des Bohrlochs 112 zur Oberfläche zurückkehren (d. h. Zirkulation). Das Bohrfluid kann dann zur Schlammgrube 134 zurückkehren, wo das Fluid gefiltert wird. Entsprechend kann das Bohrfluid den Bohrmeißel 126 kühlen und für eine Schmierung des Bohrmeißels 126 während des Bohrvorgangs sorgen. Außerdem entfernt das Bohrfluid das Bohrklein aus den unterirdischen Formationen, das von dem Bohrmeißel 126 erzeugt wird.
-
Unter Bezugnahme auf 2A werden nun bestimmte Ausführungsbeispiele des Untertagewerkzeugs 124 ausführlich beschrieben. 2A ist eine Schnittansicht eines Untertagewerkzeugs 124, das an einem Bohrstrang angeordnet ist. Alternativ kann das Untertagewerkzeug 124 jedoch auch in anderen Bohrlochsohlenbaugruppen verwendet werden, in denen Fluidzirkulation durchgeführt wird, wie beispielsweise in einer Komplettierungsbaugruppe. Das Untertagewerkzeug 124 beinhaltet ein Werkzeuggehäuse 141, das einen Fluiddurchfluss (hier als „Bohrung” bezeichnet) 142 definiert, der sich hindurch erstreckt und in dem Fluide (beispielsweise Bohr- oder Komplettierungsfluid) strömen können. Ein Antriebsmechanismus 144 ist an der Bohrung 142 angeordnet. Der Antriebsmechanismus 144 beinhaltet zum Beispiel zwei Antriebszahnräder 146a und 146b, die am Werkzeuggehäuse 141 und in Bezug auf eine Antriebswelle 148 einander gegenüber angeordnet sind. Die Antriebswelle 148 ist über ein Mittenzahnrad 150, das an ihrem oberen Ende angeordnet ist, betriebsfähig an Antriebszahnräder 146a, b gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel greifen die Antriebszahnräder 146a, b in ein anderes Zahnrad ein, das hier als ein „Mittenzahnrad” 150 bezeichnet wird, um Drehkraft auf die Antriebswelle 148 zu übertragen.
-
Ein Pumpmechanismus 152 ist betriebsfähig an die Antriebswelle 148 gekoppelt, um über ein angewandtes Drehmoment, das von der Antriebswelle 148 ausgeübt wird, Kraft aufzunehmen. Der Pumpmechanismus 152 wiederum verwendet die Drehung der Antriebswelle 148, um die Pumpe 152 anzutreiben und dadurch den Druck von Fluid zu erhöhen, das sich durch das Untertagewerkzeug 124 bewegt, mit einer entsprechenden Zunahme der Fluidringraumgeschwindigkeit. In bestimmten Ausführungsformen bildet die Antriebswelle 148 einen Teil des Pumpmechanismus 152, während die Antriebswelle 148 in anderen Ausführungsformen eine separate Komponente sein kann, die nicht Teil des Pumpmechanismus 152 ist, sondern betriebsfähig an ein anderes Drehelement des Pumpmechanismus 152 gekoppelt ist, um die Pumpe 150 anzutreiben. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Pumpmechanismus 152 eine mehrstufige Laufradbaugruppe, die eine Vielzahl von Laufradplatten 154 umfasst, die in Reihe zueinander angeordnet sind. Alternativ können andere Pumpmechanismen verwendet werden, wie beispielsweise eine Turbine, Strahlpumpe oder andere Pumpe des Zentrifugaltyps. Pumpen des Zentrifugaltyps sind besonders vorteilhaft, da sie zusätzlichen Hydraulikdruck bereitstellen, einen Teil des Standrohrdrucks entlasten und auch dann noch verwendet werden können, wenn der Reihenpumpenantrieb ausfüllt.
-
Weiterhin Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel aus 2A beinhaltet der Antriebsmechanismus 144 auch eine Hülse 156, die um das Werkzeuggehäuse 141 herum angeordnet ist. Die Außenfläche der Hülse 156 beinhaltet ein oder mehrere Greifelemente 158, um mit der Wand des Bohrlochs 112 in Eingriff zu treten, derart, dass die Hülse 156 während der Drehung des Werkzeuggehäuses 141 bei Zirkulationsvorgängen stationär bleibt. In bestimmten Ausführungsbeispielen wird der Durchmesser der Hülse 156 derart ausgewählt, dass sie während der Einbringung und Rückholung der Bohrlochsohlenbaugruppe 120 vertikal an der Wand des Bohrlochs 112 auf und ab gleitet, während auch eine Drehung der Hülse 156 verhindert wird, während der Bohrstrang 108 gedreht wird. Der geeignete Durchmesser kann beispielsweise mithilfe des Innendurchmessers des Futterrohrs oder Bohrlochs bestimmt werden.
-
Eine mechanische Dichtung 160 ist am oberen und unteren Ende der Hülse 156 um das Werkzeuggehäuse 141 angeordnet, um Schutz gegen Austreten von Fluiden aus dem Ringraum 140 in den Bereich um die Antriebszahnräder 146a, b bereitzustellen. Die Dichtungen können beispielsweise aus Metall-, Kunststoff- oder Keramikmaterialien hergestellt sein. Ein Zahnkranz 162 ist an der Innenfläche der Hülse 156 angeordnet, wie in 2B gezeigt. Der Zahnkranz 162 umfasst eine Reihe von Zähnen, die an der Hülse 152 befestigt sind oder einstückig damit gebildet sind und in Zähne eingreifen, die am Umfang der einzelnen Antriebszahnräder 146a, b angeordnet sind. Die Antriebszahnräder 146a, b sind jeweils um eine jeweilige Achse drehbar an das Werkzeuggehäuse 141, etwa mithilfe von Zapfen 164, wodurch sich die Antriebszahnräder 146a, b während Drehung des Bohrstrangs 108 jeweils auf einer Achse parallel zu der Achse des Werkzeuggehäuses 141 drehen können. Wenn also der Bohrstrang 108 (zusammen mit dem Werkzeuggehäuse 141) gedreht wird, während Hülse 156 die Wand des Bohrlochs 112 greift, wird Kraft zum Antreiben des Pumpmechanismus 152 vom Bohrstrang 108 auf den Antriebsmechanismus 144 übertragen. Insbesondere, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 1–2D weiter beschrieben wird, dreht die Drehung des Bohrstrangs 108 das Werkzeuggehäuse 141 mit derselben Winkelgeschwindigkeit wie der Bohrstrang 108. Die Drehung des Werkzeuggehäuses 141 veranlasst die Antriebszahnräder 146a, 146b, am Zahnkranz 162 entlang zu rollen, mit einer entsprechenden Drehung der Antriebszahnräder 146a, 146b um ihre eigenen Achsen, da sie drehbar an das Werkzeuggehäuse 141 gekoppelt sind. Die Drehung der Antriebszahnräder 146a, 146b um ihre Achsen bewirkt Drehung für das Mittenzahnrad 150, das die Pumpe antreibt.
-
Es ist zu beachten, dass in dieser Ausführungsform das Anordnen der zwei Antriebszahnräder 146a, 146b in Bezug auf die Antriebswelle 148 gegenüber voneinander dazu beiträgt, laterale Kräfte auszugleichen, um auf die Antriebswelle 148 einwirkende laterale Kräfte, d. h. quer zur Drehachse der Antriebswelle 148, zu minimieren oder zu vermeiden. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen eine andere Anzahl von Antriebszahnräder verwenden können, die in Umfangsrichtung um die Antriebswelle 148 beabstandet sind und in das Mittenzahnrad 150 eingreifen. Auch eine Ausführungsform mit einem einzelnen Antriebszahnrad, das zwischen dem Zahnkranz 162 und dem Mittenantriebszahnrad 150 angeordnet ist, ist möglich, obwohl der oben beschriebene Ausgleich lateraler Kräfte von mehreren Antriebszahnrädern durch eine solche Ausführungsform mit einem einzelnen Zahnrad möglicherweise nicht bereitgestellt wird.
-
Wie zuvor beschrieben, können die Antriebszahnräder 146a, b die Form gezahnter Elemente annehmen, wobei jedes Zahnrad am Werkzeuggehäuse 141 angeordnet und drehbar zur Drehung um eine jeweilige Zahnradachse dieses Zahnrads befestigt ist. Wie in 2A gezeigt, beinhalten die Antriebszahnräder 146a, b jeweils einen Abschnitt, der sich aus dem Werkzeuggehäuse 141 heraus erstreckt, und einen Abschnitt, der sich in das Werkzeuggehäuse 141 hinein erstreckt. Das Mittenzahnrad 150 der Antriebswelle 148 ist zwischen den Antriebszahnrädern 146a und 146b angeordnet und beinhaltet Zähne, die in die Zähne der Antriebszahnräder 146a, b eingreifen, derart, dass während der Drehung des Bohrstrangs 108 die erzeugte Drehkraft von den Antriebszahnrädern 146a, b auf die Antriebswelle 148 übertragen wird.
-
Wie ebenfalls zuvor beschrieben, umfasst die Außenfläche der Drehhülse 156 ein Greifelement 158, das in Eingriff mit der Wand des Bohrlochs 112 tritt. Das Profil des Greifelements 158 ist derart ausgelegt, dass es eine vertikale Bewegung der Bohrlochsohle 120 am Bohrloch 112 entlang zulässt (beispielsweise mithilfe des Gewichts der Bohrstrang), während es außerdem eine Drehbewegung der Hülse 156 verhindert. Obwohl nicht dargestellt, kann das Greifelement 158 in bestimmten Ausführungsformen eine Eingriffsplatte sein, die an Bogenfedern angebracht ist, die Kraft nach außen ausüben, derart, dass Kontakt zwischen der Platte und der Wand des Futterrohrs oder Bohrlochs beibehalten wird. Die Bogenfeder kann dazu ausgewählt sein, die in einer jeweiligen Anwendung notwendige Kraft bereitzustellen, wie hier beschriebene Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet erkennen werden. Alternativ kann ein Futterrohrschrapper oder eine andere ähnliche Vorrichtung anstelle der Feder verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Greifelement sicher an der Wand bleibt.
-
Außerdem können die Greifelemente 158 derart konfiguriert sein, dass, obwohl die Drehhülse in engem Kontakt mit der Wand des Bohrlochs 112 steht, der ringförmige Strömungsweg des Ringraums 140 weiter aufrechterhalten wird, so dass Zirkulationsvorgänge ausgeführt werden können. Um dies zu erreichen, kann das Greifelement 158 verschiedene Formen annehmen, zu denen, ohne darauf beschränkt zu sein, gewinkelte Schaufeln gehören, wie in 1 gezeigt, oder eine Vielzahl von Versatzelementen, wie in 2C gezeigt, die einen Fluidströmungskanal um die Greifelemente 158 bilden. 2C ist eine dreidimensionale Ansicht des Untertagewerkzeugs 124, das eine Vielzahl von beispielhaften Versatzgreifelementen 158 beinhaltet.
-
Um das Strömen von Fluid während der Zirkulation zu veranschaulichen, wird 2D bereitgestellt, die eine Schnittansicht des Untertagewerkzeugs 124 entlang der Linie 2D aus 2A von oben zeigt. Hier stehen die Greifelemente 158 mit der Wand 113 des Bohrlochs 112 in Eingriff, derart, dass die Hülse 156 drehend immobilisiert ist (d. h. sich nicht drehen kann). Die Wand 113 kann ein Futterrohr, Liner oder eine Formationsoberfläche sein, da die vorliegende Offenbarung in gefütterten und Offenlochanwendungen nützlich ist. Während eines beispielhaften Zirkulationsvorgangs wird Fluid durch den internen Strömungsbereich 166 (Bohrung 142) herab am Antriebsmechanismus 144 vorbei und in den Pumpmechanismus 152 gepumpt, wodurch der Druck des Fluids zunimmt, was für erhöhte Ringraumgeschwindigkeiten sorgt. Anschließend wird das Fluid vom Boden der Bohrlochsohlenbaugruppe 120 um die Hülse 156 heraus, wie gezeigt, und zurück den Ringraum 140 hinauf getrieben.
-
Nun, da die verschiedenen Komponenten eines beispielhaften Untertagewerkzeugs 124 beschrieben wurden, wird eine beispielhafte Methodik unter Verwendung des Untertagewerkzeugs 124 unter Bezugnahme auf 1–2D beschrieben. Während eines Bohrvorgangs beispielsweise wird der Bohrstrang 108 in das Bohrloch 112 abgesenkt, bis eine gewünschte Position erreicht wird. Wenn der Bohrmeißel 126 die Formation bohrt, erlaubt es das Greifelement 158 der Hülse 156 vertikal an der Wand des Bohrlochs 112 entlang zu gleiten. Wenn aber der Bohrstrang 108 gedreht wird, treten die Greifelemente 158 mit der Wand in Eingriff und immobilisieren so die Hülse 156. Anschließend, wenn Fluid L (2A) durch den Bohrstrang 108 (gepumpt von der Schlammpumpe 132) und durch den internen Strömungsbereich 166 strömt, wird der Bohrstrang 108 gedreht, derart, dass auch das Werkzeuggehäuse 141 gedreht wird, wodurch eine Drehkraft erzeugt wird. Wenn sich das Werkzeuggehäuse 141 dreht, beginnen sich die Antriebszahnräder 146a, b an den Zapfen 164 zu drehen, während ihre Zähne in den drehend immobilisierten Zahnkranz 162 der Hülse 156 eingreifen.
-
Wenn sich die Antriebszahnräder 146a, b weiter drehen, übertragen sie die Drehkraft auf das Mittenzahnrad 150 der Antriebswelle 148 und bewirken so, dass es sich dreht. Wenn sich die Antriebswelle 148 dreht, überträgt sie die Drehkraft auf den Pumpmechanismus 152, wodurch die Laufradplatten 154 gedreht werden, was den Druck von Fluid L erhöht, während es durch die einzelnen Platten 154 strömt, wie Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung erkennen werden. Fluid L strömt dann durch einen Lagerträger 155, der an das unteren Ende des Pumpmechanismus 152 gekoppelt ist. Der Lagerträger 155 umfasst drei oder vier radiale Arme (nicht dargestellt), die sich nach außen erstrecken (ähnlich wie Radspeichen), derart, dass eine Vielzahl von Strömungskanälen 157 gebildet wird, die es dem Fluid L erlaubt, hindurch zu strömen. Das Fluid L wird dann zur weiteren Zirkulationsverarbeitung durch den Bohrkragen 122 herab, aus dem Bohrmeißel 126 heraus, durch den Ringraum 140 (um die Hülse 156) nach oben und zurück zur Oberfläche 104 getrieben. Entsprechend wird eine Drehung des Bohrstrangs 108 verwendet, um eine Drehkraft zu erzeugen, die von dem Untertagewerkzeug 124 genutzt wird, um den Druck des zirkulierenden Fluids zu erhöhen und so höhere Ringraumgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Da die Hülse 156 darüber hinaus eine vertikale Bewegung der Bohrlochsohlenbaugruppe 120 zulässt, kann die Bohrlochsohlenbaugruppe 120 im Bohrloch 112 wie gewünscht auf und ab bewegt werden, während auch der Fluiddruck verstärkt wird.
-
3A stellt eine alternative Ausführungsform eines Antriebsmechanismus 144 gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung dar. In dieser Ausführungsform wird keine Hülse verwendet; stattdessen werden jeweils ein erstes und zweites Reibungsübertragungselement 168a, b anstelle der Antriebszahnräder 146a, b verwendet. Eine mechanische Dichtung 170 ist um das erste und zweite Reibungselement 168a, b angeordnet, um ein Austreten von Fluid zu verhindern. Wie zuvor beschrieben, sind das erste und zweite Reibungsübertragungselement mithilfe von Zapfen 164 am Werkzeuggehäuse 141 befestigt. Auf diese Weise erstreckt sich ein Abschnitt des ersten und zweiten Reibungsübertragungselements 168a, b aus dem Werkzeuggehäuse 141 heraus, während sich ein anderer Abschnitt in das Werkzeuggehäuse 141 hinein erstreckt. Der sich vom Übertragungselement 168a bis 168b erstreckende Durchmesser wird derart ausgewählt, dass eine ausreichende Menge an Reibung zwischen den Reibungsübertragungselementen 168a, b und der Bohrlochwand bereitgestellt wird, um die Drehkraft zu erzeugen. Da die Reibungsübertragungselemente 168a, b um das Werkzeuggehäuse 141 herum beabstandet sind, kann Fluid während Zirkulation um sie herum strömen, wie in 3B gezeigt, die eine dreidimensionale Außenansicht des Untertagewerkzeugs 124 darstellt.
-
Die Abschnitte des ersten und zweiten Reibungsübertragungselements 168a, b, die sich aus dem Werkzeuggehäuse 141 heraus erstrecken, treten mit der Wand des Bohrlochs 112 in Eingriff. In diesem Beispiel kann das Mittenzahnrad 150 Zähne an seinem Außendurchmesser umfassen oder kann auch eine Oberfläche des Reibungstyps sein, die ausreicht, um Drehkraft zu übertragen. Wenn der Bohrstrang 108 gedreht wird, beginnen sich das erste und zweite Reibungsübertragungselement 168a, b an den Zapfen 164 zu drehen und erzeugen so eine Drehkraft, die auf das Mittenzahnrad 150 übertragen wird, wie zuvor beschrieben. Der Pumpmechanismus 152 wiederum wird wie oben beschrieben angetrieben. Die Reibungsübertragungselemente 168a, b können beispielsweise Polymer- oder Metallreibungskugeln oder ein anderes geeignetes Reibungsübertragungselement sein. Außerdem ist das Strömen von Fluid durch das Untertagewerkzeug 124 aus 3A–3B, um das erste und zweite Reibungsübertragungselement 168a, b und zurück durch den Ringraum 140 nach oben gleich wie in vorherigen Ausführungsformen beschrieben. Entsprechend wird eine Drehung des Bohrstrangs 108 verwendet, um eine Drehkraft zu erzeugen, die von dem Untertagewerkzeug 124 genutzt wird, um den Druck des Fluids zu erhöhen.
-
Entsprechend wird durch Verwendung der vorliegenden Offenbarung die Kraft der Bohrstrangdrehung ausgenutzt, um einen Pumpmechanismus anzutreiben, der den Druck des zirkulierenden Fluids erhöht, wodurch höhere Ringraumgeschwindigkeiten ermöglicht werden. Dadurch werden größere Pumpenfördermengen jenseits derer bereitgestellt, die von üblichen Schlammpumpen geliefert werden. Außerdem kann durch Verwendung der vorliegenden Offenbarung der Standrohrdruck reduziert werden, wodurch der Gesamtdruckabfall im Zirkulationssystem erhöht wird, wodurch die Schlammpumpen schneller arbeiten können. Ein solcher erhöhter Fluiddruck kann verwendet werden, um die maximale Pumpenfördermenge und Ringraumgeschwindigkeit zu erhöhen, um beispielsweise die Lochreinigung während des Bohrens und die Futterrohrreinigung bei Verdrängungsvorgängen zu verbessern.
-
Hier beschriebene Ausführungsbeispiele des Untertagewerkzeugs sind beispielsweise in Verdrängungsvorgängen besonders nützlich, wobei das Werkzeug an einem Futterrohr oder Liner befestigt wird. Alternativ kann das Untertagewerkzeug in Bohrvorgängen verwendet werden, wobei das Werkzeug an einer Felsformation befestigt wird. In letzterer Ausführungsform kann das Untertagewerkzeug ganz nahe zum Boden des Bohrstrangs angeordnet werden, um die Zunahme der Ringraumgeschwindigkeit zu maximieren, wie beispielsweise etwa 95 Fuß (28,96 m) vom Meißel entfernt.
-
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt ein Werkzeug zum Verstärken von Fluiddruck untertage bereit, wobei das Werkzeug Folgendes umfasst: ein Werkzeuggehäuse, das zum Koppeln an einen Bohrstrang konfiguriert ist, wobei das Werkzeuggehäuse einen Fluiddurchfluss definiert; eine Hülse, die drehbar um das Werkzeuggehäuse angeordnet ist, wobei die Hülse ein oder mehrere Greifelemente an einem Außenabschnitt der Hülse umfasst, die dazu konfiguriert sind, eine Bohrlochwand zu greifen; eine Antriebswelle, die durch das Werkzeuggehäuse verläuft und ein Mittenzahnrad aufweist; wenigstens ein Antriebszahnrad, das drehbar an die Hülse gekoppelt ist, wobei das wenigstens eine Antriebszahnrad sowohl in einen Innenabschnitt der Hülse und in das Mittenzahnrad eingreift; und einen Pumpmechanismus, der an die Antriebswelle gekoppelt ist, um Kraft, die von der Drehung der Antriebswelle zugeführt wird, aufzunehmen, wobei die Pumpe dazu konfiguriert ist, einen Fluiddruck in dem Durchfluss zu erhöhen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Pumpe eine mehrstufige Laufradbaugruppe. In einer weiteren ist das wenigstens eine Antriebszahnrad drehbar um eine Achse parallel zu einer Achse des Werkzeuggehäuses gekoppelt.
-
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Werkzeug ferner eine Vielzahl von Zähnen am Innenabschnitt der Drehhülse; eine Vielzahl von Zähnen an dem wenigstens einen Antriebszahnrad; und eine Vielzahl von Zähnen an dem Mittenzahnrad der Antriebswelle, wobei die Zähne an dem wenigstens einen Antriebszahnrad sowohl in die Zähne am Innenabschnitt der Drehhülse als auch die Zähne an dem Mittenzahnrad eingreifen. In wieder einer anderen umfasst das wenigstens eine Antriebszahnrad eine Vielzahl von Antriebszahnrädern, die in Umfangsrichtung um die Antriebswelle beabstandet sind. In einer weiteren umfasst das Werkzeug ferner eine Vielzahl von Versatzelementen, die einen Fluidströmungskanal um das eine oder die mehreren Greifelemente definieren.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt ein Werkzeug zum Verstärken von Fluiddruck untertage bereit, wobei das Werkzeug Folgendes umfasst: ein Werkzeuggehäuse, das sich im Verhältnis zu einer Bohrlochwand dreht, wobei das Werkzeuggehäuse einen Durchfluss definiert, in dem Fluid strömen kann; ein Antriebszahnrad, umfassend: ein erstes Reibungsübertragungselement mit einem Abschnitt, der sich aus dem Werkzeuggehäuse heraus erstreckt, und einem Abschnitt, der sich in das Werkzeuggehäuse hinein erstreckt; und ein zweites Reibungsübertragungselement mit einem Abschnitt, der sich aus dem Werkzeuggehäuse heraus erstreckt, und einem Abschnitt, der sich in das Werkzeuggehäuse hinein erstreckt, wobei die Abschnitte des ersten und zweiten Reibungsübertragungselements, die sich aus dem Werkzeuggehäuse heraus erstrecken, die Bohrlochwand greifen, um eine Drehkraft zu erzeugen, wenn das Werkzeuggehäuse gedreht wird; eine Antriebswelle, die betriebsfähig an das erste und zweite Reibungsübertragungselement gekoppelt ist, wobei während der Drehung des Werkzeuggehäuses das erste und zweite Reibungsübertragungselement die Drehkraft auf die Antriebswelle übertragen und dadurch eine Drehung der Antriebswelle bewirken; und einen Pumpmechanismus, der an dem Durchfluss angeordnet ist und betriebsfähig an die Antriebswelle gekoppelt ist, um dadurch die Drehkraft, die von der Antriebswelle ausgeübt wird, aufzunehmen, und so den Pumpmechanismus anzutreiben, um einen Druck von Fluid zu verstärken, der sich durch den Durchfluss bewegt.
-
In einer alternativen Ausführungsform sind das erste und zweite Reibungsübertragungselement Reibungskugeln. In einer weiteren drehen sich das erste und zweite Reibungsübertragungselement während der Drehung des Werkzeuggehäuses auf einer Achse parallel zu einer Achse des Werkzeuggehäuses. Das Bohrloch kann in beliebigen der vorstehenden Ausführungsformen gefüttert sein. Darüber hinaus bildet das Werkzeug in eben diesen Ausführungsbeispielen einen Teil einer Bohr- oder Komplettierungsbaugruppe.
-
Eine beispielhafte Methodik der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Verstärken von Fluiddruck in einem Bohrloch bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen eines Untertagewerkzeugs an einer gewünschten Position am Bohrloch, wobei sich Fluid durch einen Durchfluss des Untertagewerkzeugs bewegt; Drehen des Untertagewerkzeug im Verhältnis zu einer gegenüberliegenden Fläche, um eine Drehkraft zu erzeugen; und Verwenden der Drehkraft, um einen Pumpmechanismus anzutreiben, um dadurch einen Druck des Fluids zu erhöhen, das sich durch das Untertagewerkzeug bewegt. Ein weiteres Verfahren umfasst ferner Erhöhen einer Ringraumgeschwindigkeit des Fluids in Reaktion auf die Druckverstärkung. In einem weiteren Verfahren umfasst das Drehen des Untertagewerkzeugs zum Erzeugen von Drehkraft ferner Greifen der gegenüberliegenden Fläche mithilfe einer Drehhülse, die um das Untertagewerkzeug angeordnet ist; Drehen des Untertagewerkzeugs, während die Drehhülse stationär bleibt; Drehen eines Antriebszahnrads, das betriebsfähig an die Drehhülse gekoppelt ist, in Reaktion auf die Drehung des Untertagewerkzeugs; und Drehen einer Antriebswelle, die betriebsfähig an das Antriebszahnrad gekoppelt ist, in Reaktion auf die Drehung des Antriebszahnrads. In einer weiteren umfasst das Antreiben des Pumpmechanismus ferner Antreiben des Pumpmechanismus in Reaktion auf die Drehung der Antriebswelle.
-
In einem weiteren Verfahren umfasst das Drehen des Untertagewerkzeugs zum Erzeugen von Drehkraft ferner Greifen der gegenüberliegenden Fläche mithilfe eines Reibungsübertragungselements, das an dem Untertagewerkzeug angeordnet ist; Drehen des Untertagewerkzeugs; Drehen des Reibungsübertragungselements in Reaktion auf die Drehung des Untertagewerkzeugs; und Drehen einer Antriebswelle, die betriebsfähig an das Reibungsübertragungselement gekoppelt ist, in Reaktion auf die Drehung des Reibungsübertragungselements. Ein weiteres Verfahren umfasst ferner Treiben des Fluids aus dem Untertagewerkzeug und herauf durch einen Ringraum, der zwischen dem Untertagewerkzeug und der gegenüberliegenden Fläche gebildet ist. In einer weiteren umfasst Greifen der gegenüberliegenden Fläche ferner Greifen einer Fläche eines Futterrohrs, Liners oder einer Formation. In einer weiteren umfasst Anordnen des Untertagewerkzeugs an der gewünschten Position am Bohrloch ferner das Einsetzen des Untertagewerkzeugs als einen Teil einer Bohr- oder Komplettierungsbaugruppe.
-
Die vorstehende Offenbarung kann Bezugszeichen und/oder Buchstaben in verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Klarheit und gibt als solche kein Verhältnis zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor. Räumlich relative Begriffe wie „unter”, „unterhalb”, „unteres”, „über”, „oberes” und dergleichen können darüber hinaus zur leichteren Beschreibung verwendet werden, um das Verhältnis eines Elements oder Merkmals mit (einem) anderen Element(en) oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der verwenden oder betriebenen Vorrichtung einschließlich. Wenn die Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht ist, wären als „unter” oder „unterhalb von” anderen Elementen oder Merkmalen befindlich beschriebene Elemente „über” den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet. Der beispielhafte Begriff „unter” kann somit eine Ausrichtung sowohl ober- als auch unterhalb einschließen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad und in anderen Ausrichtungen gedreht), und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können ebenfalls entsprechend ausgelegt werden.
-
Obwohl verschiedene Ausführungsformen und Methodiken gezeigt und beschrieben wurden, ist die Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen und Methodiken beschränkt, und es versteht sich, dass sie alle Modifikationen und Variationen beinhaltet, die für einen Fachmann auf dem Gebiet auf der Hand liegen. Daher ist vorgesehen, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmten offenbarten Formen beschränkt zu verstehen ist. Stattdessen sollen alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abgedeckt werden, die in den Geist und Umfang der Offenbarung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
