NO309905B1 - FremgangsmÕte og anordning for avviksboring - Google Patents

Abstract

Anordning og fremgangsmåte for å bevirke avvik av et borehull som bores ved hjelp av rotasjonsboring under anvendelse av en borkrone (24) med minst én dyse (38, 40, 42) gjennom hvilken et borefluid bringes til å strømme, slik at ved bruk vil borefluid-strammen gjennom dysen virke til at én sektor av borkronen (24) skjærer mer effektivt enn resten av borkronen. Fremgangsmåten omfatter modulering av borefluid-stremmen gjennom dysen, slik at når borkronen roterer blir skjærevirkningen til én sektor optimert når borkronen er i ønsket awiksretning, og minskes ved andre steder i borehullet. Anordningen omfatter en rotasjons-borkrone (24) med minst én dyse (38, 40, 42) og modulatorinnretninger for modulering av borefluidstrømmen gjennom dysen.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og anordning for styringen av fremdriftsretningen under boring av et borehull, f.eks. et borehull for en olje- eller gassbrønn.

Ved boring av et borehull for en olje- eller gassbrønn, er det ønskelig å kunne styre fremdriftsretningen av hullet under boring, ettersom det ofte er umulig eller uønsket å bore vertikalt fra overflaten for å nå mål-formasjonen. Ved fra-lands-boring er det f.eks. vanlig praksis fra et enkelt sted å bore flere borehull som stråler ut i forskjellige retninger; dette fordi det er økonomisk uønsket å måtte flytte borekonstruksjonen (halvt-nedsenkbar rigg, oppjekkbar rigg, boreplattform) for å bore flere brønner som ligger forholdsvis nær hverandre. Der de produserende formasjoner strekker seg horisontalt, men er forholdsvis tynne, er det dessuten ønskelig at borehullet forblir i den produserende formasjon så lenge som mulig, istedenfor at det strekker seg vinkelrett gjennom den, med sikte på å optimere produksjonen derfra.

Den for tiden vanligst anvendte metode for styring av boreretningen, er å bruke en brønnmotor og et bøyd mellomstykké ("sub") nær borkronen. I et slikt tilfelle bores brønnens innledende, vertikale del under anvendelse av en vanlig rotasjons-boreteknikk hvor hele borstrengen, med borkronen på dens ende, rote-res fra overflaten. Når det blir ønskelig å avvike boringen fra vertikalretningen, trekkes borestrengen opp og en awiksboring-bunnhullenhet (BHA) anvendes (BHA'en omfatter et bøyd mellomstykké, typisk med en avbøyning på 1/2 - 3°, og en brønnmotor som drives av det gjennomstrømmende boreslam og som virker til å rotere borkronen uten behov for borstreng-rotasjon). Borestrengen gjen-nedsenkes og dreies deretter inntil det bøyde mellomstykket vender borkronen i ønsket retning, og boring gjenopptas ved rotering av borkronen under anvendelse av brønnmotoren. Så snart ønsket avvik er oppnådd, kan rotasjonsboring gjenopptas for å holde, bygge eller falle fra den nye retning under anvendelse av en rett BHA.

Det er visse problemer med denne fremgangsmåte. Borehastigheten under boring med brønnmotor er lavere enn med rotasjonsboring, det er større sannsyn-lighet for at borestrengen vil bli påvirket av differensial-fastkjøring, og den tid det tar å skifte BHA minsker fremdriftshastigheten ytterligere. Følgelig er det ønskelig å tilveiebringe retningsstyring under rotasjonsboring.

I US 4.637.479 er det foreslått å tilveiebringe retningsstyring ved å styre borefluid-strømmen ved hjelp av stråledyser i borkronen, idet den ytterligere kraft på grunn av stråle-trykkraften gjør at borkronen virker mer effektivt i én seksjon av hullet enn i resten av hullet. Denne seksjonsmessige differering oppnås ved sek-sjonsmessig åpning og lukking av dysene i borkronen etterhvert som borkronen roterer, slik at dysene bare virker i én, utvalgt seksjon av hullet og således bevirker forbedret kutting ved hjelp av borkronen i denne seksjon; på denne måte bringes borkronens bane til å avvike. Imidlertid krever dette behov for sekvens-messig åpning og lukking av borkrone-dysene et tilhørende ventilarrangement og fluidtilførsel, med de meromkostninger som en slik komplisering innebærer. Foreliggende oppfinnelse søker å tilveiebringe et system for retningsstyring under rotasjonsboring, som anvender virkningen av borefluid-strømmen gjennom borkronen, men som ikke krever den sekvensmessige åpning og lukking av stråledysene i borkronen (og som følgelig ikke krever det tilhørende ventilarrangement og fluidtil-førsel til dysene), og foreslår at fluidstrømmen ganske enkelt kan moduleres istedenfor å omdirigeres.

I samsvar med et første aspekt ved foreliggende oppfinnelse er det følgelig tilveiebragt en fremgangsmåte for å bevirke avvik av et borehull som bores ved rotasjonsboring, under anvendelse av en borkrone som har minst én dyse gjennom hvilken et borefluid bringes til å strømme, slik at ved bruk vil borefluidstrøm-men gjennom denne dyse tillate én sektor av borkronen å kutte mer effektivt enn resten av borkronen, hvilken fremgangsmåte omfatter modulering av borefluid-strømmen gjennom denne dyse under borkronens rotasjon, slik at skjærevirkningen til den valgte sektor optimeres når den er i den ønskete awiksretning og reduseres ved andre steder i borehullet.

Foreliggende oppfinnelse har den fordel i forhold til kjent teknikk, at den ikke krever at hver dyse i borkronen må kunne styres uavhengig når det forekom-mer flere enn én stråledyse; det er den totale strømning gjennom borkronen som moduleres, og på grunn av denne modulering skaper strømmen gjennom dysene en asymmetri i kutte- eller skjærevirkningen som kan benyttes til å styre avviket.

Et andre aspekt ved oppfinnelsen tilveiebringer en anordning for styring av boreretningen i et borehull, hvilken anordning omfatter: en rotasjons-borkrone med minst én dyse for gjennomstrømning av et borefluid slik at borefluidstrømmen gjennom denne dyse over skjærestrukturer på borkronen bevirker en forholdsvis forbedret skjærevirkning av én seksjon av borkronen i forhold til resten av borkronen, kjennetegnet ved at anordningen omfatter en modulatorinnretning for å modulere skjærevirkningen av seksjonen ved å modulere mengden av borefluid som strømmer gjennom borkronen slik at den relativt sett forbedrede skjærevirkning oppstår i en ønsket awiksretning av hullet.

Midlene for modulering av strømmen utgjør fortrinnsvis en del av bunnhullenheten og kan innbefatte ytterligere midler for synkronisering av modulasjonen med borestrengens rotasjon. Når mer enn én dyse anvendes, moduleres borefluid-strømmen gjennom alle dysene samtidig. Midlene for modulering av strømmen er hensiktsmessig en strømnings-avbryter.

De ytterligere midler for synkronisering av borefluid-modulasjonen, kan innbefatte akselerometre og/eller magnetometre for detektering av borestrengens rotasjonsstilling. De ytterligere midler kan også omfatte midler for detektering av signaler fra overflaten, f.eks. trykkpulser i borefluid-tilførselen, for styring av modulasjonen og følgelig bore-retningen. Også midler for kommunisering av borkrone-stillingen til overflaten, igjen f.eks. trykkpuls-telemetri, kan være anordnet.

Dysearrangementet i borkronen kan omfatte en enkelt dyse som retter en strøm ved én del av borkronen. Alternativt kan det anvendes et antall dyser som er slik anordnet at strømmen fra dysene er rettet for å gi den ønskete virkning med hensyn til borkronens skjærevirkning - f.eks. rette strømmen fra én dyse ved arbeidsflaten og strømmen fra hvilke som helst andre dyser ved skjærestrukturene og borkronen for å virke som slampiler (mud picks). Dessuten eller alternativt kan dysenes indre geometri velges slik at strømningen er større i den aktuelle seksjon av borkronen i forhold til resten av borkronen.

Foreliggende oppfinnelse skal i det følgende, som eksempel, beskrives i til-knytning til de medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 viser en prøverigg for demonstrering av foreliggende oppfinnelse; Figur 2 viser et diagram over resultater av en boretest med avvik i én retning; Figur 3 viser et diagram tilsvarende figur 2, hvor awiksretningen er endret under prøven; Figur 4 viser en borkrone for bruk ved en fremgangsmåte på en anordning ifølge foreliggende oppfinnelse; og Figur 5 viser et skjematisk riss av anordningen ifølge foreliggende oppfinnelse.

Prøveriggen vist på figur 1 omfatter et kammer 10 som en borespindel 12 rager inn i. Borespindelen 12 er forbundet med en motor 14 og ei borefluid-tilførselsledning 16. En steinprøve 18 er anordnet under borespindelen 12 i kammeret. En mekanisme 20 er innrettet til å utsette prøve-borespindelen for en over-belastning, og et begrensningssystem 22 er anordnet for regulering av fluid-pore-trykket i prøven. Ved bruk blir en borkrone 24 montert på borespindelen 12 og bores inn i prøven under påvirkning av motoren 14. Borefluid sirkuleres gjennom borespindelen 12 og borkronen 24 ved hjelp av en pumpe 26. Borefluidet strøm-mer ut fra borkronen og hullet som bores i prøven, og det effektive trykk i hullet ved borkronen (bottom hole pressure) reguleres ved hjelp av en forsterker der borefluidet forlater kammeret. Enhver tendens til at borkronen avviker fra en rett bane under boring, detekteres ved hjelp av skjærkraft-følere 28 i borespindelen over borkronen.

Volumstrømmen fra pumpene er ca. 110 l/min. Volumstrømmen til borkronen reguleres ved hjelp av en styreventil (ikke vist). Dette slipper hele strømmen gjennom til borkronen eller avleder noe av strømmen til borehull-ringrommet gjennom dysene (se figur 4). Ventilåpningen og -stengningen er synkronisert med borkronens rotasjon, slik at strømmen til borkronen er høy (ca. 90% av volum-strøm) over 120° borkrone-rotasjon og reduseres deretter (til ca. 10%) over 240° rotasjon. Under perioden med lav strømning til borkronen, avledes strømmen til borehullet gjennom dysene, og opprettholder således et konstant trykkfall mellom pumpe-utstrømningen og bunnen i hullet.

Ventilen åpner og lukker ved hver omdreining av borkronen. Omdreinings-hastigheten er 30 omdr./min. Perioden med høy til lav strømning avhenger av konstruksjonen av ventil-bryterelementet. For disse prøver er ventilelementet konstruert for 120° høy strømning og 240° lav strømning, men det er en viss over-lapping mellom de høye og lave perioder, slik at den virkelige periode med høy strømning er noe større enn 120°.

Prøvedata

Prøvestykker: Richemont-kalkstein

Borkrone: 3/18" tri-cone, modifisert med to

dyser av typen "mud pick" og én

"spyledyse", som spyler inn i bore-

hull-hjørnet

Slam: Vannbasert CMC-polymer med en PV på

2,5 og en YP på 2,5

Venstre WOB: Ca. 4,5 kN

(vekt på borkronen)

SDPP: 7,6 MPa

(overflate-borrørtrykk = pumpeutløpstrykk)

SBHP: 3,0 MPa

(overflate-bunnhulltrykk = ringromtrykk)

Steinomslutningstrykk: 4 MPa

Stein-overbelastnings-

trykk: 1,5 MPa

Slamtemperatur: 18til24°C

Prøveriggen anvendes for fremskaffing av resultatene avmerket i figur 2 og 3.

Figur 2 viser et diagram over bøyemomentet sammenlignet med borkronens dreiestilling. I dette tilfelle skjer høystrømsperioden når "spyle"-dysen er i 120°-segmentet sentrert på 0° (øst). Bendemomentet er vist som et"+" på diagrammet, og sammenfaller med det foretrukne spyleslam, derved skjærevirkning på grunn av strøm-pulseringen.

Diagrammet vist i figur 3 omfatter innledningsvis en gjentagelse av diagrammet i figur 2 (og vist som "o" på diagrammet), men halvveis gjennom prøven ble strøm-pulseringen omstilt med 180°, slik at den sterke strømningen fant sted når spyledysen var i segmentet sentrert på 180° (vest) og er vist som "+" på diagrammet.

Borkronen som ble benyttet ved disse prøver er vist i figur 4 (sett nedenfra), og omfatter en rullemeiselkrone med tre kjegler 30, 32, 34 montert på et borkrone-legeme 36. Borefluid-dyser 38, 40, 42 er anordnet i borkronelegemet 36 mellom kjeglene 30, 32, 34 og er slik innrettet at to av dysene 38, 40 leder borefluid-strømmen F, F' direkte på de nærliggende kjegler 30, 32 for å virke som slampiler, og retter ikke noen strømning mot arbeidsflaten. Den resterende dyse 42 retter strømning F" inn i arbeidsflatens hjørne. Borefluid-strømmen er således asym-metrisk i forhold til borkronen, og på grunn av retningen av strømmen fra dysene vil borkrone-partiet nær dysen 42 få en forholdsvis forbedret skjærevirkning i forhold til resten av borkronen, når borefluid strømmer fra dysene. Denne forskjell blir større etterhvert som borefluid-strømmen gjennom borkronen øker. Hvis borefluid-strømmen pulseres slik at strømmen er sterk hver gang dysen 42 passerer punkt A på arbeidsflaten og svak under den øvrige del av omdreiningen, vil således borkronen bore fortrinnsvis i retning av punkt A. Selv om borkronen fremde-les skjærer bedre nær dysen 42 når strømmen er svak, er forskjellen sammenlignet med resten av borkronen liten, og betydelig mindre enn skjæreeffekten når strømmen er sterk. Det vil være klart at borefluid-strømmen må moduleres i henhold til stillingen av borkronen (dysene) i forhold til arbeidsflaten, og dette gjøres best én gang pr. omdreining (selv om lavere frekvenser kan benyttes).

Det skal forstås at det nøyaktige dyse-antall og -type kan varieres, med bi-behold av denne virkning. I det enkleste tilfelle er bare én dyse nødvendig, (f.eks. dysen 42), men dette kan under visse omstendigheter føre til borkrone-sammen-klumping, og derfor de andre to dyser 38, 40.

Den fullstendig bunnhullenhet for utførelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, er skjematisk vist i figur 5. Bunnhullenheten er forbundet

med en borestreng 50 gjennom hvilken det pumpes et borefluid fra overflaten, og omfatter en MWD (måling under boring) - og slampulstelemetri-pakke 52 som bl.a. muliggjør kommunikasjon mellom bunnhullenheten og overflateutstyr ved hjelp av positive trykkpulser i borefluidet. MWD-pakken 52 omfatter en slamstrøm-drevet generator som gir kraft til de forskjellige deler av bunnhullenheten. Under MWD-pakken 52 er det et retningsmåleverktøy 54 som måler retningen og skråningen til bunnhullenheten i borehullet, og som følgelig til enhver tid gir en indikasjon på boreretningen. Informasjon fra retningsmåleverktøyet 54 sendes til overflaten via MWD-pakken 52. En strømningsmodulator 56 er beliggende nær retningsmåle-verktøyet 54, og virker til å modulere borefluidstrømmen gjennom borkronen 58,

for derved å bevirke avviket i boreretningen. Borkronen 58 oppviser det ovenfor beskrevne, asymmetriske strømningsmønster gjennom dysene. Strømnings-modulatoren 56 innbefatter en føler som angir borkronens stilling i borehullet under rotasjon, og bevirker modulering av borefluid-strømmen gjennom borkronen 58 i henhold til borkronens 58 stilling i forhold til arbeidsflaten som beskrevet i for-bindelse med figur 4. Instruksjoner bringes fra overflaten via MWD-pakken 52 til modulatoren 56 for styring av boreretningen. Retningsmåleverktøyet 54 gir en indikasjon på borehullets aktuelle bane, og modulatoren 56 styres for å bringe borkronen 58 til å avvike i ønsket retning.

Claims (10)

1. Anordning for styring av boreretningen til et borehull (12), omfattende en rotasjons-borkrone (24) med minst én dyse (38, 40, 42) for gjennomstrømning av et borefluid slik at borefluidstrømmen gjennom denne dyse (42) over skjærestrukturer på borkronen (24) bevirker en forholdsvis forbedret skjærevirkning av én seksjon av borkronen i forhold til resten av borkronen, karakterisert ved at anordningen omfatter en modulatorinnretning for å modulere skjærevirkningen av seksjonen ved å modulere mengden av borefluid som strømmer gjennom borkronen (24) slik alden relativt sett forbedrede skjærevirkningen oppstår i en ønsket awiksretning av hullet.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at modulatorinnretningen er en strømningsavbryter som utgjør en del av borestreng-bunnhullenheten.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den omfatter synkroniseringsmidler som synkroni-serer moduleringen av borefluid-strømmen med borkronens rotasjon.

4. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at synkroniseringsmidlene omfatter en detektor for detektering av signaler fra overflaten.

5. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter en overføringsinnretning (52) for kommunisering til overflaten av signaler som angir borkronens (24) stilling.

6. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at dysearrangementet i borkronen omfatter en enkelt dyse som retter en strøm på én del av borkronen (24).

7. Anordning ifølge krav 1 til 5, karakterisert ved at dysearrangementet omfatter et antall dyser (38, 40, 42) og at strømmen fra én dyse (42) rettes mot arbeidsflaten og strømmen fra de øvrige dyser (38, 40) rettes mot skjærestrukturer på borkronen (24) for å virke som slampiler.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at dysenes (38, 40, 42) indre geometri er slik at det er sterkere strømning i én seksjon av borkronen sammenlignet med resten av borkronen.

9. Fremgangsmåte for å bevirke avvik av et borehull (12) som bores ved hjelp av rotasjonsboring under anvendelse av en borkrone (24) med minst én dyse (42) gjennom hvilken et borefluid bringes til å strømme slik at ved bruk vil borefluid-strømmen gjennom denne dyse (42) tillate en sektor av borkronen (24) å skjære mer effektivt enn resten av borkronen, omfattende modulering av borefluidstrøm-men gjennom denne dyse (42) når borkronen (24) roterer, slik at skjærevirkningen av den valgte sektor optimeres når den er i ønsket awiksretning og minskes ved andre steder i borehullet (12).

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at moduleringen av borefluidstrømmen synkroniseres med borkronens (24) rotasjon i borehullet (12) under boring.