NO314417B1 - Anordning og fremgangsmåte for styring av banen til en brönnboring - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en anordning for styring av banen tii en brønn som bores i grunnen. Særlig kan den anvendes ved olje-produksjons-brønner hvis posisjon i geologiske reservoarlag må bestemmes forholdsvis presist. Brønnboringens vinkel med vertikalretningen og dens asimut må derfor kunne styres.

Det finnes mange velkjente systemer som gjør det mulig å styre vinkelen, for eksempel av en fjernstyrt stabilisator med variabel diameter. For asimut-korrek-sjon, er en borekronemotor som inngår i borestrengen og som er tilkoblet en albu-overgang, hvis retningskorrigerende virkning foregår i henhold til albu-overgang-ens rommelige orientering i planet, benyttet i lang tid innen faget. Det vil være klart at med denne teknikk må den del av strengen som befinner seg over motoren væ-re ubevegelig i borehullet. Denne korrigeringsmodus betegnes som "glidemodus", ettersom boring foregår ved glidebevegelse. Denne modus har mange ulemper, særlig i betraktning av at ikke hele borestrengen drives ved rotasjon. Retningsbo-remidler som kan arbeide i rotasjonsmodus er derfor blitt utviklet. Blant de verktøy som er foreslått, utøver noen en permanent eller periodisk styrt sidebelastning på brønnveggen, i retning motsatt den som ønskes, andre utøver en orientert bøyning på den del av rørene som befinner seg umiddelbart over verktøyet, samtidig som de tillates å rotere. I alle tilfelle fører nødvendigheten av å holde rørene roterende sammen med nødvendigheten av å styre en fast rommelig orientering, til avanser-te og kostbare mekaniske, hydrauliske og elektroniske valg.

Den foreliggende oppfinnelse angår således en anordning for styring av baneretningen til en brønnboring, omfattende en aksel som drives i rotasjon, en

borekrone som er festet til akselen, et hovedsakelig sylindrisk hus som er koaksialt med akselen og som roterer fritt i forhold til akselen, en eller flere puter som bæres av legemet og som kan bevege puteforskyvningsmidler radialt. I anordningen omfatter puteforskyvningsmidlene individuelt for hver pute minst én skyveinnretning hvis lengdeforskyvning i forhold til anordningens akse bevirker forlengelse av puten. Skyveinnretningen forskyves ved hjelp av aktiveringsmidler som drives av den hydrauliske energi som tilføres av borefluidet som sirkulerer i akselen og aktiveringsmidlene omfatter et system for valg av fravær av forskyvning av minst én pute mens de andre, hvis de finnes, forskyves.

Huset kan omfatte midler for orientering ved rotasjon om akselens akse.

Midlene for orientering av huset kan omfatte en ballast som er festet langs en generatrise av huset.

Aktiveringsmidlene kan omfatte et ringformet stempel som beveges i lengderetningen i huset under påvirkning av trykkforskjellen mellom akselens indre rom og brønnens innside.

Det ringformede stempel kan i lengderetningen forskyve en sylindrisk, hylseformet del som omfatter en slisse i retning av en generatrise av sylinderen idet sl issens bredde og lengde svarer til fonnen av minst én skyveinnretning for en pute.

Slissen kan orienteres i forhold til brønnen ved å illustrere huset.

Velgersystemet kan omfatte en rekke spor og minst én tapp som er forbundet med huset.

Rekken av spor kan bæres av hylsen, idet slissen i hylsen er orientert i forhold til huset ved samvirkning mellom tappen og rekken av spor.

I anordningen kan rekken av spor, i fravær av strømning av borefluid, være slik at hylsen alltid har den samme posisjon i forhold til huset.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for styring av banen til en brønnboring der de følgende trinn utføres:

- den ovenfor beskrevne anordning anbringes ved enden av borerør,

- borekronen drives i rotasjon ved rotering av anordningens aksel og et borefluid innføres ved en volumstrøm Df, - sirkuleringssekvenser utføres mellom en null-volumstrøm og en volum-strøm Da mindre enn Df, for derved å orientere hylsen i huset til anordningen og å aktivere minst én pute når volumstrømmen er Df.

Ifølge foreliggende fremgangsmåte kan baneretningen måles og hylsens orientering modifiseres dersom banen ikke er korrekt.

Foreliggende oppfinnelse utfører enten en sentreringsfunksjon eller en av-viksfunksjon, i henhold til sin utforming, og den aktiveres og styres hovedsakelig ved hjelp av borefluid-strømningen. Dette verktøy kan således sammenlignes med utstyr og metoder som vanligvis brukes ved boring.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskri-velse av et eksempel, med henvisning til de medfølgende tegninger hvori:

- fig. 1 i lengdesnitt skjematisk viser anordningen,

- fig. 2a, 2b, 2c, 2d, 2e og 2f viser forskjellige tverrsnitt avhengig av anordningens justering, - fig. 3 og 4 viser skjematisk et eksempel på midler for valg av en bestemt posisjon.

En aksel 1 er forbundet med borestrengens (ikke vist) bunnende ved en forbindelse 18. Akselen bærer en borekrone 11 ved sin nedre ende. Akselen 1 roterer i en rørformet mantel 2 som er utstyrt med et visst antall puter som er jevnt fordelt rundt dens omkrets. Disse puter kan utspiles til anlegg mot brønnens 4 vegg og til der å utøve en radial avviksspenning. Mantelen eller huset 2 virker som et rotasjonslager for akselen 1 ved hjelp av nål-, rulle- eller kulelageret 5. Huset 2 virker også som en aktiv føring i avvikshullet, tatt i betraktning av orienteringen til tutene som hviler mot brønnveggen.

Hver av tutene 3 aktiveres ved hjelp av et uavhengig mekanisk eller hydraulisk system. Det uavhengige system kan for eksempel være en hydraulisk krets omfattende en sylinder 6 i hvilken et stempel 7 kan forskyves og presse olje ut gjennom en ledning 19 mot stempelet 20 som virker som skyver for puten 3. Pute-aktiveringssystemet kan også omfatte en mekanisk enhet av skyver/stang- eller skyver/kam-typen, eller hvilket som helst annet egnet system for omdanning av en spenning eller forskyvning i lengderetningen parallelt med anordningens akse, til en radial spenning eller forskyvning som virker til å spile puten opp til brønn-boringens vegg og til å presse mot denne vegg med tilstrekkelig spenning til å en-dre borehullets bane. I fravær av aktivering av pute-aktiveirngsmidlene, holder re-turmidler så som fjærer (ikke vist) hver pute inntrukket og følgelig uten kontakt med brønnveggen.

Den nødvendige forskyvning eller spenning parallelt med anordningens ak-se for forskyvning av stemplene 7, frembringes av en rørformet hylsedel 8 som i sin tur drives av en ringformet jekk 9 som drives ved hjelp av trykkforskjellen mellom borestrengens (rør) innside og ringrommet mellom feltet og rørene. Det innvendige trykk i røret overføres til en øvre endeflate av den ringformede jekk gjennom åpninger 10 som er utformet i anordningens sentrale roterende del 1 og gjennom andre åpninger i den motsatte, ikke-roterende del. Hull 21 danner forbindelse mellom rommet som inneholder hylsen 8 og det ytre rom. Stempelet 9 omfatter således tetninger (ikke vist) mellom stempelets 9 innside og akselen 1, og mellom stempelets 9 utside og huset 2, slik det er kjent innen faget. Denne trykkforskjell oppnås typisk ved tanksmessig sirkulasjon av borefluidet fra innsiden av rørene til utsiden, gjennom borekronen 11 ved enden av akselen 1 og frembragt med dyser. Dette innvendige trykk opprettholdes under rotasjon ved borestrengen ved hjelp av rotortetninger 12. I fravær av fluidsirkulasjon, holdes jekken og hylsen i en hvilestilling ved hjelp av en eller flere returfjærer 13 som virker i retning motsatt oven-nevnte trykkforskjell. I fig. 1 strekkes fjæren 13 når hylsen forskyves på grunn av trykket, og den sammentrykkes ved returbevegelse på grunn av fravær av trykk. Selvsagt kan et annet arrangement som for eksempel bruker en trykkspenning, benyttes. Hylsens totalbevegelse oppnås gjennom spenningen som svarer til en borefluid-volumstrøm som er mindre enn eller lik den nominelle bore-volumstrøm. Det vil således være mulig å utføre en partialbevegelse ved hjelp av en partial-borefluid-volumstrøm, idet posisjonen til enheten bestående av jekken 9 og hylsen 8 da vil være resultatet av balansen mellom kraften som skapes på grunn av trykkforskjellen som virker på jekken og kraften fra returfjæren(e) 13.

Rørhylsen 8 har en spesiell profil ved sin nedre ende, som for eksempel en innskjæring 14 hvis dybde gjør det mulig å spare aktivering av en av putene. Således blir stempel(er) 7 som befinner seg rett overfor denne innskjæring ikke for-skjøvet når hylsen skyves på grunn av fluidtrykket. Puten(e) motsvarende dette eller disse stempler 7 vil således forbli inntrukket mens de andre vil bli utspilt for å utøve en radialspenning på brønnveggen. I det (foretrukne) tilfellet av en utførings-form med fire puter, tillater anordningen utspiling av tre puter som utøver tre anlegg eller spenninger på brønnveggen: to motsatte spenninger som vil bevirke sentrering i et plan og en vinkelrett på dette plan. Retningen av bane-awiket er i retning av den inntrukne pute. Profilen ved den nedre ende av hylsen, det vil si bredden av innskjæringen 14, kan også velges til å aktivere en enkelt pute eller gruppe av puter i en valgt retning.

Valg av puten som ikke skal utspiles, krever forhåndsplassering av denne pute eller putegruppe og korrekt orientering av hylsen i forhold til brønnens akse, før hylsen utfører sin langsgående bevegelse for å forskyve putene.

Orientering av putene i forhold til vertikalretningen, oppnås ved hjelp av en tilstrekkelig ballast 15 som er anordnet for eksempel langs en generatrise av ytter-mantelen og som løper fra en av putene 3. Når sirkulasjonen av borefluidet stopp-es, innfoldes alle putene ved hjelp av sine retursystemer. Enheten bestående av hylsen 8 og ringjekken 9 er i en hvilestilling ved hjelp av fjær-retursystemet 13.1 det tilfellet hvor brønnen skråner, vil ballasten, på grunn av tyngdekraften, innta en nedre stilling i forhold til borehullet. Tetningenes og rullelagrenes friksjon må være tilstrekkelig minsket til at huset 2 kan rotere om akselen 1 under påvirkning av ballasten. To puter er således orientert i et vertikalt plan og de to andre i et skråplan vinkelrett på dette vertikalplan.

Med putene slik anbragt i forhold til vertikalretningen, oppnås hylsens posisjon i forhold til huset 2 for eksempel ved hjelp av en eller flere tapper 16 som er fiksert i forhold til ytterhuset og står i inngrep med slisser 17 som er utfrest ved hylsens overflate. Disse tapper 16 er montert i boringer radialt på huset 2 på fjærer, slik at de er teleskopiske og kan følge sporenes variable dybde. Sporenes møn-ster og dybde er slik at en syklus av partialstrømmer og borefluid-sirkulasjonsavbrudd bringer hylsen til å rotere til en forutbestemt posisjon i forhold til putenes 3 stempelformede aktuatorer 7. Etter orientering, blir så den planlagte nominelle bo-rehastighet oppnådd og medfører totalbevegelse av hylsen, hvorved de ønskede puter aktiveres i de aktuelle retninger.

Orientering av putene kan også oppnås ved hjelp av elektronisk plassering i forhold til brønnens nedre generatrise og ved hjelp av et mekanisk leddsystem som tillater forbindelse med borestrengen, og som da benyttes fra overflaten til å rotere huset. Plasseringsinformasjon kan overføres til overflaten ved hjelp av et konvensjonelt måling under boring (MUB) -system. Fig. 2a til 2f er snittriss av de forskjellige justeringer av anordningen avhengig av hylsens posisjon. Fig. 2a er et tverrsnitt av anordningen i nærheten av hylsen 8. Hylse-tverrsnittet er inneholdt mellom den hule aksel 1 og huset 2. Henvisningstallet 14 be-tegner slisse-tverrsnittet. Ballasten 15 orienterer huset 2 og hylsen 8, idet sist-nevnte er slik orientert at slissen 14 befinner seg 45° til venstre for vertikalen. I fig. 2 er sirkulering av borefluidet avbrutt, og følgelig er ingen pute 3 utspilt. Det skal bemerkes at når hylsen er slik orientert, dekker den alle stemplene som aktiverer putene, ettersom slissen befinner seg mellom to suksessive stempler. Fig. 2b viser justeringen av anordningen innrettet som vist i fig. 2a, men med gjenopptatt bore-hastighet. De fire putene er da utspilt for sentrering av akselen 1 i borehullet. Denne justering av anordningen er beregnet på rettlinjet boring.

Snittene ifølge henholdsvis fig. 2c, 2d, 2e og 2f viser de andre fire justeringer: oppad-boring, nedad-boring, høyre- og venstre-boring, i samfart med retningen av den inntrukne puten. I forhold til hvilestillingen eller rettborings-stillingen (fig. 2a og 2b), inntar hylsen forskjellige posisjoner når den roterer i huset 2.1 fig. 2c har hylsen gjennomgått en 45° rotasjon til høyre, slik at slissen 14 befinner seg rett overfor stemplene som aktiverer den øvre pute, som derfor ikke vil bli ekspan-dert under boring. I fig. 2d har hylsen fullført en 90° rotasjon, og høyre-puten vil forbli inntrukket under boring. De andre to stillinger eller posisjoner (fig. 2e og 2f) svarer til to suksessive 90° rotasjoner av hylsen.

Fig. 3 og 4 viser en utførelsesform av midlene for justering av hylsen i huset. Selvsagt er denne utførelsesform, som er beskrevet i form av et eksempel, ikke den eneste tillatte utførelse av oppfinnelsen. Faktisk kan tilstrekkelig energi være tilgjengelig til å utstyre hylsen med en (hydraulisk eller elektrisk) motor for å rotere den. Justeringsrotasjonene kan styres fra overflaten, for eksempel ved hjelp av MUB-anordninger som er kjent innen faget.

Fremdeles i forbindelse med en utførelsesform med fire puter, tillater møn-steret av det utfoldede risset av spor på hylsen (fig. 3 og 4) de følgende opera-sjoner: 1 - Sentrering uten avvik: når sirkulasjon avbrytes (for eksempel for å til-føye en ny borerørlengde), er fjærtappen 16 i posisjon NO. Gjenoppstarting av borefluidsirkulasjonen til den nominelle volumstrøm uten noen annen operasjon, bringer tappen til stilling FO der de fire puter er utspilt. Påføring av vekten på borekronen og rotasjon av rørene vil da tillate boring uten avvik, idet putene hindrer rotasjon av huset 2 i brønnen på grunn av friksjonsmotstanden mot brønnveggen. Sirkulasjonsavbrudd bringer tappen tilbake til posisjon NO via den pil-anviste rute. Sporet B er dypere enn sporet H slik at tappen må følge piibanen på sin returbevegelse og ikke utad-kursen fra NO til FO. Denne indekseringsteknikk er velkjent for fagmannen. 2 - Oppad-avvik: når fluidsirkulasjon og rotasjon av rørene er avbrutt, befinner tappen seg i posisjon NO idet putene 3 er inntrukket, vil ballasten 15 posi-sjonere rørhuset 2 i forhold til vertikalen. En partial borefluid-volumstrøm skaper en kraft på stempelet 9 som bevirker partial forskyvning av hylsen og bringer tappen til posisjon PO. Sirkulasjonsavbrudd bevirker tilbakeføring av hylsen ved hjelp av returmidlene og, ved vekselspill mellom de forskjellige spordybder, tvinges tappen til posisjon N1 der hylsen har fullført en 45° rotasjon (i henhold til fig. 2c). Start av borefluid-sirkulasjon til den nominelle volumstrøm bringer tappen til posisjon F1 der bare de tre nedre puter er utspilt. Resultanten av spenningene, eller av reak-sjonene på veggen, som utøves av putene, er rettet oppad. Ettersom rørmantelen 2 er blokkert mot rotasjon på grunn av putenes anlegg mot veggen, opprettholdes orienteringen til resultanten av kreftene som utøves av putene. Påføring av vekt på borekronen og rotasjon av rørene gjør det mulig å bore ved avvik oppad, inntil det neste sirkulasjonsavbrudd som vil bringe tappen tilbake til posisjon NO via den pil-anviste bane. 3 - Høyre-, nedad- eller venstre-avvik: de oppnås ved å gjenta partial-volumstrømmene, fulgt av avbrudd mot N2, N3 og N4. Det skal bemerkes at hylsen da vil fullføre 90° rotasjonsinkrementer.

Det er viktig å merke seg at eventuelle avbrudd i fluidsirkulasjon etter at den nominelle volumstrøm er nådd, vil systematisk bringe tappen 16 tilbake til posisjon NO i hylsesporene, på grunn av dekselspillet og spordybdene og -vinklene. De forskjellige justeringer oppnås således ved suksessive partial-volumstrøm-sekvenser, fire for å nå N4, tre for N3, to for N2 og én for N1.

Men det er klart at foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til fire posisjoner.

Trolig vil borehastigheten lettes ved at det på putene finnes rulleanordning-er, så som ruller eller hjul som begrenser friksjonen i lengderetningen samtidig som de sakner husets 2 rotasjon.

Anordningen er ikke begrenset til fire puter; den foreliggende oppfinnelse kan klart anvendes på en anordning med en, to, tre puter, eller flere enn fire.

Den således beskrevne anordning kan med fordel brukes i tillegg til en av-viksmåling under boring (MUB) -anordning, som vil sette operatøren i stand til å bestemme tidsforløpet og lengden av en banekorrigering samt å kontrollere dens virkning.

Claims (11)

1. Anordning for styring av baneretningen for en brønnboring, omfattende en aksel (1) som drives i rotasjon, en borekrone (11) som er festet til akselen, et hovedsakelig sylindrisk hus (2) som er koaksialt med akselen og fritt roterer i forhold til akselen, minst én pute (3) som bæres av huset og som kan beveges radialt, midler for forskyvning av putene, karakterisert ved at nevnte forskyvningsmidler enkeltvis omfatter for hver pute minst én skyveinnretning (7) hvis lengdeforskyvning i forhold til anordningens akse bevirker utskyvning av puten, at skyveren forskyves ved aktiveringsmidler (9) som drives av den hydrauliske energi som tilføres av borefluid-sirkuleringen i akselen, at aktiveringsmidlene omfatter et system (8) for valg av fraværet av forskyvning av minst én pute.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at huset omfatter midler (15) for orientering ved rotasjon om akselens akse.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at hus-orienteringsmidlene omfatter en ballast som er festet langs en generatrise av huset.

4. Anordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at aktiveringsmidlene omfatter et ringformet stempel (9) som beveges i lengderetningen i huset under påvirkning av trykkforskjellen mellom det indre rom i akselen og brønnens innside.

5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at det ringformede stempel i lengderetningen forskyver en sylindrisk, hylseformet del (8) omfattende en slisse (14) i retning av en generatrise av sylinderen, hvilken slisse har en bredde og en lengde som svarer til for-men av minst én skyver for en pute.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at slissen er orientert i forhold til brønnen ved orientering av huset.

7. Anordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at valgsystemet omfatter en rekke spor (17) og minst én tapp (16) som er forbundet med huset.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at rekken av spor bæres av hylsen, idet slissen i hylsen er orientert i forhold til huset ved samvirkning mellom tappen og rekken av spor.

9. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at ved fravær av borefluidstrøm, er rekken av spor slik at hylsen alltid inntar samme posisjon i forhold til huset.

10. Fremgangsmåte for styring av banen til en brønnboring, karakterisert ved at følgende trinn utføres: - anordningen som angitt i et av kravene 1 til 9 anbringes ved enden av borerør, - borekronen drives i rotasjon ved rotering av anordningens aksel og et borefluid injiseres ved en volumstrøm Df, - sirkulasjons-sekvenser utføres mellom en null-volumstrøm og en volum-strøm Da som er mindre enn Df, for derved å orientere hylsen i anordningens hus og for å aktivere minst én pute når volumstrømmen er Df.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at banens retning måles og hylsens orientering modifiseres dersom banen ikke er riktig.