NO20110679A1 - Selvstabiliserte og antivirvel-borkroner og bunnhullssammemstillinger og systemer til bruk med disse - Google Patents

Description

OMRÅDE FOR OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse angår systemer og fremgangsmåter for å forhindre virvelbevegelse og andre avvik av borkronen og/eller bunnhullssammenstillingen under boring innen en brønn.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Borkrone-virvelbevegelse og avvik er et betydelig problem innen boreindustrien. Olje, gass, vann og andre naturressurser er ofte lokalisert mellom 4000 og 10000 fot under grunnen. Som et resultat, kan selv et en-gradsavvik av en brønn resultere i en betydelig økning i boredistanse, tid og kostnad.

I noen anvendelser søker boreren en vertikal brønnboring. En glatt vertikal brønnboring tilrettelegger for setting av større foringsrør med minimal klaring og tilbyr muligheten av å benytte en ekstra streng av foringsrør ved et senere stadium i brønnkonstruksjonsoperasjoner. En brønnboring som drifter bort fra og tilbake til vertikalen kan eliminere dette valg. Hvis i tillegg flere brønnboringer er boret fra en enkel plattform, kan avvik forårsake borestrengkollisjoner.

Selv i kontrollert styring eller retningsborings-anvendelser, kan det være i høy grad ønskelig å opprettholde den ønskede bane, f.eks. ved boring til mål under forskutt fjell, i sterkt hellende bunn, eller i tektoniske aktive områder.

I tillegg fører borkrone-virvelbevegelse, en tilstand hvor borkronens rotasjonssenter flytter seg bort fra sitt geometriske senter, føre til flere problemer. Disse problemer innbefatter ikke-sylindriske hull, brønnboringsawik og overflødig borkroneslitasje.

Konvensjonelle anti-virvelborkroner forsøker å redusere virvelbevegelse ved å skape en ubalansert sidekraft ved kutter(e)-fjellinteraksjon. Denne ubalansekraft vil kun ha en forutsigbar størrelse og retning hvis kuttevirkningen er jevn og kontinuerlig og kutterne ikke er slitt eller skadet. Ingen av disse forhold skjer regelmessig da kuttevirkning ofte er en atskilt prosess istedenfor en kontinuerlig, (som når kutterne genererer avskallinger istedenfor kontinuerlige avskjæringer). Når steinen (fjellet) er fjernet ved en avskallingsvirkning, er størrelsen og retningen verken konstant eller forutsigbar.

Følgelige, er det fortsatt et behov for apparat og metodikk for å forhindre virvelbevegelse og avvik.

BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For en bredere forståelse av opprinnelsen og ønskede mål med den foreliggende oppfinnelse, er referanse gjort til den følgende detaljerte beskrivelse sett i forbindelse med de vedføyde tegningsfigurer hvor like referansenummer angir tilsvarende deler ut gjennom de forskjellige riss og hvori: Fig. 1 illustrerer et brønnstedsystem hvor den foreliggende oppfinnelse kan anvendes.

Fig. 2 illustrerer en borkrone i henhold til de foreliggende oppfinnelser.

Fig. 2A illustrerer en borkrone i henhold til de foreliggende oppfinnelser innen et borehull. Fig. 3A illustrerer et tverrsnitt av en borkrone sentrert innen et borehull. Fig. 3B illustrerer et tverrsnitt av en borkrone lokalisert ut av senter innen et borehull.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer apparat og fremgangsmåter for å forhindre virvelbevegelse og andre avvik av borkronen og/eller bunnhullssammenstillingen under boring innen et brønnboring.

Oppfinnelsene tilveiebrakt heri er tilpasset til bruk i et område av boreope-rasjoner slik som olje-, gass- og vannboring. Således er borkronelegemet kon-struert for innlemmelse i brønnstedsystemet som vanligvis er benyttet innen olje-, gass- og vannindustrier. Et eksemplifiserende brønnstedsystem er vist i fig. 1.

Fig. 1 illustrerer et brønnstedsystem hvor den foreliggende oppfinnelse kan anvendes. Brønnstedet kan være på land eller til havs. I dette eksemplifiserende system, er et borehull 11 formet i underoverflate-formasjoner ved rotasjonsboring på en måte som er velkjent. Utførelser av oppfinnelsen kan også benytte retningsboring, som vil beskrives heretter.

En borestreng 12 er opphengt innen borerør 11 og har en bunnhullssammenstilling 100 som innbefatter en borkrone 105 ved sin nedre ende. Overflatesystemet omfatter plattform og boretårnsammenstilling 10 posisjonert over borehullet 11, sammenstillingen 10 innbefatter et rotasjonsbord 16, kelly (drivrør) 17, krok 18 og rotasjonssvivel 19. Borestrengen 12 er rotert ved rotasjonsbordet 16, aktivert av innretninger som ikke er vist, som opptar drivrøret 17 ved den øvre ende av borestrengen. Borestrengen 12 er opphengt fra en krok 18, festet til en løpeblokk (ikke vist), gjennom drivrøret 17 og en rotasjonssvivel 19 som tillater rotasjon av borestrengen i forhold til kroken. Som vel kjent, kunne et toppdrevet rotasjonssystem alternativt vært benyttet.

I eksempelet til denne utførelse, innbefatter overflatesystemet videre borefluid eller slam 26 lagret i en grop 27 formet ved brønnstedet. En pumpe 29 leverer borefluidet 26 til det indre av borestrengen 12 via en port i svivel 19, som bevirker at borefluidet strømmer nedover gjennom borestrengen 12 som indikert ved retningspilen 8. Borefluidet går ut av borestrengen 12 via porter i borkronen 105, og sirkulerer oppover gjennom ringromsområdet mellom utsiden av borestrengen og veggen av borerøret, som indikert ved retningspilene 9. På denne velkjente måte, smører borefluidet borkronen 105 og fører formasjons-avskjæringer opp til overflaten ettersom det returnerer til gropen 27 for resirkulasjon.

Bunnhullsammenstillingen 100 til den illustrerte utførelse innbefatter en logging-under-boring (LWD)-modul 120, en måling-under-boring (MWD)-modul 130, et rotostyrbart system og motor, og borkrone 105.

LWD-modulen 120 er anordnet i en spesiell type av vektrør, som er kjent på fagområdet, og kan inneholde én eller flere av kjente typer av loggeverktøy. Det vil også forstås at flere enn én LWD- og MWD-modul kan være anvendt, f.eks. som representert ved 120A. (Referanser, ut gjennom, til en modul ved posisjonen til 120 kan alternativt bety en modul ved posisjonen av 120A også). LWD-modulen innbefatter muligheter for måling, behandling, og lagring av informasjon, så vel som kommunikasjon med overflateutstyret. I den foreliggende utførelse, innbefatter LWD-modulen en trykkmålingsanordning.

MWD-modulen 130 er også anordnet i en spesiell type av vektrør, som er kjent på området, og kan inneholde én eller flere anordninger for å måle egen-skaper av borestrengen og borkronen. MWD-verktøyet innbefatter videre et apparat (ikke vist) for å generere elektrisk kraft til brønnhullssystemet. Dette kan typisk innbefatte en slamturbin-generator drevet av strømmen av borefluid, det skal forstås at andre kraft- og/eller batterisystemer kan anvendes. I den foreliggende utførelse innbefatter MWD-modulen én eller flere av følgende typer av måleanordninger: en vekt-på-borkrone-måleanordning, en momentmåle- anordning, en vibrasjons-måleanordning, en støt-måleanordning, en feste/glide-måleanordning, en retnings-måleanordning og en helnings-måleanordning.

En spesiell fordelaktig bruk av systemet er i forbindelse med kontrollert styring av "retningsboring". I denne utførelse, er et rotorstyrbart undersystem 150 (fig. 1) fremskaffet. Retningboring er det antatte avvik av brønnboringen fra banen den naturlig vil innta. Med andre ord, er retningsboring styringen av borestrengen slik at den beveger seg i en ønsket retning.

Retningsboring er, f.eks., fordelaktig i offshore boring fordi den muliggjør at mange brønner kan bores fra en enkelt plattform. Retningsboring muliggjør også horisontal boring gjennom et reservoar. Horisontal boring muliggjør en lengre lengde av brønnboringen som kan krysse reservoaret, som øker produksjons-mengden fra brønnen.

Et retningsboringssystem kan også være benyttet i vertikal boreoperasjon. Ofte vil borkronen dreie av en planlagt borebane på grunn av den uforutsigbare naturen til formasjonene som penetreres eller de varierende kreftene som borkronen erfarer. Når et slikt avvik oppstår, kan et retningsboringssystem være benyttet for å føre borkronen tilbake på kurs.

En kjent fremgangsmåte for retningsboring innbefatter bruken av roterbare styresystemer ("RSS"). I et RSS, er borestrengen rotert fra overflaten, og brønnhullsanordninger bevirker at borkronen borer i den ønskede retning. Rotering av borestrengen reduserer i høy grad hendelsene av at borestrengen henger seg opp eller setter seg fast under boring. Roterbare styreboresystemer for boring av avviksborehull inn i jorden kan generelt klassifiseres som enten "point-the-bit"

(peking av borkronen)-systemer eller "push-the-bit" (skyvning av borkronen)-systemer.

I peke-borkrone-systemet, er rotasjonsaksen til borkronen avveket fra den lokale akse til bunnhullssammenstillingen i den generelle retning av det nye hullet. Hullet går fremover i henhold til vanlig tre-punkts geometri definert ved øvre og nedre stabiliserings-berøringspunkter og borkronen. Awiksvinkelen til borkroneaksen, koplet med en endelig avstand mellom borkronen og nedre stabiliserings-rør, resulterer i den ikke-kolineære tilstand påkrevet for at en bue genereres. Det er mange måter som dette kan oppnås på, innbefattende en fast bøy ved et punkt i bunnhullssammenstillingen nær det nedre stabiliseringsrør eller en fleksing av borkrone-drivakselen fordelt mellom de øvre og nedre stabiliseringsrør. I sin ideelle form, er borkronen ikke påkrevet å skjære sideveis fordi borkroneaksen er kontinuerlig rotert i retningen av det buede hull. Eksempler på peke-borkronetype roterende styrbare systemer, og hvorledes disse opererer, er beskrevet i US-patentsøknad publikasjonsnr. 2002/0011359; 2001/0052428 og US-patent nr. 6,394,193; 6,364,034; 6,244,361; 6,158,529; 6,092,610; og 5,113,953 alle heri innlemmet ved referanse.

I det skyveborkrone-rotasjonsstyrbaresystemet er det vanligvis ingen spesielt identifisert mekanisme for å avvike kroneaksen fra den lokale bunnhulls-sammenstillingsakse; i stedet er den påkrevde ikke-kolineære tilstand oppnådd ved å bevirke den ene eller begge av de øvre og nedre stabiliseringsrør til å påføre en eksentrisk kraft eller forskyvning i en retning som er foretrukket orientert med hensyn til retningen av hullutbredelse. Igjen, kan det være mange måter som dette kan oppnås på, innbefattende ikke-roterende (med hensyn til hullet) eksentriske stabiliseringsrør (forskyvningsbaserte tilnærminger) og eksentriske aktuatorer som påfører kraft til borkronen i den ønskede styreretning. Igjen, er styring oppnådd ved å skape ikke-kolineraritet mellom borkronen og i det minste to andre berøringspunkter. I dens idealiserte form, er borkronen påkrevet å skjære sideveis for å generere et buet hull. Eksempler på skyveborkronetype-rotasjons-styrbaresystemer, og hvorledes de opererer er beskrevet i US-patenter nr. 5,265,682; 5,553,678; 5,803,185; 6,089,332; 5,695,015; 5,685,579; 5,706,905; 5,553,679; 5,673,763; 5,520,255; 5,603,385; 5,582,259; 5,778,992; 5,971,085 alle er innlemmet med referanse.

Spesielle utførelser av oppfinnelsen beskrevet heri, tilveiebringer borkroner 105 og bunnhullssammenstillinger 100 for å redusere virvelbevegelse og/eller avvik.

Anti- virvelkroner

Fig. 2 viser en borkrone 105. Borkronen 105 innbefatter en bakre ende 202 og et kutteparti 204. Bakre ende 202 er tilpasset for direkte eller indirekte forbindelse med borestreng 12. Kuttepartiet 204 innbefatter én eller flere ribber 206a, 206b, 206c, 206d. Ribber 206 innbefatter måleseksjoner 208, som kontakter veggene til borerøret som har blitt boret av kuttere 210. Selv om kuttere 210 kun er vist på ribbe 206b, kan kuttere 210 være utformet på et flertall eller alle ribber 206 som fordelaktig for spesielle boresituasjoner.

I utførelser til den foreliggende oppfinnelse, er én eller flere dyser 212 lokalisert på det ytre av borkrone 105. Dyser 212 kan være lokalisert på mål (kaliber) -seksjoner 208 eller i daler 214 mellom ribber 206. Dysene 212 tillater fluid 26 fra det indre av borestreng 12 å gå ut av borkronen for å oppnå stabilitet og redusere virvelbevegelse. Ytterligere dyser kan være lokalisert på borkrone 105, f.eks. på den fremre ende 216 for smøring og fjerning av avskjæringer som er velkjent på fagområdet.

I noen utførelser, inneholder borkrone 105 en enkel dyse 212. Borefluid 26 strømmer fra dyse 212, og kontakter veggen til borehullet 11, og skaper en sidekraft som er vesentlig perpendikulær til orienteringen av dyse 212 og målseksjon 208. Denne kraft, skaper en anti-virveleffekt.

I noen utførelser er dysen 212 posisjonert vesentlig motsatt fra hoveddelen av kuttere 210. For eksempel, hvis kutterne 210 er lokalisert langsgående langs borkronen 105, kan dysen 212 være lokalisert omkring 180° fra kutterne 210.1 en slik utførelse skaper borefluid, frigjort fra dysen 212, en sidekraft som skyver kronen i retningen av kutterne 210. Denne utførelse (1) bevirker en økt kontakt mellom kuttere 210 og veggen av borehull 11, og/eller (2) nøytraliserer sidekrefter som kommer fra kontakt mellom kutterne 210 og borehullsveggen.

I andre utførelser er dysen 212 posisjonert omtrent 90° bak hoveddelen av kutterne 210. Som illustrasjon på dette prinsipp, kan situasjonen, vist i fig. 2A, betraktes. Borkrone 105 roterer mot klokkeretning i borehullet 11. Kuttere 210 er omtrent i ferd med å støte mot et fremspring 218 fra borehullsvegg 220. Hvis fremspring 218 er av spesielt sterkt materiale, vil fremspringet forbli intakt i det minste øyeblikkelig når det først kontaktes av kuttere 210. Rotasjonskraften på borkronen 105, vil bevirke at borkronen 105 beveger seg i den negative y-retning inntil målpute 206a, kontakter borehullsvegg 220. Imidlertid, hvis dyse 212 er lokalisert på målpute 206a, vil borefluidet 26 generere en kraft i den positive y-retning, som motvirker tendensen til at borkrone 105 beveger seg fra senter. Dessuten, beveger den positive y-kraft hele kronen 105, og derved tilveiebringer ytterligere kraft til kuttere 210 og hjelper til med borehulls-utbredelsen.

Andre kuttere 210- og dyse 212-utforminger er innen området for disse oppfinnelser. For eksempel, kan totalkraftvektoren generert ved rotasjonen av borkronen 105 og kontakt med et flertall av kuttere 210 beregnes ved å benytte kjente ligninger og teknologi. Dysen 212 kan utformes for å motvirke de mest sannsynlige kraftvektorer.

Ved å utnytte den hydrauliske kraft til borefluid 26 fra dyse 212, produserer borkroner 105 en mer forutsigbar og konstant ubalansekraft for å redusere og/eller forhindre kronevirvelbevegelse. Retningen av ubalansekraften er kjent gitt posisjonen av porten. Størrelsen av ubalansekraften er en funksjon av avstanden mellom dysen 212 og borehullsvegg 220, differensialtrykket mellom borefluidet 26

i borehullet og borefluidet 26 i borestrengen 12, og geometrien (f.eks. form og størrelse) av dysen 212. Videre bør ikke slitasje og skade på kutterne 210 påvirke amplituden og retningen av sidekraften.

I noen utførelser, er det utvendige av dyse 212 omgitt av hevede ringrom og andre geometriegenskaper for å danne større hydraulisk trykk ettersom borefluidet 26 går ut av dyse 212. En slik egenskap, og/eller den hele målseksjon 206 kan være belagt med eller fabrikkert helt fra et slitasje-motstandsdyktig eller hardbelagt materiale, slik som polykrystallinsk diamant (PCD).

Selvstabiliserte kroner og bunnhullssammenstillinger

En annen utførelse av oppfinnelsen benytter én eller flere dyser 212 for å stabilisere en borkrone 105 og/eller bunnhullssammenstilling (BHA) innen et borehull.

Fig. 3A viser et tverrsnitt av en borkrone 105 med tre målputer 206a, 206b, 206c, generelt atskilt (f.eks. 120° på senter) rundt periferien av borkronen 105, hver har henholdsvis en dyse 212a, 212b, 212c. Borefluid 26 (representert ved de tykke linjene) strømmer fra innsiden av borkronen 105 gjennom dyse 212a, 212b, 212c.

Borkronen 105, vist i fig. 3A, er generelt sentrert innen borehull 11. Følgelig, vil enhver hydraulisk kraft, skapt av borefluidet kansellere hverandre. Imidlertid, hvis borkrone 105 beveger seg fra senter, som vist i fig. 3B, vil amplituden til kraftvektoren generert av borefluid 26 fra dyse 212a øke ettersom rommet mellom dyse 212a og borehullsvegg 220 avtar. Samtidig vil enhver kraftvektor generert av dyse 212b og 212c avta og resultere i en netto kraftvektor (representert ved pil 222) som skyver kronen bort fra veggen 220.

I noen utførelser, er fluidstrømning til den ene eller flere dyser begrenset av én eller flere ventiler (f.eks. strupeventiler). En enkel ventil kan være forbundet til hver dyse ved rørsystem eller andre midler. Mer foretrukket er hver dyse selvstendig regulert av en separat ventil. Selvstendig (uavhengig) regulering sikrer at volumet av borefluid 26 som strømmer til en spesiell dyse 212 ikke øker utover en ønsket terskel for på den måten å forhindre andre dyser 212 eller porter (f.eks. porter lokalisert på den fremre kant 216 til borkronen 105).

Idet utførelser i figurene 3A og 3B viser en borkrone 105 med tre dyser 212, innbefatter oppfinnelsen beskrevet heri bruken av fluid med ethvert antall av dyser 212 for stabiliseringen av en borkrone 105 eller bunnhullssammenstilling. For eksempel vil en borkrone 105 med en enkel dyse produsere en lignende effekt som en borkrone 105 med tre dyser. Ettersom borkrone 105 roteres, vil kraften generert av den enkle dyse øke i amplitude ettersom dysen føres gjennom områder hvor borkrone 105 er nærmere borehullsveggen 220. Denne økte kraft vil presse borkrone 105 tilbake til senter. Videre, er borkroner og bunnhullssammenstillinger med to, tre, fire, fem eller seks dyser, og lignende innen området av oppfinnelsen.

Prinsippene beskrevet heri kan anvendes for stabiliseringsputer lokalisert langs det utvendige av bunnshullssammenstillingen 100 og andre partier av borestrengen 12. Stabiliseringsputer virker likeledes på målputer for å minimalisere bevegelse av bunnhullssammenstillingen og borestrengen. I en slik utførelse, er én eller flere dyser tilført til én eller flere stabiliseringsputer for å tillate borefluid 26 å virke som beskrevet heri.

Kombinasjon antivirvel og selvstabiliserende kroner

Prinsippene med anti-virvel og selvstabiliserende kroner beskrevet heri, kan kombineres for å fremstille en krone 105 som produserer netto ubalansert sidekraft for å redusere virvelbevegelse idet den fremdeles tilveiebringer én eller flere dyser for å korrigere et avvik fra senter av borehullet 11.1 en slik utførelse, er én av et flertall av dyser 212 større i tverrsnittsareal for å produsere en ubalanse-sidekraft.

Den foregående beskrivelse og tegninger som danner del herav er illustrative i sin natur og demonstrerer visse foretrukne utførelser av oppfinnelsen. Det skal imidlertid erkjennes og forstås at beskrivelsen ikke skal anses som begrensende for oppfinnelsen fordi mange forandringer, modifikasjoner og variasjoner kan gjøres deri av de som er faglært på området uten å avvike fra det vesentlige beskyttelsesområde eller intensjonen for oppfinnelsen.

Claims (17)

1. Borkrone, karakterisert vedat den omfatter: et indre hulrom i fluidkommunikasjon med en borestreng; og et flertall av målputer lokalisert på det ytre av borkronen, én eller flere av målputene har en dyse i kommunikasjon med det indre hulrom, hvori borkronen er utformet slik at et fluid kontinuerlig strømmer fra hver av dysene for å tilveiebringe en netto stabiliseringseffekt.

2. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert vedat fluidstrømning er tilstrekkelig til å presse borkronen bort fra en vegg av et borehull.

3. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert vedat borkronen omfatter et flertall av målputer med en dyse i kommunikasjon med det indre hulrom.

4. Borkrone ifølge krav 3, karakterisert vedat borkronen omfatter tre målputer med en dyse i kommunikasjon med det indre hulrom.

5. Borkrone ifølge krav 4, karakterisert vedat dysene er atskilt omkring 120° på senter rundt det ytre av borkronen.

6. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert vedat én av dysene har et større tverrsnittsareal enn de andre dyser.

7. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert vedat den videre omfatter: en ventil utformet for å regulere den totale strømning av fluid til den ene eller flere dyser.

8. Borkrone ifølge krav 1, karakterisert vedat den videre omfatter: én eller flere ventiler, hver ventil er utformet for å regulere strømningen av fluid til en enkel dyse.

9. Bunnhullsammenstilling, karakterisert vedat den omfatter: et indre hulrom i fluidkommunikasjon med en borestreng; og et flertal av stabiliseringsputer lokalisert på det ytre av bunnhullssammenstillingen, hvori i det minste én eller flere av målputene har en dyse i kommunikasjon med det indre hulrom for å tilveiebringe en netto stabiliseringskraft til bunnhullssammenstillingen.

10. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 9, karakterisert vedat bunnhullssammenstillingen er utformet slik at et fluid kontinuerlig strømmer fra hver av den ene eller flere dyser.

11. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 10, karakterisert vedat fluidstrømning er tilstrekkelig for å presse borkronen bort fra en vegg av et borehull og dermed stabilisere nevnte borkrone i borehullet.

12. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 9, karakterisert vedat bunnhullssammenstillingen omfatter et flertall av stabiliseringsputer med en dyse i kommunikasjon med det indre hulrom.

13. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 12, karakterisert vedat bunnhullssammenstillingen omfatter tre målputer med en dyse i kommunikasjon med det indre hulrom.

14. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 13, karakterisert vedat dysene er atskilt omkring 120° på senter rundt det utvendige av bunnhullssammenstillingen.

15. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 9, karakterisert vedat den videre omfatter: en ventil utformet for å regulere den totale strømning av fluid til dysene for å tilveiebringe en netto stabiliserende effekt på bunnhullssammenstillingen innen et borehull.

16. Bunnhullsammenstilling ifølge krav 9, karakterisert vedat den videre omfatter: én eller flere ventiler, hver ventil er utformet for å regulere strømning av fluid til en enkel dyse for å tilveiebringe en netto stabiliserende effekt til bunnhullssammenstillingen innen borehullet.

17. Brønnstedsystem, karakterisert vedat det omfatter: en borestreng; et drivrør koplet til borestrengen; og en borkrone som omfatter: et indre hulrom i fluidkommunikasjon med en borestreng; og et flertall av målputer lokalisert på det ytre av borkronen, én eller flere av målputene har en dyse i kommunikasjon med det innvendige hulrom, hvori borkroen er utformet slik at et fluid kontinuerlig strømmer fra i det minste én av nevnte dyser for å tilveiebringe en netto stabiliserende effekt på brønnstedsystemet.