DE60217422T2 - Verfahren und System zum Steuern des Druckes eines Erdbohrloches - Google Patents

Verfahren und System zum Steuern des Druckes eines Erdbohrloches Download PDF

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    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/08Controlling or monitoring pressure or flow of drilling fluid, e.g. automatic filling of boreholes, automatic control of bottom pressure

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddruckes eines Bohrloches und auf eine programmierbare Steuerung zur Verwendung in einem solchen Verfahren. Das Verfahren wird während des Bohrens von unterirdischen Bohrlöchern angewendet, die üblicherweise für Öl- oder Gasbohrungen verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren verwendet werden, um eine Kontrolle des hydrostatischen Fluiddrucks in einem Bohrloch wieder zu gewinnen, nachdem das Bohrloch einen Einbruch eines Fluides aus der Formation erhielt. Das Verfahren gemäß dieser Erfindung kann ein rascheres Auspumpen des Fluideinbruchs aus dem Bohrloch erleichtern, indem ein dichteres Fluid in das Bohrloch eingeströmt wird, um die hydrostatische Kontrolle des Bohrloches wiederzugewinnen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Beim Bohren unterirdischer Bohrlöcher wird üblicherweise ein Bohrfluid („Bohrschlamm") durch ein Bohrfluid-Zirkulationssystem („System") zirkuliert. Das Zirkulationssystem kann ein Bohrgestell und eine Behandlungsausrüstung für den Bohrschlamm aufweisen, die beide auf der Oberfläche gelegen sind. Das Bohrfluid kann durch eine Schlammpumpe durch die innere Passage eines Bohrstranges, durch einen Bohrmeißel und zurück zu der Oberfläche des Bohrloches durch den Ringraum zwischen dem Bohrloch und dem Bohrstrang gepumpt werden.
  • Eine wesentliche Funktion eines Bohrschlammes liegt darin, eine Kontrolle des hydrostatischen Fluiddruckes von Fluiden in den von dem Bohrloch durchstoßenen Formationen aufrechtzuerhalten. Zu einem Bohrschlamm können Füllstoffe hinzugefügt werden, um die gewünschte Schlammdichte zu erreichen. Herkömmliche, mit Überschuss arbeitende Bohrtechniken erhalten typischerweise einen hydrostatischen Fluiddruck in der Formation aufrecht, der gleich oder geringfügig höher im Hinblick auf den Fluiddruck in der Formation („Porendruck") ist, und zwar sowohl, wenn der Bohrschlamm umgewälzt beziehungsweise zirkuliert wird oder nicht. In mit Mangel arbeitenden Bohrtechniken wird der hydrostatische Druck in dem Bohrloch durch den Bohrschlamm auf einem Wert gehalten, der geringfügig kleiner als der Porendruck in der Formation ist, wobei zusätzlich eine Steuer- beziehungsweise Kontrollausrüstung an der Oberfläche des Bohrloches verwendet wird. Wenn das Bohrloch auf eine Zone mit einem höheren Porendruck als dem statischen Fluiddruck in dem Bohrschlamm trifft, kann ein Einbruch eines Formationsfluides in das Bohrloch auftreten. Ein solches Auftreten ist bekannt als „Kick".
  • In der Bohrindustrie zum Bohren von Bohrlöchern ist es allgemeine Praxis, während des Verlaufs der Bohrung des Bohrloches häufig die niedrigen Pumpgeschwindigkeiten für den Bohrschlamm und entsprechend die Pump-Zirkulationsdrücke zu messen und aufzuzeichnen, die erforderlich sind, um den Bohrschlamm mit einer reduzierten Rate mit den Bohrschlammpumpen zu zirkulieren. Solche Messungen können in solchen Intervallen vorgenommen werden, die zum Auspumpen oder Umwälzen eines Kicks aus dem Bohrloch verwendet werden können, die im Bereich der Hälfte oder eines Drittels der üblichen Zirkulationsrate liegt. Es können auch weitere Bestimmungen durchgeführt werden, einschließlich der gesamten Anzahl von Pumphüben, die notwendig sind, um die Zirkulation in dem Bohrloch aufrechtzuerhalten.
  • Wenn ein Kick erfasst wird, kann die einbrechende Flüssigkeit und/oder das Gas aus der Formation die Dichte des Bohrfluides in dem Ringraum des Bohrloches „beschneiden", sodass dann, wenn mehr Fluid aus der Formation in das Bohrloch einbricht, die hydrostatische Kontrolle in dem Bohrloch verloren gehen kann. Eine solche Gegebenheit kann an dem Bohrgestell in Form einer Änderung des Druckes in dem Ringraum des Bohrloches, von Änderungen der Schlammdichte und/oder einer Zunahme des Volumens des Bohrfluides in den Systemtanks für den Bohrschlamm („Schachtvolumen") wahrgenommen werden.
  • Üblicherweise wird dann, wenn ein Kick entdeckt oder vermutet wird, die Schlammzirkulation angehalten und das Bohrloch eingeschlossen abgesperrt, um den Druckaufbau in dem Ringraum des Bohrloches, den Schachtvolumengewinn und den Schließdruck des Bohrrohres zu messen. Ebenso können geeignete Totpump-Berechnungen durchgeführt werden, während das Bohrloch abgeschlossen wird. Danach mag ein bekanntes Totpump-Verfahren folgen, um den Kick-Einbruch aus dem Bohrloch zu pumpen, einen geeignet gewichteten Bohrschlamm („Totbohrschlamm") in das Bohrloch zu pumpen und sicherzustellen, dass die Kontrolle in dem Bohrloch sicher wiedergewonnen wurde.
  • Eine der üblichsten Techniken zum Totpumpen des Bohrloches und zum Zirkulieren eines geeigneten Totpumpfluids ist das Verfahren mit „konstantem Sohlendruck", wobei der Sohlendruck im Wesentlichen auf dem Niveau des oder oberhalb des Porendrucks in der Formation gehalten wird. Es existieren zwei Varianten dieses Verfahrens. Die erste Variante ist allgemein bekannt als das „Bohrmeister-Verfahren" (Driller's method). Das Bohrmeister-Verfahren kann angewendet werden, wenn im Moment kein gewichtetes Totpumpfluid für eine Zirkulation zur Verfügung steht. Bei dem Bohrmeister-Verfahren kann das originale Schlammgewicht dazu verwendet werden, um die kontaminierenden Fluide aus dem Bohrloch auszudrücken. Danach kann gewichteter Totpumpschlamm („KWM" für „kill weight mud") in das Bohrrohr und das Bohrloch eingeströmt werden. Obwohl zwei Umwälzungen erforderlich sein können, um dieses Bohrmeister-Verfahren wirksam auszuführen, kann das Bohrmeister-Verfahren schneller als die im Folgenden diskutierte Variante sein.
  • Die zweite Variante des Verfahrens mit konstantem Bohrrohrdruck ist allgemein bekannt als das Verfahren „Warten und Wichten" („wait and weight") oder das „Ingenieursverfahren". Bei dem Verfahren „Warten und Wichten" wird KWM vorbereitet und dann in den Bohrstrang und in das Bohrloch eingeströmt, um die kontaminierenden Fluide aus dem Bohrloch zu entfernen und das Bohrloch in einer Umwälzung totzupumpen. Dieses Verfahren kann dadurch vorteilhaft sein, dass hierbei der niedrigste Rohrdruck aufrechterhalten werden kann, während der Kick aus dem Bohrloch gedrückt wird, und daher das Risiko einer Beschädigung der Verrohrung oder Aufbrechen der Formation und Erzeugen eines Blow-Out im Untergrund minimieret werden kann.
  • Mit beiden Verfahren kann ein im Wesentlichen konstanter Sohlendruck aufrechterhalten werden. Bei jedem Verfahren kann der Druck auf die Verrohrung und/oder das Bohrrohr kontrolliert werden, indem eine Drossel eingestellt wird, die Schlamm von der Verrohrung zu einem Schlammreservoir leitet. Um ferner zusätzlich den Druck zu steuern, kann die Schlammpumpenrate auf einer Geschwindigkeit und einem entsprechen Druck gehalten werden, die vorher gemessen wurden. Bei dem Bohrmeister-Verfahren kann ein konstanter Bohrrohrdruck während der ersten Umwälzung aufrechterhalten werden, der den Schließdruck für das Bohrrohr („SIDPP" für „shut-in drill pipe pressure") plus den Pumpendruck bei geringer Geschwindigkeit und plus einen nominellen Sicherheitsfaktor, zum Beispiel fünfzig psig umfasst. Während der zweiten Umwälzung kann der Rohrdruck konstant gehalten werden, während der KWM zu dem Bohrmeißel gepumpt wird, und anschließend der Bohrrohrdruck konstant gehalten werden, während der KWM von dem Meißel zu der Oberfläche gedrückt wird.
  • Bei dem Verfahren „Warten und Wichten" kann ein im Wesentlichen konstanter Sohlendruck während der einen Umwälzung des KWM aufrechterhalten werden. KWM kann abwärts durch den Bohrstrang gedrückt werden, während der Bohrrohrdruck in einem berechneten vorbestimmten Druckbereich aufrechterhalten und die Schlammpumpe auf einer konstanten Geschwindigkeit gehalten wird. Der Bohrrohrdruck kann allmählich absinken, während KWM zu dem Meißel strömt. Nachdem KWM den Meißel erreicht hat, kann der Druck in dem Bohrrohr konstant gehalten werden, bis der KWM die Oberfläche erreicht.
  • Es ist noch ein kombiniertes Verfahren bekannt, bei dem verschiedene Anteile jedes der beiden obigen Verfahren kombiniert werden. Nachdem das Bohrloch abgeschlossen ist und die Drücke aufgezeichnet sind, wird, wenn der Kick aus dem Bohrloch ausgepumpt wird, zunächst mit dem Pumpen des originalgewichteten Schlamms begonnen, wobei der originalgewichtete Schlamm bis zum KWM aufgewichtet wird.
  • Jedes der oben erwähnten Verfahren kann zeitaufwändig sein und kann aufwendige Planungen, Berechnungen, Überwachungen, menschliche Intervention und/oder koordinierte Regelung der Komponenten, Geschwindigkeiten und Drücke während der Ausführung des entsprechenden Verfahrens erfordern. Zudem wird bei jedem Verfahren typischerweise eine im Wesentlichen konstante Pumpgeschwindigkeit verwendet, um eine Kontrolle des Prozesses während der Ausführung des entsprechenden Verfahrens aufrechtzuerhalten. Die Methode „Warten und Wichten" kann es auch erfordern, eine graphische oder tabellarische Pumpenliste für den Pumpdruck in Abhängigkeit des gepumpten Volumens einzurichten, der während des Verfahrens gefolgt wird. Um ferner im Falle, dass es notwendig ist, die Pumpengeschwindigkeiten zu verändern und/oder das Pumpen während der Ausführung des Totpump-Verfahrens zu unterbrechen, kann es häufig notwendig sein, neue Schließdrücke und neue Umwälzdrücke zu erfassen und eine neue Pump- und/oder Druckliste zu berechnen. Eine Schlüsselkomponente jedes Verfahrens kann es sein, an einer im Wesentlichen konstanten Pumpengeschwindigkeit während des Verfahrens festzuhalten und einen im Wesentlichen konstanten Sohlendruck aufrechtzuerhalten.
  • Typischerweise ist es die Intention der Bedienungsperson, die Pumpengeschwindigkeit konstant zu halten und die Pumpengeschwindigkeit nur zu ändern, nachdem die Umwälzung begonnen hat, falls einige übertriebene und unerwünschte Bedingungen auftreten. Zum Beispiel dann, wenn ein umgewälzter Kick in lange, enge und/oder drosselnde Drosselleitungen eintritt, was zum Beispiel bei einer Tiefsee-Bohrinsel auftreten kann. Um diesem vorzubeugen, kann die Bedienungsperson Daten für langsame Umwälzungen bei bis zu drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten sammeln.
  • Nach Ende des Totpumpverfahrens sollten neue Druckwerte aufgenommen werden, wobei das Bohrloch unter hydrostatischer Kontrolle steht, sodass der Druck in der Verrohrung im Wesentlichen als null psig gemessen wird. Im Falle, dass der Schließdruck in der Verrohrung und/oder der Druck in dem Bohrrohr nicht null psig sind, kann es notwendig sein, das Totpumpverfahren zu wiederholen. Bei einem Totpumpverfahren kann es vorkommen, dass eine vollständige Bohrlochkontrolle nicht erreicht wird, und zwar aufgrund von ungenauen früher gemessenen Druckwerten oder Änderungen der Pumpengeschwindigkeit während der Ausführung, was in einem Einbruch von zusätzlichem kontaminierenden Fluiden resultieren kann, und/oder weil auf andere Weise es nicht gelingt, einen im Wesentlichen konstanten Sohlendruck höher als der Porendruck in der Formation einzuhalten. Das Misslingen, einen konstanten Sohlendruck aufrechtzuerhalten, kann aus einer falschen Kommunikation, einer fehlerhaften Funktion der Drossel, Falschberechnungen des Verfahrens und/oder ungeeigneter Funktion der Ausrüstung während des Verfahrens resultieren.
  • Das Ausmaß der erforderlichen menschlichen Interventionen, einschließlich dem aufwändigen Erfassen von Informationen über Geschwindigkeiten und Druck, Berechnen und Auflisten eines Totpumpverfahrens, Einhalten einer konstanten Pumpgeschwindigkeit und Koordination der Funktion der Ausrüstung, um die geeigneten Drücke an der Oberfläche und einen konstanten Sohlendruck aufrechtzuerhalten, sind jeweils Nachteile des Standes der Technik.
  • Die U.S. 3,443,643 beschreibt eine Vorrichtung zum Steuern des Druckes in einem Bohrloch mit einer Drossel, die mit einem Auslass aus dem oberen Ende des Ringraumes zwischen einem Bohrloch, das eine Erdformation durchdringt, die Fluid unter Druck enthält, und einem Bohrstrang, der sich in das Bohrloch erstreckt, verbunden ist. Wenn ein Kick während des Bohrens des Bohrloches auftritt, kann ein Blow-Out-Verhinderer am Bohrkopf über dem Auslass geschlossen werden, um Bohrfluid, das durch den Bohrstrang und einen Ringraum strömt, durch die Drossel umzulenken. Die Drossel spricht auf ein Vorsteuer- und ein Steuersignal an, um den Druck des Bohrfluides zu regulieren, um die Differenz zwischen dem Sohlendruck eines solchen Bohrfluides und dem Druck des Formationsfluides auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein Steuersignal und ein Vorsteuersignal zu erzeugen, die dahingehend zusammenarbeiten, dass die Drossel entweder den Druck des Formationsfluides in dem Auslass automatisch in Antwort auf eine negative oder positive Abweichung von dem vorbestimmten Differenzdruck erhöht oder absenkt, wobei sich der Auslassdruck einem Wert annähert, bei dem eine solche Abweichung null ist. Das Vorsteuersignal ist ein Signal, das den Druck des Bohrfluides in einem Standrohr repräsentiert, das mit dem oberen Ende des Bohrstranges verbunden ist, und das Steuersignal stellt die Summe des Druckverlustes der Strömung innerhalb des Bohrstranges, des statischen Druckes des Bohrfluides in einem solchen Standrohr und der vorbestimmten Druckdifferenz dar.
  • Erwünscht ist ein verbessertes Verfahren zur Durchführung eines Totpumpverfahrens für ein Bohrloch in einer schnelleren Art und mit höherer Präzision und Wirksamkeit, als dieses mit den vorhandenen Verfahren möglich ist. Ebenso ist ein Verfahren erwünscht, mit dem die Pumpgeschwindigkeit während des Totpumpverfahrens variiert werden kann, ohne dass das System abgeschaltet und eine revidierte Liste für Druck Pumpgeschwindigkeit bestimmt werden muss.
  • Die Nachteile des Standes der Technik werden mit der vorliegenden Erfindung überwunden. Im Folgenden ist ein verbessertes Verfahren und ein System zu einer genaueren Steuerung des hydrostatischen Druckes in einem Bohrloch beschrieben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddruckes in einem Bohrloch entsprechend dem Anspruch 1 vorgesehen.
  • Weitere Merkmale sind in den Ansprüchen 2 und 4 erwähnt, auf die hier hingewiesen wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine programmierbare Steuerung zur Verwendung in einem solchen Verfahren vorgesehen.
  • Diese Erfindung ist insbesondere nützlich bei der Steuerung und Kontrolle des hydrostatischen Druckes und des Formationsdruckes in einem Bohrloch. Insbesondere werden mit der Erfindung Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik erreicht, indem die hydrostatische Kontrolle des Bohrloches in schnellerer Art und mit einem verbesserten Verfahren wieder gewonnen wird. Die Erfindung gibt Verfahren und Sys teme zum Auspumpen eines Kicks aus einem Bohrloch und zum Wiedergewinnen der hydrostatischen Kontrolle des Bohrloches an, wobei die Möglichkeit gegeben ist, die Pumpengeschwindigkeit zu variieren. Auf diese Weise kann ein Kick-Einbruch aus dem Bohrloch ausgedrückt und KWM umgewälzt werden, was beides in einer rascheren Art und mit verbesserter Verfahrenskontrolle im Vergleich zum Stand der Technik erfolgen kann.
  • Die programmierbare Steuerung kann einen oder mehrere ausgewählte Bohrparameter überwachen und/oder aufzeichnen und ebenso eine automatische Steuerung eines Totpumpverfahrens liefern. Während des Bohrens des Bohrlochs anhand einer Basisliste kann die programmierbare Steuerung in regelmäßigen Zeitabständen, so zum Beispiel jeden Tag oder bei jedem Mannschaftswechsel oder nach Erreichen einer bestimmten Meterleistung, Informationen erhalten und aufzeichnen, die ausgewählten Bohrparametern zugehörig sind, die beim Ausführen eines Totpumpverfahrens nützlich sein könnten. Die programmierbare Steuerung kann ausgewählte Drücke, Pumpengeschwindigkeiten und Schachtvolumen bei dem Schlammsystem aufzeichnen. Wenn dann ein Kick-Einbruch festgestellt wird, kann somit die programmierbare Steuerung eingreifen, um effektiv das Verfahren zu bestimmen, um den Kick-Einbruch aus dem Bohrloch auszudrücken, um den KWM zu zirkulieren, und anschließend das Verfahren kontrolliert auszuführen.
  • Zusätzlich kann die programmierbare Steuerung es erleichtern, das Totpumpverfahren in Antwort auf Änderungen oder Unterbrechungen in der Pumpliste selektiv zu modifizieren. Dadurch kann die während der Ausführung des Totpumpverfahrens verwendete Pumpengeschwindigkeit selektiv variiert und/oder unterbrochen werden, während ein im Wesentlichen konstanter Sohlendruck im Bereich des Porendruckes der Formation oder darüber liegend aufrechterhalten wird.
  • Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, in gewählten Zeitintervallen routinemäßig und automatisch den Strömungsdruck in dem Bohrrohr für einen Bereich der Umwälzraten der Schlammpumpe zu messen und aufzuzeichnen.
  • Es ist ebenso ein Merkmal dieser Erfindung, dadurch den geeigneten Umwälzdruck in dem Bohrrohr zu bestimmen, der notwendig ist, einen im Wesentlichen konstanten Sohlendruck zu jedem Zeitpunkt des Totpumpverfahrens und bei jeder Umwälzrate aufrechtzuerhalten, die zur Zeit wirksam ist.
  • Es ist ein Merkmal gemäß dieser Erfindung, selektiv einen breiten Bereich von Zirkulationsraten zu verwenden, während ein Kick-Einbruch aus dem Bohrloch herausgedrückt wird, und die Rate wie gewünscht zu variieren, während der Kick-Einbruch ausgepumpt wird. Die Wahl der Pumpengeschwindigkeit kann manuell durch eine Bedienungsperson oder automatisch durch die programmierbare Steuerung oder durch beide eingestellt werden.
  • Es ist ein Vorteil dieser Erfindung, ein Steuersystem und mit Sensoren gemessene Werte für eine oder mehr Bohrparameter zu verwenden, um das Totpumpverfahren zu überwachen, zu steuern und auszuführen.
  • Es ist ebenfalls ein Vorteil dieser Erfindung, schnell einen Kick-Einbruch aus dem Bohrloch auszupumpen, um dadurch die Zeit zu verringern, die notwendig ist, die Kontrolle in dem Bohrloch wiederzugewinnen und die Bohrkosten für das Bohrloch zu senken.
  • Es ist weiterhin ein Vorteil dieser Erfindung, die Steuerung der verwendeten Ausrüstung während des Verfahrens zu verbessern, indem die programmierbare Steuerung verwendet wird, um die Pumpengeschwindigkeiten und die Drosselposition zu regulieren.
  • Noch ein weiterer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, die Möglichkeit abzusenken, dass ein zu hoher hydrostatischer Druck in dem Bohrloch erzeugt und die Formation aufgebrochen wird.
  • Es ist ein zusätzlicher Vorteil dieser Erfindung, die Sicherheit bei dem Auspumpen eines Kick-Einbruches aus einem Bohrloch und beim Totpumpen des Bohr lochs zu verbessern, indem die programmierbare Steuerung verwendet wird. Die programmierbare Steuerung kann mit Sensoren gemessene Messwerte des Druckes in dem Bohrloch und in dem Bohrstrang, Zirkulationsraten, Schlammgewicht und Bohrlochdimensionen berücksichtigen und damit ein optimales Totpumpverfahren zu bestimmen und danach das Verfahren kontrolliert mit einem geringen Risiko hinsichtlich fehlerhafter Rechnungen oder manueller Steuerirrtümer auszuführen.
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wobei auf die Figur der begleitenden Zeichnung verwiesen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines geeigneten Systems zum Auspumpen eines Kick-Einbruches aus einem Bohrloch und zum Totpumpen des Bohrlochs entsprechend der vorliegenden Erfindung das mit einer programmierbaren Steuerung und einigen optionalen Sensoren und Reglern ausgerüstet ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 1 stellt Komponenten dar, die in einem System zum Ausführen der vorliegenden Erfindung vorhanden sein können. Ein geeignetes System kann ein Bohrgestell 25 mit einer Gestellstruktur 42 und einen Bohrstrang 50 aufweisen, der zumindest teilweise von dem Bohrgestell 25 abgestützt und sich von dem Bohrgestell durch eine Erdoberfläche 21 im Wesentlichen dem Bohrgestell 25 zugewandt erstreckt. Ein oberes Ende des Bohrstranges 150 kann über die Erdoberfläche 21 hinausragen, und ein unteres Ende des Bohrstranges 250 kann sich durch die Erdoberfläche 21 und zumindest teilweise in ein Bohrloch 30 erstrecken, das eine oder mehrere unterirdische Formationen 20 durchdringt. Der Bohrstrang kann eine durchgehende Bohrung aufweisen, um ein Bohrfluid („Bohrschlamm") durch den Bohrstrang 50 zu leiten. Der Bohrstrang 50 kann eine Serie von miteinander verbundenen Teilstücken eines Bohrrohres auf weisen. Das untere Ende 250 des Bohrstranges kann mehrere Bohrkragen 52 und einen Bohrmeißel 56 aufweisen.
  • Beim Bohren kann der Bohrmeißel 56 und zumindest ein Teil der Bohrkragen 52 und das untere Ende des Bohrstranges 250 in einen offenen Lochbereich 38 des Bohrloches hineinragen, insbesondere in einen unteren Bereich des Bohrloches 230. Ein oberer Bereich des Bohrloches 130 kann einen Rohrstrang 34 aufweisen, der in dem Bohrloch 30 mit Zement befestigt ist. Ein unteres Ende des Rohrstranges 34 kann einen Rohrschuh 36 nahe am oberen Ende des offenen Rohrbereiches 38 des Bohrloches 30 aufweisen. Der verrohrte Bereich des Bohrloches und der offene Lochbereich 38 des Bohrloches 30 können eine innere Kammer im Wesentlichen innerhalb der Formation 20 aufweisen.
  • Ein Bohrfluid kann in einem oder mehreren Schlammtanks eines Schlamm-Behandlungssystems 92 behandelt und/oder gespeichert werden, welches ein Bohrfluid zu einer oder mehreren Schlammpumpen 90 über eine Ansaugleitung 93 der Schlammpumpen liefert. Eine Schlammpumpe 90, die nahe dem Bohrgestell 25 gelegen ist, kann ein Bohrfluid durch eine Schlammleitung 96, dann in das obere Ende des Bohrstranges 150, anschließend durch ein Ventil 98 des Bohrrohres, danach durch den Bohrstrang 50 und dann durch den Bohrmeißel 56 pumpen. Das Bohrfluid tritt dann aus dem Bohrmeißel 56 aus und strömt von dem unteren Ende des Bohrloches 230 durch einen Ringraum des Bohrloches zwischen einem äußeren Durchmesser OD des Bohrstranges 50 und einem inneren Durchmesser ID des Bohrloches 30 zu dem oberen Ende des Bohrloches 130. Das Bohrfluid kann dann das Bohrloch selektiv durch eine Schlamm-Rückleitung 40 oder eine Drosselleitung 32 verlassen und in das Behandlungssystem 92 für den Bohrschlamm fließen. Ein Rohrstutzen 44 kann vorgesehen sein, um die rückkehrenden Bohrfluide aus dem Ringraum in die Schlamm-Rückleitung 40 und dann in das Schlamm-Behandlungssystem 92 zu leiten.
  • Nahe einem oberen Ende des Bohrloches 130 können ein oder mehrere ringförmige Blow-Out-Verhüter 10, Gerätebacken 14 und 16 und/oder Blindbacken vorgesehen werden, um das obere Ende des Bohrloches 30 einzufrieden. In der Drossellei tung 32 kann ein selektiv einstellbarer Durchflussregler vorgesehen sein, so zum Beispiel ein Ventil oder eine Drossel 70, um zumindest teilweise das Bohrloch abzuschließen. Von einem Fachmann in diesem Bereich der Technik wird es verstanden, dass die Drossel 70 hier verwendet wird, um generell Flusssteuerungsprinzipien zu erläutern, und dass in der Praxis eine Anordnung von mehreren Geräten vorgesehen und gesteuert werden kann. So kann zum Beispiel eine Drossel-Rohranordnung und/oder eine Totpump-Leitungsanordnung in Fluidkommunikation mit dem Bohrloch 30 vorgesehen sein.
  • Das untere Ende des Bohrstranges 250 kann auch eine Messapparatur 72 aufweisen, die eine oder mehrere Bohrparameter misst, so zum Beispiel den hydrostatischen Druck in dem Bohrloch 50, die Messwerte aufzeichnet und/oder ein Signal entsprechend den gemessenen Parametern zurück zu dem Bohrgestell 25 überträgt. Die Messapparatur 72 kann auch eine Messapparatur während des Bohrens („MWD" für „measurement while drilling") sein, die mehrere zusätzliche Bohrparameter misst, so zum Beispiel den Fluiddruck in dem Bohrstrang und die Lage des Bohrmeißels 56 relativ zu dem Bohrgestell 25. Eine Information, die den hydrostatischen Druck in dem Bohrloch angibt, kann nützlich sein für die Bestimmung der Dichte des Bohrschlammes.
  • Eine programmierbare Steuerung 100 und eine oder mehrere Sensoren 80, 82, 84, 94, 95 können vorgesehen sein, um Informationen, die zu einem oder mehreren Bohrlöchern und/oder Bohrparametern gehören, zu messen und/oder zu empfangen und die Funktion einer oder mehrerer Komponenten, die bei der Ausführung der Verfahren gemäß dieser Erfindung verwendet werden, zu steuern. Die Verfahren und Systeme dieser Erfindung können eine rasche Entdeckung und Korrektur von möglichen Problemen beim hydrostatischen Druck erleichtern, die in einem Bohrloch auftreten können. Die programmierbare Steuerung 100 kann elektronisch mit einem oder mehreren Sensoren verbunden sein, die der programmierbaren Steuerung 100 Informationen eingeben, die relevant für eine oder mehrere vermessene Bohrlöcher und/oder Bohrparameter, einschließlich der Bohrlochbedingungen sind. Der Fachmann wird erkennen, dass diese Erfindung, obwohl nur Bezug genommen wird auf ein Bohrloch und/oder Bohrparameter, nicht nur für Operationen beim Bohren von Bohrlöchern verwendbar ist, sondern auch für andere als Bohroperationen. Zum Beispiel können solche Parameter gemessen oder überwacht werden, wenn auf Bohrlöcher bezogene Operationen durchgeführt werden, so zum Beispiel Fertigstellungsarbeiten am Bohrloch oder Ausbesserungsarbeiten am Bohrloch. Parameter, die gemessen und der programmierbaren Steuerung eingegeben werden, können zum Beispiel das Volumen/Niveau des Bohrschlammtankes, die Pumpgeschwindigkeit der Schlammpumpe und/oder die Zählrate der Hübe, der Fluiddruck in dem Bohrschlammsystem und dem Bohrstrang 50, der Druck im Bohrloch nahe der Oberfläche und/oder die Positionen der Drossel 70 und der Blow-Out-Verhüter 10, 12, 14, 16. Ein Hubzähler 95 kann vorgesehen sein, um die Pumphübe der Bohrschlammpumpe 90 zu zählen.
  • Es können Sensoren vorgesehen und mit der programmierbaren Steuerung 100 verbunden sein, um Warnanzeichen von Kick-Einbrüchen, Blow-Outs, Verlust der Zirkulation und/oder möglichen Bohrproblemen zu messen, die sich zum Beispiel auf Probleme bei der Steuerung des hydrostatischen Druckes beziehen. Ebenso kann ein Summenmesser 97 für das Schachtvolumen vorgesehen sein, um einen Zuwachs und/oder Verluste des Bohrfluidvolumens in den Schlammtanks 92 zu überwachen oder zu messen. Die programmierbare Steuerung 100 kann ein Densometer und/oder einen Gassensor einschließen, um die Schlammdichte zu messen und durch Gas verdünnten Schlamm in dem Schlamm zu detektieren, der von dem Bohrloch 30 zurückgeführt wurde. Die Rückführleitung für den Schlamm kann einen Fließsensor oder einen anderen Flusssensor haben, der Probleme bei einem Verlust der Zirkulation oder bei einem Anstieg der Flussrate detektiert. Eine Anzeigeeinrichtung für das Gewicht des Bohrstranges kann in dem Bohrstrang 50 eingebaut sein, um Änderungen des Gewichtes des Bohrstranges zu messen. Ein Sensor kann auch in einem Geolographen eingeschlossen sein, um einen Rohrbruch zu detektieren.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann auch mit einem oder mehreren Sensoren und/oder Reglern verbunden sein, die von der Steuerung bei der Kontrolle der Bohrschlammzirkulation und/oder der Drucksteuerung verwendet werden. Die Sensoren 80, 82, 84, 94, 95 können ein oder mehrere Signale zu der programmierbaren Steu erung 100 liefern, die von der Steuerung 100 dazu verwendet werden, einen oder mehrere Regler einzustellen, um eine oder mehrere Komponenten zu steuern. Zum Beispiel können solche gesteuerten Komponenten eine Schlammpumpe 90, einen oder mehrere Blow-Out-Verhüter 10, 12, 14, 16 und die Drossel 70 umfassen.
  • Messen kann Abtasten, Messen, Aufzeichnen, Detektieren und/oder Analysieren umfassen. Jeder Sensor 80, 82, 84, 94, 95 kann einen redundanten Sensor an der jeweiligen Messposition umfassen, sodass jeder Messakt von zwei oder mehr Sensoren an jeder Position ausgeführt wird. Damit kann jede gemessene Information von jedem Sensor an einer entsprechenden Position verglichen werden mit einer anderen gemessenen Information an dieser entsprechenden Position, um die Genauigkeit, Veränderlichkeit und/oder Zuverlässigkeit des Messwertes zu bestimmen. Um diesen Vergleich durchzuführen, können auch statistische Prozesssteuerungstechniken verwendet werden. Solche Sensorkonfigurationen und Sensortechniken können die Zuverlässigkeit der Information erhöhen, die bei der Kontrolle und Steuerung eines Zirkulations- und/oder Totpumpen-Verfahrens verwendet werden. Der Vergleich kann durch eine programmierbare Steuerung 100 oder durch eine Bedienungsperson ausgeführt werden. Wenn eine Diskrepanz ausreichender Größe zwischen den redundanten Sensoren detektiert wird, kann die Steuerung oder die Bedienungsperson bestimmen, ob der Informationswert akzeptiert werden kann, oder ob die Operationen unterbrochen werden musss, bis ein genauer Informationswert bestimmt werden kann. Das Protokoll für eine solche Bestimmung kann von der Position des Sensors abhängig sein, dem Sensortyp, der Kritikalität der Information und einem Vergleich der gemessenen Information in Kontext mit der speziell ausgeführten Operation und im Vergleich mit anderen Informationen.
  • Ein Verfahren zum Wiedergewinnen und/oder Erhalten einer Steuerung des Fluiddruckes eines durch eine unterirdische Formation gebohrten Bohrlochs entsprechend dieser Erfindung kann dazu verwendet werden, ein Bohrloch totzupumpen, einen Kick-Einbruch auszupumpen und/oder Bohrfluide in einem Bohrloch zu zirkulieren. Ein Verfahren gemäß dieser Erfindung kann auch die Verwendung einer programmierbaren Steuerung 100 und einer ausgewählten Anordnung von Sensoren und/oder Reglern umfassen, die mit der Steuerung 100 verbunden sind. Die programmierbare Steuerung 100 kann routinemäßig einige geometrische Grundinformationen zum Bohrloch liefern, so zum Beispiel die Bohrlochgröße, die Tiefe, die Rohrgrößen, Längen- und konische Konfigurationen. Die Daten des Außendurchmessers OD und des Innendurchmessers ID der Rohre können ebenso geliefert werden. Die Kolbengröße der Schlammpumpe, die Hublänge, die Kolbenstangengröße und der Pumpentyp, zum Beispiel Duplex, Triplex, Quintiplex, doppelt-wirkend, einfach-wirkend, alle diese Werte können routinemäßig der programmierbaren Steuerung 100 geliefert werden. Das Gewicht des Bohrschlammes, die Viskosität, die Gelstärke oder das Schachtvolumen können dem Steuerungssystem geliefert werden. Jede routinemäßige Lieferung von Informationen an die programmierbare Steuerung 100 oder der Empfang solcher Informationen durch die Steuerung kann an ausgewählten Zeiten erfolgen, zum Beispiel jedes Mal, wenn ein Rohrstück des Bohrrohres zu dem Bohrstrang hinzugeführt wird, jeweils einmal bei einem Mannschaftswechsel oder einmal jeden Tag. Das Fortschreiben der Information kann abhängig zumindest teilweise von derunternommenen Bohraktivität, dem jeweiligen Bohrloch, den geologischen Bedingungen und Umweltbedingungen sein. Die ausgewählten Zeitintervalle können automatisch ausgewählt oder können in Antwort auf eine manuelle Instruktion zum Ausführen einer solchen Fortschreibung eingestellt werden.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann programmiert werden, um routinemäßig einen festgesetzten Wert für die Zirkulationsdrücke in dem Bohrloch automatisch und/oder durch einen manuellen Befehl einzustellen. Zum Beispiel kann einmal alle acht Stunden das Steuersystem einen Befehl liefern, um automatisch mit dem Einstellen von festgesetzten Zirkulationsdrücken fortzufahren. Nach Empfang eines solchen Befehles kann die programmierbare Steuerung 100 veranlassen, dass die Bohroperation kurzfristig unterbrochen wird, der Bohrmeißel vom Boden den Bohrloches abgehoben und die Schlammpumpe 90 veranlasst wird, Bohrschlamm mit einer oder mehreren vorgewählten Pump-Flussraten zu pumpen. Bei jeder gewählten Pump-Flussrate kann ein erster Fluidzirkulationsdruck in dem Bohrloch gemessen und von der programmierbaren Steuerung 100 aufgezeichnet werden. Das Bohrfluid kann durch den Bohrstrang 50, durch den Bohrmeißel 56, durch den Ringraum 30 des Bohr loches und separat durch die Drosselleitung 32 zirkuliert werden. Die Informationen über den Zirkulationsdruck und die Flussraten können dann durch die programmierbare Steuerung 100 verwendet werden, um einen Zirkulationsdruck in dem Bohrrohr für einen variablen Bereich von Zirkulationsraten zu bestimmen. Um die Genauigkeit der bestimmten Zirkulationsdrücke zu verbessern, können die gemessenen Raten und Drücke gemessen und bei Pumpraten aufgezeichnet werden, die repräsentativ für einen nutzbaren Bereich dieser Raten sind. Das während der Bestimmung der festgesetzten Werte für die Zirkulationsdrücke und Raten zirkulierte Fluid kann das erste Fluid sein und kann eine erste Dichte aufweisen. Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenfalls ein bekanntes Verfahren ausführen, um einen Gradiententest für den Sitz der Verrohrung beziehungsweise deren möglichen Bruch auszuführen, um einen oberen Grenzwert für den hydrostatischen Druck in dem Bohrloch 30 zu bestimmen.
  • In Antwort auf ein gemessenes Warnsignal, das ein Kick-Einbruch oder ein Problem hinsichtlich der Steuerung des hydrostatischen Druckes in dem Bohrloch 30 vorliegt, kann die programmierbare Steuerung 100 ein Warnsignal abgeben, einen Befehl/Steuerungsbefehl abgeben und/oder automatisch Abschließverfahren ausführen. Das bestimmte Abschließverfahren, das ausgeführt werden soll, kann durch die Steuerung bestimmt oder automatisch ausgewählt werden, und zwar zumindest teilweise in Abhängigkeit von dem verwendeten Bohrgestell 25 und der Bohroperation, die ausgeführt wird, wenn der Kick-Einbruch detektiert wird. Zum Beispiel kann ein unbewegliches Bohrgestell einem Abschließverfahren folgen, das unterschiedlich zu dem bei einer Bohrinsel ist, und es kann ein unterschiedliches Verfahren beim Bohren oder dann, wenn der Bohrstrang abgesenkt wird, ausgeführt werden. Wenn ein Blow-Out in geringer Tiefe auftritt, kann auch ein Verhüter-Verfahren angewendet werden.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann das ausgewählte Abschließverfahren ausführen. Um ein Bohrloch abzuschließen, kann typischerweise ein BOP 10, 12, 14, 16 an den Bohrstrang 50 geschlossen werden, und die Drossel 70 kann geschlossen werden, wobei die Schlammpumpe 90 die Schlammzirkulation stoppen kann. Die Abschließdrücke können in dem Bohrstrang 50 und in dem Ringraum 30 des Bohrloches durch Drucksensoren 82 beziehungsweise 84 gemessen werden. Die programmierbare Steuerung 100 kann dann einen Kick-Druck in dem Bohrloch berechnen oder bestimmen, so zum Beispiel als Summe des Abschließdruckes in dem Bohrrohr und dem hydrostatischen Druck. Der Kick-Druck kann durch die programmierbare Steuerung als im Wesentlichen konstanter Boden- oder Sohlendruck aufrechterhalten werden, während der Kick aus dem Bohrloch ausgepumpt und ein zweites Fluid, ein gewichtetes Totpumpfluid in das Bohrloch 30 eingepumpt wird. Ein Fachmann wird erkennen, dass bei bestimmten Umständen, so zum Beispiel dann, wenn ein Kick in ein Bohrloch bricht, beim ungenauen Auffüllen während des Ein- und Ausbaus des Bohrgestänges oder beim Schlichten, das zweite Fluid im Wesentlichen das gleiche Fluid wie das erste Fluid sein kann. Bei Installationen des Bohrstranges mit einem Rückschlagventil, das eine direkte Interpretation des Kick-Druckes und des Sohlendruckes durch einen Bohrstrang-Drucksensor 82 verhindern kann, kann die programmierbare Steuerung ein bekanntes Verfahren ausführen, um den Kick-Druck durch den Bohrstrang zu bestimmen, so zum Beispiel, indem langsam in den Bohrstrang 50 eingepumpt wird.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenfalls fähig sein, das Kick-Fluid ohne ein Abschließverfahren zu entfernen, um Daten zu erhalten. Wenn zum Beispiel ein Kick-Einbruch vermutet wird, kann die Steuerung den Kick-Einbruch auspumpen, indem das Bohrmeister-Verfahren mit Reibungsdaten des Bohrstranges verwendet wird, die vorher unter der Annahme gesammelt wurden, dass noch kein Kick-Einbruch in dem Bohrloch vorliegt, so zum Beispiel während der vorherigen neuen Verbindung oder Entfernung eines Bohrrohrabschnittes. Nach Entfernen des Kick-Fluides kann die programmierbare Steuerung 100 für eine gewisse Zeit die Pumpenzirkulation abstellen, entsprechende Druckdaten sammeln und dann das Pumpen mit dem Ingenieur-Verfahren mit höhergewichtigem Schlamm fortführen, falls dieses gewünscht ist. Ein Vorteil einer solchen Technik kann die Elimination eines weiteren Kick-Einbruches während der anfänglichen Abschließperiode sein, so wie dieses bei früheren Praktiken erfahren werden konnte. Ein Nachteil, nicht den anfänglichen Abschließdruck in dem Bohrrohr zu haben, kann ein geringeres Vertrauen in die Bestimmung des Formationsdruckes beim Einbruch sein. Jedoch kann die gesteigerte Sicherheit durch die Verwendung der programmierbaren Steuerung 100 und der Fähigkeit der programmierbaren Steuerung und der Sensoren, genau und schnell Änderungen in den Profilen des hyd rostatischen Druckes in dem Bohrloch auszuführen, die Techniken dieser Erfindung sicher und zuverlässiger machen.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann auch manuell geführt werden oder automatisch eine bekannte Routine ausführen, um nach einem Einschlussdruck in dem Bohrloch 30 zu suchen, und diesen Einschlussdruck aus dem Bohrloch 30 abzuleiten. Das Ableiten von Einschlussdrücken aus dem Bohrloch erleichtert eine genauere Bestimmung eines Abschließdruckes des Bohrrohres und eines Abschließdruckes im Bohrgestänge. Dabei kann die programmierbare Steuerung 100 genauere Berechnungen und Bestimmungen ausführen und kann die Genauigkeit der Berechnungen erhöhen und das Totpumpen des Bohrloches erleichtern. Ein Einschlussdruck kann automatisch innerhalb des Ringraumes des Bohrloches gemessen und kontrolliert durch die programmierbare Steuerung 100 aus dem Ringraum des Bohrloches abgeführt werden.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann einen Einbruchsgradienten für das Kick-Fluid bestimmen, das in das Bohrloch 30 einbrach. Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenso das Gewicht/die Dichte für das zweite Fluid, das heißt das Totpumpfluid, bestimmen, die rforderlich sind, um das Bohrloch totzupumpen oder eine hydrostatische Kontrolle wiederzugewinnen. Danach kann die programmierbare Steuerung 100 ein bekanntes Totpump-/Zirkulationsverfahren ausführen. Solche Totpump-/Zirkulationsverfahren können das Ingenieurs-Verfahren mit einer Umwälzung, das Bohrmeister-Verfahren mit zwei Umwälzungen oder das Kombinationsverfahren einschließen, bei dem das Pumpen unmittelbar nach Feststellen und Aufzeichnungen der Abschließdrücke beginnen kann, wobei die Dichte erhöht wird, wenn der Kick-Einbruch aus dem Bohrloch 30 ausgepumpt wird. Die programmierbare Steuerung 100 kann die Schlammpumpe 90 steuern, sodass diese das zweite Totpumpfluid in den Bohrstrang 50 mit einer gewählten Kill-Strömungsrate und einem Kill-Druck beim Zirkulieren durch das Bohrrohr, dann durch den Bohrstrang, anschließend durch den Ringraum des Bohrloches und dann entsprechend zurück zu dem Bohrgestell pumpt. Während das zweite/Totpumpfluid gepumpt wird, kann der Totpumpdruck beim Zirkulieren in dem Bohrrohr einer Drucktabelle folgen, die durch die programmierbare Steuerung 100 bestimmt wurde. Bei der Ausführung des Totpump- /Zirkulationsverfahrens kann die programmierbare Steuerung 100 einen im Wesentlichen konstanten Sohlen-/Totpumpdruck in der Formation aufrechterhalten, indem die Drossel 71 reguliert wird.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann auch das Pumpen des zweiten Fluides mit der gewählten Totpumprate als auch den Prozentsatz steuern, zu dem die Drossel für das Bohrfluid relativ zu einer vollen Schließstellung und der vollen Offenstellung geöffnet ist, sodass während des Pumpens des zweiten/Totpumpfluids der Sohlendruck/Totpumpfluiddruck beim Zirkulieren im Wesentlichen konstant verbleibt und zumindest so groß wie der Bodenloch-Kick-Druck ist. Die programmierbare Steuerung 100 kann auch sicherstellen, dass der Sohlendruck des zirkulierenden Fluids nicht einen Bruchdruck der Formation überschreitet, wobei dieses entweder berechnet, geschätzt oder durch die Steuerung vorab bestimmt wurde.
  • Im Gegensatz zu traditionellen Totpumpverfahren, die bei im Wesentlichen konstanten ausgewählten Totpumpflussraten ausgeführt werden, kann die programmierbare Steuerung einen im Wesentlichen konstanten Sohlendruck/Kill-Druck aufrechterhalten, während sie auf Variationen der gewählten Totpump-Flussrate anspricht, während entweder das erste und/oder das zweite Totpumpfluid gepumpt wird. In Antwort auf Veränderungen in der gewählten Totpump-Flussrate kann die programmierbare Steuerung 100 erneut die Pumptabelle für den Rest des Pumpverfahrens berechnen oder einstellen, sodass ein konstanter Sohlendruck aufrechterhalten wird. Um einen im Wesentlichen konstanten Sohlendruck aufrechtzuerhalten, kann die Steuerung die Drossel 70 in Abhängigkeit von Änderungen der Totpump-Flussrate und in Abhängigkeit von Druckänderungen einstellen, die stromaufwärts der Drossel während der Durchführung des Zirkulations-/Totpumpverfahrens auftreten. Die programmierbare Steuerung 100 kann das Volumen des gepumpten Fluids in Abhängigkeit eines oder mehrerer Sensoren bestimmen, so zum Beispiel eines Hubzählers 95 an der Pumpe 90, eines Flussmeters 94 oder einer Änderung in dem Fluidniveau in einem angegebenen Kessel, so zum Beispiel einem Totpumptank.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann ferner eine von einer Bedienungsperson zu betätigende Steueranordnung 104, 106, 108, so zum Beispiel eine Steuerkonsole mit Steuerkomponenten umfassen, um selektiv die programmierbare Steuerung 100 und/oder geregelte Komponenten während des Verfahrens einzustellen, so zum Beispiel die Drossel 70 und/oder die Schlammpumpe 90. Eine Arbeitssteuerung 104 kann vorgesehen sein, um Verfahrensänderungen, so zum Beispiel Änderungen der Pumpenrate während der Ausführung eines Steuerprozesses auszuführen, was zum Beispiel durch die programmierbare Steuerung 100 gesteuert werden kann. Ebenso kann eine Steuerungsprogrammiereinrichtung 106 vorgesehen werden, um eine Änderung des Programmes der programmierbaren Steuerung 100 zu erleichtern, so zum Beispiel ein Umschalten von dem „Bohrmeister-Verfahren" auf das „Ingenieur-Verfahren", oder um neue Dimensionswerte für den Bohrstrang 50 einzugeben, so zum Beispiel die Länge eines Segmentes des Bohrstranges 50. Es kann eine Dateneingabeeinrichtung 108, zum Beispiel eine Tastatur vorgesehen werden, um die Eingabe von Daten in die programmierbare Steuerung 100 zu erleichtern. Die Dateneingabeeinrichtung und/oder die Arbeitssteuerung können aus bekannten Dateneingabekomponenten zusammengesetzt sein, so zum Beispiel einer Tastatur, einem Joystick, Knöpfen, Schaltern oder anderen zu betätigenden Einrichtungen und/oder elektronischen Signalen.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann auch eine Anzeige 102, so zum Beispiel einen Video-Bildschirm, eine LED-Anzeige und/oder einen Drucker zur Aufzeichnung von Parametern enthalten, um als Funktion der Zeit oder einer anderen Variablen die visuelle Überwachung von Drücken, berechneten Parametern und den Fortschritt des Zirkulations-/Totpumpverfahrens zu erleichtern. Die Anzeige 102 kann ebenfalls während eines Arbeitsschrittes graphische, belebte, tabellarische und/oder aufgelistete Darstellungen von Parametern und/oder Bedingungen an eine Bedienungsperson und/oder ein anderes Steuersystem, so zum Beispiel einen automatischen Bohrer liefern. Solche graphischen Darstellungen können die vorhergesagten/aufgelisteten Drücke einschließen, wobei Geschwindigkeiten und Volumina dargestellt werden können. Die angezeigte Information kann zum Beispiel unter anderem (a) den Zirkulations-Totpumpdruck in dem Bohrrohr einschließen, (b) den Fluiddruck in dem Ringraum, (c) den Kick-Druck an der Sohle, (d) den Zirkulations-Fluiddruck an der Sohle, (e) die gewählte Totpump-Flussrate und (f) das gepumpte Fluidvolumen.
  • Eine angezeigte Information kann auch auf einem Videoschirm und/oder auf einem Papierausdruck dargestellt werden. Ein graphisches Diagramm einschließlich einer repräsentativen Darstellung des Bohrloches kann ebenfalls angezeigt werden, um dadurch den Fortschritt des Verfahrens zu illustrieren und Verfahrensparameter anzuzeigen, wobei dieses im Wesentlichen in Echtzeit erfolgt. Eine solche Darstellung kann animiert und/oder periodisch während des Verfahrens aktualisiert werden. Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenfalls in ein automatisches Bohrsystem integriert werden, wobei verschiedene Komponenten des Bohrgestelltes 25, so zum Beispiel die Hebewerkzeuge, der Drehtisch und/oder ein Kopfantrieb, zumindest teilweise durch die programmierbare Steuerung 100 gesteuert werden. Die programmierbare Steuerung kann eine axiale Position des Bohrstranges 50 relativ zu dem Bohrloch 30 kontrollieren. Wenn zum Beispiel ein Kick-Einbruch ermittelt wird, kann die programmierbare Steuerung 100 die Hebewerkzeuge veranlassen, den Bohrstrang 50 in dem Bohrloch 30 nach oben um eine bestimmte Distanz zu ziehen, sodass die Backen geschlossen werden können, ohne die BOP-Backen an einem Teilstück in dem Bohrstrang 50 zu schließen.
  • Im Falle, dass der Bohrstrang 50 in das Bohrloch 30 eingeführt oder aus diesem herausgezogen werden muss, kann die programmierbare Steuerung 100 die Öffnungs-/Schließ-Position der Blow-Out-Verhüter BOP koodiniert mit der Bewegung/Position des Bohrstranges steuern, wenn die Rohrteilstücke des Bohrstranges durch die BOP hindurch laufen. Die programmierbare Steuerung 100 kann dieses Stripping-Verfahren im Einklang mit bekannten Verfahren zum Ein- und Ausbauen von Rohren steuern, so zum Beispiel gemäß der „volumetrischen Methode" und der „dynamischen Methode". Die programmierbare Steuerung kann auch das Füllen des Bohrloches 30 mit Bohrschlamm steuern, wenn der Bohrstrang 50 in das Bohrloch abgesenkt beziehungsweise aus diesem herausgezogen wird.
  • Jeder der Sensoren 84 für den Ringraumdruck in dem Bohrloch und jeder der Sensoren 80 für den Bohrrohrdruck kann einen oder mehrere zusätzliche entsprechende Sensoren einschließen, um eine zweite Messung zu liefern oder den jeweilig gemessenen Druck zu prüfen. Daher kann eine Messung der Zuverlässigkeit und der Qualität der gemessenen Daten durch die programmierbare Steuerung ausgeführt werden. Den entsprechenden Sensoren können Prioritäten zugeteilt und in die programmierbare Steuerung 100 einprogrammiert werden, so dass dann, wenn die Datenzuverlässigkeit fraglich ist, die programmierbare Steuerung 100 entsprechend antworten kann, so zum Beispiel durch Herunterfahren des Totpump-Verfahrens, bis eine Bedienungsperson einen Befehl zum Fortfahren an die Steuerung gibt, oder die programmierbare Steuerung 100 kann ein Warnsignal liefern, dahingehend, dass möglicherweise Fehler der Sensoren vorliegen. Ein Fachmann wird erkennen, dass gewisse Sensoren zuverlässiger als andere in bestimmten Situationen sind, und dass die programmierbare Steuerung 100 mit Algorithmen und Routinen ausgerüstet ist, um Komponenten einer speziellen Installation in gewünschter Weise anzupassen.
  • Die Verfahren und Systeme gemäß dieser Erfindung sind nicht auf Bohrinstallationen und Bohrgestelle beschränkt. Die Verfahren und Systeme dieser Erfindung können bei Überarbeitungsverfahren verwendet werden, wenn die Verrohrung verschoben wird, ein Bohrrohr in das Bohrloch abgesenkt oder aus diesem herausgezogen wird, wenn Fertigstellungsarbeiten ausgeführt werden oder wenn spezielle Kontrollarbeiten am Bohrloch ausgeführt werden. Die verwendete Ausrüstung kann auch konventionelle und bekannte nicht-konventionelle Ausrüstungen einschließen, so zum Beispiel gewickelte Rohrelemente oder Hochdruckelemente.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann gesteuerte Komponenten des Bohrgestelles regeln, und zwar entweder elektrisch, mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch. Zusätzlich können einige Komponenten des Bohrgestelles durch das Steuerungssystem betätigt werden, wohingegen weitere andere Komponenten im Wesentlichen gleichzeitig manuell betätigt werden. In einigen Ausführungen können verschiedene Komponenten, so zum Beispiel die Drossel 70, die Blow-Out-Verhüter BOP 10, 12, 14, 16 und die Schlammpumpe 90 selektiv manuell und/oder durch die programmierbare Steuerung betätigt werden.
  • Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, während der Zirkulation Werte für die Zirkulationsraten aus einem breiten kontinuierlichen Bereich zu verwenden und nicht auf vorbestimmte, diskrete Raten, so zum Beispiel 20, 30, 40 Hübe pro Minute beschränkt zu sein. Mit den Techniken dieser Erfindung kann die Wahl einer Zirkulationsrate oder eine Änderung der Zirkulationsrate praktisch zu jeder Zeit während des Totpump-Prozesses entweder manuell durch eine Bedienungsperson, automatisch durch die programmierbare Steuerung und/oder durch beide vorgenommen werden.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann bekannte statistische Prozess-Kontrolltechniken („SPC" für „statistical process control") verwenden, um kontinuierlich zu bestimmen, dass die programmierbare Steuerung 100 tatsächlich „in Kontrolle" ist. Eine programmierbare Steuerung kann programmierte Steuerverfahren zumindest teilweise ausführen, indem SPC-Techniken verwendet werden, die einen „Bezugspunkt" oder Referenzwerte mit entsprechenden gemessenen oder bestimmten Werten vergleichen. Zum Beispiel können Bezugspunktwerte entweder durch Messung, durch Berechnen oder durch Eingabe einer Bedienungsperson vorbestimmt und in die programmierbare Steuerung für ausgewählte Variable eingegeben werden, so zum Beispiel der gemessenee Sohlendruck, der berechnete Sohlendruck, die Pumprate, der Druck in dem Bohrrohr und der BOP-Druck unterhalb der Wasseroberfläche bei Bohrinseln.
  • Eine SPC-Technik kann das Merkmal einschließen, einen ersten Fluiddruck mit einem ersten Fluiddruck-Sensor und einen zweiten Fluiddruck praktisch gleichzeitig mit einem zweiten Fluidsensor zu messen, und zwar an praktisch dem gleichen Punkt in dem Fluidsystem, zum Beispiel in dem Bohrstrang oder dem Ringraum des Bohrloches. Die programmierbare Steuerung kann verwendet werden, um selektiv den ersten gemessenen Fluiddruck mit dem zweiten gemessenen Fluiddruck zu vergleichen, um eine Druckabweichung oder einen Unterschied zwischen den Signalen der beiden Sensoren zu berechnen. Die gemessene Druckabweichung kann mit einer vorbestimmten Referenz-Druckabweichung verglichen werden, und es kann ein Alarmsignal erzeugt werden, wenn die gemessene Druckabweichung größer als die vorbestimmte Referenz-Druckabweichung ist. Wenn daher redundante Drucksensoren an einem gemeinsamen Punkt nicht Messwerte liefern, die innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegen, kann eine Bedienungsperson dahingehend gewarnt werden, dass ein Sensor ausgefallen ist oder falsche Daten liefert. Auch wenn bei dieser Darstellung die SPC-Variable der Druck ist, können SPC-Techniken auf jeden gemessenen Wert oder jede gemessene Variable in dem Fluidsystem angewendet werden, einschließlich die Pump-Hubrate, die Schachtniveaus, die Gasdetektion, die Flussrate des Schlammes in der Rückflussleitung und das Schlammgewicht.
  • Der SPC-Referenzwert/-Bezugspunkt kann durch eine andere Messung erhalten und/oder geliefert werden, so zum Beispiel eine frühere Messung der Messsensoren, oder an die programmierbare Steuerung 100 durch einen oder mehrere andere Sensoren geliefert werden. Der Referenzwert/Bezugspunkt kann erhalten oder zur Verfügung gestellt werden durch Berechnung, Programmieralgorithmen, Sensormessungen, einem vorbestimmten Wert oder einen durch eine Bedienungsperson eingegebenen Wert.
  • Ein möglicher Vorteil der Verwendung der SPC-Technik ist es, dass schwierig zu detektierende Probleme am Sohlenboden in einer frühen Entwicklungsphase identifiziert werden können. Beispiele für solche Probleme umfassen zum Beispiel den Verlust der Zirkulation; Unterspülungen in dem Bohrstrang, die Anordnung an der Sole des Loches und/oder des Drillmeißels; Verstopfen von Schachtdüsen oder Verstopfen des Bohrstranges. Die Fähigkeit, hydrostatische Komplikationen frühzeitig zu identifizieren, kann auch aus der Überlegung stammen, dass dann, wenn die gesamte Ausrüstung an der Oberfläche und die Steuersysteme korrekt arbeiten, und das System nicht „in Kontrolle" ist, andere nicht direkt messbare Faktoren, so zum Beispiel ein Problem bei dem hydrostatischen Sohlendruck, eine wahrscheinliche Ursache für die „außer Kontrolle"-Situation sind. Ebenso können durch die SPC-Lösung Probleme bei der oberirdisch gelegenen Ausrüstung, so zum Beispiel einer Unterspülung der Drossel, ebenfalls detektiert werden. Das Steuersystem kann eine Folge von Alarmsignalen lie fern, die spezifisch für den gewählten Bohrloch-Steuerplan sind, einschließlich die folgenden Merkmale:
    „Verlust der Kontrolle" eines kontrollierten oder gesteuerten Parameters;
    Störung eines Schlamm-Gas-Separationssystemes hinsichtlich einer sicheren Funktion, angegeben zum Beispiel durch einen exzessiven Kesseldruck und/oder ein darin vorliegendes exzessives hohes oder niedriges Niveau der Flüssigkeit;
    exzessiver Druck an einem beliebigen Punkt innerhalb des Systemes, einschließlich in dem Ringraum, der Verrohrung, den Drosselrohren und der Abfackelleitung.
    Sensorausfall.
    Steuerbefehle und Funktion der Drossel; und
    Temperatur und/oder Druckbedingungen an einer Drossel, einem unter der Wasseroberfläche gelegenen BOP oder sonst wo in dem Zirkulationssystem, durch die eine mögliche Bildung von Hydraten angezeigt wird.
  • Wenn eine Bedienungsperson das Pump- und/oder Steuersystem manuell steuert und ein Alarm (zum Beispiel aus der obigen Liste) auftritt, dann kann die Bedienungsperson anstelle einer Reaktion durch ein manuelles Absenken der Zirkulationsrate die programmierbare Steuerung 100 einschalten, damit diese die Zirkulationsrate reduziert und automatisch das Zirkulations-/Totpump-Verfahren steuert und/oder der Bedienungsperson neue Steuerdaten liefert, die spezifisch für die neue Zirkulationsrate sind.
  • Wenn die programmierbare Steuerung 100 einwandfrei funktioniert und ein Alarm (zum Beispiel entsprechend der obigen Liste) auftritt, kann das Kontrollsystem automatisch die Zirkulationsrate reduzieren und die Steuerparameter automatisch einstellen. Im Gegensatz hierzu kann das Steuersystem, wenn die programmierbare Steuerung 100 die Zirkulationsrate in Antwort auf den Alarm reduzierte und wenn die Alarmbedingung bereinigt ist, die Zirkulationsrate automatisch bis auf eine erwünschte oder bestimmte Rate erhöhen. Eine solche automatische SPC-Arbeitsstrategie erlaubt es der programmierbare Steuerung 100, sicher und genau einen Kick-Einbruch in reduzierter Zeitspanne und innerhalb von durch die Bedienungsperson gesetzten Rrozessbeschränkungen, so zum Beispiel einer maximalen Pumprate, auszupumpen.
  • Eine Bedienungsperson kann ebenso mit der programmierbaren Steuerung 100 zusammenarbeiten, um manuell lediglich die Pumprate zu steuern, während die programmierbare Steuerung die Drossel steuert. Bei Auftreten einer gemessenen Alarmbedingung kann die Bedienungsperson wählen, die manuelle Steuerung der Pumpe fortzusetzen oder er kann es dem Steuersystem erlauben, die Pumpensteuerung zu übernehmen.
  • Die Bedienungsperson kann ebenfalls die programmierbare Steuerung 100 programmieren, um jede der geläufigen Steuertechniken für ein Bohrloch zu verwenden, so zum Beispiel das Bohrmeister-Verfahren und/oder das Ingenieur-Verfahren, und zwar in einem manuellen und/oder automatischen Steuerungsmodus. Zum Beispiel kann die Bedienungsperson beabsichtigen, einen Kick-Einbruch aus dem Bohrloch mit einer Zirkulationsrate auszupumpen, was die programmierbare Steuerung 100 dann ausführen kann. Wenn jedoch während dieser Ausführung irgendwelche Komplikationen durch die Bedienungsperson oder die programmierbare Steuerung 100 detektiert werden, dann kann die Steuerung die Zirkulationsrate auf eine für die Bedingungen sichere Rate reduzieren. Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenso programmiert werden, damit die automatische Pumprate nicht die durch die Bedienungsperson festgesetzte Bezugs-Pumprate überschreitet.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann programmiert werden, um Sensor-Fehler oder fehlerhafte Daten zu detektieren. So können zum Beispiel an jeder Messposition Doppelsensoren vorgesehen werden. Eine SPC-Überwachung der Sensor- Ausgangssignale kann durch die programmierbare Steuerung erfolgen, um zu bestimmen, wenn ein ausgelesenes Ausgangssignal statistisch signifikant von dem ausgelesenen Signal des zweiten Sensors abweicht.
  • In dem automatischen Modus kann die programmierbare Steuerung 100 einer Bedienungsperson einen detaillierten Steuerungsplan und eine Tabelle liefern, sodass die Bedienungsperson diesen Plan manuell ausführen kann im Fall, dass ein Sensor oder ein Steuerungsgerät ausfällt oder ein Ausfall der Funktion des Steuersystemes vorliegt. Ein solcher Plan kann als Back-Up-Plan oder als primärer Steuerungsplan verwendet werden, und kann regelmäßig während der Bohrarbeiten aktualisiert werden. Der Plan kann aus einem Plan-Speicherbereich ermittelt werden, und zwar auf Wunsch entweder als ausgedruckte Form oder elektronisch. Der Steuerungsplan kann ebenfalls einen breiten Bereich von Sensoren berücksichtigen. So kann zum Beispiel der Zieldruck in dem Bohrrohr für einen oder mehrere elektronische Drucksensoren oder für einen oder mehrere hydraulische Messgeräte definiert werden. Die geeigneten Beziehungen zwischen diesen gemessenen Werten können durch das System bestimmt werden.
  • Im Falle, dass die Bohrlochsteuerung nicht durch das Reduzieren der Zirkulationsrate oder durch das Ausführen einer oder mehrerer Steuerungsverfahren für das Bohrloch wieder gewonnen werden kann, oder wenn die Qualität der an die Steuerung gelieferten Daten fragwürdig oder fehlerhaft ist, kann die programmierbare Steuerung 100 mit der Fähigkeit ausgerüstet werden, eine Notabschaltung („ESD" für „emergency shut down") für die Bohrung, die Bohrausrüstung und/oder die Pumpenausrüstung auszuführen. Ein ESD-Verfahren kann eine automatische Arbeitsweise einer oder mehrerer Komponenten der Ausrüstung einschließen und/oder der Bedienungsperson eine Anleitung für manuelle Aktionen liefern.
  • Die programmierbare Steuerung 100 kann auch eine sekundäre Unterstützungsausrüstung als Teil des Steuerungsschemas betätigen. Zum Beispiel kann die programmierbare Steuerung im Falle eines exzessiven Gas-Schlamm-Separatordruckes die Bohrung abschließen und eine „Ausblasleitung" öffnen, um den Druck zu reduzieren.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddruckes eines Bohrloches (30), das durch eine unterirdische Formation gebohrt wurde, indem ein Bohrgestell (25), ein Bohrstrang (150), der eine Durchgangsbohrung aufweist und zumindest teilweise in dem Bohrloch positioniert ist, und eine Fluidpumpe (90) verwendet werden, um ein Drucksteuerfluid durch den Bohrstrang und in das Bohrloch zu pumpen, wobei das Verfahren die Merkmale aufweist: Vorsehen eines Blow-Out-Verhüters BOP (10, 12, 14, 16), um einen Ringraum-Fluiddruck in einem Ringraum des Bohrloches zu halten; Vorsehen einer Bohrfluiddrossel (70), die mit dem Ringraum des Bohrloches in Fluidkommunikation steht; Pumpen eines ersten Fluids durch den Bohrstrang, dann durch den Ringraum des Bohrloches und anschließend zurück zu dem Bohrgestell, wobei das erste Fluid mit einer festgesetzten ersten Fluid-Zirkulationsrate gepumpt wird; Bestimmen eines Fluiddrucks in dem Bohrstrang mit einem Drucksensor (72); einer programmierbaren Steuerung (100), um in Abhängigkeit von dem bestimmten Fluiddruck in dem Bohrstrang einen Bezugswert für einen ersten zirkulierenden Bohrrohrdruck bei der festgelegten ersten Fluid-Zirkulationsrate zu bestimmen; Pumpen des ersten Fluids mit einer zweiten festgelegten Fluid-Zirkulationsrate, die unterschiedlich zu der ersten festgelegten Fluid-Zirkulationsrate ist; Verwenden der programmierbaren Steuerung, um einen Bezugswert für einen zweiten zirkulierenden Bohrdruck bei der festgelegten zweiten Fluid- Zirkulationsrate in Abhängigkeit von dem bestimmten Fluiddruck in dem Bohrstrang zu bestimmen; Bestimmen einer Steuerbedingung für einen hydrostatischen Fluiddruck; anschließendes Verschließen des BOP, um den Ringraum-Fluiddruck in dem Bohrloch zu halten; selektives Verschließen der Bohrfluiddrossel, um den Ringraum-Fluiddruck in dem Bohrloch zu halten; Beenden des Pumpens des ersten Fluids durch den Bohrstrang; Bestimmen eines Fluiddruckes in dem Bohrstrang, um den Bodenloch-Kickdruck zu bestimmen; anschließendes Bestimmen eines Bodenloch-Kickdruckes; Pumpen eines zweiten Fluids in den Bohrstrang mit einer variablen Totpump-Strömungsrate und einem Zirkulations-Totpumpdruck in dem Bohrrohr, anschließend durch den Bohrstrang, dann durch den Ringraum des Bohrloches und dann zurück zu dem Bohrgestell; und Verwenden der programmierbaren Steuerung, um zumindest einen der folgenden Punkte zu steuern (a) Pumpen des ersten Fluids bei der festgelegten ersten Fluid-Zirkulationsrate und bei der zweiten Fluid-Zirkulationsrate, (b) Pumpen des zweiten Fluids mit der gewählten Totpump-Strömungsrate, (c) die Bohrfluiddrossel und (d) den BOP, sodass während des Pumpens des zweiten Fluids ein Zirkullations-Fluiddruck am Bodenloch im Wesentlichen konstant und zumindest so groß wie der Startdruck des Bodenloches bleibt.
  2. Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddrucks eines Bohrloches nach Anspruch 1, wobei beim Pumpen eines zweiten Fluids in den Bohrstrang mit einer variablen Totpump-Strömungsrate ferner die Totpump-Strömungsrate variabel eingestellt wird, während im Wesentlichen gleichzeitig die Bohrfluiddrossel gesteuert wird, um den im Wesentlichen konstanten Zirkulationsfluiddruck am Bodenloch konstant zu halten.
  3. Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddrucks eines Bohrloches nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei beim Bestimmen einer Steuerbedingung für einen hydrostatischen Fluiddruck ferner ein Kickwert mit einem Kicksensor bestimmt wird.
  4. Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddrucks eines Bohrloches nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Fluid gleich dem zweiten Fluid ist.
  5. Programmierbare Steuerung (100), die programmiert ist, um die programmierbaren Steuerschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
DE60217422T 2001-01-26 2002-01-27 Verfahren und System zum Steuern des Druckes eines Erdbohrloches Expired - Fee Related DE60217422T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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US09/770,594 US6484816B1 (en) 2001-01-26 2001-01-26 Method and system for controlling well bore pressure
US770594 2001-01-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
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