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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Verankern
eines Bohrgestänges
in einem Bohrloch, das in einer Erdformation ausgebildet ist. Beim
Bohren von tiefen Bohrlöchern oder
beim Bohren von Bohrlöchern
mit großem
Neigungswinkel besteht ein häufiges
Problem darin, einen ausreichenden Vorwärtsschub auf das Bohrstück auszuüben. Die
Reibungskräfte
zwischen dem Bohrgestänge
an der Bohrlochwand vermindern im großem Ausmaß das effektive Gewicht des
Bohrgestänges,
welches den Vorwärtsschub
auf das Bohrstück
aufbringt.
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Die
internationale Patentanmeldung WO 99/09290 offenbart ein Bohrgestängesystem,
das mit einem Druckantrieb ausgestattet ist, um das Bohrstück mit der
Vorwärtsrichtung
mit Schub zu beaufschlagen, und mit einer Verankerungsvorrichtung
mit radial ausfahrbaren Greifern mit Betätigungskolben, um das Bohrgestänge während der
Betätigung
des Druckantriebes an der Bohrlochwand zu verankern.
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Ein
Problem der bekannten Verankerungsvorrichtung besteht darin, daß eine separate
Betätigungseinrichtung
erforderlich ist, um die Kolben (und damit auch die Greifer) nach
dem Bohren eines weiteren Bohrlochabschnittes in ihre zurückgezogene Stellung
zurückzubringen.
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Es
ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Verankerungsvorrichtung
zu schaffen, welche die Nachteile der Verankerungsvorrichtung nach
dem Stand der Technik vermeidet.
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Gemäß der Erfindung
wird eine Vorrichtung zum Verankern eines Bohrgestänges in
einem Bohrloch geschaffen, das in einer Erdformation ausgebildet
ist, mit:
- – einem
Verankerungselement, das mit dem Bohrgestänge verbunden und zwischen
einer zurückgezogenen
Position, in welcher das Verankerungselement von der Bohrlochwand
zu rückgezogen
ist, und einer ausgefahrenen Position bewegbar ist, in welcher das
Verankerungselement gegen die Bohrlochwand ausgefahren ist, so daß es das
Bohrgestänge
an der Bohrlochwand verankert; und
- – einem
Betätigungselement,
das zur Bewegung des Verankerungselementes aus der ausgefahrenen
Position in die zurückgezogene
Position unter der Wirkung des Druckes des im Bohrloch vorhandenen
Bohrfluids betätigbar
ist.
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Dadurch
wird erreicht, daß das
Verankerungselement in seine zurückgezogene
Position durch den Druck des im Bohrloch vorhandenen Bohrfluids
zurückgebracht
wird, das auf das Betätigungselement
einwirkt, wodurch das Erfordernis für separate Betätigungsmittel
vermieden wird.
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Zweckmäßig ist
das Betätigungselement
so ausgebildet, daß es
das Verankerungselement aus der ausgefahrenen Position in die zurückgezogene Position
durch die Wirkung des Druckes des Bohrfluids bewegt, welches in
einem Ringraum zwischen den Bohrgestängen der Bohrlochwand vorhanden ist.
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Es
wird bevorzugt, daß das
Betätigungselement
eine Kolben-/Zylinderanordnung aufweist, die so ausgebildet ist,
daß sie
das Verankerungselement aus der ausgefahrenen Position in die zurückgezogene
Position bei einer relativen Axialbewegung zwischen dem Kolben und
dem Zylinder unter der Wirkung des Druckes des Bohrfluids bewegt,
das auf den Zylinder einwirkt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend detaillierter und an einem Beispiel unter
Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 schematisch eine Bohranordnung,
in welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung
angewendet wird;
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2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines
hydraulischen Steuersystems zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
und
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3 schematisch ein alternatives
Ausführungsbeispiel
eines hydraulischen Steuersystems zur Verwendung in der Vorrichtung
gemäß der Erfindung.
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In
den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.
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In 1 ist ein Bohrgestänge 1 gezeigt,
das sich in ein Bohrloch 2 erstreckt, das in einer Erdformation 3 ausgebildet
ist, wobei ein Ringraum 4 zwischen dem Bohrgestänge und
der Bohrlochwand 5 vorhanden ist. Das Bohrgestänge hat
einen oberen Teil 6 und einen unteren Teil 8,
der mit einem Bohrstück 9 versehen
ist, wobei die Teile 6, 8 durch hydraulisch betätigte Teleskop-Druckvorrichtungen 10 miteinander
verbunden sind, die befähigt
sind, den unteren Bohrgestängeteil 8 in
Richtung des Bohrlochbodens mit Druck zu beaufschlagen. Der obere Bohrgestängeteil 6 und
der untere Bohrgestängeteil 8 sind
mit entsprechenden Sätzen
von Verankerungselementen 12 (z. B. drei) in Form von Blöcken versehen,
die gleichmäßig entlang
des Bohrgestängeumfanges
verteilt sind. Jeder Block 12 ist mit dem entsprechenden
Bohrgestängeteil 6, 8 derart
verbunden, daß der
Block 12 zwischen einer zurückgezogenen Position, in welcher
der Block von der Bohrlochwand 5 zurückgezogen ist, und einer ausgefahrenen Position
bewegbar ist, in welcher der Block 12 gegen die Bohrlochwand 5 ausgefahren
ist, um den entsprechenden Bohrgestängeteil 6, 8 an
der Bohrlochwand 5 zu verankern. Das Bohrgestänge ist
im Inneren mit einem Steuersystem versehen (schematisch in 2 gezeigt), um die Bewegung
jeden Blockes 12 zwischen seiner zurückgezogenen Position und seiner
ausgefahrenen Position zu steuern.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 2 ist
in einer schematischen Darstellung das Steuersystem für die Steuerbewegung
der Blöcke 12 gezeigt,
welches einen hydraulischen Kreis 20 aufweist, der einen
ersten Kolben-/Zylinderanordnung 22 mit einem Kolben 24 umfaßt, der
sich abdichtend in einen Zylinder 26 erstreckt und der
axial relativ zum Zylinder 26 in der Auswärtsrichtung
A und der Einwärtsrichtung
B bewegbar ist. Das Steuersystem umfaßt ferner eine zweite Kolben-/Zylinderanordnung 28 mit
einem Kolben 30, der sich abdichtend in einen Zylinder 32 erstreckt
und der relativ zu dem Zylinder 32 in entgegengesetzten
Richtungen C und C axial bewegbar ist. Der Kolben 30 ist
mit einem Hilfskolben 30a versehen, der sich abdichtend
in einen Hilfszylinder 32a erstreckt, der mit dem Zylinder 32 verbunden
ist. Eine Fluidkammer 32b ist in dem Hilfszylinder 32a zwischen
dem Hilfskolben 30a und einer Endwand 32c des
Hilfszylinders 32a vorgesehen. Der Hilfskolben 30a hat
kleineren Außendurchmesser
als der Kolben 30, und der Hilfszylinder 30a hat
kleineren Innendurchmesser als der Zylinder 32.
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Der
Kolben 24 hat eine äußere Endfläche 34, die
mit dem Druck P des Bohrfluids beaufschlagt wird, das in dem Ringraum 4 vorhanden
ist, und eine innere Endfläche 36,
die mit dem Druck des Hydraulikfluids beaufschlagt wird, das in
einer Fluidkammer 37 des Zylinders 26 vorhanden
ist. Der Kolben 24 ist durch Verbindungsmittel (nicht gezeigt)
mit den Blöcken 12 derart
verbunden, daß der
Kolben 24 die Blöcke
zu einer Bewegung in ihre ausgefahrene Position bei einer Bewegung
des Kolbens 24 in der Auswärtsrichtung A veranlaßt, und
der Kolben 24 die Blöcke 12 dazu
veranlaßt,
sich bei einer Bewegung des Kolbens 24 in der Einwärtsrichtung
B in ihre zurückgezogene
Position zu bewegen.
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Der
Kolben 30 hat eine erste Endfläche 40 in Fluidverbindung
mit einer unteren Druckkammer 42 der zweiten Anordnung 28,
und eine zweite Endfläche 44,
die dem Druck des Hydraulikfluids unterliegt, das in einer Fluidkammer 45 des
Zylinders 32 vorhanden ist. Die untere Druckkammer 42 enthält ein Gas
bei niedrigem Druck oder steht idealerweise unter Vakuum. Die Kammer 37 ist über Leitungen 46a, 46b und
ein Dreiwegeventil 47 in Fluidverbindung mit der Fluidkammer 45.
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Der
Hydraulikkreis 20 weist ferner eine Hydraulikpumpe 50 auf,
die einen Einlaß 52 hat,
der mit einem hydraulischen Fluidbehälter 54 über eine
Leitung 56 in Fluidverbindung steht, und einen Auslaß 58 in
Fluidverbindung mit der Kammer 37 über eine Leitung 60,
die mit einem Ventil 61 versehen ist. Der Auslaß 58 ist
ferner in Fluidverbindung mit der ersten Fluidkammer 32b über eine
Leitung 62, ein Dreiwegeventil 63 und eine Leitung 64.
Der Fluidbehälter 54 ist
in Fluidverbindung mit der Leitung 46 über eine Leitung 66 und
das Dreiwegeventil 47, und mit der Leitung 64 über eine
Leitung 69 und das Dreiwegeventil 63. Der Fluidbehälter 54 ist
durch einen dem Behälter 54 zugeordneten
Kolben 70 druckkompensiert, wobei der Kolben 70 den
Bohrfluiddruck P auf das Hydraulikfluid überträgt, das in dem Fluidbehälter 54 vorhanden
ist. Außerdem
ist die Niederdruckkammer 42 über eine Leitung 71 mit
der Leitung 69 verbunden, wobei die Leitung 71 mit
einem Einwegeventil 72 versehen ist, welches dem Fluid
nur gestattet, von der Kammer 42 zur Leitung 69 zu
strömen.
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Der
Kolben 24 ist durch Verbindungsmittel (nicht gezeigt) mit
den Blöcken 12 derart
verbunden, daß der
Kolben 24 die Blöcke 12 dazu
veranlaßt,
sich bei einer Bewegung des Kolbens 24 in der Auswärtsrichtung
A in ihre ausgefahrene Position zu bewegen, und der Kolben 24 die
Blöcke 12 dazu
veranlaßt,
sich bei einer Bewegung des Kolbens 24 in der Einwärtsrichtung
B in ihre zurückgezogene
Position zu bewegen.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist
in dieser eine schematische Darstellung des alternativen Steuersystems
für die
Steuerbewe gung der Blöcke 12 gezeigt.
Das alternative Steuersystem weist einen Hydraulikkreis 80 auf,
der ähnlich
dem Steuerkreis 20 ist, außer daß in dem Hydraulikkreis 80 eine
dritte Kolben-/Zylinderanordnung 82 die zweite Kolben-/Zylinderanordnung 28 ersetzt,
auf die bisher Bezug genommen worden ist. Die dritte Kolben-/Zylinderanordnung 82 umfaßt einen
Kolben 84, der sich abdichtend in einen Zylinder 86 erstreckt
und der relativ zum Zylinder 86 in entgegengesetzten Richtungen
E und F axial bewegbar ist. Der Kolben 84 ist mit einem
Hilfskolben 84a ausgestattet, der sich in einen Hilfszylinder 86a erstreckt,
der mit dem Zylinder 86 verbunden ist. Der Kolben 84 hat
eine Endfläche 90 an
der Seite des Hilfskolbens 84a und eine Endfläche 92 gegenüber der
Endfläche 90.
Der Hilfskolben 84a hat eine Endfläche 94. Eine erste
Fluidkammer 96 ist im Zylinder 86 zwischen der
Endfläche 92 und
einer Endwand 98 des Zylinders 86 vorgesehen.
Eine zweite Fluidkammer 100 ist in dem Zylinder 86 zwischen
der Endfläche 90 und
der anderen Endwand 102 des Zylinders 86 gebildet.
Eine dritte Fluidkammer 104 ist in dem Hilfszylinder 86a zwischen
der Endfläche 94 und
einer Endwand 106 des Hilfszylinders 86a gebildet.
Die erste Fluidkammer 96 steht in Fluidverbindung mit dem
Auslaß 58 der
Pumpe 50 über
das Dreiwegeventil 63. Die zweite Fluidkammer 100 steht
mit der Leitung 62 über
die Leitungen 110, 111 und ein Dreiwegeventil 112,
und mit dem Hydraulikfluidbehälter 54 über die
Leitungen 110, 113 und das Dreiwegeventil 112 in
Fluidverbindung.
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In
der folgenden Beschreibung ist der normale Gebrauch der Vorrichtung
gemäß der Erfindung zum
Aktivieren und Deaktivieren eines einzelnen Blockes 12 des
oberen Bohrgestängeteiles 6 beschrieben,
wobei sich versteht, daß das
Aktivieren und Deaktivieren der anderen Blöcke 12 in ähnlicher
Weise erfolgt.
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Während der
normalen Verwendung der Vorrichtung mit dem Steuersystem nach 2 wird das Ventil 61 geöffnet, und
das Dreiwegeventil 47 wird derart geöffnet, daß Fluid über die Leitungen 46a, 46b in
die Fluidkammer 45 strömen
kann. Das Dreiwegeventil 63 wird derart geöffnet, daß Fluid
aus der Kammer 32b über
die Leitungen 64, 69 in den Behälter 54 strömen kann.
Als nächstes
wird die Pumpe 50 betätigt,
um Hydraulikfluid aus dem Fluidbehälter 54 in die Fluidkammer 37 des
Zylinders 26 und in die Kammer 45 des Zylinders 32 zu
pumpen. Als Ergebnis bewegt sich der Kolben 24 in der Auswärtsrichtung
A und bewegt dadurch die Blöcke 12 gegen
die Bohrlochwand 5, um den oberen Bohrgestängeteil 6 in
dem Bohrloch zu verankern, und der Kolben 30 und der Hilfskolben 30a bewegen
sich in Richtung C, wodurch jegliches Hydraulikfluid, das in die
untere Druckkammer 42 geleckt ist, zum Fluidbehälter 54 über die
Leitungen 71, 69 und das Einwegeventil 72 ausgetrieben
wird. Dann wird das Dreiwegeventil 47 derart geöffnet, daß Fluid über die
Leitungen 46b und 66 in den Behälter 54 strömt, und
das Dreiwegeventil 63 wird derart geöffnet, daß Hydrdaulikfluid von dem Auslaß 58 der
Pumpe 50 über
die Leitungen 62, 64 in die Fluidkammer 32b des
Zylinders 32a strömt,
wodurch der Kolben 30 und der Hilfskolben 30a in
Richtung D bewegt werden. Als Ergebnis wird ein sehr niedriger Gasdruck
(oder vorzugsweise Vakuum) in der Kammer 42 erzeugt. Das
Bohrloch 2 wird dann durch gleichzeitiges Drehen des Bohrstückes 9 und Beaufschlagung
der Druckvorrichtung 10 weitergebohrt, um das Bohrstück 9 gegen
den Bohrlochboden mit Druck zu beaufschlagen. Nachdem das Bohren eines
weiteren Bohrlochabschnittes beendet ist, werden das Drehen des
Bohrstückes 9 und
die Betätigung
der Pumpe 50 stillgesetzt, worauf das Ventil 61 geschlossen
wird. Das Ventil 47 wird dann geöffnet, um die Leitung 46a in
Fluidverbindung mit der Leitung 46b zu bringen, und das
Ventil 63 wird geöffnet, um
die Kammer 32b in Verbindung mit dem Behälter 54 über die
Leitungen 64, 69 zu bringen. Als Ergebnis bewegt
der Bohrfluiddruck P den Kolben 24 in der Einwärtsrichtung
B, wodurch Hydraulikfluid aus der Fluidkammer 37 über die
Leitungen 46a, 46b in die Fluidkammer 45 und
aus der Kammer 32b in den Behälter 54 strömt, und
sich der Kolben 30 und der Hilfskolben 30a in
Richtung C bewegen, weil der Druck in der Fluidkammer 45 größer als
der Druck (oder das Vakuum) in der Niederdruckkammer 42 ist. Die
Blöcke 12 werden
von der Bohrlochwand 5 durch eine Einwärtsbewegung des Kolbens 24 zurückgezogen.
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In
einem nächsten
Schritt wird der obere Bohrgestängeteil 6 in
dem Bohrloch weiter nach unten bewegt. Dann wird das Ventil 63 geöffnet, um
die Leitung 62 in Fluidverbindung mit der Leitung 64 zu bringen,
und das Ventil 47 wird geöffnet, um die Leitung 46b in
Fluidverbindung mit der Leitung 66 zu bringen. Die Pumpe 50 wird
dann betätigt,
um Hydraulikfluid aus dem Behälter 54 über die
Leitungen 62, 64 in die Fluidkammer 32b zu
pumpen, wodurch der Hilfskolben 30a und der Kolben 30 in
Richtung D beaufschlagt werden. Hydraulikfluid, das in der Fluidkammer 45 vorhanden
ist, strömt
dadurch über
die Leitungen 46b und 66 in den Behälter 54.
Danach werden die Blöcke 12 wieder
gegen die Bohrlochwand 5 in der vorstehend beschriebenen
Weise ausgefahren, und ein weiterer Bohrlochabschnitt wird gebohrt.
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Der
normale Gebrauch der Vorrichtung mit dem Steuersystem nach 3 ist im wesentlichen gleich
dem normalen Gebrauch der Vorrichtung mit dem Steuersystem nach 2. Das Ventil 61 wird geöffnet, und
das Dreiwegeventil 47 wird derart geöffnet, daß Fluid über die Leitungen 46b und 66 in den
Behälter 54 strömen kann.
Das Dreiwegeventil 112 wird derart geöffnet, daß Fluid aus der Kammer 100 über die
Leitungen 110 und 113 in den Behälter 54 abgegeben
werden kann. Das Dreiwegeventil 63 wird derart geöffnet, daß die Kammer 96 hydraulisch über die
Leitungen 64 und 62 mit dem Pumpenauslaß 58 verbunden
wird. Dann wird die Pumpe 50 betätigt, um Hydraulikfluid aus
dem Fluidbehälter 54 in die
Fluidkammer 37 des Zylinders 26 und die Kammer 96 des
Zylinders 82 zu pumpen. Als Ergebnis wird der Kolben 24 in
der Auswärtsrichtung
A bewegt und bewegt dadurch die Blöcke 12 gegen die Bohrlochwand 5,
um den oberen Bohrgestängeteil 6 an der
Bohrlochwand 5 zu verankern, und der Kolben 84 und
der Hilfskolben 84a bewegen sich in Richtung F, wodurch
Hydraulikfluid aus den Fluidkammern 100 und 104 in
den Behälter 54 abgegeben
wird. Das Bohrloch 2 wird dann durch gleichzeitiges Drehen des
Bohrstückes 9 und
Beaufschlagen der Druckvorrichtung 10 weitergebohrt, um
das Bohrstück 9 gegen den
Bohrlochboden zu drücken.
Nachdem das Bohren eines weiteren Bohrlochabschnittes beendet ist, wird
das Bohrstück 9 stillgesetzt.
Das Ventil 61 wird geschlossen und das Ventil 47 sodann
geöffnet,
um die Kammer 37 über
die Leitung 46a und die Leitung 46b in Fluidverbindung
mit der Kammer 104 zu bringen. Das Dreiwegeventil 63 wird
derart geöffnet,
daß Fluid
aus der Kammer 96 über
die Leitungen 64 und 69 in den Behälter 54 abgegeben
werden kann. Das Dreiwegeventil 112 wird geöffnet, derart,
daß die Kammer 100 über die
Leitungen 110, 111 und 62 in Fluidverbindung
mit dem Pumpenauslaß (58)
steht. Durch Pumpen von Hydraulikfluid in die Kammer 100 werden
der Kolben 84 und der Hilfskolben 84a in Richtung
E gedrückt.
Als Ergebnis bewegt der Bohrfluiddruck P den Kolben 24 in
der Einwärtsrichtung
B, wodurch Hydraulikfluid aus der Fluidkammer 37 über die
Leitungen 46a, 46b in die Fluidkammer 104 und aus
der Kammer 96 in den Behälter 54 strömt. Die Blöcke 12 werden
dann von der Bohrlochwand 5 durch eine Einwärtsbewegung
des Kolbens 24 zurückgezogen.
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Statt
des Öffnens
des Ventilen 61 und Schließen des Ventiles 47 vor
einem Betätigen
der Pumpe 50 zur Bewegung des Kolbens 24 in der
Auswärtsrichtung
A ist die folgende Alternativprozedur zweckmäßig. Das Ventil 61 ist
geschlossen, das Ventil 63 ist geöffnet, um eine Fluidverbindung
zwischen den Leitungen 62, 64 herzustellen, und
das Ventil 47 ist geöffnet,
um eine Fluidverbindung zwischen den Leitungen 46a, 46b herzustellen.
Das Ventil 112 wird geöffnet,
um eine Fluidverbindung zwischen der Kammer 100 und dem
Behälter 54 über die
Leitungen 110, 113 zu erzeugen. Die Pumpe 50 wird
dann betätigt,
um Hydraulikfluid über
die Leitungen 62, 64 in die erste Fluidkammer 96 mit
dem Ergebnis zu pumpen, daß sich
der Kolben 84 und der Hilfskolben 84a in Richtung
F bewegen. Hydraulikfluid wird dadurch aus der dritten Fluidkammer 104 über die
Leitungen 46b, 46a in die Fluidkammer 37 des
Zylinders 26 verlagert, was in einer Bewegung des Kolbens 26 in
der Auswärtsrichtung
A resultiert. Die Alternativprozedur hat den Vorteil, daß der Fluiddruck
in der Fluidkammer 37 während
des Pumpens wesentlich erhöht wird,
weil der Kolben 84 größeren Durchmesser
als der Hilfskolben 84a hat.
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Während eines
zweckmäßigen Bohrvorganges
werden die Blöcke 12 des
unteren Bohrgestängeteiles 8 gegen
die Bohrlochwand nur während
jener Zeitperioden ausgefahren, in denen die Blöcke 12 des oberen
Bohrgestängeelementes
von der Bohrlochwand zurückgezogen
sind, um ein reaktives Drehmoment auf den unteren Bohrgestängeteil
im Falle der fortgesetzten Drehung des Bohrstückes auszuüben, das durch einen Bohrlochmotor
angetrieben wird.
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Statt
den Kolben 30, 84 der zweiten und dritten Kolben-/Zylinderanordnung 28, 82 in
den Richtungen C oder E unter der Wirkung einer Fluiddruckdifferenz über die
Kolben 30, 84 zu bewegen, oder zusätzlich dazu,
kann eine solche Bewegung durch Betätigen einer Feder erzeugt werden,
die in geeigneter Weise in der zweiten oder dritten Kolben-/Zylinderanordnung
vorhanden ist.
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In
der vorstehenden Beschreibung sind das Verankerungselement und das
entsprechende Betätigungselement
als separate Komponenten beschrieben. Alternativ können das
Verankerungselement und das entsprechende Betätigungselement integral als
eine einzige Komponente ausgebildet werden.