DE4431229A1 - Anordnung zum Niederbringen einer Tiefbohrung mit einem hydrostatischen Abkopplungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Niederbringen einer Tiefbohrung nach dem Drehspülverfahren mittels eines Bohrstranges, mit einem Drehbohrwerkzeug am unteren Ende des Bohrstranges sowie einem Drehbohrantrieb, mit zumindest einem Schwerelement im unteren Teil des Bohrstranges, mit zumindest einer Bohrstange, mit zumindest einem hydro­ statischen Abkopplungselement in dem Bohrstrang und mit einer Spülungsanlage mit Spülungspumpe. Üblicherweise wird mit einem Bohrturm mit Haken, Hebewerk und Bohrstangenmani­ puliereinrichtung gearbeitet. Die Spülungsanlage ist in der Regel übertage angeordnet. Tiefbohrung bezeichnet im Rahmen der Erfindung Bohrungen, wie sie insbesondere im Ölfeld oder im Zusammenhang mit Explorationen üblich sind. Ihre Tiefe kann 5000 m und sogar 10 000 m und mehr betragen. Die Spül­ flüssigkeit setzt sich zusammen zumeist aus Wasser und Chemikalien. Sie baut in dem Bohrloch einen beachtlichen hydrostatischen Druck auf, der von oben nach unten mit 10 m Bohrlochtiefe um etwa 1 bis 2 bar, gelegentlich auch darüber, zunimmt. Das Drehbohrwerkzeug wird mit dem Dreh­ bohrantrieb drehend angetrieben. Es kann übertage angeordnet sein und das Drehbohrwerkzeug über den Bohrstrang antreiben, es kann aber auch in der Nähe der Bohrlochsohle im Bohr­ strang angeordnet sein, wobei der darüberliegende Teil des Bohrstranges meist nicht mitgedreht wird. Die Bohrstange kann bezüglich der Maße ihrer räumlichen Ausdehnung variieren. Bei Einsatz von Bohrstangen der herkömmlichen, praktisch starren Bauart wird eine Vielzahl von Bohrstangen benötigt. Wird demgegenüber ein Bohrschlauch (coiled tubing/pipe) als Bohrstange verwendet, so wird mit einer einzigen gleichsam endlosen Bohrstange gearbeitet. Ein hydrostatisches Abkopplungselement besteht aus zwei gegen­ einander gleitend abgedichteten hohlen Teilen, die bezüglich des Bohrstranges axialer Richtung gegeneinander verschiebbar sind, deren axiale Verschiebbarkeit in beiden axialen Rich­ tungen begrenzt ist, die an ihren freien Enden drehfest mit Bohrstangen kuppelbar sind, und die vorzugsweise aber nicht zwingend drehfest miteinander gekuppelt sind. Mittels eines hydrostatischen Abkopplungselementes wird der Bohrstrang in hydrostatisch selbständige Bohrstrangabschnitte aufgelöst, die an ihrem unteren Ende sowie an ihrem oberen Ende vom hydrostatischen Druck der Spülflüssigkeit im Bohrloch beauf­ schlagt werden. Dadurch wird der Bohrstrang im wesentlichen unter Zugspannung gehalten. Aufgrund dieser Zugspannung kann der Bohrstrang nicht ausknicken bzw. ausbiegen.

Eine Anordnung zum Niederbringen einer Tiefbohrung der eingangs genannten Art ist bekannt aus der Literaturstelle DE 40 40 155 C2. Die insofern bekannte Anordnung arbeitet zufriedenstellend, benötigt jedoch eine Vielzahl von hydro­ statischen Abkopplungselementen, da eine Vielzahl von hydro­ statisch selbständigen Bohrstrangabschnitten eingerichtet ist. Weiterhin sind die zwei gegeneinander gleitenden hohlen Teile der hydrostatischen Abkopplungselemente mittels Dichtungsanordnungen gegeneinander abgedichtet, welche im wesentlichen nach Maßgabe des größten hydrostatischen Druckes in der Tiefbohrung ausgestattet sind. Diese beiden genannten Maßnahmen sind aufwendig, da die insofern be­ kannten hydrostatischen Abkopplungselemente fertigungstech­ nisch schwierig herzustellen und folglich teuer sind und da eine größere Anzahl benötigt wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zu­ grunde, eine Anordnung zum Niederbringen einer Tiefbohrung anzugeben, welche bei weiterhin gewährleisteter Ausbiege­ bzw. Ausknicksicherheit weniger aufwendig und teuer ist.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung, daß das hydrostatische Abkopplungselement bei dem oberen Ende des Schwerelementes in den Bohrstrang eingefügt ist und daß das hydrostatische Abkopplungselement eine Dichtungs­ anordnung aufweist, welche im wesentlichen lediglich nach Maßgabe des Arbeitsdrucks der Spülungspumpe ausgelegt ist. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß ein Ausknicken bzw. Ausbiegen des Bohrstranges bereits dann sicher unterbunden werden kann, wenn der Bohrstrang in lediglich zwei hydrostatische Bohrstrangsabschnitte unter­ teilt wird, wobei ein Bohrstrangabschnitt lediglich das Schwerelement umfaßt. Dies ist deshalb überraschend, weil aufgrund der im Vergleich zum Schwerelement sehr großen Länge des restlichen, über dem Schwerelement angeordneten, eine hydrostatische Einheit bildenden Bohrstrangabschnitts, dessen Ausbiegen bzw. Ausknicken erwartet werden würde. Wegen der grundsätzlichen Funktion des hydrostatischen Ab­ kopplungselementes wird jedoch eine insofern in dem rest­ lichen Bohrstrangabschnitt aufgrund der Auftriebskraft störend hoch anzunehmender neutraler Punkt der Zug- bzw. Druckspannung gleichsam "heruntergezogen", da das Schwer­ element wie ein Gewicht eines Fadenpendels am restlichen Bohrstrang angehängt ist. Daher kann überraschenderweise auch mit einem praktisch endlosen Bohrschlauch gearbeitet werden. Dann ergibt sich ein hinsichtlich der Arbeits­ vorgänge beim Tiefbohren besonders geringer Aufwand. Bei der Verwendung eines Bohrschlauchs empfiehlt es sich, den Dreh­ bohrantrieb beim Drehbohrwerkzeug anzuordnen. Es überrascht aber auch, daß die Dichtungsanordnung des hydrostatischen Abkopplungselements nicht nach Maßgabe des hydrostatischen Drucks bei dem oberen Ende des Schwerelementes eingerichtet werden muß, sondern daß eine Auslegung lediglich nach Maß­ gabe des Arbeitsdruckes der Spülungspumpe dennoch die einwandfreie Funktion des hydrostatischen Abkopplungs­ elements auch bei dem vergleichsweise hohen hydrostatischen Druck am oberen Ende des Schwerelementes gewährleistet.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß das Gewicht des zum Niederbringen der Tiefbohrung erforderlichen Schwerelementes bzw. die Zahl der Schwerelemente teufen­ unabhängig ist, bei Einsatz lediglich eines einzigen hydro­ statischen Abkopplungselements. Die Kraftbeaufschlagung des Drehbohrwerkzeuges ergibt sich im wesentlichen aus der Ge­ wichtskraft des Schwerelementes und der teufenunabhängigen Auftriebskraft des Schwerelementes selbst. Weiterhin vor­ teilhaft ist, daß das hydrostatische Abkopplungselement, insbesondere die Dichtungsanordnung des hydrostatischen Ab­ kopplungselementes unabhängig von der Teufe der nieder zu­ bringenden Tiefbohrung stets gleich ausgebildet sein kann.

Im Rahmen der Erfindung gibt es weitere Möglichkeiten der Ausbildung. So kann ein zusätzliches hydrostatisches Abkopp­ lungselement bei dem Drehbohrwerkzeug angeordnet sein. Diese Ausführungsform empfiehlt sich, wenn ein Schwerelement ver­ wendet wird, welches koaxial zum Bohrstrang angeordnet ist und dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser der Bohrstange ist. Weiterhin kann ein zusätzliches hydro­ statisches Abkopplungselement im Bohrstrang oberhalb des Schwerelementes eingefügt sein. Ein solches zusätzliches hydrostatisches Abkopplungselement kann erforderlich werden, wenn die Gewichtskraft des Schwerelementes nicht ausreicht, um den neutralen Punkt im darüberliegenden Teil des Bohr­ stranges ausreichend weit "herunterzuziehen".

Wenn die Dichtungsanordnung des hydrostatischen Abkopplungs­ elementes als selbstdichtende Dichtung ausgeführt ist, er­ gibt sich eine besonders hohe Betriebssicherheit und Be­ triebsdauer. Im einzelnen ist es vorteilhaft, wenn die Dich­ tungsanordnung zumindest einen im wesentlichen ringförmigen Druckring mit keilförmigem Querschnitt sowie zumindest eine Ringdichtung mit zum Querschnitt des Druckrings komplemen­ tärem Querschnitt aufweist. Hierbei versteht sich, daß die von der Ringdichtung abgewandte Seite des Druckringes vom Druck der Spülflüssigkeit innerhalb des Bohrstranges beauf­ schlagt ist. Aufgrund der komplementären keilförmigen Quer­ schnitte von Druckring und Ringdichtung wird in der elastischen Ringdichtung eine Kraftkomponente in radialer Richtung eingebracht. Dadurch ist auch bei Verschleiß im Bereich der Dichtfläche der Ringdichtung eine lang anhal­ tende Dichtwirkung gewährleistet. Diese selbstdichtende Wirkung ist in besonderem Maße einrichtbar, wenn die Ring­ dichtung aus einem gummielastischen oder viskoelastischen Werkstoff besteht. Sofern der Überdruck im Inneren des Bohrstranges nicht ausreicht zur sicheren Gewährleistung der selbstdichtenden Wirkung der Dichtungsanordnung, kann die Dichtungsanordnung zusätzlich eine Druckfeder aufweisen zur Kraftbeaufschlagung des Druckringes in Richtung des Dicht­ rings, wobei die Druckfeder bezüglich des Spülmitteldrucks auf der Druckseite der Dichtungsanordnung angeordnet und an einer Stützfläche am Auftriebskompensator abgestützt ist.

Eine erfindungsgemäße Anordnung wird anhand der lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung in der Gesamtansicht,

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Bohrschlauch im Bohrstrang,

Fig. 3 eine teilweise aufgeschnittene Detailansicht eines hydrostatischen Abkopplungselements und

Fig. 4 eine Detailansicht der Dichtungsanordnung des Gegen­ standes in Fig. 3.

Im Ausführungsbeispiel Fig. 1 besteht die Anordnung zum Niederbringen einer Tiefbohrung nach dem Drehspülverfahren aus einem Bohrstrang 1 mit einem Drehbohrwerkzeug 2 am unteren Ende des Bohrstrangs 1 sowie einem Drehbohrantrieb 3, aus einem Schwerelement 4 im unteren Teil des Bohr­ stranges, und aus einer Mehrzahl von praktisch starren Bohr­ stangen 5. Weiterhin erkennt man ein hydrostatisches Abkopp­ lungselement 6 in dem Bohrstrang 1, welches bei dem oberen Ende des Schwerelementes 4 in den Bohrstrang 1 eingefügt ist. Die Anordnung weist ferner einen Bohrturm 7 mit Haken 8, Hebewerk 9, Bohrstangenmanipuliereinrichtung (aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeichnet) sowie eine Spülungs­ anlage mit Spülungspumpe 10 auf. Es versteht sich, daß zur Beaufschlagung des Drehbohrwerkzeugs 2 mit einer höheren Kraft auch mehrere Schwerelemente 4 eingerichtet sein können. In der Fig. 2 ist eine zum Gegenstand der Fig. 1 alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, wobei anstelle einer Vielzahl von Bohrstangen 5 eine einzige Bohrstange in Form eines Bohrschlauches 12 eingerichtet ist. Ein Bohrschlauch 12 ist eine praktisch endlose Bohrstange, welche übertage im Zuge des Bohrfort­ schrittes abgewickelt wird. Insofern ist ein Bohrschlauch weniger starr als ein aus einer Vielzahl von klassischen Bohrstangen 5 aufgebauter Bohrstrang 1. Bei Verwendung eines Bohrschlauchs 12 ist die Gefahr des Ausbiegens bzw. Aus­ knickens daher besonders groß, wenn die Anordnung insgesamt nicht den grundsätzlichen erfindungsgemäßen Aufbau aufweist. In der Fig. 2 erkennt man Schwerelemente 4, welche koaxial zum Bohrstrang 1 angeordnet sind. Der Innendurchmesser der Schwerelemente 4 ist größer als der Außendurchmesser der hohlen Bohrstangen 5′ des Bohrstrangs 1. Man erkennt weiter­ hin, daß das unterste Schwerelement 4 bei dem Dreh­ bohrwerkzeug 2 aufgestützt ist. In der Fig. 2 ist besonders deutlich zu erkennen, daß der Bohrstrang im wesentlichen gleichsam einem Fadenpendel unter Zugspannung gehalten ist.

Druckspannungen können allenfalls in den Schwerelementen 4 auftreten, stören dort jedoch nicht.

In der Fig. 3 ist ein hydrostatisches Abkopplungselement 6 von grundsätzlich bekanntem Aufbau dargestellt. Das hydro­ statische Abkopplungselement 6 besteht im wesentlichen aus zwei koaxialen Rohrstücken 17, 18, die ineinander geschoben sind und dabei gegeneinander gleiten. Der Gleitweg beträgt dabei zweckmäßigerweise weniger als 1 mm. Die Außenfläche des Innenstücks 17 gleitet (zumindest teilweise) auf der Innenfläche des Außenstückes 18. Zur Übertragung von Rotationskräften können die Außenflächen des Innenstücks 17 und die Innenflächen des Außenstücks 18 ineinander eingrei­ fende, durch den Gleitweg unbeeinträchtigte Verzahnungen aufweisen. Diese Verzahnungen sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet. Das Innenstück 17 und das Außen­ stück 18 sind über Gewinde 19, 20 in den Bohrstrang 1 ein­ fügbar. Insbesondere der Fig. 4 ist die spezielle Dichtungs­ anordnung gemäß der Erfindung im Detail entnehmbar. Die Dichtungsanordnung ist im wesentlichen nach Maßgabe des Arbeitsdrucks der Spülungspumpe ausgelegt. Dieser Arbeits­ druck der Spülungspumpe 10 mit typischerweise 100 bar bis 200 bar bei 5000 in Bohrtiefe ist im Vergleich zu hydro­ statischen Drucken, die insbesondere bei Tiefbohrungen im Bohrloch auftreten können, gering. Das hydrostatische Ab­ kopplungselement kann überraschenderweise dennoch teufenun­ abhängig eingesetzt werden. Im einfachsten Fall besteht die Dichtungsanordnung 11 aus einem O-Ring geeigneten Aufbaus. Es ist aber auch grundsätzlich möglich, die Dichtungsan­ ordnung 11 als Stopfbuchsdichtung auszuführen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Dichtungsanordnung 11 als selbstdichtende Dichtung aus­ geführt ist. Im einzelnen weist eine solche selbstdichtende Dichtungsanordnung 11 zumindest einen im wesentlichen ring­ förmigen Druckring 13 mit keilförmigem Querschnitt sowie zumindest eine Ringdichtung 14 mit zum Querschnitt des Druckring 13 komplementären Querschnitt auf. Die Ring­ dichtung 14 besteht dabei aus einem gummielastischen oder viskoelastischen Werkstoff. Gummielastische Werkstoffe sind beispielsweise Elastomere. Viskoelastische Werkstoffe sind beispielsweise thermoplastische Kunststoffe. Insbesondere aus der Fig. 4 wird deutlich, daß die vom Dichtring ab­ gewandte Fläche des Druckrings von der Spülflüssigkeit im Inneren des Bohrstrangs mit Druck beaufschlagt wird. Dem­ gegenüber wird eine äußere Teilfläche der Ringdichtung 14 mit dem Druck der Spülungsflüssigkeit im Bohrloch beauf­ schlagt. Da der Druck der Spülungsflüssigkeit im Inneren des Bohrstrangs höher ist als der Druck der Spülungsflüssigkeit im Bohrloch, wird durch die komplementären keilförmigen Querschnitte von Druckring 13 und Ringdichtung 14 eine radial nach innen gerichtete Kraft auf die Ringdichtung 14 ausgeübt. Hierdurch wird der Werkstoff der Ringdichtung 14 dichtend gegen das Innenstück 17 gepreßt. Bei Verschleiß der Dichtfläche der Ringdichtung 14 wird somit Werkstoff der Ringdichtung 14 gleichsam nachgeschoben. Es versteht sich, daß die Dichtungsanordnung 11 zusätzlich nach Maßgabe mög­ licher Druckschläge ausgelegt sein kann, die z. B. bei beabsichtigten oder unbeabsichtigten Anbohrungen eines unter Druck stehenden Erdgaslagers auftreten können. Die Dich­ tungsanordnung 11 kann zusätzlich eine Druckfeder 15 auf­ weisen, zur Kraftbeaufschlagung des Druckrings 13 in Rich­ tung des Dichtrings 14. Dabei ist die Druckfeder 15 be­ züglich des Spülmitteldrucks auf der Druckseite der Dich­ tungsanordnung 11 angeordnet und an der Stützfläche 16 des hydrostatischen Abkopplungselements 6 abgestützt.

Claims (9)

1. Anordnung zum Niederbringen einer Tiefbohrung nach dem Drehspülverfahren mittels eines Bohrstrangs (1) mit einem Drehbohrwerkzeug (2) am unteren Ende des Bohrstranges (1) sowie einem Drehbohrantrieb (3), mit zumindest eines Schwer­ element (4) im unteren Teil des Bohrstranges (1), mit zu­ mindest einer Bohrstange (5), mit zumindest einem hydrostatischen Abkopplungs­ element (6) in dem Bohrstrang (1) und dadurch gekennzeichnet,
daß das hydrostatische Abkopplungselement (6) bei dem oberen Ende des Schwerelements (4) in den Bohrstrang (1) eingefügt ist und
daß das hydrostatische Abkopplungselement (6) eine Dich­ tungsanordnung (11) aufweist, welche im wesentlichen ledig­ lich nach Maßgabe des Arbeitsdrucks der Spülungspumpe (10) ausgelegt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrstrang (1) mit einer Mehrzahl von praktisch starren Bohrstangen (5) ausgestattet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrstrang (1) zumindest einen Bohrstrangabschnitt mit einem Bohrschlauch (12) aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zusätzliches hydrostatisches Abkopp­ lungselement (6) bei dem Drehbohrwerkzeug (2) angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein zusätzliches hydrostatisches Abkopp­ lungselement (6) im Bohrstrang (1) oberhalb des Schwer­ elementes (4) eingefügt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung (11) als selbst­ dichtende Dichtung ausgeführt ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung zumindest einen im wesentlichen ringförmigen Druckring (13) mit keilförmigem Querschnitt sowie zumindest eine Ringdichtung (14) mit zum Querschnitt des Druckringes (13) komplementären Querschnitt aufweist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringdichtung (14) aus einem gummi­ elastischen oder viskoelastischen Werkstoff besteht.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtungsanordnung (11) zumindest eine Druckfeder (15) aufweist zur Kraftbeaufschlagung des Druck­ ringes (13) in Richtung des Dichtrings (14), und daß die Druckfeder (15) bezüglich des Spülmitteldrucks auf der Druckseite der Dichtungsanordnung (11) angeordnet und an einer Stützfläche (16) am hydrostatischen Abkopplungselement (6) abgestützt ist.