EP0768446B1 - Procédé et outil de forage pour le forage de puits dans les formations souterraines - Google Patents

Procédé et outil de forage pour le forage de puits dans les formations souterraines Download PDF

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EP0768446B1
EP0768446B1 EP95115867A EP95115867A EP0768446B1 EP 0768446 B1 EP0768446 B1 EP 0768446B1 EP 95115867 A EP95115867 A EP 95115867A EP 95115867 A EP95115867 A EP 95115867A EP 0768446 B1 EP0768446 B1 EP 0768446B1
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drilling tool
outer casing
bore hole
drilling
formation
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Friedhelm Dipl.-Ing. Makohl
Carsten Dipl.-Ing. Vogt
Pudjihanto Surwano
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E21B7/208—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes using down-hole drives

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for Drilling a well into underground formations with at least one layer-like special formation that is adjacent to one in the direction of the sink Formation has significantly different formation pressures.
  • the invention addresses the problem, a method and a drilling device to create the above drawbacks when drilling wells into underground formations with significant formation pressure differences avoid.
  • the invention solves the problem by a method according to claim 1 and by a drill according to claim 9. With regard to essential Further refinements are made to claims 2 to 8 to 10 to 19.
  • the outer housing forms a shield for Formation that avoids the occurrence of tributaries as well as that Push formation areas towards drilling tool and pipe string.
  • the invention improves the above-mentioned effect of the outer housing by a drill bit is driven at the end of the outer housing, the shielding outer casing surrounds the directional drilling tool and with this works together as a unit.
  • the drilling rig schematically illustrated in Fig. 1 for sinking a Drilling into underground formations includes an above-ground derrick 1 with conventional equipment, one of which is screwed into a borehole 2 Pipe sections assembled pipe string 3, whose lower end in the usual way via connection thread with a drilling tool 4 is connected.
  • a compensation and pressure device 6 thruster
  • a compensation and pressure device 6 be screwed in between, with the help of mainly thermal ones Length differences while maintaining or specifying a desired one M adoptedeland pressure force can be compensated.
  • the drilling tool 4 comprises a composed of screwed pipe sections Tool housing 7 and one housed therein, only schematically indicated downhole motor 8 of any suitable, known training, the output shaft 9 at its lower end with a Drill bit 10 is screwed.
  • the system shown in Fig. 1 further comprises a pipe string 3 and that Drilling tool 4 surrounding outer housing 11, one of pipe sections composite well casing (liner or casing) forms and via a connecting device 12 (liner hanger) at its upper end can be connected to the pipe string 3.
  • This connecting device 12 provides a detachable connection with the tubing string 3 and allows one with the pipe string 3 retracting and pulling together the outer housing 11 in the borehole 2 or from this.
  • the tool housing 7 is in the area of the lower end of the upper Main part 13 of the outer housing 11 by an upper group 14 of locking members supported against downward movement, and the drive shaft 9 is in the area of a thickened section 15 by a lower group 16 of locking members with a lower separate end part 17 of the outer housing 11, which is independently rotatable at a lower end portion 18 of the main part 13 of the outer housing 11 is mounted and with the Drive shaft 9 around the common longitudinal central axis 19 of the drill can.
  • the lower end part 17 carries a drill bit 20 on the end face thereof Cutting plane approximately at the level of the cutting plane of the drill bit 10 Starting position.
  • the upper group 14 of the locking members is one in the outer housing 11 trained locking groove 21 in the form of an outwardly shaped annular Bag and formed by locking bars 22 on the tool housing 7 fixed by means of screws 23 at one end and with their free part a lowered starting position by the action of a spring 24 in a locking position are elastically deflectable, in which the locking bars 22 into the locking grooves 21 engage non-rotatably.
  • the locking bars 22 are in the illustrated Attach their top end with their free bottom end the pocket bottom 21 '; with possible fastening of the ledges 22 at its lower end is supported by a projection of the Engagement part 25 at the upper free end of the locking bars 22 on the pocket bottom 21 '.
  • the locking bars 22 are stressed in this case. At least three bars are provided, which regularly over the The circumference of the outer housing 11 and the tool housing 7 is arranged distributed are.
  • the lower group 16 of the locking members is in the lower end part 17 of the Outer housing 11 formed, longitudinal locking grooves 26 in shape from pockets shaped to the outside and from thickened Section 15 of the drive shaft 9 of the deep hole motor 8 by means of screws 23 fixed locking bars 27 formed, which also from a lowered starting position elastic by the action of a spring 28 in a locking position are deflectable, in the engaging parts 29 of the locking bars 27 into the locking grooves 26 intervene.
  • the lower group 16 comprises at least three pairs of Locking grooves 26 and locking strips 27, which are equiangular over the circumference of Outer housing 11 and drive shaft 9 are arranged distributed. Instead of shown attachment of the locking bars 27 with an overhead fastening point and the lower free end can also be used with the upper free end Be attached at the end and bottom of the attachment point.
  • the upper group 14 executed with an engagement length that is shorter than that Engagement length of the engagement parts 29 of the locking bars 27 of the lower group 16. This ensures that the engaging parts 29 of the locking bars 27 of the lower group 16 only in the locking grooves 26 intended for them the lower Group 16 can come up with.
  • the locking grooves 26 of the lower group 16 have an engagement length that is greater than that of the engaging parts 29 of the locking bars 27 of the lower group 16. This ensures that the lower end portion 17 of the outer housing 11 in shift in the axial direction relative to the drive shaft 9 between two end positions can, as illustrated in Figs. 2 and 3.
  • a bearing sleeve 30 is provided which from above into the lower end part 17 of the Inserted outer housing 11 and firmly connected to it, e.g. screwed is.
  • the lower end portion 18 of the upper body 13 of the outer case 11 engages around the bearing sleeve 30 and forms with a bearing surface 31 on its inside a plain bearing coaxial with the longitudinal central axis 19 of the drilling device.
  • the bearing sleeve 30 is in the lower end section 18 of the upper Main part 13 of the outer housing 11 is axially displaceably supported, so the lower end part 17, the above-mentioned axial mobility between 2 and the drilling operating position 3 to enable.
  • the bearing sleeve 30 has a collar 32 on the outside, the as a stop in cooperation with a shoulder 33 above the bearing surface 31 the lower end position for the lower end part 17 of the outer housing 11 defined.
  • the drilling operating position is the lower End of the locking ledges 27 defined with a counter surface 34 as a stop interact, which in the example shown from the end face of the screwed lower portion 35 of the lower end portion 17 of the outer housing 11 is formed, which in the overlying upper portion 36 of the lower end portion 17 of the outer housing 11 is screwed.
  • the drive shaft 9 of the deep hole motor 8 with one section 39 increased flexibility in the form of a circumferential, the bending resistance lowering confiscation, that of the downstream one Part of the drive shaft 9 gives an all-round elastic deflectability.
  • the flexible section 39 is when the drilling tool 4 in its lower end position in the outer housing 11, slightly below the Bend 40, on which the longitudinal central axis 19 of the drill in the angled lower axis part 19 'merges.
  • any type of bit can be used as the drill bit 10.
  • the drill bit 10 is provided with a stabilizer part 10 ' which is the inside of the lower portion 35 of the lower end part 17 is closely spaced, and has a side cutting surface that for example, by grinding, has a high accuracy of fit and with can fit through the drill bit 20.
  • first part of a borehole 2 with Drilled using a normal drilling tool similar to drilling tool 4 the through any, e.g. first formation formed by slate up to the vicinity of the border area to a downstream area Special formation descends, in which the formation pressure is much higher or less than that in the area of the first formation.
  • This first Formation with largely the same first formation pressure can be essentially one have a homogeneous structure, but can also consist of several different ones There are partial formations between which there are no significant ones Formation pressure differences exist.
  • the drilling tool 4 is set down and locked in the outer housing 11 is, the upper end of the outer housing 11 by means of the connecting device 12, which may be of any suitable, known design, connected to tubing string 3 and then out of the rig support solved.
  • the unit of parts 3, 4 and 11 thus formed is now under further construction of the pipe string 3 in the first part of the borehole 2 further retracted until drill bit 10 and drill bit 11 reach the bottom of borehole 2 to reach.
  • the drilling tool 4 is then put into operation, what happens by switching on or starting the deep hole motor 8, for example by training as a turbine or Moineau motor is put into operation with drilling fluid. This is done by the central Flushing channel 41 in the drill string supplied from above and occurs Flow through the central flushing channel 41 from the face of the drill bit 10 in the borehole 2 to subsequently in the annulus between the drill and to flow back into the borehole wall above ground.
  • the tubular string 3 becomes tubular Carried outer housing 11, wherein by rotating the drill bit 20 on lower end of the outer housing 11 this in turn like a drilling tool works.
  • the outer housing 11 lines the borehole in the region of its length 2 off, absorbs inward formation forces as soon as these, for example become effective when the pressure drops in the drilling fluid, and causes a waterproofing that may be perfected by cementing can be.
  • the drilling tool can be loosened the connecting device 12 and the bore, for example can be used as a production well after being fully lined. Is the borehole extends far beyond the special formation can give after pulling the previously connected to the outer housing 11 Bohrwerkmaschines4 a second drilling tool with a pipe string into it Borehole are retracted, which can be passed through the offset outer housing are and can take over the further drilling of the hole. If there is further sinking at a considerable distance from the first Special formation Another special formation to be pierced, a second one Drilling rig with a second outer housing are used, that can be passed through the stepped first outer housing. The sequence the drilling process with the second drill is then analogous to that the above-described process.
  • the upper main part 13 of the outer housing 11 is advantageously by the Pipe string 3 for the purpose of reducing friction or to guide the straight line Drilling tool 4 set in rotation. If the outer housing 11 with a Angled in its lower area and the drill thus closed Directional drilling operations can be used after determining the direction course of the angled part of the outer housing 11 this through the Pipe string 3 is secured against twisting from above ground, which means that in the event of further Drilling progress a part of the borehole that has been changed in its direction is drilled.

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Claims (19)

  1. Procédé de creusage d'un forage dans des formations souterraines, avec au moins une formation particulière stratiforme présentant, par rapport à une formation voisine placée en direction du creusage, des pressions de formation extrêmement différentes, au cours duquel la première partie d'un trou de forage est forée par un outil de forage supporté par l'extrémité inférieure d'un tubage et muni d'un trépan actionné par un moteur pour trous profonds, cette partie descendant presque jusqu'à la limite d'au moins l'une des formations particulières, caractérisé en ce que, lors du creusage ultérieur d'une autre partie du trou de forage, traversant au moins une formation particulière, un caisson extérieur tubulaire, dont l'extrémité inférieure supporte une couronne de forage commandée, est entraíné par le tubage, et en ce que le trou de forage est recouvert par ce caisson au moins dans la zone de la formation particulière.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que
    après que la première partie du forage ait été forée, le tubage est remonté avec l'outil de forage,
    le caisson extérieur tubulaire, muni, à son extrémité inférieure, de la couronne de forage, est introduit dans le trou de forage sur une longueur supérieure à l'épaisseur prédéterminée d'au moins l'une des formations particulières,
    un outil de forage muni d'un tubage est introduit dans le caisson extérieur, et est placé et fixé dans le caisson extérieur dans une position de fin de course inférieure, dans laquelle la couronne de forage et le trépan se trouvent presque à la même hauteur,
    l'extrémité supérieure du caisson extérieur est reliée au tubage,
    le tubage est introduit, avec le caisson extérieur, davantage dans le trou de forage jusqu'à ce que le fond de celui-ci soit atteint, et
    après avoir atteint le fond du trou de forage, le trépan est engagé, avec la partie terminale inférieure du caisson extérieur supportant la couronne de forage, dans une opération de forage commune.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, au cours du creusage du forage dans des formations comprenant une seule formation particulière et avec un tracé de forage théorique descendant largement au-delà de la formation particulière, le creusage du trou de forage est terminé après la traversée de la formation particulière, la liaison du caisson extérieur avec le tubage est supprimée, le tubage est remonté avec l'outil de forage et la suite du creusage du trou de forage est effectuée avec un deuxième outil de forage, pouvant passer avec le tubage à travers le caisson extérieur.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsqu'il y a plusieurs formations particulières voisines les unes des autres ou se suivant de façon assez rapprochée, en direction du forage, l'autre partie du trou de forage est creusée à travers toutes les formations particulières par entraínement du caisson extérieur.
  5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que
    lorsqu'il y a plusieurs formations particulières placées en direction du forage de façon relativement éloignées les unes des autres, le creusage de l'autre partie du trou de forage est terminé après la traversée de la première formation particulière, la liaison du caisson extérieur avec le tubage est supprimée, le tubage est remonté avec l'outil de forage et la suite du trou de forage est entreprise avec un deuxième outil de forage, pouvant passer avec le tubage à travers le caisson extérieur, jusqu'à un endroit proche de la limite de la deuxième formation particulière.
    après le creusage de l'autre partie du trou de forage, l'outil de forage est remonté avec le tubage,
    un deuxième caisson extérieur, muni d'une couronne de forage et pouvant traverser le premier caisson extérieur, est introduit dans le trou de forage sur une longueur adaptée à l'épaisseur de la formation particulière à forer par la suite.
    le deuxième outil de forage est placé dans le deuxième caisson extérieur, et ce dernier est relié au deuxième tubage, et
    le groupe d'appareils est introduit davantage jusqu'à ce que le fond du trou de forage soit atteint, et la troisième partie du trou de forage, traversant au moins la deuxième formation particulière, est ensuite forée.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou les caisson(s) extérieur(s) est/sont cimenté(s), dans le trou de forage, dans la position prescrite.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque caisson extérieur ainsi que l'outil de forage placé dans le caisson correspondant forment un appareil de forage directionnel et sont utilisés pour des forages directionnels.
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un mouvement rotatif est imprimé par le tubage à la partie principale supérieure du caisson extérieur, afin de diminuer les frottements et/ou de permettre un forage rectiligne lors du creusage du trou de forage.
  9. Outil de forage destiné au creusage d'un forage dans des formations souterraines, avec au moins une formation stratiforme présentant une pression de formation très différente par rapport à celle d'une formation voisine placée en direction du forage, effectué au moyen d'un tubage (3) et d'un outil de forage (4), comprenant un caisson d'outil tubulaire (7), qui peut être relié, à son extrémité supérieure, à l'extrémité inférieure (5) du tubage (3), un moteur pour trous profonds (8) et un trépan (10), qui est placé sur une extrémité, en surplomb par rapport à l'extrémité inférieure du caisson d'outil (7), de l'arbre de commande (9) du moteur pour trous profonds, caractérisé en ce qu'il comprend un caisson extérieur (11), dont la longueur dépasse au moins l'épaisseur de la formation particulière et qui présente, à son extrémité inférieure, une couronne de forage (20) et, à son extrémité supérieure, un dispositif de raccordement (12) pouvant être enclenché et désenclenché, et destiné à fixer le caisson extérieur (11) sur le tubage (3), et en ce que l'outil de forage (4) et le caisson extérieur (11) sont munis d'éléments de verrouillage (21,22 ; 26,27), dont un groupe supérieur (14) soutient, dans le caisson extérieur (11), le caisson d'outil (7) dans une position de fin de course inférieure, tandis qu'un groupe inférieur (16) relie l'arbre de commande (9) du moteur pour trous profonds (8) et une partie terminale (17), pivotant de manière indépendante, du caisson extérieur (11), pour obtenir un mouvement rotatif commun.
  10. Outil de forage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage (21,22) du groupe supérieur (14) placent l'outil de forage (4) dans une position de fin de course inférieure dans le caisson extérieur (11), le trépan (10) étant situé à la hauteur de la couronne de forage (20) du caisson extérieur (11).
  11. Outil de forage selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le groupe supérieur (14) des éléments de verrouillage (21,22 ; 26,27) comprend une encoche (21) aménagée dans le caisson extérieur (11), en forme de poche circulaire façonnée vers l'extérieur, et des tiges de verrouillage (22) placées de façon basculante sur le caisson d'outil (7), pouvant passer, sous l'action d'un ressort, d'une position de départ basse à une position de verrouillage, dans laquelle les tiges de verrouillage (22) s'enclenchent dans les encoches (21) et sont en prise, formant un soutien axial, avec le fond de la poche (25).
  12. Outil de forage selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le groupe inférieur (16) des éléments de verrouillage (21,22 ; 26,27) comprend des encoches longitudinales (26), aménagées dans la partie terminale inférieure (17) du caisson extérieur (11), en forme de poches circulaires façonnées vers l'extérieur, et des tiges de verrouillage (27) placées de façon basculante sur l'arbre de commande (9) du moteur pour trous profonds (8), pouvant passer, sous l'action d'un ressort, d'une position de départ basse à une position de verrouillage, dans laquelle les tiges de verrouillage (27) s'enclenchent dans les encoches (26).
  13. Outil de forage selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l'encoche (21) du groupe supérieur (14) des éléments de soutien et de verrouillage (21,22 ; 26,27) présente une longueur de travail inférieure à celle des pièces d'engrènement (29) des tiges de verrouillage (27) du groupe inférieur (16).
  14. Outil de forage selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les encoches du groupe inférieur (16) des éléments de verrouillage (21,22 ; 26,27) présentent une longueur de travail supérieure à celle des pièces d'engrènement (29) des tiges de verrouillage (27) du groupe inférieur (16).
  15. Outil de forage selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que la partie terminale inférieure (17) du caisson extérieur (11), installée de manière pivotante sur la partie principale supérieure (13) du caisson extérieur (11), peut être déplacée, de manière axiale, d'une position de départ basse vers une position de forage, dans laquelle le niveau d'attaque de la couronne de forage (20) est décalé vers le haut par rapport à celui du trépan (10) et entoure le trépan (10) dans la zone de sa surface de coupe latérale.
  16. Outil de forage selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que la partie terminale inférieure (17) et l'extrémité inférieure (18) de la partie principale supérieure (13) du caisson extérieur (11) enveloppent un manchon de palier (30), qui est fermement relié à la partie terminale inférieure (17) et qui s'appuie au niveau de l'extrémité inférieure (18) de la partie principale supérieure (13) du caisson extérieur (11), pouvant effectuer un mouvement pivotant et axial limité.
  17. Outil de forage selon l'une des revendications 9 à 16, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure (18) de la partie principale supérieure (13) du caisson extérieur (11) présente une orientation coudée, et que l'arbre de commande (9) du moteur pour trous profonds est muni d'un segment flexible (39), donnant une capacité de déviation élastique polydirectionnelle à la partie de l'arbre de commande (9) raccordée en aval.
  18. Outil de forage selon la revendication 17, caractérisé en ce que le segment flexible (39) de l'arbre de commande(9) se trouve près du coudage.
  19. Outil de forage selon l'une des revendications 9 à 18, caractérisé en ce qu'un dispositif d'équilibrage de la longueur et de propulsion (6) est placé en amont de l'outil de forage (4).
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