NO313468B1 - Fremgangsmåte og apparat for optimalisert boring - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører boring i undergrunnen.

Teknisk bakgrunn

I dag foregår all olje- og gassboring ved hjelp av PDC-(Polycrystalline Diamond Compact) kroner som skjærer og rulleborekroner som knuser. PDC-kroner brukes i den mykeste type stein, rulleborekroner i den hardeste.

Boringen foregår ved at man roterer kronen samtidig som man presser kronen med et visst trykk mot bunnen av hullet. Blir trykket for høyt, river man av kutterne på PDC-kroner eller lagrene går i stykker på rulleborekronene. Uansett får kronene kort levetid, og deler (ofte harde deler som må fiskes opp) blir liggende igjen i hullet. Er vekten på kronen for liten, blir boringen ineffektiv.

For å bedømme om man har rett vekt på kronen når man borer har man en vektcelle som måler hvor mye vekt man har i løf-teblokken som holder borerøret med krone.

Før man når bunnen, lar man borestrengen rotere og avleser vekten. Når borekronen når bunnen, avlastes vekten og man kan i teorien se hvilken avlastning som tilsvarer vekten på borekronen. Problemet er bare det at når man borer på 4000m er vekten av strengen 100 tonn og trykket på kronen skal være 5 tonn + 1 tonn. Viseren på vektcellen vibrerer mer enn + 1 tonn, så vekten kan være fra 0-10 tonn fordi regu-leringen skjer med mer eller mindre mating av streng som gjøres etter borerens erfaring. Legg til de vanskeligheter som kommer i tillegg når man borer fra et fartøy som beve-ger seg opp og ned i bølgene. Dette skal motvirkes av hiv-kompensatorene, men usikkerheten i vekten/trykket på kronen blir større.

I boring etter gass og olje sirkulerer man vann (som regel tilsatt leire (slam)) ned i borestrengen og ,opp i hullet mellom borestreng og fjellvegg. Denne sirkulasjon av vann (slam) har mange årsaker som kan beskrives: 1. Primært å få løftet opp borkaks (utboret fjell) til overflaten.

2. For å kjøle ned borekronen.

3. For å motvirke at hullet kollapser.

4. Ved å tilsette mye leire, kan egenvekten økes helt til 2.2. Plutselig trykkøkninger når man finner ol-je, gass kveles av den tunge væsken og hindrer ut-blåsning . 5. Hvis strengen står stille som ved kveilerør, kan man drive en motor rundt som igjen driver borekronen rundt. 6. I bløtt fjell kan man spyle gjennom dyser for å oppnå at boringen går med dobbel hastighet.

For å få sirkulasjonen til å gå har man slampumper med stempler som ofte har et maksimaltrykk opp mot 500 bar.

Nylig har det blitt utviklet en hammer som drives av trykk-vann i stedet for trykkluft. Opprinnelig var den tenkt å erstatte trykklufthammere for å unngå støvplager i gruve-gangene når man borer hull (4 W) for lading med spreng-stoff. Vi har tatt den i bruk for å bore dype hull for ol-je/gass og geotermiske brønner fordi den er 10 ganger mer effektiv i harde bergarter som basalt og granitt enn rulleborekroner, og kronene varer 10 ganger så lenge.

For at en hammer skal virke, må den dreies sakte rundt ca. 30-60 omdreininger per minutt for en 4 W krone og tilsva-rende sakte ved større kroner. Hammeren kan dreies på to måter; enten ved å dreie borestrengen, eller bruke stillestående streng og en motor nede i borehullet som dreier hammeren.

Et annet krav for at hammeren skal bore effektivt, er at den føres mot bunnen med ett trykk på 1 tonn + 500kg (4

Det sier seg selv at med regulering etter vekt er dette nesten umulig å få til.

Forsøk viser at inndriften bare blir 5m/time og kronene går fort i stykker. Det skyldes sannsynligvis et fenomen som kalles "slip-sticking"; når trykket mot bunnen er stort roterer ikke kronen, men bare strengen elastisk. Ved 4000 m roterer strengen mange ganger rundt mens kronen står stille. Når strengen er tilstrekkelig spunnet opp blir den kor-tere og letter fra bunnen. Den elastiske energien oppsamlet i strengen får kronen til å rotere fort uten å slå fordi den er løftet litt over bunnen. I siste del av syklusen er kronen på vei ned mot bunnen med normal rotasjon og i et kort øyeblikk før lasten blir for stor, borer kronen noen centimeter.

Det ser ut til at dette ustabilitetsproblem bare kan løses på en måte; med full kontroll over vekten på borekronen kontinuerlig.

Kjent teknikk

Fra tidligere er det kjent fremgangsmåter ved boring hvor tilstanden nedhulls måles med sensorer plassert ved borekronen. Resultatet sendes opp til overflaten med slampuls-telemetri. Dette er en meget treg overføringsmetode. For å få raskere indikasjon på hva som skjer nede i borehullet, er det fra US-patent 5,654,503 kjent en fremgangsmåte hvor man først bestemmer en korrelasjon mellom tilstander nede i hullet og parametre målt på overflaten. Målinger på overflaten kan da brukes til å estimere en tilstand nede i hullet .

Sammenfatning av oppfinnelsen

Hensikten med oppfinnelsen er å oppnå en innretning og en fremgangsmåte for boring av hull i undergrunnen som unngår de ovenfor nevnte ulemper. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en innretning og en fremgangsmåte for boring som tilla-ter jevn og høy avvirkning, og som gir lengre levetid for borekronene.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er at man oppnår raskere tilbakemeldinger om forholdene som kronen/hammeren arbeider under, og at disse meldinger er mer nøyaktige og entydige enn det som kan oppnås i tidligere kjente systemer. Dette gjør at boringene kan skje under sikrere betingelser, idet feilforhold kan oppdages hurtigere, videre at man ikke er så avhengig av borepersonellets erfaring for empirisk sty-ring av boreforløpet, og at boreprosessen lettere kan auto-matiseres. Samtidig er innretningen og fremgangsmåten iføl-ge oppfinnelsen mer kostnadseffektiv enn kjente alternative løsninger.

Dette oppnås med en innretning og en fremgangsmåte for op-timalisert boring, slik det fremgår av de etterfølgende patent krav .

Kortfattet beskrivelse av tegningen

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med henvis-ning til den medfølgende tegning som viser en oppstilling for boring av hull i undergrunnen, og som benytter oppfinnelsen .

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I det etterfølgende eksempel vil det bli beskrevet en utfø-relse av oppfinnelsen hvor det benyttes en borerigg for boring med kveilerør og borhammer, samt en motor nede i borehullet som dreier borhammeren. Oppfinnelsen kan imidlertid også benyttes i andre, mer konvensjonelle opplegg for boring i undergrunnen. Det kan for eksempel benyttes vanlig delt borestreng. Dreiemotoren nede i borehullet kan også utelates og selve borestrengen roteres, osv.

Figuren viser en borerigg for boring med kveilerør. Riggen omfatter en kveil 1 med rør 2 som mates fram til et tårn med injektorsystem. Røret går over en gåsenakke 3 for å unngå for skarpe bend. Deretter rettes kveilerøret 2 ut i en rørretter 4 før det mates ned i borehullet 6 av en injektor 5. Injektoren 5 bæres oppe av en injektorramme 7. Injektoren 5 består gjerne av et system av belter som gri-per rundt røret 2 og kan legge kraft (i dette tilfelle løft) på røret. I nedre ende av borerøret 2 sitter det en boreenhet 8. Riggen omfatter også et hydraulisk system, omfattende en pumpe (ikke vist) som pumper borevæske gjennom kveilerøret og ned til boreenheten 8. Som nevnt ovenfor har borevæsken mange oppgaver, bl.a. å bringe opp borkaks fra borehullet. Borevæsken vil returnere til overflaten gjennom ringrommet mellom borestreng og borehullsvegg, eventuelt samles opp, renses i en slamsikt og igjen gå til pumpen. Det kan brukes flere typer borevæske og med forskjellig sammensetning, valgt ut fra det aktuelle behov.

Boreenheten 8 omfatter en borhammer drevet av væskestrømmen ned i hullet. Slike opplegg, så vel som mer konvensjonelle metoder for boring av borehull er beskrevet i Dreesen, D. S. & Cohen, J. H.: "Investigation of the feasibility of de-ep microborehole drilling", foredrag presentert på 8th An-nual ASME/API Energy Week 97 Int. conf. Houston, USA, 28.-30. januar 1997 International.

Som tidligere nevnt, er det av stor viktighet å få bestemt kraften som trykker boreinnretningen mot bunnen i borehullet. Det er kjent flere forskjellige metoder for å måle denne kraften. Én metode er å plassere en veiecelle mellom injektor og injektorramme. Som diskutert ovenfor, gir dette et meget upålitelig resultat. Alternativt kan det plasseres en sensor nede ved boreinnretningen, og som måler kraftpå-virkningen fra strengen på boreinnretningen. Signalet fra sensoren må da sendes opp til overflaten, for eksempel via slampuls-telemetri, eller via en kabel i strengen. Slampuls-telemetri gir en meget treg overføring av data p.g.a. smal båndbredde i overføringskanalen. Kabeloverføring er selvfølgelig meget rask, men medfører mye plunder. Boremannskapet er generelt meget lite begeistret for å ha en kabel liggende inne i strengen. Dreesen & Cohen, 1997, viser bruk av kabel for overføring til overflaten, dog synes det å dreie seg om andre signaler i forbindelse med ret-ningsboring.

Til grunn for foreliggende oppfinnelse ligger den erkjen-nelse at kronens anleggskraft mot bunnen av borehullet kan reguleres meget bedre ved å måle trykket på væsken som mates inn i borestrengen.

Borestrengen oppviser et relativt konstant mottrykk, ca. 100 bar, ved den gitte mengden som skal til for å drive hammeren. Brukes sammensatt borestreng, vil mottrykket i større grad variere med lengden på borestrengen. Motstanden fra tilbakestrømming opp ringrommet kan være ca. 10 bar. Verdier for dette såkalte friksjonstapet kan finnes ved å måle trykkfallet over systemet mens borekronen befinner seg like over bunnen, dvs. før den tar kontakt med berget.

Bruker vi stillestående streng og boremotor har boremotoren også 10 bar motstand når den roterer uten at kronen er på bunnen.

Hammeren har også en viss indre motstand, ca. 10 bar, når vannet strømmer igjennom og hammeren ikke slår fordi kronen er over bunnen.

Det totale trykktapet blir 100 + 3x10 bar = 130 bar.

Når hammeren når bunnen, trykkes kronen inn og hammeren be-gynner å slå. Samtidig øker motstanden mot væskestrømmen, dvs. at trykktapet over verktøyet øker. Ideelt sett skal hammeren ha en motstand på 180 bar. Denne verdien vil selv-følgelig avhenge av borhammerens fabrikat og type. Samtidig som hammeren slår, øker rotasjonsmotstanden noe, slik at motstanden i dreiemotoren øker fra 10-25 bar.

Legges det an med mer kraft mot verktøyet, vil trykkoppbyg-gingen over verktøyet øke, helt til det staller. Det finnes også en sikkerhetsventil i verktøyet, innstilt på 350 bar. Imidlertid arbeider hammeren optimalt når den presses med berget med så stor kraft som mulig, dvs. like før boringen stopper opp.

Ideelt trykk for en roterende streng blir da 130 bar + 170 bar er 300 bar og for stillestående streng med motor 130 + 15 + 170 bar = 315 bar.

Vi får en trykkurve for systemet med et relativt markant utslag når kronen treffer bunnen. Den store relative for-skjellen gjør det enkelt å bestemme når kronen har optimalt pådrag. Injektoren kan da innstilles til å mate borestreng med varierende hastighet etter borbarheten i fjellagene slik at trykket holdes på 300 bar eventuelt 315 bar. Dette systemet har vist seg så lett å automatisere at boreriggen går i timesvis med en boresynk på 25-30 m/time i fjell som granitt uten at man er i nærheten av spakene.

I figur 1 er det indikert en sensor ved kveilen 1. Målere-sultatet kan avleses på indikatoren 9.

En stor fordel med dette systemet er at en endring i bore-betingelsene øyeblikkelig vil vise seg i trykkmålingene, dvs. at tilbakemeldingen til boremannskapet er praktisk talt momentan.

En automatisering av boreforløpet kan for eksempel bringes i stand ved å koble en sensor som måler trykket i den injiserte væske, plassert på overflaten, for eksempel like etter pumpen, til en servokrets som regulerer matingen av borestreng. Servokretsen blir da innstilt til å regulere ma-tehastigheten slik at trykket i væsketilførselen holdes på det optimale nivå. Slik uttrykket mating brukes i denne søknaden betyr det også bevegelse ut av brønnen, dvs. at injektoren kan reversere bevegelsen hvis trykkmotstanden over boresystemet blir for stor, hvilket indikerer at borekronen trykkes mot bunnen i borehullet med for stor kraft.

Innretningen for automatisering av boreforløpet kan også inkludere kretser som varsler hvis det oppstår unormale forhold, ved at trykket overskrider en ekstremverdi i en eller annen retning. Innretningen kan også være innrettet til å avslutte boringen automatisk hvis det oppstår en slik situasj on.

Man får ingen trykkøkning med en PDC-krone eller rullebore-krone ved at man trykker denne mot bunnen av hullet med større kraft.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte ved boring av hull i undergrunnen, hvor boringen skjer ved hjelp av en borhammer båret av en borestreng, med en innretning for å mate borestreng opp og ned i borehullet, samt et sirkulasjonssystem omfattende en pumpe som pumper borevæske ned gjennom borestrengen og driver borhammeren, karakterisert ved at trykket i borevæsken måles i borestrengen på overflaten, og at kraften på borhammeren mot bunnen av borehullet reguleres ved å innstille matingen av borestrengen inn eller ut av hullet slik at trykket holdes innen forutbestemte grenser.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte trykkmåling kompenseres for innvirkning av borestrengens lengde ved å foreta en innledende måling av trykket før borekronen set-tes an mot bunnen av borehullet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at matingen av borestreng inn eller ut av'borehullet innstilles slik at kraften fra borekronen mot bunnen av borehullet er så stor som mulig uten at boringen stopper opp.

4. Arrangement for boring av hull i undergrunnen, ved bruk av en borhammer med borekrone, båret av en borestreng, samt en pumpe som sirkulerer borevæske gjennom borestrengen, og hvor borhammeren drives av væskesirkulasjonen, karakterisert ved- en sensor som avføler trykket i den injiserte borevæske på overflaten nedstrøms av pumpen, - en reguleringskrets som mottar signalet fra sensoren, og er innrettet til å styre matingen av borestreng inn og ut av borehullet som funksjon av trykket, slik at kraften fra borhammeren mot bunnen av borehullet holdes innenfor forutbestemte grenser.

5. Arrangement ifølge krav 4, karakterisert ved at reguleringskretsen er innrettet til å styre matingen av borestreng inn og ut av borehullet slik at kraften fra borhammeren mot bunnen av borehullet er så stor som mulig uten at boringen stopper opp.