NO157347B - Borestrengstabilisator. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en borestrengstabilisator for innkobling i en borestreng av den art som angitt i innlednin-gen til krav 1. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en innretning for avviksboring i form av f.eks. ekstra lange hull, som er spesielt konstruert for å redusere sjansen for trykkdifferensiell fastsetting av borestrengen ved knusing og redusering av størrelsen på borkaks frembragt ved boreopera-sj onen.

Avviksboring omfatter en rotasjonsbore-prosedyre for å bore, logge og fullføre brønner med betydelig større hellinger og/eller over horisontale avstander som er vesentlig større enn de som til nå er tilveiebragt ved vanlig retningsboring. Utfallet av avviksboring skulle i hovedsaken nyttes ved offshore-boringsprosjekter, da plattfomkostnader er en hovedfaktor ved de fleste offshore-produksjonsoperasj onene. Avviksboring gir betydelig mulighet for: (1) utvikling av offshore-reservoarer som ellers ikke blir betraktet å være økonomisk, (2) tapping av reservoarer som til nå har blitt betraktet som å være under det økonomisk eller teknologisk

oppnåelige,

(3) akselerering av produksjonen med lange intervaller i produksjonsformasjonen på grunn av de store vinkel-hullene, (4) krav til færre plattformer for å betjene store reservoarer, (5) frembringelse av et alternativ for noen undersjøiske prosjekter, og (6) boring under skipsleder eller andre områder som til nå har vært uoppnåelige.

Et antall problemer er tilstede ved avviksboring under store vinkler. Nærmere bestemt hull med hellinger på 60° eller mer kombinert med lange hullseksjoner eller kompliserte brønn-profiler gir betydelige problemer som må overvinnes ved avviksboring. Gravitasjonskraften, friksjonskoeffisientene og sedimenterende slampartikler utgjør hovedproblemene.

Når hellingen øker, reduseres den tilgjengelige vekten utfra gravitasjonen som beveger rørledningen eller strengen ned i hullet med cosinus til hellingsvinkelen, og vekten som ligger an mot den nedre siden av hullet øker med sinus til hellingsvinkelen. Kraften som motvirker bevegelsen av borestrengen er produktet mellom tilsynelatende friksjonskoeffisient og summen av kreftene som trykker strengen mot veggen. Ved en tilsynelatende friksjonskoeffisient på tilnærmet 0,58 for vanlig vannbasert slam tenderer borestrengen til å gli inn i hullet ved en hellingsvinkel på tilnærmet 60°. Ved høyere hellingsvinkler vil gravitasjonskraften alene ikke være nok for å bevege borestrengene nedover, og de må bli mekanisk skjøvet eller trukket, eller alternativt kan friksjonskoef-fisienten reduseres. Siden loggeledningen ikke kan bli skjøvet, er vanlig ledningslogging en av de første vanskelig-hetene som møtes ved denne typen operasjon.

Hullrensningen blir også et betydelig problem ved borehull under store vinkler på grunn av at et partikkeltall på mer enn 5 cm er nok til at de er ute av slamstrømningsstrømmen og blir liggende på den nedre siden av hullet, vanligvis i et område uten strømninger langs rørledningen. Dette problemet finnes også ved hovedsakelig vertikale boringer, men problemet er mye verre ved avviksboringer. Ved avviksboringer har borestrengen en tendens til å hvile mot nedsiden av brønnhullet, og borkakset har en tendens til å sedimentere og bli akkumulert langs den nedre siden av brønnen omkring borestrengen. Det at borkakset ligger langs nedsiden av borehullet omkring borestrengen sammen med den vanlige filterkaken på brønnveggen gir forhold hvor rørledningen er utsatt for differensiell fastsetting når en porøs formasjon blir gjennomtrengt som har indre trykk mindre enn trykkene som er i borehullet.

Borkaks frembragt av stenbiter er vanligvis mindre enn 1,27 cm og har vanligvis platelignende struktur. En andre kilde for borkaks, som ikke er virkelige kutt fra biten, er de frembragt ved avskalling eller erosjon i borehullsveggen og disse er ofte 2,54 til 4,31 cm lange og tykkere enn borkaks. Generelt gjelder at jo grovere borkaks jo vanskeligere er det å transportere den i slamstrømmen. En avdempning av dette forholdet skjer ved at en viss etterslipning av borkakset normalt finner sted ved alle rotasjonsborede hull ved hjelp av borestrengen, spesielt vektrøret, ved knusing mellom rotasjonsrørledningen og borehullsveggen.

Sedimenteringen av borkaks er av betydning i nesten horisontale hull som opptrer ved avviksboring. Foreliggende borestrenger for borerørledningen, gjengemuffer og vektrør er vanligvis rund og roterer konsentrisk om en felles akse. Dersom rørledninger roterer konsentrisk rundt den samme aksen som gjengemuffene som vanligvis er anordnet rundt den samme aksen som gj engemuf fene som vanligvis er anordnet mot den faste veggen og virker som opplagringer for rotasjonsstren-gen, da et langt "låsespor" blir utviklet når rørledningen blir begravd og innleirer seg selv i borkakset og veggkaken. En lignende virkning på en borestreng som roterer om en konsentrisk akse i en tykk veggkake i et vertikalt hull kunne frembringe samme resultatene. Dersom differensialtrykket (borehul1sslamtrykket minus formasjonsporetrykk) finnes motsatt en gjennomtrengende sone i formasjonen, er betingel-sene tilstede for at rørledningen blir satt fast i veggen. I begge tilfeller er rørledningen delvis begravd og innleiret i en masse av faste stoffer og kan bli hydraulisk tettet i en slik grad at der er en vesentlig trykkforskjell i grense-snittet mellom rørledningen og veggen og mellomrommet i det åpne borehullet. Denne hydrauliske tetningen gir et område på rørledningen for trykkforskjell for å tvinge rørledningen hardt mot veggen. En friksjonsmessig motstand mot bevegelsen til rørledningen mot veggen bevirker at rørledningen blir ubevegelig, og rørledningen er i en tilstand som vanligvis henvises til som di fferensiel1 fastsetting eller bare fastsetting.

Trykkfastsetting for en borerørledning er også beskrevet i en artikkel med tittelen "Pressure-Differential Sticking of Drill Pipe anf How It Can Be Avoided or Relieved" av W.E. Helmick og A.J. Longley, presentert ved "The Spring Meeting of the Pasific Coast District, Division of Production", Los Angeles, California i mai 1957. Artikkelen bekrefter at teorien om trykkfastsetting først ble antydet når det ble bemerket at små oljemengder ville frigjøre rørledningen som hadde satt seg fast, mens den forblir ubevegelig i et permeabelt lag. Dette var spesielt merkbart i et felt hvor en uttømt sone ved 1311 meter med en trykkgradient på 0,792 kPa/m ble gjennomtrengt av retningshull med slam som har hydrostatiske gradienter på 11,76 kPa/m. I betraktning av dette ble det konkludert med at vektrørene ligger mot filterkaken på den nedre siden av hullet og at trykkforskjel-len virker mot området av rørledningen i berøring med den isolerte kaken med tilstrekkelig kraft, som et direkte trekk ikke ville effektivt frigjøre. Artikkelen bemerker at fremgangsmåten for virksom frigjøring av en slik rørledning innbefatter bruken av små mengder olje for å fukte rørlednin-gen og derved tilveiebringe di f f erensialtrykket eller vasketrinnet med vann for å senke differensialtrykket ved å redusere vannsøylen. Den praktiske anvendelsen av prinsippene funnet ved den beskrevne studien i den artikkelen viser at den beste måten for å behandle fastsettingen er å forhindre den ved bruk av vektrørstabiliseringsstenger eller med hensikt avkorte intervallene når rørledningen ligger an mot permeable formasjoner.

I US-patent nr. 4 060 140 er beskrevet en anordning for å forhindre en oppbygning av borkaks eller bruddstykker i oljebrønner under vann. I løpet av boringen blir borkaks fra bunnen av brønnen ført opp derfra i en boreslamoppløsning som blir pumpet nedover gjennom den rørformede borestrengen og sirkulert oppover i ringrommet mellom borestrengen og borehullet, brønnhodeenheten og stigerørstrengen til vannoverflaten. Borkakset og andre bruddstykker fra bunnen av brønnen kan bli ført til vannoverflaten forutsatt riktig f luidumshastighet, slamvekt og at ringromområdet er egnet derfor.

Når ringromområdet mellom den ytre diameteren av borestrengen og den indre diameteren til stigerørsstrengen er svært stort i sammenligning med ringrommet mellom det ytre av borestrengen og borehusveggen og brønnhodeenhetens indre overflater, kan imidlertid boreslammet miste sin ønskede hastighet eller strømningshastigheten i ringrommet mellom borestrengen og stigerørsledningen nødvendig for å transportere borekutt og bruddstykker oppover gjennom stigerørsstrengen til vannflaten for å bli fjernet fra boreslammet.

For å minske dette problemet foreslår ovenfor nevnte patent et boreverktøy i form av et primært rørformet element som har en indre diameter en forutbestemt grad større enn den ytre diameteren til en borestreng som blir ført nedover gjennom en vanlig stigerørsstreng og undervannsbrønnhodeenheten. Boreverktøyet innbefatter en ytre skulder utformet på dens nedre endedel for å samvirke med en tilsvarende indre skulder ved forbindelsen mellom stigerørsstrengen og brønnhodeenheten for understøttelse av verktøyet uavhengig av borestrengen. Verktøyet innbefatter et andre rørformet element forbundet ved dens nedre ende med den nedre enden av det primære rørformede elementet. Et ringformet mellomrom, åpent ved dets øvre ende, er således anordnet mellom de to rørformede delene til verktøyet for oppfangning av borkaks og bruddeler som kan sedimentere ut fra sirkulerende eller ikke sirkulerende slam i ringrommet mellom borestrengen og stigerørsstrengen over verktøyet. Verktøyet er tilpasset til og tatt med borestrengen oppover gjennom stigerørstrengen til vannoverflaten når borkaks og bruddeler fanget i dette skal bli tatt ut uten å falle tilbake til bunnen av borehullet. Selv om dette patentet angår et problem lignende det beskrevet ved foreliggende oppfinnelse, er den foreslåtte løsningen temmelig forskjellig fra den beskrevet i foreliggende beskrivelse.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er i hovedsaken å utvide området for retningsmessigborede brønner ved hva som nå er kalt avviksboring. Foreliggende oppfinnelse minsker problemet med fastsetting av borestrengen i et borehull ved boring av denne typen ved oppmaling og redusering av størrel-sen på borkaks frembragt ved boringen for å forbedre slam-returstrømmen for fjerning av borkaks fra brønnen.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er følgelig å tilveiebringe en anordning for rotasjonsboring av en brønn på en slik måte at sjansen for fastsetting av borestrengen reduseres .

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av en borestrengstabilisator av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene.

Ovenfor nevnte andre fordeler og formål ved en oppmålingsinn-retning for borkaks skal bli nærmere beskrevet ved hjelp av foretrukne utførelsesformer og med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss av et avviksborehull som forløper inn i jorden og hvor der er vist en utførel-sesform av foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et snitt av en utførelsesform av stabilisatormaleinnretningen som kan bli benyttet ved foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et snitt av en annen utførelsesform av stabilisatormaleinnretningen som kan bli benyttet ved foreliggende oppfinnelse. Fig. 4 viser en utførelsesform lignende den vist på fig. 1,

men hvor maleinnretningen blir drevet av en slam-drivingsmotor nede i hullet.

Ved rotas]onsboring blir en borestreng anvendt som innbefatter borerør, vektrør og en borekrone. Borerøret består av en rekke skjøter bestående av sømløse rør innbyrdes forbundet med forbindelsesinnretninger, f.eks. gjengemuffer. Borerøret bevirker overføring av rotasJonsmoment og boreslam fra en borerigg til borekronen og for å danne en strekkdel for å trekke borestrengen ut fra borehullet. Ved normal drift er borerøret alltid i strekk i løpet av boreoperasjonen. Den ytre diameteren til borerøret varierer i alminnelighet fra 8,9 til 12,7 cm og er vanligvis fremstilt av stål. Alumini-umsrør er imidlertid også tilgjengelig i handelen og kan være et attraktivt valg for avviksboring når det er ønskelig å redusere vekten av borestrengen mot siden til et hull med stor avviksvinkel.

Et aluminiumsborerør med en diameter på 10.2 cm med stål- • gjengemuffer ville utøve kun omkring en tredjedel av vekt-komponenten mot borehullsveggen som følge av gravitasjonen på nedsiden til et avvikshull i et 1,68 g/cm<5> slam sammenlignet med en lignende stålborestreng. Friksjonskrefter i størrel-sesorden av en tredjedel av nevnte vektkomponent ville teoretisk frembringe en tredjedel av draget og en tredjedel av torsjonsmomentet til en sammenlignbar rørledningsstreng av stål. En aluminiumsborestreng har dessuten andre gunstige fysikalske egenskaper sammenlignet med en rørledningsstreng av stål.

Vektrør er tykkveggede rør sammenlignet med borerøret og er således tyngre pr. lengdemeter enn borerøret. Vektrørene virker som et stivt element i borestrengen og er vanligvis anordnet i borestrengen umiddelbart over borekronen og tilfører vekt på borekronen. Ved vanlig rotasjonsboreteknikk er kun de nederste tre fjerdedelene av vektrørene i aksial-sammentrykning for å belaste borekronen under boringen, mens omkring den øvre fjerdedelen av vektrørene er i strekk, slik som borerøret er. Vektrørene benyttet ved utførelse av rotas]onsboreteknikk er større i diameter enn borerøret som benyttes, og vanligvis er den ytre diameteren i området 10,2 til 25,4 cm.

Gjengemuffer er koblinger for sammenkobling av borerør og er adskilte komponenter som er festet til borerøret etter dets fremstilling. En gjengemuffe er sammensatt av en hannhalvdel eller tappende som er festet til ene enden av det ene stykket av røret og en hunnhalvdel eller en muffeende som er festet til den andre enden. Muffehalvdelen til en gjengemuffe er noe lengre enn tappendehalvdelen. En fullstendig gjengemuffe er således dannet ved sammenkoblingen av en muffeende og en tappende til en gjengemuffe.

Ved utførelse av rotasjonsboreteknikk anvendes en borerigg som benytter et rotasjonsbord for tilførsel av torsjonsmomentet til toppen av borestrengen for å rotere borestrengen og borekronen. Rotas]onsbordet virker også som en sokkel, på hvilken alle rørelementene, slik som borerør, vektrør, foring, er opphengt i hull fra riggulvet. Et drivrør (Kelly) blir benyttet som et topprørelement i borestrengen, og drivrøret føres gjennom rotas]onsbordet og blir påvirket av rotasjonsbordet for å tilføre et torsjonsmoment gjennom borestrengen til borekronen. Fluidums- eller slampumper blir benyttet for å sirkulere borefluidet eller slam mellom boreriggen og bunnen av brønnen. I alminnelighet blir borefluid pumpet ned gjennom borestrengen og ut gjennom borekronen og returnert til overflaten gjennom ringrommet dannet omkring borestrengen. Borefluidet tjener slike formål som fjerning av borkaks frembragt av borekronen fra brønn-boringen, kjøling av borekronen og smøring av borestrengen for å minske energien nødvendig for å rotere borerøret. Ved fullføring av brønnen blir en foring i alminnelighet ført ned i den og sementert for å fastholde foringen på plass.

Som tidligere nevnt er ved boring av brønner som benytter rotasjonsboreutstyr problemer med differensiell fastsetting av borestrengen noen ganger til stede. Disse problemene blir større ved boring av avviksborehull, spesielt ved avviksboring, idet borestrengen ligger på bunnen av den avbøyde delen av brønnhullet og borkaks har en tendens til å sedimentere omkring borestrengen. På grunn av at borestrengen og borkaks ligger langs bunnen av den avbøyde delen av brønn-hullet utgjør den delen av ringrommet som ligger over borestrengen som hovedstrøm for strømmen av slam og borkaks mot overflaten.

Fig. 1 viser en avbøyd brønnboring 1 som har en vertikal første del 3 som forløper fra overflaten 5 til et avvikspunkt 7 og en avbøyd andre del 9 av borehullet som forløper fra avvikspunktet 7 til borehullbunnen 11. Selv om den viste utførelsesformen viser en brønn som har en første vertikal del som forløper til et avvikspunkt er det også mulig å anvende foreliggende oppfinnelse ved andre brønntyper. F.eks. under visse typer av boreforhold hvor det bores i porøse formasjoner og hvor store trykkforskjeller er tilstede kan denne teknikken bli anvendt ved vertikal boring. Også noen avviksboringer må ikke ha den første vertikale delen som vist på fig. 1.

Et lede- eller overflateforingsrør 13 er vist i borehullet omgitt av en sementomhylling 15. En borestreng 17, som har en borekrone 19 ved dens nedre ende er anordnet i borehullet 1. Borestrengen 17 består av borerøret 21 og borekronen 19 og vil i alminnelighet innbefatte vektrør 23. Borerøret 21 består av rørskjøter som er sammenkoblet ved hjelp av gjengemuffer 25 og borestrengen kan også innbefatte slitasje-knuter for deres normale funksjon. I den avbøyde andre delen 9 hviler borestrengen normalt på den nedre siden 27 av borehullet.

Ved boring av brønnen blir borefluidet (ikke vist) sirkulert ned borestrengen 17, ut av borekronen 19 og returnert via ringrommet 29 til overflaten 5. Borkaks frembragt av borekronen 19 blir ført ut ved å returnere borefluidet i ringrommet 29 til overflaten. Borkakset (ikke vist) har en tendens til å sedimentere langs den nedre siden 27 av brønnen omkring borerøret 21.

Fig. 2 viser et snitt av en utførelsesform av stabilisatormaleinnretningen som kan bli benyttet ved utførelse av foreliggende oppfinnelse. Maleinnretningen utgjør en del av borestrengen og forbindes til borestrengen ved hjelp av en gjenget muffeende 33 ved dens øvre ende og en gjenget tappende 35 ved dens nedre ende. En mellomliggende gjenget muffeforbindelse 37 kan også være innbefattet for å forenkle fremstillingen og sammensettingen av maleinnretningen. Maleinnretningen har et indre kjerneelement innbefattende en fastkilet midtre del 41 som roterer med borestrengen og hvor det er festet dertil flere radialt utoverrettede maletenner 43 som også roterer med borestrengen.

Et ytre element 45 roterer fritt adskilt fra det indre kjerneelementet. Det utfyller i hovedsaken borehullet og innbefatter ribber 47 som forløper i lengderetningen og som passer mot borehullsveggen. Ved et sterkt avbøyd nesten horisontalt hull presser hele oppdriftsvekten av borestrengen ribbene til stabilisatoren mot den nedre borehullsveggen 27 slik at den forblir stasjonær relativt i forhold til denne. Det ytre elementet har flere radialt innoverrettede tenner 49 som samvirker med tennene til det indre elementet. De samvirkende tennene danner flere åpninger som tjener som sirkulasjonsporter gjennom hvilke slam og borkaks passerer. Tennene fanger opp de større borkaksdelene og maler de og reduserer således deres størrelse. Rotasjonsvirkningen til de samvirkende tennene reduserer størrelsen på borkakset inntil de er tilstrekkelig små for å kunne passere gjennom tennene. Et sett med lagre 51 understøtter det ytre elementet for konsentrisk rotasjon relativt i forhold til det indre elementet. Ved en alternativ utførelsesform, ikke vist, kan det ytre elementet bli anordnet eksentrisk i forhold til det indre kjerneelementet, slik at når borestrengen blir rotert vil den eksentriske monteringsinnretningen bevege borestrengen opp og ned eller fra side til side i en frem- og tilbakegående pumpevirkning. Denne virkningen vil også røre borkakset og bevirke en mer effektiv kontakt mellom det sirkulerende boreslammet og borkakset. Ved den frem- og tilbakegående virkningen har dessuten borestrengen en mindre tendens til å begrave seg selv fast i borkakset og således bli differensielt fastkilt.

Fig. 3 viser en andre utførelsesform av borestrømningsmale-innretningen som er noe annerledes enn den vist på fig. 2.

Ved denne utførelsesformen blir borestrengen 17 understøttet av lagre 53 for rotasjon i et ytre hus 55. Lagrene 53 er igjen anordnet i en åpen bærestøtte 57 som kan være sveiset til det ytre huset 55.

Et indre knuseelement 59 for maling med form av en avkortet kjegle er understøttet for rotasjon sammen med borestrengen og er forskyvbart langs borestrenger, som antydet med den strekede stillingen 59', mot virkningen til en spiralfjær 61. Flere tenner 63 er fastgjort til det indre knuseelementets 59 flate og kan være fremstilt av volframkarbidinnsatser. Den indre sylindriske overflaten til det ytre huset 55 danner det ytre slipende kjerneelementet og har også flere tenner 65, som kan være volframkarbidinnsatser.

Ved drift av denne utførelsesformen tillater fjæren 61 at det indre knuseelementet beveger seg oppover relativt i forhold til borestrengen og det ytre kjerneelementet for å redusere en for stor boreslamstrykkoppbygning, slik som når borkaks kiler fast strømmen med boreslam. Dessuten strømmer noe av boreslammet rundt siden av huset 55 selv om denne side-strømmen bør bli opprettholdt ved et minimum for å redusere sjansen for utvasking.

Fig. 4 viser en utførelsesform hvor borestrengen har en nedre del 67 som har en maleinnretning som kan være lignende den som er vist på fig. 2 og 3, men drevet ved hjelp av en slamdrivmotor nede i hullet. Maleinnretningen kan dessuten ha slamsirkulasjonsåpninger eller hull som gradvis avsmalner til mindre åpninger eller hull når rekken med roterende, malende blader vandrer oppover mot toppen av maleinnretningen. Korte rørelementer er spesielle anordninger som er gjenget slik at de kan bli festet til og fremstilt av en del av borestrengen og blir vanligvis benyttet for å utføre noen bestemte funksjoner. Ved foreliggende oppfinnelse innbefatter hvert korte rørelement en hydraulisk dreven motor og en borekutte-oppmaleinnretning drevet av motoren. Motorer ned i borehull er velkjent og innbefatter vanligvis turbinblader som blir drevet av sirkulerende slam. Borehullsmotorer som innbefatter flerkurvede stålaksler som roterer på innsiden av en ellip-tisk formet husåpning er velkjente. Boreslam som strømmer gjennom borehullsmotoren i hver nedre del 67 bevirker at turbinbladene eller den flerkurvede akselen roterer som igjen driver eller påvirker en slipeinnretning.

Claims (5)

1. Borestrengstabilisator for innkobling i en borestreng, hvor borestrengen har en borekrone ved sin nedre ende og hvor boreslam sirkuleres ned gjennom borestrengen og opp gjennom ringrommet mellom borestrengen og borehul lsveggen medbrin-gende borkaks, karakterisert ved at det oppadstrømmende boreslam tvinges til å strømme gjennom det indre av stabilisatoren, idet denne omfatter en maleinnretning for å redusere størrelsen av borkaksbitene.

2. Borestrengstabilisator ifølge krav 1, karakterisert ved at stabilisatoren har et indre element for maling som roterer med borestrengen og et ytre element for maling som samvirker med borehullet og forblir stasjonært i forhold til borehullet slik at borkaks blir malt mellom det indre og ytre elementet.

3. Borestrengstabilisator ifølge krav 2, karakterisert ved at det indre elementet har maletenner radialt utoverrettet og at det ytre element er forsynt med maletenner radialt innoverrettet.

4. Borestrengstabilisator ifølge krav 1 til 3, karakterisert ved at vektrøret er anordnet rett over borekronen og at stabilisatoren er anordnet over vektrøret.

5. Borestrengstabilisator ifølge krav 1, karakterisert ved at borestrengen dessuten innbefatter en slamturbinmotor ned i hullet som driver stabilisatoren og er anordnet i nærheten over vektrøret ned i hullet.