DE112014007202T5

DE112014007202T5 - System und Verfahren zum Herstellen von Untertagewerkzeugkomponenten

Info

Publication number: DE112014007202T5
Application number: DE112014007202.8T
Authority: DE
Inventors: Alston Jun Ngai Wong; Jia Ming Kew; Doren Hui Ping Ho; Guan Yee Chan
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2017-08-03
Also published as: US10145183B2; CN111219151A; BR112017008363A2; JP2017534007A; CN107075922B; AU2014412773B2; AU2014412773A1; CN111219151B; CA2965284C; US20190093432A1; CA2965284A1; AR101955A1; JP6602376B2; MX2017006451A; US20170306704A1; SG11201702918PA; US11078729B2; CN107075922A; WO2016085452A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Segments eines Bohrstrangs, wie etwa eines Rohrwerkzeugs, aus einer Vielzahl von Schichten. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen einer Vielzahl von Schichten auf Grundlage einer ausgewählten Länge des Segments. Jede der Vielzahl von Schichten beinhaltet eine Öffnung, die über einem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen ist, das eine Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade einschränkt. Es wird ein Verbindungsprozess zum Verbinden der Vielzahl von Schichten durchgeführt, die wenigstens eine Ersatzschicht beinhalten können.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Bohrsysteme und insbesondere Bohrsysteme für Öl- und Gasexplorations- und -fördervorgänge. Genauer beschreibt die vorliegende Offenbarung Techniken zum Herstellen von Untertagewerkzeugkomponenten mittels inkrementeller Konstruktionstechniken und subtraktiver Herstellungstechniken.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Bohrstrang wird in der Öl- und Gasexploration und -förderung verwendet, um unterirdische Ziele oder Formationen zu erreichen. Ein Bohrstrang wird bei Bohrvorgängen zusammengesetzt, indem Rohrteilstücke verbunden werden, die Bohrgestänge, Übergangsrohr und eine Bohrgarnitur („BHA“) beinhalten. Ein einzelnes Teilstück eines Bohrgestänges kann im Stand der Technik als eine Verbindung bezeichnet werden. Eine vormontierte Gruppe von zwei oder mehr Verbindungen kann im Stand der Technik als ein Zug bezeichnet werden. Beim Bohren des Bohrlochs werden Verbindungen oder Züge dem Bohrstrang von der Oberfläche aus hinzugefügt, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. Die BHA beinhaltet in der Regel einen Bohrmeißel, Schwerstangen und Bohrstabilisatoren. Die Schwerstangen können Untertagewerkzeuge beinhalten. Das Bohrgestänge und die Schwerstangen können mit Gewindeverbindungen verbunden sein. Zum Verbinden von Teilstücken mit ungleichen Gewinden können Ansatzstücke verwendet werden.
Die Schwerstangen können etwa 6–10 Fuß (1,8 m–3 m) lang sein und Werkzeuge wie etwa einen Untertagemotor, ein rotierendes lenkbares oder direktionales Bohrsystem, MWD(measurement while drilling)-Ausrüstung, LWD(logging while drilling)-Ausrüstung und Telemetriesysteme beinhalten. Eine Verbindung ist in der Regel etwa 30 Fuß (9.1 m) lang und weist einen kleinen Durchmesser und eine relativ große Länge auf, wie etwa ein Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis von mehr als 10:1. Beispielsweise kann jede Verbindung einen Durchmesser von 1,5 bis 5 Zoll und eine Länge von 30 Fuß aufweisen.
Die Komponenten oder Module in einem Bohrstrang können komplexe Innenbohrungsmerkmale beinhalten, die Leitwege zum Verlegen von Drähten oder Lenken von Fluiden durch den Bohrstrang bilden. Die Bohrungsmerkmale können parallel zu, gewinkelt zu und/oder senkrecht zu einer Mittellinie gebildet sein, die axial durch den Bohrstrang verläuft.
Existierende Herstellungstechniken verwenden komplizierte Ausrüstung wie etwa „Kanonenbohren“, um lange und enge Durchlässe axial durch die Teilstücke zu bohren. Existierende Herstellungstechniken müssen bestimmte Winkeltoleranzen, Profiltoleranzen oder Positionstoleranzen erfüllen, um Leitwege oder Durchlässe durch die Teilstücke präzise zu bilden. Daher müssen teilweise komplettierte Abschnitte von Teilstücken aufgrund von Auslegungstoleranzfehlern möglicherweise verworfen und umgearbeitet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Implementierungen der vorliegenden Technik werden nun ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben; darin zeigen:
1A eine Teilquerschnittansicht, die eine Ausführungsform einer Bohranlage zum Bohren eines Bohrlochs mit dem Bohrsystem darstellt, das gemäß den Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist;
1B eine perspektivische Querschnittansicht, die ein Bohrgestänge darstellt, das ein Segment umgibt, das aus einer Vielzahl von Schichten gemäß der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Einzelschicht, die dem Segment aus 5 entspricht, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, die einer Haltevorrichtung zum Bilden eines Segments entspricht, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, die einer Haltevorrichtung mit einem daran montierten Segment entspricht, wobei das Segment aus eine Vielzahl von Schichten konstruiert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Segments, das aus einer Vielzahl von verschweißten Schichten konstruiert ist, wobei das Segment ein langes und schmales Bohrungsmerkmal beinhaltet, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Einzelschicht, die dem Segment aus 9 entspricht, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform, die einer Haltevorrichtung zum Bilden eines Segments entspricht, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform, die einer Haltevorrichtung mit einem daran montierten Segment entspricht, wobei das Segment aus eine Vielzahl von Schichten konstruiert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
9 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Segments, das aus einer Vielzahl von verschweißten Schichten konstruiert ist, wobei das Segment ein langes und schmales Bohrungsmerkmal beinhaltet, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
10 ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass zur einfacheren und klareren Darstellung die Bezugszeichen soweit angemessen in den verschiedenen Figuren wiederholt werden, um auf entsprechende oder analoge Elemente hinzuweisen. Auch werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der hier beschriebenen Ausführungsformen zu ermöglichen. Einschlägige Durchschnittsfachleute werden jedoch verstehen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details umsetzbar sind. In anderen Fällen wurden Verfahren, Vorgehensweisen und Komponenten nicht ausführlich beschrieben, um das zugehörige beschriebene relevante Merkmal nicht zu verdecken. Auch soll die Beschreibung den Umfang der hier beschriebenen Ausführungsformen nicht einschränken. Die Zeichnungen sind nicht zwingend maßstäblich und die Proportionen bestimmter Teile wurden übertrieben, um Details und Merkmale der vorliegenden Offenbarung besser darzustellen.
In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich Begriffe wie etwa „oben“, „aufwärts“, „unten“, „abwärts“, „über“, „unter, „untertage“, „oben im Bohrloch“, „längs“, „seitlich“ und dergleichen im hier verwendeten Sinne auf den Boden oder die weiteste Erstreckung des umgebenden Bohrlochs, obwohl das Bohrloch oder Abschnitte davon abweichen oder horizontal sein können. Entsprechend sind Quer-, Axial-, Lateral-, Längs-, Radial- und sonstige Ausrichtungen Positionen relativ zur Ausrichtung des Bohrlochs oder Werkzeugs. Außerdem sind die dargestellten Ausführungsformen so gezeigt, dass die Ausrichtung derart ist, dass die rechte Seite untertage gegenüber der linken Seite ist.
Es werden nun mehrere Begriffsbestimmungen präsentiert, die in der gesamten Offenbarung gelten. Der Begriff „gekoppelt“ ist als verbunden, sei es direkt oder indirekt durch dazwischenliegende Komponenten, definiert und nicht unbedingt auf physische Verbindungen beschränkt. Die Verbindung kann derart sein, dass die Objekte dauerhaft verbunden oder lösbar verbunden sind. Der Begriff „kommunizierend gekoppelt“ ist als verbunden, sei es direkt oder indirekt durch dazwischenliegende Komponenten, definiert, und die Verbindungen sind nicht unbedingt auf physische Verbindungen beschränkt, sind aber Verbindungen, die die Übertragung von Daten, Fluiden oder anderen Dingen zwischen den so beschriebenen Komponenten ermöglichen. Der Begriff „außerhalb“ bezeichnet eine Region jenseits der äußeren Eingrenzungen eines physischen Objekts. Der Begriff „innerhalb“ bezeichnet, dass wenigstens ein Abschnitt einer Region teilweise in einer von dem Objekt gebildeten Grenze liegt. Der Begriff „im Wesentlichen“ ist als essentiell mit der jeweiligen Abmessung, Form oder anderen Maßgabe übereinstimmend definiert, die „im Wesentlichen“ modifiziert, derart, dass die Komponente nicht genau sein muss. Beispielsweise bedeutet im Wesentlichen zylindrisch, dass das Objekt einem Zylinder ähnelt, aber eine oder mehrere Abweichungen von einem echten Zylinder aufweisen kann. Die Begriffe „umfassend“, „beinhaltend“ und „aufweisend“ werden in dieser Offenbarung austauschbar verwendet. Die Begriffe „umfassend“, „beinhaltend“ und „aufweisend“ sollen die dadurch beschriebenen Dinge einschließen, sind aber nicht zwingend darauf beschränkt.
Der Begriff „radial“ bedeutet im Wesentlichen in einer Richtung am Radius des Objekts oder mit einer Richtungskomponente in einer Richtung am Radius des Objekts, auch wenn das Objekt nicht genau kreisförmig oder zylindrisch ist. Der Begriff „axial“ bedeutet im Wesentlichen in Richtung der Achse des Objekts. Wenn nicht weiter festgelegt, bezieht sich der Begriff „axial“ auf die längere Achse des Objekts.
Der Bohrstrang, der in einer beliebigen der verschiedenen Ausführungsformen beschrieben ist, kann verschiedene Ausrüstung umfassen, die einen Fluidleitweg definiert, der sich untertage zur Unterstützung von Bohrvorgängen erstreckt. Der Bohrstrang kann beispielsweise Bohrgestänge, Übergangsrohr und eine BHA mit einem Bohrmeißel, Schwerstangen, und Bohrstabilisatoren beinhalten. Der Bohrstrang kann Bohrgestänge aus einzelnen Verbindungen, kontinuierliche Wickelverrohrung oder einen beliebigen anderen Leitweg beinhalten, der sich untertage zur Unterstützung von Bohr- oder Aufwältigungsvorgängen erstreckt. Jeder Bohrstrang, der an einem bestimmten Einsatz oder Standort verwendet wird, ist allgemein einzigartig, da seine Werkzeuge auf Grundlage von Faktoren ausgewählt werden, die für das Bohrloch oder den Standort besonders sind, wie etwa Geologie (z. B. Zusammensetzung der Formation darunter Felstyp, Dichte, Rauheit usw.), Budgetfragen und andere Fragen, die einschränken, welche Ausrüstung geeignet ist, und andere Faktoren, mit denen ein einschlägiger Durchschnittsfachmann vertraut ist. Ein einzelnes Teilstück eines Bohrgestänges kann im Stand der Technik als eine Verbindung bezeichnet werden.
„Prozessor“ im hier verwendeten Sinne ist eine elektronische Schaltung, die auf Grundlage von Eingängen Bestimmungen vornehmen kann, und ist austauschbar mit „Controller“. Ein Prozessor kann unter anderem einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller und eine Zentralverarbeitungseinheit beinhalten. Während ein Einzelprozessor verwendet werden kann, kann die vorliegende Offenbarung über eine Vielzahl von Prozessoren hinweg implementiert werden, darunter lokale Controller, die in einem Werkzeug bereitgestellt sind, oder Sensoren, die am Bohrgestänge bereitgestellt sind.
Gemäß einem Beispiel werden während der Bohrlochkonstruktion Vorgänge am unverrohrten Loch verwendet. Die Vorgänge am unverrohrten Loch beinhalten in der Regel das Bilden von Futterrohrsträngen, wie etwa ein Oberflächenfutterrohr und Zwischenfutterrohr. Wird ein Bohrloch für förderbar befunden, kann die Bohrlochkomplettierung das Bilden eines Förderfutterrohrs für Vorgänge am verrohrten Loch beinhalten.
Da ein Bohrstrang beliebige von verschiedenen Rohrkomponenten und andere Ausrüstung enthalten kann, die speziell für einen bestimmten Einsatz oder einen bestimmten Standort ausgewählt werden, wird der Begriff „Segment“ in dieser Offenbarung zum Bezeichnen eines beliebigen Teils des Bohrstrangs verwendet. Beispielsweise kann ein Segment Untertageölfeldwerkzeuge bezeichnen, darunter ein Untertagemotor, Komponenten eines rotierenden lenkbaren oder direktionalen Bohrsystems, Komponenten von MWD(measurement while drilling)-Ausrüstung, LWD(logging while drilling)-Ausrüstung, und Komponenten von Telemetriesystemen. Ein jeweiliges Segment kann einen kleinen Durchmesser und eine relativ große Länge aufweisen, wie etwa ein Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis größer als 10:1. Gemäß einem Beispiel können Segmente oder Komponenten davon eine im Wesentlichen zylindrische Außenform aufweisen und können komplexe interne Merkmale und Formen beinhalten. Die internen Merkmale können parallel, senkrecht oder gewinkelt zu einer Mittellinie ausgerichtet sein, die axial durch das Segment verläuft. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass interne und externe Merkmale von Segmenten in einer beliebigen Form bereitgestellt werden können.
Diese Offenbarung beschreibt neuartige Systeme und Verfahren zum Auslegen und Herstellen von Segmenten für einen Bohrstrang, um Bearbeitungskosten und Herstellungskomplexität zu reduzieren. Diese Offenbarung beschreibt das Produzieren von Segmenten aus einer Vielzahl von Scheiben oder Schichten. Gemäß einem Beispiel können die Schichten in einer Richtung senkrecht zu einer axialen Richtung des Segments geschnitten sein. Während des Herstellungsprozesses wird die Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge angeordnet und kann einem Schweißprozess unterzogen werden, der die Vielzahl von Schichten verschweißt, um ein massives Segment zu bilden, wie unten ausführlicher erörtert. Der Herstellungsprozess kann in einer Standardumgebung wie etwa einer Fabrik, einem Lager oder dergleichen durchgeführt werden. Mit anderen Worten, der Herstellungsprozess benötigt keine Vakuumbedingungen, Temperaturregelung oder dergleichen.
Diese Offenbarung stellt ein System und Verfahren zum Herstellen von Segmenten mittels inkrementeller Konstruktionstechniken wie etwa Schichtherstellung bereit, die eine inkrementelle Überwachung von Auslegungstoleranzen während der Produktion ermöglichen. Außerdem stellt diese Offenbarung ein System und Verfahren des Wiederaufarbeitens von Abschnitten teilweise zusammengebauter Segmente während der Produktion bereit. Gemäß einem Beispiel beinhalten Segmente lange Teile mit komplexen internen Merkmalen. Beispielsweise können die internen Merkmale lange und schmale Bohrungen beinhalten, die einen schmalen Leitungsweg zum Führen und Verlegen von Drähten oder dergleichen bilden. Alternativ oder zusätzlich können die internen Merkmale lange und schmale Bohrungen beinhalten, die einen schmalen Hydraulikdurchlass zum Lenken und Durchlassen von Hydraulikfluiden, Bohrlochfluiden, Formationsfluiden oder dergleichen bilden. Alternativ oder zusätzlich können die internen Merkmale Hohlräume beinhalten, die Komponenten wie etwa Steuerventile, Verbinder, Messvorrichtungen, Sensoren oder dergleichen aufnehmen. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass andere interne Merkmale in dem Bohrstrang bereitgestellt werden können.
1A ist eine Teilquerschnittansicht einer Bohranlage zum Bohren eines Bohrlochs mit dem Bohrsystem 100. Das Bohrsystem 100 nutzt gemäß einem Beispiel einen Bohrstrang 112 mit Untertagewerkzeugen, die hier beschrieben sind, um ein unterirdisches Bohrloch zu bilden. Das unterirdische Bohrloch ist mit einem Bohrloch 102 dargestellt, das mit einem Bohrmeißel 110, der am Bohrstrang 112 vorgesehen ist, von der Erdoberfläche 106 in die Erde 104 gebohrt wird. Zur Veranschaulichung beinhaltet der obere Abschnitt des Bohrlochs 102 eine Oberflächenfutterrohr 107, das das Bohrloch 102 nach dem Bohren definiert und stabilisiert und fest zementiert ist. Das Bohrloch 102 kann auch Zwischenfutterrohre (nicht dargestellt) beinhalten, die mit Zement stabilisiert sein können. Das Futterrohr 107 erfüllt mehrere Funktionen, darunter Verhindern des Bohrlocheinsturzes, Beibehalten einer physischen Trennung zwischen den Erdschichten, Bereitstellen einer Barriere gegen Fluidmigration, Erhöhen der Sicherheit und Schützen der Erdschichten vor Verunreinigungen oder dergleichen.
Der Bohrmeißel 110 befindet sich am unteren, distalen Ende des Bohrstrangs 112. Bei Bohrvorgängen wird der Bohrstrang 112 mit der BHA mit Bohrmeißel 110 durch eine Bohranlage 120 in die Erde 104 befördert, in der Regel durch Rotieren des Bohrstrangs 112 von der Oberfläche aus. Die Bohranlage 120 kann direkt an Land abgestützt sein, wie dargestellt, oder, wenn auf dem Meer, auf einer Zwischenplattform.
Das Bohrloch 102, das als sich untertage in die Erdschichten erstreckend dargestellt ist, und beliebige Komponenten im Bohrloch 102 unterliegen hydrostatischem Druck, der von unterirdischen Zielen oder Formationen ausgeht.
Der untere Endabschnitt des Bohrstrangs 112 kann eine Schwerstange beinhalten, die in der Nähe des Bohrmeißels 110 bereitgestellt ist. Der Bohrmeißel 110 kann ein Rollenmeißel, ein Bohrmeißel mit fester Bohrkrone oder eine beliebige andere im Stand der Technik bekannte Art Bohrmeißel sein. Zur Vollständigkeit stellt 1A dar, dass die Offenbarung Wickelrohre 150 und Einsatz von Wireline 152 unterstützt, die im Kontext der Offenbarung vorgesehen sind.
1B ist eine perspektivische Querschnittansicht eines Teilstücks des Bohrstrangs 112, das ein Segment 180 einschließt, das aus einer Vielzahl von verschweißen Schichten 181a–181n konstruiert ist, wie unten ausführlicher beschrieben. Während der Bohrstrang 112 und das Segment 180 als in direktem Kontakt dargestellt sind, wird ein einschlägiger Durchschnittsfachmann ohne Weiteres verstehen, dass Zwischenkomponenten zwischen dem Bohrstrang 112 und dem Segment 180 vorgesehen sein können. Beispielsweise können Dichtungen, Lager, Verschleißhülsen und andere Zwischenkomponenten zwischen dem Bohrstrang 112 und dem Segment 180 vorgesehen sein.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Einzelschicht 200, die bei Verschweißung mit anderen Einzelschichten 200 ein Segment 180 mit verschweißten Schichten 181a–181n erzeugt, wie zum Beispiel dargestellt in 5. Gemäß einem Beispiel kann die Einzelschicht 200 eine große Öffnung 202 und eine kleine Öffnung 204 beinhalten. Während die Einzelschicht 200 mit Öffnungen 202, 204 dargestellt ist, wird ein einschlägiger Durchschnittsfachmann ohne Weiteres verstehen, dass die Einzelschicht 200 eine beliebige Anzahl von Öffnungen, eine beliebige Größe der Öffnungen, eine beliebige Öffnungsform aufweisen kann, um die gewünschten Auslegungsziele zu erfüllen.
Gemäß einem Beispiel kann die Einzelschicht 200 mit bekannten Bearbeitungstechniken wie etwa, neben anderen subtraktiven Herstellungstechniken, Drechseln, Fräsen, Schmieden, Funkenerosion („EDM“) gebildet werden. Beispielsweise kann die Einzelschicht 200 mit Blechformungs- oder -stanzprozessen gebildet werden. Nach dem Erzeugen der Einzelschicht 200 können weitere subtraktive Herstellungstechniken verwendet werden, um Merkmale in der Einzelschicht 200 zu definieren. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass die Auswahl der angemessenen Technik zum Bilden und Erzeugen der Einzelschicht 200 auf Faktoren wie etwa einer gewünschten Dicke der Einzelschicht 200, gewünschten Abmessungen der Einzelschicht 200, gewünschten Abmessungen von Merkmalen in der Einzelschicht 200 und gewünschten Toleranzen von Abmessungen oder dergleichen beruhen kann.
Weiter unter Bezugnahme auf 2 werden die verschiedenen Oberflächen 205, 207, 209, 211 der Einzelschicht 200 der Atmosphäre ausgesetzt, bevor sie in das Segment 180 mit verschweißten Schichten 181a–181n geschweißt werden. Entsprechend können diese verschiedenen Oberflächen 205, 207, 209, 211 leicht zugänglich sein, bevor sie in das Segment 180 geschweißt werden. Beispielsweise können diese verschiedenen Oberflächen 205, 207, 209, 211 mittels üblicher Sprühtechniken zugänglich sein und können sprühbeschichtet werden, um sie vor schädlichem Kontakt mit Wärme, korrosiven Fluiden oder dergleichen zu schützen. Das Sprühbeschichten dieser Oberflächen kann vorteilhafte Eigenschaften wie etwa erhöhte Verschleißfestigkeit, erhöhte Korrosionsfestigkeit oder dergleichen bereitstellen. Außerdem kann die Einzelschicht 200 vor dem Verschweißen rasch untersucht werden, um zu bestätigen, dass eine gewünschte Behandlung durchgeführt wurde. Im Gegensatz dazu sind übliche Segmente, die aus Material mit einem Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis größer als 10:1 gefertigt sind, derart bemessen, dass sie spezielle Ausrüstung erfordern, um auf innere Merkmale des Segments zuzugreifen. Unter der Annahme, dass spezielle Ausrüstung zum Durchführen der gewünschten Vorgänge verfügbar ist, erfordern beliebige gewünschte Untersuchungen ebenfalls spezielle Ausrüstung. Entsprechend stellt die hier beschriebene Einzelschichtkonstruktion Vorteile gegenüber existierenden Techniken bereit, die Material mit einem Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis größer als 10:1 zum Herstellen von Untertagewerkzeugkomponenten verwenden.
Ein weiterer Vorteil des Zusammenbauens eines Segments 180 aus einer Vielzahl von einzelnen verschweißten Schichten 181 wie hier beschrieben liegt darin, dass Komponenten wie etwa Sensoren, Antennen und elektrische Leitungen während der Fertigung in einen beliebigen Abschnitt eines teilweise zusammengebauten Segments 180 eingebettet werden können. Entsprechend werden Einschränkungen hinsichtlich der Komponentenanordnung im Segment 180 verringert, da die Komponenten sich während der Fertigung über das gesamte Volumen des Segments 180 verteilen können. Daher können Komponentenabstände im Werkzeug oder Segment 180 erhöht werden, was gegenseitige Behinderung von Komponenten reduziert. Ferner ermöglichen die hier beschriebenen Herstellungstechniken das Stapeln von Komponenten in axialer Richtung während der Fertigung. Dagegen schränken existierende Herstellungstechniken die Komponentenanordnung auf Umfangsbereiche von Segmenten ein, die nach der Fertigung mittels subtraktiver Herstellungstechniken leicht erreichbar sind. Existierende Herstellungstechniken stellen daher Konfigurationen größerer Dichte bereit, indem sie die Komponentenanordnung nach der Fertigung auf Bereiche nahe der Oberfläche des Segments beschränken.
Zurückkehrend zu 1A zeigt diese Sensoruntereinheiten 130, 132 im verrohrten Abschnitt des Bohrlochs, die anhand der hier beschriebenen Techniken in entsprechende Segmente 180 eingebettet werden können. Die Sensoruntereinheiten 130, 132 können Komponenten von MWD- und LWD-Werkzeugen sein, die zum Messen von in der Nähe vorliegenden Charakteristiken und Bedingungen des Bohrstrangs, Formationsfluids, Futterrohrs und der umgebenden Formation oder dergleichen dienen. Daten, die den gemessenen Bedingungen und Charakteristiken entsprechen, können untertage zum späteren Download wie etwa an einem Prozessor (nicht dargestellt) aufgezeichnet werden, der anhand der hier beschriebenen Techniken in ein entsprechendes Segment 180 eingebettet werden kann. Alternativ können die Daten an die Oberfläche übermittelt werden, entweder drahtgebunden über Repeater 134, 136 bis zum Oberflächendraht 138, oder drahtlos mit Komponenten, die anhand der hier beschriebenen Techniken in das entsprechende Segment 180 eingebettet werden. Bei drahtloser Übermittlung kann der Untertagesendeempfänger (Antenne) 134 eingesetzt werden, um Daten über einen Oberflächensendeempfänger (Antenne) 142 an einen lokalen Prozessor 140 zu senden. Diese Komponenten können anhand der hier beschriebenen Techniken in die entsprechenden Segmente 180 eingebettet werden. Die Daten können entweder am Prozessor 140 verarbeitet oder per Draht 146 oder drahtlos über die Antennen 142 und 148 weiter an einen entfernten Prozessor 144 übertragen werden. Es kann eine Oberflächeninstallation 170 zum Senden und Empfangen von Daten an das und aus dem Bohrloch über Repeater 134, 136 bereitgestellt sein. Die Daten können Bohrlochbedingungen wie etwa Formationshydrostatikdruck, Rückdruckhydrostatikdruck, Bohrlochtiefe, Temperaturen oder dergleichen beinhalten.
Bezüglich der Wartbarkeit der Komponenten, die im gesamten Volumen des Segments 180 eingebettet sind, können diese Segmente 180 geringerer Dichte zur Ersetzung anstelle der Reparatur hergestellt werden. Mit anderen Worten, Segmente 180 mit axial gestapelten Komponenten zum Bereitstellen geringerer Komponentendichte können zur Ersetzung anstelle der Reparatur hergestellt werden. Beispielsweise können diese Segmente 180 kleiner sein und zum leichten Zugreifen und Entfernen aus dem Bohrstrang angeordnet sein. Wenn diese Segmente 180 mit axial gestapelten Komponenten zu geringeren Kosten mit verbesserter Zuverlässigkeit hergestellt werden, können diese Segmente 180 weiter vor dem Versagen nach einem vorgegebenen Zeitplan ersetzt werden. Auch können diese Segmente 180 an eine Recyclinganlage gesendet werden, und ausgewählte Abschnitte können während des hier beschriebenen Montageprozesses in neue Segmente eingebaut werden.
Gemäß einem anderen Beispiel können die Komponenten in das Segment 180 eingebettet werden, wenn ein Hohlraum, der zum Aufnehmen einer entsprechenden Komponente ausgelegt ist, im Wesentlichen zum Halten der Komponente fertiggestellt ist. Entsprechend kann die Komponente während der Konstruktion untersucht und getestet werden, um beispielsweise die Qualitätskontrolle zu verbessern. Dagegen unterstützen existierende Techniken das Einbetten von Komponenten in ein Segment während des Zusammenbaus nicht. Existierende Techniken, die additive Herstellung zum Konstruieren von Segmenten mit einer Vielzahl von Einzelschichten einsetzen, ermöglichen keine Untersuchung und Prüfung von Komponenten während der Konstruktion. Existierende Systeme erfordern in der Regel subtraktive Herstellungstechniken wie etwa Bohren, um auf die vorgeformten Hohlräume zum Halten der Komponenten zuzugreifen. Wie oben erörtert, schränken existierende Herstellungstechniken die Komponentenanordnung auf Bereiche ein, die nach der Fertigung mittels subtraktiver Herstellungstechniken erreichbar sind. Ferner erfordern existierende Systeme im Vergleich zur vorliegenden Offenbarung weitere Schritte zum Anordnen von Komponenten in vorgeformten Hohlräumen.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Haltevorrichtung 300, die zum Zusammenbauen des Segments aus einer Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 aus in 2 verwendet werden kann. Die Haltevorrichtung 300 beinhaltet eine Basis 302, die Ausrichtungsmerkmale wie etwa eine große Stange 304 und eine kleine Stange 306 trägt. Die große Stange 304 kann entsprechend der Öffnung 202 bemessen sein. Die kleine Stange 306 kann entsprechend der Öffnung 204 bemessen sein. Außerdem können die große Stange 304 und die kleine Stange 306 an der Basis 302 zur Ausrichtung an einer relativen Positionierung von Öffnungen 202, 204 an der Einzelschicht 200 orientiert sein.
Gemäß einem Beispiel kann ein Rohr oder Einsatz zum Aufsetzen auf die große Stange 304 und/oder die kleine Stange 306 bereitgestellt werden. Wenn beispielsweise die Öffnungen 204 aus einer Vielzahl von einzelnen unverschweißten Schichten 200 bereitgestellt sind, um einen Fluiddurchlass wie etwa Hydraulikdurchlass zu bilden, kann ein massives Rohr 310 über die kleine Stange 306 eingeführt werden, um eine kontinuierliche Auskleidung an der Innenseite der Öffnungen 204 bereitzustellen. In diesem Fall können die Öffnungen 204 mit einem Umfang gefertigt sein, der über den Außendurchmesser des Rohrs 310 passt. Das Rohr 310 kann mittels Presspassung in dem Durchlass befestigt sein. Alternativ kann das Rohr 310 durch Schweißen in dem Durchlass befestigt sein. Im Betrieb kann das Rohr 310 verhindern, dass Fluid aus dem Fluiddurchlass austritt, wenn eine beliebige der einzelnen verschweißten Schichten 181 keinen fluiddichten Durchlass bildet. Beispielsweise bilden die einzelnen verschweißten Schichten 181 möglicherweise keinen fluiddichten Durchlass, wenn ein Schweißvorgang nicht sehr nah an einer durch die Öffnungen 204 gebildeten schmalen Bohrung durchgeführt wird. Gemäß einem Beispiel kann der Schweißvorgang nicht nah an den Öffnungen 204 durchgeführt werden, um eine Verformung der Öffnungen 204 zu vermeiden.
4 ist eine perspektivische Ansicht der Haltevorrichtung 300, an der die Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200a–200n (im Folgenden 200) angebracht ist. Wie gezeigt, ist die große Stange 304 von den Öffnungen 202 der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 aufgenommen, und die kleine Stange 306 ist von den Öffnungen 204 der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 aufgenommen. Gemäß einem Beispiel ist die Haltevorrichtung 300 dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 in nur zwei Freiheitsgraden zuzulassen In diesem Fall ist die Haltevorrichtung 300 dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 in einer Längs- oder Axialrichtung (y-Richtung) zuzulassen. Anders gesagt ist die Haltevorrichtung 300 dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 in der x- und z-Richtung einzuschränken.
Wenn eine beliebige der unverschweißten Einzelschichten 200 während des Zusammenbaus als defekt erkannt wird, kann die beschädigte Einzelschicht 200 verworfen und während des Zusammenbaus durch eine andere Einzelschicht 200 ersetzt werden. Mit anderen Worten, die unverschweißte Einzelschicht 200 oder eine Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 200 kann bei Beschädigung verworfen werden. Ein gesamtes unverschweißtes Segment wird jedoch nicht verworfen, wenn eine oder mehrere der unverschweißten Einzelschichten 200 als defekt erkannt werden. Entsprechend erzeugt der hier beschriebene Herstellungsprozess im Vergleich zu üblichen Untertagewerkzeugherstellungstechniken wenig Abfall.
Gemäß einem Beispiel kann die Haltevorrichtung 300 segmentiert sein, so dass verschiedene Abschnitte des Segments 180 gleichzeitig hergestellt werden können. Wenn beispielsweise ein Abschnitt des Segments 180 von einem Elektriker untersucht wird und ein anderer Abschnitt desselben Segments 180 von einem Mechaniker untersucht wird, kann der vom Elektriker untersuchte Abschnitt separat von dem vom Mechaniker untersuchten Abschnitt konstruiert werden. Nach der Abnahme jedes Abschnitts können die separaten Abschnitte miteinander verbunden oder verschweißt werden, um das komplettierte Segment 180 zu bilden. Auf diese Weise kann der Herstellungsprozess beschleunigt werden, indem in paralleler und nicht serieller Weise gearbeitet wird. Bei einem seriellen Vorgang beispielsweise würde zunächst der Elektriker oder der Mechaniker die Vorrichtung untersuchen und dann würde der andere von dem Elektriker oder dem Mechaniker eben jene Vorrichtung untersuchen. Der Herstellungsprozess kann beschleunigt werden, indem verschiedene Abschnitte des Segments gleichzeitig hergestellt werden können.
Wenn eine der Komponenten zur Einbettung in das Segment 180 nicht vorrätig ist, kann alternativ der Hohlraum offen bleiben und der Rest des Segments 180 komplettiert werden. Wenn die Komponente wieder vorrätig ist, kann die Komponente in den Komponentenhohlraum eingesetzt werden, und das Segment 180 kann zusammengeschweißt werden. So kann der Herstellungsprozess beschleunigt werden, indem bestimmte Abschnitte des Segments 180 zusammengeschweißt werden können, während andere Abschnitte des Segments 180 unverschweißt bleiben, bis die geeigneten Komponenten verfügbar sind.
Gemäß einem Beispiel beinhaltet die Haltevorrichtung 300 Ausrichtungsmerkmale, die Auslegungstoleranzen für die Segmente 180 beibehalten. Beispielsweise können die Ausrichtungsmerkmale Auslegungstoleranzen wie etwa Winkeltoleranzen, Profiltoleranzen und Positionstoleranzen oder dergleichen beibehalten. Die Auslegungstoleranzen werden so beibehalten, dass Leitungen oder Durchlässe durch die Segmente 180 genau gehalten werden. Unter Bezugnahme auf 4 können die Ausrichtungsmerkmale die große Stange 304 und die kleine Stange 306 beinhalten. Diese Ausrichtungsmerkmale behalten unter anderem die Winkeltoleranzen, Profiltoleranzen und Positionstoleranzen bei, um Leitungen oder Durchlässe durch die Segmente 180 präzise zu bilden. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass andere Ausrichtungsmerkmale an der Haltevorrichtung 300 zum Beibehalten der gewünschten Auslegungstoleranzen für die Segmente 180 vorgesehen sein können.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines verschweißten Segments 180 mit einem Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis von mehr als 10:1, das durch den hier beschriebenen Herstellungsprozess produziert wurde. Gemäß einem Beispiel kann das verschweißte Segment 180 ein Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis von 100:1 beinhalten. Nach dem Ausrichten der unverschweißten Einzelschichten 200 mithilfe der Haltevorrichtung 300, wie in 4 gezeigt, wird ein geeigneter Metallverbindungsprozess zum Verbinden der unverschweißten Einzelschichten 200 verwendet. Beispielsweise kann Elektronenstrahlschweißen zum Verbinden der unverschweißten Einzelschichten 200 verwendet werden. Gemäß einem Beispiel kann Elektronenstrahlschweißen verwendet werden, um Werkstücke zu verschweißen, die über 4 Zoll (100 mm) dick sind. In einem Beispiel kann Elektronenstrahlschweißen in einem Durchgang bis in eine Tiefe von 2,36 Zoll (60 mm) dringen. Elektronenstrahlschweißen bietet verschiedene Vorteile wie etwa das Erzeugen minimaler Verformung nach dem Schweißen, präzise numerische Computersteuerung und Erzeugen guter Ergebnisse an Werkstücken mit einem hohen Tiefe-Breite-Verhältnis. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass andere Metallverbindungsprozesse verwendet werden können, darunter Lasersintern, Verkleben oder dergleichen. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass die Auswahl des Metallverbindungsprozesses von mehreren Faktoren abhängt, darunter einer gewünschten Festigkeit des Endprodukts, Kosten und vorgesehener Einsatz des komplettierten verschweißten Segments. Gemäß einem Beispiel kann das verschweißte Segment 180 aus einem beliebigen Material gebildet sein, das geeignet für und kompatibel mit Rotationsbohren ist, wie etwa hochfester Edelstahl.
Gemäß einem Beispiel kann das Segment 180 aus einer Vielzahl von verschweißten Schichten 181a–181n gebildet sein, die mit einem Metallverbindungsprozess miteinander verschweißt werden. Vor dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses kann die Vielzahl von verschweißten Schichten 181a–181n in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge angeordnet und mithilfe der Ausrichtungsmerkmale der Haltevorrichtung 300 aus 4 ausgerichtet werden. Nach dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses sind die unverschweißten Einzelschichten 200a–200n miteinander verschweißt und bilden ein massives Segment 180. Die Öffnungen, die in der Vielzahl von verschweißten Schichten 181a–181n definiert sind, werden zudem miteinander verschweißt, um Bohrungen 184, 186 zu bilden, die sich axial durch das Segment 180 erstrecken. Wie oben erörtert, kann während des Montageprozesses ein Rohr 310 in beliebige Fluiddurchlässe eingeführt werden, um ein Austreten von Fluid aus dem Fluiddurchlass zu verhindern.
Gemäß einem anderen Beispiel kann das verschweißte Segment 180 weiterer Verarbeitung oder Sekundärprozessen unterzogen werden. Beispielsweise kann das verschweißte Segment 180 Gehäusehärtung oder der Auftragung von Beschichtungen unterzogen werden. Die weitere Verarbeitung kann zum Bilden mehrerer komplizierter Querschnittprofile bereitgestellt werden, wie etwa Einsätze mit mehreren Hydraulik- und Elektrikleitwegen. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass ausgewählte Merkmale vor dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden können, während andere Merkmale nach dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden können. Beispielsweise kann ein langer und schmaler Durchlass, der axial durch das verschweißte Segment 180 verläuft, vor dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden. Dagegen kann eine Bohrung für einen Ölfüllanschluss nach dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1A kann ein Bohrfluid (Schlamm) 160 in einer relativ unbeschränkten und ungehinderten Weise durch die Bohrkomponenten zirkuliert werden, um Funktionen wie etwa das Verhindern von Blow-out und Verhindern eines Einstürzens des Bohrlochs 102 durchzuführen. Gemäß einem Beispiel kann das Bohrfluid 160 während Bohrvorgängen durch den Bohrstrang 112, den Bohrmeißel 110 und den Ringraum 109 zirkulieren. Gemäß einem Beispiel kann sich die Bohrung 184 durch den Bohrstrang 112 zum Bohrmeißel 110 erstrecken, der Düsen zum Lenken eines Stroms des Bohrfluids 160 beinhaltet. Nach dem Durchlaufen der Bohrkomponenten kann das Bohrfluid 160 zur Oberfläche 106 zirkulieren, wo es durch einen Filter (nicht dargestellt) tritt, um etwaigen Bohrschutt wie etwa Bohrklein oder dergleichen zu entfernen. Gemäß einem Beispiel kann der Filter ein Schlammschüttelsieb oder dergleichen beinhalten. Das gefilterte Bohrfluid 160 kann in einem Tank 162 zur Rezirkulation zu den Bohrkomponenten aufgefangen werden. Das Bohrfluid 160 kann zum Ausüben anderer Funktionen formuliert sein, darunter Schmieren des Bohrmeißels 110, Kühlen des Bohrmeißels 110, Spülen von Bohrschutt wie etwa Fels weg vom Bohrmeißel 110 und hinauf zur Erdoberfläche 106 durch den Ringraum 109 zwischen dem Bohrloch 102 und dem Bohrstrang 112 und Reduzieren von Reibung zwischen dem Bohrstrang 112 und dem Bohrloch 102 oder dergleichen.
1A stellt eine beispielhafte lenkbare Rotationsbohrvorrichtung 111 dar, die auch als ein(e) Bohrrichtungssteuervorrichtung oder -system bezeichnet werden kann. Die Rotationsbohrvorrichtung 111 ist am Bohrstrang 112 mit Bohrmeißel 110 angeordnet. Ein einschlägiger Fachmann erkennt jedoch, dass die Positionierung der lenkbaren Rotationsbohrvorrichtung 111 am Bohrstrang 112 und relativ zu anderen Komponenten am Bohrstrang 112 modifizierbar ist, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Die lenkbare Rotationsbohrvorrichtung 111 kann eine rotierbare Bohrwelle beinhalten, die während des Bohrvorgangs an einen Rotationsbohrmeißel 110 und Rotationsbohrstrang 112 gekoppelt oder daran angebracht ist.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels einer Einzelschicht 600, die bei Verschweißung mit anderen Einzelschichten 600 ein Segment 900 erzeugt, wie dargestellt in 9. Gemäß einem Beispiel kann die Einzelschicht 600 eine quadratische Öffnung 602 mit gerundeten Ecken beinhalten. Während die Einzelschicht 600 mit quadratischer Öffnung 602 dargestellt ist, wird ein einschlägiger Durchschnittsfachmann ohne Weiteres verstehen, dass die Einzelschicht 600 eine beliebige Anzahl von Öffnungen, eine beliebige Größe der Öffnungen, eine beliebige Öffnungsform aufweisen kann, um die gewünschten Auslegungsziele zu erfüllen.
Gemäß einem Beispiel kann die Einzelschicht 600 mit bekannten Bearbeitungstechniken wie etwa, neben anderen subtraktiven Herstellungstechniken, Drechseln, Fräsen, Schmieden, Funkenerosion („EDM“) gebildet werden. Beispielsweise kann die Einzelschicht 600 mit Blechformungs- oder -stanzprozessen gebildet werden. Nach dem Erzeugen der Einzelschicht 600 können weitere subtraktive Herstellungstechniken verwendet werden, um Merkmale in der Einzelschicht 600 zu definieren. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass die Auswahl der angemessenen Technik zum Bilden und Erzeugen der Einzelschicht 600 auf Faktoren wie etwa einer gewünschten Dicke der Einzelschicht 600, gewünschten Abmessungen de Einzelschicht 600, gewünschten Abmessungen von Merkmalen in der Einzelschicht 600 und gewünschten Toleranzen von Abmessungen oder dergleichen beruhen kann.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Haltevorrichtung 700, die zum Zusammenbauen des Segments 900 aus einer Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600, dargestellt in 6, verwendet werden kann. Die Haltevorrichtung 700 definiert ein spiralförmiges Ausrichtungsmerkmal. Die Haltevorrichtung 700 kann entsprechend der quadratischen Öffnung 602 bemessen sein.
8 ist eine perspektivische Ansicht der Haltevorrichtung 700, an der die Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600a–600n angebracht ist. Wie gezeigt, ist die Haltevorrichtung 700 von den quadratischen Öffnungen 602 der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600a–600n aufgenommen. Gemäß einem Beispiel ist die Haltevorrichtung 700 dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600a–600n mit nur zwei Freiheitsgraden zuzulassen In diesem Fall ist die Haltevorrichtung 700 dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600a–600n in einer Längs- oder Axialrichtung (y-Richtung) zuzulassen. Anders gesagt ist die Haltevorrichtung 700 dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600a–600n in der x- und z-Richtung einzuschränken.
Wenn eine beliebige der unverschweißten Einzelschichten 600a–600n während des Zusammenbaus als defekt erkannt wird, kann die beschädigte unverschweißte Einzelschicht 600 verworfen und während des Zusammenbaus durch eine andere unverschweißte Einzelschicht 600 ersetzt werden. Mit anderen Worten, eine unverschweißte Einzelschicht 600 oder eine Vielzahl von unverschweißten Einzelschichten 600 kann bei Beschädigung verworfen werden. Ein gesamtes Segment 900 wird jedoch nicht verworfen, wenn eine oder mehrere der unverschweißten Einzelschichten 600a–600n als defekt erkannt werden. Entsprechend erzeugt der hier beschriebene Herstellungsprozess im Vergleich zu üblichen Herstellungstechniken wenig Abfall.
Gemäß einem Beispiel definiert die Haltevorrichtung 700 ein spiralförmiges Ausrichtungsmerkmal, das Auslegungstoleranzen für die Segmente beibehält. Beispielsweise kann das spiralförmige Ausrichtungsmerkmal Auslegungstoleranzen wie etwa die Winkeltoleranzen, Profiltoleranzen und Positionstoleranzen zum genauen Bilden eines Leitwegs oder eines Durchlasses durch die Segmente beibehalten. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass die Haltevorrichtung 700 andere Ausrichtungsmerkmale zum Beibehalten gewünschter Auslegungstoleranzen für die Segmente definieren kann.
9 ist eine perspektivische Ansicht des verschweißten Segments 900 mit einem Tiefe-Bohrdurchmesser-Verhältnis von mehr als 10:1, das durch den hier beschriebenen Herstellungsprozess produziert wurde. Nach dem Ausrichten der unverschweißten Einzelschichten 600a–600n mithilfe der Haltevorrichtung 700, wie in 8 gezeigt, wird ein geeigneter Metallverbindungsprozess zum Verbinden der Einzelschichten 600a–600n verwendet. Wie oben beschrieben, kann Elektronenstrahlschweißen zum Verbinden der unverschweißten Einzelschichten 600a–600n eingesetzt werden. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass andere Metallverbindungsprozesse verwendet werden können, darunter Lasersintern, Verkleben oder dergleichen. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass die Auswahl des Metallverbindungsprozesses von mehreren Faktoren abhängt, darunter einer gewünschten Festigkeit des Endprodukts, Kosten und vorgesehener Einsatz des komplettierten verschweißten Segments 900. Gemäß einem Beispiel kann das Segment 900 aus einem beliebigen Material gebildet sein, das geeignet für und kompatibel mit Rotationsbohren ist, wie etwa hochfester Edelstahl.
Gemäß einem Beispiel kann das Segment 900 aus einer Vielzahl von verschweißten Schichten 901a–901n gebildet sein, die mit einem Metallverbindungsprozesse miteinander verschweißt werden. Vor dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses kann die Vielzahl von unverschweißten Schichten 600a–600n in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge angeordnet und mithilfe des Ausrichtungsmerkmals der Haltevorrichtung 700 aus 8 ausgerichtet werden. Nach dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses sind die unverschweißten Einzelschichten 600a–600n miteinander verschweißt und bilden ein massives Segment 900. Die quadratische Öffnung, die in der Vielzahl von verschweißten Schichten 901a–901n definiert ist, wird zudem verschweißt, um eine Bohrung 902 zu bilden, die sich axial durch das Segment 900 erstreckt. Wie oben erörtert, kann während des Montageprozesses ein Rohr 310 in beliebige Fluiddurchlässe eingeführt werden, um ein Austreten von Fluid aus dem Fluiddurchlass zu verhindern.
Gemäß einem anderen Beispiel kann das konstruierte verschweißte Segment 900 weiterer Verarbeitung oder Sekundärprozessen unterzogen werden. Beispielsweise kann das konstruierte verschweißte Segment 900 Gehäusehärtung oder der Auftragung von Beschichtungen unterzogen werden. Die weitere Verarbeitung kann zum Bilden mehrerer komplizierter Querschnittprofile bereitgestellt werden, wie etwa Einsätze mit mehreren Hydraulik- und Elektrikleitwegen. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass ausgewählte Merkmale vor dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden können, während andere Merkmale nach dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden können. Beispielsweise kann ein langer und schmaler Durchlass, der axial durch das verschweißte Segment 900 verläuft, vor dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden. Dagegen kann eine Bohrung für einen Ölfüllanschluss nach dem Durchführen des Metallverbindungsprozesses konstruiert werden.
Verfahren zum Auslegen und Herstellen von Segmenten beinhalten das Verwenden einer Computerdatei wie etwa computergestützter Design(„CAD“)-Software, um eine dreidimensionale Struktur des Segments zu definieren. Die CAD-Software ist dazu programmiert, ein Segment oder Untertagewerkzeug in eine Vielzahl von Schichten zu schneiden. Gemäß einem Beispiel kann jede der Vielzahl von Schichten von gleicher Dicke sein. Alternativ kann jede der Vielzahl von Schichten eine andere Dicke aufweisen. Beispielsweise kann die Schichtdicke kleiner als 1 mm; kleiner als 10 mm; kleiner als 100 mm; unter anderen Schichtdicken sein.
Gemäß einem Beispiel kann ein Computeralgorithmus zum Auswählen einer Schichtdicke eingesetzt werden. Die Schichtdicke kann auf Grundlage einer Komplexität interner Merkmale im Zusammenhang mit der entsprechenden Schicht ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Schichtdicke auf Grundlage von Kriterien wie etwa einer Anzahl in einer Schicht bereitgestellten Öffnungen, einem durch die in der Schicht bereitgestellten Öffnungen definierten Bereich, einer kleinsten Öffnungsgröße in einer Schicht, die kleiner als eine im Voraus ausgewählte Größe ist, einer größten Öffnungsgröße in einer Schicht, die größer als eine im Voraus ausgewählte Größe ist, oder dergleichen ausgewählt werden. Außerdem kann die Schichtdicke auf Grundlage eines Materialtyps, der zum Bilden des Segments verwendet wird, einer Art des ausgewählten Verbindungsprozesses oder dergleichen ausgewählt werden. Ein einschlägiger Durchschnittsfachmann wird ohne Weiteres verstehen, dass andere Kriterien zum Bestimmen einer Schichtdicke verwendet werden können.
Gemäß einem Beispiel kann die CAD-Software eine Schneidfunktion zum Bestimmen einer Geometrie der Vielzahl von Schichten einsetzen. Nach dem Bestimmen der Geometrie kann die Vielzahl von Schichten mithilfe der verschiedenen hier beschriebenen Techniken hergestellt werden. Die Anzahl der herzustellenden Schichten hängt von einer Dicke jeder Schicht und einer Gesamtlänge des Segments ab. Nach dem Herstellen der Vielzahl von Schichten wird ein Ausrichtungsmerkmal in eine entsprechende Öffnung der Vielzahl von Schichten eingeführt, um die Vielzahl von Schichten auf der Haltevorrichtung zu stapeln. Wie hier beschrieben, ist die Haltevorrichtung dazu ausgelegt, eine Bewegung der Vielzahl von Schichten in nur zwei Freiheitsgraden zuzulassen, wie etwa in einer Längs- oder Axialrichtung (y-Richtung). Nach dem korrekten Anordnen der Vielzahl von Schichten am Ausrichtungsmerkmal und Einbetten beliebiger interner Komponenten kann der Verbindungsprozess zum Zusammenschweißen der Vielzahl von Schichten durchgeführt werden.
10 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens 1000 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 1000 kann unter Verwendung von einer oder mehreren der oben beschriebenen Komponenten implementiert werden. Beispielsweise kann das Verfahren 1000 mithilfe einer Haltevorrichtung implementiert werden. Die Haltevorrichtung kann ein Ausrichtungsmerkmal beinhalten, das eine Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade einschränkt.
Das Verfahren 1000 kann das Erlangen einer Vielzahl von Schichten auf Grundlage einer ausgewählten Länge des Segments beinhalten, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet (Block 1002). Beispielsweise können fünfhundert (500) Einzelschichten zum Bilden eines gewünschten Segments erlangt werden. Das Verfahren 1000 kann ferner das Aufnehmen der Öffnung von jeder der Vielzahl von Schichten über einem Ausrichtungsmerkmal beinhalten (Block 1004). Beispielsweise kann jede der 500 Einzelschichten eine Öffnung beinhalten, die über ein Ausrichtungsmerkmal eingesetzt wird, um die 500 Einzelschichten korrekt relativ zueinander auszurichten. Das Ausrichtungsmerkmal kann wie oben beschrieben konfiguriert sein. Das Verfahren 1000 kann auch das Beschränken der Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade beinhalten (Block 1006). Beispielsweise ist die Haltevorrichtung mit dem Ausrichtungsmerkmal dazu ausgelegt, die Bewegung der 500 Einzelschichten in einer Längs- oder Axialrichtung (y-Richtung) zuzulassen. Außerdem kann das Verfahren das Durchführen eines Verbindungsprozesses zum Verbinden der Vielzahl von Schichten beinhalten (Block 1008). Auf diese Weise werden die 500 Einzelschichten miteinander verschweißt, um ein massiv verschweißtes Segment zu bilden.
Es wurden zahlreiche Beispiele bereitgestellt, um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Ein spezifischer Satz Beispiele ist wie folgt bereitgestellt. In einem ersten Beispiel ist ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Segments eines Bohrstrangs offenbart, das aus einer Vielzahl von Schichten konstruiert ist, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Erlangen einer Vielzahl von Schichten auf Grundlage einer ausgewählten Länge des Segments, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet; Aufnehmen der Öffnung jeder der Vielzahl von Schichten über einem Ausrichtungsmerkmal; Beschränken der Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade; und Verbinden der Vielzahl von Schichten.
In einem zweiten Beispiel ist das Verfahren nach dem vorangehenden ersten Beispiel offenbart, wobei das Aufnehmen der Öffnung, die in jeder der Vielzahl von Schichten gebildet ist, über dem Ausrichtungsmerkmal das Aufnehmen der Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge beinhaltet.
In einem dritten Beispiel wird das Verfahren nach einem beliebigen von dem ersten und zweiten vorangehenden Beispiel offenbart, ferner umfassend Entfernen wenigstens einer Schicht von dem Ausrichtungsmerkmal, wenn ein Defekt in der wenigstens einen Schicht erkannt wird.
In einem vierten Beispiel wird das Verfahren nach einem beliebigen von dem ersten bis dritten vorangehenden Beispiel offenbart, ferner umfassend Ersetzen der entfernten wenigstens einen Schicht mit wenigstens einer Ersatzschicht, wobei jede der wenigstens einen Ersatzschichten eine Öffnung beinhaltet, die über dem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen wird.
In einem fünften Beispiel wird das Verfahren nach einem beliebigen von dem ersten bis vierten vorangehenden Beispiel offenbart, wobei das Verbinden der Vielzahl von Schichten nach dem Aufnehmen der wenigstens einen Ersatzschicht über dem Ausrichtungsmerkmal durchgeführt wird.
In einem sechsten Beispiel wird das Verfahren nach einem beliebigen von dem ersten bis fünften vorangehenden Beispiel offenbart, wobei ausgewählte der Vielzahl von Schichten eine Hohlraumöffnung beinhalten, die zum Bilden eines Hohlraums in dem Untertagewerkzeug vorgesehen ist.
In einem siebten Beispiel wird das Verfahren nach einem beliebigen von dem ersten bis sechsten vorangehenden Beispiel offenbart, wobei die Hohlraumöffnung während des Zusammenbauens des Segments eine Komponente darin aufnimmt.
In einem achten Beispiel wird das Verfahren nach einem beliebigen von dem ersten bis siebten vorangehenden Beispiel offenbart, wobei die Vielzahl von Schichten mit wenigstens einem von Elektronenstrahlschweißen, Lasersintern und Verkleben verbunden werden.
In einem neunten Beispiel wird ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Segment eines Bohrstrangs offenbart, der aus einer Vielzahl von Schichten konstruiert ist, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Erlangen einer Vielzahl von Schichten auf Grundlage einer ausgewählten Länge des Segments, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet; Aufnehmen der Öffnung jeder der Vielzahl von Schichten über einem Ausrichtungsmerkmal; Beschränken der Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade; Entfernen wenigstens einer Schicht von dem Ausrichtungsmerkmal, wenn ein Defekt in der wenigstens einen Schicht erkannt wird; Ersetzen der entfernten wenigstens einen Schicht durch wenigstens eine Ersatzschicht, wobei jede der wenigstens einen Ersatzschichten eine Öffnung beinhaltet, die über dem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen wird; und Verbinden der Vielzahl von Schichten und der wenigstens einen Ersatzschicht.
In einem zehnten Beispiel ist das Verfahren nach dem neunten Beispiel offenbart, wobei das Aufnehmen der Öffnung, die in jeder der Vielzahl von Schichten gebildet ist, über dem Ausrichtungsmerkmal das Aufnehmen der Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge beinhaltet.
In einem elften Beispiel ist das Verfahren nach dem neunten und zehnten Beispiel offenbart, wobei ausgewählte der Vielzahl von Schichten eine Hohlraumöffnung beinhalten, die zum Bilden eines Hohlraums in dem Segment vorgesehen ist.
In einem zwölften Beispiel ist das Verfahren nach dem neunten und elften Beispiel offenbart, wobei die Hohlraumöffnung während des Zusammenbauens des Segments eine Komponente darin aufnimmt.
In einem dreizehnten Beispiel ist das Verfahren nach dem neunten und zwölften Beispiel offenbart, wobei die Komponente wenigstens eins von einem Sensor, einer Antenne und elektrischen Leitungen beinhaltet.
In einem vierzehnten Beispiel ist ein System zum Bilden eines Segments eines Bohrstrangs bereitgestellt, wobei das System Folgendes beinhaltet: eine Vielzahl von Schichten, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet; ein Ausrichtungsmerkmal, das die Vielzahl von Schichten aufnimmt, wobei das Ausrichtungsmerkmal die Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade beschränkt; und einen Befestiger, der die Vielzahl von Schichten verbindet, um ein verschweißtes Segment zu bilden.
In einem fünfzehnten Beispiel ist die Verbindung nach dem vorangehenden vierzehnten Beispiel offenbart, wobei das Ausrichtungsmerkmal die Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge aufnimmt.
In einem sechzehnten Beispiel ist die Verbindung nach dem vorangehenden vierzehnten und fünfzehnten Beispiel offenbart, wobei das Ausrichtungsmerkmal das Entfernen wenigstens einer Schicht erlaubt, wenn ein Defekt in der wenigstens einen Schicht erkannt wird.
In einem siebzehnten Beispiel ist die Verbindung nach dem vorangehenden vierzehnten und sechzehnten Beispiel offenbart, wobei das Ausrichtungsmerkmal das Ersetzen der wenigstens einen Schicht mit wenigstens einer Ersatzschicht erlaubt, wobei jede der wenigstens einen Ersatzschichten eine Öffnung beinhaltet, die über dem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen wird.
In einem achtzehnten Beispiel ist die Verbindung nach dem vorangehenden vierzehnten und siebzehnten Beispiel offenbart, wobei der Befestiger wenigstens eins von einem Elektronenstrahlschweißer, einem Lasersintergerät und einem Klebeverbinder beinhaltet.
In einem neunzehnten Beispiel ist die Verbindung nach dem vorangehenden vierzehnten und achtzehnten Beispiel offenbart, wobei ausgewählte der Vielzahl von Schichten eine Hohlraumöffnung beinhalten, die zum Bilden eines Hohlraums in dem Segment vorgesehen ist.
In einem zwanzigsten Beispiel ist die Verbindung nach dem vorangehenden vierzehnten und neunzehnten Beispiel offenbart, wobei die Hohlraumöffnung eine Komponente darin aufnimmt.
Die gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele. Obwohl zahlreiche Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Technik in der vorstehenden Beschreibung dargelegt wurden, zusammen mit Einzelheiten der Struktur und Funktion der vorliegenden Offenbarung, ist die Offenbarung nur veranschaulichend, und es können innerhalb der Grundgedanken der vorliegenden Offenbarung Änderungen im Detail, insbesondere hinsichtlich Form, Größe und Anordnung der Teile im vollen durch die breitgefasste allgemeine Bedeutung der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe angegebenen Umfang vorgenommen werden. Daher versteht es sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche modifiziert werden können.

Claims

Verfahren zum Zusammenbauen eines Segments eines Bohrstrangs, der aus einer Vielzahl von Schichten konstruiert ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen einer Vielzahl von Schichten auf Grundlage einer ausgewählten Länge des Segments, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet; Aufnehmen der Öffnung jeder der Vielzahl von Schichten über einem Ausrichtungsmerkmal; Beschränken der Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade; und Verbinden der Vielzahl von Schichten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufnehmen der Öffnung, die in jeder der Vielzahl von Schichten gebildet ist, über dem Ausrichtungsmerkmal das Aufnehmen der Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Entfernen wenigstens einer Schicht von dem Ausrichtungsmerkmal, wenn ein Defekt in der wenigstens einen Schicht erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend Ersetzen der entfernten wenigstens einen Schicht durch wenigstens eine Ersatzschicht, wobei jede der wenigstens einen Ersatzschichten eine Öffnung beinhaltet, die über dem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verbinden der Vielzahl von Schichten nach dem Aufnehmen der wenigstens einen Ersatzschicht über dem Ausrichtungsmerkmal durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ausgewählte der Vielzahl von Schichten eine Hohlraumöffnung beinhalten, die zum Bilden eines Hohlraums in dem Untertagewerkzeug vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Hohlraumöffnung während des Zusammenbauens des Segments eine Komponente darin aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Schichten mit wenigstens einem von Elektronenstrahlschweißen, Lasersintern und Verkleben verbunden werden.
Verfahren zum Zusammenbauen eines Segments eines Bohrstrangs, der aus einer Vielzahl von Schichten konstruiert ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erlangen einer Vielzahl von Schichten auf Grundlage einer ausgewählten Länge des Segments, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet; Aufnehmen der Öffnung jeder der Vielzahl von Schichten über einem Ausrichtungsmerkmal; Beschränken der Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade; und Entfernen wenigstens einer Schicht von dem Ausrichtungsmerkmal, wenn ein Defekt in der wenigstens einen Schicht erkannt wird; Ersetzen der wenigstens einen Schicht durch wenigstens eine Ersatzschicht, wobei jede der wenigstens einen Ersatzschichten eine Öffnung beinhaltet, die über dem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen wird; und Verbinden der Vielzahl von Schichten und der wenigstens einen Ersatzschicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Aufnehmen der Öffnung, die in jeder der Vielzahl von Schichten gebildet ist, über dem Ausrichtungsmerkmal das Aufnehmen der Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ausgewählte der Vielzahl von Schichten eine Hohlraumöffnung beinhalten, die zum Bilden einer Hohlraumöffnung in dem Segment vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Hohlraumöffnung während des Zusammenbauens des Segments eine Komponente darin aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Komponente wenigstens eins von einem Sensor, einer Antenne und elektrischen Leitungen beinhaltet.
System zum Bilden eines Segments eines Bohrstrangs, wobei das System Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Schichten, wobei jede der Vielzahl von Schichten eine darin gebildete Öffnung beinhaltet; ein Ausrichtungsmerkmal, das die Vielzahl von Schichten aufnimmt, wobei das Ausrichtungsmerkmal die Bewegung der Vielzahl von Schichten auf zwei oder weniger Freiheitsgrade beschränkt; und einen Befestiger, der die Vielzahl von Schichten verbindet, um ein verschweißtes Segment zu bilden.
System nach Anspruch 14, wobei das Ausrichtungsmerkmal die Vielzahl von Schichten in einer im Voraus ausgewählten Reihenfolge aufnimmt.
System nach Anspruch 14, wobei das Ausrichtungsmerkmal das Entfernen wenigstens einer Schicht erlaubt, wenn ein Defekt in der wenigstens einen Schicht erkannt wird.
System nach Anspruch 16, wobei das Ausrichtungsmerkmal das Ersetzen der wenigstens einen Schicht mit wenigstens einer Ersatzschicht erlaubt, wobei jede der wenigstens einen Ersatzschichten eine Öffnung beinhaltet, die über dem Ausrichtungsmerkmal aufgenommen wird.
System nach Anspruch 17, wobei der Befestiger wenigstens eins von einem Elektronenstrahlschweißer, einem Lasersintergerät und einem Klebeverbinder beinhaltet.
System nach Anspruch 14, wobei ausgewählte der Vielzahl von Schichten eine Hohlraumöffnung beinhalten, die zum Bilden einer Hohlraumöffnung in dem Segment vorgesehen ist.
System nach Anspruch 19, wobei die Hohlraumöffnung eine Komponente darin aufnimmt.