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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Verfahren und Vorrichtungen
zum Bohren von Bohrlöchern.
Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Bohren von Bohrlöchern entlang
eines ausgewählten
Bohrpfades in einer richtungsstabilen Weise.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Das
Einbringen von Bohrlöchern
in Erdformationen beispielsweise zum Zweck der Erdölgewinnung
beinhaltet das Drehen einer Bohrkrone, während auf die Bohrkrone eine
axiale Kraft ausgeübt wird.
Zu Systemen zum Ausüben
der axialen Kraft und zum Drehen der Bohrkrone gehören Bohrplattformen,
die einen Bohrstrang, der mit der Bohrkrone verbunden ist, direkt
drehen können.
Alternativ oder zusätzlich
können
verschiedene Arten von hydraulisch oder pneumatisch betriebenen
Motoren mit der Bohrkrone verbunden sein. Diese sogenannten "Spülmotoren
bzw. Spülungsmotoren" werden dadurch angetrieben,
dass man Bohrfluid durch sie hindurchpumpt. Generell gibt es zwei
Grundtypen von Spülmotoren.
Ein Motortyp heißt "Verdrängermotor". Verdrängermotoren
enthalten einen mit Kammern versehenen Stator im Inneren des Motorgehäuses, das
in der Regel mit einem Elastomermaterial ausgekleidet ist, und einen
Rotor, der drehbar mit der Motorabtriebswelle (und dadurch mit der
Bohrkrone) verbunden ist. Eine Bewegung von Bohrfluid durch die
Kammern, die zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildet sind,
bewirkt eine Drehung des Rotors entsprechend dem durch den Motor
gepumpten Fluidvolumen. Der andere Typ eines Spülmotors heißt "Turbine", weil der Ausgang des Motors mit einer
Turbine verbunden ist, die im Inneren des Motorgehäuses angeordnet
ist, wie es beispielsweise in US-A-4,040,495 offenbart ist.
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Es
ist auf diesem technischen Gebiet bekannt, ein Bohrloch entlang
eines ausgewählten Bohrpfades
zu bohren, um in bestimmte unterirdische Erdformationen einzudringen,
die von der Stelle, an der sich das Bohrloch an der Erdoberfläche befindet,
versetzt sind. Diese Techniken zum Bohren entlang solcher Bohrpfade
sind unter dem Sammelbegriff "Richtungsbohren" bekannt. Beim Richtungsbohren
werden Spülmotoren
mit Gehäusen
verwendet, die um einen vorgegebenen Winkel gekröpft sind. Diese Motoren bewirken,
dass sich der Pfad des Bohrlochs in die Richtung des Innenraums
der Kröpfung
des Gehäuses ändert. Eine
Klasse solcher Motoren nennt man "lenkbar", wobei der vorgegebene Winkel etwa
ein halbes Grad beträgt.
Wenn das Gehäuse
eines lenkbaren Motors durch die Bohrplattform gedreht wird, so
schreitet das Bohren des Bohrloch in der Weise voran, das der bestehende Pfad
des Bohrlochs im Wesentlichen beibehalten wird. Man nennt dies "Rotationsbohren".
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Um
den Pfad des Bohrlochs mittels eines lenkbaren Motors einzustellen,
wird die Rotation des Motorgehäuses
durch die Plattform gestoppt, und das Bohren erfolgt lediglich durch
die Drehung der Motorabtriebswelle. Man nennt dies "Gleitbohren". Wie bei anderen
Arten von Motoren mit gekröpftem Gehäuse bewirkt
das Gleitbohren mit einem lenkbaren Motor ein Umschwenken des Bohrloches
in die Richtung der Kröpfung
in dem Motorgehäuse.
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Es
ist bei allen Arten des Richtungsbohrens sehr wichtig, dass die
Bohrvorrichtung einschließlich der
Bohrkrone dynamisch stabil ist, damit der gewählte Bohrpfad eingehalten wird.
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Eine
besondere Art von Bohrkrone, allgemein als "bi-zentrische" Bohrkrone bezeichnet,
hat sich unter bestimmten Bohrbedingungen als nützlich erwiesen. Eine bi-zentrische
Bohrkrone ist allgemein dadurch gekennzeichnet, dass sie einen "Passier"-Durchmesser aufweist
(die Öffnung
mit dem kleinsten Durchmesser, durch die die Bohrkrone ungehindert
passieren kann), der kleiner ist als der Durchmesser des Loches,
das durch diese Bohrkronen gebohrt wird, wenn sie gedreht werden.
Bi-zentrische Bohrkronen haben sich unter anderem als nützlich erwiesen,
wenn Erdformationen durchdringt werden müssen, die einem Aufquellen
unterworfen sind, oder wenn es bei einem Bohrvorgang erwünscht ist,
ein Rohr oder Futterrohr in das gebohrte Bohrloch einzusetzen, dessen
Außendurchmesser so
nahe wie möglich
beim Innendurchmesser des zuvor eingesetzten Futterrohres liegt.
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Es
sind verschiedene Arten bi-zentrischer Bohrkronen im Stand der Technik
bekannt. Eine solche bi-zentrische Bohrkrone ist beispielsweise
im US-Patent Nr. 5,678,644 an Fielder beschrieben. Die Bohrkrone,
die im Fielder-Patent '644 gezeigt ist,
enthält
einen Führungsabschnitt
und einen separaten Bohrlochräumabschnitt,
der ein Loch mit dem vollen Bohrdurchmesser bohrt. Ein weiterer
Typ einer bi-zentrischen Bohrkrone wird von der Reed-Hycalog-Abteilung von Schlumberger,
Houston, Texas, unter der Handelsbezeichnung "Steering wheel Bi-Centrix" verkauft. Ein weiterer
Typ einer bi-zentrischen Bohrkrone wird von der Smith International, Inc.,
dem Rechtsnachfolger dieser Erfindung, unter der Handelsbezeichnung
Quad-D verkauft. Diese Bohrkronen haben ebenfalls einen Führungsabschnitt
und einen Bohrlochräumabschnitt.
Ein weiterer Typ einer bi-zentrischen Bohrkrone ist als "asymmetrisch" bekannt und enthält keinen
separaten Bohrlochräumabschnitt,
sondern hat statt dessen eine Seite, die einem Bohrradius entspricht.
Die andere Seite der asymmetrischen Bohrkrone entspricht einem kleineren
Radius, um der Bohrkrone einen Passierdurchmesser zu verleihen,
der kleiner ist als der Bohrdurchmesser. Eine solche asymmetrische Bohrkrone
wird von der Smith International, Inc., dem Inhaber der vorliegenden
Erfindung, unter der Handelsbezeichnung "X-TEND" verkauft.
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Bi-zentrische
Bohrkronen waren bisher beim Richtungsbohren schwierig zu verwenden,
weil sie die Bohrvorrichtung beim Richtungsbohren direktional instabil machen
können.
Ein Grund für
die Instabilität
ist, dass keine Stabilisatoren in dem Bohrwerkzeug nahe der bi-zentrischen Bohrkrone
verwendet werden können.
Die Instabilität
macht sich besonders bemerkbar, wenn mit Spülmotoren gebohrt wird, und
insbesondere im Fall von Verdrängerspülmotoren.
Es wäre
wünschenswert, über eine
Bohrtechnik zu verfügen,
die richtungsstabil ist, wenn mit Spülmotoren mit bi-zentrischen
Bohrkronen gearbeitet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Bohren eines
Bohrlochs. Das Verfahren beinhaltet das Betreiben eines turbinenartigen
Spülmotors,
mit dem eine bi-zentrische Bohrkrone verbunden ist, und das Ausüben einer
axialen Kraft auf die Bohrkrone, die so ausgewählt ist, dass die Bohrkrone
in einer richtungsstabilen Weise bohrt. Bei einer Ausführungsform
ist der Motor ein lenkbarer Motor, der so betrieben wird, dass ein
ausgewählter Pfad
des Bohrlochs eingehalten wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist der Motor entweder ein Motor mit gekröpftem Gehäuse oder ein lenkbarer Motor.
Der Motor wird so betrieben, dass der Bohrpfad entlang einer ausgewählten Richtung
eingestellt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
einen Turbinenmotor, der mit einer bi-zentrischen Bohrkrone verbunden ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
eine Bohrwerkzeugvorrichtung mit einer bi-zentrischen Bohrkrone 10, die
mit einem Turbinenspülmotor 12 verbunden
ist. Der Motor 12 ist mit einem Bohrstrang 22 verbunden,
der (nicht separat gezeigte) Schwerstangen, ein (nicht separat gezeigtes)
Bohrrohr und weitere im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen
zum Einbringen von Bohrlöchern
in Erdformationen enthalten kann. Das gebohrte Bohrloch ist allgemein
mit 24 bezeichnet, und die Erdformationen sind allgemein
mit 26 bezeichnet.
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Bei
einigen Ausführungsformen
der Erfindung kann der Motor 12 durch eine (nicht gezeigte) Bohrplattform,
die an der Erdoberfläche
stationiert ist, um sein Arbeitssektionsgehäuse 14 gedreht werden,
während
zusätzlich
sein Bohrkronenkasten 16 durch Bohrfluid, das durch die
Arbeitssektion 14 fließt,
gedreht wird. Bei diesen Ausführungsformen ist
der Motor 12 allgemein ein lenkbarer Motor, wobei die Arbeitssektion 14 in
dem Gehäuse
eine Kröpfung von
ungefähr
einem halben Grad aufweist. Andere Ausführungsformen können mit
einem Motor arbeiten, der eine gerade Arbeitssektion 14 aufweist.
Unabhängig
vom Motortyp wird der Bohrkronenkasten 16 durch Bohrfluid
gedreht, das durch die Arbeitssektion 16 fließt.
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Die
in 1 gezeigte bi-zentrische Bohrkrone 10 enthält einen
Führungsabschnitt 20 und
einen separaten Bohrlochräumabschnitt 18.
Eine solche Bohrkrone wird von der Smith International, Inc., dem Inhaber
dieser Erfindung, unter der Handelsbezeichnung Quad-D verkauft.
Alternativ kann die Bohrkrone 10 von einem asymmetrischen Typ
sein, wie er beispielsweise ebenfalls von der Smith International, Inc.
unter der Handelsbezeichnung "X-TEND" verkauft wird.
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Bei
dieser Erfindung ist der Motor 12 ein Turbinentyp, weil
Turbinenmotoren mit höheren
Drehzahlen arbeiten und folglich mit einem geringeren Gewicht auf
die Bohrkrone arbeiten können,
als es Verdrängermotoren
tun, um eine vergleichbare Eindringrate zu erreichen. Wie dem Fachmann
bekannt ist, hängt
die Rate, mit der eine Bohrkrone in eine Erdformation eindringt
(die Eindringrate "ER" ("ROP")), sowohl von der
axialen Kraft auf die Bohrkrone (dem Gewicht auf die Bohrkrone "GadB" ("WOB)) als auch der
Drehzahl der Bohrkrone ab.
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Das
Bohren mit bi-zentrischen Bohrkronen reagiert empfindlicher auf
das Gewicht auf die Bohrkrone als Ursache einer Abweichung des Bohrlochs von
einem gewählten
Bohrlochpfad, da bei Verwendung von bi-zentrischen Bohrkronen der Einsatz von Stabilisatoren
nicht so ohne Weiteres möglich
ist. Dadurch wird der Bohrstrang anfälliger für Durchbiegung und Bewegung,
was ansonsten bei Verwendung eines Stabilisators verhindert werden
würde.
Es wird davon ausgegangen, dass das Gewicht auf die Bohrkrone, das
für einen
Verdrängermotor
erforderlich ist, oberhalb eines Niveaus liegt, das zu einer übermäßigen Abweichung
vom gewünschten
Bohrpfad liegt, wenn mit einer bi-zentrischen Bohrkrone gebohrt
wird. Weil eine Turbine mit einer höheren Drehzahl/Minute bohren
kann, kann sie mit einem geringeren Gewicht auf die Bohrkrone arbeiten,
um eine Eindringrate zu halten, die mit der eines Verdrängermotors
vergleichbar ist.
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Es
wurde festgestellt, dass das Bohren mit einer bi-zentrischen Bohrkrone richtungsstabiler
ist bei niedrigeren GadB-werten, als mit einem Turbinenmotor möglich sind.
Somit machen es die höheren
Drehzahlen, die bei Verwendung eines Turbinemotors zur Verfügung stehen,
möglich,
Erdformationen mittels einer bi-zentrischen Bohrkrone mit einer kommerziell
akzeptablen Eindringrate zu durchdringen, während ein solches Bohren richtungsstabiler ist.
Die Verbesserung der Richtungsstabilität macht es einfacher, ein Bohrloch
entlang eines ausgewählten
Pfades beispielsweise unter Verwendung eines lenkbaren Motors oder
eines Motors mit gekröpftem Gehäuse zu bohren.