DE4432408A1

DE4432408A1 - Drilling rig and method

Info

Publication number: DE4432408A1
Application number: DE19944432408
Authority: DE
Inventors: Peter Allen
Original assignee: CAMBRIDGE DRILLING AUTOMATION
Current assignee: CAMBRIDGE DRILLING AUTOMATION
Priority date: 1993-09-03
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1995-03-09
Also published as: CA2130736A1; GB2282165A; NO943218D0; GB9318311D0; NO943218L

Abstract

Directional drilling apparatus comprises a drill string having coiled tubing (10) which extends down a bore being drilled and which is uncoiled as drilling progresses. A leading end of the drill string carries a drilling motor (28) having a body (26) and a bit (32) rotatably driven with respect to the body (26). The bit (32) and the body (26) are out of alignment by a bend angle (38). A multi-plate brake (42) activated by a piston (44) controls relative rotation between the motor body (26) and the coiled tubing (10) in order to control drilling course. <IMAGE>

Description

Field of the Invention

Diese Erfindung bezieht ich auf ein Bohrgerät und -verfahren mit Verwendung eines aus einem aufgewickelten Rohr bestehen den Bohrstranges.This invention relates to a drilling rig and method consist of using a coiled tube the drill string.

Background of the invention

Bei der Steuerung des Verlaufs eines Bohrloches unterschei det sich das Bohren mit Verwendung eines aufgewickelten Roh res von der normalen Bohrpraxis mit Verwendung eines sich drehenden Bohrstranges, weil der endlose Bohrstrang wegen seines Abwickelns von einer auf der Oberfläche stehenden Trommel nicht gedreht werden kann.Make a difference when controlling the course of a borehole drilling is done using a coiled raw res from normal drilling practice using a yourself rotating drill string because of the endless drill string its unwinding from one standing on the surface Drum cannot be rotated.

Beim herkömmlichen Bohren mit einem sich drehenden Bohr strang und einem Bohrlochmotor ist die Verwendung eines mit dem Motor integralen festen Bogens normal. Dies wird in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen gezeigt, in der der Motorkör per mit 1 bezeichnet ist, die von dem Bohrlochmotor angetrie bene, sich drehende Struktur bei 2 gezeigt wird, der feste Winkel des Bogens in dem Motorkörper bei 3 dargestellt und die sich drehende Bohrschneide bei 4 gezeigt wird. Wenn der Bohrverlauf geändert werden muß, wird die Bogenebene von der Oberfläche aus durch einfaches Drehen des vollständigen Bohr stranges bis zum Erreichen der neuen Ebene eingestellt. Wenn das Bohren dann mit festem Bohrstrang erneut beginnt, ändert sich der Verlauf des Bohrloches in der Ebene des Bogens. Die Winkelausrichtung der Ebene des Bogens wird "Werkzeugfläche" genannt.In conventional drilling with a rotating drill string and a downhole motor, the use of a fixed arc integral with the motor is normal. This is shown in Fig. 1 of the accompanying drawings, in which the motor body is indicated by 1 , the rotating structure driven by the downhole motor is shown at 2 , the fixed angle of the arc in the motor body at 3 and which are shown rotating bit is shown at 4 . If the drilling process has to be changed, the arc level is set from the surface by simply turning the complete drill string until the new level is reached. If drilling then starts again with a fixed drill string, the course of the borehole changes in the plane of the arch. The angular orientation of the plane of the arc is called the "tool surface".

Bei Erreichen des gewünschten Verlaufs, und wenn geradeaus gebohrt werden soll, wird der Bohrstrang von der Oberfläche aus stetig langsam gedreht. Der Bogen dreht sich dann, und dies führt zu einem Bohrloch, das allgemein gerade ist und etwas Übermaß aufweist.When the desired course is reached and when straight ahead The drill string is to be drilled from the surface from slowly turned steadily. The arc then turns, and this results in a borehole that is generally straight and has some excess.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Steuerung des Verlaufs, wenn der Bohrstrang aus einem aufgewickelten Rohr besteht und daher nicht gedreht werden kann.The present invention is concerned with the control of the Course when the drill string from a coiled pipe exists and therefore cannot be rotated.

Summary description of the invention

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung umfaßt das Bohrgerät einen Bohrstrang mit einem aufgewickelten Rohr, das in einer Bohrung während diese gebohrt wird nach unten verläuft und das bei fortschreitender Bohrung abgewickelt wird, wobei das vorlaufende Ende des Bohrstranges einen Bohrmotor mit einem Körper und einer gegenüber diesem in Drehung versetzten Bohr schneide trägt, die Bohrschneide und der Körper um einen Bo genwinkel gegeneinander versetzt sind und Einstellmittel zum Bewirken einer gesteuerten Drehung des Motorkörpers gegen über dem aufgewickelten Rohr zum Steuern des Bohrverlaufs vorgesehen sind.According to one aspect of the invention, the drill comprises a drill string with a coiled pipe that is in a Hole runs down and while this is being drilled which is carried out as the drilling progresses, whereby the leading end of the drill string a drill motor with a Body and a drill rotated relative to it cutting edge carries the cutting edge and the body around a Bo are offset from each other and adjusting means for Counter controlled rotation of the motor body over the coiled pipe to control the drilling process are provided.

Die Erfindung verwendet damit das Drehmoment vom Motor zum Erzielen der erforderlichen Werkzeugfläche oder Ausrichtung und zum Bewirken einer langsamen Drehung zum Geradeausboh ren.The invention thus uses the torque from the engine to Achieve the required tool area or alignment and to cause a slow turn to the straight boho ren.

Das Einstellmittel umfaßt vorzugsweise eine Bremse zum Steu ern der Relativdrehung zwischen dem Notorkörper und dem auf gewickelten Rohr. Die Bremse wird zweckmäßig durch ein Druck mittel, wie zum Beispiel eine Hydraulikflüssigkeit, akti viert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bremse eine Mehrscheibenbremse, die durch einen Kolben und einen Zy linder betätigt wird, die ihrerseits von einer hydraulischen Pumpe über die Hydraulikflüssigkeit angetrieben werden.The adjusting means preferably comprises a brake for control the relative rotation between the notor body and the coiled tube. The brake is expedient by pressure medium, such as a hydraulic fluid, acti fourth. In a preferred embodiment, the brake a multi-disc brake, which is by a piston and a Zy linder is operated, which in turn is operated by a hydraulic Pump driven by the hydraulic fluid.

Vorzugsweise wirkt die Bremse zwischen dem Motorkörper oder einer Verlängerung des Motorkörpers und einem Körper eines Steuerabschnittes, der zweckmäßig über einen Adapter an dem abwärtigen Ende des aufgewickelten Rohres befestigt ist. Der Steuerabschnitt nimmt zweckmäßig die Steuerelektronik ein schließlich eines Wandlers zum Messen der relativen Winkel stellung des Motorkörpers gegenüber einem Körper des Steuer abschnittes auf. Der Motor wird vorzugsweise durch unter Druck stehenden und über eine Zentralbohrung in dem Bohr strang zugeführten Schlamm angetrieben.The brake preferably acts between the motor body or an extension of the motor body and a body of one Control section, which is conveniently via an adapter on the is attached to the lower end of the coiled tube. Of the Control section appropriately takes the control electronics finally a transducer for measuring the relative angles position of the motor body against a body of the control section on. The engine is preferably powered by under Pressurized and through a central bore in the drill strand fed sludge driven.

Zum Erhöhen des zum Drehen des Motorkörpers zur Verlaufssteu erung verfügbaren Drehmomentes kann die Motorantriebswelle bis in den Steuerabschnitt verlängert werden, in dem steuer bare Feststellmittel zum Abbremsen der Drehung der Motoran triebswelle gegenüber dem Steuerabschnitt vorgesehen sind. Die steuerbaren Bremsmittel können eine hydraulisch oder elektrisch gesteuerte Klauen- oder Vielscheibenbremse sein.To increase the rotation of the motor body for gradient control The motor drive shaft can provide available torque to be extended into the tax section, in the tax bare locking means for braking the rotation of the motor Drive shaft are provided with respect to the control section. The controllable braking means can be hydraulic or be electrically controlled claw or multi-disc brakes.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Bohr verfahren unter Verwendung eines Bohrstranges mit einem auf gewickelten Rohr und einem Bohrmotor vorgesehen mit Verwen dung des Reaktionsdrehmomentes des Motors zum Bewirken einer gesteuerten einstellenden Drehung des Motorkörpers gegenüber dem aufgewickelten Rohr zum Bewirken der Steuerung der Bohr richtung.In another aspect of the invention is a drill process using a drill string with a coiled tube and a drill motor provided with use the reaction torque of the motor to cause a controlled adjusting rotation of the motor body the coiled tube to effect control of the drilling direction.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Da bei ist: Two embodiments of the invention will now be exemplified described with reference to the accompanying drawings. There at is:

Fig. 2 eine schematische Darstellung, teilweise im Längs schnitt, der ersten Ausführungsform, Fig. 2 is a schematic view, partially in longitudinal section, of the first embodiment,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, teilweise im Längs schnitt, der zweiten Ausführungsform und Fig. 3 is a schematic representation, partly in longitudinal section, of the second embodiment and

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab die Darstellung eines Teiles der Struktur von Fig. 3. FIG. 4 shows, on an enlarged scale, part of the structure of FIG. 3.

Das Bohrgerät der ersten Ausführungsform weist einen Bohr strang mit Verwendung eines aufgewickelten Rohres auf, des sen Bohrlochende in Fig. 2 bei 10 gezeigt wird. Das aufgewickelte Rohr hat einen Durchmesser von etwa 50 mm und wird bei Fortschreiten der Bohrung von einer Trommel an der Bodenober fläche abgewickelt. Wegen seines Abwickelns von einer Trom mel kann das aufgewickelte Rohr nicht in der gleichen Weise wie ein herkömmlicher Bohrstrang gedreht werden.The drill of the first embodiment has a drill string using a coiled pipe, the sen borehole end is shown in Fig. 2 at 10 . The wound tube has a diameter of about 50 mm and is unwound from the surface of the drum as the bore progresses. Because of its unwinding from a drum, the coiled tube cannot be rotated in the same way as a conventional drill string.

Fig. 2 zeigt die mit dem Bohrlochende des aufgewickelten Roh res verbundene Struktur. Ein Adapter 12 verbindet das aufge wickelte Rohr mit dem Körper 14 der Steuerelektronik. Dieser Körper ist drehfest mit einer Hülse 16 verbunden, die ihrer seits an einem Lager 20 enthaltenden Ring 18 befestigt ist. Der Körper 14 enthält einen weiteren Satz von Lagern 22. Die Lager 20 und 22 sind so angeordnet, daß sie zur gesteuerten Drehung eine Hohlwelle 24, die eine Verlängerung eines Gehäu ses 26 eines im unteren Teil von Fig. 2 gezeigten Bohrlochmo tors 28 ist, abstützen. Die Struktur links vom Pfeil 30 in Fig. 2 dreht sich gegenüber dem Motorkörper 26. Das Ende der sich drehenden Struktur wird durch eine die Schneidwirkung ergebende Bohrschneide 32 dargestellt. Unter gegenseitigem Abstand liegende Dichtungen 34 und 36 dichten die Welle 24 gegenüber dem Ring 18 bzw. dem Körper 14 ab. Fig. 2 shows the structure associated with the well end of the wound up res. An adapter 12 connects the wound tube to the body 14 of the control electronics. This body is non-rotatably connected to a sleeve 16 which is fastened on its side to a bearing 20 containing ring 18 . The body 14 contains another set of bearings 22 . The bearings 20 and 22 are arranged so that they support a controlled rotation of a hollow shaft 24 which is an extension of a housing 26 of a Bohrlochmo gate 28 shown in the lower part of FIG. 2. The structure to the left of arrow 30 in FIG. 2 rotates with respect to motor body 26 . The end of the rotating structure is represented by a cutting edge 32 which produces the cutting action. Mutually spaced seals 34 and 36 seal the shaft 24 against the ring 18 and the body 14, respectively.

Der Körper 26 des Motors enthält einen Bogen, das heißt eine Richtungsänderung, die in Fig. 2 bei 38 gezeigt wird und die in einem typischen Fall eine winkelmäßige Fehlausrichtung von 1 oder 2 Grad zwischen der Drehachse der Bohrschneide 32 und der Längsachse des größeren Teils des Körpers 26 aus macht. Es leuchtet ein, daß die gesteuerte Drehung der die Welle 24 ausmachenden rohrförmigen Verlängerung und damit des Motorkörpers 26 gegenüber dem Körper 14 der Steuerelek tronik die Werkzeugfläche zum Steuern der Bohrrichtung ver stellt. Der Motor 28 wird durch einen Strom von unter Druck stehendem Schlamm angetrieben, der dem Motor über eine Zen tralbohrung im Bohrstrang zugeführt wird. In Fig. 2 wird der Schlammstrom mit der Linie 40 dargestellt.The body 26 of the motor contains an arc, i.e. a change of direction, shown at 38 in Fig. 2 and which, in a typical case, results in a 1 or 2 degree angular misalignment between the axis of rotation of the cutting bit 32 and the longitudinal axis of the major part of the Body 26 from makes. It is clear that the controlled rotation of the shaft 24 constituting the tubular extension and thus the motor body 26 relative to the body 14 of the control electronics sets the tool surface for controlling the drilling direction. The motor 28 is driven by a stream of pressurized mud, which is fed to the motor through a central bore in the drill string. In Fig. 2 the sludge flow is shown by line 40.

Die Relativdrehung zwischen der Welle 24 und dem Körper 14 der Steuerelektronik wird mit einer Vielscheibenbremse 42 ge regelt, die in dem Ringraum zwischen der Hülse 16 und der Welle 24 aufgenommen wird und von diesen Bauteilen abwech selnd vorspringende Platten aufweist. Die Bremswirkung wird mit einem in einem ringförmigen Zylinder 46 verschiebbaren ringförmigen Kolben 44 geändert. Der Zylinder 46 wird mit von einer hydraulischen Pumpe 48 abgeleiteter Hydraulikflüs sigkeit unter Druck gesetzt. Die Pumpe wird entweder elek trisch oder mechanisch von der Motorkörperverlängerung ange trieben. Eine Änderung im hydraulischen Druck bewirkt eine Änderung des auf die Scheiben der Bremse 42 ausgeübten Druckes und damit eine Änderung in der Stärke des Bremsmomentes.The relative rotation between the shaft 24 and the body 14 of the control electronics is regulated with a multi-disc brake 42 , which is received in the annular space between the sleeve 16 and the shaft 24 and alternately has protruding plates from these components. The braking effect is changed with an annular piston 44 which is displaceable in an annular cylinder 46 . The cylinder 46 is pressurized with hydraulic fluid derived from a hydraulic pump 48 . The pump is driven either electrically or mechanically by the motor body extension. A change in hydraulic pressure causes a change in the pressure exerted on the disks of the brake 42 and thus a change in the strength of the braking torque.

Ein in der Steuerelektronik untergebrachter Wandler mißt die relative Winkellage der Welle 24 und des Körpers 14. Eine In formation von diesem Wandler ermöglicht auch das Ausrechnen der Drehgeschwindigkeit der Welle 24 und des Körpers 14. Das Bezugszeichen 49 zeigt eine an die Steuerelektronik ange schlossene elektrische Drahtleitung.A transducer housed in the control electronics measures the relative angular position of the shaft 24 and the body 14 . An information from this converter also enables the rotational speed of the shaft 24 and the body 14 to be calculated. The reference numeral 49 shows an electrical wire line connected to the control electronics.

Wenn der Verlauf geändert werden muß, wird die für die Ände rung der Bohrrichtung auf den neuen Verlauf notwendige Werk zeugfläche errechnet. Zum Einstellen dieser Werkzeugfläche wird der Körper 26 des Motors gegenüber dem Körper 14 der Steuerelektronik langsam gedreht. Aus der Reaktion des Mo tors wird das Drehmoment abgeleitet, bis die erforderliche Werkzeugfläche erreicht ist. Dann wird die Bremse 42 ange legt und die Welle 24 gegenüber dem Körper 14 der Steuerelek tronik wirksam verriegelt. Die Steuerung dieses Verfahrens erfolgt über Ventile, die der Kolben- und Zylinderanordnung das Öl zuführen. Die Drehgeschwindigkeit des Körpers 26 wird während der Einstellung der Werkzeugfläche über ein geschlos senes Steuersystem gesteuert. Die Ist-Geschwindigkeit wird von dem Winkelstellungswandler abgeleitet.If the course has to be changed, the tool area necessary for changing the drilling direction to the new course is calculated. To set this tool surface, the body 26 of the motor is slowly rotated relative to the body 14 of the control electronics. The torque is derived from the reaction of the motor until the required tool area is reached. Then the brake 42 is placed and the shaft 24 is locked against the body 14 of the control electronics. This process is controlled by valves which supply the oil to the piston and cylinder arrangement. The rotational speed of the body 26 is controlled by a closed control system during the setting of the tool surface. The actual speed is derived from the angular position converter.

Bei Erreichen des gewünschten Bohrverlaufs, und wenn eine Ge radeausbohrung verlangt wird, wird der Motorkörper 26 in ei ne stetige Drehung versetzt. Dies führt zum Ausbohren eines Bohrloches mit geringem Übermaß in einer Geradeausrichtung.When the desired drilling profile is reached, and if a radial drilling is required, the motor body 26 is set in a continuous rotation. This leads to the drilling of a borehole with a small oversize in a straight direction.

Ein möglicher Mangel der Ausführungsform nach Fig. 2 liegt darin, daß das für die Drehung des Motorkörpers 26 verfügba re Drehmoment für das Bewirken der erforderlichen Drehung des Motorkörpers nicht ausreicht. Dies kann zum Beispiel ge schehen, wenn das Bohrgestänge "keyseated" wird oder klemmt und ein zum Erzeugen des Bohrschneidendrehmomentes nicht aus reichendes Gewicht auf die Bohrschneide ausgeübt wird. Die Abänderung nach den Fig. 3 und 4 ist zum Überwinden die ses möglichen Mangels vorgesehen.A possible shortcoming of the embodiment of FIG. 2 is that the torque available for the rotation of the motor body 26 is insufficient for effecting the required rotation of the motor body. This can happen, for example, when the drill string is "keyseated" or jammed and a weight that is insufficient to generate the cutting edge torque is exerted on the cutting edge. The modification according to FIGS. 3 and 4 is intended to overcome this possible deficiency.

In den Fig. 3 und 4 sind den Teilen von Fig. 2 entspre chenden Teilen die gleichen Bezugszeichen gegeben worden. Die Ausführungsform nach Fig. 3 und Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 dadurch, daß die drehbare Welle 50 des Schlammotors 28 in den Fig. 3 und 4 durch die Hohlwel le 24, die eine Verlängerung des Motorkörpers darstellt und in den Steuerabschnitt verläuft, verlängert ist. Zum Verrie geln der Motorwelle 50 am Körper 40 des Steuerabschnittes werden dann Bremsmittel 52 entweder mit einer Klauen- oder einer Vielscheibenbremse vorgesehen. Unter diesen Umständen steht das maximale Schlammotordrehmoment zum Drehen des Kör pers 26 des Motors zur Verfügung, und damit wird bei dieser Ausführungsform die maximale Verwendung des Reaktionsdrehmo mentes gemacht.In FIGS. 3 and 4 have been given the same reference numerals to the parts of FIG. 2 entspre sponding parts. The embodiment of FIG. 3 and FIG. 4 differs from that according to FIG. 2, characterized in that the rotatable shaft 50 of the mud motor 28 in FIGS. 3 and 4 le by the Hohlwel 24, which is an extension of the engine body and in the Control section runs, is extended. To lock the motor shaft 50 on the body 40 of the control section, brake means 52 are then provided with either a claw or a multi-disc brake. Under these circumstances, the maximum mud motor torque is available for rotating the body 26 of the motor, and thus the maximum use of the reaction torque is made in this embodiment.

Claims

1. Drill with a drill string with a coiled Pipe that is in a hole while drilling to un ten runs and abge as the well progresses is wound, with the leading end of the drill string a drill motor with a body and a cutting edge that is turned towards the body and that Cutting edge and the body against a bending angle are offset from one another and adjusting means for effecting the controlled rotation of the drill body relative to the coiled pipe to control the drilling process hen are.

2. Drill according to claim 1, characterized in that the setting means a brake for controlling the relative rotation between the motor body and the wound Embrace pipe.

3. Drill according to claim 2, characterized in that the brake by a pressure medium, for example a Hy draulic fluid, is activated.

4. Drill according to claim 3, characterized in that the brake is a multi-disc brake made by one Piston and a cylinder is operated by a Hydraulic fluid from a hydraulic pump be driven.

5. Drill according to any one of the preceding claims, characterized in that the brake between the Mo gate body or an extension of the same and one Body of a control section takes effect on the is attached to the lower end of the coiled tube.

6. Drill according to claim 5, characterized in that the control section including the control electronics a transducer for measuring the relative angular position of the engine body against a body of the control unit cuts.

7. Drill according to claim 5 or 6, characterized net that to increase the to rotate the motor body for the control of the curve of the available torque Motor drive shaft extended to the control section is where controllable braking means for locking the Dre hung the motor drive shaft opposite the Steuerab cut are provided.

8. Drill according to claim 7, characterized in that the controllable braking means a claw or multiple shit include brake.

9. Drill according to any one of the preceding claims, characterized in that the motor by a Central bore in the drill string fed under pressure standing mud is driven.

10. Method of drilling using a drill string including a coiled tube and one Drill motor, characterized by the use of the reak tion torque of the motor to effect a controlled Adjustment rotation of the motor body compared to the wound Pipe for effecting control of the drilling direction.