DE69316142T2

DE69316142T2 - Ausbruchventil zum Verschliessen eines Ringraumes zwischen einem Bohrgestänge und der Bohrlochwand

Info

Publication number: DE69316142T2
Application number: DE69316142T
Authority: DE
Inventors: Sigbjorn N-7039 Trondheim Sangesland
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1992-10-16
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: ES2112961T3; NO924017L; EP0593122B1; EP0593122A3; US5404953A; NO180055C; DK0593122T3; DE69316142D1; BR9304251A; EP0593122A2; NO180055B; CA2108487A1; NO924017D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verhütung einer Bohrlocheruption und dient zum Verschließen des Ringraumes zwischen einem Bohrgestänge und einer Bohrlochwand, wenn eine unerwünschte Eruption von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bohrloch in einer instabilen geologischen Formation, beim Bohren nach Öl oder Gas, stattfindet.
Aus den Dokumenten US-A-4.367.794 sowie EP-A-0.116.443 und EP-A-0.205.297 sind Vorrichtungen bekannt, welche eine unerwünschte Eruption von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bohrloch in einer instabilen geologischen Formation, beim Bohren nach Öl und/oder Gas, verhindern. Diese bekannten Vorrichtungen zum Versperren einer Eruption von Flüssigkeit und/oder Gas ziehen beträchtliche Nachteile nach sich. US-A- 4.367.794 betrifft eine akustisch aktivierte Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption welche es gestattet, mittels einer beweglichen inneren Hülse, die in dem Ventilkörper angeordnet ist und von einem Motor in Bewegung gesetzt wird, sowie einer Ventilklappe die Bohrflüssigkeit nach außen zirkulieren zu lassen und den Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand zu verschließen. Die Verbindung zwischen der Abdichtungsvorrichtung und dem Ringraum erfolgt über Luken und Durchführungen in dem Ventilkörper und über Drosselvorrichtungen in der Hülse Der Nachteil besteht darin, daß die Dichtungen zwischen der Hülse und dem Ventilkörper infolge des hohen Differentialdruckes einer zu hohen Abnutzung durch Erosion ausgesetzt sind. EP-A-0.116.443 betrifft eine Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption, welche aktiviert wird sobald ein vorgegebener Differentialdruck zwischen dem Druck im Ringraum und dem inneren Druck im Bohrgestänge erreicht wird. Dieser Differentialdruck betätigt einen Absperrschieber der in dem Ventilkörper eingebaut ist. Der Nachteil besteht darin, daß der Absperrschieber leicht blockieren kann und daß die Dichtungen einer Abnutzung durch Erosion unterliegen. EP-A-0.205.297 betrifft eine Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption in welcher ein Magnetventil den Druck hin zu einem Kugelventil regelt, welches seinerseits das Modell der Umwälzung der Bohrflüssigkeit verändert. Die Einschaltung erfolgt über Druckwellen, die durch die Bohrflüssigkeit in dem Bohrgestänge weitergeleitet werden. Der Nachteil dieser Erfindung liegt darin, daß mindestens drei Ventile im Einsatz sind und daß deshalb ein gewisses Risiko besteht, daß eines oder mehrere dieser Ventile blockieren oder undicht werden könnten.
US-A-3.908.769 offenbart eine Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption und dient zum Verschließen eines Ringraumes zwischen einem Bohrgestänge und einer Bohrlochwand mittels einer dehnbaren Abdichtungsvorrichtung in dem Falle wo eine unerwünschte Eruption von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bohrloch in einer instabilen geologischen Formation, beim Bohren nach Öl oder Gas, stattfindet. Die Bohrflüssigkeit strömt durch ein inneres Durchflußrohr in dem Bohrgestänge hin zu einem primären und einem sekundären Ventilsystem und weiter unten zu der Bohrkrone am Ende des Bohrgestänges oder des Bohrstranges. Wenn eine Eruption eintritt, dann werden die Pumpen für die Bohrflüssigkeit abgestellt und eine Bohrlochsicherung wird von der Oberfläche aus betätigt um den Ringraum rund um das Bohrgestänge herum zu verschließen. Dann wird das obere Ende der Leitung in dem Bohrgestänge geöffnet, wodurch infolge des Eruptionsdruckes das primäre Ventilsystem nach oben bewegt wird um das sekundäre Ventilsystem zu öffnen, so daß, wenn die Pumpen für die Bohrflüssigkeit wieder in Betrieb gesetzt werden, der durch die Pumpen erzeugte Druck die Abdichtungsvorrichtung aufbläht.
Diese bekannte Vorrichtung ist sehr unsicher, denn sie beruht auf einem Öffnen der Leitung in dem Bobrgestänge wenn die Eruption eintritt und sie umfaßt mehrere unterschiedliche Ventilkomponenten und verfahrensabhängige Schritte, die leicht versagen könnten.
Flache, dünne Speicher mit Gas- und/oder Flüssigkeit unter hohem Druck stellen eines der überaus ernsten Probleme beim Bohren nach Gas oder Öl dar. Flaches Gas besteht aus Gas, das im oberen Teil der sedimentären geologischen Formation vorkommt und sich gewöhnlich zwischen 200 und 800 Meter unter dem Meeresbett befindet.
Diese Gas- und/oder Flüssigkeitsspeicher sind gewöhnlich 2 bis 6 Meter dick und bestehen oft aus nicht verfestigtem Sand mit hoher Porosität und hoher Permeabilität Die Ausdehnung dieser Speicher kann groß sein und die Wahrscheinlichkeit einer unkontrollierten Eruption kann hoch sein, mit einem entsprechend hohen Risiko einer Beschädigung des Bohrloches. Der Druck der Formation in der oberen Schicht ist gewöhnlich niedrig. Um zu verhindern, daß Speicherflüssigkeit in das Bohrloch eintritt, muß das Gewicht der hydrostatischen Säule der Bohrflüssigkeit höher sein als der Druck in dem Speicher, aber nicht so hoch, daß das Risiko eines Reißens der Bohrlochwand auftritt. Wenn dies sich ereignet, kann die in dem Bohrloch vorhandene Bohrflüssigkeit möglicherweise in die Formation ausfließen und es kann zu einer unkontrollierter Eruption kommen, dies als Konsequenz der reduzierten Höhe und somit des reduzierten Gewichts der hydrostatischen Säule der Bohrflüssigkeit. Um die Sicherheit zu erhöhen, kann zur Verhütung einer Eruption eine Vorrichtung unten in dem Bohrloch zum Einsatz gelangen, um den Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand über der instabilen, kritischen Speicherschicht zu verschließen. Danach fließt die Flüssigkeit oder das Gas, welche über dem Ventil vorkommen, hin zu der Oberfläche aus und der Ringraum wird mit Flüssigkeit gefüllt, welche ein ausreichendes spezifisches Gewicht aufweist, um dem Speicherdruck zu widerstehen.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht demzufolge in der Verbesserung der betrieblichen Sicherheit die von einer Vorrichtung ausgeht, welche der Verhütung einer Bohrlocheruption dient und welche beim Bohren nach Öl oder Gas in einem Bohrloch angeordnet ist, und die über das hinaus geht was sicherheitsseitig von den oben erwähnten Lösungen her bekannt ist, wobei die Vorrichtung den Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand schnell und wirkungsvoll abschließt und wobei dieselbe in ihrer Ausführung ein Minimum an Abdichtungs- und Ventilvorrichtungen aufweist, welche einem zerstörend wirkenden Druck oder einer abnutzenden Erosion unterliegen können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies mit Hilfe einer Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption erreicht, wie sie in der Einleitung erwähnt worden ist und wie sie desweiteren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Ventil in einer Anordnung aus einem durchgehenden anstellbaren Absperrventil besteht, mit einer Ventilspindel und einem doppelseitigen Ventilscheibe, welche ausgerüstet ist um in Bewegung gesetzt zu werden und welche die Bohrflüssigkeit entweder, bei normalem Bohrbetrieb, in Richtung auf die Bohrkrone hin leitet oder, wenn eine Eruption einsetzt, durch eine Anzahl von Austrittsdüsen leitet, wobei dieselbe in diesen Düsen einem großen Druckabfall unterliegt, so daß sich ein Druckgefälle ergibt, das dazu benutzt wird die Abdichtungsvorrichtung aufzuweiten.
In den Ansprüchen 2-7 werden die besonders vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung definiert.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr bis in weiterreichende Einzelheiten beschrieben, unter Zuhilfenahme von Beispielen und unter Rückbeziehung auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen nachfolgende Darstellungen wiedergegeben sind :
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein senkrechtes Bohrloch, in welchem eine Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption in einem normalen Betriebszustand angeordnet ist,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch dieselbe Vorrichtung in derselben Position, aber in dem Zustand einer Eruption, und
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption und stellt deren Einzelheiten dar.
Wie oben dargelegt wurde, ist Fig. 1 ein Querschnitt durch ein Bohrloch, in einer geologischen Formation, in welchem ein Bohrgestänge 7 eingelassen ist an dessen Basis, entsprechend der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption 4 mit einer Bohrkrone 1 befestigt ist. Der in Fig. 1 gezeigte Zustand ist ein normaler Betriebszustand bei welchem die Bohrflüssigkeit hindurch durch das Bohrgestänge 7 und durch die Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption 4 geleitet wird, hin zu einer Düse 2 und weiter unten zu einer Bohrkrone 1. Die Bohrflüssigkeit wird hin zu der Oberfläche geleitet, über einen Ringraum 8 zwischen der Bohrlochwand und dem Bohrgestänge 7, wenn eine Ventilvorrichtung 6, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird, offen ist, um es der Bohrflüssigkeit zu erlauben in einer axialen Richtung zu der Bohrkrone 1 zu fließen. Fig. 2 zeigt den Zustand der Eruption bei welcher das Ventil 6 in der axialen Richtung geschlossen ist, aber in der radialen Richtung geöffnet ist, so daß die Bohrflüssigkeit nicht zu der Bohrkrone gelangen kann. Die Bohrflüssigkeit fließt unter hohem Druck durch die Düsen 5. Der Druckabfall, der in den Düsen entsteht, wird dazu benutzt die Abdichtungsvorrichtung 3 aufzuweiten, welche so ausgelegt ist, daß sie den Ringraum 8 zwischen dem Bohrgestänge 7 und der Bohrlochwand schließt.
Fig. 3 zeigt die Einzelheiten der Vorrichtung zur Verhütung der Eruption 4.
In einem normalen Bohrungszustand fließt die Bohrflüssigkeit durch eine Durchflußleitung 20 zu einer Düse 2 und zu der Bohrkrone 1. Eine Ventilscheibe 22 befindet sich dann in der gezeigten Position und jegliche Bohrflüssigkeit in der Abdichtungsvorrichtung 3 (siehe Fig. 2) wird in den Ringraum umgeleitet, durch eine Leitung 23 und die Austrittsdüsen 24. Wenn eine Eruption von Gas oder Flüssigkeit stattfindet, ausgehend von einer dünnen Speicherschicht in einer instabilen geologischen Formation, dann wird ein druckinduzierter Pulscode am Eingang des Bohrgestänges aktiviert und durch die Bohrflüssigkeit an einen Druckmeßwertgeber 25 in der Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption 4 weitergeleitet. Der druckinduzierte Pulscode wird an einen Mikroprozessor 37 übermittelt, welcher so vorprogrammiert ist, daß er in der Lage ist den Aktivierungscode zu erkennen. Wenn die Code übereinstimmen, wird ein elektrischer Motor in Gang gesetzt und dieser treibt ein Sammelgetriebe 30 sowie eine Mutter- Schrauben-Vorrichtung 32, 33 an, welche die Ventilscheibe 22 in axialer Richtung verstellen bis sie auf einen Ventilsitz 26 in den Ventilkörper 21 stößt. Die Bohrflüssigkeit fließt dann in eine andere Richtung und durch die Austrittsdüsen 24 hindurch, dies unter einem beträchtlichen Druckabfall, der dazu benutzt wird die Abdichtungsvorrichtung 3 aufzuweiten. Um die Erosion der Bohrlochwand zu vermeiden, wird die Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption 4 mit einer kreisförmigen, außen gelegenen Hülse 29 versehen, welche die Austrittsdüsen 24 abdeckt, sowie mit einem elastischen Hülsenstück 28 in Verbindung mit der Hülse 29, um zu verhindern, daß von dem Bohren herstammende Partikel während des normalen Bohrvorganges in die Austrittsdüsen 24 eindringen.

Claims

1. Vorrichtung (4) zur Verhütung einer Bohrlocheruption 4 und zum Verschließen eines Ringraumes (8.) zwischen einem Bohrgestänge (7) und einer Bohrlochwand mittels einer dehnbaren Abdichtungsvorrichtung (3), wenn sich eine unerwünschte Eruption von Flüssigkeit und/oder Gas aus einem Bohrloch in einer instabilen geologischen Formation während des Bohrens nach Öl oder Gas ereignet, wobei die Bohrflüssigkeit durch ein inneres Leitungsrohr (20) in dem Bohrgestänge (7) hin zu einem angetriebenen Ventil (6) geleitet wird, welches für den Fall einer Eruption ausgerüstet ist um den Druck der Bohrflüssigkeit zu nutzen um die Abdichtungsvorrichtung (3) aufzuweiten, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil in einer Anordnung aus einem durchgehenden anstellbaren Absperrventil (6) mit einer Ventilspindel (33) und einer doppelseitigen Ventilscheibe (22) besteht, welche ausgerüstet ist um in Bewegung gesetzt zu werden und um die Bohrflüssigkeit entweder, im normalen Bohrbetrieb, zu der Bohrkrone 1, oder, wenn eine Eruption stattfindet, durch eine Anzahl von Austrittsdüsen (5,24) zu leiten, wobei dieselbe in diesen Düsen einem großen Druckabfall unterliegt, so daß sich ein Druckgefälle ergibt, welches dazu benutzt wird die Abdichtungsvorrichtung (3) aufzuweiten.

2. Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (35) vorgesehen ist, so daß in Verbindung mit der Ventilspindel (33) für die Anordnung des durchgehenden anstellbaren Absperrventiles (6, 22), ein ausreichender Abdichtungsdruck zwischen der Ventilscheibe (22) und dem Ventilsitz (38) gewährleistet ist.

3. Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspindel (33) durch einen elektrischen Motor (27) über ein Sammelgetriebe (30) und eine Mutter-Schrauben-Vorrichtung (32) angetrieben wird.

4. Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer äußeren, kreisförmigen, den Druck absorbierenden Hülse (29) ausgerüstet ist.

5. Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Hülsenstück (28) an der Hülse (29) befestigt ist.

6. Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor (27) mit einer Kontrolleinheit ausgerüstet ist, welche die Energie bei einem vorgegebenen Abdichtungsdruck zwischen der Ventilscheibe (22) und dem Ventilsitz (26) abstellt.

7. Vorrichtung zur Verhütung einer Eruption gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum in Betrieb setzen des Motors (27), der die Anordnung des durchgehenden anstellbaren Absperrventils (6) antreibt, ein System benutzt wird, das in einem druckinduzierten Pulscode, einem Druckmeßwertgeber (25) und einem Mikroprozessor (37) besteht, welches in dem Falle wo eine Eruption einsetzt durch einen druckinduzierten Pulscode aktiviert wird, welcher am Eingang des Bohrgestänges (7) generiert wird und durch die Bohrflüssigkeit hindurch zu einem Druckmeßwertgeber (25) weitergeleitet wird, welcher seinerseits den druckinduzierten Pulscode an den Mikroprozessor (37) weiterleitet, welcher mit dem Druckcode vorprogrammiert ist, welcher den Motor (27) in Gang setzt wenn die Code übereinstimmen.