DE3685809T2

DE3685809T2 - Verfahren zum bohren eines bohrloches.

Info

Publication number: DE3685809T2
Application number: DE8686202313T
Authority: DE
Inventors: Robert Bruce Stewart
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1986-12-17
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2006-12-18
Also published as: DE3685809D1; NO865243D0; NO865243L; EP0227193B1; US4718503A; EP0227193A3; AU577209B2; NO174521B; AU6683786A; GB8531627D0; EP0227193A2; MY100028A; NO174521C; CA1270810A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs in unter der Oberfläche gelegene Erdformationen unter Verwendung eines drehenden Bohrmeißels.
Beiin herköminlichen Bohren ist der Bohrmeißel gewöhnlich mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges mit einfacher Bohrung verbunden. Während des Bohrens wird eine Bohrspülung nach unten durch das Bohrgestänge und nach oben durch den Bohrlochringspalt zwischen dem Rohrgestänge und der Bohrlochwand umgewälzt. Die umgewälzte Bohrspülung erfüllt drei grundsätzliche Aufgaben: Kühlung des Bohrwerkzeugs, Transportieren des Bohrkleins über Tage und Sicherung des Bohrlochs.
Eine Bohrspülung von ausreichender Viskosität, Kontrolle des Flüssigkeitsverlustes und ausreichender Dichte zur Erfüllung dieser Aufgaben ist von Natur aus hinsichtlich einer hohen Abteufgeschwindigkeit des Bohrwerkzeugs schlecht geeignet. In der Praxis werden bei der Zusammensetzung der Flüssigkeit Kompromisse gemacht, und die Bohrgeschwindigkeit ist üblicherweise der Parameter mit den weitestgehenden Kompromissen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs zu schaffen, das eine große Bohrgeschwindigkeit erinöglicht, ohne daß Zugeständnisse hinsichtlich des Grades der Bohrlochsicherung eingegangen werden müssen.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrmeißel, der an ein Bohrrohr gekoppelt ist, das konzentrisch von einem äußeren Rohr und einem dazwischenliegenden, ringförmigen Raum umgeben ist, mit den Schritten des Bohrens eines Bohrlochabschnitts unter Zirkulieren einer ersten, niedrig-viskosen Bohrflüssigkeit durch den Innenraum des Bohrrohres, des Bohrmeißels und des ringförmigen Raums zwischen den Rohren, und des im wesentlichen Stationärhaltens einer Menge einer zweiten Flüssigkeit in einem Bohrlochringspalt zwischen dem äußeren Rohr und der Bohrlochwand, erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß der Bohrlochabschnitt unter Einsatz eines Rohrgestänges mit einem Paar konzentrischer Bohrrohre gebohrt wird, die durch das genannte Bohrrohr und das genannte äußere Rohr gebildet sind, wobei die Bohrrohre zum Bilden eines ungeteilten Rohrabschnitts zusammengesetzt sind, und daß nach Beenden des Bohrens eines Bohrlochabschnitts die genannte erste Flüssigkeit aus dem Innenraum des inneren Rohres und aus dem ringförmigen Raum zwischen den Rohren durch Zirkulieren der genannten zweiten Flüssigkeit durch diese Räume verdrängt wird, bis der Innenraum und der ringförmige Raum vollständig mit der zweiten Flüssigkeit gefüllt sind, wodurch nach Füllen des Innenraums und des ringförmigen Raums mit der zweiten Flüssigkeit diese durch das Rohrgestänge nach unten und durch den Bohrlochringspalt nach oben zirkuliert wird.
Aus der US-PS 2,716,018 ist ein Verfahren zum Bohren eines Bohrloches mit einem Bohrmeißel bekannt, der mit einem drehenden Bohrrohr verbunden ist, welches konzentrisch von einem nichtdrehenden äußeren Rohr umgeben ist. Das Bohrrohr und das äußere Rohr sind über Tage durch unabhängig gesteuerte getrennte Haltevorrichtungen abgestützt, und zwischen den beiden Rohren sind Lager zur Aufnahme der Relativdrehung der Rohre angeordnet. Es ist diesem bekannten Verfahren eigen, daß ein kompliziertes Steuerungssystem erforderlich ist, das die genannten Haltevorrichtungen so steuert, daß das Bohrrohr und das äußere Rohr beim Bohren zur gleichen Zeit und mit einer kontrollierten Belastung des Bohrmeißels abgesenkt werden, und daß die Lager Abnutzung erfahren.
Es wird die Verwendung einer hochviskosen Spülung von hoher Dichte als zweite Flüssigkeit bevorzugt, weil z.B. Wasser als die erste, niedrigviskose Flüssigkeit verwendet wird.
Die Erfindung läßt sich in verschiedenen Weisen ausführen; es wird jedoch jetzt eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detailliert beschrieben, in der die Figuren 1 bis 3 schematisch ein Bohrloch darstellen, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebohrt wird.
Fig. 1 bis 3 zeigen ein durch eine unter der Oberfläche gelegene Erdformation 1 durchgehendes Bohrloch. Im Bohrloch befindet sich eine Bohrvorrichtung mit einem drehenden Bohrmeißel 2, der mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges verbunden ist. Das Bohrgestänge besteht aus einem Paar konzentrischer Gestänge mit inneren und äußeren Bohrrohren 4 bzw. 5.
Beim gezeigten Beispiel sind die unteren Abschnitte 6 des äußeren Bohrrohres 5 von vergrößerter Wanddicke, und damit vergrößertem Gewicht, derart, daß der Bohrmeißel 2 während des Bohrens stabilisierbar ist. Diese Abschnitte sind ferner mit (nicht dargestellten) Schwerstangenführungen versehen, die den Bohrmeißel 2 in der Bohrlochmitte halten.
Die Schwerstangenführungen drosseln ferner die Strömung von Flüssigkeiten vom Bohrmeißel 2 in den Bohrlochringspalt 7 zwischen dem äußeren Rohrgestänge 5 und der Bohrlochwand 8.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird eine erste, niedrigviskose Flüssigkeit, z.B. Wasser, während des Bohrens (entsprechend dem Pfeil I) nach unten durch das Hohl 10 des inneren Bohrrohres und (entsprechend den Pfeilen II) durch den ringförmigen Raum 21 zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr nach oben umgewälzt. Die erste, niedrigviskose Flüssigkeit ist in der Zeichnung durch gekreuzte dicke Linien dargestellt. Während des Bohrens wird eine Menge einer zweiten Flüssigkeit, z.B. eine hochviskose Spülung von hoher Dichte, im Bohrlochringspalt 7 stationär gehalten. In der Zeichnung ist die zweite Flüssigkeit durch diagonale dicke Linien dargestellt. Gemäß Fig. 2 bilden die dicken Abschnitte des äußeren Bohrrohres 5 und die darauf montierten Schwerstangenführungen eine Sperre, welche die die Meißelstirnfläche umspülende erste Flüssigkeit von der den Ringspalt 7 füllenden zweiten Flüssigkeit trennt.
Beim Bohren kann der Bohrlochringspalt 7 an seinem oberen Ende verschlossen werden, so daß die zweite Flüssigkeit im wesentlichen stationär gehalten ist. Während des Bohrens kann jedoch eine kleine Menge dieser zweiten Flüssigkeit in das obere Ende des Bohrlochringspaltes 7 eingeleitet werden, um das durch das Abteufen des Bohrloches vergrößerte Volumen des Bohrlochringspaltes 7 und das Mitziehen der zweiten Flüssigkeit durch die erste Flüssigkeit im Bereich der unteren Abschnitte 6 auszugleichen.
Wenn die Dichte der zweiten, stationären Flüssigkeit größer ist als die der ersten, zirkulierenden Flüssigkeit, sollte der Umwälzdruck der ersten Flüssigkeit im Bohrloch ausreichend groß sein, um das Gewicht der schwereren zweiten Flüssigkeit im Bohrlochringspalt 7 abzustützen. Berechnungen von Bohrspülungs-Umwälzdrücken im Bohrloch haben gezeigt, daß bei handelsüblichen konzentrischen Bohrgestängen der Umwälzdruck im Bohrloch im allgemeinen ausreicht, um das Gewicht der stationären zweiten Flüssigkeit abzustützen, wenn eine vorbestimmte Menge umgewälzt wird. Beispielsweise ist bei einem 300 m tiefen Bohrloch eine Wasserumwälzgeschwindigkeit von 0,16 m³ je Minute im allgemeinen ausreichend, um eine Spülungssäule von derselben Dichte zu tragen. In einem 3000 m tiefen Bohrloch ist eine Wasserumwälzgeschwindigkeit von 0,24 m³ je Minute im allgemeinen ausreichend, um eine Spülungssäule von derselben Dichte zu tragen. Diese Umwälzgeschwindigkeiten sind um eine Größenordnung kleiner als Umwälzgeschwindigkeiten für Bohrdickspülungen in Bohrlöchern; daher ist die Abstützung einer hochdichten Dickspülungssäule im Bohrlochringspalt 7 im allgemeinen kein Problem.
Gemäß Fig. 3 wird bei Beendigung des Bohrens oder wenn ein neues Rohr angesetzt werden muß, die erste Flüssigkeit innerhalb der Rohrgestänge durch Einleiten der zweiten, schweren und viskos gemachten Flüssigkeit in das innere Rohrgestänge (siehe Pfeil III) verdrängt, bis das gesamte Bohrloch entsprechend Fig. 1 mit dieser zweiten Flüssigkeit gefüllt ist. Dadurch ist sichergestellt, daß das Bohrloch gesichert bleibt, und daß alles Bohrklein daraus abgeführt wird. Die Verdrängung der ersten Flüssigkeit im Hohl des Rohrstrangs dauert im allgemeinen nur wenige Minuten, weil die zweite Flüssigkeit im Ringspalt in diesen Vorgang nicht einbezogen ist. Ein Erneuern der zweiten Flüssigkeit im Bohrlochringspalt 7 kann von Zeit zu Zeit notwendig sein, z.B. zur Erhaltung des guten Zustandes des sogenannten "Schlammkuchens" an der Bohrlochwand. Ist ein Austausch erwünscht, wird die erste Flüssigkeit in den Rohrsträngen 4 und 5 zuerst durch die zweite Flüssigkeit in der im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Weise ersetzt. Sodann wird der Ringspalt 7 an seinem oberen Ende geöffnet, und es wird, wie in Fig. 1 dargestellt, die zweite Flüssigkeit sowohl durch das innere Rohr 4 als auch durch den Ringspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Rohrstrang 4 und 5 (entsprechend den Pfeilen IV) nach unten umgewälzt und verdrängt die im Bohrlochringspalt 7 vorhandene Flüssigkeit (entsprechend den Pfeilen V) durch frische Flüssigkeit.
Weil die zweite Flüssigkeit während des Bohrens nicht umgewälzt wird, wird sie kaum verunreinigt und ist daher voraussichtlich nach Beendigung der Arbeiten wiederverwendbar. In den letzten Jahren ist es üblich geworden, Bohrspülungen für Bohrlöcher mit teueren Zusätzen zu versehen, um die Flüssigkeit mit dem das Bohrloch umgebenden Erdreich chemisch kompatibel zu machen und für ein gleichmäßiges Verschließen der Bohrlochwand zu sorgen. Die Wiederverwendbarkeit solcher Flüssigkeiten führt zu einer bedeutende Senkung der Bohrkosten.
Die erste Flüssigkeit, welche während des Bohrens durch das Bohrgestänge umgewälzt wird, ist gewöhnlich eine vergleichbar billige, niedrigviskose Flüssigkeit von geringer Dichte, z.B. Wasser, Öl oder Sole, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Bohrgestänge umgewälzt werden kann, so daß eine bestmögliche Kühlung des Bohrmeißels erreicht und das Bohrklein rasch aus dem Bohrloch abgeführt werden kann. In den meisten Bodenformationen wird als die zweite Ringspalt-Flüssigkeit eine hochviskose Bohrspülung von hoher Dichte verwendet.
Bei einigen Bodenformationen, z.B. bei Formationen hoher Durchlässigkeit, bei denen es zu Schwierigkeiten durch Umwälzverluste kommen kann, kann die Dichte der zweiten Flüssigkeit gleich oder sogar geringer als die der ersten, zirkulierenden Flüssigkeit gewählt werden.
Es versteht sich, daß erfindungsgemäß verschiedene Flüssigkeitsarten als erste Flüssigkeit durch das Bohrgestänge umgewälzt werden können, und daß verschiedene Flüssigkeitsarten als zweite Flüssigkeit in den Bohrlochringspalt eingeleitet werden können, aber daß es wesentlich ist, daß beim Bohren ein Zwei-Flüssigkeiten-System im Bohrloch vorhanden ist, und daß die zweite Flüssigkeit im Bohrlochringspalt stationär gehalten wird und nicht über das Bohrgestänge und den Bohrmeißel umgewälzt wird wie die erste Flüssigkeit.
Es versteht sich ferner, daß zusätzlich zur Strömungsdrosselung durch Schwerstangenführungen und/oder Bohrgestängeabschnitte mit vergrößerter Wanddicke oder anstelle von ihnen andere strömungsdrosselnde Einrichtungen am unteren Ende des Ringspaltes angeordnet sein können, z.B. eine Dichtungswand, die sich bei Erhöhung des Umwälzdruckes über einen voreingestellten Wert hinaus öffnet. Es versteht sich auch, daß die Bohrvorrichtung mit zusätzlichen im Bohrloch selbst angeordneten Einrichtungen, z.B. mit einem im Bohrloch selbst eingesetzten Bohrmotor und Überwachungsinstrumenten versehen sein kann, die mit Spülungsimpuls-Telemetriegeräten kombiniert sein können.

Claims

1. Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrmeißel, der an ein Bohrrohr gekoppelt ist, das konzentrisch von einem äußeren Rohr und einem dazwischen liegenden, ringförmigen Raum umgeben ist, mit den Schritten des Bohrens eines Bohrlochabschnitts unter Zirkulieren einer ersten, niedrig-viskosen Bohrflüssigkeit durch den Innenraum des Bohrrohrs, des Bohrmeißels und des ringförmigen Raums zwischen den Rohren, und des im wesentlichen Stationärhaltens einer Menge einer zweiten Flüssigkeit in einem Bohrlochringspalt zwischen dem äußeren Rohr und der Bohrlochwand, dadurch gekennzeichnet , daß der Bohrlochabschnitt unter Einsatz eines Rohrgestänges mit einem Paar konzentrischer Bohrrohre gebohrt wird, die durch das genannte Bohrrohr und das genannte äußere Rohr gebildet sind, wobei die Bohrrohre zum Bilden eines ungeteilten Rohrabschnitts zusammengesetzt sind, und daß nach Beenden des Bohrens eines Bohrlochabschnitts die genannte erste Flüssigkeit aus dem Innenraum des inneren Rohrs und aus dem ringförmigen Raum zwischen den Rohren durch Zirkulieren der genannten zweiten Flüssigkeit durch diese Räume verdrängt wird, bis der Innenraum und der ringförmige Raum vollständig mit der zweiten Flüssigkeit gefüllt sind, wodurch nach Füllen des Innenraums und des ringförmigen Raums mit der zweiten Flüssigkeit diese durch das Rohrgestänge nach unten und durch den Bohrlochringspalt nach oben zirkuliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während des Bohrens eine ausgewählte Menge der zweiten Flüssigkeit auf die im wesentlichen stationäre Menge der zweiten Flüssigkeit im Bohrlochringspalt gegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste, niedrig-viskose Bohrflüssigkeit Wasser ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Flüssigkeit ein gewichtsbelasteter Schlamm ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während des Bohrens die erste, niedrig-viskose Bohrflüssigkeit durch den Innenraum des inneren Bohrrohrs nach unten und durch den gesamten ringförmigen Raum nach oben zirkuliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem strömungshemmende Mittel am äußeren Bohrrohr befestigt sind, um einen Flüssigkeitsstrom vom Bohrlochgrund in den genannten Ringspalt und umgekehrt zu begrenzen.