DE3721655A1

DE3721655A1 - Verfahren zur durchfuehrung einer erdbohrung mit oertlicher verminderung des druckes des bohrspuelmediums

Info

Publication number: DE3721655A1
Application number: DE19873721655
Authority: DE
Inventors: Andre Dorleans
Original assignee: Total Compagnie Francaise des Petroles SA; Compagnie Francaise des Petroles SA
Current assignee: Total Compagnie Francaise des Petroles SA
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1987-07-01
Publication date: 1988-01-21
Also published as: US4852667A; GB2192217A; GB8715204D0; DE3721655C2; FR2601065A1; GB2192217B; FR2601065B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung einer Erdbohrung mit einer Verminderung des Druckes der Bohrflüssigkeit entweder in Höhe des Bohrwerkzeuges oder in einer anderen Höhe längs des das Bohrwerkzeug tragenden Bohrstrangs.

Es kann nützlich sein, den im Laufe eines Bohrungsvortriebs auf eine Formation ausgeübten Druck zu verringern, um die Vortriebsgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges zu erhöhen. Es kann auch der Wunsch bestehen, eine geringe Menge des Strömungsmittels im Laufe der Durchführung der Bohrung durch eine Formation abzugeben, um dieses Strömungsmittel zu untersuchen, ohne daß der Bohrvorgang angehalten wird. Wenn im Laufe der Durchführung einer Bohrung eine Zone mit dort auftretenden Versickerungen durchtrieben wird, würde bei einer Druckverminderung gerade in dieser Zone die Möglichkeit bestehen, die Bohrung praktisch ohne Verlangsamung des Bohrvorganges weiterzutreiben.

Zu diesem Zweck ist bereits bekannt, einen Anteil der in der Bohrung des Bohrstrangs nach unten strömenden Flüssigkeit in einer bestimmten Injektionshöhe unmittelbar nach oben in den Ringraum zwischen Bohrlochwandung und Bohrstrang abzulenken, während der verbleibende Anteil der Bohrflüssigkeit das Werkzeug kühlt, die Abbau-Stirnfläche reinigt und den Abraum bzw. das Bohrklein über den Ringraum nach oben befördert, wobei er sich mit dem abgezweigten Bohrflüssigkeitsanteil oberhalb der Injektionshöhe vermischt.

Die Nutzungsversuche dieses Verfahrens zur örtlichen Druckverringerung der Bohrflüssigkeit waren jedoch bisher nicht erfolgreich, nachdem mit der verursachten Druckverringerung nicht einmal Werte von 10 m Wassersäule erreicht werden konnten.

Systematische Versuche, die mit zur Erfindung beitrugen, haben letztlich gezeigt, daß für unterhalb eines bestimmten Schwellwertes liegende Fördermengen von direkt in den Ringraum eingespeister Bohrflüssigkeit die Wirkung der Druckverminderung gering war und sich auch mit zunehmender injizierter Menge kaum oder überhaupt nicht erhöhte und in keinem Fall 10 m Wassersäule überschritten wurde, während andererseits bei jenseits dieses Schwellwertes liegenden Fördermengen eine Erhöhung der injizierten Flüssigkeitsmenge einen schnellen Anstieg der Druckdifferenz unterhalb der Injektionshöhe hervorrief, wobei diese Druckdifferenz bis zu 260 m Wassersäule betragen konnte.

Man glaubt, dieses Ergebnis durch das Zusammengehen zweier Wirkungen erklären zu können, nämlich eine Saugwirkung, die sich für unterhalb des Schwellwertes liegende Fördermengen einstellt und die sehr begrenzt ist, und eine Schub- oder Druckwirkung, die nur oberhalb dieses Schwellwertes auftritt, jedoch sehr schnell vorherrschend wird und weiterhin nach Maßgabe der Erhöhung der Fördermenge schnell anzuwachsen fortfährt.

Die oben beschriebenen Nachteile bei den Versuchen der Druckminderung der Bohrflüssigkeit im Ringraum erklären sich somit aus der Erfolglosigkeit einer Fördermengenerhöhung im Bereich der Experimentier-Fördermengen, weshalb man von einer Fortführung von Versuchen abgesehen hat und folglich auch nicht feststellen konnte, daß oberhalb einer bestimmten Fördermengenschwelle sich die Werte plötzlich merklich verbessern und es möglich wurde, beträchtliche Druckminderungen zu erreichen.

Die Druckwirkung muß aufgrund der Tatsache als günstig beurteilt werden, daß die Bohrflüssigkeit sich im allgemeinen wie ein Nicht-Newtonsches Medium verhält und daß die in den Ringraum nach oben injizierte Flüssigkeitsströmung sich schnell ausbreitet und ihren Schub auf einen großen Querschnitt des Ringraums ausübt. Dieses Verhalten der Flüssigkeit führt andererseits zu dem Nachteil, daß jegliche Berechnung sich äußerst kompliziert gestaltet. Ausgehend von Experimentalwerten hat man indessen eine angenäherte mathematische Formel ermittelt, die diesen Ergebnissen ungefähr Rechnung trägt, sobald die Druckminderung 10 m Wassersäule übersteigt und die Regelung der vorzugebenden Fördermenge genau durchzuführen ermöglicht.

Demnach läßt sich als Gegenstand der vorliegenden Erfindung definieren, ein Verfahren zur Durchführung einer Erdbohrung, mit einem an seinem unteren Ende ein Bohrwerkzeug tragenden Bohrstrang, der in einer anderen Höhe auf seiner Länge eine Ausbauchung aufweist, das mit einem System oder einer Gruppe von n Injektionsleitungen versehen ist, die in Längsrichtung nach oben weisen und das Innere des Bohrstranges mit dem Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und dem Bohrstrang in Verbindung bringen, um auf dieser Höhe direkt in den Ringraum einen Anteil der Bohrflüssigkeit abzulenken, die längs durch den Bohrstrang nach unten strömt, während der verbleibende Flüssigkeitsanteil zum Bohrwerkzeug und von dort in den Ringraum gelangt, wobei dieses Verfahren erfindungsgemäß insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, daß zwecks Erzielung einer Druckdifferenz H unterhalb der genannten Höhe, die (in Meter Wassersäule ausgedrückt) mehr als 10 m im Verhältnis zu dem Druck betragen soll, den die Bohrflüssigkeit ohne die Gruppe der n Injektionsleitungen hätte, die Fördermenge Q der Bohrflüssigkeit in der Gruppe der n Injektionsleitungen auf einen Wert (ausgedrückt in m³/sec) eingeregelt wird, der ungefähr gleich ist

wobei S und s Querschnitte in m² eines Teils des Ringabschnittes oberhalb der Ausbauchung zwischen einem den Umfang der Ausbauchung verlängernden gedachten Zylinder und dem Bohrstrang bzw. der Gruppe der n Injektionsleitungen sind.

Die Durchflußmenge durch das System der Injektionsleitungen wird nicht direkt gemessen, vielmehr wird diese von der an der Oberfläche in den Bohrstrang eingeführten Gesamtfördermenge abgezogen, wobei die Verteilung dieser Gesamtfördermenge zwischen der abgelenkten Fördermenge für die Direktinjektion in den Ringraum und der Fördermenge, die das Bohrwerkzeug erreicht, Grundlage zur Berechnung geometrischer Abmessungen des Injektionsrohrsystems und des Rohrleitungssystems zur Beaufschlagung des Bohrwerkzeuges bilden kann.

Es kann vorteilhaft sein, einen Bohrstrang anzuwenden, dessen Ausbauchung einen Außendurchmessser d aufweist, der dem Gesamtdurchmesser D des Bohrloches relativ derart nahekommt, daß das Verhältnis d/D mindestens 0,88 beträgt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung sind nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in grobschematischer Ansicht eine Zirkulationsanlage für Bohrflüssigkeit für den Betrieb zur Herstellung einer Erdbohrung,

Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 vergrößerten Längsschnitt durch den unteren Teil des Bohrloches mit dem Bohrwerkzeug und einer Ausbauchung im Bohrstrang, die mit dem Injektionsrohrsystem versehen ist,

Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 2 für den Fall, wo eine Bohrturbine oder ein Kernbohrer angewendet werden,

Fig. 4 ein Kurvenbild zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Druckdifferenz H in Abhängigkeit von der Fördermenge Q und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abschnittes des Bohrstrangs mit einer Ausbauchung für die Injektionsleitungen zur Erläuterung der in der Beschreibung angegebenen geometrischen Abmessungen.

Entsprechend Fig. 1 wird eine Erdbohrung 1 mit Hilfe eines Bohrwerkzeuges 2 niedergebracht, das am unteren Ende eines Bohrstrangs 3 mit Hilfe eines Anschlußstückes 4 befestigt ist, das die Bohrstangen 5 des Bohrstranges verbindet. Das Anschlußstück 4 bildet eine Ausbauchung mit dem Durchmesser d und enthält drei Injektionsleitungen, z. B. die Leitung 6 gemäß Fig. 2, die von der Längsbohrung 7 des aus Bohrstangen bestehenden Bohrstrangs ausgeht und in den zwischen der Bohrlochwandung 1 und dem Bohrstrang 5 gebildeten Ringraum 8 mit Düsen 9 mündet. Die Bohrflüssigkeit wird mit Hilfe von Pumpen 10 aus einem Ansaugbehälter 11 angesaugt und über eine flexible Rohrleitung 12 sowie einen Drehkopfanschluß 13 in die Bohrung des viereckigen Antriebsrohres 14 des Bohrstrangs eingeleitet.

Die in die Bohrung des Bohrstrangs eingeführte Bohrflüssigkeit fließt nach unten und erreicht den Anschlußteil 4, in dem der Bohrflüssigkeitsstrom sich in eine erste Teilmenge aufteilt, die durch die Injektionsleitungen 6 und die Düsen 9 nach oben in den Ringraum 8 abgelenkt wird, und in eine zweite Teilmenge, die weiter nach unten strömt, über eine Einzeldüse 15 das Bohrwerkzeug 2 erreicht und im Ringraum am Bohrwerkzeug 2 und am Anschlußteil 4 vorbei nach oben steigt, wobei sie oberhalb des Anschlußteiles 4 durch die aus den Düsen 9 austretende Bohrflüssigkeit angetrieben wird. Die Bohrflüssigkeit verläßt den Ringraum 8 über ein Austrittsrohr 16 (Fig. 1).

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform für die Anordnung des Anschlußteils 4, das sich hier nicht mehr unmittelbar oberhalb des Bohrwerkzeuges befindet, sondern von diesem durch eine Bohrturbine oder durch ein Kernbohrwerkzeug 17 getrennt ist. In diesem Fall ist ein Düsenträgeranschluß 18 vorgesehen, in dem sich eine Einzeldüse 19 ähnlich der Düse 15 in Fig. 2 befindet.

In Fig. 4 ist eine Kurve gezeigt, die man erhält, wenn man die in Wassersäulenhöhe ausgedrückten Druckunterschiede H in Abhängigkeit von der in Liter/Minuten ausgedrückten Fördermenge durch die Gesamtheit der Düsen aufträgt. Die Fördermenge Q wird von der Fördermenge abgeleitet, die am Ausgang der Pumpen 10, wie oben beschrieben, gemessen wird, während die Druckunterschiede H die Unterschiede sind zwischen dem unterhalb des Anschlußteiles 4 vor Beginn des Umlaufes der Bohrflüssigkeit gemessenen Druck und den verschiedenen unterhalb des Anschlußstückes 4 gemessenen Drücken bei anwachsenden Fördermengen Q. Die aufgetragene Kurve entspricht dem Versuch Nr. 5 der nachfolgenden Tabelle, in der neun durchgeführte Versuche aufgezeichnet sind in einem Bohrloch mit dem Durchmesser D = 31,11 cm, mit einem Bohrstrang 3 des Durchmessers d′ = 12,70 cm und einem aufgeweiteten Anschlußteil 4 des Durchmessers d = 28,57 cm, das drei einander gleiche, jedoch für die verschiedenen Versuche mit unterschiedlichen Durchmessern ausgestattete Düsen enthält, wobei ferner die Durchflußmenge QA in Liter/ min und der Druckunterschied HA in Wassersäulenhöhe für den in Fig. 4 an der Stelle A definierten Schwellwert, und in den gleichen Einheiten der maximale Druckunterschied HM, der sich im Laufe jedes Versuches einstellt, und die entsprechende Fördermenge QM eingetragen sind.

Diese Tabelle zeigt die Bedeutung des Druckunterschiedes, der zu erreichen möglich ist, wenn der Schwellwert A überschritten wird. Die Kurve in Fig. 4, die dem Versuch Nr. 5 entspricht, ist den Kurven ähnlich, die man aus den acht weiteren Versuchen erhält. Sie zeigt, daß unterhalb des Punktes A die erreichten Druckunterschiede H sehr gering anwachsen, wenn man die Fördermenge Q erhöht. Der Druckunterschied H unterhalb des Punktes A hat in keinem Fall 10 m Wassersäule überschritten. Im Gegenteil wachsen, sobald der am Punkt A bestehende Schwellwert überschritten ist, die Druckunterschiede H schnell an, wenn die Fördermenge Q vergrößert wird, wobei beträchtliche Werte erreicht werden können.

In Fig. 5 sind die Durchmesser D, d, d′ eingetragen, die weiter oben erwähnt worden sind, und außerdem sind der zuvor genannte Querschnitt S wie auch der Querschnitt s₁ einer Düse eingetragen, wobei der Querschnitt S dem Wert entspricht n×s₁.

Mit Hilfe des vorbeschriebenen Bohrverfahrens lassen sich im Laufe des Bohrungsvortriebs örtlich beliebige Druckverringerungen erreichen, die in der Praxis nützlich sind, beispielsweise bei der sonst mit hohen Spülverlusten sich vollziehenden Durchquerung einer bestimmten Formation, wobei das Anschlußstück 4 beispielsweise innerhalb des Bohrstrangs weiter oben angeordnet wird, um einen harten Fels zu durchbohren, um eine Probe des abströmenden Mediums bzw. des Bohrkleins zu entnehmen usw.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Erdbohrung mit Hilfe eines an seinem unteren Ende ein Bohrwerkzeug tragenden Bohrstrangs, der in einer anderen Höhe auf seiner Länge eine Ausbauchung aufweist, die eine Gruppe von n Injektionsleitungen enthält, welche in Längsrichtung nach oben weisen und das Innere des Bohrstranges mit dem Ringraum zwischen der Bohrlochwandung und dem Bohrstrang in Verbindung bringen, um auf dieser Höhe direkt in den Ringraum einen Anteil der Bohrflüssigkeit abzulenken, die längs durch den Bohrstrang nach unten strömt, während der verbleibende Flüssigkeitsanteil zum Bohrwerkzeug und von dort in den Ringraum gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung einer Druckdifferenz H unterhalb der genannten Höhe, die (in Meter Wassersäule ausgedrückt) mehr als 10 m im Verhältnis zu dem Druck betragen soll, den die Bohrflüssigkeit ohne die Gruppe der n Injektionsleitungen hätte, die Fördermenge Q der Bohrflüssigkeit in der Gruppe der n Injektionsleitungen auf einen Wert (ausgedrückt in m³/sec) eingeregelt wird, der ungefähr gleich ist, wobei S und s Querschnitte in m² eines Teils des Ringabschnittes oberhalb der Ausbauchung zwischen einem den Umfang der Ausbauchung verlängernden gedachten Zylinder und dem Bohrstrang bzw. der Gruppe der n Injektionsleitungen sind.

2. Bohrverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Bohrloch des Durchmessers D als Außendurchmesser der Ausbauchung ein Wert von wenigstens 0,88 D gewählt wird.