DE69921639T2 - Unterwasser-rotier-umlenker - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft allgemein Hochsee-Bohrsysteme, welche zum Bohren von Unterwasser-Bohrlöchern benutzt werden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Hochsee-Bohrsystem, welches einen dualen Druckgradienten aufrechterhält, nämlich einen Druckgradienten oberhalb des Bohrloches und einen anderen Druckgradienten in dem Bohrloch, und zwar während eines Bohrvorganges.
  • 2. Stand der Technik
  • Bohren in tiefem Gewässer von einem schwimmenden Schiff umfasst typischerweise den Gebrauch eines See-Steigrohrs mit großem Durchmesser, zum Beispiel ein 21-Zoll-See-Steigrohr, um die Ausrüstung an der Oberfläche des schwimmenden Schiffes mit einer Sicherheitsventilausblasleitung an einem Unterwasser-Bohrkopf zu verbinden. Das schwimmende Schiff kann festgemacht oder dynamisch an der Bohrstelle positioniert sein. Dynamisch-positionierte Bohrschiffe werden jedoch überwiegend beim Bohren in tiefem Gewässer verwendet. Die primären Funktionen des See-Steigrohrs sind, den Bohrstrang und andere Werkzeuge von dem schwimmenden Schiff zum Unterwasser-Bohrkopf zu führen und Bohrfluid und Gesteinsbrocken von einem Unterwasser-Bohrloch zu dem schwimmenden Schiff zu leiten. Das See-Steigrohr umfasst mehrere Steigrohr-Verbindungen, welche spezielle Ummantelungen mit Kopplungsvorrichtungen sind, welche derartig verbunden werden können, dass sie eine röhrenförmige Passage zum Aufnehmen von Bohrwerkzeugen und Befördern von Bohr-Fluid bilden. Das untere Ende des Steigrohrs ist normalerweise in lösbarer Weise an der Sicherheitsventilausblasleitung verriegelt, welche gewöhnlicherweise ein flexibles Verbindungsstück umfasst, welches zulässt, dass das Steigrohr sich schräg stellen kann, wenn das schwimmende Schiff sich von der Stelle direkt über dem Bohrloch zur Seite bewegt. Das teleskopartige Verbindungsstück ist an einer Bohranlage auf dem schwimmenden Schiff mittels Kabel befestigt, welche auf Steigrohr-Spannern angrenzend an den Mondschacht der Bohranlage zu Bündeln zusammengeschnürt sind.
  • Die Steigrohr-Spanner sind derart angeordnet, dass sie einen Aufwärts-Zug an dem Steigrohr aufrechterhalten. Dieser Aufwärts-Zug vermeidet, dass sich das Steigrohr unter seinem eigenen Gewicht verbiegt, was für ein sich über mehrere 100 Fuß erstreckendes Steigrohr gefährlich sein kann. Die Steigrohr-Spanner sind einstellbar, um adäquate Unterstützung für das Steigrohr zuzulassen, wenn Wassertiefe und die Anzahl an Steigrohr-Verbindungsstücken, welche benötigt werden, um die Sicherheitsventilausblasleitung zu erreichen, ansteigen. In sehr tiefem Wasser kann das Gewicht des Steigrohrs so groß werden, dass die Steigrohr-Spanner unwirksam wären. Um sicherzustellen, dass die Steigrohr-Spanner effektiv arbeiten, sind Auftriebsvorrichtungen an einigen der Steigrohr-Verbindungsstücke angebracht, um das Steigrohr-Gewicht zu verringern, wenn es im Wasser eingetaucht ist. Die Auftriebs-Vorrichtungen sind typischerweise Stahlzylinder, welche mit Luft oder Plastikschaumvorrichtungen gefüllt sind.
  • Die maximal praktikable Wassertiefe für gegenwärtige Bohrverfahren mit einem See-Steigrohr mit großem Durchmesser beträgt etwa 7.000 Fuß. Mit steigendem Bedarf an Energiereserven werden die Grenzen der Energie-Förderung in immer tiefere Gewässer vorwärts getrieben, wodurch die Entwicklung von Bohrtechniken für immer tiefere Gewässer zunehmend wichtiger wird. Jedoch begrenzen mehrere Aspekte der gegenwärtigen Bohrverfahren mit einem herkömmlichen See-Steigrohr von sich aus das Bohren in tiefem Gewässer auf Wassertiefen von weniger als etwa 7.000 Fuß.
  • Der erste begrenzende Faktor sind die strengen Gewichts- und Größen-Anforderungen, welche einem schwimmenden Schiff auferlegt sind, wenn die Wassertiefe zunimmt. Beim Bohren in tiefem Gewässer macht das Bohrfluid oder Bohrschlamm-Volumen im Steigrohr einen Großteil des gesamten Bohrschlamm-Zirkulationssystems aus und wächst mit zunehmender Wassertiefe. Die Kapazität des 21-Zoll-See-Steigrohrs beträgt etwa 400 Barrel für jeweils 1.000 Fuß. Es wurde geschätzt, dass das Gewicht des See-Steigrohrs und das des Bohrschlamm-Volumens für einen bei einer Wassertiefe von 6.000 Fuß bohrenden Bohrturms 1.000 bis 1.500 Tonnen beträgt. Es ist verständlich, dass die Gewichts- und Größen-Anforderungen für einen Bohrturm, welcher die großen für Zirkulation erforderlichen Fluidmengen und die Anzahl an erforderlichen Steigrohrverbindungsstücken, um den Meeresboden zu erreichen, unterstützt, den Gebrauch des 21-Zoll-Steigrohres verbieten, oder jedes andere Steigrohr mit großem Durchmesser, um in extremen Wassertiefen unter Verwendung der bestehenden Hochsee-Bohrflotte zu bohren.
  • Der zweite begrenzende Faktor betrifft die Lasten, welche auf ein Steigrohr mit großem Durchmesser in sehr tiefem Wasser wirken. Wenn die Wassertiefe zunimmt, nimmt auch die natürliche Schwankungsdauer des Steigrohrs in der axialen Richtung zu. Bei einer Wassertiefe von etwa 10.000 Fuß beträgt die natürliche Schwankungsdauer des Steigrohrs etwa 5 bis 6 Sekunden. Diese natürliche Schwankungsdauer fällt mit der Periode der Wasserwellen zusammen und kann in hohen Energiezuständen resultieren, welche auf das Bohrschiff und das Steigrohr einwirken, insbesondere, wenn das untere Ende des Steigrohrs von der Sicherheitsventilausblasleitung getrennt wird. Die dynamischen Verspannungen aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Hub des Bohrschiffes und dem Steigrohr können zu hohen Druckwellen führen, welche die Kapazität des Steigrohrs überschreiten können.
  • In Wassertiefen von 6.000 Fuß und mehr ist das 21-Zoll-Steigrohr flexibel genug, dass Verkippungen und seitliche Verschiebungen über die gesamte Länge des Steigrohrs aufgrund der auf das Steigrohr wirkenden Wasserströme auftreten werden. Daher ist ein striktes Beisammenhalten der Station erforderlich, um die Steigrohr-Verbiegungen innerhalb akzeptabler Grenzen während der Bohrvorgänge zu halten. Häufig sind die Wasserströmungen heftig genug, so dass das Beisammenhalten der Station nicht ausreichend ist, um ein Fortsetzen der Bohrvorgänge zuzulassen. Gelegentlich sind Wasserströmungen derartig heftig, dass das Steigrohr von der Sicherheitsventilausblasleitung abgetrennt werden muss, um Schaden oder permanente Deformation zu vermeiden. Um ein häufiges Abtrennen des Steigrohrs zu vermeiden, müsste eine teure Verschalung oder zusätzlicher Zug an dem Steigrohr angewendet werden. Von einem betrieblichen Standpunkt ist eine Verschalung nicht wünschenswert, da sie ein hohes Gewicht hat und schwierig anzubringen und abzunehmen ist. Andererseits können zusätzliche Steigrohr-Spannvorrichtungen das Steigrohr überbeanspruchen und das Bohrschiff mit noch größeren Lasten belasten.
  • Ein dritter begrenzender Faktor ist die Schwierigkeit des Bergens des Steigrohrs im Falle eines Sturmes. Basierend auf den großen Kräften, welchen das Steigrohr und das Bohrschiff ohnehin schon ausgesetzt sind, macht es Sinn, darauf zu schließen, dass weder das Steigrohr noch das Bohrschiff in der Lage sein würden, den durch einen Hurrikan ausgeübten Lasten zu widerstehen. Unter solch einer Bedingung wird das Bohrschiff, falls das Bohrschiff vom dynamisch-positionierten Typ ist, versuchen, das Sturmgebiet zu verlassen. Ein Verlassen des Sturmes wäre mit 10.000 Fuß Steigrohr von dem Bohrschiff hängend unmöglich. Daher müsste in einer solchen Situation das Steigrohr vollständig heraufgezogen werden.
  • Zusätzlich müssen, vor dem Abtrennen des Steigrohrs von der Sicherheitsventilausblasleitung, Maßnahmen stattfinden, um das Bohrloch in einen solchen Zustand zu bringen, dass das Bohrloch sicher verlassen werden kann. Dies ist erforderlich, da das Bohrloch von dem hydrostatischen Druck der Schlammsäule abhängt, welche sich von dem oberen Ende des Steigrohrs zum Boden des Bohrloches erstreckt, um die Porendrücke der Formation zu überwinden. Wenn die Schlammsäule in dem Steigrohr entfernt ist, ist der hydrostatische Druckgradient in bedeutender Weise reduziert und kann nicht ausreichen, um ein Eindringen von Formationsfluid in das Bohrloch zu vermeiden. Maßnahmen, um den Bohrlochdruck aufrechtzuerhalten, können das Setzen eines Pfropfens, wie zum Beispiel einen Sturm-Packer, in das Bohrloch umfassen und Schließen des Blind-Rams in der Sicherheitsventilausblasleitung.
  • Nach dem Sturm würde das Bohrschiff zu der Bohrstelle zurückkehren und das Steigrohr wieder zum Wiederverwenden in Betrieb nehmen und das Bohren aufnehmen. An Stellen wie dem Golf von Mexiko, wo die durchschnittliche jährliche Anzahl von Hurrikanen 2,8 beträgt und die maximale Warnzeit eines herannahenden Hurrikans 72 Stunden beträgt, wäre es notwendig, das Steigrohr jedes Mal, wenn die Gefahr eines Hurrikans in der Nähe des Bohrortes besteht, abzutrennen und einzuholen. Dies würde natürlich enorme finanzielle Verluste für den Bohrloch-Betreiber bedeuten.
  • Ein vierter begrenzender Faktor betrifft Not-Abtrennungen, wenn zum Beispiel ein dynamisch-positioniertes Bohrschiff wegdriftet. Ein Wegdriften ist ein Zustand, wenn ein schwimmendes Bohrschiff die Fähigkeit verliert, seinen Ort zu halten, Antrieb verliert, in unmittelbarer Gefahr einer Kollision mit einem anderen Seeschiff oder Objekt ist, oder sich in anderen Zuständen befindet, welche eine schnelle Evakuierung der Bohrstelle erfordern. Wie in dem Fall des Abtrennens während eines Sturmes sind Bohrloch-Maßnahmen erforderlich, um das Bohrloch in einen solchen Zustand zu bringen, um es zu verlassen. Jedoch ist gewöhnlicherweise nicht genug Zeit während eines Wegdriftens, um alle notwendigen Prozeduren zum sicheren Verlassen durchzuführen. Typischerweise ist gerade mal genug Zeit, um das Bohrgestänge von der Leitung bzw. den hängenden Verschlüssen abzukoppeln und die Blind-Rams in der Sicherheitsventilausblasleitung vor dem Abtrennen des Steigrohrs von der Sicherheitsventilausblasleitung zu verschließen.
  • Der hydrostatische Druckgradient im Bohrloch, welcher sich aus der Steigleitungshöhe ergibt, ist unterhalb der geschlossenen Blind-Rams eingeschlossen, wenn die Steigleitung abgetrennt wird. Daher sind die einzige Barriere gegen das Eindringen von Formationsfluid in das Bohrloch die Blind-Rams, da die Schlammsäule unterhalb der Blind-Rams nicht ausreicht, um ein Eindringen von Formationsfluid in das Bohrloch zu vermeiden. Umsichtige Bohrmaßnahmen erfordern zwei unabhängige Barrieren, um einen Verlust der Bohrlochkontrolle zu vermeiden. Wenn das Steigrohr von der Sicherheitsventilausblasleitung abgetrennt ist, werden große Mengen an Schlamm auf dem Meeresboden zurückgelassen. Dies ist sowohl aus einem ökonomischen als auch Umwelt-Standpunkt unerwünscht.
  • Ein fünfter begrenzender Faktor betrifft untergeordnete Bohrlochkontrolle und das Erfordernis für zahlreiche Verschalungspunkte. Bei jedem Bohrvorgang ist es wichtig, das Eindringen von Formationsfluid von unter der Oberfläche befindlichen Formationen in das Bohrloch zu steuern, um ein Ausblasen zu vermeiden. Bohrlochkontroll-Prozeduren umfassen typischerweise das Aufrechterhalten des hydrostatischen Druckes der Bohrfluid-Säule oberhalb des "offenen Loch"-Formationsporen-Drucks, aber, zur selben Zeit, nicht oberhalb des Formations-Bruch-Druckes. Beim Bohren des Anfangsabschnitts des Bohrloches wird der hydrostatische Druck durch Benutzen von Seewasser als das Bohrfluid aufrechterhalten, wobei der Bohrabfall auf dem Meeresboden abgeladen wird. Dies ist möglich, da die Porendrücke der Formationen nahe dem Meeresboden nahe dem hydrostatischen Seewasser-Druck am Meeresboden sind.
  • Während der Anfangsabschnitt des Bohrloches mit Seewasser gebohrt wird, können Formationen mit Poren-Drücken größer als der hydrostatische Seewasser-Druck angetroffen werden. In solchen Situationen können Formationsfluide ohne Behinderung in das Bohrloch fließen. Dieser unkontrollierte Fluss von Formationsfluiden in das Bohrloch kann so groß werden, dass es Auswaschungen des gebohrten Loches verursacht, und möglicherweise den Bohrort zerstören kann. Um das Einströmen von Formationsfluid in das Bohrloch zu vermeiden, kann der Anfangsabschnitt des Bohrloches mit beschwerten Bohrfluiden gebohrt werden. Jedoch macht die gegenwärtige Praxis des Ausstoßens von Fluid auf den Meeresboden, während der Anfangsabschnitt des Bohrloches gebohrt wird, diese Option nicht sehr attraktiv. Der Grund dafür ist, dass die großen Mengen an Bohrfluiden, welche auf dem Meeresboden abgeladen werden, nicht wiederverwendet werden. Große Mengen an nicht wiederverwendeter beschwerter Bohrfluide sind teuer und möglicherweise aus Umweltgründen unerwünscht.
  • Nachdem der Anfangsabschnitt des Bohrloches in einer annehmbare Tiefe gebohrt ist, unter Benutzung entweder von Seewasser oder beschwertem Bohrfluid, wird ein Führungs-Ummantelungs-Gestänge mit einem Bohrkopf vorgetrieben und an Ort und Stelle zementiert. Darauf folgt das Vortreiben einer Sicherheitsventilausblasleitung und eines See-Steigrohres zum Meeresboden, um zuzulassen, dass Bohrfluid von dem Bohrschiff zu dem Bohrkopf und zurück zum Bohrschiff in der gewöhnlichen Weise zirkuliert.
  • In geologischen Gebieten, welche durch schnelle Sediment-Deposition und junge Sedimente gekennzeichnet sind ist der Fraktur-Druck ein kritischer Faktor bei der Bohrloch-Kontrolle. Dies liegt daran, dass der Bruchstellen-Druck an jedem Punkt in dem Bohrloch bezogen ist auf die Dichte der Sedimente, welche oberhalb dieses Punktes lagern, kombiniert mit dem hydrostatischen Druck der Seewassersäule darüber.
  • Diese Sedimente werden in bedeutender Weise durch die darüber liegende Masse an Wasser beeinflusst, wobei die zirkulierende Schlammsäule nur etwas dichter als Seewasser zu sein braucht, um die Formation zu sprengen. Glücklicherweise wächst, aufgrund der höheren Massendichte des Gesteins, der Bruchstellendruck schnell mit zunehmendem Eindringen in den Meeresboden an, wobei es ein weniger ernsthaftes Problem darstellt, nachdem die ersten 1.000 Fuß gebohrt sind. Jedoch stellen abnorm hohe Porendrücke, welche routinemäßig bis zu 2.000 Fuß unterhalb des Meeresbodens anzutreffen sind, weiterhin ein Problem dar, sowohl beim Bohren des Anfangsabschnitts des Bohrloches mit Seewasser als auch beim Bohren nach dem Anfangsabschnitt des Bohrloches mit Seewasser oder beschwertem Bohrfluid.
  • Die Herausforderung ist dann, die internen Drücke der Formation mit dem hydrostatischen Druck der Schlammsäule ins Gleichgewicht zu bringen, während das Bohrloch weiter gebohrt wird. Die gegenwärtige Praxis ist es, fortwährend Verschalungen vorzutreiben und zu zementieren, die eine innerhalb der anderen, in das Loch hinein, um die "offenen Loch"-Abschnitte mit unzureichendem Bruchstellendruck zu schützen, während beschwerte Bohrfluide benutzt werden können, um die Formations-Poren-Drücke zu überwinden. Es ist wichtig, dass das Bohrloch mit der größten praktischen Verschalung durch die Produktionszone vervollständigt wird, um Produktionsraten zuzulassen, welche die hohen Kosten von Vorhaben in tiefem Gewässer rechtfertigen. Produktionsraten über 10.000 Barrel pro Tag sind normal für Vorhaben in tiefem Gewässer, wobei zu kleine Produktions-Ummantelungen die Produktivität des Bohrloches begrenzen würden, was eine Vervollständigung unökonomisch machen würde.
  • Die Anzahl an in das Loch vorgetriebenen Ummantelungen wird in bedeutsamer Weise durch die Wassertiefe beeinflusst. Die vielen Ummantelungen, welche gebraucht werden, um das "offene Loch" zu schützen, während die größte praktische Ummantelung durch die Produktionszone bereitgestellt wird, erfordert, dass das Oberflächenloch am Meeresboden größer ist. Ein größeres Oberflächenloch wiederum erfordert einen größeren Unterwasser-Bohrkopf und Sicherheitsventilausblasleitung und eine größere Sicherheitsventilausblasleitung erfordert ein größeres See-Steigrohr. Mit einem größeren Steigrohr ist mehr Schlamm erforderlich, um das Steigrohr zu füllen, und ein größeres Bohrschiff ist erforderlich, um den Schlamm zu fördern und das Steigrohr zu unterstützen. Dieser Kreislauf wiederholt sich mit zunehmender Wassertiefe.
  • Es wurde herausgefunden, dass der Schlüssel zum Unterbrechen dieses Kreislaufes beim Reduzieren des hydrostatischen Druckes des Schlammes in dem Steigrohr liegt, und zwar auf eine Säule von Seewasser und Bereitstellen von Schlamm mit ausreichendem Gewicht in dem Bohrloch, um die Bohrloch-Steuerung aufrechtzuerhalten. Verschiedene Konzepte wurden in der Vergangenheit vorgestellt, um dieses Vorhaben zu erzielen; jedoch hat keines dieser im Stand der Technik bekannten Konzepte kommerzielle Akzeptanz zum Bohren in immer tieferen Gewässern erzielt. Diese Konzepte können generell in zwei Kategorien eingeteilt werden: Das Schlamm-Förder-Bohren mit einem See-Steigrohr-Konzept und das steigleitungs-lose Bohrkonzept.
  • Das Schlamm-Förder-Bohren mit einem See-Steigrohr-Konzept zieht ein Schlamm-Gradienten-System mit dualer Dichte in Betracht, welches das Reduzieren der Dichte der Schlammüberschüsse im Steigrohr umfasst, so dass der Schlammdruck in der Rückleitung am Meeresboden mehr dem Druck von Seewasser gleicht. Der Schlamm im Bohrloch ist beschwert, um die Bohrloch-Steuerung aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel offenbaren Druckschriften US-Patent Nr. 3,603,409 an Watkins et al. und Druckschrift US-Patent Nr. 4,099,583 an Maus et al. Verfahren des Einspeisens von Gas in die Schlammsäule in dem See-Steigrohr, um das Gewicht des Schlammes zu verringern.
  • Das steigrohr-lose Bohrkonzept beinhaltet das Eliminieren des See-Steigrohres mit großem Durchmesser als einen Rückführungs-Hohlraum und Ersetzen desselben mit einem oder mehreren Schlammrückführungsleitungen mit kleinem Durchmesser. Zum Beispiel offenbart Druckschrift US-Patent Nr. 4,813,495 an Leach das Entfernen des See-Steigrohres als einen Rückführungs-Hohlraum und benutzt eine Zentrifugalpumpe, um Schlammüberschüsse vom Meeresboden zur Oberfläche durch eine Schlammrückführungsleitung zurückzuführen. Ein Rotations-Kopf isoliert den Schlamm in dem Bohrloch-Hohlraum von dem offenen Seewasser, wenn das Bohrgestänge in das Bohrloch vorgetrieben und aus dem Bohrloch zurückgezogen wird.
  • Bohrraten werden in bedeutender Weise beeinflusst durch die Größe des Unterschieds zwischen Formations-Poren-Druck und Schlammsäulen-Druck. Dieser Unterschied, im Allgemeinen "Übergleichgewicht" ("overbalance") genannt, wird durch Verändern des Drucks der Schlammsäule eingestellt. Übergleichgewicht wird als der zusätzliche Druck abgeschätzt, welcher erforderlich ist, um zu vermeiden, dass das Bohrloch zusammenbricht, entweder während des Bohrens, oder wenn ein Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen wird. Dieses Abschätzen des Übergleichgewichts berücksichtigt normalerweise Faktoren wie Ungenauigkeiten bei der Vorher sage der Formations-Porendrücke und Druck-Reduktionen in dem Bohrloch, wenn ein Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen wird. Typischerweise wird ein Minimum von 300 bis 700 psi Übergleichgewicht während Bohrvorgängen aufrecht erhalten. Manchmal ist das Übergleichgewicht groß genug, um die Formation zu beschädigen.
  • Der Effekt des Übergleichgewichts auf Bohrraten variiert sehr mit dem Typ von Bohr-, Formationstyp, Größe des Übergleichgewichts und vielen anderen Faktoren. Zum Beispiel, bei einer Kombination eines typischen Bohrers und einer Formation mit einer Bohrrate von 30 Fuß pro Stunde und einem Übergleichgewicht von 500 psi ist es für die Bohrrate normal, sich auf 60 Fuß pro Stunde zu verdoppeln, falls das Übergleichgewicht auf Null reduziert ist. Ein noch größeres Anwachsen der Bohrrate kann erzielt werden, falls der Schlammsäulen-Druck zu einem unterbalancierten Zustand erniedrigt wird, d.h. der Schlammsäulen-Druck ist geringer als der Formationsdruck. Daher kann es wünschenswert sein, um die Bohrraten zu verbessern, ein Bohrloch in einer unterbalancierten Weise oder mit einem Minimum an Übergleichgewicht zu bohren.
  • Bei herkömmlichen Bohrvorgängen ist es unpraktisch, die Schlammdichte zu reduzieren, um schnellere Bohrraten zuzulassen, und dann die Schlammdichte zu erhöhen, um ein Kippen des Bohrgestänges zuzulassen. Dies liegt daran, dass die Zirkulationszeit für das komplette Schlammsystem mehrere Stunden dauert, was es teuer macht, die Schlammdichte wiederholt zu erniedrigen und zu erhöhen. Weiterhin würde eine solche Praxis die Operation gefährden, da eine falsche Berechnung in einem Zusammenbruch resultieren könnte.
  • Druckschrift WO 99/18323 offenbart einen Bohrkopf, welcher einen Körper aufweist, welcher in einem externen Gehäuse liegt. Der Körper ist in entfernbarer Weise an dem Gehäuse angebracht mit einem ringförmigen Sprengring, welcher in Antwort auf ein Wellenglied bewegbar ist. Der Körper weist einen äußeren Körper auf und einen rotierbaren inneren Körper innerhalb einer axialen Ausnehmung. Ein Hohlraum erstreckt sich zwischen dem inneren und äußeren Körper. Einlass- und Auslass-Öffnungen stellen hydraulisches Fluid für den Hohlraum, welcher abgedichtet ist, bereit. Der innere Körper weist einen festen ringförmigen Elastomer auf, welcher frei radial relativ zu dem inneren Körper gleiten kann. Der Außendurchmesser des inneren Abschnitts stößt an den äußeren Abschnitt. Der äußere Abschnitt weist einen betreibbaren Elastomer mit einem ringförmigen Hohlraum auf. Der Hohlraum steht mit dem Hohlraum über eine Passage in Verbindung. Eine erste Dichtung erstreckt sich von einem unteren Ende des inneren Körpers. Die Dichtung weist einen konischen Elastomer und Verstärkungs-Verstrebungen auf, um dem Elastomer größere Festigkeit in der Aufwärts-Richtung zu geben.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Allgemeinen umfasst unter einem ersten Aspekt ein Rotier-Umlenker einen Gehäusekörper mit einer darin durchlaufenden Ausnehmung und eine in der Ausnehmung angeordnete zurückholbare Spindelanordnung. Die zurückholbare Spindelanordnung umfasst eine erste Spindel und eine Anordnung einer ersten Lagerung zum rotierbaren Unterstützen der ersten Spindel. Die erste Spindel ist zur gleitenden Aufnahme und zum abdichtenden In-Eingriff-Kommen mit einem röhrenförmigen Glied ausgebildet, wobei eine Rotation des röhrenförmigen Glieds die erste Spindel innerhalb der Aus nehmung rotiert. Ein Arretierungsglied ist in dem Gehäusekörper angeordnet, um die zurückholbare Spindelanordnung an dem Gehäusekörper zu sichern.
  • Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt ein Hochsee-Bohrsystem dar.
  • 2A ist eine Detailansicht der in 1 dargestellten Bohrloch-Steuerungs-Anordnung.
  • 2B ist eine detaillierte Ansicht des in 1 dargestellten Bohrschlamm-Förder-Moduls.
  • 2C ist eine detaillierte Ansicht des in 1 dargestellten Druckausgleichs-Bohrschlamm-Behälters.
  • 3A und 3B sind Querschnitte von Nicht-Rotier-Unterwasser-Umlenkern.
  • 4A – 4F sind Querschnitte von Rotier-Unterwasser-Umlenkern.
  • 5 ist ein Querschnitt eines Abstreifers.
  • 6 ist eine Ansicht eines weiteren Druckausgleichs-Bohrschlamm-Behälters.
  • 7A und 7B stellen eine Steigleitung dar, welche als ein Druckausgleichs-Bohrschlamm-Behälter dient.
  • 8 ist eine Ansicht einer Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe.
  • 9A ist ein Querschnitt eines Membran-Pumpelements.
  • 9B ist ein Querschnitt eines Kolben-Pumpelements.
  • 9C stellt das Membran-Pumpelement aus 9A mit einem Membran-Positionierer.
  • 10A zeigt eine Leerlaufschaltung eines hydraulischen Antriebs für die in 8 dargestellte Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe.
  • 10B ist ein Diagramm, welches Ausgabe-Eigenschaften des in 10A dargestellten hydraulischen Antriebs mit Leerlaufschaltung darstellt.
  • 10C zeigt die Leistung des hydraulischen Antriebs mit Leerlaufschaltung, welcher in 10A dargestellt ist.
  • 11A zeigt einen hydraulischen Antrieb mit Leerlaufschaltung für eine Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe, welche drei Pumpelemente umfasst.
  • 11B ist ein Diagramm, welches Ausgabe-Eigenschaften des in 11A gezeigten hydraulischen Antriebs mit Leerlaufschaltung darstellt.
  • 11C fasst eine Steuersequenz für das in 11A dargestellte Pumpsystem zusammen.
  • 12 zeigt einen hydraulischen Antrieb mit Leerlaufschaltung für die in 8 dargestellte Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe.
  • 13A und 13B sind Querschnitte eines Ansaug-/Ausstoß-Ventils.
  • 14A ist eine Ansicht eines Gesteins-Zerkleinerers.
  • 14B ist ein Querschnitt des in 14A gezeigten Gesteins-Zerkleinerers.
  • 15A ist eine Ansicht einer Festkörper-Aussonderungsvorrichtung.
  • 15B ist eine Querschnittsansicht einer Kombination aus einem Rotier-Unterwasser-Umlenker und einer Festkörper-Aussonderungsvorrichtung.
  • 16 ist ein Diagramm eines Bohrschlamm-Zirkulationssystems für das in 1 dargestellte Hochsee-Bohrsystem.
  • 17 ist ein Diagramm, welches Tiefe gegenüber Druck für ein Bohrloch darstellt, welches in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß sowohl für ein Einzel-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem als auch ein Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem gebohrt ist.
  • 18 ist ein partieller Querschnitt eines Bohrstrang-Ventils.
  • 19A und 19B zeigen jeweils geschlossene und offene Positionen des in 18 dargestellten Bohrstrang-Ventils.
  • 20A ist ein Diagramm, welches Tiefe gegenüber Druck für ein Bohrloch darstellt, welches in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß gebohrt ist für ein Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem, welches einen Bohrschlamm-Druck aufweist, welcher geringer ist als Seewasserdruck.
  • 20B zeigt den hydraulischen Antrieb mit Leerlaufschaltung aus der 10A mit einer Bohrschlamm-Förderpumpe in der Bohrschlamm-Saug-Leitung.
  • 20C zeigt den hydraulischen Antrieb mit Leerlaufschaltung aus der 10B mit einer Verstärkerpumpe in der Leitung, welche das hydraulische Fluid ausstößt.
  • 21 zeigt des Hochsee-Bohrsystem der 1 mit einem auf dem Meeresboden befestigten Bohrschlamm-Fördermodul.
  • 22A und 22B sind Ansichten von zurückholbaren Unterwasserkomponenten des in 21 dargestellten Hochsee-Bohrsystems.
  • 23 zeigt das Hochsee-Bohrsystem der 1 ohne ein HochSee-Steigrohr.
  • 24A und 24B zeigen Ansichten der zurückholbaren Unterwasser-Komponenten des in 23 dargestellten Hochsee-Bohrsystems.
  • 25 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform des in 23 dargestellten Rückführungs-Steigrohr.
  • 26 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des in 23 dargestellten Rückführungs-Steigrohr.
  • 27 zeigt das Hochsee-Bohrsystem der 1 ohne ein Hochsee-Steigrohr und mit einem auf dem Meeresboden befestigten Bohrschlamm-Fördermodul.
  • 28 zeigt das Hochsee-Bohrsystem der 1 ohne ein See-Steigrohr und mit einem Rückführungs-Leitungs-Steigrohr, welches sich von einem Bohrschlamm-Fördermodul erstreckt.
  • 29A und 29B zeigen Ansichten der zurückholbaren Unterwasser-Komponenten des in 28 dargestellten Hochsee-Bohrsystems.
  • 30 stellt ein Hochsee-Bohrsystem mit einer Unterwasser-Strömungsanordnung dar.
  • 31 ist ein Diagramm, welches Tiefe gegenüber Druck für den Anfangsabschnitt des Bohrloches darstellt, welches in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß gebohrt ist unter Verwendung der in 30 dargestellten Unterwasser-Strömungsanordnung.
  • 32 zeigt ein Diagramm eines Bohrschlamm-Zirkulationssystems für ein Hochsee-Bohrsystem, welches eine Unterwasser-Strömungsanordnung und ein Bohrschlamm-Fördermodul umfasst.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 illustriert ein Hochsee-Bohrsystem 10, wo ein Bohrschiff 12 in einem Gewässer 14 schwimmt, welches sich über einer ausgewählten Formation befindet. Das Bohrschiff 12 ist dynamisch über der Unterwasserformation mittels Antrie ben 16 positioniert, welche durch an Bord befindliche Computer (nicht dargestellt) aktiviert sind. Eine Anordnung von Unterwasser-Ortungsgeräten (nicht dargestellt) am Meeresboden 17 sendet Signale, welche die Position des Bohrschiffes 12 an Hydrophone (nicht dargestell) am Rumpf des Bohrschiffes 12 übermittelt. Die von den Hydrophonen empfangenen Signale werden zu an Bord befindlichen Computern übertragen. Diese an Bord befindlichen Computer bearbeiten die Daten von den Hydrophonen zusammen mit Daten von einem Wind-Sensor und anderen Hilfsvorrichtungen zur Bestimmung der Position und aktivieren die Schubdüsen 16 nach Bedarf, um das Bohrschiff 12 an Ort und Stelle zu halten. Das Bohrschiff 12 kann auch durch Benutzen von mehreren Ankern an Ort und Stelle gehalten werden, welche vom Bohrschiff auf den Meeresboden herabgelassen werden. Anker sind jedoch im Allgemeinen dann praktisch, falls das Wasser nicht zu tief ist.
  • Eine Bohranlage 20 ist in der Mitte des Bohrschiffes 12 positioniert, oberhalb eines Mondschachtes 22. Der Mondschacht 22 ist eine mit Wänden versehene Öffnung, welche sich durch das Bohrschiff 12 hindurch erstreckt und durch welchen Bohrgeräte von dem Bohrschiff 12 zum Meeresboden 17 herabgelassen werden. Am Meeresboden 17 erstreckt sich eine Führungsleitung 32 in ein Bohrloch 30. Ein Führungsgehäuse 33, welches am oberen Ende der Führungsleitung 32 angebracht ist, unterstützt die Führungsleitung 32, bevor die Führungsleitung 32 in dem Bohrloch 30 zementiert wird. Eine Führungsstruktur 34 ist um das Führungsgehäuse 33 installiert, bevor das Führungsgehäuse 33 zum Meeresboden 17 herabgelassen wird. Ein Bohrkopf 35 ist am oberen Ende einer Oberflächenleitung 36 angebracht, welche sich durch die Führungsleitung 32 in das Bohrloch 30 erstreckt. Der Bohrkopf 35 ist von herkömmlichem Design und stellt ein Verfah ren zum Befestigen von zusätzlichem Verschalungsgestänge im Bohrloch 30 bereit. Der Bohrkopf 35 bildet auch eine strukturelle Basis für einen Bohrkopf-Stapel 37.
  • Der Bohrkopf-Stapel 37 umfasst eine Bohrloch-Kontrollanordnung 38, ein Bohrschlamm-Fördermodul 40, und einen Druckausgleichs-Bohrschlammbehälter 42. Ein See-Steigrohr 52 zwischen der Bohranlage 20 und dem Bohrkopf-Stapel 37 ist positioniert, um Bohrwerkzeuge, Verschaltungsgestänge, und andere Ausrüstung von dem Bohrschiff 12 zum Bohrkopf-Stapel 37 zu führen. Das untere Ende des See-Steigrohrs 52 ist in lösbarer Weise mit dem Druckausgleichs-Bohrschlammbehälter 42 verbunden, und das obere Ende des See-Steigrohres 52 ist an der Bohranlage 20 festgemacht. Steigrohr-Spannvorrichtungen 54 sind bereitgestellt, um einen Aufwärtszug an dem See-Steigrohr 52 aufrecht zu erhalten. Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58, welche an der Außenseite des See-Steigrohres 52 angebracht werden können, verbinden Strömungsauslässe (nicht dargestellt) in dem Bohrschlamm-Fördermodul 40 mit Strömungseinlässen in dem Mondschacht 22. Die Strömungseinlässe in dem Mondschacht 22 dienen als eine Schnittstelle zwischen den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 und einem Bohrschlamm-Rückführungssystem (nicht dargestellt) auf dem Bohrschiff 12. Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 sind auch mit Strömungsauslässen (nicht dargestellt) in der Bohrloch-Steuerungs-Anordnung 38 verbunden, wodurch sie als Choke/Kill-Leitungen benutzt werden können. Alternativ können die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 existierende Choke/Kill-Leitungen am Steigrohr sein.
  • Ein Bohrgestänge 60 erstreckt sich von einem Bohrmast 62 an der Bohranlage 20 in das Bohrloch 30 durch das See-Steigrohr 52 und den Bohrkopf-Stapel 37 hindurch. Am Ende des Bohrgestänges 60 ist eine Bodenloch-Anordnung 63 angebracht, welche ein Bohrteil 64 und eine oder mehrere Bohrmanschetten 65 umfasst. Die Bodenloch-Anordnung 63 kann auch Stabilisatoren, einen Bohrschlamm-Motor, und andere ausgewählte Komponenten umfassen, welche zum Bohren einer gewünschten Trajektorie erforderlich sind, wie es im Stand der Technik gut bekannt ist. Während normaler Bohrvorgänge wird der entlang der Öffnung des Bohrgestänges 60 mittels einer Oberflächenpumpe (nicht dargestellt) gepumpte Bohrschlamm aus den Düsen des Bohrteiles 64 in den Grund des Bohrloches 30 herausgedrückt. Der Bohrschlamm am Boden des Bohrloches 30 steigt im Bohrloch-Hohlraum 66 zum Bohrschlamm-Fördermodul 40 auf, wo er zu den Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen (nicht dargestellt) umgelenkt wird. Die Unterwasser-Bohrschlammpumpen verstärken den Druck der rückgeführten Bohrschlammströmung und entladen den Bohrschlamm in die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und/oder 58. Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und/oder 58 leiten dann den ausgestoßenen Bohrschlamm zum Bohrschlamm-Rückführungssystem (nicht dargestellt) auf dem Bohrschiff 12.
  • Das Bohrsystem 10 ist mit zwei Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 dargestellt, jedoch sollte klar sein, dass eine einzelne Bohrschlamm-Rückführungsleitung oder mehr als zwei Bohrschlamm-Rückführungsleitungen auch benutzt werden können. Es ist offensichtlich, dass der Durchmesser und die Anzahl der Rückführungsleitungen die Pump-Anforderungen an die Unterwasser-Bohrschlammpumpen in dem Bohrschlamm-Fördermodul 40 beeinflussen werden. Die Unterwasser-Bohrschlammpumpen müssen genug Druck für den rückgeführten Bohrschlammfluss bereitstellen, um die Reibungsdruckverluste und den hydrostatischen Kopf der Bohrschlammsäule in den Rückführungslei tungen zu überwinden. Der Bohrkopf-Stapel 37 umfasst Unterwasser-Umlenker (nicht dargestellt), welche um das Bohrgestänge 60 herum abdichten und eine Trennbarriere zwischen dem Steigrohr 52 und dem Bohrloch-Hohlraum 66 bilden. Das Steigrohr 52 ist mit Seewasser gefüllt, so dass der hydrostatische Druck der Fluidsäule am Meeresboden oder der Bohrschlamm-Linie oder der durch die Unterwasser-Umlenker gebildeten Trennbarriere dem von Seewasser entspricht. Das Befüllen des Steigrohres mit Seewasser, im Gegensatz zu Bohrschlamm, reduziert die Anforderungen an die Steigrohr-Spannung. Das Steigrohr kann auch mit anderen Fluiden gefüllt werden, welche eine geringere spezifische Schwere aufweisen als der Bohrschlamm im Bohrloch-Hohlraum.
  • Bohrloch-Kontroll-Anordnung
  • 2A zeigt die Komponenten der Bohrloch-Steuerungsanordnung 38, welche vorher in 1 dargestellt worden ist. Wie dargestellt ist, umfasst die Bohrloch-Steuerungsanordnung 38 ein unteres See-Steigrohr-Paket (LMRP) 44 und einen Unterwasser-Sicherheitsventil-Ausblasleitungs-(BOP)-Stapel 46. Der BOP-Stapel 46 umfasst ein Paar von Dual-Ram-Preventern 70 und 72. Jedoch können andere Kombinationen, wie zum Beispiel ein Dreifach-Ram-Preventer kombiniert mit einem Einfach-Ram-Preventer benutzt werden. Zusätzliche Preventer können auch erforderlich sein, abhängig von den Präferenzen des Bohr-Operateurs. Die Ram-Preventer sind ausgerüstet mit Rohrkolben zum Abdichten um ein Rohr und Scher/Blind-Rams zum Abscheren des Rohres und Abdichten des Bohrloches. Die Ram-Preventer 70 und 72 haben jeweils Strömungsöffnungen 76 und 78, welche mit Choke-/Kill-Leitungen (nicht dargestellt) verbunden werden können. Ein Bohrkopf-Verbinder 88 ist an dem unteren Ende des Ram- Preventers 70 befestigt. Der Bohrkopf-Verbinder 88 ist derart ausgebildet, um mit dem oberen Ende des Bohrkopfes 35 (dargestellt in 1) zusammenzupassen.
  • Der LMRP 44 umfasst ringförmige Preventer 90 und 92 und eine flexible Verbindung 94. Jedoch kann der LMRP 44 andere Konfigurationen annehmen, zum Beispiel einen einfachen kreisförmigen Preventer und eine flexible Verbindung. Die ringförmigen Preventer 90 und 92 weisen Strömungsöffnungen 98 und 100 auf, welche mit Choke-/Kill-Leitungen (nicht dargestellt) verbunden werden können. Das untere Ende des ringförmigen Preventers 90 ist mit dem oberen Ende des Ram-Preventers 72 mittels eines LMRP-Verbinders 93 verbunden. Die flexible Verbindung 94 ist am oberen Ende des ringförmigen Preventers 92 befestigt. Ein Steigrohr-Verbinder 114 ist am oberen Ende der flexiblen Verbindung 94 angebracht. Der Steigrohr-Verbinder 114 umfasst Strömungsöffnungen 113, welche hydraulisch mit den Strömungsöffnungen 76, 78, 98 und 100 verbunden werden können. Der LMRP 44 umfasst Steuermodule (nicht dargestellt) zum Betreiben der Ram-Preventer 70 und 72, der ringförmigen Preventer 90 und 92, verschiedene Verbinder und Ventile in dem Bohrkopf-Stapel 37, und nach Bedarf andere Steuervorrichtungen. Hydraulisches Fluid wird zu den Steuermodulen von der Oberfläche zugeführt, und zwar über Hydraulikleitungen (nicht dargestellt), welche an der Außenseite des Steigrohrs 52 (dargestellt in 1) befestigt werden können.
  • Bohrschlamm-Fördermodul
  • 2B zeigt die Komponenten des Bohrschlamm-Fördermoduls 40, welches zuvor in 1 dargestellt worden ist. Wie dargestellt ist, umfasst das Bohrschlamm-Fördermodul 40 Un terwasser-Bohrschlammpumpen 102, ein Strömungsrohr 104, einen nicht-rotierenden Unterwasser-Umlenker 106, und einen Unterwasser-Rotier-Umlenker 108. Das untere Ende des Strömungsrohrs 104 umfasst einen Steigrohr-Verbinder 110, welcher derart ausgebildet ist, um mit dem Steigrohr-Verbinder 114 (in 2A dargestellt) an dem oberen Ende der flexiblen Verbindung 94 zusammenzupassen. Wenn der Steigrohr-Verbinder 110 mit dem Steigrohr-Verbinder 114 zusammenpasst, dann sind die Strömungsöffnungen 111 in dem Steigrohr-Verbinder 110 in Verbindung mit den Strömungsöffnungen 113 (dargestellt in 2A) in dem Steigrohr-Verbinder 114. Ein Steigrohr-Verbinder 112 ist am oberen Ende des Unterwasser-Umlenkers 108 befestigt. Die Strömungs-Öffnungen 111 in dem Steigrohr-Verbinder 110 sind mit Strömungs-Öffnungen 116 in dem Steigrohr-Verbinder 112 mittels Leitungen 118 und 120 verbunden, wobei die Leitungen 118 und 120 wiederum in hydraulischer Weise mit den Ausstoß-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 verbunden sind. Die Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 sind in hydraulischer Weise mit Strömungsauslässen 125 in dem Strömungsrohr 104 verbunden.
  • Die Unterwasser-Umlenker 106 und 108 sind derart angeordnet, um Bohrschlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 (dargestellt in 1) zu den Sauge-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 umzulenken. Die Umlenker 106 und 108 sind auch derart ausgebildet, um ein Bohrgestänge in gleitender Weise aufzunehmen und dieses rundherum abzudichten, wie zum Beispiel das Bohrgestänge 60. Wenn die Umlenker um das Bohrgestänge 60 herum abdichten, ist das Fluid in dem Strömungsrohr 104 oder unterhalb der Umlenker von dem Fluid in dem Steigrohr 52 (dargestellt in 1) oder oberhalb der Umlenker isoliert. Die Umlenker 106 und 108 können abwechselnd oder zusammen benutzt werden, um mit einem Bohr gestänge in abdichtender Weise in Eingriff zu kommen und dadurch das Fluid in dem Ringraum des Steigrohres 52 von dem Fluid in dem Bohrloch-Ringraum 66 zu isolieren. Es sollte klar sein, dass entweder der Umlenker 106 oder 108 einzig als das trennende Medium zwischen dem Fluid in dem Steigrohr 52 und dem Fluid in dem Bohrloch-Ringraum 66 benutzt werden kann. Ein rotierendes Sicherheitsausblasventil (nicht dargestellt), welches in der Bohrloch-Steueranordnung 38 (dargestellt in 2A) angeordnet sein könnte, kann auch anstelle der Umlenker benutzt werden. Der Umlenker 108 kann auch an dem ringförmigen Preventer 290 (dargestellt in 2A) befestigt werden, wobei eine Bohrschlamm-Strömung in die Saug-Enden der Unterwasser-Pumpen 102 von einem Punkt unterhalb des Umlenkers genommen werden kann.
  • Nicht-rotierende Unterwasser-Umlenker
  • 3A zeigt einen vertikalen Querschnitt des nicht-rotierenden Unterwasser-Umlenkers 106, welcher zuvor in 2B dargestellt worden ist. Wie dargestellt ist, umfasst der nicht-rotierende Unterwasser-Umlenker 106 einen Kopf 126, welcher an einem Körper 128 mittels Bolzen 130 befestigt ist. Jedoch können andere Mittel, wie zum Beispiel eine geschraubte oder radial-verriegelte Verbindung anstelle der Bolzen 130 benutzt werden. Der Körper 128 weist einen Flansch 131 auf, welcher an das obere Ende des Strömungsrohres 104, wie in 2B dargestellt ist, geschraubt werden kann. Der Kopf 126 und Körper 128 sind jeweils mit Ausnehmungen 132 und 134 ausgebildet. Die Ausnehmungen 132 und 134 bilden einen Durchgang 136 zum Aufnehmen eines Bohrgestänges, zum Beispiel eines Bohrgestänges 60. Der Körper 128 hat einen Abschlusshohlraum 138 und einen Öffnungshohlraum 139. Ein Kolben 140 ist angeordnet, um sich innerhalb der Hohlräume 138 und 139 in Antwort auf Druck des in diese Hohlräume zugeführten hydraulischen Fluids zu bewegen. Am oberen Ende des Körpers 128 befinden sich ein kurzes Rohr 142 und eine Abdeckung 143, welche den Kolben 140 führen, wenn er sich innerhalb der Hohlräume 138 und 139 bewegt.
  • Der Hohlraum 138 ist umhüllt durch den Körper 128, den Kolben 140, und das kurze Rohr 142. Der Hohlraum 139 ist umgeben von dem Körper 128, dem Kolben 140, und der Abdeckung 143. Da der Kolben 140 sich innerhalb der Hohlräume 138 und 139 bewegt, enthalten Dichtungsringe 144 hydraulisches Fluid in den Hohlräumen. Das kurze Rohr 142 ist ausgebildet mit Löchern 148 zum Ablassen von Fluid aus einem Hohlraum 145 unterhalb des Kolbens 140. Ein nachgiebiges, elastomeres, toroid-förmiges Abdichtelement 150 ist zwischen dem oberen Ende des Kolbens 140 und einem sich zuspitzenden Abschnitt 152 der Innenwand des Kopfes 126 angeordnet. Das Abdichtelement 150 kann betätigt werden, um ein Bohrgestänge, zum Beispiel das Bohrgestänge 60, in dem Durchgang 136 abzudichten.
  • Der Kolben 140 bewegt sich nach unten, um den Durchgang 136 zu öffnen, wenn hydraulisches Fluid zu dem Öffnungshohlraum 139 zugeführt wird. Wie in der linken Hälfte der Zeichnung dargestellt ist, wenn der Kolben 140 auf dem Körper 128 sitzt, erstreckt sich das Abdichtelement 150 nicht in den Durchgang 136 und der Umlenker 106 ist voll geöffnet. Wenn der Umlenker 106 voll geöffnet ist, ist der Durchgang 136 groß genug, um eine Grundloch-Anordnung und andere Bohrwerkzeuge aufzunehmen. Wenn hydraulisches Fluid in den Hohlraum 138 zugeführt wird, bewegt sich der Kolben 140 nach oben, um den Umlenker 106 zu schließen. Wie in der rechten Hälfte der Zeichnung dargestellt ist, wenn der Kol ben 140 sich nach oben bewegt, erstreckt sich das Abdichtelement 150 in den Durchgang 136 hinein. Falls sich ein Bohrgestänge im Durchgang 136 befindet, würde das sich erstreckende Abdichtelement 150 das Bohrgestänge berühren und den Ringraum zwischen dem Durchgang 136 und dem Bohrgestänge abdichten.
  • 3B zeigt einen vertikalen Querschnitt eines anderen nicht-rotierenden Unterwasser-Umlenkers, zum Beispiel einen Unterwasser-Umlenker 270, welcher anstelle des nicht-rotierenden Unterwasser-Umlenkers 106 benutzt werden kann. Der Unterwasser-Umlenker 270 umfasst einen Gehäuse-Körper 272 mit Flanschen 274 und 276, welche derart ausgebildet sind, um mit anderen Komponenten des Bohrkopf-Stapels 37 in Verbindung zu sein, zum Beispiel das Strömungsrohr 104 und der Unterwasser-Umlenker 108 (dargestellt in 2B). Der Gehäusekörper 272 ist mit einer Ausnehmung 278 und Aushöhlungen 280 ausgebildet. Die Aushöhlungen 280 sind entlang eines Umfangs des Gehäusekörpers 272 angeordnet. Innerhalb jeder Aushöhlung 280 ist eine zurückholbare Auflaufschulter 282 und ein Verschluss 284 angeordnet. Hydraulische Aktuatoren 285 sind ausgebildet, um die Verriegelungen 284 zu betätigen, um mit einem zurückholbaren Abstreifelement 286 in Eingriff zu kommen, welches innerhalb der Ausnehmung 278 des Gehäusekörpers 272 angeordnet ist.
  • Das Abstreifelement 286 umfasst einen Abstreif-Gummi 288, welcher mit einem Metallkörper 290 verbunden ist. Die Verriegelungen 284 gleiten in Ausnehmungen 291 in dem Metallkörper 290, um den Metallkörper 290 innerhalb des Gehäusekörpers 272 an Ort und Stelle zu verriegeln. Eine Dichtung 292 an dem Metallkörper 290 bildet eine Dichtung zwischen dem Gehäusekörper 272 und dem Metallkörper 290. Der Abstreif-Gummi 288 steht in abdichtender Weise in Eingriff mit einem Bohrgestänge, welcher innerhalb der mit einem Bohrgestänge, welcher innerhalb der Ausnehmung 278 aufgenommen wird, während das Bohrgestänge rotieren und sich axial innerhalb der Ausnehmung 278 bewegen kann. Der Abstreif-Gummi 288 rotiert nicht mit dem Bohrgestänge, so dass der Gummi 288 Reibkräften aufgrund sowohl der Rotations- als auch Vertikal-Bewegungen des Bohrgestänges ausgesetzt ist. Das Abstreifelement 286 kann in den Gehäusekörper 272 und aus ihm auf einem Werkzeug herausgeführt werden, welches oberhalb der Grundloch-Anordnung des Bohrgestänges angeordnet sein kann.
  • Unterwasser-Rotier-Umlenker
  • 4A zeigt einen vertikalen Querschnitt des Unterwasser-Rotier-Umlenkers 108, welcher zuvor in 2B dargestellt war. Wie dargestellt ist, umfasst der Unterwasser-Rotier-Umlenker 108 einen Gehäusekörper 162 mit Flanschen 164 und 166. Der Flansch 164 ist derart ausgebildet, um mit dem oberen Ende des Umlenkers 106 (dargestellt in 3A) zusammenzupassen. Der Gehäusekörper 162 ist mit einer Ausnehmung 168 und Aushöhlungen 170 ausgebildet. Die Aushöhlungen 170 sind entlang eines Umfanges des Gehäusekörpers 162 verteilt. Innerhalb jeder Aushöhlung 170 befindet sich eine zurückziehbare Auflaufschulter 174 und eine Verriegelung 176. Hydraulische Aktuatoren 177 sind angeordnet, um die Verriegelungen 176 zu betätigen. Obwohl die Verriegelung 176 als hydraulisch betätigt dargestellt ist, sollte klar sein, dass die Verriegelung 176 durch andere Mittel betätigt werden kann, zum Beispiel kann die Verriegelung 176 radial mit Federn beaufschlagt sein. Die Verriegelung 176 kann auch einen Mechanismus beinhalten, welcher den Eingriff durch eine ferngesteuerte Vorrichtung (ROV), wie zum Beispiel ein T-förmiges Werkzeug in Verbindung mit dem Aktuator zum Greifen durch den ROV-Manipulator beinhaltet.
  • Eine zurückholbare Spindel 178 ist in der Ausnehmung 168 des Gehäusekörpers 162 angeordnet. Die Spindel 178 weist einen oberen Abschnitt 180 und einen unteren Abschnitt 182 auf. Der obere Abschnitt 180 hat Ausnehmungen 181, in welche die Verriegelungen 176 gleiten können, um den oberen Abschnitt 180 innerhalb des Gehäusekörpers 162 in der Position zu verriegeln. Eine Dichtung 183 an dem oberen Abschnitt 180 dichtet zwischen dem Gehäusekörper 162 und dem oberen Abschnitt 180 ab. Eine Lagerungsanordnung 184 ist an dem oberen Abschnitt 180 angebracht. Die Lagerungsanordnung 184 weist Lager auf, welche den unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 für eine Rotation innerhalb des Gehäusekörpers 162 unterstützen. Ein Abstreif-Gummi 185 ist mit dem unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 verbunden. Der Abstreif-Gummi 185 rotiert mit und steht in abdichtendem Eingriff mit einem Bohrgestänge (nicht dargestellt), welcher in der Ausnehmung 168 aufgenommen ist, während sich das Bohrgestänge vertikal bewegen kann.
  • Im Betrieb wird die Spindel 178 in den Gehäusekörper 162 auf einem Hantierungswerkzeug eingeführt, welches am Bohrgestänge angebracht ist. Wenn die Spindel 178 auf die Schulter 174 auftrifft, wird das Bohrgestänge rotiert bis die Verriegelungen 176 mit den Ausnehmungen 181 im oberen Abschnitt 180 der Spindel 178 ausgerichtet sind. Dann werden die hydraulischen Aktuatoren 177 betätigt, um die Verriegelungen 176 in die Ausnehmungen 181 zu drücken. Der Abstreif-Gummi 185 dichtet gegen das Bohrgestänge ab, während zugelassen wird, dass das Bohrgestänge in das Bohrloch herabgelassen werden kann. Während des Bohrens stellt Reibung zwischen dem sich drehenden Bohrgestänge und dem Abstreif-Gummi 185 ausreichend Kraft bereit, um den unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 zu rotieren. Während der untere Abschnitt 182 rotiert wird, ist der Abstreif-Gummi 185 nur den Reibungskräften aufgrund der vertikalen Bewegung des Bohrgestänges ausgesetzt. Dies hat den Effekt, dass die Lebensdauer des Abstreif-Gummis 185 verlängert wird. Wenn das Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen wird, können die hydraulischen Aktuatoren 177 betrieben werden, um die Verriegelungen 176 aus den Ausnehmungen 181 zu lösen, so dass das Hantierungswerkzeug am Bohrgestänge mit der Spindel 178 in Eingriff kommen und die Spindel 178 aus dem Gehäusekörper 162 herausziehen kann.
  • 4B zeigt einen vertikalen Querschnitt eines weiteren rotierenden Unterwasser-Umlenkers, d.h. des Unterwasser-Rotier-Umlenkers 186, welcher anstelle des Unterwasser-Rotier-Umlenkers 108 benutzt werden kann. Der Unterwasser-Umlenker 186 umfasst eine zurückholbare Spindel 188, welche in einem Gehäusekörper 190 angeordnet ist. Die Spindel 188 umfasst zwei entgegengesetzte Abstreif-Gummis 182 und 184. Der Abstreif-Gummi 182 ist ausgerichtet, um eine Dichtung um ein Bohrgestänge herum zu bewirken, wenn der Druck oberhalb der Spindel 188 größer ist als der Druck unterhalb der Spindel 188. Die Spindel 188 umfasst zwei Lagerungsanordnungen 196 und 198, welche die Abstreif-Gummis 192 und 194 jeweils für eine Rotation unterstützen.
  • 4C zeigt einen vertikalen Querschnitt eines weiteren Unterwasser-Rotier-Umlenkers, d.h. Unterwasser-Rotier-Umlenker 1710, welcher anstelle des Unterwasser-Rotations-Umlenkers 108 und/oder des nicht-rotierenden Unterwasser-Umlenkers 106 benutzt werden kann. Der Unterwasser-Rotier-Unlenker 1710 umfasst einen Kopf 1712, welcher eine vertikale Ausnehmung 1714 und einen Körper 1716 umfasst, welcher eine vertikale Ausnehmung 1718 aufweist. Der Kopf 1712 und der Körper 1716 werden durch einen radialen Riegel 1720 und Verschlüsse 1722 zusammengehalten. Der radiale Riegel 1720 ist in einem ringförmigen Hohlraum 1724 im Körper 1716 angeordnet und wird an dem Kopf 1712 durch eine Reihe von ineinander greifenden Nuten 1726 verriegelt. Die Riegel 1722 sind in Ausnehmungen 1730 entlang eines Umfangs des Körpers 1716 angeordnet. Wie in 4D dargestellt ist, umfasst jeder Riegel 1722 eine Klemme 1732, welche an dem radialen Riegel 1720 mit einer Schraube 1734 befestigt ist. Ein Stopfen 1736 und eine Dichtung 1738 sind bereitgestellt, um Fluid und Schmutz aus jeder Ausnehmung 1730 fernzuhalten.
  • Eine zurückziehbare Spindel-Anordnung 1740 ist in den vertikalen Ausnehmungen 1714 und 1718 angeordnet. Die Spindel-Anordnung 1740 umfasst ein Spindel-Gehäuse 1742, welches an dem Körper 1716 mit einer Elastomer-Klemme 1744 gesichert ist. Die Elastomer-Klemme 1744 ist in einem ringförmigen Hohlraum 1746 im Körper 1716 angeordnet und umfasst ein inneres elastomeres Element 1748 und ein äußeres elastomeres Element 1750. Das innere elastomere Element 1748 kann aus einem anderem Material als das äußere elastomere Element 1750 hergestellt sein. Das äußere elastomere Element 1750 weist einen ringförmigen Körper 1752 mit Flanschen 1754 auf. Ein Ringhalter 1756 ist zwischen den Flanschen 1754 angeordnet, um das äußere elastomere Element 1750 zu unterstützen und Steifigkeit hinzuzufügen. Das innere elastomere Element 1748 ist in der Gestalt eines Torus gebildet und innerhalb des äußeren elastomeren Elements 1750 angeordnet. Wenn Fluiddruck zu dem äußeren elastomeren Element 1750 durch einen Anschluss (nicht dargestellt) im Körper 1716 zugeführt wird, wird das äußere elastomere Element 1750 aufgepumpt und übt eine Kraft auf das innere elastomere Element 1748 aus, wobei das innere elastomere Element 1748 aufgeweitet wird, um mit dem Spindel-Gehäuse 1742 in Eingriff zu kommen und dagegen abzudichten.
  • Wie in 4E dargestellt ist, umfasst die Spindel-Anordnung 1740 weiterhin eine Spindel 1760, welche sich durch das Spindel-Gehäuse 1742 erstreckt. Die Spindel 1760 ist in dem Spindel-Gehäuse 1742 mittels Lager 1762 und 1764 gelagert. Das Lager 1762 ist mittels einer Lager-Kappe 1765 zwischen dem Spindel-Gehäuse 1742 und der Spindel 1760 gesichert. Das Spindel-Gehäuse 1742, die Spindel 1760, und die Lager 1762 und 1764 begrenzen eine Kammer 1768, welche ein Schmierfluid für die Lager umfasst. Die Lager-Kappe 1765 kann entfernt werden, um Zugang zu der Kammer 1768 zu haben. Druckverstärker 1766 sind bereitgestellt, um den Druck in der Kammer 1768 bei Bedarf zu erhöhen, so dass der Druck in der Kammer 1768 den Druck oberhalb und unterhalb der Spindel 1760 ausgleicht oder überschreitet. Wieder mit Bezug auf 4C umfasst die Spindel 1760 ein oberes Pack-Element 1772, ein unteres Pack-Element 1774, und einen zentralen Durchgang 1776 zur Aufnahme eines Bohrgestänges, zum Beispiel eines Bohrgestänges 1770.
  • Eine Anlage-Schulter 1778 ist in einer Ausnehmung 1780 in dem Körper 1716 angeordnet. Die Anlage-Schulter 1778 kann aus der Ausnehmung 1780 heraus ausgefahren oder in die Ausnehmung 1780 mittels eines hydraulischen Aktuators 1782 hineingezogen werden. Wenn die Anlage-Schulter 1778 aus der Ausnehmung 1780 herausgefahren wird, schützt es die Spindel-Anordnung 1740 vor dem Herausfallen aus dem Körper 1716. Wie in 4F dargestellt ist, umfasst der hydraulische Aktuator 1782 einen Zylinder 1784, welcher einen Kolben 1786 umfasst. Der Zylinder 1784 ist in einem Hohlraum 1788 an der Außenseite des Körpers 1716 angeordnet und durch eine Kappe 1790 in Position gehalten. Eine Gewindeverbindung 1792 verbindet eine Seite des Kolbens 1786 mit der Anlage-Schulter 1778. Der Kolben 1786 erstreckt sich von der Anlage-Schulter 1778 in einen Hohlraum 1794 in der Kappe 1790. Die Kappe 1790 und der Zylinder 1784 umfassen Anschlüsse 1796 und 1798, durch welche Fluid jeweils in den Hohlraum 1794 und das Innere des Zylinders 1784 hineingeführt oder ausgestoßen werden kann. Dynamische Dichtungen 1800 sind am Kolben 1786 angeordnet, um Fluid in dem Zylinder 1784 und dem Hohlraum 1794 zu halten. Zusätzliche statische Dichtungen 1802 sind zwischen dem Zylinder 1784 und der Kappe 1790 und dem Körper 1716 angeordnet, um Fluid und Schmutz vom Zylinder 1784 fern zu halten.
  • Die Anlage-Schulter 1778 befindet sich in der voll ausgefahrenen Position, wenn der Kolben 1786 eine Oberfläche 1804 in dem Zylinder 1784 berührt. Die Anlage-Schulter 1778 befindet sich in der voll zurückgefahrenen Position, wenn es eine Oberfläche 1806 in dem Körper 1716 berührt. Der Kolben 1786 ist normalerweise hin zu der Oberfläche 1804 mittels einer Feder 1808 gespannt. In dieser Position ist die Anlage-Schulter 1778 voll ausgefahren und die Spindel-Anordnung 1740 sitzt auf der Anlage-Schulter 1778. Die Federkraft muss die Kraft aufgrund des Drucks am unteren Ende der Spindel 1760 übersteigen, um den Kolben 1786 in Kontakt mit der Oberfläche 1804 zu halten. Falls die Federkraft nicht ausreichend ist, kann Fluid in den Hohlraum 1794 bei einem höheren Druck als der Fluid-Druck in dem Zylinder 1784 geführt werden. Der Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 1794 und dem Zylinder 1784 würde die zusätzliche Kraft bereitstellen, welche notwendig ist, um den Kolben 1786 gegen die Oberfläche 1804 zu bewegen und die Anlage-Schulter 1778 in der voll ausgefahrenen Position zu halten.
  • Wenn gewünscht wird, die Anlage-Schulter 1778 zurückzuziehen, kann Fluid-Druck in den Zylinder 1784 bei einem höheren Druck als der Fluid-Druck in dem Hohlraum 1794 übertra gen werden. Der Druckunterschied zwischen dem Zylinder 1784 und Hohlraum 1794 bewegt den Kolben 1786 zu der zurückgefahrenen Position. Die Anschlüsse 1796 in der Kappe 1790 lassen zu, dass Fluid aus dem Hohlraum 1794 gezogen wird, wenn sich der Kolben 1786 zu der zurückgefahrenen Position bewegt. Wiederum wird Fluid-Druck, um den Kolben 1786 zurück zu der ausgefahrenen Position zu bewegen, von dem Zylinder 1784 freigesetzt, und falls notwendig zusätzlicher Fluid-Druck in den Hohlraum 1794 eingeführt. Drucksensoren können benutzt werden, um den Druck unterhalb der Spindel-Anordnung 1740 und in dem Hohlraum 1794 und Zylinder 1784 zu überwachen, um bei der Bestimmung zu helfen, wie Druck ausgeübt werden kann, um die Anlage-Schulter 1778 vollständig auszufahren oder zurückzuziehen. Ein Positions-Indikator (nicht dargestellt) kann hinzugefügt werden, um dem Bohrlochoperator anzuzeigen, dass sich der Kolben in der ausgefahrenen oder zurückgefahrenen Position befindet.
  • Ein Verbinder 1810 am Kopf 1712 und der Befestigungsflansch 1812 am unteren Ende des Körpers 1716 erlauben dem Umlenker 1710, in dem Bohrkopf-Stapel 37 angekoppelt zu werden. In einer Ausführungsform kann der Befestigungsflansch 1812 an dem oberen Ende des Strömungsrohres 104 (dargestellt in 2B) angebracht werden und der Verbinder 1810 kann eine Schnittstelle zwischen dem Schlamm-Fördermodul 40 (dargestellt in 2B) und dem druckausgeglichenen Schlammtank 42 oder dem Steigrohr 52 (dargestellt in 1) bereitstellen. Wenn der Befestigungsflansch 1812 an dem oberen Ende des Strömungsrohrs 104 angebracht ist, befindet sich der Raum 1818 unterhalb des Packers 1774 in Fluid-Verbindung mit dem Bohrloch-Hohlraum 66 (dargestellt in 1).
  • Die Durchmesser der vertikalen Ausnehmungen 1714 und 1718 sind derart, dass ein jedes Werkzeug, welches durch das See-Steigrohr 52 (dargestellt in 1) hindurchpasst, auch durch sie hindurchpassen kann. Die zurückziehbare Anlage-Schulter 1778 kann zurückgezogen werden, um den Durchgang großer Werkzeuge zuzulassen und kann ausgefahren werden, um das richtige Positionieren der Spindel-Anordnung 1740 innerhalb der Ausnehmungen 1714 und 1718 zuzulassen. Die Spindel-Anordnung 1740 kann in geeigneter Weise dimensioniert werden, um durch das See-Steigrohr 52 hindurchzugehen und kann in die vertikalen Ausnehmungen 1714 und 1718 hineingeführt und daraus hinausgezogen werden, und zwar an einem Bohrgestänge, zum Beispiel Bohrgestänge 1770. Wie dargestellt ist, ist ein Handwerkzeug 1771 am Bohrgestänge 1770 derart ausgebildet, um mit dem unteren Packer-Element 1774 der Spindel 1760 in Eingriff zu kommen, so dass die Spindel-Anordnung 1740 in die vertikalen Ausnehmungen 1714 und 1718 hineingeführt werden kann. Wenn die Spindel-Anordnung 1740 auf der Anlage-Schulter 1778 anliegt, wird das innere elastomere Element 1748 betätigt, um mit der Spindel-Anordnung 1740 in Eingriff zu kommen. Sobald die Spindel-Anordnung 1740 in Eingriff ist, kann das Handwerkzeug 1771 von der Spindel-Anordnung 1740 durch weiteres Herabsenken des Bohrgestänges 1770 losgelöst werden. Das Handwerkzeug 1771 wird wieder mit der Spindel-Anordnung 1740 in Eingriff kommen, wenn es zu dem unteren Packer-Element 1774 gezogen wird, wodurch zugelassen wird, dass die Spindel-Anordnung 1740 an die Oberfläche zurückgeholt wird.
  • Druckausgeglichener Bohrschlammtank
  • 2C zeigt den druckausgeglichenen Bohrschlammtank 42, welcher zuvor in 1 dargestellt worden ist, in größerem Detail. Wie dargestellt ist, umfasst der druckausgeglichene Bohrschlammtank 42 einen im Allgemeinen zylindrischen Körper 230 mit einer darin hindurch laufenden Ausnehmung 231. Die Ausnehmung 231 ist derart angeordnet, um ein Bohrgestänge, zum Beispiel Bohrgestänge 60, aufzunehmen, eine Bodenloch-Anordnung, und andere Bohrwerkzeuge. Eine ringförmige Kammer 235, welche einen ringförmigen Kolben 236 umfasst, ist innerhalb des Körpers 230 begrenzt. Der ringförmige Kolben ist in Eingriff mit und dichtet ab gegen die inneren Wände 238 und 240 des Körpers 230, um eine Seewasser-Kammer 242 und eine Bohrschlamm-Kammer 244 indem Bohrschlammtank 42 zu begrenzen. Die Seewasser-Kammer 242 steht mit offenem Seewasser durch den Anschluss 246 in Verbindung. Dies lässt zu, dass Umgebungs-Seewasserdruck in der Seewasser-Kammer 242 zu jeder Zeit aufrecht erhalten wird. Alternativ kann eine Pumpe (nicht dargestellt) an dem Anschluss 246 angeordnet sein, um den Druck in der Seewasser-Kammer 242 bei, oberhalb, oder unterhalb des Druckes von Umgebungs-Seewasserdruck aufrecht zu erhalten. Die Bohrschlamm-Kammer 244 ist über einen Anschluss 248 mit dem Rohrleitungssystem verbunden, welches den Bohrloch-Hohlraum 66 mit den Saug-Enden der Unterwasserpumpe 102 verbindet.
  • Der Kolben 236 läuft axial innerhalb der ringförmigen Kammer 235 hin und her, wenn ein Druckunterschied zwischen der Seewasser-Kammer 242 und der Bohrschlamm-Kammer 244 existiert. Ein Strömungsmessgerät (nicht dargestellt), welches am Anschluss 246 angeordnet ist, misst die Rate, bei welcher Seewasser in die Seewasser-Kammer 242 eintritt oder sie verlässt, wenn der Kolben 236 innerhalb der Kammer 235 hin und her läuft. Strömungsmesswerte von dem Strömungsmessgerät liefern die notwendige Information, um Bohrschlammstandänderungen in dem Bohrschlammtank 42 zu bestimmen. Ein Positions-Lokator (nicht dargestellt) kann auch bereitgestellt werden, um die Position des Kolbens 236 innerhalb der ringförmigen Kammer 235 zu verfolgen. Die Position des Kolbens 236 kann dann benutzt werden, um das Bohrschlammvolumen in dem Bohrschlammtank 42 zu berechnen.
  • Ein Wischer 232 ist am Körper 230 befestigt. Der Wischer 232 umfasst eine Wischer-Aufnahme 233, welche ein Wischer-Element 234 (dargestellt in 5) umfasst. Wie in 5 dargestellt ist, umfasst das Wischer-Element 234 eine Patrone 256, welche aus einem Stapel mehrerer elastomerer Scheiben 258 hergestellt ist. Die elastomeren Scheiben 258 sind angeordnet, um einen Niedrigdruckabdichter um ein Bohrgestänge, zum Beispiel Bohrgestänge 60, aufzunehmen und bereitzustellen. Die elastomeren Scheiben 258 wischen auch Bohrschlamm vom Bohrgestänge ab, wenn das Bohrgestänge durch das Wischer-Element 234 hindurchgezogen wird. Die Anordnung der elastomeren Scheiben 258 ergibt eine stufenförmige Abdichtung, welche zulässt, dass jede Scheibe nur einen Bruchteil des Gesamtdruckunterschieds über dem Wischer-Element 234 enthält. Das Wischer-Element 234 wird in die Wischer-Aufnahme 233 und aus ihr heraus auf einem Handwerkzeug (nicht dargestellt) bewegt, welches am Bohrgestänge 60 befestigt ist.
  • Wieder mit Bezug auf 2C ist ein Steigrohr-Verbinder 260 an der Wischer-Aufnahme 233 befestigt. Der Steigrohr-Verbinder 260 passt zusammen mit einem Steigrohr-Verbinder 262 am unteren Ende des See-Steigrohrs 52. Ein Steigrohr-Verbinder 115 ist auch am unteren Ende des Körpers 230 bereitgestellt. Der Steigrohr-Verbinder 115 ist angeordnet, um mit dem Steigrohr-Verbinder 112 (dargestellt in 2B) in dem Bohrschlamm-Fördermodul 40 zusammenzupassen. Strömungsanschlüsse im Steigrohr-Verbinder 115 sind mit den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 durch die Rohre 122 und 124 und Strömungsanschlüsse in den Steigrohr-Verbinder 260 und 262 verbunden. Wenn der Steigrohr-Verbinder 115 mit dem Steigrohr-Verbinder 112 zusammenkommt, dann sind die Rohre 122 und 124 in Verbindung mit den Rohren 118 und 120.
  • Mit Bezug auf 2A bis 2C, wenn das Bohrschlamm-Fördermodul 40, der druckausgeglichene Bohrschlammtank 42, und das Steigrohr 52 an der Bohrloch-Steueranordnung 38 befestigt sind, lässt die flexible Verbindung 94 eine winkelförmige Bewegung dieser Anordnungen zu, wenn sich das Bohrschiff 12 (dargestellt in 1) seitwärts bewegt. Die winkelförmige Bewegung oder Schwenken des Bohrschlamm-Fördermoduls 40 kann durch Entfernen der flexiblen Verbindung 94 von dem LMRP 44 und Platzieren zwischen dem Bohrschlamm-Fördermodul 40 und dem druckausgeglichenen Bohrschlammtank 42 oder zwischen dem druckausgeglichenen Bohrschlammtank 42 und dem Steigrohr 52 vermieden werden. Wenn die flexible Verbindung 94 von dem LMRP 44 entfernt ist, kann das Bohrschlamm-Fördermodul 40 an dem LMRP 44 durch Verbinden des Strömungsrohres 104 mit dem oberen Ende des ringförmigen Preventers 92 befestigt werden.
  • Die Höhe des Bohrkopf-Stapels 37 (dargestellt in 1) kann durch Ersetzen des druckausgeglichenen Bohrschlammtanks 42 mit kleineren druckausgeglichenen Bohrschlammtanks reduziert werden, welche in das Bohrschlamm-Fördermodul 40 eingebaut sein können. In dieser Ausführungsform würde der Verbinder 262 am unteren Ende des Steigrohrs 52 dann mit dem Verbinder 112 am Unterwasser-Rotier-Umlenker 108 zusammenpassen. Anstelle des direkten Verbindens des Verbinders 262 mit dem Verbinder 112 kann eine flexible Verbindung, ähnlich der flexiblen Verbindung 94, zwischen den Verbindern 112 und 262 befestigt werden. Wie in 6 darge stellt ist, umfasst ein kleinerer druckausgeglichener Bohrschlammtank 234 eine Seewasser-Kammer 265, welche von einer Bohrschlamm-Kammer 266 durch eine schwimmende, aufblasbare elastomere Kugel 267 getrennt ist. Natürlich kann jedes andere trennende Medium, wie zum Beispiel ein Schwimmkolben, benutzt werden, um die Seewasser-Kammer 265 von der Bohrschlamm-Kammer 266 zu isolieren.
  • Seewasser kann in die Seewasser-Kammer 265 durch einen Anschluss 268 eintreten oder sie verlassen. Eine oder mehrere Pumpen (nicht dargestellt) können mit Anschluss 268 verbunden werden, um den Druck in der Kammer 265 bei, oberhalb, oder unterhalb dem des umgebenden Seewasserdruckes aufrecht zu erhalten. Ein Strömungsmessgerät (nicht dargestellt) kann mit Anschluss 268 verbunden werden, um die Rate, bei welcher Seewasser in die Seewasser-Kammer 265 eintritt oder sie verlässt, zu messen. Bohrschlamm kann in die Bohrschlamm-Kammer 266 durch einen Anschluss 269 eintreten oder ausgestoßen werden. Der Anschluss 269 könnte mit dem Rohrleitungssystem verbunden werden, welches den Bohrlochhohlraum mit den Saug-Enden der Unterwasserpumpen 102 (dargestellt in 2B) oder mit dem Strömungsauslass 125 in dem Strömungsrohr 104 (dargestellt in 2B) verbindet. Ein Positions-Lokator (nicht dargestellt) kann auch eingebaut werden, um die Position des trennenden Mediums wie vorher beschrieben für den druckausgeglichenen Bohrschlammtank 42 zu überwachen.
  • Die Höhe des Bohrkopfstapels 37 (dargestellt in 1) kann auch durch Weglassen des druckausgeglichenen Bohrschlammtanks 42 und Betreiben des Steigrohrs 52 reduziert werden, um die Funktion des druckausgeglichenen Tanks auszuführen. Wie in 7 dargestellt ist, wenn der druckausgeglichene Bohrschlammtank 42 weggelassen wird, kann ein Unterwasser-Umlenker, zum Beispiel der Unterwasser-Rotier-Umlenker 1710, welcher zuvor in 4C dargestellt worden ist, die Schnittstelle zwischen dem Bohrschlamm-Fördermodul 40 und dem Steigrohr 52 bereitstellen. In dieser Ausführungsform passt der Verbinder 1810 am oberen Ende des Unterwasser-Rotier-Umlenkers 1710 mit dem Verbinder 262 zusammen, und der Befestigungsflansch 1812 passt mit dem oberen Ende des Strömungsrohres 104 zusammen. Der Auslass 1816 im Verbinder 1810 ist mit einem Anschluss 1820 in dem Strömungsrohr 104 über ein Rohrleitungssystem 1822 verbunden, so dass Bohrschlamm von dem Bohrloch-Hohlraum 66 in das Steigrohr 52 strömen kann. Da der Bohrschlamm in dem Bohrloch-Hohlraum 66 schwerer ist als das Seewasser in dem Steigrohr 52, wird der Bohrschlamm 1821 vom Bohrloch-Hohlraum 66 am Boden des Steigrohres 52 mit dem Seewasser 1823 darüber schwimmend verbleiben. Dies lässt den Boden des Steigrohrs 52 als eine Kammer zum Halten von Bohrschlamm vom Bohrloch-Hohlraum 66 funktionieren. Bohrschlamm kann von dem Steigrohr 52 zum Bohrloch-Hohlraum 66 bei Bedarf ausgestoßen werden. Ein Bypass-Ventil 1824 in dem Rohrleitungssystem 1822 kann betrieben werden, um Fluid-Verbindung zwischen dem Bohrloch-Hohlraum 66 und dem Steigrohr 52 zu steuern.
  • In einer anderen Ausführungsform, wie in 7B dargestellt ist, kann eine Schwimm-Barriere 1825, welche eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Bohrgestänges, zum Beispiel Bohrgestänge 60, aufweist, in dem Steigrohr 52 angeordnet werden, um das Seewasser in dem Steigrohr von dem Bohrschlamm zu trennen. Auf diese Weise kann das Mischen, welches durch Rotation des Bohrgestänges in dem Steigrohr hervorgerufen wird, minimiert werden. Mittel, zum Beispiel mit Federn vorgespannte Rippen, können zwischen der Schwimm-Barriere 1825 und dem Steigrohr 52 angeordnet werden, um die Rotation der Schwimm-Barriere innerhalb des Steigrohres zu reduzieren. Wenn die Schwimm-Barriere 1825 in dem Steigrohr 52 wie dargestellt angeordnet ist, kann der Umlenker 1710 (dargestellt in 7A) von dem Bohrschlamm-Fördermodul weggelassen werden. Jedoch kann es auch wünschenswert sein, die Schwimm-Barriere 1825 in der in 7A dargestellten Ausführungsform zu benutzen, so dass die Fluide in dem Steigrohr auch dem Mischen ausgesetzt sind, wenn das Bohrgestänge rotiert wird.
  • Mit Bezug auf 1 bis 5 beginnt Vorbereitung zum Bohren mit dem Positionieren des Bohrschiffes 12 am Bohrort und kann das Installieren von Baken oder anderen Referenzvorrichtungen am Meeresboden 17 umfassen. Es kann notwendig sein, ferngesteuerte Fahrzeuge bereitzustellen, Unterwasserkameras oder andere Vorrichtungen, um die Bohrausrüstung zum Meeresboden 17 zu führen. Das Benutzen von Hilfsmitteln, um die Bohrausrüstung zum Meeresboden zu führen, kann unpraktisch sein, falls das Wasser zu tief ist. Nachdem das Positionieren des Bohrschiffes 12 abgeschlossen ist, beginnen die Bohr-Vorgänge gewöhnlicherweise mit dem Herabsenken der Führungsstruktur 36, Verbinder-Gehäuse 33, und Verbinderrohr 32 an einem Ablass-Werkzeug, welches oberhalb einer Bodenloch-Anordnung befestigt ist. Die Bodenloch-Anordnung, welche ein Bohrwerkzeug und andere ausgewählte Komponenten zum Bohren einer geplanten Trajektorie umfasst, ist an einem Bohrgestänge befestigt, welches durch die Bohranlage 20 unterstützt wird. Die Bodenloch-Anordnung wird zum Meeresboden herabgelassen und das Verbinderrohr 32 wird am Meeresboden in Position gebracht.
  • Nach dem In-Position-Bringen des Verbinderrohres 32 wird die Bodenloch-Anordnung entriegelt, um ein Loch für das Oberflächenrohr 36 zu bohren. Das Bohren des Loches beginnt durch Rotieren des Bohrwerkzeugs unter Benutzung eines Rotationstisches oder eines Oberantriebs. Ein Bohrschlammmotor, welcher oberhalb des Bohrwerkzeugs angeordnet ist, kann alternativ benutzt werden, um das Bohrwerkzeug zu rotieren. Während das Bohrwerkzeug rotiert wird, wird Fluid die Ausnehmung des Bohrgestänges hinab gepumpt. Das Fluid in dem Bohrgestänge spritzt aus den Düsen des Bohrwerkzeuges heraus, wobei Bohrsplitter weg von dem Bohrwerkzeug gespült werden. In diesem anfänglichen Bohrzustand kann das die Ausnehmung des Bohrgestänges heruntergepumpte Fluid Seewasser sein. Nachdem das Loch für das Oberflächenrohr 36 gebohrt ist, werden das Bohrgestänge und die Bodenloch-Anordnung zurückgeholt. Dann wird das Oberflächenrohr 36 in das Loch vorgetrieben und an dieser Stelle zementiert. Der Unterwasser-Bohrkopf 35 ist am oberen Ende des Oberflächenrohrs 36 befestigt. Der Unterwasser-Bohrkopf 35 ist innerhalb des Leiter-Gehäuses 33 in seiner Stellung verriegelt.
  • Die Bohrschlamm-Förder-Bohrvorgänge beginnen mit dem Absenken des Bohrkopf-Stapels 37 zum Meeresboden durch den Mondschacht 22 hindurch. Dies wird durch Einklinken des unteren Endes des See-Steigrohr 52 an dem oberen Ende des Bohrschlammtankes 42 am oberen Ende des Bohrkopf-Stapels 37 ausgeführt. Dann wird das See-Steigrohr 52 zum Meeresboden 17 vorgetrieben, bis der Unterwasser-BOP-Stapel 46 am Boden des Bohrkopf-Stapels 37 aufliegt und am Bohrkopf 35 einklinkt. Die Seewasser-Kammer 242 des Bohrschlammtanks 42 füllt sich mit Seewasser, wenn der Bohrkopf-Stapel 37 herabgesenkt wird. Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 sind mit den Strömungsanschlüssen im Mondschacht 22 verbunden, nachdem der Bohrkopf-Stapel 37 in seiner Position am Bohrkopf 35 befestigt ist.
  • Das Bohrgestänge 60 mit der Spindel 178 wird durch das Steigrohr 52 in dem Gehäusekörper 162 des Abstreifers 108 herabgesenkt. Wenn die Spindel 178 auf der Anlage-Schulter 174 innerhalb des Gehäusekörpers 162 aufliegt, wird das Bohrgestänge rotiert, um zuzulassen, dass die Riegel in dem Gehäusekörper in die Ausnehmungen in die Spindel 178 einklinken. Dann wird das Bohrgestänge zum Boden des Bohrloches durch den Umlenker 106, das Strömungsrohr 104, und die Bohrloch-Steueranordnung 38 herabgesenkt. Wenn das Bohrwerkzeug 64 den Boden des Bohrloches 30 berührt, wird die Oberflächenpumpe gestartet und Bohrschlamm wird von der Ausnehmung des Bohrgestänges 60 vom Bohrschiff 12 hinabgepumpt. Das Bohrgestänge 60 wird von der Oberfläche über einen Rotationstisch oder Oberantrieb rotiert. Ein Bohrschlammmotor, welcher oberhalb des Bohrwerkzeugs angeordnet ist, kann alternativ benutzt werden, um das Bohrwerkzeug zu rotieren. Wenn das Bohrgestänge 60 oder das Bohrwerkzeug 64 rotiert wird, schneidet das Bohrwerkzeug 64 die Formation.
  • Der in die Ausnehmung des Bohrgestänges 60 gepumpte Bohrschlamm wird durch die Düsen des Bohrwerkzeugs 64 in den Boden des Bohrloches hineingepresst. Der von dem Werkzeug 64 ausströmende Bohrschlamm steigt zurück hinauf durch den Bohrloch-Hohlraum 66 zum Abstreifer 108, wo es zu den Saug-Enden der Unterwasserpumpen 102 und zum Anschluss 248 der Bohrschlamm-Kammer 244 des Bohrschlammtanks 42 umgeleitet wird. Die Pumpen 102 stoßen den Bohrschlamm zu den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 aus. Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 tragen den Bohrschlamm zu dem Bohrschlamm-Rückführungssystem auf dem Bohrschiff 12. Der druckausgeglichene Bohrschlammtank 42 ist offen, um Bohrschlamm von dem Bohrloch-Hohlraum 66 aufzunehmen, wenn der Druck des Bohrschlammes am Einlass der Bohrschlammkammer 244 höher ist als der Seewasserdruck innerhalb der Seewasser-Kammer 242. Der Steigrohr-Hohlraum wird mit Seewasser gefüllt, so dass der Druck der Fluid-Säule in dem Steigrohr dem von Seewasser bei jeder vorgegebenen Tiefe gleicht. Natürlich können auch andere leichtgewichtige Fluide benutzt werden, um den Steigrohr-Hohlraum zu füllen.
  • Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe
  • 8 zeigt die Komponenten der Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe 102, welche zuvor in 2B dargestellt worden ist. Wie dargestellt, umfasst die Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe 102 eine Multi-Element-Pumpe 350, einen hydraulischen Antrieb 352 und einen elektrischen Motor 354. Der elektrische Motor 354 führt Energie zu dem hydraulischen Antrieb 352 zu, welcher unter Druck gesetztes hydraulisches Fluid zu der Multi-Element-Pumpe 350 leitet. Die Multi-Element-Pumpe 350 umfasst Membranpumpelemente 355. Jedoch können andere Arten von Pumpelementen, wie im Folgenden beschrieben wird, anstelle der Membranpumpelemente 355 benutzt werden.
  • Membran-Pumpelement
  • 9A zeigt einen vertikalen Querschnitt des Membran-Pumpelements 355, welches zuvor in 8 dargestellt worden ist. Wie dargestellt, umfasst das Membran-Pumpelement 355 einen sphärischen Druckbehälter 356 mit Endkappen 358 und 360. Eine elastomere Membran 362 ist im oberen Abschnitt des Druckbehälters 356 befestigt. Die elastomere Membran 362 isoliert eine Hydraulik-Leistungskammer 370 von einer Bohrschlamm-Kammer 372 und verschiebt Fluid innerhalb des Behälters 356 in Antwort auf Druckunterschied zwischen der Hydraulik-Leistungskammer 370 und der Bohrschlamm- Kammer 372. Die elastomere Membran 362 schützt auch den Behälter 356 vor abrasivem und korrosivem Bohrschlamm, welcher in der Bohrschlamm-Kammer 372 aufgenommen werden kann.
  • Die Endkappe 358 umfasst einen Anschluss 374, durch welchen hydraulisches Fluid in die Hydraulik-Leistungskammer 370 zugeführt oder aus dieser herausgestoßen werden kann. Die Endkappe 360 umfasst einen Anschluss 376, durch welchen Fluid in die Bohrschlamm-Kammer 372 hineingeführt oder aus dieser hinausgestoßen werden kann. Die Endkappe 360 ist vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Material hergestellt, um den Anschluss 376 vor abrasivem Bohrschlamm zu schützen, welcher in die Bohrschlamm-Kammer 372 eintritt und aus dieser hinaustritt. Die Endkappe 360 ist mit einem Ventil-Verteiler 378 verbunden, welcher Saug- und Ausstoß-Ventile zum Steuern des Bohrschlammflusses in und aus der Bohrschlamm-Kammer 372 umfasst. Der Ventil-Verteiler 378 weist einen Einlassanschluss 380 und einen Auslassanschluss 382 auf. Die Anschlüsse 380 und 382 können wahlweise mit dem Anschluss 372 in der Endkappe 360 verbunden werden. Wie in 8 dargestellt ist, sind die Einlassanschlüsse 380 verbunden mit einem Kanal 384, welcher mit dem Strömungs-Auslass 125 in dem Strömungsrohr (dargestellt in 2B) verbunden werden kann. Obwohl nicht dargestellt sind die Auslassanschlüsse 382 auch mit einem Kanal verbunden, welcher mit den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 verbunden werden kann.
  • Kolben-Pumpelement
  • 9B zeigt ein Kolben-Pumpelement 390, welches anstelle des Membran-Pumpelements 355 benutzt werden kann, welches zuvor in 8 dargestellt worden ist. Wie dargestellt ist, umfasst das Kolben-Pumpelement 390 einen zylindrischen Druckbehälter 392 mit einem oberen Ende 394 und einem unteren Ende 396. Ein Kolben 398 ist innerhalb des Behälters 392 angeordnet. Dichtungen 400 dichten zwischen dem Kolben 398 und dem Druckbehälter 392 ab. Der Kolben 398 begrenzt eine Hydraulik-Leistungskammer 402 und eine Bohrschlamm-Kammer 404 innerhalb des Druckbehälters 392 und bewegt sich axial innerhalb des Behälters 392 in Antwort auf Druckunterschied zwischen den Kammern 402 und 404. Der Kolben 398 und Druckkammer 392 sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material hergestellt. Hydraulisches Fluid kann in die Hydraulik-Leistungskammer 402 durch einen Anschluss 406 am Ende 394 des Behälters 392 hineingeführt oder aus ihr hinausgestoßen werden. Bohrschlamm kann in die Bohrschlamm-Kammer 404 hineingeführt oder aus ihr hinausgestoßen werden durch einen Anschluss 408 am Ende 396 des Behälters 392. Ein Ventil-Verteiler 410 ist verbunden mit dem Ende 396 des Behälters 392. Der Ventil-Verteiler 410 umfasst Saug- und Ausstoß-Ventile zum Steuern von Bohrschlammfluss in die Bohrschlamm-Kammer 404 und aus dieser heraus. Der Ventil-Verteiler 410 weist einen Einlassanschluss 412 und einen Auslassanschluss 414 auf, welche in wahlweiser Verbindung mit dem Anschluss 408 stehen.
  • Membran-Pumpelement mit Membran-Positions-Lokator
  • 9C zeigt das Membran-Pumpelement 355, welches zuvor in 9A dargestellt worden ist, mit einem Membran-Positions-Lokator, zum Beispiel einem magnetostriktiven linearen Verschiebungs-Transducer (LDT) 2011. Der magnetostriktive LDT 2011 umfasst ein magnetostriktives Wellenleiter-Rohr 2012, welches innerhalb eines Gehäuses 2013 am oberen Ende des Membran-Pumpelements 355 angeordnet ist. Eine ringförmige Magnetanordnung 2014 ist angeordnet über und beabstandet von dem magnetostriktiven Wellenleiter-Rohr 2012. Die Magnetanordnung 2014 ist an einem Ende eines Magnetträgers 2015 befestigt. Das andere Ende des Magnetträgers 2015 ist mit dem Zentrum der elastomeren Membran 362 gekoppelt. Der Magnetträger 2015 ist ausgebildet, um sich entlang der Länge des magnetostriktiven Wellenleiter-Rohres 2012 zu bewegen, wenn sich die elastomere Membran 362 innerhalb des sphärischen Behälters 356 bewegt. Ein leitender Draht (nicht dargestellt) ist innerhalb des magnetostriktiven Wellenleiter-Rohrs 2012 angeordnet. Der leitende Draht und das magnetostriktive Wellenleiter-Rohr 2012 sind mit einem Transducer 2016 verbunden, welcher außerhalb des Gehäuses 2013 angeordnet ist. Der Transducer 2016 umfasst Mittel zum Platzieren eines elektrischen Stromunterbrechungspulses auf dem leitenden Draht in dem magnetostriktiven Wellenleiter-Rohr 2012.
  • Die Hydraulik-Leistungskammer 370 ist in Verbindung mit dem Inneren des Gehäuses 2013. Ein Anschluss 2017 in dem Gehäuse lässt zu, dass hydraulisches Fluid von der hydraulischen Leistungskammer 370 zugeführt und abgezogen wird. Im Betrieb, wenn hydraulisches Fluid wahlweise zugeführt und von der hydraulischen Leistungskammer 370 abgezogen wird, bewegt sich das Zentrum der elastomeren Membran 360 vertikal innerhalb des Druckbehälters 356. Wenn sich das Zentrum der elastomeren Membran 360 bewegt, bewegt sich die Magnetanordnung 2014 die gleiche Strecke entlang des magnetostriktiven Wellenleiter-Rohres 2012. Das magnetostriktive Wellenleiter-Rohr 2012 weist einen Bereich innerhalb der Magnetanordnung 2014 auf, welcher magnetisiert ist, wenn die Magnetanordnung entlang des magnetostriktiven Wellenleiter-Rohres 2012 fortschreitet. Der leitende Draht in dem magnetostriktiven Wellenleiter-Rohr 2012 empfängt periodisch ein Stromunterbrechungspuls vom Transducer 2016. Dieser Stromabfragepuls erzeugt ein toroidales Magnetfeld um den lei tenden Draht herum und in dem magnetostriktiven Wellenleiter-Rohr 2012. Wenn das toroidale Magnetfeld auf den magnetisierten Bereich des magnetostriktiven Wellenleiter-Rohres 2012 trifft, wird ein helikales akustisches Rücksignal in dem Wellenleiter-Rohr 2012 erzeugt. Der Transducer 2016 sensiert das helikale Rücksignal und erzeugt ein elektrisches Signal an einem Messgerät (nicht dargestellt) oder anderem Indikator als eine Anzeige der Position der Magnetanordnung 2014 und daher der Position der elastomeren Membran 362.
  • Der so beschriebene magnetostriktive LDT 2011 ist ähnlich dem magnetostriktiven LDT, welcher in US-Patenten 5,407,172 und 5,320,325 an Kenneth Young et al., zugeteilt an Hydril Company, offenbart ist. Der magnetostriktive LDT 2011 lässt zu, dass eine absolute Position der elastomeren Membran 362 innerhalb des Druckbehälters 356 gemessen werden kann. Diese Absolutposition-Messungen können in zuverlässiger Weise zu den Volumina innerhalb der hydraulischen Leistungskammer 370 und der Bohrschlamm-Kammer 372 in Beziehung gesetzt werden. Diese Volumeninformation kann genutzt werden, um in wirksamer Weise den hydraulischen Pumpantrieb (nicht dargestellt) und die aktivierten Pump-Saug- und Ausstoß-Ventile (nicht dargestellt) zu steuern. Andere Mittel neben dem magnetostriktiven LDT sollen auch betrieben werden können, um die absolute Position der elastomeren Membran 362 innerhalb des sphärischen Behälters 356 messen zu können, einschließlich Lineartransformer für variable Differenz- und Ultraschallmessung. Es soll weiterhin verstanden werden, dass das Membran-Pumpelement 355 in unterschiedlichen Anwendungen betrieben werden kann, wie zum Beispiel als ein Pulsdämpfer, vorausgesetzt, dass die Hydraulik-Leistungskammer 370 mit einem komprimierbaren Fluid, wie zum Beispiel Stickstoffgas, im Gegensatz zu Hydraulikfluid, gefüllt ist.
  • In einer Pulsdämpfer-Anwendung können Mittel zum Messen der absoluten Position der elastomeren Membran 362 innerhalb des sphärischen Druckbehälters 356 wichtige Informationen über Pulse und plötzliche Anstiege in hydraulischen Systemen bereitstellen. Der magnetostriktive LDT 2011 kann auch mit dem Kolbenpumpelement 390 (dargestellt in 9B) benutzt werden, um die Position des Kolbens 398 zu verfolgen, wenn sich der Kolben innerhalb des Druckbehälters 392 bewegt.
  • Hydraulische Antriebsschaltungen für die Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe
  • 10A zeigt ein Leerlaufbetrieb-Diagramm für den hydraulischen Antrieb 352 (dargestellt in 8). Wie dargestellt ist, umfasst der Leerlaufbetrieb-Hydraulikantrieb eine druckkompensierte Pumpe 420 mit variabler Verschiebung und eine Hilfspumpe 490. Die Pumpen 420 und 490 sind in ein druckausgeglichenes Reservoir 424 mit Hydraulikfluid eingetaucht. Alternativ können die Pumpen 420 und 490 außerhalb des Reservoirs 424 angeordnet sein. Das Hydraulikfluid in dem Reservoir 424 kann Öl oder andere geeignete Fluid-Leistungsübertragungsmedien sein. Die Pumpe 420 wird von einem Elektrikmotor 432 angetrieben, welcher Elektrizität von dem Bohrschiff empfängt. Der Elektrikmotor 432 repräsentiert den Elektrikmotor 354, welcher zuvor in 8 dargestellt worden ist. Die Pumpe 490 ist mit der Pumpe 420 gekoppelt und wird von dem Elektrikmotor 432 angetrieben. Die Pumpe 490 kann auch von einer anderen Quelle, wie zum Beispiel ihren eigenen Elektrikmotor angetrieben werden.
  • Die Pumpe 420 zieht Hydraulikfluid von dem Reservoir 424 und stößt unter Druck gesetztes Fluid zu den Hydraulik-Leistungskammern 2020b und 2022b der Pumpelemente 2020 und 2022 durch die Ventile 426b bzw. 428b aus. Die Positionen der Ventile 426b und 428b werden von der Steuerlogik in dem Steuermodul 2034 bestimmt. Die Pumpe 490 zieht Fluid von dem Reservoir 424 und pumpt das Fluid durch die Lager (nicht dargestellt) in Pumpe 420. Ein Volumen-Kompensator 425 ist auf dem Reservoir 424 bereitgestellt, um Volumenfluktuationen im Reservoir auszugleichen, welche entstehen, wenn die Rate, bei welcher Fluid aus dem Reservoir 424 gepumpt wird, verschieden ist von der Rate, bei welcher Fluid zu dem Reservoir durch die Ventile 426a und 428a zurückgegeben wird. Die Positionen der Ventile 426a und 428a werden auch bestimmt durch die Steuerlogik in dem Steuermodul 2034. Die Ventile 426a, 426b, 428a und 428b sind Zwei-Wege-, Spulen-betriebene, Federrückstellungs-, Zwei-Positionen-Ventile. Jedoch können andere Richtungs-Steuerventile auch benutzt werden, um den Hydraulikfluss in und aus den Hydraulik-Leistungskammern 2020b und 2022b zu steuern.
  • Jedes der Pumpelemente 2020 und 2022 weist Positions-Indikatoren 2026 auf, welche Signale zu dem Steuermodul 2034 übertragen. Die Indikatoren 2026 messen das Volumen des Bohrschlamms in den Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a. Die Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a der Pumpelemente 2020 und 2022 sind jeweils mit dem Kanal 456 durch Saugventile 1890a und mit dem Kanal 458 durch Auslassventile 1890b verbunden. Die Ventile 1890a und 1890b sind Sicherheitsventile, welche jeweils Bohrschlammströmung von dem Kanal 456 in die Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a und von den Bohrschlamm-Kammern in den Kanal 458 zulassen. Obwohl individuelle Ventile 1890a und 1890b gezeigt sind, soll angenommen werden, dass diese Ventile durch ein Drei-Wege-Ventil ersetzt werden können, welches eine alternierende Verbindung der Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a mit den Kanälen 456 oder 458 zulassen würde. Im Betrieb kann der Kanal 456 hydraulisch mit dem Strömungsauslass 125 in dem Strömungsrohr 104 des Bohrschlamm-Fördermoduls 40 (dargestellt in 2B) verbunden sein, und der Kanal 458 kann hydraulisch mit den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 56 und 58 (dargestellt in 1) verbunden sein.
  • In der Schaltung der 10A wird die Hydraulik-Leistungskammer 2022b mit Hydraulikfluid gefüllt, während die Bohrschlamm-Kammer 2022a Bohrschlamm ausstößt. Außerdem wird die Bohrschlamm-Kammer 2020a mit Bohrschlamm gefüllt, während die Hydraulik-Leistungskammer 2020b Hydraulikfluid ausstößt. Die Zeitabfolge des Füllens einer Leistungskammer mit Hydraulikfluid, während Hydraulikfluid von der anderen Leistungskammer ausgestoßen wird oder des Ausstoßens von Bohrschlamm von einer Bohrschlamm-Kammer während die andere Bohrschlamm-Kammer mit Bohrschlamm gefüllt wird, ist derart, dass der Gesamt-Bohrschlammfluss von den Pumpelementen 2020 und 2022 relativ frei von Pulsen ist. Die Pumpelemente 2020 und 2022 sind als Membran-Pumpelemente beschrieben, zum Beispiel Membran-Pumpelemente 355, jedoch können die Pumpelemente 2020 und 2022 ein anderer Typ von Pumpelement sein, zum Beispiel Kolben-Pumpelement 390. Ein oder mehrere Pumpelemente können auch zu den Pumpelementen 2020 und 2022 hinzugefügt werden, um den Ausstoss der Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpe zu ändern.
  • 10B stellt das Verhältnis von Zeit und Position zwischen den Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a dar, wenn der Pumpbetrieb stattfindet. Am Beginn des Diagramms nimmt das Bohrschlammvolumen in Bohrschlamm-Kammer 2022a ab, während das Bohrschlammvolumen in Bohrschlamm-Kammer 2020a anwächst. Die Strömungsrate in die Bohrschlamm-Kammer 2020a ist größer als die Strömungsrate aus der Bohrschlamm-Kammer 2022a heraus. Bohrschlamm strömt in die Bohrschlamm-Kammer 2020a als ein Ergebnis des positiven Druckunterschieds, welcher zwischen dem Bohrschlamm in dem Kanal 456 und dem in dem Reservoir 424 enthaltenen Hydraulikfluid aufrecht erhalten wird.
  • Dieser positive Druckunterschied, welcher erforderlich ist, um die Bohrschlamm-Kammer 2020a zu füllen, kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Wenn das Pumpsystem unter Wasser benutzt wird, wird der Pumpeinlass mit dem Bohrloch-Hohlraum 66 (dargestellt in 1) durch den Anschluss 125 in dem Strömungsrohr 104 (dargestellt in 2B) verbunden. Der Druck des Bohrschlamms in dem Bohrloch-Hohlraum 66 (dargestellt in 1) variiert in Abhängigkeit von der Rate, bei welcher Bohrschlamm von den Oberflächenbohrschlammpumpen (nicht dargestellt) am Bohrständer 20 durch das Bohrgestänge 60 in den Bohrloch-Hohlraum 66 gepumpt wird, und der Rate, bei welcher die Unterwasserpumpen den Bohrschlamm aus dem Bohrloch-Hohlraum entfernen. Ein Drucksensor 2028 misst den Druckunterschied zwischen dem Bohrschlamm im Bohrloch-Hohlraum und dem das Reservoir 424 umgebende Seewasser. Die Ausgabe des Drucksensors 2028 wird zu dem Steuermodul 2034 übertragen, welches wiederum ein Raten-Steuersignal zu der Verstellpumpe 420 (dargestellt in 10A) sendet. Der Bohrloch-Hohlraumdruck kann daher durch das Steuermodul 2034 erhöht oder erniedrigt werden, so dass er höher als der umgebende Seewasserdruck aufrecht erhalten wird. Dieser Steuermodus stellt sicher, dass die Rate, bei welcher die Bohrschlamm-Kammer 2020a gefüllt wird, angedeutet durch Segment KJ, die Ausstoß-Strömungsrate der Bohrschlamm-Kammer 2022a überschreitet, angedeutet durch Segment LA.
  • Die in dem Steuermodul 2034 (dargestellt in 10A) enthaltene Steuerlogik sorgt für den in 10B dargestellten Pumpzyklus. Wie oben diskutiert, ist der Bohrschlammfüllzyklus der Bohrschlamm-Kammer 2020a beendet, wenn das Volumen in der Bohrschlamm-Kammer 2020a den Punkt J erreicht. An diesem Punkt verschiebt das Steuermodul 2034 die Position des Ventils 426a, um die Strömung von Hydraulikfluid aus der hydraulischen Leistungskammer 2020b zu stoppen und daher die Strömung von Bohrschlamm in die Bohrschlamm-Kammer 2020a. Der Zustand der Hydraulik-Leistungskammer 2020b wird aufrecht erhalten bis der Bohrschlamm, welcher aus der Bohrschlamm-Kammer 2022a ausgestoßen wird, den Punkt A erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil 426b zu einem Strömungszustand verschoben, so dass Hydraulikfluid in die Hydraulik-Leistungskammer 2020b strömen kann, um Bohrschlamm von der Kammer 2020a zu dem Zeitpunkt zu verschieben, wenn Bohrschlamm von der Bohrschlamm-Kammer 2022a verschoben wird. Die hydraulische Strömung von der Verstellpumpe 420 bleibt konstant, ist jedoch zwischen den zwei hydraulischen Leistungskammern 2020b und 2022b aufgeteilt. Der Gesamtbohrschlamm, welcher in den Kanal 458 strömt, verbleibt konstant.
  • Wenn das Bohrschlammvolumenende in die Bohrschlamm-Kammer 2022a Punkt C erreicht, wird das hydraulische Füllventil 428b durch das Steuermodul 2034 zu einer Sperrposition verschoben, was die Bohrschlammströmung aus der Bohrschlamm-Kammer 2022a stoppt. Nach einer Zeitverzögerung, welche durch Segment CE dargestellt ist, verschiebt das Steuermodul 2034 das hydraulische Ausstoßventil 428a zu der Strömungsposition, wobei Hydraulikfluid von der Hydraulik-Leistungskammer 2020b zu dem Reservoir 424 verschoben wird, wenn Bohrschlamm die Bohrschlamm-Kammer 2022a füllt. Die Rate, bei welcher Bohrschlamm die Bohrschlamm-Kammer 2022a füllt, überschreitet die Rate, bei welcher Hydraulikfluid zu der Hydraulikfluidkammer 2020b mittels der Pumpe 420 zu geführt wird, und daher die Rate, bei welcher Bohrschlamm aus der Bohrschlamm-Kammer 2020a ausgestoßen wird. Der Füllzyklus für Bohrschlamm-Kammer 2022a, repräsentiert durch das Liniensegment EF, stoppt, wenn das Bohrschlammvolumen in 2022a Punkt F erreicht. An diesem Punkt verschiebt das Steuermodul 2034 das Ventil 428a zu einer Sperrposition, was die Strömung von Hydraulikfluid aus der Hydraulikfluidkammer 2022b zu dem Reservoir 424 stoppt.
  • Der "Voll"-Zustand der Bohrschlamm-Kammer 2022a ist aufrecht erhalten, bis der Positionsindikator 2026, welcher an dem Pumpelement 2020 angebracht ist, anzeigt, dass das Bohrschlammvolumen in 2020a den "Leer"-Punkt G erreicht hat. Das Steuermodul 2034 betätigt dann das Ventil 428b, um Hydraulikfluid in die Hydraulik-Leistungskammer 2022b strömen zu lassen, um den Bohrschlamm in der Bohrschlamm-Kammer 2022a in den Kanal 458 zu verschieben. Wiederum ist der Fluss von der Pumpe 420 zwischen den Hydraulikfluidkammern 2022b und 2020b aufgeteilt, bis das Volumen in Bohrschlamm-Kammer 2020a I erreicht. Diese Strömungsaufteilung ist durch die zwei Segmente HM und GI in 10B angedeutet. Wenn das Volumen in der Bohrschlamm-Kammer 2020a I erreicht, signalisiert das Steuermodul 2034 dem Ventil 426a, in einen Sperrzustand zu verschieben, wobei Bohrschlammströmung aus Bohrschlamm-Kammer 2020a gestoppt wird. Der vollständige Fluss der Pumpe 420 wird dann benutzt, um den Bohrschlamm von der Bohrschlamm-Kammer 2022a bei der durch das Liniensegment MN angedeuteten Rate auszustoßen.
  • Die Strömungsanalyse zeigt, dass der Bohrschlammausstoß von den Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a ununterbrochen ist. Die Start-Strömungsrate des Bohrschlamms, welcher von 2022a ausgestoßen wird, ist durch das Segment LA definiert. Das nächste Segment ist die Kombination der Segmente BD (von Bohrschlamm-Kammer 2020a) und AC (von Bohrschlamm-Kammer 2022a), welche gleich der Strömungsrate von Segment LA ist. Das folgende Segment von Bohrschlamm, welcher von Bohrschlamm-Kammer 2020a verschoben wird, ist DG, welches die gleiche Rate wie LA ist. Die Strömung wird dann zwischen Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a, wie jeweils durch Segmente HM und GI gezeigt, aufgeteilt. Die Summe der Strömungsraten der Segmente HM und GI ist gleich der Strömungsrate von Segment LA. Die Bohrschlammströmung von der Bohrschlamm-Kammer 2022a setzt sich in Segment MN fort, welches wiederum das gleiche ist wie das Anfangssegment LA. Die Sequenz wiederholt sich daraufhin.
  • Die Pump-Strömungsrate, welche durch die Liniensegmente MN und DG angedeutet ist, würde die maximale Strömungsrate für die Unterwasser-Bohrschlammpumpe sein, basierend auf der Füllrate, welche durch den Bohrschlammdruck in dem Kanal 456 aufgebaut worden ist. Falls die Bohrschlammströmung in dem Bohrloch-Hohlraum sich zu verringern anfängt, würde sich der Druck in dem Bohrloch-Hohlraum ebenso verringern. Das Steuermodul 2034 würde die Änderung in dem Drucksensor 2028 sensieren und die Strömungsrate von Pumpe 420 reduzieren, welche wiederum das Volumen des Hydraulikfluids, welches durch die Pumpe 420 zu den hydraulischen Leistungskammern 2020b und 2022b ausgestoßen ist, reduzieren würde. Diese reduzierte Rate von Bohrschlammströmung von dem Bohrloch-Hohlraum würde den erforderlichen Bohrschlammdruck in dem Kanal 456 wiederherstellen.
  • Das Steuermodul 2034 umfasst alle Eingabe- und Ausgabe-(I/O)-Vorrichtungen, welche notwendig sind, um Signale von den verschiedenen in 10B gezeigten Punkten aufzunehmen und Steuersignale zu den Steuerventilen 426a, 426b, 428a und 428b zu leiten. Diese Steuervorrichtung würde einen re sidenten Computer (nicht dargestellt) aufweisen, welcher mit den I/O-Vorrichtungen verbunden ist, oder eine Kommunikationsverbindung mit einem Computer (nicht dargestellt) an der Oberfläche mit den I/O-Vorrichtungen. Die Steuerung zum Skalieren der Sensoreingaben und die Logik zum Erzeugen von Steuersignalen, welche in 10A vorweggenommen sind, ist Teil der Software, welche für den Computer bereitgestellt ist. Dieses Steuermodul 2034 würde benutzt werden, wenn die Bohrschlammpumpe unter Wasser oder an der Oberfläche betrieben wird.
  • 10C zeigt die Leistung des in 10A dargestellten Pumpkreislaufs, und zwar bei Benutzung des in 10B beschriebenen Steuerverfahrens. Wie dargestellt ist, ist die Bohrschlammausstoßrate konstant mit keiner beobachtbaren Pulsation. Jedoch ist die Saugströmungsrate durch eine Reihe von Strömungspulsen gebildet. Dies erfordert, dass irgendeine Art von Saugpulsations-Dämpfer bereitgestellt ist. Das Unterwasser-Pumpsystem stellt dieses Merkmal bereit, d.h. die Reduktion der Druckänderungen in dem Bohrloch-Hohlraum, in dem druckausgeglichenen Bohrschlammtank 42, welcher in 2C oder in 7A dargestellt ist, wenn das Bypass-Ventil 1824 geöffnet ist, so dass sich Bohrschlamm zwischen dem Steigrohr 52 und dem Bohrloch-Hohlraum bewegen kann. Alternativ können ein oder mehrere zusätzliche Pumpelemente, welche außer Phase mit den Pumpelementen 2022a und 2020a arbeiten, benutzt werden, um eine Bohrschlamm-Ansaugung zu erzeugen, welche frei von Pulsation ist, während der Bohrschlamm-Ausstoß aufrecht erhalten wird, welcher frei von Pulsation ist.
  • Die Pumprate, welche erforderlich ist, um Bohrschlamm von dem Meeresboden zur Oberfläche zu fördern, wenn in einer Wassertiefe von 10.000 Fuß gebohrt wird, wird auf 1.600 Gallonen pro Minute geschätzt. Zum Beispiel, falls die Dauer des Ausstoß-Taktes jedes Pumpelements sechs Sekunden beträgt, würde jedes Pumpelement fünf Ausstoß-Takte in einer Minute ausführen. Falls die Pumpelemente eine nominelle Kapazität von 40 Gallonen aufweisen, wäre das Volumen an Bohrschlamm, welches von einem Pumpelement in einer Minute ausgestoßen würde, 200 Gallonen betragen. Um 400 Gallonen Bohrschlamm in einer Minute zu fördern, sollte die Pumpe 420 eine Pumprate von wenigstens 400 Gallonen pro Minute aufweisen. Natürlich würden dann, um die geschätzte Pumprate von 1600 Gallonen pro Minute zu erreichen, welche in einer Wassertiefe von 10.000 Fuß erforderlich sind, vier Pumpmodule benötigt.
  • 11A illustriert einen hydraulischen Antrieb mit Leerlaufschaltung, ähnlich der in 10A dargestellten, jedoch zusätzlich mit einem dritten Pumpelement 2036 und einem Strömungs-Steuerventil 2042 und einem Strömungsmessgerät 2040, welches in der hydraulischen Rückführungsleitung angeordnet ist, welche die Hydraulik-Leistungskammern 2020b, 2022b und 2036b mit dem Reservoir 424 verbindet. Zusätzliche Strömungsalgorithmen müssen zu dem Steuermodul 2044 hinzugefügt werden, um den Pumpkreislauf für dieses System zu koordinieren.
  • Die Rate, bei welcher Bohrschlamm aus den Bohrschlammkammern 2020a, 2022a und 2036a strömt, wird wie oben für 10A beschrieben gesteuert. Die Strömungsraten-Abfolge für das Pumpsystem der 11A ist in 11B dargestellt. Das Diagramm ist dem in 10B dargestellten ähnlich, umfasst jedoch die Pumpkurve 1 für das dritte Pumpelement 2036, welche zu den Pumpkurven 2 und 3 jeweils für die Pumpelemente 2022 und 2020 hinzugefügt ist. Am Beginn des Diagramms wird Pumpelement 2020 mit Bohrschlamm ge füllt, wobei beide hydraulischen Steuerventile 426a und 426b durch das Steuermodul 2044, wie in 11A dargestellt ist, in die Blockierungs-Position versetzt worden sind. Bohrschlamm wird von der Bohrschlamm-Kammer 2022a in den Kanal 458 ausgestoßen, während Hydraulikfluid die Hydraulik-Leistungskammer 2022b mit dem Steuerventil 428b in der Strömungs-Position und dem Steuerventil 428a in einer Blockierungs-Position gefüllt wird. Bohrschlamm füllt die Bohrschlamm-Kammer 2036a, wobei das Hydraulikfluid in der Hydraulikfluid-Kammer 2036b durch das Steuerventil 2038a verschoben wird.
  • Die erste Steueraktion wird initiiert, wenn das Bohrschlamm-Volumen in der Bohrschlamm-Kammer 2022a Punkt A (Stellung leerer Zustand) erreicht. Der Positions-Indikator 2026 verfolgt das Bohrschlamm-Volumen in dem Pumpelement 2022 und überträgt dieses Signal zu dem Steuermodul 2044. Das Steuermodul 2044 initiiert Strömungssteuerungsbetrieb, um Hydraulikfluid in die Hydraulik-Leistungskammer 2020b durch Verschieben des Steuerventils 426a von der blockierenden Position zu der Strömungsposition strömen zu lassen. Wenn Hydraulikfluid in die Hydraulik-Leistungskammer 2020b strömt, wird Bohrschlamm aus der Bohrschlamm-Kammer 2020a in den Kanal 458 durch das korrespondierende Rückschlagventil 1890b ausgestoßen. Die Strömung von der Pumpe 420 wird zwischen den Hydraulik-Leistungskammern 2020b und 2022b für die Strömungssegmente BD und AC aufgeteilt. Die Bohrschlammströmung aus der Bohrschlamm-Kammer 2022a wird gestoppt, wenn das Volumen Punkt C erreicht, wobei die gesamte Ausgabe der Pumpe 420 durch das Pumpelement 2020 strömt. Der Bohrschlamm-Befüllungszyklus für das Pumpelement 2036 hält an und Punkt E wird durch Steuermodul 2044 von der Ausgabe des Positionsindikators 2046 detektiert. Dies initiiert eine Steuerausgabe von dem Steuermodul 2044, um das Steuerventil 428a zu einer Strömungsposition zu verschieben. Bohrschlamm dringt in die Bohrschlamm-Kammer 2022a ein, wobei das Hydraulikfluid von den Hydraulik-Leistungskammern 2022b dazu gebracht wird, durch das Steuerventil 428a und das Strömungsmessgerät 2040 und Strömungssteuerventil 2042 zu strömen. Hydraulikfluid wird auch von der hydraulischen Leistungskammer 2036b durch den gleichen Strömungspfad verschoben. Die kombinierte Strömungsrate des Hydraulikfluids, welches zu dem Reservoir 424 zurückkehrt, wird durch das Strömungssteuerventil 2042 gesteuert, um die Ausstoß-Strömungsrate der hydraulischen Pumpe 420 anzupassen. Das Strömungsmessgerät 2040 stellt die notwendigen Strömungsmessungen für das Strömungs-Steuerventil 2042 bereit. Die hydraulische Strömungsrate wird durch ein Signal von dem Steuermodul 2044 zu dem an der Pumpe 420 angebrachten Steuermechanismus für variable Verschiebung gesteuert.
  • Wenn der Steuerpunkt G erreicht ist, wird das Strömungs-Steuerventil 2038a zu einer blockierenden Position verschoben. Dies stoppt die Strömung von Bohrschlamm in die Bohrschlamm-Kammer 2036a, wobei die gesamte Bohrschlammströmung vom Kanal 456 in die Bohrschlamm-Kammer 2022a hineingeht. Das Strömungs-Steuerungsventil 2042 hält die Rate aufrecht, bei welcher Bohrschlamm in die Pumpelemente strömt, und zwar gleich der Rate, bei welcher Hydraulikfluid von der Pumpe 420 ausgestoßen wird. Die Steuerpunkte, die gesteuerten Strömungsventile und die resultierenden Strömungszustände für den hydraulischen Antrieb, dargestellt in 11A, sind in 11C zusammengefasst.
  • Das Steuerschema basiert auf dem Starten des Bohrschlamm-Ausstoßens des vollen Pumpelements, wenn das korrespondierende Pumpelement im Endzustand des Ausstoßens den Leer- Zustand erreicht. Der oben beschriebene Vorgang setzt sich fort, und zwar mit der Pumprate, welche von der Strömungsrate eingestellt ist, welche für die Pumpe 420 erforderlich ist, um den Bohrschlammdruck aufrecht zu erhalten, welcher in die Pumpelemente bei dem erforderlichen Einstellpunkt strömt, welcher durch den Drucksensor 2028 gemessen ist und zu dem Steuermodul 2044 übertragen ist. Die Strömungsraten des Bohrschlamms in und aus der Pumpe, unter Benutzung der in 11A dargestellten hydraulischen Antriebsschaltung, sind immer der gleiche Wert und laufen ohne Pulsation ab. Diese pulsationslose Strömung resultiert aus dem Überlappen sowohl des Füll- als auch Ausstoß-Zykluses der drei Pumpelemente, wie oben beschrieben worden ist. Da die Pulsation in dem Bohrschlammsaugabschnitt der Pumpe eliminiert worden ist, gibt es keine Notwendigkeit für eine Saug-Pulsations-Vorrichtung.
  • Das Steuermodul 2044 umfasst alle Eingabe- und Ausgabe-(I/O)-Vorrichtungen, welche notwendig sind, um Signale von den verschiedenen Punkten, dargestellt in 11A, anzunehmen, und Steuersignale zu den Steuerventilen in 11A zu leiten. Dieses Steuermodul würde einen residenten Computer (nicht dargestellt) aufweisen, welcher mit den I/O-Vorrichtungen verbunden ist, oder eine Kommunikationsverbindung zu einem Computer (nicht dargestellt) an der Oberfläche mit den I/O-Vorrichtungen. Die Steuerung der Skalierung der Sensoreingaben und die Logik, um die Steuersignale, welche in 11A angedeutet sind, zu erzeugen, ist Teil der Software, welche für den Computer bereitgestellt ist. Das Steuermodul 2044 würde benutzt werden, ob die Pumpe nun unter Wasser oder an der Oberfläche betrieben wird. Die Software in dem Steuermodul 2044 würde auch ein Logikmodul umfassen, welches die Strömungsraten des Hydraulikfluids überwachen würde, welches von der Pumpe 4020 gepumpt wird, und des Hydraulikfluids, welches zu dem Reservoir 424 zurückgeführt wird. Steuersignale zu dem Strömungs-Steuerventil 2042 würden die Strömungsrate, welche zu dem Reservoir 424 zurückgeführt wird, gleich der Strömungsrate aufrecht erhalten, welche von der Pumpe 420 in Antwort auf das Signal zu der Pumpe von dem Steuermodul 2044 gepumpt wird. Ein zusätzliches Steuermodul würde die zwischen Ventilbetätigungssignalen verstrichene Zeit überwachen, wobei die Signale zu den Ventilen 426a, 426b, 428a, 428b, 2038a und 2038b übertragen werden, und würde kleinere Einstellungen an dem Strömungs-Steuerventil 2042 bereitstellen, um diese zeitlich verstrichenen Werte auf vorbestimmten Werten zu halten, welche auf der Pumprate der Pumpe 420 basieren. Dies würde das offensichtliche Steuerproblem des Benutzens nur der Strömungsratenmessungen, welche oben erwähnt sind, um die Pumpabfolge in Takt zu halten, wie in 10B angedeutet ist, umgehen.
  • 12 zeigt ein Leerlaufschaltungs-Diagramm für den hydraulischen Antrieb 352, welcher zuvor in 8 dargestellt worden ist. Der hydraulische Antrieb mit Leerlaufschaltung umfasst einen elektrischen Motor 490, welcher eine druckausgeglichene Pumpe 492 mit variabler Verstellung und umkehrender Strömung antreibt. Wiederum repräsentiert der elektrische Motor 490 den elektrischen Motor 354, welcher zuvor in 8 dargestellt worden ist. Die Pumpe 492 ist als in einem druckausgeglichenen hydraulischen Reservoir 494 eingetaucht dargestellt, jedoch kann sie außerhalb des Reservoirs 494 angeordnet sein. Ein Pumpelement 496 ist mit einem ersten Pumpanschluss der Pumpe 492 verbunden und ein Pumpelement 498 ist mit einem zweiten Pumpanschluss der Pumpe 492 verbunden. Eine Verstärkerpumpe 490 ist mit der Pumpe 492 gekoppelt. Die Verstärkerpumpe 490 stellt ein La ger-Spül-Fluid und ein Zusatzfluid für die Pumpe 492 bereit.
  • Während der ersten Hälfte eines Pumpzykluses stößt die Pumpe 492 Fluid zu der Hydraulik-Leistungskammer 502 des Pumpelements 496 aus, während sie Fluid von der Hydraulik-Leistungskammer 504 des Pumpelements 498 aufnimmt. Die Bohrschlamm-Kammer 506 des Pumpelements 496 stößt Bohrschlamm aus, während die Bohrschlamm-Kammer 508 des Pumpelements 498 mit Bohrschlamm aufgefüllt wird. Die Strömung wird für die zweite Hälfte des Pumpzykluses umgekehrt, so dass die Pumpe 492 Fluid zu der Hydraulik-Leistungskammer 504 des Pumpelements 498 ausstößt, während sie Fluid von der Hydraulik-Leistungskammer 502 des Pumpelements 496 aufnimmt. Die Bohrschlamm-Kammer 508 des Pumpelements 498 stößt nun Bohrschlamm aus, während die Bohrschlamm-Kammer 506 des Pumpelements 496 mit Bohrschlamm aufgefüllt wird.
  • Die Pumpe 492 stößt dieselbe Menge an Fluid aus wie sie aufnimmt, so dass es keine Volumenänderung in dem hydraulischen Reservoir 494 gibt. Dies eliminiert das Erfordernis für einen Volumenkompensator für das Reservoir 494. Es wird Pulsation vor und nach jedem Saugtakt und Ausstoßtakt der Pumpelemente aufgrund der für die Pumpe 492 erforderlichen Zeit geben, seine Strömungsrichtung umzukehren. Dies bedeutet, dass Pulsationsdämpfer an den Saug- und Ausstoß-Enden der Pumpelemente erforderlich sein können, damit die Pumpe effizient arbeiten kann. Wie zuvor erwähnt kann der druckausgeglichene Bohrschlammtank 42 oder das Steigrohr als ein Pulsationsdämpfer am Saugende der Pumpelemente dienen.
  • Die Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 emulieren Hubkolbenpumpen mit positiver Verstellung. Hubkolbenpumpen als auch andere Verstellpumpen sind beim Handhaben hochviskoser Fluide wirkungsvoll. Bei konstanten Geschwindigkeiten produzieren sie fast konstante Strömungsrate und praktisch unbegrenzten Druckanstieg oder Bohrkopfzuwachs. Es sollte jedoch klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Benutzung von Hubkolbenpumpen mit positiver Verstellung zum Befördern von Bohrschlamm vom Bohrloch zur Oberfläche begrenzt ist. Zum Beispiel können Zentrifugalpumpen, welche mit Seewasser oder mit Elektrik angetrieben werden, oder auch eine Wasserstrahlpumpe benutzt werden. Andere Verstellpumpen, wie zum Beispiel eine progressive Hohlraumpumpe oder Moyno-Pumpe, können auch benutzt werden.
  • Saug-/Ausstoß-Ventil
  • Die Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpen 102 befördern Saug- und Ausstoß-Ventile, um zu funktionieren. 13A zeigt einen vertikalen Querschnitt eines Ventils 1890, welches als ein Saug- oder Ausstoß-Ventil funktionieren kann. Das Ventil 1890 umfasst ein Gehäuse 1892 und einen Deckel 1894. Das Gehäuse 1892 ist mit einer vertikalen Ausnehmung 1896 ausgebildet. Der Deckel 1894 weist einen Flansch 1898 auf, welcher mit dem oberen Ende des Gehäuses 1892 zusammenpasst. Ein Metalldichtungsring 1900 stellt eine Dichtung zwischen dem Flansch 1898 und dem Gehäuse 1892 her. Eine Dichtungsanordnung 1904 ist in einem ringförmigen Einschnitt 1906 im Gehäuse 1892 angeordnet und durch eine Einlassplatte 1908 in der Position gesichert. Die Dichtungsanordnung 1904 umfasst einen oberen Dichtungssitz 1910, eine elastomere Dichtung 1912, und einen unteren Dichtungssitz 1914. Die Dichtung 1912 ist angeordnet zwischen und unterstützt durch die Dichtungssitze 1910 und 1914. Eine O-Ring-Dichtung 1916 und Hilfsdichtungsringe 1918 dichten zwischen dem Gehäuse 1892 und den Dichtungssitzen 1910 und 1914 ab. Der obere Dichtungssitz 1910, die Dichtung 1912, und der untere Dichtungssitz 1914 definieren eine Ausnehmung 1920, welche eine Verbindung zwischen einem Anschluss 1922 in der Einlassplatte 1908 und einem Anschluss 1926 in dem Gehäuse 1892 zulässt.
  • Ein Kolben 1928 ist für Bewegung innerhalb der Ausnehmung 1896 in dem Gehäuse 1892 und der Ausnehmung 1930 in dem Deckel 1894 angeordnet. Die Aufwärtsbewegung des Kolbens 1928 ist begrenzt durch einen Dichtungsstopfen 1932 am oberen Ende des Deckels 1894, und die Abwärtsbewegung des Kolbens 1928 ist begrenzt durch die Dichtungsanordnung 1904 in dem Gehäuse 1892. Ein oberer Bereich des Kolbens 1928 umfasst voneinander beabstandete Rippen 1936, welche einen Durchgang des Fluids von der Ausnehmung 1896 in dem Gehäuse 1892 zu der Ausnehmung 1930 in dem Deckel 1894 zulassen. Ein unterer Bereich des Kolbens 1928 umfasst eine Dichtungsfläche 1942, welche mit der Dichtung 1912 in Eingriff steht, wenn der Kolben 1928 sich in die Ausnehmung 1920 hinein erstreckt.
  • Ein Aktuator 1944, welcher bereitgestellt ist, um den Kolben 1928 innerhalb des Gehäuses 1892 und des Deckels 1894 dazwischen zu bewegen, ist auf dem Dichtungsstopfen 1932 befestigt. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Aktuator 1944 einen Zylinder 1946, welcher einen Kolben 1948 umfasst. Der Kolben 1948 bewegt sich innerhalb des Zylinders 1946 in Antwort auf Fluiddruck zwischen einer Öffnungskammer 1940 und einer Schließungskammer 1952. Eine Stange 1954 verbindet den Kolben 1948 mit dem Kolben 1928 und überträgt Bewegung des Kolbens 1948 zu dem Kolben 1928. Die Stange 1954 geht durch eine Ausnehmung 1956 in dem Dichtungsstopfen 1932 hindurch. Dichtungen 1958 dichten zwischen dem Dichtungsstopfen 1932 und der Stange 1954, dem Deckel 1894, und dem Zylinder 1946 ab, wodurch eine Fluid verbindung zwischen dem Zylinder 1946 und dem Deckel 1894 vermieden wird. Abstreifer 1960 sind zwischen der Stange 1954 und Dichtungsstopfen 1932 angeordnet, um die Stange 1954 abzuwischen, wenn sie sich vor und zurück durch die Ausnehmung 1956 bewegt. Der Dichtungsstopfen 1932 umfasst eine Belüftung 1959, zum Ablassen von Druck und Fluid. Wie in 13B dargestellt ist, kann ein Kolben-Positionslokator 1949, welcher ähnlich dem Membran-Positionslokator 2011 (dargestellt in 9C) ist, angeordnet sein, um die Position des Kolbens 1948 in dem Zylinder 1946 zu verfolgen. Andere Mittel, wie zuvor für das Membran-Pumpelement 355 in 9C beschrieben, können auch benutzt werden, um die Position des Kolbens 1948 innerhalb des Zylinders zu verfolgen.
  • Wenn das Ventil 1890 als ein Saug-Ventil benutzt wird, kommuniziert der Anschluss 1926 in dem Gehäuse 1892 mit der Bohrschlamm-Kammer des Pumpelements, zum Beispiel Bohrschlamm-Kammer 372 des Membran-Pumpelements 355 (dargestellt in 9A), und der Anschluss 1922 in der Einlassplatte 1908 kommuniziert mit dem Bohrloch-Hohlraum 66 (dargestellt in 1). Wenn das Ventil 1890 als ein Ausstoß-Ventil benutzt wird, kommuniziert der Anschluss 1922 mit der Bohrschlamm-Kammer des Pumpelements und der Anschluss 1926 kommuniziert mit der Bohrschlamm-Rückführungsleitung 56 und/oder 58 (dargestellt in 1).
  • Im Betrieb, wenn sich der Kolben 1928 in die Ausnehmung 1920 erstreckt, wirkt Fluiddruck oberhalb des oberen Dichtungssitzes 1910 und/oder unterhalb des unteren Dichtungssitzes 1914 auf die Dichtungssitze, um die Dichtung 1912 aufzuweiten. Die aufgeweitete Dichtung 1912 kommt in Eingriff mit und dichtet gegen die Dichtungsfläche 1942 des Kolbens 1928. Wenn es erwünscht ist, Fluid in die Ausneh mung 1892 hineinzuziehen, wird Hydraulikfluid auf die Öffnungskammer 1940 bei einem Druck höher als der Fluiddruck in der Schließungskammer 1952 angewendet. Dies lässt den Kolben 1948 und den Kolben 1928 nach oben bewegen. Wenn der Kolben 1948 sich nach oben bewegt, strömt Fluid in die Ausnehmung 1896. Das Fluid in der Ausnehmung 1896 verlässt das Gehäuse 1892 durch den Anschluss 1926. Das in die Ausnehmung 1896 eintretende Fluid steht auch mit der Ausnehmung 1930 durch die Passagen zwischen den beabstandeten Rippen 1936 in Verbindung. Dies hat den Effekt des Ausgleichens des Druckes im Gehäuse 1892 mit dem Druck innerhalb des Deckels 1894. Die Passagen zwischen den beabstandeten Rippen 1936 sind sehr klein, so dass Festpartikel in dem Fluid unterhalb des Kolbens 1928 davon abgehalten werden, oberhalb des Kolbens zu gelangen.
  • Wenn es erwünscht ist, das Strömen von Fluid in die Ausnehmung 1896 zu stoppen, wird Fluiddruck auf die Schließungskammer 1952 bei einem Druck höher als der Fluiddruck in der Öffnungskammer 1950 angewendet. Dies bewirkt, dass sich der Kolben 1948 und der Kolben 1928 nach unten bewegen. Der Kolben 1928 bewegt sich nach unten, bis er sich in die Ausnehmung 1920 erstreckt. Da Druck durch den Deckel 1894 und Gehäuse 1892 ausgeglichen ist, schließt der Kolben 1928 gegen eine sehr kleine differenzielle Kraft.
  • Feststoff-Steuerung
  • Beim Betrieb mit Feststoffen, wie die in den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen vorhandenen, müssen die Saug- und Ausstoß-Ventile, als auch andere Komponenten im Pumpsystem, solche Feststoffe vertragen können. Die obere Grenze für die Größe der Feststoffe ist durch den Durchmesser der Bohrschlamm-Rückführungsleitungen festgesetzt. Daher gibt es eine Grenze in der Feststoffgröße, die von dem Pumpsystem toleriert werden kann. Jedoch sollten die Saug- und Ausstoß-Ventile nicht die Größen-begrenzenden Komponenten in dem Pumpsystem sein. Daher ist für Situationen, wo große Stücke der Formation oder Zement in den Bohrschlammrückführungen eingeschlossen sind, wichtig, Mittel bereitzustellen, durch welche die großen Feststoffstücke zu kleineren Stücken reduziert oder in dem Bohrloch zurückgehalten werden können, bis sie durch den Bohrstrang oder Bohrwerkzeug zu kleineren Stücken reduziert sind.
  • Gesteinszerkleinerer
  • 14A und 14B zeigen einen Gesteinszerkleinerer 550, welcher an den Saug-Enden der Unterwasserpumpen 102 angeordnet sein kann, um große Feststoffstücke zu kleineren Stücken zu reduzieren. Wie in 14A dargestellt ist, umfasst der Gesteinszerkleinerer 550 ein Gehäuse 552 mit Endwänden 554 und 555 und Umgebungswänden 556. Wie in 14B dargestellt ist, sind Platten 558 und 560 innerhalb des Gehäuses 552 befestigt. Die Platten 558 und 560 begrenzen zusammen mit den Wänden 554 und 556 eine Zerkleinerungskammer 562 innerhalb des Gehäuses 552. Die Zerkleinerungskammer 562 weist einen Zuführungsanschluss 564 auf, welcher mit einem Kanal 566 und einem Ausstoßanschluss 568 verbunden ist, welcher mit einem Kanal 570 verbunden ist. Der Kanal 566 weist einen Einlassanschluss 569 zur Aufnahme von Bohrschlamm von dem Bohrloch-Hohlraum 66 auf, und der Kanal 570 weist einen Auslassanschluss 572 zum Ausstoßen von bearbeitetem Bohrschlamm von der Zerkleinerungskammer 562 auf. Der Gesteinszerkleinerer 550 kann in die Pumpelemente in den Unterwasserpumpen 102 durch Verbinden des Einlassanschlusses 380 der Pumpen 350 (dargestellt in 8) mit dem Anschluss 572 des Gesteinszerkleinerers integriert sein. Der Anschluss 569 des Gesteinszerkleinerers 550 würde dann mit dem Strömungsauslass 125 (dargestellt in 2B) in dem Strömungsrohr 104 verbunden werden.
  • Rotoren 574 und 576 (dargestellt in 14A) sind jeweils an den Endwänden 554 und 555 befestigt. Die Rotoren 574 und 576 sind jeweils mit Wellen 578 und 580 verbunden, welche sich durch die Zerkleinerungskammer 562 erstrecken. Die Rotoren 574 und 576 rotieren die Wellen 578 und 580 in entgegengesetzte Richtungen. Eine Klingenanordnung 582 ist auf der Welle 578 gehaltert und eine Klingenanordnung 584 ist auf der Welle 580 gehaltert. Die Klingenanordnungen 582 und 584 umfassen Klingen, welche hintereinander um ihre jeweiligen Halterungswellen angeordnet sind. Ein Gitter 557 ist in der Zerkleinerungskammer angeordnet. Das Gitter 557 umfasst beabstandete Gitterelemente 588, welche gerade weit genug sind, um die Klingen auf den Klingenanordnungen 582 und 584 durch sie hindurch treten zu lassen. Die Klingen sind angeordnet, um zwischen den Gitterelementen 588 zu rotieren, womit die zu zerkleinernden Festkörperstücke gegen das Gitter 557 gedrängt werden.
  • Beim Betrieb tritt Bohrschlamm in den Gesteinszerkleinerer 550 durch den Anschluss 569 ein und wird in die Zerkleinerungskammer 562 durch den Anschluss 564 vorgerückt. Die rotierenden Klingenanordnungen 578 und 580 rücken den Bohrschlamm hin zu dem fixierten Gitter 557 vor, während sie die Festkörperstücke in dem Bohrschlamm in kleinere Stücke zerkleinern. Gesteinsstücke, welche klein genug sind, um durch die Gitterelemente 588 des fixierten Gitters 557 hindurchzupassen, werden durch die Gitterelemente 588 durch die Wirkung der rotierenden Klingen gedrückt. Der Bohrschlamm mit den kleineren Festkörperstücken verlässt den Zerkleinerer 550 durch die Anschlüsse 568 und 572.
  • Ausschließer
  • 15A zeigt einen Festkörper-Ausschließer 620, welcher benutzt werden kann, um große Festkörperstücke in Bohrschlamm-Rückleitungen auszuschließen, welche den Bohrloch-Hohlraum zu den Saug-Enden der Unterwasserpumpen 102 (dargestellt in 2B) verlassen. Der Festkörper-Ausschließer 620 umfasst einen Behälter 622. Der Verbinder 630 am oberen Ende des Behälters 622 kann mit dem Verbinder 140 am oberen Ende der flexiblen Verbindung 94 (dargestellt in 2A) zusammenpassen. Ein perforierter Zylinder 632 mit Reihen von Löchern 634 ist innerhalb des Behälters 622 angeordnet. Das untere Ende des Zylinders 632 sitzt in einer Ausnehmung 636 in dem Behälter 622 und ein passender Flansch 628 hält den Zylinder 632 in Position innerhalb des Behälters 622. Ein Strömungsdurchtritt 638 ist zwischen dem Behälter 622 und dem Zylinder 632 begrenzt. Anschlüsse 640 sind bereitgestellt, durch welche Fluid, welches in den Strömungsdurchtritten 638 aufgenommen ist, aus dem Behälter 622 rausströmen kann. Die Anschlüsse 640 können mit den Saug-Enden der Unterwasserbohrschlammpumpen 102 (dargestellt in 2B) verbunden werden.
  • Beim Betrieb tritt Bohrschlamm von dem Bohrloch-Hohlraum in den Zylinder 632 durch einen Strömungsdurchtritt in dem Verbinder 630 durch und strömt durch die Löcher 634 in den Strömungsdurchtritt 638. Bohrschlamm tritt aus dem Strömungsdurchtritt 638 durch die Anschlüsse 640 aus. Festkörperstücke, welche größer als der Durchmesser der Löcher 640 sind, werden nicht durch die Löcher 634 hindurchpassen und werden zu dem Bohrloch-Hohlraum zurückgeleitet, um zu kleineren Stücken durch das Bohrgestänge oder den Bohrkopf reduziert zu werden. Der Ausschließer 620 kann in Verbindung mit oder anstelle des Gesteinszerkleinerers 578 (dargestellt in 14A und 14B) benutzt werden, um die Größe der Festkörper in dem Pumpsystem zu steuern.
  • Festkörper-Ausschließer/Unterwasser-Umlenker
  • 15B zeigt einen Unterwasser-Rotier-Umlenker 1970, welcher ausgebildet ist, um große Festkörperstücke in Bohrschlamm-Rückführungen, welche von dem Bohrloch-Hohlraum 66 zu den Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 strömen, auszuschließen. Der Unterwasser-Rotier-Umlenker 1970 hat ein Umlenkergehäuse 1972, welches einen Kopf 1974 und einen Körper 1976 umfasst. Der Kopf 1974 und Körper 1976 werden zusammen durch eine radiale Verriegelung 1977 zusammengehalten, ähnlich der radialen Verriegelung 1720, und Sperren 1979, ähnlich den Sperren 1722. Eine zurückholbare Spindel-Anordnung 1978 ist in dem Umlenkergehäuse 1972 angeordnet. Die Spindel-Anordnung 1978 ist ähnlich der Spindel-Anordnung 1740 und umfasst ein Spindelgehäuse 1980, welches an dem Körper 1976 durch eine elastomere Klemme 1981 gesichert ist, ähnlich der elastomeren Klemme 1744.
  • Ein Ausschließer-Gehäuse 1982 ist an dem unteren Ende des Körpers 1976 angebracht. Das Ausschließer-Gehäuse 1982 weist eine Ausnehmung 1984 und einen Strömungsauslass 1986 auf. Ein perforierter Zylinder oder Schild 1988 ist in der Ausnehmung 1984 angeordnet. Das obere Ende des perforierten Zylinders 1988 ist mit dem Spindelgehäuse 1980 gekoppelt, wobei das untere Ende des perforierten Zylinders 1988 auf einer zurückziehbaren Anlageschulter 1990 gelagert ist. Die Anlageschulter 1990 kann in den Hohlraum 1992 in dem Ausschließer-Gehäuse 1982 zurückgezogen oder in die Ausnehmung 1984 ausgefahren werden, und zwar durch einen hydraulischen Aktuator 1994, welcher ähnlich dem hydraulischen Aktuator 1782 ist. Der perforierte Zylinder 1988 umfasst Reihen von Löchern 1996, welche angrenzend an den Strömungs-Auslass 1986 angeordnet sind, wenn das untere Ende des Zylinders 1988 auf der Anlageschulter 1990 aufliegt.
  • Das untere Ende 1998 des Ausschließer-Gehäuses 1982 und der Steigrohr-Verbinder 2000 am Kopf 1972 lassen den Unterwasser-Rotier-Umlenker 1970 in einem Bohrkopfstapel, zum Beispiel Bohrkopfstapel 37, verbunden sein. In einer Ausführungsform ersetzt der Unterwasser-Rotier-Umlenker 1970 das Strömungsrohr 104 und die Unterwasser-Umlenker 106 und 108 (dargestellt in 2B) in dem Bohrschlamm-Fördermodul 40. In dieser Ausführungsform würde dann das untere Ende 1998 des Ausschließer-Gehäuses 1982 mit dem Steigrohr-Verbinder 114 (dargestellt in 2A) am oberen Ende der flexiblen Verbindung 94 zusammenpassen, wobei der Steigrohr-Verbinder 2000 am Kopf 1972 mit dem Steigrohr-Verbinder 115 (dargestellt in 2C) am unteren Ende des druckausgeglichenen Bohrschlammtanks 42 oder direkt mit dem Steigrohr-Verbinder 262 (dargestellt in 2C) am unteren Ende des Steigrohrs 52 verbunden werden kann. Der Strömungsauslass 1982 in dem Ausschließer-Gehäuse 1982 würde dann mit den Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 (dargestellt in 2B) verbunden werden. Falls der druckausgeglichene Bohrschlammtank 42 eliminiert ist, wie zuvor beschrieben, kann der Strömungsauslass 1986 in dem Ausschließer-Gehäuse auch mit dem Strömungsauslass 2002 in dem Steigrohr-Verbinder 2000 verbunden werden. Auf diese Weise kann Fluid aus dem Bohrloch-Hohlraum 26 in das Steigrohr 52 nach Bedarf umgelenkt werden.
  • Während eines Bohrvorgangs erstreckt sich ein Bohrstrang 2004 durch die Spindelanordnung 1978 und den perforierten Zylinder 1988 in das Bohrloch. Die Packer 2006 und 2008 stehen in Eingriff und dichten gegen das Bohrgestänge 1998 ab. Bohrschlamm in dem Bohrloch-Hohlraum 66 strömt in den Zylinder 1988 durch das Einlass-Ende des Ausschließer-Gehäuses 1982, ist jedoch daran gehindert, durch das Umlenker-Gehäuse 1972 zu strömen, und zwar durch die Packer 2006 und 2008. Der Bohrschlamm tritt aus dem Zylinder 1988 durch die Löcher 1996 aus und strömt in die Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 102 durch den Strömungsauslasse 1986 in dem Ausschließer-Gehäuse 1982. Festkörperstücke, welche größer sind als der Durchmesser der Löcher 1996, werden nicht durch die Löcher 1996 in die Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen passen und werden zu dem Bohrloch-Hohlraum zurückgeleitet, um zu kleineren Stücken durch das Bohrgestänge oder den Bohrkopf reduziert zu werden.
  • Bohrschlammzirkulationssystem
  • 16 zeigt ein Bohrschlamm-Zirkulationssystem für das zuvor beschriebene Hochsee-Bohrsystem 10. Wie dargestellt ist, umfasst das Bohrschlamm-Zirkulationssystem einen Bohrloch-Hohlraum 650, welcher sich von dem Boden des Bohrlochs 652 zum Abstreifer 658 erstreckt. Ein Steigrohr-Hohlraum 656 erstreckt sich von dem Abstreifer 658 zu dem oberen Ende des Steigrohrs 660. Unterhalb des Abstreifers 658 ist ein Rotier-Umlenker 654 und ein Nicht-Rotier-Umlenker 661. Der Umlenker 661 ist geöffnet, um Bohrschlammströmung von dem Boden des Bohrlochs 652 zum Unlenker 654 zuzulassen. Der Umlenker 661 kann geschlossen werden, wenn der Umlenker 654 und Abstreifer 658 an die Oberfläche geborgen werden.
  • Ein Kanal 662 erstreckt sich nach außen von dem Bohrloch-Hohlraum 650 und verzweigt zu einem Kanal 664, welcher zu dem Einlass einer Unterwasser-Bohrschlammpumpe 670 ver läuft. Ein Gesteinszerkleinerer 665 ist in dem Kanal 664 angeordnet. Der Kanal 662 ist auch mit einer Choke-/Kill-Leitung 674 verbunden, welche zu einer Bohrschlamm-Rückführungsleitung 676 verläuft. Gleichzeitig erstreckt sich ein Kanal 678 nach außen von dem Bohrloch-Hohlraum 650 und verzweigt zu einem Kanal 680, welcher zu dem Einlass einer Unterwasser-Bohrschlammpumpe 686 verläuft. Ein Gesteinszerkleinerer 681 ist in dem Kanal 680 angeordnet. Der Kanal 678 ist auch mit einer Choke-/Kill-Leitung 690 verbunden, welche zu einer Bohrschlamm-Rückführungsleitung 692 verläuft. Strömungsmesser 694 sind in den Kanälen 662 und 678 angeordnet, um die Rate, bei welcher Bohrschlamm aus dem Bohrloch-Hohlraum 650 ausströmt, zu messen.
  • Ein Kanal 700 verbindet den Auslass der Unterwasserpumpe 670 mit der Bohrschlamm-Rückführungsleitung 676. Gleichzeitig verbindet ein Kanal 708 den Auslass der Unterwasserpumpe 686 mit der Bohrschlamm-Rückführungsleitung 692. Die Kanäle 700 und 708 sind verbunden über einen Kanal 712, wobei zugelassen wird, dass nach Bedarf eine Strömung wahlweise durch die Rückführungsleitungen 676 und 692 geleitet wird.
  • Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692 verlaufen zum Bohrschiff (nicht dargestellt) an die Oberfläche, wo sie mit einem Bohrschlamm-Rückführungssystem 714 verbunden sind. Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692 können nach Bedarf auch als Choke-/Kill-Leitungen benutzt werden. Die Bohrschlamm-Kammer 720 des druckausgeglichenen Bohrschlammtanks 722 ist mit dem Bohrloch-Hohlraum 650 über einen Strömungskanal 724 verbunden. Seewasser wird von der Seewasser-Kammer 726 durch die Strömungsleitung 728 zugeführt oder ausgestoßen. Ein Strömungsmesser 730 in der Strömungsleitung 728 misst die Strömungsrate des Seewassers in und aus der Seewasser-Kammer 726, womit Information be reitgestellt wird, welche notwendig ist, um das Volumen des Bohrschlamms in der Bohrschlamm-Kammer 720 zu bestimmen. Die Strömungsleitung 728 ist mit Seewasser oder optional einer Pumpe 731 verbunden, welche einen Druckunterschied zwischen dem Bohrschlamm in dem Bohrloch-Hohlraum 650 und dem Seewasser in dem Steigrohr-Hohlraum 656 aufrecht erhält.
  • Ein Strömungskanal 740 ist an einem Ende zwischen den Hohlraum-Preventern 742 und 744 und am anderen Ende mit der Choke-/Kill-Leitung 690 verbunden. Ein Strömungskanal 746 ist an einem Ende mit einem Punkt unterhalb der Blind-/Sher-Rams in Ram-Preventer 748 und am anderen Ende mit der Choke-/Kill-Leitung 690 verbunden. Ein Strömungskanal 768 ist an einem Ende mit einem Punkt unterhalb des Paares von Ram-Preventern 750 und an dem anderen Ende mit der Choke-/Kill-Leitung 690 verbunden. Die Strömungskanäle 740, 746 und 768 umfassen Ventile 764, welche, wenn geöffnet, gesteuerte Bohrschlamm-Strömung von dem Bohrloch-Hohlraum 650 zu der Choke-/Kill-Leitung 690 oder von der Choke-/Kill-Leitung 690 zu dem Bohrloch-Hohlraum 650 zulassen. Ein Strömungskanal 760 ist an einem Ende mit einem Punkt zwischen dem Paar von Ram-Preventern 750 und an dem anderen Ende mit den Choke-/Kill-Leitungen 774 verbunden. Ein Strömungskanal 766 ist an einem Ende mit einem Punkt zwischen den Rammen-Preventern 748 und 750 und am anderen Ende mit der Choke-/Kill-Leitung 774 verbunden. Die Strömungskanäle 766 und 760 umfassen Ventile 770, welche gesteuerte Strömung in und aus dem Bohrloch-Hohlraum 650 zulassen. Eine ähnliche Leitungsrohr-Anordnung ist mit anderen Kombinationen von Ausblas-Preventern benutzt.
  • Druck-Transducer (a) sind strategisch angeordnet, um Bohrschlammdruck an den Ausstoss-Enden der Pumpen 670 und 686 zu messen. Druck-Transducer (b) messen Bohrschlammdruck an den Einlass-Enden der Pumpen 670 und 686. Druck-Transducer (c) messen Druck in den Choke-/Kill-Leitungen 674 und 690. Druck-Transducer (d) messen Druck am Einlass der Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722. Druck-Transducer (e) messen Seewasserdruck in der Strömungsleitung 728. Andere Druck-Transducer sind in geeigneter Weise angeordnet, um Umgebungsseewasserdruck und Bohrloch-Hohlraumdruck nach Bedarf zu messen.
  • Die verschiedenen Bypass- und Isolations-Ventile, welche erforderlich sind, um den Strömungspfad in dem Bohrschlamm-Zirkulationssystem zu definieren, sind durch Buchstaben A bis E gekennzeichnet.
  • Ventile A isolieren die Ausstoß-Verteiler der Unterwasserpumpen 670 und 686 von den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692, wodurch zugelassen wird, dass die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692 als Choke-/Kill-Leitungen benutzt werden. Ventile B isolieren die Choke-/Kill-Leitungen 674 und 690 von den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692. Wenn die Ventile B geschlossen sind, kann Bohrschlamm von dem Bohrloch-Hohlraum 650 durch die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692 zur Oberfläche gepumpt werden. Wenn Ventile B offen und Ventile C geschlossen sind, kann Bohrschlamm von den Unterwasserpumpen 670 und 686 zu dem Bohrloch-Hohlraum 650 durch die Choke-/Kill-Leitungen 674 und 690 ausgestoßen werden.
  • Ventile D isolieren den Bohrloch-Hohlraum 650 von dem Einlass der Unterwasserpumpen 670 und 686. Ventile E lassen eine Abladeströmung von dem Bohrloch-Hohlraum 650 auf den Meeresboden zu. Ventile F isolieren die Choke-/Kill-Leitungen 674 und 690 von dem Einlass der Unterwasserpumpen 670 und 686. Ventile G sind Unterwasserdrosseln, welche kontrollierte Bohrschlamm-Strömung von den Choke-/Kill-Leitungen 674 und 690 zu den Strömungskanälen 662 und 678 zulassen. Ventile H isolieren den druckausgeglichenen Bohrschlammtank 722, wenn die Einlässe der Unterwasser-Bohrschlammpumpen bei Drücken oberhalb des Drucknennwerts des Bohrschlammtanks betrieben werden oder wenn es erwünscht ist, zu vermeiden, dass Bohrschlamm in die Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722 eintritt. Ventile I isolieren individuelle Pumpen von dem Rohrleitungssystem.
  • Bohrschlamm wird in die Ausnehmung des Bohrgestänges 774 von einer Oberflächen-Bohrschlammpumpe 716 gepumpt. Bohrschlamm strömt durch das Bohrgestänge 774 zum Boden des Bohrloches 652. Wenn mehr Bohrschlamm die Ausnehmung des Bohrgestänges 774 hinunter gepumpt wird, wird Bohrschlamm am Boden des Bohrloches 652 den Bohrloch-Hohlraum 650 hin zu dem Umlenker 654 gedrückt. Die Ventile 764 und 770 sind geschlossen, so dass Bohrschlamm nicht in die Choke-/Kill-Leitungen 674 und 690 strömt. Die Absperrventile A, C, D, I und H sind geöffnet. Absperrventile B, E, und F sind geschlossen. Dies lässt den Bohrschlamm in dem Bohrloch-Hohlraum 650 zu den Einlässen der Unterwasserpumpen 670 und 686 umlenken. Die Unterwasserpumpen 670 und 686 empfangen den Bohrschlamm von dem Bohrloch-Hohlraum 650 und stoßen den Bohrschlamm in die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692 bei einem höheren Druck aus. Die Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 676 und 692 fördern den Bohrschlamm zu dem Bohrschlamm-Rückführungssystem 714.
  • In dem Bohrschlammtank 722 bewegt sich ein Schwimmkolben 780, welcher die Bohrschlamm-Kammer 720 von der Seewasser-Kammer 726 trennt, und zwar in Antwort auf Druckunterschied zwischen den Kammern 720 und 726. Der Kolben 780 ist in einer Gleichgewichtsposition innerhalb des Bohrschlammtanks 720, wenn der Druck in der Seewasser-Kammer 726 im Wesentlichen gleich dem Druck in der Bohrschlamm-Kammer 720 ist. Falls der Bohrschlammdruck am Einlass der Bohrschlamm-Kammer 720 den Druck in der Seewasser-Kammer 726 übersteigt, bewegt sich der Kolben aufwärts von der Gleichgewichtsposition, um Seewasser von der Seewasser-Kammer 726 auszustoßen, während Bohrschlamm in die Bohrschlamm-Kammer 720 eingelassen wird. Falls der Druck in der Bohrschlamm-Kammer 720 unterhalb des Drucks in der Seewasser-Kammer 726 fällt, bewegt sich der Kolben nach unten von der Gleichgewichtsposition, um Bohrschlamm aus der Bohrschlamm-Kammer 720 herauszudrängen, während Seewasser die Seewasser-Kammer 726 füllen kann.
  • Während der Bohrschlamm zirkuliert wird, wird das Volumen der Unterwasserpumpen 670 und 686, welche verantwortlich sind für das Verstärken des Druckes der Rückführungs-Bohrschlammsäule, gesteuert, um einen fast konstanten Druckgradienten in dem Bohrloch-Hohlraum 650 aufrecht zu erhalten. Alternativ können die Unterwasserpumpen 670 und 686 gesteuert werden, um das Bohrschlamm-Niveau in dem Bohrschlammtank 722 aufrecht zu erhalten, d.h. den Kolben 780 in einer Gleichgewichtsposition innerhalb des Bohrschlammtanks 722 zu halten. Die Strömungsraten, welche von dem Strömungsmesser 730 registriert werden, können als Steuerungseinstellwerte benutzt werden, um die Pumpraten der Unterwasserpumpen einzustellen. Als eine Alternative kann die Position des Kolbens innerhalb des Bohrschlammtanks 722 durch Benutzen eines Kolbenlokators (nicht dargestellt) verfolgt werden. Falls sich der Kolben von einer eingestellten Gleichgewichtsposition bewegt, zeigt der Kolbenlokator an, wie weit der Kolben sich bewegt. Die Able sungen von dem Kolbenlokator können dann als Steuereinstellpunkte benutzt werden, um die Pumpraten der Unterwasserpumpen einzustellen.
  • Das in 16 dargestellte Bohrschlamm-Zirkulationssystem stellt ein Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem bereit, welches aus der Bohrschlammsäule besteht, welche sich von dem Boden des Bohrloches 652 zu der Bohrschlammlinie oder Saugpunkt der Unterwasserpumpen 670 und 686 erstreckt, und Seewasserdruck, welcher an der Bohrschlammlinie durch Benutzen der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 670 und 686 aufrecht erhalten wird, um den Rückführungs-Bohrschlammsäulendruck zu verstärken. 17 vergleicht dieses Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem mit einem Einfach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem für ein 15.000 Fuß-Bohrloch in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß. Bohrschlamm-Druckleitungen sind für das Einfach-Dichte-Gradientensystem für Bohrschlammgewichte dargestellt, welche sich von 10 lb/gal bis 18 lb/gal bewegen. Das Gewicht des Seewassers (oder Bohrschlamms) oberhalb der Bohrschlammlinie für das Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem beträgt 8,56 lb/gal, während das Gewicht des Bohrschlammes unterhalb der Bohrschlammlinie 13,5 lb/gal beträgt.
  • Die Druckleitungen für das Einfach-Dichte-Gradientensystem beginnen mit 0 psi an der Wasseroberfläche und erhöhen sich linear zu dem Boden des Bohrloches hin. Um einen Bohrschlammdruck gleich dem Formations-Porendruck an der Bohrschlammlinie mit dem Einfach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem zu erzielen, müsste das Bohrschlammgewicht in etwa gleich 8,56 lb/gal betragen. Jedoch bringt ein Bohrschlammgewicht von 8,56 lb/gal ein Untergleichgewicht im Formations-Porendruck. Um ein Übergleichgewicht im For mations-Porendruck zu erzielen, wird ein Bohrschlammgewicht höher als 8,56 lb/gal benötigt. Wie dargestellt ist, führen höhere Bohrschlammgewichte zu Bohrschlammdrücken, welche die Bruchgradienten für lange Bohrlochlängen überschreiten.
  • Im Gegensatz zum Einfach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem weist das Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem der Erfindung einen Seewasser-Gradienten oberhalb der Bohrschlammlinie und einen Bohrschlamm-Gradienten auf, welcher den natürlichen Porendrücken der Formation besser entspricht. Dies ist möglich, da die Unterwasserpumpen 670 und 686 den Rückführungsleitungs-Bohrschlamm-Säulendruck verstärken, um einen Druck in dem Bohrloch gleich einem Seewasserdruck an der Bohrschlammlinie kombiniert mit einem Bohrschlamm-Gradienten in dem Bohrloch aufrecht zu erhalten. Da das Zweifach-Dichte-System ein Übergleichgewicht für die Formationsdrücke erzielt ohne Bruchstellengradienten für lange Bohrlochlängen zu überschreiten, ist die Anzahl von Gestängestücken, welche erforderlich ist, um das Bohren des Bohrloches zu vervollständigen, minimiert. In dem dargestellten Beispiel überschreitet die Drucklinie für den Hoch-Dichte-Abschnitt der Drucklinie für das Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem der Erfindung die Null-Tiefe-Achse bei –1284 psi.
  • Bohrschlamm-Freifall
  • Während Bohrvorgängen ist es von Zeit zu Zeit notwendig, Verbindungen im Bohrgestänge zu unterbrechen. Vor Unterbrechen einer Verbindung wird die Oberflächenpumpe 716 (dargestellt in 16) gestoppt. Die Bohrschlammsäule in dem Bohrgestänge übt einen größeren hydrostatischen Druck als die Summe des hydrostatischen Drucks der Bohrschlammsäule in dem Bohrloch-Hohlraum 650 und der Seewassersäule in dem Steigrohr-Hohlraum 656 aus. Wenn die Oberflächenpumpe 716 gestoppt ist, fällt Bohrschlamm von dem Bohrgestänge in das Bohrloch bis der hydrostatische Druck der Bohrschlammsäule in dem Bohrgestänge mit den hydrostatischen Drücken der Bohrschlammsäule in dem Bohrloch-Hohlraum und der Seewassersäule in dem Steigrohr-Hohlraum ausgeglichen ist. Falls der Bohrschlamm in dem Bohrgestänge beschränkt ist durch Absperren des Bohrschlammtanks oder durch Nichtherauspumpen des Bohrschlamms, wird übermäßiger Druck am Boden des Bohrloches herrschen, wodurch möglicherweise die Formation gebrochen wird. Ein Bohrschlamm-Freifallphänomen wird normalerweise nicht auftreten, während Bohrschlamm zirkuliert, da eine Balance zwischen dem in das Bohrgestänge 774 und aus dem Bohrloch-Hohlraum 650 gepumpten Bohrschlamm aufrecht erhalten wird. Wenn Bohrschlamm-Freifall im Bohrgestänge 774 stattfindet, wird der Überschluss-Bohrschlamm, welcher in den Bohrloch-Hohlraum 650 fällt, umgelenkt zu der Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722 und/oder zu den Einlässen der Unterwasserpumpen 670 und 686. Die Unterwasserpumpen verlangsamen sich, wenn sich der Bohrschlamm-Freifall in dem Bohrgestänge setzt.
  • Wenn das Bohrgestänge an die Oberfläche gezogen wird, wird das Bohrloch 652 mit einem Bohrschlammvolumen gleich dem Volumen des von dem Bohrloch entfernten Bohrgestänges gefüllt. Füllen des Bohrlochs 652 mit Bohrschlamm stellt den richtigen hydrostatischen Bohrschlamm-Säulendruck sicher, um Bohrlochsteuerung aufrecht zu erhalten. Der Bohrschlamm, welcher das Bohrloch 652 füllt, kann von der Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722 kommen. Das Volumen des Bohrschlamms, welcher das Bohrloch füllt, wird bestimmt aus den Strömungsraten, welche durch den Strömungsmesser 730 registriert werden, oder von Ablesungen von einem Kolbenlo kator für den Kolben 780. Falls das Bohrschlammvolumen, welches das Bohrloch füllt, weniger als das Volumen des Bohrgestänges ist, kann ein Kick in dem Bohrloch stattgefunden haben, und geeignete Maßnahmen müssen getroffen werden. Falls das Bohrschlamm-Niveau in dem Bohrschlammtank 722 niedrig wird, während das Bohrloch 650 mit Bohrschlamm gefüllt wird, wird die Oberflächenpumpe 716 gestartet, um Bohrschlamm in den Bohrschlammtank 722 durch die Rückführungsleitungen 676 und/oder 692 und die Choke-/Kill-Leitung 690 zu pumpen. Wenn Bohrschlamm in den Bohrschlammtank 722 gepumpt wird, sind die Ventile B, C, F und H geöffnet, während Ventile A, D und I geschlossen sind.
  • Wenn das Bohrgestänge in das Bohrloch vorgetrieben wird, kann Bohrschlamm gepumpt werden, um teilweise das Bohrgestänge zu füllen. Wenn das Bohrgestänge zum Boden des Loches getrieben wird, wird Bohrschlammvolumen gleich dem Volumen des Bohrgestänges in den Bohrschlammtank 722 gedrückt oder wird aus dem Bohrloch 650 durch die Unterwasserpumpen 670 und 686 gepumpt. Das Bohrschlammvolumen, welches in den Bohrschlammtank 722 eintritt oder von dem Bohrloch 650 gepumpt wird, wird gemessen und aufgezeichnet, um sicherzustellen, dass das Bohrschlammvolumen, welches vom Bohrloch 650 verschoben worden ist, gleich dem Volumen des Bohrgestänges ist. Falls das verschobene Bohrschlammvolumen weniger als das Volumen des Bohrgestänges ist, dann kann Bohrschlamm in die Formation eingedrungen sein, wobei geeignete Maßnahmen getroffen werden müssen. Falls der Bohrschlammtank 722 fast voll wird, während das Bohrgestänge in das Bohrloch getrieben wird, werden die Unterwasserpumpen 670 und 686 betrieben, um Bohrschlamm von dem Bohrschlammtank 722 zu dem Bohrschlamm-Rückführungssystem 714 zu pumpen.
  • Ein Bohrloch kann einbrechen, während gebohrt und Bohrschlamm zirkuliert oder während ein Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen wird. Während des Bohrens und Bohrschlamm-Zirkulation wird Formationsfluid-Einströmen erst angezeigt, wenn ein Druckanstieg in dem Bohrloch 650 detektiert wird. Andere Anzeigen von Formationsfluid-Einströmen können erhöhte Strömungsrate sein, welche durch die Unterwasser-Strömungsmesser 694 registriert werden, plötzliche große Volumenzuwächse in der Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722, und große Volumenzuwächse in dem Bohrschlamm-Rückführungssystem, wenn der Ausstoß der Unterwasserpumpen 670 und 686 zunimmt. Wenn Formationsfluid-Einströmen detektiert wird, werden die Unterwasserpumpen 670 und 686 gesteuert, um Seewasserdruck aus einem Bohrloch-Steuerungsspielraum in dem Bohrloch aufrecht zu erhalten. Der Bohrloch-Steuerungsspielraum wird von einem Druckintegritätstest (PIT) bestimmt. Ein PIT wird normalerweise durchgeführt, nachdem eine neue Verschalung vorgetrieben und in das Bohrloch zementiert ist, um einen sicheren maximalen Bohrlochdruck zu schaffen, welcher die Formation nicht brechen wird.
  • Wenn der Druck in dem Bohrloch auf Seewasserdruck plus einem Bohrloch-Steuerungsspielraum aufrecht erhalten ist, wird die Sicherheitsventilausblaseinrichtung 742 geschlossen und das Ventil 764 in dem Strömungskanal 740 geöffnet. Das Ventil H ist geschlossen, um den Bohrschlammtank 722 von dem Bohrschlamm-Zirkulationssystem zu isolieren, und die Oberflächen-Bohrschlammpumpe 776 wird in Vorbereitung für Zirkulation von Formationsfluid-Einströmen aus dem Bohrloch heraus gestartet. Wenn Formationsfluid-Einströmen aus dem Bohrloch heraus zirkuliert, wird Bohrschlamm in den Bohrloch-Hohlraum 650 durch das Bohrgestänge hindurch bei einer konstanten vorbestimmten Kill-Rate gepumpt, während die Geschwindigkeit der Unterwasserpumpen 670 und 686 eingestellt wird, um den erforderlichen Gegendruck auf den Rückführungs-Bohrschlammstrom aufrecht zu erhalten. Die Drucktransducer (a) an den Ausstoßenden der Unterwasserpumpen 670 und 686 stellen dem Drossel-Operator an der Oberfläche sofortige Druckwerte des Pumpausstoßdruckes bereit. Der Drossel-Operator stellt eine oder mehrere Oberflächendrosseln ein, um die Strömung von den Rückführungsleitungen zu der Oberfläche zu steuern und große Änderungen des Gegendrucks auf die Unterwasserpumpe zu vermeiden.
  • Im Falle eines Kicks oder Formationsfluid-Einströmens, während das Bohrgestänge aus dem Bohrloch herausgezogen wird, wird das Bohrloch durch Schließen eines oder mehrerer Ausblas-Preventer geschlossen. Dies vermeidet, dass das Formationsfluid-Einströmen in dem Bohrloch zum Bohrschiff auf der Oberfläche des Wassers voranschreitet. Der Schließ-Verschalungsdruck (SICP), der Schließ-Bohrgestängedruck (SIDP) und das zugenommene Volumen werden aufgezeichnet. Dann wird das Bohrgestänge zum Boden des Bohrlochs vorgetrieben, während ein konstanter Bodenlochdruck durch Ablassen des richtigen Volumens von Bohrschlamm in den Bohrschlammtank 722 aufrecht erhalten wird. Das Bohrgestänge wird zunächst in das Bohrloch vorgetrieben ohne Ablassen von Bohrschlamm von dem Bohrloch bis der Ummantelungsdruck anwächst auf SICP plus einem Sicherheitsfaktor, zum Beispiel 100 psi, wobei Bohrgestänge-Eindringdruck wächst. Die Bohrgestänge-Eindringdruckzunahme ist der ringförmige Druck, welcher von einer Gasblase resultiert, welche sich in der Länge ausdehnt, wenn das Bohrgestänge in sie eindringt. In diesem Fall sind w Unterwasserventile 764 und 770 angeordnet, um Bohrschlamm durch die Drosseln G in die Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722 abzulassen.
  • Wenn das Bohrgestänge weiterhin in das Bohrloch vorgetrieben wird, wird Bohrschlamm von dem Bohrloch in genau bemessenen Mengen abgelassen, um das Volumen des Bohrgestänges, welches in das Bohrloch vorgetrieben ist, zu ergänzen. Ein Kolbenlokator, welcher benutzt wird, die Position des Kolbens in dem Bohrschlammtank zu verfolgen, oder der Strömungsmesser 730 stellen Information für das genaue Messen des Ablassvolumens bereit. Zusätzlicher Bohrschlamm kann von dem Bohrloch abgelassen werden, um eine Gasexpansion zuzulassen, wenn eine Gasblase im Bohrloch aufsteigt. Kontrolliertes Ablassen von Bohrschlamm vom Bohrloch lässt zu, dass der richtige Bohrlochdruck am geschlossenen Ausblassicherheitsventil aufrecht erhalten wird, so dass weder zusätzliches Fluid einströmen noch verloren gegangene Zirkulation auftritt. Falls die Bohrschlamm-Kammer 720 des Bohrschlammtanks 722 voll wird, ist die Vortrieboperation zeitweise unterbrochen, und der Bohrschlammstand im Bohrschlammtank wird durch Benutzen der Unterwasser-Bohrschlamm-Pumpen, um Bohrschlamm von dem Bohrschlammtank an die Oberfläche zu pumpen, reduziert. Wenn das Bohrgestänge zum Boden des Bohrloches vorgetrieben ist, wird ein Kill-Vorgang gestartet, um das Formationsfluid-Einströmen herausfließen zu lassen.
  • Das Bohrschlamm-Fördersystem der Erfindung erlaubt, dass Übergleichgewicht-Änderungen durch zeitweises Schließen des Ventils H zum Bohrschlammtank 722 gemacht werden können sowie ein Einstellen der Geschwindigkeit der Unterwasserpumpen 670 und 686, um den Bohrschlamm-Förderverstärkungsdruck zu steuern. Übergleichgewicht ist der Unterschied zwischen Formations-Porendruck und dem Bohrschlammsäulendruck, wobei der Formations-Porendruck höher ist als der Bohrschlammsäulendruck. Mit dem Bohrschlamm-Fördersystem ist es praktisch, eine Bohrschlammdichte zu benutzen, welche hoch ge nug ist, um einen hydrostatischen Druck weit über den Formationsfluiddrücken für Auslösevorgänge bereitzustellen und nachfolgend den Unterwasserverstärkungsdruck einzustellen, um mit einem Untergleichgewicht, oder minimalem Übergleichgewicht, zu bohren, was die Bohrrate erhöht und Formationsbeschädigung reduziert. Das Bohrschlamm-Fördersystem hängt von dem Rotier-Umlenker 654 und/oder Nicht-Rotier-Umlenker 661 ab, um den Druck zu halten. Ein rotierender Sicherheitsventilausblas-Preventer kann auch benutzt werden, um den Druck zu halten.
  • Die Erfindung ist gleichermaßen auf geringe Wassertiefen und Festlandoperationen anwendbar, wo das Bohrschlamm-Fördersystem den Druck von einer Tiefe unterhalb der Oberfläche verstärkt, so dass ein Zweifach-Dichte-Bohrschlamm-Gradientensystem erzielt ist, um zuzulassen, dass das Übergleichgewicht durch Änderungen in dem Verstärkungsdruck des Bohrschlamm-Fördersystems eingestellt wird. Zum Beispiel kann ein Bohrschlamm-Fördersystem und eine externe Rückführungsleitung zu der Außenseite eines Ummantelungsgestänges angebracht werden, wenn das Ummantelungsgestänge in das Bohrloch vorgetrieben wird. Wenn dann das Bohren unterhalb des Ummantelungsgestänges aufgenommen wird, kann Bohrschlamm aus einer unter der Oberfläche befindlichen Tiefe des Bohrschlamm-Fördersystems hinauf durch die Rückführungsleitung zu der Oberfläche gepumpt werden, wodurch das Übergleichgewicht reduziert wird, um Bohrraten zu erhöhen und Formationsänderungen zu erniedrigen.
  • Bohrgestängeventil
  • 18, 19A und 19B zeigen ein Bohrgestängeventil 880, welches in einem Bohrgestänge angeordnet werden kann, um zu vermeiden, dass Bohrschlamm im Bohrgestänge frei abfällt.
  • Das Bohrgestängeventil 880 umfasst einen länglichen Körper 882 mit einem oberen Ende 884 und einem unteren Ende 886. Eine Aufnahme 888 mit Gewinde ist am oberen Ende 884 ausgebildet und ein Zapfen 890 mit Gewinde ist am unteren Ende 886 ausgebildet. Die Gewindeaufnahme 888 und Zapfen 890 ermöglichen Installation des Ventils in dem Bohrgestänge.
  • Der Körper umfasst ein hervorstehendes Glied 892, welches eine Öffnung 894 zum Aufnehmen einer druckbetätigten Strömungsdrossel 896 definiert. Vergrößerte Ansichten der Strömungsdrossel 896 in den geöffneten und geschlossenen Positionen sind in 19A und 19B jeweils dargestellt. Die Strömungsdrossel 896 umfasst einen Strömungskonus 898 und eine Strömungsdüse 900, welche innerhalb des Strömungskonuses 898 angeordnet ist. Die Strömungsdüse 900 weist mehrfache Anschlüsse 902 auf, welche in diametral entgegengesetzten Paaren um den Umfang der Düse 900 herum angeordnet sind. In der geschlossenen Position des Ventils sind die Anschlüsse 902 durch den Strömungskonus 898 abgedeckt. Am oberen Ende der Strömungsdüse 900 ist ein Sicherheitsventil 906, welches Strömung vom Bohrloch-Hohlraum in das Bohrgestänge zulassen kann, falls der Bohrlochdruck ausreichend ist, um den hydrostatischen Druck der Bohrschlammsäule in dem Bohrgestänge zu überschreiten. Das Sicherheitsventil 906 kann durch ein Verschlussrohr ersetzt werden, so dass Strömung von dem Bohrlochhohlraum in das Bohrgestänge nicht auftritt. Der Strömungskonus 898 ist gleitbar innerhalb der Öffnung 894 des hervorstehenden Gliedes 892 und umfasst dynamische Dichtungen 908 zum Abdichten zwischen dem hervorstehenden Glied 892 und der Strömungsdüse 900.
  • Ein Strömungsrohr 910, welches am unteren Ende der Strömungsdüse 900 gebildet ist, erstreckt sich um unteren Ende des Körpers 882. Das untere Ende 912 des Strömungsrohrs 910 ist am unteren Ende 886 des Körpers 882 angebracht. Der Außendurchmesser des Strömungsrohrs 910 ist größer als der Außendurchmesser der Strömungsdüse 900, wodurch ein Bewegungsstopp für den Strömungskonus 898 gebildet wird, da sich der Strömungskonus 898 innerhalb des Körpers 882 axial hin und her bewegt.
  • Die Innenwand 916 des Körpers 882 und die Außenwand 918 des Strömungsrohres 910 definieren eine ringförmige Federkammer 920. Die Federkammer 920 ist am oberen Ende durch dynamische Dichtungen 908 am Strömungskonus 898 abgedichtet. Der Körper 882 umfasst ein oder mehrere Anschlüsse 924, welche eine Verbindung zwischen dem Bohrloch-Hohlraum und der Federkammer 920 herstellen.
  • Innerhalb der Federkammer 920 befindet sich eine Feder 930. Ein Ende der Feder 930 wirkt gegen einen Stoppriegel 932 und das andere Ende der Feder 930 wirkt gegen das untere Ende 886 des Körpers 882. Der Stoppriegel 932 ist am unteren Ende des Strömungskonuses 898 angebracht. Die Feder 930 ist auf einen vorbestimmten Wert vorkomprimiert und angeordnet, um den Stoppriegel 932 nach oben vorzuspannen, um das vorstehende Glied 892 zu berühren. Wenn der Stoppriegel 932 im Kontakt mit dem vorstehenden Glied 892 ist, sind die Strömungsanschlüsse 902 durch den Strömungskonus 898 vollständig geschlossen.
  • Im Betrieb kann das Ventil 880 in einem Bohrgestänge angeordnet oder am oberen Ende eines Bohrwerkzeuges platziert werden. Wenn Bohrschlamm die Ausnehmung des Bohrgestänges hinunter zur Strömungsdrossel 896 gepumpt wird, wird auf das obere Ende des Strömungskonus 898 Druck durch Bohrschlamm in dem Bohrgestänge ausgeübt, während das untere Ende des Strömungskonuses 898 durch die Feder 930 und den Bohrloch-Hohlraumdruck in der Federkammer 920 beaufschlagt ist. Wenn der auf den Strömungskonus 898 wirkende Druckunterschied ausreichend ist, beginnt der Strömungskonus 898 sich nach unten zu bewegen, um die Öffnungen 902 zu öffnen. Wenn die Öffnungen 902 geöffnet sind, strömt Bohrschlamm in die Strömungsdüse 900 und das Strömungsrohr 910. Der in das Strömungsrohr 910 eintretende Bohrschlamm strömt durch die Bohrwerkzeugdüsen in den Bohrloch-Hohlraum.
  • Wenn die Strömungsrate in dem Bohrgestänge erhöht ist, nimmt der auf den Strömungskonus wirkende Druckunterschied zu, und der Strömungskonus 898 wird weiter hinunter bewegt, um die freigesetzte Strömungsfläche der Öffnungen 902 zu erhöhen. Die Strömungsfläche der Öffnungen 902 ist maximal, wenn der Stoppriegel das obere Ende des Strömungsrohres 910, wie in 19b dargestellt ist, berührt. Wenn die Oberflächen-Bohrschlammpumpe abgeschaltet ist, erniedrigt sich der über den Strömungskonus 898 wirkende Druckunterschied und lässt zu, dass sich der Strömungskonus 898 nach oben bewegt, um die Öffnungen 902 zu schließen.
  • Wenn das Bohrgestänge mit dem Ventil 880 aus dem Bohrloch herausgezogen wird, vermeidet das Ventil 880, dass Bohrschlamm aus dem Bohrgestänge heraustropft. Ein Pfeil- oder Ball-betriebenes Abflussventil (nicht dargestellt) kann in dem Bohrgestänge installiert und betrieben werden, um zuzulassen, dass das Bohrgestänge entleert wird, wenn es aus dem Bohrloch herausgezogen wird. Alternativ kann ein Bohrschlamm-Behälter (nicht dargestellt) an der Oberfläche installiert werden, um Bohrschlamm von dem Bohrgestänge zu sammeln, wenn das Bohrgestänge an die Oberfläche gezogen wird. Wenn das Bohrgestänge aus dem Bohrloch gezogen wird, wird Bohrschlamm in das Bohrloch wie zuvor beschrieben eingeführt, um Bohrloch-Steuerung aufrecht zu erhalten.
  • In der Diskussion über hydraulischen Antrieb für die Unterwasser-Bohrschlammpumpe wurde erwähnt, dass der Saugdruck der Pumpelemente auf Seewasserdruck aufrecht erhalten wird. Jedoch kann es wünschenswert sein, den Bohrloch-Hohlraumdruck an dem Saugpunkt der Pumpelemente kleiner als Seewasserdruck zu machen. Wie in 20A dargestellt ist, nachdem Niedrigwasserformationen ummantelt sind, werden die Bruchstellendruck-Gradienten mit Porendruck-Gradienten am besten von einem Bohrschlammsäulen-Gradienten in Kombination mit einem Hohlraum oder Bohrschlammliniendruck, welcher ungleich dem Seewasserdruck ist, geschnitten. Hinzufügen einer Verstärkerpumpe, um den notwendigen Druckunterschied zum Füllen der Pumpe mit Bohrschlamm zu erzeugen, ist ein Weg, um diesen niedrigeren Hohlraumdruck zu erzeugen. 20B zeigt das Hinzufügen einer Bohrschlamm-Aufüll-Pumpe 2050, welche durch einen getrennten elektrischen Motor 2052 betrieben wird. Die Pumpe 2050 würde den unteren Hohlraumdruck auf einen höheren Druck verstärken, welcher ausreichend ist, um die Unterwasser-Bohrschlammpumpen zu betreiben.
  • Ein anderes Verfahren, um effektiv den Druckunterschied zwischen den Bohrschlamm-Kammern der Pumpelemente, d.h. Bohrschlamm-Kammern 2020a und 2022a, und ihre jeweiligen Hydraulik-Leistungskammern, d.h. Hydraulik-Leistungskammern 2020b und 2022b, zu erhöhen, ist, eine Verstärkerpumpe 2054, wie in 20C dargestellt ist, hinzuzufügen, welche das Saugvermögen von den hydraulischen Kammern nimmt und zu dem Reservoir 424 ausstößt. Dies erniedrigt in effektiver Weise den hydraulischen Druck in den Hydraulik-Leistungskammern, wenn die entsprechenden hydraulischen Steuerventile einen Strömungspfad zwischen den hydraulischen Leistungskammern und dem Saugen der Verstärkerpumpe 2054 öffnen. Der Druck des in die Bohrschlamm-Kammern strömende Bohrschlamm kann um das Maß des Verstärkerdruckes erniedrigt werden, welcher durch die Verstärkerpumpe 2054 bereitgestellt wird. Der Effekt, den Hohlraum- oder Bohrschlammlinien-Druck geringer als Seewasserdruck zu machen, wie in 20A dargestellt ist, ist ein Zweifach-Gradient-System, welches eine Niedrig-Gradient-Abzweigung aufweist, welche durch einen Bohrschlammlinien-Druck (S) definiert ist. In dem dargestellten Beispiel beträgt der Bohrschlammlinien-Druck (S) etwa 1.000 psi weniger als der Seewasserdruck (T) an der Bohrschlammlinie. Seewasserdruck an der Bohrschlammlinie ist von der unteren unter Druck stehenden Bohrschlammsäule durch den bzw. die Umlenker abgedichtet. Rotationausblas-Preventer, welche von jeder Richtung abdichten, können auch benutzt werden, um Seewasserdruck an der Bohrschlammlinie abzudichten.
  • Andere Ausführungsformen des Hochsee-Bohrsystems
  • 21 zeigt ein anderes Hochsee-Bohrsystem 950, welches einen Bohrkopf-Stapel 952 umfasst, welcher an einem Bohrkopf 953 auf einem Meeresboden 954 befestigt ist. Der Bohrkopf-Stapel 952 umfasst eine Bohrloch-Steueranordnung 955 und einen druckausgeglichenen Bohrschlamm-Tank 960. Der Bohrkopf-Stapel 952 ist in lösbarer Weise mit dem Bohrschiff 956 über ein See-Steigrohr 964 verbunden. Ein Bohrgestänge 966, welches von einer Vorrichtung 968 auf dem Bohrschiff 956 gehaltert ist, erstreckt sich in das Bohrloch 970 durch den Bohrkopf-Stapel 952. Das Bohrsystem 950 umfasst ein Bohrschlamm-Fördermodul 972, welches am Meeresboden 954 befestigt ist. Das Bohrschlamm-Fördermodul 972 ist mit dem Bohrloch-Hohlraum 973 über eine Saug-Prüfleitung 974 verbunden. Das Bohrschlamm-Fördermodul 972 ist auch mit den Bohrschlamm-Rückführungsleitungen 976 und 978 über Ausstoß-Prüfleitungen 980 und 981 verbunden. Versorgungs- und Steuer-Leitungen zu dem Bohrschlamm-Fördermodul 972 können in die Prüfleitungen eingegliedert oder können von separaten Prüfleitungen getragen werden.
  • Wie in 22A gezeigt ist, umfasst die Bohrloch-Steueranordnung 955 einen Unterwasser-BOP-Stapel 958 und eine untere See-Steigrohreinheit (LMRP) 959. Der Unterwasser-BOP-Stapel 958 umfasst Ram-Preventer 982 und 984. Die LMRP 959 umfasst ringförmige Preventer 986 und 988 und eine flexible Verbindung 989. Ein Strömungsrohr 990 ist an dem ringförmigen Preventer 988 befestigt. Das Strömungsrohr 990 weist Strömungsöffnungen 992 auf, welche mit den Saug-Enden der Unterwasserpumpen über einen Strömungskanal in der Saug-Prüfleitung 974 verbunden sind. Ein Umlenker 996 ist an dem Strömungsrohr 990 befestigt, und ein Umlenker 998 ist an dem Umlenker 996 befestigt. Der Umlenker 996 kann ein Nicht-Rotier-Umlenker sein, ähnlich zu jedem der Nicht-Rotier-Umlenker, welche in 3A und 3B gezeigt sind. Der Umlenker 998 kann ein Rotier-Umlenker sein, ähnlich jedem der Rotier-Umlenker, welche in 4A bis 4C dargestellt sind. Wie in 22B gezeigt ist, umfasst der druckausgeglichene Bohrschlammtank 960, welcher dem Bohrschlammtank 42 ähnlich ist, einen Verbinder 1000, welcher derart ausgelegt ist, um mit dem Verbinder 1002 am Umlenker 998 zusammenzupassen. Der Bohrschlammtank 960 umfasst auch einen Verbinder 1004, welcher mit einem Steigrohr-Verbinder 1006 am unteren Ende des See-Steigrohres 96 zusammenpasst.
  • Soweit wurde die Erfindung im Kontext eines See-Steigrohrs beschrieben, welches einen Bohrkopf-Stapel am Meeresboden mit einem Bohrschiff auf einem Gewässer verbindet. Jedoch ist die Erfindung gleichermaßen anwendbar in steigrohrlosen Bohrkonfigurationen. 23 zeigt ein steigrohrloses Bohr system 1110, welches einen Bohrkopf-Stapel 1102 umfasst, welcher auf einem Bohrkopf 1104 auf einem Meeresboden 1106 befestigt ist. Der Bohrkopf-Stapel 1102 umfasst eine Bohrloch-Steueranordnung 1108, ein Bohrschlamm-Fördermodul 1110, und einen druckausgeglichenen Bohrschlammtank 1112. Ein Bohrgestänge 1114 erstreckt sich von einer Vorrichtung 1115 auf einem Bohrschiff 1116 über den Bohrkopf-Stapel 1102 in das Bohrloch 1120.
  • Ein Rückführungsleitungssystem 1122 verbindet ein Bohrschlamm-Rückführungssystem (nicht dargestellt) auf dem Bohrschiff 1116 mit den Ausstoßenden von Unterwasser-Bohrschlammpumpen (nicht dargestellt) in dem Bohrschlamm-Fördermodul 1110. Das Rückführungsleitungssystem 1122 stellt auch eine Verbindung für hydraulische und elektrische Leistung und Steuerung zwischen dem Bohrkopf-Stapel 1102 und dem Bohrschiff 1116 bereit. Das Rückführungsleitungssystem 1122 umfasst eine untere Prüfleitung 1124, einen Klinken-Verbinder 1126, ein Rückführungsleitungs-Steigrohr 1128, eine Boje 1130, und eine obere Prüfleitung 1132. Von den Unterwasser-Bohrschlammpumpen (nicht dargestellt) des Bohrschlamm-Fördermoduls 1110 ausgestoßener Bohrschlamm strömt durch die untere Prüfleitung 1120, den Klinken-Verbinder 1126, das Rückführungsleitungs-Steigrohr 1128 und die obere Prüfleitung 1132 in ein Bohrschlamm-Rückführungssystem auf dem Bohrschiff 1116. Das Rückführungsleitungs-Steigrohr 1128 wird durch die Boje 1130 in einer vertikalen Ausrichtung im Wasser gehalten.
  • 24A und 24B zeigen die Komponenten der Bohrloch-Steueranordnung 1108, welche zuvor in 23 dargestellt worden ist. Wie dargestellt ist, umfasst die Bohrloch-Steueranordnung 1108 Ram-Preventer 1136 und 1138 und ringförmige Preventer 1140 und 1142. Ein Strömungsrohr 1144 ist am ringförmigen Preventer 1140 befestigt. Ein Nicht-Rotier-Umlenker 1145 ist am Strömungsrohr 1144 befestigt und ein Rotier-Umlenker 1146 ist am Umlenker 1145 befestigt. Der Umlenker 1145 kann irgend einer der in 3A und 3B dargestellten Umlenker sein. Der Umlenker 1146 kann irgend einer der in 4A bis 4C dargestellten Umlenker sein. Das Bohrschlamm-Fördermodul 1110 umfasst Unterwasser-Bohrschlammpumpen 1148, welche Saug-Enden haben, welche mit dem Rückführungsleitungs-Steigrohr 1128 durch Überströmungskanäle 1149 in der unteren Prüfleitung 1124 verbunden sind.
  • Der Bohrschlammtank 1112 umfasst einen Verbinder 1150, welcher derart ausgebildet ist, um mit einem ähnlichen Verbinder 1152 am Umlenker 1146 zusammenzupassen. Der Bohrschlammtank 1112 ist ähnlich dem Bohrschlammtank 42. Ein Abstreifer 1154, welcher am Bohrschlammtank 42 bereitgestellt ist, umfasst ein Abstreifelement, ähnlich dem Abstreifelement 234 (dargestellt in 5), welches eine Niedrigdruckabdichtung gegen ein Bohrgestänge bereitstellt, welches in der Ausnehmung des Bohrschlammtankes aufgenommen ist. Ein Führungshorn 1156 ist oben auf dem Abstreifer 1154 bereitgestellt, um Bohrwerkzeuge vom Bohrschiff 1116 in das Bohrloch 1120 führen zu helfen.
  • 25 zeigt einen vertikalen Querschnitt des Rückführungsleitungs-Steigrohrs 1128, welches zuvor in 23 dargestellt worden ist. Wie dargestellt ist, umfasst das Rückführungsleitungs-Steigrohr 1128 eine erste Rückführungsleitung 1160 und eine zweite Rückführungsleitung 1162, welche innerhalb einer Unterstützungsstruktur 1164 angeordnet sind. Die Unterstützungsstruktur 1164 umfasst ein Paar von vertikal beabstandeten Platten 1166, welche durch Verbindungsstangen 1168 zusammengehalten sind. Die Platten weisen ausgerichtete Öffnungen zum Aufnehmen der Rückführungsleitungen 1160 und 1162 auf. Die Platten haben auch eine Öffnung zur Aufnahme einer Hydraulikfluid-Leitung 1170. Die Hydraulikfluid-Leitung 1170 führt Hydraulikfluid zu dem Bohrkopf-Stapel 1102 zu.
  • Ein Auftriebsmodul 1172 umgibt die Unterstützungsstruktur 1164, die Rückführungsleitungen 1160 und 1162, und die Hydraulikfluid-Leitung 1170. Versorgungskabel 1174 sind innerhalb des Auftriebsmoduls 1172 angeordnet. Die Versorgungskabel 1174 führen Energie zu Komponenten in dem Bohrschlamm-Fördermodul 1110 zu. Die Rückführungsleitungen 1160 und 1162, die Hydraulikfluid-Leitung 1170, und die Versorgungskabel 1174 sind mit dem Bohrkopf-Stapel 1102 durch den Klinken-Verbinder 1126 (siehe 23) verbunden. Das Auftriebsmodul 1172 ist dargestellt als sich über einen oberen Abschnitt der Rückführungsleitungen 1160 und 1162 erstreckend. Es sollte klar sein, dass das Auftriebsmodul die Rückführungsleitungen 1160 und 1162 vollständig umkapseln kann, einschließlich der Hydraulikfluid-Leitung 1170 und dem Versorgungskabel 1174.
  • 26 zeigt ein alternatives Rückführungsleitungs-Steigrohr 1180, welches anstelle des Rückführungsleitungs-Steigrohrs 1128, welches in 25 dargestellt ist, ersetzen kann. Das Rückführungsleitungs-Steigrohr 1180 umfast eine Rückführungsleitung 1182 mit einer geflanschten Struktur 1184, welche an seinem oberen Ende befestigt ist. Die geflanschte Struktur 1184 umfasst eine Öffnung 1186 zur Aufnahme einer zweiten Rückführungsleitung 1188 und eine Öffnung 1189 zur Aufnahme einer Hydraulik-Versorgungsleitung 1190. Die Rückführungsleitungen 1182 und 1188, die Hydraulik-Versorgungsleitung 1190 und die Versorgungskabel 1192 sind innerhalb eines Auftriebsmoduls 1194 angeordnet. Das Auftriebsmodul 1194 kann sich über einen Abschnitt der Länge der Rückführungsleitungen erstrecken oder vollständig die Rückführungsleitungen ummanteln.
  • Während die Rückführungsleitungs-Steigrohre 1128 und 1180 zwei Rückführungsleitungen aufzeigen, sollte klar sein, dass eine Rückführungsleitung oder mehr als zwei Rückführungsleitungen benutzt werden können. Mehr als zwei Versorgungskabel und mehr als eine Hydraulik-Versorgungsleitung kann auch in dem Rückführungsleitungs-Steigrohrsystem eingeschlossen sein. Das Rückführungsleitungs-Steigrohrsystem 1122 sollte weit weg von dem Bohrkopf-Stapel 1102 positioniert sein, um Interferenz zwischen dem Rückführungsleitungs-Steigrohr 1128 und dem Bohrgestänge 1114 zu vermeiden.
  • 27 zeigt ein anderes Hochsee-Bohrsystem 1200, welches einen Bohrkopf-Stapel 1202 umfasst, welcher an einem Bohrkopf 1204 auf einem Meeresboden 1206 befestigt ist. Der Bohrkopf-Stapel umfasst eine Bohrloch-Steueranordnung 1208 und einen druckausgeglichenen Bohrschlammtank 1210. Ein Bohrgestänge 1212, welches durch eine Vorrichtung 1214 auf einem Bohrschiff 1216 gehaltert ist, erstreckt sich durch den Bohrkopf-Stapel 1202 in ein Bohrloch 1218. Das Bohrsystem umfasst ein Bohrschlamm-Fördermodul 1220, welches auf dem Meeresboden 1206 befestigt ist. Das Bohrschlamm-Fördermodul ist mit dem Bohrloch-Hohlraum durch Saug-Prüfleitungen verbunden. Das Bohrschlamm-Fördermodul ist auch mit einem Rückführungsleitungs-Steigrohrsystem verbunden, ähnlich dem Rückführungsleitungs-Steigrohrsystem 1122, wie in 23 dargestellt, und zwar durch Ausstoß-Prüfleitungen.
  • 28 zeigt ein weiteres Hochsee-Bohrsystem 1300, welches einen Bohrkopf-Stapel 1302 umfasst, welcher an einem Bohrkopf 1303 auf einem Meeresboden 1304 positioniert ist. Der Bohrkopf-Stapel 1302 umfasst eine Bohrloch-Steueranordnung 1308, einen druckausgeglichenen Bohrschlammtank 1310 und einen Bohrkopf 1312. Ein Bohrgestänge 1314, welches durch eine Vorrichtung 1316 auf dem Bohrschiff 1306 gehaltert ist, erstreckt sich in das Bohrloch 1318. Das Bohrsystem 1306 umfasst ein Bohrschlamm-Fördermodul 1320, welches auf dem Meeresboden 1304 befestigt ist. Das Bohrschlamm-Fördermodul 1320 ist mit dem Bohrloch-Hohlraum 1322 über Saug-Prüfleitungen 1324 verbunden.
  • Ein Rückführungsleitungs-Steigrohrsystem 1326 erstreckt sich von dem Bohrschlamm-Fördermodul 1328 zu dem Bohrschiff 1306. Das Rückführungsleitungs-Steigrohrsystem 1326 umfasst ein Rückführungsleitungs-Steigrohr 1330, eine Boje 1332 und eine obere Prüfleitung 1334. Die Ausstoß-Enden der Unterwasserpumpen 1336 sind mit dem unteren Ende des Rückführungsleitungs-Steigrohrs 1330 verbunden. Die obere Prüfleitung 1334 verbindet das obere Ende des Rückführungsleitungs-Steigrohrs 1330 mit einem Bohrschlamm-Rückführungssystem (nicht dargestellt) auf dem Bohrschiff 1306. Die Boje 1332 ist ausgebildet, um das Rückführungsleitungs-Steigrohr 1330 vertikal zu halten. Das Rückführungsleitungs-Steigrohr 1330 sollte weit weg von dem Bohrgestänge 1314 positioniert sein, um Interferenz zu vermeiden.
  • Wie in 29 dargestellt ist, umfasst die Bohrloch-Steueranordnung 1308 Ram-Preventer 1336 und 1338 und ringförmige Preventer 1340 und 1342. Ein Strömungsrohr 1344 ist an dem ringförmigen Preventer 1342 befestigt. Das Strömungsrohr 1344 weist einen Auslass 1350 auf, welcher mit den Saug-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 1352 des Bohrschlamm-Fördermoduls 1328 über einen Kanal 1324 verbunden ist. Die Ausstoßenden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 1352 sind mit Rückführungsleitungen 1354 und 1356 in dem Rückführungsleitungs-Steigrohr 1330 verbunden. Ein Nicht-Rotier-Umlenker 1346 ist an dem Strömungsrohr 1344 befestigt und ein Rotier-Umlenker 1348 ist am Umlenker 1346 befestigt. Die Umlenker 1346 und 1348 sind angeordnet, um Strömung von dem Bohrloch-Hohlraum zu dem Strömungskanal 1324 umzulenken.
  • 30 zeigt ein Bohrsystem 1450 für seichtes Wasser, wobei das Bohrsystem benutzt werden kann, um einen Anfangsabschnitt eines Bohrloches zu bohren. Das Seichte-Wasser-Bohrsystem 1450 umfasst eine Strömungsanordnung 1452, welche an einem Leitergehäuse 1450 befestigt ist. Das Leitergehäuse 1454 ist an dem oberen Ende einer Leiterummantelung 1455 angebracht, welche sich in ein Bohrloch 1456 im Meeresboden 1457 erstreckt. Die Strömungsanordnung 1452 umfasst einen Rotier-Umlenker 1458, welcher an einem Strömungsrohr 1460 befestigt ist. Das Strömungsrohr 1460 ist verbunden mit dem Leitergehäuse 1454 über den Verbinder 1462. Strömungsmesser 1464 sind an Auslässen 1465 des Strömungsrohres 1460 befestigt. Ventile 1466 sind am Auslass der Strömungsmesser 1464 befestigt und einstellbare Drosseln 1468 sind am Auslass der Ventile 1466 befestigt.
  • Der Rotier-Umlenker 1458 kann irgend einer der in 4A-4C dargestellten Rotier-Umlenker sein. Ein Nicht-Rotier-Umlenker, so wie jeder der in 3A und 3B dargestellten Umlenker, kann auch zwischen dem Rotier-Umlenker 1458 und dem Verbinder 1462 angeordnet sein. Der Umlenker 1458 ist derart ausgelegt, um Bohrfluid, was Seewasser sein kann, von dem Bohrloch-Hohlraum 1470 zu den Auslässen 1465 des Strömungsrohrs 1460 umzulenken.
  • Ein Bohrgestänge 1474 erstreckt sich von einem Bohrschiff (nicht dargestellt) an der Oberfläche des Bohrlochs 1456. Während des Bohrens steigt Bohrfluid, welches in das Bohrgestänge 1474 gepumpt ist, den Bohrloch-Hohlraum 1470 zu den Auslässen 1465 des Strömungsrohres 1460 auf. Das Fluid tritt aus den Auslässen 1465 aus und tritt in die Strömungsmesser 1464 ein. Die Strömungsmesser 1464 sind zum Beispiel Strömungsmesser mit voller Öffnung und vom nicht-restriktiven Typ. Fluid tritt aus den Strömungsmessern 1464 aus in die Ventile 1466. Die Ventile 1464 stellen positive Abschaltung der Strömungspassage bereit. Fluid tritt aus den Ventilen 1466 aus und tritt in die Drosseln 1468 ein. Das in die Drosseln 1468 eintretende Fluid wird auf den Meeresboden ausgestoßen.
  • Die Drossel 1468 ist ähnlich einem Bohrschlamm-Rückhalteventil, offenbart in US-Patent Nr. 5,339,864, erteilt an Hydril Company. Die Drosseln 1468 stellen Mittel zum Regulieren des Strömungswiderstandes bereit, womit eine Steuerung des Gegendruckes in dem Bohrloch-Hohlraum 1470 zugelassen wird. Dies macht es möglich, mit leichteren Bohrfluiden, wie zum Beispiel Seewasser, zu bohren, während ein adäquater Druck auf die Formation aufrecht erhalten wird, um dem Einfließen von Formationsfluiden in das Bohrloch zu widerstehen.
  • Ein Druck-Transducer 1500 misst Fluiddruck in dem Bohrloch-Hohlraum 1470. Der Druck-Transducer 1500 wird durch ein ferngesteuertes Vehikel (ROV) 1502 über die Steuerleitungen 1510 überwacht. Die Steuerleitungen 1504, 1506 und 1508 verbinden jeweils die Strömungsmesser 1464, die Ventile 1466 und die Drosseln 1468 mit dem ROV 1502. Das ROV 1502 überwacht die Strömungsraten in den Strömungsmessern 1464 und betreibt die Ventile 1466 und Drosseln 1468. Die Ablesewerte von den Strömungsmessern 1464 und dem Druck-Transducer 1500 werden als Steuer-Einstellwerte zum Einstellen der Drosseln 1468 benutzt.
  • Das Bohrsystem 1450 stellt ein Zwei-Dichte-Bohrfuid-Gradientensystem bereit, welches aus der sich vom Boden des Bohrloches zur Bohrschlammlinie oder Meeresboden erstreckenden Bohrfluid-Säule und dem Gegendruck besteht, welcher an der Bohrschlammlinie durch Benutzen der Drosseln aufrecht erhalten wird, um die Ausstoßströmung zu regulieren. 31 vergleicht dieses Zwei-Dichte-Bohrfluid-Gradientensystem mit einem Einfach-Dichte-Bohrfluid-Gradientensystem für ein Bohrloch in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß. Wie dargestellt ist, hat das Aufrechterhalten eines Rückdruckes an der Bohrschlammlinie die Wirkung des Verschiebens der Bohrschlamm-Dklinie in dem Bohrloch nach rechts. Diese verschobene Bohrschlamm-Drucklinie stimmt besser mit dem Porendruck und Bruchstellen-Gradienten der Formation überein.
  • 32 zeigt ein Bohrschlamm-Zirkulationssystem für ein Bohrsystem, welches ein Bohrschlamm-Fördermodul, zum Beispiel Bohrschlamm-Fördermodul 1651, mit einer Strömungsanordnung, zum Beispiel Strömungsanordnung 1652 (dargestellt in 30) umfasst. Ein Bohrloch-Hohlraum 1658 erstreckt sich von dem Boden des Bohrloches 1660 zu dem Umlenker 1662. Ein Kanal 1664 erstreckt sich außen von dem Bohrloch-Hohlraum 1658 und verzweigt zu Strömungskanälen 1668 und 1670. Das Ventil 1686 in dem Kanal 1664 kann geöffnet werden, um Fluid von dem Bohrloch durch den Kanal 1664 strömen zu lassen oder kann geschlossen werden, um zu vermeiden, dass Fluid durch den Kanal 1664 vom Bohrloch strömt. Der Strömungsmesser 1686 misst die Rate, bei welcher Fluid aus der Strömungsanordnung 1652 ausströmt.
  • Strömungskanal 1668 verläuft zu den Saug-Enden der Unterwasserpumpen 1672 und 1674. Absperrventile 1692 und 1693 sind bereitgestellt, um die Pumpen 1672 und 1674 von dem Rohrleitungssystem nach Bedarf abzutrennen. Strömungskanal 1670 verläuft zu der Bohrschlamm-Kammer 1676 des Bohrschlammtanks 1656. Eine Strömungsleitung 1680 lässt Seewasser zu der Seewasser-Kammer 1678 zuführen oder von der Seewasser-Kammer 1678 abführen. Eine Pumpe 1682, welche in der Strömungsleitung 1680 angeordnet ist, kann betrieben werden, um den Druck in der Seewasser-Kammer 1678 bei, über, oder unterhalb des umgebenden Seewasser-Druckes zu halten. Der Strömungsmesser 1684 misst die Rate, bei welcher Seewasser in die Seewasser-Kammer eintritt oder die Seewasser-Kammer verlässt.
  • Ein Bohrgestänge 1700 erstreckt sich durch die Strömungsanordnung 1652 in das Bohrloch 1660. Das Bohrgestänge 1700 überträgt Bohrfluid von der Bohrschlammpumpe 1698 zum Bohrloch-Hohlraum 1658. Die Ausstoß-Enden der Unterwasser-Bohrschlammpumpen 1672 und 1674 sind mit einer Rückführungsleitung 1694 verbunden, welche zu dem Bohrschlamm-Rückführungssystem 1694 verläuft.
  • Im Betrieb tritt Fluid, welches die Ausnehmung des Bohrgestänges 1700 hinabgepumpt ist, in das Bohrloch 1660 ein und steigt den Bohrloch-Hohlraum 1658 hinauf. Das Fluid in dem Bohrloch-Hohlraum tritt in den Strömungskanal 1664 und geht durch das Ventil 1686, den Strömungsmesser 1688 und das Ventil 1690 in das Saug-Ende der Unterwasserpumpen 1672 und 1674. Der Fluiddruck wird in die Rückführungsleitung 1694 ausgestoßen, wobei die Rückführungsleitung 1694 das Fluid zu dem Bohrschlamm-Rückführungssystem an der Oberfläche trägt.
  • Die Pumpraten der Unterwasserpumpen 1672 und 1674 werden gesteuert, um das gewünschte Maß an Gegendruck in dem Bohrloch 1660 aufrecht zu erhalten. Das Maß an Gegendruck kann eingestellt werden, um einen ausbalancierten, unterbalancierten oder überbalancierten Bohrzustand zu erzielen.
  • Während die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute zahlreiche Variationen davon erkennen, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Die beigefügten Ansprüche sollen alle solche Änderungen abdecken, welche einem Durchschnittsfachmann geläufig sind.

Claims (12)

  1. Rotier-Umlenker, umfassend: einen Gehäusekörper (1716) mit einer darin hindurchlaufenden Ausnehmung (1718); eine in der Ausnehmung (1718) angeordnete zurückholbare Spindelanordnung (1740), wobei die zurückholbare Spindelanordnung (1740) eine erste Spindel (1760) und eine Anordnung einer ersten Lagerung (1762, 1764) zum rotierbaren Unterstützen der ersten Spindel (1760) umfasst, wobei die erste Spindel (1760) zur gleitenden Aufnahme und zum abdichtenden In-Eingriff-Kommen mit einem röhrenförmigen Glied (1770) ausgebildet ist, wobei eine Rotation des röhrenförmigen Glieds (1770) die erste Spindel innerhalb der Ausnehmung (1718) rotiert, wobei die erste Spindel (1760) ein Paar von gegenüberliegenden Dichtelementen (1772, 1774) aufweist und ein in dem Gehäusekörper (1716) angeordnetes Arretierungsglied zum Haltern der zurückholbaren Spindelanordnung (1740) an dem Gehäusekörper (1716); dadurch gekennzeichnet, daß das Arretierungsglied ein in einem ringförmigen Hohlraum (1746) in dem Gehäusekörper (1716) angeordnetes erstes elastomeres Glied (1750) und ein innerhalb des ersten elastomeren Glieds (1750) angeordnetes zweites elastomeres Glied (1748) umfasst, wobei das zweite elastomere Glied (1748) aufpumpbar ist, um mit dem zurückziehbaren Spindelaufbau (1740) in Eingriff zu kommen und gegen diesen eine Dichtung zu erzeugen.
  2. Rotier-Umlenker gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Unterstützungsglied (1756) zum Unterstützen und Hinzufügen von Festigkeit zu dem ersten elastomeren Glied (1750).
  3. Rotier-Umlenker gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das elastomere Glied (1750) aus einem zu dem zweiten elastomeren Glied (1748) unterschiedlichen Material hergestellt ist.
  4. Rotier-Umlenker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein auf das erste elastomere Glied (1750) ausgeübter Druck das zweite elastomere Glied (1748) aufpumpt, um mit der zurückholbaren Spindelanordnung (1740) in Eingriff zu kommen.
  5. Rotier-Umlenker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zurückholbare Spindelanordnung (1740) eine Kammer (1768) zum Bereithalten eines Schmierfluids für die Anordnung der Lagerung (1762, 1764) umfasst.
  6. Rotier-Umlenker gemäß Anspruch 5, wobei die zurückholbare Spindelanordnung (1740) weiterhin einen Druckverstärker (1766) zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Drucks in der Kammer (1768) umfasst.
  7. Rotier-Umlenker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend einen Positionierer zum Positionieren der zurückholbaren Spindelanordnung (1740) innerhalb des Gehäusekörpers (1716).
  8. Rotier-Umlenker gemäß Anspruch 7, wobei der Positionierer ein in einer Ausstülpung (1780) im Gehäusekörper (1716) angeordnetes zurückziehbares Glied (1778) umfasst.
  9. Rotier-Umlenker gemäß Anspruch 8, weiterhin umfassend einen Aktuator (1782) zum Ausfahren des zurückziehbaren Glieds (1778) in die Ausnehmung (1718) und Zurückziehen des zurückziehbaren Glieds (1778) in die Ausstülpung (1780).
  10. Rotier-Umlenker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zurückholbare Spindelanordnung weiterhin eine zweite Spindel in entgegengesetzter Ausrichtung zu der ersten Spindel und eine zweite Lagerungsanordnung zur rotierbaren Unterstützung der zweiten Spindel umfasst, wobei die zweite Spindel ausgebildet ist, um das röhrenartige Glied in gleitender Weise aufzunehmen und in abdichtender Weise mit dem röhrenartigen Glied in Eingriff zu kommen.
  11. Rotier-Umlenker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zurückholbare Spindelanordnung (1740) durch ein See-Steigrohr (52) hindurch verläuft.
  12. Rotier-Umlenker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend ein Abdichtglied für eine Abdichtung zwischen der zurückholbaren Spindelanordnung (1740) und dem Gehäusekörper (1716).
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