NO322913B1 - System og fremgangsmate for selvstyrt avviksboring - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Område for oppfinnelsen

Denne oppfinnelsen vedrører generelt borestrenger for boring av awiksborehull og spesielt til et selvjusterende boresystem samt en fremgangsmåte for boring av awiksborehull.

Beskrivelse av relatert teknikk

Styrbare motorer omfattende en borings- eller borkronemotor med et fast bend i et hus av dette som skaper en sidekraft på borekronen og en eller flere stabilisatorer for å posisjonere og føre borekronen i borehullet er generelt ansett å være de første systemene for å tillate forutsigbar awiksboring. Imidlertid, er den sammensatte boringsbanen av og til ikke glatt nok til å unngå problemer med komplettering av brønnen. I tillegg, produseres rotering av den avbøyde enheten en bølgeformet brønn med forskjellig diameter, hvilket kan føre til et ujevnt brønn-profil og spiralforming av hullet hvilket til slutt kan foreskrive tidkrevende utvidel-sesoperasjoner. Andre begrensninger med de styrbare motorene er behovet for å stoppe rotasjon for awiksboringsseksjonen av brønnboringen, hvilket kan resulte-re i dårlig hullrensing og en høyere ekvivalent sirkuleringsdensitet ved brønnhull-bunnen. Dette øker også friksjonskreftene som gjør det vanskelig å bevege borekronen forover eller nedover. Det gjør også styring av verktøyoverflateorientering-en av motoren vanskeligere (dog leg severity).

De ovenfor anførte problemene med de styrbare borekronemotorenhetene fører til utviklingen av såkalte «selvstyrte» eller boringssystemer. Slike systemer har generelt sett en viss evne til å følge en planlagt eller forutbestemt boringsbane og til å rette opp for avvik fra den planlagte banen. Slike selvstyrte systemer er kort beskrevet under. Slike systemer, muliggjør imidlertid raskere, og i varierende grad en mer direkte og skreddersydd respons til potensielle avvik for awiksboring. Slike systemer kan forandre retningsoppførselen nedihulls, hvilket reduserer bo-rehullskneets vanskelighet.

De såkalte «vertikal brønnboringsanordningene» (straight hole drilling devi-ce) «SDD») blir ofte brukt under boring av vertikale hull. En SDD omfatter typisk en rett borekronemotor med en rekke styrende ribber, vanligvis to motstående ribber hver av dem i ortogonalt plan på en lagerenhet (bearing assembly) nær borekronen. Avvik fra vertikalen måles ved hjelp av to ortogonalt monterte helnings-sensorer. Enten en eller to ribber aktiveres for å rette borekronen tilbake til den vertikale retningen. Ventiler og elektronikk for å styre aktiveringen av ribbene er vanligvis montert over borekronemotoren. Slampuls eller andre telemetirsystemer blir brukt for å oversende helningssignaler til overflaten. Sideawik av borehull fra den planlagte retningen (radiell forflytning) oppnås med slike SDD-systemer har vært nesten tb størrelsesordener mindre sammenlignet med vanlige enheter. SDD-systemer har blitt brukt for å danne smale klyngerborehull og på grunn av at mindre buktede eller snirklede borehull bores med slike systemer, reduseres eller elimineres behovet for rømming.

I SDD-systemene, roteres ikke borestrengen, hvilket betydelig reduserer løsning av hullet. Fordelen med å bore vertikale hull med SDD-systemer omfatter: (a) et mindre buktet brønnprofil; (b) mindre dreiemoment og motstand; (c) høyere penetrasjonshastighet; (d) mindre materiale (eksempelvis fluid-) forbruk; (e) mindre påvirkning på omgivelsene; (f) redusert risiko for fastsetting av røret; (g) mindre slitasje på fdringsrør, og (h) mindre slitasje og ødeleggelse på borerørgods.

Et automatisert boresystem utviklet av Baker Hughes Incorporated, samme som søker, omfatter tre hydraulisk drevne stabilisatorribber montert på en ikke-roterende hylse nær borekronen. Kreftene påført de individuelle ribbene blir individuelt styrt og skaper en kraftvektor. Mengden og retningen av sidekraften holdes konstant uavhengig av en potensielt sett uønsket rotasjon av bærerhylsen. Kraftvektoren kan forhåndsprogrammeres før innkjøring inn i borehullet eller forandres under boreprosessen med kommandoer fra overflaten.

Dette systemet har to grunnmodi for drift: (i) styringsmodus og (ii) holdemodus. I styremodus, er styrekraftsvektoren forhåndsprogrammert eller satt på ny fra overflaten, og tillater følgelig å navigere brønnveien. I «holdemodus» ér verdier for helning og/eller azimut forhåndssatt eller justert via overflate-til-nedihulls-kommunikasjdn, og tillater følgelig forandringer for borehullsretningen inntil måle-verdiene oppnås og så holdes brønnen i måleretningen. Etter som størrelsen på. sidekraften er forhåndsbestemt, kan dreiningsradien eller den ekvivalente opp-bygntngshastigheten (equivalent build-up rate (BUR)) jevnt justeres til forskriftene fra 0 til den maksimale verdien på 8°/100 fot for et slikt system.

En automatisert awiksborings-nedihullsenhet utviklet av Baker Hughes Incorporated og anført som «AutoTrak» har integrert formasjonsevalueringssen-sorer som ikke bare tillater styring for rene retningsparametere, men tar også re-servoarforandringer i betraktning og fører borekronen i samsvar med dette. AutoTrak kan brukes med eller uten en borekronemotor. Bruk av en motor for å drive hele enheten tillater et bredere utvalg borekroner og maksimerer kraften til borekronen. Med en motorapplikasjon, blir strengens omdreiningstall en uavhengig parameter. En kan optimaliseres for tilstrekkelig hullrensing, den minste forings-rørslitasjen og for å minimalisere dynamiske virkninger og vibrasjoner for BHA, som i stor grad avhenger av den roterende strengens frekvens.

En av de mer nylige utviklinger av et automatisert boresystem er en enhet for awiksboring på kveilerør. Dette systemet kombinerer flere egenskaper for SDD og AutoTrak-systemet for kveilerørsapplikasjoner. Dette kveilerørssystemet tillater boring av en borevei i tre dimensjoner med en nedihullsjusterbar BUFTs evner. Styreribbene er integrert inn i lagerenheten på borekronemotoren. Andre styringsegenskaper har blitt tilpasset fra AutoTrak med unntak av at styrings-kontrollsløyfen er lukket via overflaten i stedet for nedihulls. Den raske toveis-kommunikasjonen via kabelen innvendig i kveilen tilveiebringer nye muligheter for utøvelse av brønnveikorreksjoner. Med den høye tilgjengelige beregningskraften ved overflaten, kan fonmasjonsevalueringsmålinger prosesseres raskere og over-føres til geostyringsinformasjon og importeres inn i programvaren for optimalise-ring av awiksboring.

Et automatisert boresystem for kveilerør er vedlagt i US 09/015.848 med samme søker som dénne søknaden.

Styring under roteringsboresystemer kan ytterligere forbedres via geosty-ring med lukket sløyfe ved bruk av formasjonsevalueringsmålinger for direkte å rette awikene av retningen fra den planlagte veien. En sann navigering kan være mulig medintegreringen av gyrosystemer som motstår boreforhold og tilveiebringer den foreskrevne nøyaktighet. Med ytterligere automasjon, kan den manuelle inn-gripningen reduseres eller fullstendig elimineres, slik at kun behovet for å overvåke boringsprosessen gjenstår. Både overvåkning og mulig inngripning kan så gjøres fra fjerntliggende plasseringer via telefonledninger eller satelittkommuni-kasjon.

Trenden innenfor olje- og gassindustrien er å bore høyawiksbrønner med komplekse brønnprofiler. Slike borehull kan ha en øvre vertikal seksjon som strekker seg fra overflaten til en forhåndsbestemt dybde og en eller flere deler deretter som kan omfatte kombinasjoner av kurvede og rette seksjoner. For effektiv og skikkelig hulldannelse, er det viktig å bruke en borestreng som har en fullstendig 3-D styringsevne for kurvede seksjoner og som også er i stand til å bore rette seksjoner raskt og hvilket ikke er grove eller spiralformede.

Fra US 5 341 886 fremgår det en fremgangsmåte for styring av et boreverk-tøy, som under boring i underjordiske formasjoner kan rettes ved hjelp av minst én gruppe styrbare innstillingsorganer som er tilordnet verktøyet, og hvor de ønskede verdier for kursen av boreverktøyet angis på forhånd til den verktøyinterne regule-ringskrets.

Annen liknende teknikk fremgår fra US 5 332 048 som viser en fremgangsmåte og anordning for automatisk boresystem med lukket krets, og WO 98/17894 A1 som viser et boresystem med integrert bunnhullsenhet.

Den foreliggende oppfinnelsen imøteser de ovenfor angitte problemene og tijveiebringer et boresystem som er mer effektivt enn de for tiden tilgjengelige kjente systemene for boring av en rekke awiksborehull.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en anordning for boring av et brønnhull med minst én rett brønnhullseksjon og minst én kurvet brønnhullsek-sjon. Anordningen omfatter et roterbart rørformet element som kan føres fra en overflateplassering inn i brønnhullet, en boringsenhet koplet med dét rø rf ormede elementet og en styringsenhet med et tilknyttet program som inneholder brønn-hullsprofil-parametre som vedrører den minst ene rette brønnhullseksjonen og den minst ene kurvede brønnhullseksjonen. Boringsenheten omfatter en rett seksjon med en borkrone ved en ende av den rette seksjonen, en borkronemotor oppihulls i forhold til borkronen for rotering av borkronen og et første sett ribber innrettet rundt den rette seksjonen av boringsenheten. Hver ribbe i det første settet ribber er tilpasset for uavhengig å strekke seg radielt utover fra boringsenheten for å på-føre kraft til brønnhullet ved påføring av energi til hver ribbe i det første settet. Et andre sett ribber oppihulls i forhold til det første settet ribber er også innrettet rundt den rette seksjonen av boringsenheten, idet hver ribbe i det andre settet ribber strekker seg radielt utover fra boringsenheten for å påføre kraft til brønnhullet ved påføring av energi til hver ribbe i det andre settet. En energienhet er tilveiebrakt for tilførsel av energi til ribbene. Under boring av den minst ene rette brønnbo-ringsseksjonen er borkronen rotert av borkronemotoren og det roterbare rørfor-mede elementet, og styringsenheten velger en kraft som skal påføres hver ribbe i det første settet ribber plassert på den rette seksjonen av boringsenheten for boring av den rette brønnhullseksjonen og opprettholder kraften på hver ribbe hovedsakelig lik den valgte kraften. Under boring av den minst ene kurvede brønn-hullseksjonen er borkronen rotert kun av borkronemotoren og styringsenheten forårsaker selektivt at minst enten det første, andre eller begge sett ribber plassert på den rette seksjonen av boringsenheten, påfører forskjellige mengder krefter på brønnhullet.

Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for boring av en brønnbo-ring med en kurvet seksjon og en rett brønnboringsseksjon. Fremgangsmåten omfatter føring av en boringsenhet i brønnboringen ved hjelp av et roterbart rørformet element. Boringsenheten omfatter en rett seksjon og inkluderer en borkrone med en ende av den rette seksjon som er roterbar av en borkronemotor båret av boringsenheten. Et første sett ribber er innrettet rundt den rette seksjonen, der hver ribbe er uavhengig radielt utstrekkbar for å påføre kraft på brønnboringens innside, og et andre sett ribber oppihulls fra det første settet ribber er også innrettet rundt den rette seksjonen av boringsenheten som inneholder et flertall uavhengig styrbare ribber. Den rette brønnboringsseksjonen bores ved å velge en kraft som skal påføres hver ribbe i det første settet ribber plassert på den rette seksjonen av boringsenheten, Borkronen roteres av borkronemotoren og det rø rf ormede elementet, og kraften på hver ribbe opprettholdes hovedsakelig lik én valgt kraft.

Den kurvede brønnboringsseksjonen bores ved rotering av borkronen kun av borkronemotoren og ved påføring av en forskjellig kraft på brønnboringens innside av hver av ribbene i idet minste en av det første eller andre settet ribber plassert på den rette seksjonen. Kraften på hver ribbe under boring av den kurvede seksjonen og den rette seksjonen bestemmes i det minste delvis av en ønsket brønn-borings profil lagret i en styringsenhet på boringsenheten.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et boresystem for boring av awiksborehull. Systemets boringsenhet inneholder en borekrone ved den nedre enden av boringsenheten. En motor tilveiebringer den roterende kraften på borekronen. En lagerenhet plassert mellom motoren og borkronen tilveiebringer side-veis og aksiell støtte på boreakselen forbundet med borekronen. En styringsanordning tilveiebringer retningsstyring under boring av brønnboringene. Styringsanordningen inneholder en rekke ribber plassert ved en utvendig overflate av boringsenheten. Hver ribbe er uavhengig styrt og beveger seg mellom en normal eller sammenklappet stilling og en radielt utstrekkende stilling. Hver ribbe kan på-føre kraft på det innvendige av borehullet når de presses mot borehullet. Driven-heter for uavhengig å styre ribbevirkningene er plassert i boringsenheten. En styringsenhet (controller) båret av boringsenheten styrer driften av kraftenhetene som reaksjon på retnings- <p>g navigasjonssensorer i boringsenheten. Sensorer for å bestemme mengden kraft påført ved hver ribbe på borehullet kan være tilveiebrakt. Et andre sett ribber i en aksiell avstand fra det første settet er fortrinnsvis tilveiebrakt. Dette tillater boring av et større omfang kurvede hull og bedre styring over boring av rette hull.

De kurvede hullene bores ved å rotere borekronen ved hjelp av borekronemotoren og ved uavhengig å justere ribbekreftene. Borestrengen holdes stasjo-nært. Vertikale seksjoner bores på en tilsvarende måte. For å kompensere for avvik fra det vertikale, kan valgte krefter individuelt påføres ribbene for å generere en kraftvektor i planet ortogonalt med borehullsaksen. Det er også mulig å påføre den samme kraften eller ingen kraft på ribbene og til og med rotere borestrengen. Rette skrå seksjoner kan bores uten rotering av strengen med en forskriftsmessig kraftjustering på styreribbene for å oppnå rett boring. For å redusere friksjonen under langsgående bevegelse av boreenheten, for å forbedre hullrensing og bore-kakstransport, og for å levere mer kraft på borekronen, kan borestrengen kontinu-erlig roteres ved en hvilken som helst hastighet foreskrevet under boring av rette skråstilte seksjoner. For å styre boringsretningen i det vertikale planet (hold, bygg, dropp) (hold, build drop) under rotering av strengen, blir den samme kraften påført alle ribbene. Størrelsen på denne kraften velges slik at den foreskrevne retnings-tendensen oppnås.

Kraftvektorer eller størrelsen på kreftene justeres hvis boringsretningen er forskjellig fra den definerte retningen. Systemet er selvjusterende og drives som en lukket sløyfe. Helningen og navigasjonssensordata prosesseres av en nedi-hullsstyringsenhet. Kraftvektorene kan være programmert i den nedihullsplasserte styringsenheten. Kommandosignaler fra en overflatestyringsenhet kan sendes for å sette i gang settingen og/eller justering av ribbekraftvektorene i samsvar med den planlagte brønnboringsretningen (veien).

Eksempler på de viktigere egenskapene med oppfinnelsen har følgelig blitt trukket sammen relativt bredt for at den detaljerte beskrivelsen av denne som føl-ger kan forstås på en bedre måte, og for at bidragene til fagområdet kan aner-kjennes. Det finnes selvfølgelig tilleggsegenskaper med oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det etterfølgende og som vil danne tema for de vedlagte krav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For detaljert forståelse av den foreliggende oppfinnelsen, skal henvisning gjøres til den følgende detaljert beskrivelsen av den foretrukne utførelsesformen, sett i sammenheng med de vedlagte tegninger, der like elementer har blitt gitt like henvisningstall og hvori: Fig. 1A-1B viser eksempler på brønnprofiler som er tiltenkt boret i henhold til systemene med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 2 viser et skjema av en boringsenhet laget i henhold til en utførelses-form av den foreliggende oppfinnelsen for boring av brønnhull av typen vist på fig. 1A-1B. Fig. 3 er et skjematisk riss av et boringssystem som bruker boringsenheten på fig. 2 for boring av brønnhull av typene vist på fig. 1 A-1 B.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSESFORMENE

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et selvstyrt boringssystem samt fremgangsmåter for effektivt og faktisk boring av vertikale, tredimensjonale kurvede og skråstilte rette seksjoner av et borehull. Driften av boringssystemet kan være, til en hvilken som helst grad, forhåndsprogrammert for boring av en eller flere seksjoner av borehullet og/eller styrt fra brønnoverflaten eller fra en hvilken som helst annen fjerntliggende plassering. Fig. 1 A-1 B viser eksempler på visse borehull som effektivt og faktisk bores av boresystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Boresystemet er beskrevet med henvisning til fig. 2-3. Fig. 1A viser et borehullsprofil 10 som omfatter en vertikal seksjon 14 som strekker seg fra overflaten 12 til en dybde d1. Borehullet 10 har så en første kurvet seksjon 16 med en radius R1 og strekker seg til dybden d2. Den kurvede seksjonen 16 etterfølges av en mellomseksjon 18 som er en rett seksjon som strekker seg til dybden d3. Borehullet 10 har så en andre kurvet seksjon med en radius R2 som kan være forskjellig (større eller mindre) fra den første radien Ri. Borehullet 10 er så vist med en horisontal seksjon 20 som strekker seg til en dybde d4 eller forbi. Uttrykket «dybde» som heri brukt betyr brønnens utstrekning fra overflaten, og trenger ikke å være den sanne vertikale dybden fra overflaten. Uttrykkene «3D» og «2D» viser til den tredimensjonale eller to-dimensjonale beskaffenheten av boringsgeometrien.

Fig. 1B viser et brønnprofil 30, hvori brønnen har en vertikal seksjon 32 et-terfulgt av en kurvet seksjon 34 med radius R', en skråstilt seksjon 36 og så en andre kurvet seksjon 38 som er kurvet nedover (dryppkurvet) (dropping curved) med en radius R2\ Brønnen har så en kurvet oppbygningsseksjon 40 med en radius R3' og seksjon 42 med en radius R4'.

Antallet borehull med brønnprofiler av typen vist på fig. 1 A-1 B er forventet å fortsette å øke. Fig. 2 viser et skjematisk diagram av en boringsenhet 100 i henhold til en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen for boring av den ovenfor beskrevne borehull. Boringsenheten 100 bærer en borekroné 150 ved sin bunn eller ved nedihullsenden for boring av brønnhullet og er tilknyttet et borerør 152 ved sin oppihulls eller toppende. Et borefluid 155 blir tilført undertrykk fra overflaten gjennom borerøret 152. En borekronemotor eller boremotor 140 over eller oppihulls i forhold til borekronen 150 omfatter en lagerseksjon 142 og en kraftseksjon 144. Borekronemotoren 140 er fortrinnsvis en motor med positiv fortrengning, som er godt kjent innenfor fagområdet. En turbin kan også brukes. Kraftseksjonen omfatter en rotor 146 plassert i en stator 148 for dannelse av pro-gressive hulrom 147 derimellom. Fluid 155 tilført under trykk til motoren 140 passerer gjennom hulrommene 147 og driver eller roterer rotoren 146, og rotoren 146 er i sin tur forbundet med borekronen 150 via en boreaksel 145 i lagerseksjonen 142 som roterer borekronen 150. En borekronemotor med positivt deplasement eller fortrengning er beskrevet i patentsøknad serie nr 09/015.858, i søkerens navn. Lagerseksjonen 142 omfatter lågere som tilveiebringer aksiell og radiell stabilitet for boreakselen.

Lagerseksjonen eller enheten 142 over borekronen 150 bærer en første styringsanordning 130 som inneholder et antall ekspanderbare ribber 132 som er uavhengig styrt for å påføre en ønsket kraft på borehullets innside og følgelig borekronen 150 under boring av borehullet. Hver ribbe 132 kan justeres til en hvilken som helst posisjon mellom en sammenklappet stilling som vist på fig. 2, og en fullt utadrettet stilling strekkende utover eller radielt fra den langsgående aksen 101 på boringsenheten 100 for å påføre den ønskede kraftvektoren til borehullet. En andre stillingsanordning 160 er fortrinnsvis plassert i en passende avstand oppihulls i forhold til den første styringsanordningen 130. Avstanden mellom de to ribbean-ordningene vil avhengig av den spesielle konstruksjonen for boringsenheten 100. Styringsanordning 160 omfatter også en rekke uavhengig styrte ribber 162. Kraften påført ribbene 162 kan være forskjellig fra den påførte ribbene 132. En utfø-relsesform er styringsanordningen 160 plassert over borekronemotoren 140. En fast stabilisator (fixed stabilizer) 170 er plassert oppihulls i forhold til den andre styringsanordningen 160.1 en utførelsesform, er stabilisatoren 170 plassert nær den øvre enden av boringsenheten 100.1 boringsenhetskonfigurasjonen 100, kan borekronen 150 blir rotert av borekronemotoren 140 og/eller ved å rotere bo-rere ret 152. Følgelig kan rotasjon av borerøret bli påtvunget borekrohemotorens rotasjon for å rotere borekronen 150. Styringsanordningene 130 og 160 har hver av dem minst tre ribber for tilstrekkelig styring av styringsretningen ved hver slik anordningsplassering. Ribbene kan strekkes ut med en hvilken som helst passende metode, eksempelvis som et hydraulisk system drevet av borekronemotoren som tar i bruk borefluid 155 eller et hydraulisk system som tar i bruk tettet fluid i boringsenheten 100 eller ved et elektrohydraulisk system hvori en motor driver det hydrauliske systemet eller et elektromekanisk system hvori en motor driver ribbene. En hvilken som helst passende mekanisme for å drive ribbene kan bli brukt for formål av denne oppfinnelsen. En eller flere sensorer 131 kan være tilveiebrakt for å måle forflytningen av og/eller kraften påført hver ribbe mens sensorer 161 måler forflytningen av og/eller kraften påført av ribbene 162. US patent søknad nr. 09/015.848 beskriver visse mekanismer for drift av ribbene og for bestemmelse av kraften påført av slike ribber. US patent 5 168 941 fremlegger også en fremgangsmåte for å drive ekspanderbare ribber, og denne er herved innarbeidet som henvisning.

Et sett av fortrinnsvis tre ortogonalt monterte inklinometere 234 bestemmer helningen av boringsenheten 100. Boringsenheten 100 omfatter fortrinnsvis navi-gasjonsanordninger 222, eksempelvis gyroanordninger, magnetometere, inklinometere eller andre passende kombinasjoner, for å tilveiebringe informasjon om parametere som kan brukes nedihulls eller ved overflaten for å styre boringsretningen. Sensorene 222 og 234 kan plasseres ved hvilken som helst ønsket pias-sering i boringsenheten 100. Dette tillater sann navigering av boringsenheten 100 under boring. Et antall tilleggssensorer, generelt anført i fig. 2 med henvisningstall 232a-232n, kan være plassert i et motorenhetshus 141 eller ved et hvilket som helst annet passende sted i enheten 100. Sensorene 232-232n kan omfatte en resistivitetssensor, en gammastråledetektor, og sensorer for å bestemme bore-hullsparametere eksempelvis temperatur og trykk, og boremotorparametere eksempelvis f luidstrømningshastighet gjennom borekronemotoren 140, trykkfall over borekronemotoren 140, dreiemoment på borekronemotoren 140 og rotasjonshas-tigheten (o/min) for motoren 140.

Boringsenheten 100 kan også omfatte et hvilket som helst antall tilleggsen-sorer 224 kjent som målings-under-boringssensorer eller logging-under-boringsanordninger for bestemmelse av forskjellige borehulls- og formasjonspa-rametere eller formasjonsevalueirngsparametere, eksempelvis resistivitet, porøsi-tet for formasjonene, densitet av formasjonen, og laggrenseinformasjon (bed boundary information).

En styringsenhet 230 som inkluderer en eller flere mikroprosessorer eller mikrokontrollere, minneanordninger og nødvendig elektriske kretser er tilveiebrakt i boringsenheten. Styringsenheten mottar signalene fra de forskjellige nedihullssensorene, og bestemmer verdiene av de ønskede parameterne basert på algoritmene og modellene tilveiebrakt styringsenheten og som reaksjon til disse sty-ringene styrer de forskjellige nedihullsanordningene, inkludert kraftvektorene ge-nerert av styringsanordningene 130 og 160. Borehullsprofilet kan lagres i styrings-enhetens 230's minne. Styringsenheten kan programmeres til å forårsake at boringsenheten justerer styringsanordningene til å bore borehullet langs det ønskede profilet. Kommandoer fra overflaten eller en fjerntliggende plassering kan bli tilveiebrakt til styringsenheten 230 via en toveistelemetri 240. Data og signaler fra styringsenheten 230 sendes ut til overflaten via telemetrien 240.

Fig. 3 viser en utførelsesform av et landbasert boringssystem som bruker boringsenheten 100 laget i henhold til den foreliggende oppfinnelsen for å bore brønnhull i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Disse konseptene og andre fremgangsmåter kan like godt brukes til offshoreboringssystemer eller systemer som tar i bruk forskjellige typer rigger. Systemet 300 vist på fig. 3 har en boringsenhet 100 beskrevet over (fig. 1) ført inn i et borehull 326. Boringssystemet 300 omfatter et boretårn 311 hevet på et gulv eller bakken 312 som bærer et rota-sjonsbord 314 som roteres av en kraftmaskin eksempelvis en elektrisk motor 315 med en ønsket rotasjonshastighet. Borestrengen 320 omfatter borerøret 152 som strekker seg nedover fra rotasjonsbordet 314 inn i borehullet 326. Borekrone 150 tilknyttet borestrengenden, desintegrerer de geologiske formasjonene når den roteres for å bore borehullet 326. Borestrengen 320 er forbundet med et heisspill 330 via en drivrørforbindelse 321, svivel 328 og line 329 gjennom en trinse 323. Under boringsoperasjonen drives heisspillet 330 for å styre lasten på borekronen (weight on bit), som er en viktig parameter som påvirker penetrasjonshastigheten. Drift av heisspillet 330 er godt kjent innenfor fagområdet og følgelig ikke beskrevet heri i detalj.

Under boringsoperasjoner, sirkuleres et passende borefluid 155 fra en slamkilde 332 under trykk gjennom borestrengen 320 ved hjelp av en slampumpe 334. Borefluidet 155 passerer fra slampumpen 334 inn i borestrengen 320 via en trykksjokkutligner (desurger) 336, fluidline 338 og drivrørsforbindelse 321. Borefluidet 155 tømmes ut ved borehuilsbunnen 351 gjennom en åpning i borekronen 150. Borefluidet 155 sirkuleres oppihulls gjennom ringrommet 327 mellom borestrengen 320 og borehullet 326 og returnerer til slamtank 332 via en returledning 335. En sensor Si er fortrinnsvis plassert i line 338 og tilveiebringer informasjon om fluidstrømningshastigheten. En overflatedreiemomentsensor S2 og en sensor S3 tilknyttet borestrengen 320 tilveiebringer henholdsvis informasjon om dreiemo-mentet og borestrengens rotasjonshastighet. I tillegg, blir en sensor S4 tilknyttet en line 29 brukt for å tilveiebringe kroklasten på borestrengen 320.

I det foreliggende systemet kan borekronen 150 roteres ved kun å rotere slammotoren 140 eller ved rotasjon av borerøret 152 som kan bli påtvunget på borekronemotorens rotasjon. Borekronemotoren tilveiebringer vanligvis et høyere turtall enn borerørsrotasjonen. Penetrasjonshastigheten (rate of penetration)

(ROP) for borekronen 150 inn i borehullet 326 for en gitt formasjon og en boringsenhet er i stor grad avhengig av lasten på borekronen og borekronens omdrei-ningshastighet.

En styringsenhet ved overflaten 340 mottar signaler fra nedihullssensorene og anordningene via en sensor 343 plassert i fluidlinjen 338 og signaler fra sensorene Si, S2, S3l kroklastsensor S4 og hvilke som helst andre sensorer brukt i systemet og prosesserer slike signaler i henhold til programmerte instruksjoner tilveiebrakt overflatestyringsenheten 340. Overflatestyringsenheten 340 fremviser ønskede boringsparametere og annen informasjon på et display/monitor 342 og blir brukt av en operatør for å styre boringsoperasjonene. Overflatestyringsen-hetene 340 inneholder en datamaskin, minne for lagring av data, opptaker for re-gistrering av data og annet perifert utstyr. Overflatestyringsenheten 340 prosesserer data i henhold til programmerte instruksjoner og reagerer på brukerkomman-doer innsatt via en passende anordning, eksempelvis et tastatur eller en berø-ringsskjerm. Styringsenheten 340 er fortrinnsvis tilpasset for å aktivere alarmer 344 når visse usikre eller uønskede driftsforhold oppstår.

Fremgangsmåten for boring av brønnhull med systemet i henhold til oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med henvisning til fig. 1A-3. For formål av denne beskrivelsen, blir boring av vertikale hullseksjoner, eksempelvis seksjon 14 og andre rette seksjoner, vist til som seksjoner 18 og 20 på fig. 1A også vist til som to-dimensjonale eller «2D-» hull. Boring av de kurvede seksjonene eksempelvis seksjon 16 på fig. 1A og seksjoner 34, 38 og 42 er vist til som tre-dimensjonale eller «3D-» boring.

Med henvisning til fig. 1 A, for å danne en vertikal seksjon, eksempelvis seksjon 14 (fig. 1 A), blir ribbene 132 på styringsanordning 130 justert for å påføre den samme sidekraften av hver ribbe 132. Imidlertid er ribbekreftene fortrinnsvis individuelt styrt for på en bedre måte å opprettholde vertikalitet. Ribbene 162 på den andre styringsanordningen 160 kan også justeres på samme måte. Boring blir så utført ved rotere borekronen 150 av borekronemotoren 140. Om ønskelig, kan borerøret 152 også roteres fra overflaten med en hvilken som helst hastighet hvis den samme kraften påføres alle ribbene eller alternativt ved relativ lav hastighet hvis ribbene styres individuelt. Styringsenheten 230 bestemmes fra helningssen-sormålinger hvis borestrengen 387 avviker fra sann vertikal. Styringsenheten, justerer som reaksjon til utstrekningen av slike avvik, kraftvektorene på en eller flere ribber i styringsanordningene 130 og/eller 160 for å gjøre at borekronen 150 borer langs den sanne vertikale retningen. Penne prosessen fortsetter inntil borekronen 150 når dybden d1.

For å sette i gang boring av den kurvede seksjonen 16, blir boringsretningen forandret slik at den følger kurven med radius R1.1 en modus, blir et komman-dosignal sendt av overflatestyringsenheten 340 til den nedihullsplasserte styringsenheten 230, som justerer kraftvektorene på ribbene til en eller begge styringsanordningene 130 og 160 for å gjøre at borekronen 150 begynner boring i retningen til den planlagte kurven (veien). Styringsenheten 230 fortsetter å overvåke styringsretningen fra helnings- og navigasjonssensorene i boringsenheten 100 og som respons til dette justerer eller manipulerer kreftene på ribbene 132 og/eller 162 på en måte som forårsaker borekronen til å bore langs den kurvede seksjonen 16. Boring av 3-D-seksjon 16 blir utført av borekronemotoren 140. Borestrengen 387 blir ikke rotert fra overflaten. I dette moduset blir boreveien 16 og algoritmene som respekterer justeringene av ribbekraftvektorene lagret i styringsenheten 230.1 en alternativ modus, blir boringsretningen og orienteringsmålinger telemetrert til overflaten og overflatestyirngsenheten 340 sender ut kraftvektorene for ribbene, som så settes nedihulls. Følgelig, blir for å bore en 3D-seksjon, boringen utført av motoren, mens ribbekraftvektorene manipuleres for å gjøre at borekronen borer langs den kurvede seksjonen. De ovenfor beskrevne fremgangsmåter tilveiebringer et selvstyrt system med lukket sløyfe for boring av både 2D og 3D-seksjonene.

For å bore en skråstilt seksjon, eksempelvis seksjon 18, kan boringen oppnås på forskjellige måter. I en metode blir borestrengen ikke rotert. Boringen oppnås ved å manipulere kraften på ribbene. Fortrinnsvis blir begge ribbestyringsan-ordningene 130 og 160 brukt. For å styre den rette seksjonen 18, blir kraften for de forskjellige ribbene, avhengig av ribbeplasseringen i borehullet, kalkulert for å ta høyde for helningen og gravitasjonseffekten. Kraften på ribbene blir satt til slike forhåndbestemte verdier for å bore den skråstilte seksjonen 18. Justeringer på ribbekreftene blir gjort hvis boringen avviker fra retningen definert av seksjon 18. Disse kan gjøres ved å sende ut kommandosignaler f ra overflaten eller tilsvarende til programmene lagret i styringsenheten 230.

Alternativt, blir borekronerotasjonen for boremotoren påført med bore-strengrotasjon. Ribbene på styringsanordningen holdes med den samme kraften. En eller begge styringsanordningene 130 og 160 kan bli brukt. Under rotasjon av borestrengen, kan retningsegenskapene justeres av de samme justeringene for den radielle forflytningen av ribbene eller via variasjon av gjennomsnittskraften på ribbene, som er ekvivalent med en forandring av stabilisatordiameter. Anvendelse av begge settene ribber forbedrer denne evnen og tillater også en høyere opp-bygningshastighet. Rotering av borestrengen senker friksjonen og tilveiebringer bedre hullrensing sammenlignet.med moduser der borestrengen ikke roteres.

Kraftvektorene for boring av en rett seksjon i en eller flere driftsmodus be-regnes ved overflaten. Når borekronen når startdybden for en slik seksjon, sender overflatestyringsenheten 340 kommandosignaler til nedihullsstyringsenheten 230, som setter allé ribbene til den ønskede styringsanordningen til en forhåndsbestemt kraftsverdi. Boringssystemet opprettholder så kraftvektorene ved den forhåndsbestemte verdien. Hvis helning av boringsenheten er forskjellig fra den ønskede helningen, justerer den nedihullsplasserte styringsenheten kraftvektorene for å gjøre at boringen oppstår langs den ønskede retningen, I stedet for, kan kommandosignaler bli sendt fra overflaten for å justere kraftvektorene. Horisontale seksjoner, eksempelvis seksjon 20, blir boret på samme måte som de rette skråstilte seksjonene. De kurvede seksjonene eksempelvis seksjon 38, blir boret på den samme 3D-måten beskrevet tidligere.

Følgelig, tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen et boresystem som kan utføre en hvilken som helst retnings- eller avviksboringsjobb fra boring av et sant vertikalt hull, avvikende fra det vertikale hullet for å bore et kurvet hull, og så et rett skråstilt og/eller horisontal seksjon. Den kurvede seksjonen kan bygge opp eller helle. Systemet omfatter en full retningssensorpakke og en styringsenhet sammen med styringsmodeller eller algoritmer. Disse algoritmene omfatter nedi-hullsjusterbare oppbygningsgrader som trengs og den automatiserte genereringen og opprettholdelsen av kraftvektorene. Dette eliminerer behovet for tidkrevende manuell last på borekronen og verktøyoverflatestyring som ofte blir brukt. Den sanne navigasjonen blir mulig med .integrasjonen av gyrosystemer. Dette automatiserte systemet reduserer betydelig den manuelle innblandingen, og etterlater kun behovet for å overvåke boringsprosessen.

Systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen som tar i bruk motoren med ribbene som automatisk justerer sidekreftene og styringsretningene lukker spalten som finnes mellom de vanlige motorene med et fast bend og styring under roteringssystemene. Fordi systemet i henhold til foreliggende oppfinnelsen tillater. finjustering av retningsevnen under boring, og fordi det ikke er noe behov for tidkrevende verktøyoverflateorientering, har slike systemer ofte betydelige fordeler i forhold til styrbare motorsystemer. Systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen resulterer i raskere boring og kan nå mål med større avvik.

Claims (18)

1. Anordning for boring av et brønnhull med minst én rett brønnhullseksjon og minst én kurvet brønnhullseksjon, omfattende: et roterbart rørformet element som kan føres fra en overflateplassering inn i brønnhullet; en boringsenhet koplet med det rørformede elementet; og en styringsenhet med et tilknyttet program som inneholder brønnhullsprofil-parametre som vedrører den minst ene rette brønnhullseksjonen og den minst ene kurvede brønnhullseksjonen; idet boringsenheten omfatter: en rett seksjon med en borkrone ved en ende av den rette seksjonen, en borkronemotor oppihulls i forhold til borkronen for rotering av borkronen, et første sett ribber innrettet rundt den rette seksjonen av boringsenheten, idet hver ribbe i det første settet ribber er tilpasset for uavhengig å strekke seg radielt utover fra boirngsenheten for å påføre kraft til brønnhullet ved påføring av energi til hver ribbe i det første settet, et andre sett ribber oppihulls i forhold til det første settet ribber og også innrettet rundt den rette seksjonen av boringsenheten, idet hver ribbe i det andre settet ribber strekker seg radielt utover fra boringsenheten for å påføre kraft til brønn-hullet ved påføring av energi til hver ribbe i det andre settet, en energienhet for tilførsel av energi til ribbene,karakterisert ved at under boring av den minst ene rette brønn-boringsseksjonen er borkronen rotert av borkronemotoren og det roterbare rør-formede elementet og styringsenheten velger en kraft som skal påføres hver ribbe i det første settet ribber plassert på den rette seksjonen av boringsenheten for boring av den rette brønnhullseksjonen og opprettholder kraften på hver ribbe hovedsakelig lik den valgte kraften, og hvori under boring av den minst ene kurvede brønnhullseksjonen er borkronen rotert kun av borkronemotoren og styringsenheten forårsaker selektivt at minst enten det første, andre eller begge sett ribber plassert på den rette seksjonen av boringsenheten, påfører forskjellige mengder krefter på brønnhullet.

2. Anordning i henhold til krav 1, ytterligere omfattende en sensor for å tilveiebringe målinger indikerende for minst en parameter av interesse.

3. Anordning i henhold til krav 2, hvori minst den ene parameteren av interesse er valgt av en gruppe bestående av: (i) helning av boringsenheten; (ii) helning av borehullet; og anordningen videre omfatter en sensor som tilveiebringer signal som indikerer posisjonen av ribbene i forhold til borehullets overside.

4. Anordning i henhold til krav 1, ytterligere omfattende en navigasjonssensor for å tilveiebringe målinger i forbin-delse med retningen av borekronen under boring av brønnhullet.

5. Anordning i henhold til krav 1, hvori styringsenheten omfatter en mikroprosessor og minne for lagring av minst en del av programmet.

6. Anordning i henhold til kravene 2 til 5, hvori styringsenheten forårsaker at ribbene i det første settet ribber påfører de forskjellige mengdene krefter som reaksjon på verdiene av de valgte parameterne av interesse.

7. Anordning i henhold til krav 1, ytterligere omfattende en telemetrienhet for å tilveiebringe toveisdatakommunika-sjon mellom styringsenheten og en overflatéstyringsenhet.

8. Anordning i henhold til krav 7, hvori styringsenheten ytterligere styrer mengden av krefter påført av ribbene, i det første settet som reaksjon på signaler mottatt fra overflatestyringsenheten.

9. Anordning i henhold til krav 1, hvori styringsenheten ytterligere velger en kraft som skal påføres hver ribbe i det andre settet ribber for boring av den rette brønnhullseksjonen og opprettholder kraften på hver ribbe hovedsakelig lik sin valgte verdi under boring av den minst ene rette seksjonen.

10. Anordning i henhold til krav 1, hvori programmet omfatter parametere for en forhåndsbestemt brønnboringsvei som skal bores.

11. Anordning i henhold til krav 10, hvori styringsenheten justerer mengden kraft påført av ribbene i det første settet på brønnboringen som en funksjon av avvik av denne faktiske boringsbanen av brønnboringen fra en forhåndsbestemt brønnboringsvei.

12. Fremgangsmåte for boring av en brønnboring med en kurvet seksjon og en rett brønnboringsseksjon, idet fremgangsmåten omfatter: føring av en boringsenhet i brønnboringen ved hjelp av et roterbart rørfor-met element, idet boringsenheten omfatter en rett seksjon og inkluderer en borkrone med en ende av den rette seksjon som er roterbar av en borkronemotor båret av boringsenheten, et første sett ribber innrettet rundt den rette seksjonen, der hver ribbe er uavhengig radielt utstrekkbar for å påføre kraft på brønnboring-ens innside, og et andre sett ribber oppihulls fra det første settet ribber og også innrettet rundt den rette seksjonen av boringsenheten som inneholder et flertall uavhengig styrbare ribber; boring av den rette brønnboringsseksjonen ved å velge en kraft som skal påføres hver ribbe i det første settet ribber plassert på den rette seksjonen av boringsenheten, rotering av borkronen av borkronemotoren og det rørformede elementet, og opprettholdelse av kraften på hver ribbe hovedsakelig lik en valgt kraft; og boring av den kurvede brønnboringsseksjonen ved rotering av borkronen kun av borkronemotoren og ved påføring av en forskjellig kraft på brønnboringens innside av hver av ribbene i idet minste en av det første eller andre settet ribber plassert på den rette seksjonen;karakterisert ved at kraften på hver ribbe under boring av den kurvede seksjonen og den rette seksjonen bestemmes i det minste delvis av en ønsket brønnborings profil lagret i en styringsenhet på boringsenheten.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, ytterligere omfattende: velge en lik kraft som skal påføres hver av ribbene i det andre settet ribber; rotere borkronen ved hjelp av borkronemotoren og det rø rf ormede elementet; og opprettholde den samme kraften på hver ribbe i det andre settet ribber hovedsakelig lik sin valgte verdi under boringen av den rette seksjonen.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, ytterligere omfattende måling av helningen av en av (i) boringsenheten eller (ii) brønnboringen.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, ytterligere omfattende boring av brønnboringen langs en forhåndsbestemt brønn-vei.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, ytterligere omfattende bestemmelse av en parameter som indikerer retningen for boring av brønnboringen.

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 16, ytterligere omfattende forandring av boringsretningen av brønnboringen hvis parameteren er utenfor en forhåndsbestemt grense.

18. Fremgangsmåte i henhold til krav 12, hvori forandring av boringsretningen omfatter forandring av kraft påført av minst en ribbe i det første settet ribber.