NO323125B1 - Fremgangsmate og anordning for tradlos aktivering av en nedihulls avlederkile - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår undergrunnsboring. Mer spesifikt angår oppfinnelsen fremgangsmåter og anordninger for setting av brønn-ringroms-pakninger og verktøy-holdekiler generelt, men også spesifikt når pakningen innføres i kombinasjon med eh avlederkile.

Den tradisjonelle fremgangsmåten for retningsbestemt boring inkluderer en skråstilt stål-avlederanordning for borestrengen, betegnet en "avlederkile". Avlederkilens funksjon er å dreie frese/boreretningen for fresen/borkronen på borestrengen fra et allerede boret borehull til en annen, valgt retning. Over en lengde på omtrent 3 til 7,5 meter (10 til 25 fot) dreier avleder-skråflaten på avlederkilen borehullsaksen fra sammenfall med det eksisterende borehullet til en avbøyningslinje på fra omtrent 30 centimeter til omtrent 3 meter (1 to 10).

Avlederkilen festes vanligvis inne i et eksisterende borehulls-foringsrør ved hjelp av et pakning/holdekileverktøy tilveiebrakt langs lengden til avlederkilen nedenfor den nedre enden av avlederflaten. Pakningen må tette av det eksisterende borehullet nedenfor avlederkilen for fluidkommunikasjon med awiks-borehullet. Holdekilene må stå imot den betydelige skyvekraften (eng: thrust force) mot avlederkilen langs aksen til det eksisterende borehullet og dreiemomentet fra rotasjonen av den utbøyde borestrengen.

Selv om avlederkilen endrer kutteretningen for borkronen inne i forings-røret vil dette kun vende borkronen inn mot foringsrørveggen. Følgelig, etter at avlederkilen er satt, er det nødvendig å kutte ut et vindu av foringsrørveggen for å gjøre det mulig å drive borkronen fremover og inn i berggrunnen langs den nye, avbøyde retningen. Vinduet kuttes ved hjelp av et stålfreseverktøy i enden av borestrengen. Bak freseverktøyet kan det være tilveiebragt ett eller flere hullfres- eller opprømmerverktøyer som øker foringsrørvinduets størrelse.

For å unngå å måtte gjøre flere "turer" inn og ut av borehullet for å utføre de mange operasjonene som er nødvendige kombineres avlederkilen og pakning/holdekileverktøyene med en foringsrørfres og én eller flere hullfreser eller opprømmere. Den integrerte kombinasjonsenheten festes tjl enden av en borestreng. Tidligere teknikk tilveiebringer en fluidkanal langs avlederkilens lengde for å forbinde boringen i borestrengen med pakningen/holdekilene. Når avlederflaten på avlederkilen er orientert i ønsket retning engasjeres pakningen og holdekilene ved hjelp av fluidtrykk som tilføres og styres ved hjelp av pumper ved overflaten eller, alternativt, ved hjelp av det hydrostatiske trykket i brønn-boringen som anvendes mot et kammer under atmosfærisk trykk. Foringsrør-fresen frigjøres fra den øvre enden av avlederkilen og senkes ned mot avlederkilens avlederflate mens den roteres for å frese ut foringsrørvinduet.

For å oppnå en korrekt orientering benytter det siste innenfor teknikken på området en telemetriteknologi kalt "måling-under-boring" (MWD) eller "logging-under-boring" (LWD). Blant egenskapene og evnene til en MWD-enhet er at den kan rapportere status nedihulls for boringsoperasjonen til en mottaker-enhet ved overflaten.

Denne nedihullsstatusen rapporteres i form av trådløse (f.eks. soniske) signaler, som for eksempel overføres langs søylen av borefluid inne i det til-hørende borerøret som signaloverføirngsmedium. Sirkulerende borefluid (dvs. slam) som pumpes nedihulls gjennom boringen i borestrengen driver en turbogenerator som genererer signalgenereirngsenergi. Ett forhold som rapporteres av en MWD-enhet er asimutretningen til det vertikale planet som forløper gjennom "oversiden (eng: high side)" av borehullet. Videre rapporteres vinkelen med hvilken borehullet avviker fra vertikalen. Med kunnskap om disse geometri-forholdene kan avlederkilens avlederflate presist settes i den ønskede retningen i forhold til retningen til "overside"-planet.

Fra US 5,732,776 fremgår det en fremgangsmåte og anordning for nedihulls styring av en produksjonsbrønn. I en utførelse vises et nedihulls måle-og telemetriinstrument med turbingenerert energiforsyning, og et mikro-prosessorstyrt trykkdrevet brønnstyringsverktøy, hvor mikroprosessoren gir respons på kodete strømningsoverførte styringssignaler ved å aktivere for eksempel en nedihullsventil.

Fra US 6,138,756 fremgår det løsning for å sette en avlederkile, hvor løsningen omfatter en nedihulls verktøystreng med brønnboringspakning, holdekiler og måle-og telemetriinstrument for bestemmelse og overføring av posisjonsmåledata.

Én av vanskelighetene forbundet med utstyret og fremgangsmåtene

ifølge tidligere teknikk som beskrevet ovenfor er behovet for hydraulikkoplinger mellom boringen i borestrengen og avlederkilens pakning/holdekileenhet. Ifølge vanlig praksis omfatter denne koplingen en boring langs lengden til avlederkile-

stykket, en ekstremt vanskelig og kostbar maskineringsoperasjon. Ved den øvre enden av boringen er kanalen i avlederkilen forbundet med borestrengen ved hjelp av forhåndsformede eller fleksible rørdeler ved hjelp av en trykk-settbar hydrauiikkventil. Både rørdelen og ventilene er utsatte for funksjonssvikt og skader påført under innføringen.

Det er derfor et mål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å sette en avlederkile med én innføringsoperasjon som ikke krever en hydraulikkforbindelse mellom pakning/holdekileenheten og borestrengen.

Et annet mål ved foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for å sette en pakning eller en holdekile som aktiveres av trådløse MWD- eller LWD-signaler.

Det ér også et mål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en prose-dyre for å sette en avlederkile som er raskere og mer pålitelig enn utstyr og fremgangsmåter ifølge tidligere teknikk.

Et ytterligere mål ved foreliggende oppfinnelsé er å anvende vanlig brukt utstyr fra siste teknikk på området som er nødvendig nedihulls for å bestemme asimutretningen til borestrengen og avlederkilens avlederflate også for å aktivere avlederkilens pakning og/eller forankring.

Disse og andre mål med oppfinnelsen oppnås med et avlederkile-stykke med en pakning/holdekileenhet tilveiebrakt nedenfor avlederkilen. Pakning/- holdekileenheten kan aktiveres ved hjelp av in situ energi så som det hydrostatiske brønntrykket. Den hydrostatiske aktuatoren for pakning/holdekile-enheten omfatter et motorkammer for å drive pakning- og holdekile-aktiverings-stemplene. Fluidstrømning i brønnboringen gjennom en innvendig kanal forbundet med motorkammeret forsegles av. en solenoidkanal. Solenoidventilen åpnes ved hjelp av et batteridrevet operasjonssignal fra en mikroprosessor. Åpning av solenoidventilen forårsaker at in situ borehullstrykket kommuniseres inn i aktuerings-motorkammeret. Mikroprosessoren responderer på overførte MWD- eller LWD-signaler, men kun i en forbestemt sekvens som kan styres ved selektiv operasjon av slamstrømningen i rørstrengen.

Når én-turs avlederkileenheten innføres i brønnboringen sirkuleres borefluid (slam) ned boringen i borerøret eller kveilrøret for å operere MWD-eller LWD-turbogeneratoren. Når det ønskede dypet for avlederkilen er funnet orienteres avlederflaten ved å rotere borestrengen relativt asimuten til bore-hullets overside, som bestemmes ved hjelp av MWD-enheten.

På dette tidspunktet opereres borefluidpumpen eller -sirkuleringsstyreren på en forbestemt måte slik at MWD-senderen sender ut et gjenkjennbart signal-mønster. For eksempel kan det gjenkjennbare signalet være fravær av signal-overføringer som et resultat av at strømningen av borefluidet opphøres. Et slik gjenkjennbart signalmøhster kan karakteriseres som et referanse- eller vårslingssignal. Etter varslingssignalet opereres borefluidpumpen eller strøm-ningsstyringsenheten på en ny gjenkjennbar måte, for eksempel i form av en programmert sekvens av tidsavmålte startintervaller etterfulgt av tidsavmålte stoppintervaller. Mikroprosessoren som styrer pakning/holdekileaktuatoren er programmert for å respondere på det gjenkjennbare MWD-signalet ved å sende ut et driftsstrømsignal til pakning/holdekile-solenoidventilen. Når solenoidventilen mottar strømsignalet fra mikroprosessoren åpnes ventilen slik at brønnboringstrykket kommuniseres inn i pakning/holdekile-motorkammeret. Det resulterende brønnboringstrykket som kommer inn i pakning/holdekile-motorkammeret setter avlederkilens pakning og forankrings-holdekiler. Ved anvendel-se i grunne brønner, der in situ trykket vil kunne være utilstrekkelig til å sette pakningen eller forankringen, kan det tilføres ytterligere brønnboringstrykk fra en ekstern kilde for å komplettere setningsprosedyren. Etter dette fortsetter avlederkile-prosedyren på den måten som er kjent innenfor teknikken.

Fordelene og ytterligere aspekter ved oppfinnelsen vil lett oppdages av de med ordinære kunnskaper på området når denne forstås bedre ved henvisning til den etterfølgende detaljerte beskrivelsen sett i sammenheng med de vedlagte figurene, av hvilke: Figur 1 er et elevert snitt av oppfinnelsens nedre verktøykombinasjon; Figur 2 er et elevert snitt av oppfinnelsens øvre verktøykombinasjon; Figur 3 er en halvseksjon av en pakningsaktuator som energiforsynes av det hydrostatiske brønnboringstrykket; Figur 4 er et signalprosesseringsskjema; Figur 5 er en nedihullsseksjon av den nedre oppfinnelsen; Figur 6 er en nedihullsseksjon av foringsrørfresen ifølge oppfinnelsen etter separasjon fra avledekilén; Figur 7 er en nedihullsseksjon av oppfinnelsen i en komplettert awiks-brønnboring.

Med hensyn til utførelsesformen av oppfinnelsen som er vist i figurene 1 og 2 er en seriell oppsats av nedihullsverktøy vist forløpende fra enden av en eksempelvis nedihulls-rørstreng 32. Betegnelsen "rørstreng" er ment å inklu-dere enten borerør eller kveilrør som innbefatter en fluidkanaliseringvei gjennom en kontinuerlig, sentrert boring. Rørstrengen forløper fra overflaten som strukturell støtte for og for styring av bunnhullsverktøyenheten. Bunnhulls-verktøyenheten som anvendes i forbindelse med foreliggende oppfinnelse inkluderer, men er ikke begrenset til, en enhetlig pakning/holdekileenhet 10. Ved siden av pakning/holdekileenheten er det tilveiebrakt en pakning/holdekile-aktuator 12. Aktuatoren 12 beskrives mer i detalj i forbindelse med figur 3. Ovenfor aktuatoren er det tilveiebrakt et nedihulls-brønnstyringsverktøy så som en avlederkile 14 med en avlederflate 15. Avlederkilen 14 festes (eng: nominally) til foringsrørfresen 20 ved hjelp av en forankringssko 16 og et skjærbart festeelement 18. Kontinuiteten av kanalenboringen i rørstrengen 32 strekker seg vanligvis, men ikke alltid, kun til foringsrørfresen 20. Fluid som strømmer inne i kanalen i rørstrengen 32 kan for eksempel være borefluid (slam), vann eller hydraulikkolje. I det følgende er betegnelsene "slam" eller "borefluid" ment å innbefatte et hvilket som helst fluid som transporteres eller sirkuleres fra overflaten ned rørkanalen ved hjelp av en pumpe.

Etter foringsrørfresen 20 i bunn-til-topp sekvensoppsatsén er det tilveiebrakt et første opprømmerverktøy 22 for å forstørre foringsrørvinduet. Et andre opprømmerverktøy 24 kan være koplet til det første verktøyet 22 via et bøyeledd 26. Et andre bøyeledd 28 kan, men trenger ikke, være tilveiebrakt mellom det andre opprømmerverktøyet 24 og et telemetriinstrument 30.

Mellom rørstrengen 32 og den øvre freseenheten, for eksempel, er det tilveiebrakt et nedihulls-telemetriinstrument 30 så som for eksempel en måling-under-boring (MWD) eller logging-under-boring (LWD) -enhet som beskrevet i U.S.-patentsøknaden 09/204 908. Telemetriinstrumentet 30 overfører typisk målte nedihullsdata i form av trådløse signaler. For eksempel forplantes soniske signaler gjennom søylen av borefluid fra topp til bunn. Utsendingen av de trådløse signalene drives av strømningen av boreslam i rørstrengen gjennom en turbogenerator tilknyttet telemetriinstrumentet 30. Følgelig, når strømningen av boreslam i rørstrengen avbrytes, avbrytes også signalutsendingen.

Med henvisning til figur 3 omfatter pakning/holdekile-aktuatoren 12 en akselstammé 50 som er festet til den nedre enden av avlederkilen 14 med en gjenget muffekopling 51. Den motsatte enden av stammen er festet til bunn-hullsenden av pakning/holdekileenheten 10. Rundt borkroneskaftet (eng: shank) 57 på stammen 50 er det tilveiebragt en forskyvningsehhet som omfatter et fast-montert stempel 64 og et setningsstempel 58 som separeres av et lavtrykks-kammer 62. En sylindermuffe 60 er festet til en trykkskulder 66 og omslutter lavtrykkskammeret 62. Setningsstempelet 58 er anlagt mot enden av sylinder-muffen 60 og vender inn i et motorkammer 59. Den fremre enden, eller hodet, 56 av motorkammeret utgjøres av en integrert skulder på stammen 57.

Inne i legemet av stammen 57 er det tilveiebragt et instmment-hulrom som inneholder en signal-mikroprosessor 36 og en solenoidventil 38. Ventilen 38 styrer strømningen av fluid fra en kanal 52 og inn i motorkammeret 59 via en aktueringskanal 54. Kanalen 52 løper typisk inn i et senterkammer i stammens muffekopling 51. Porter 53 eksponerer senterkammeret for in situ brønnborings-trykket. Når ventilen 38 åpnes nedihulls driver hydrostatisk brønnboringstrykk inne i motorkammeret 59 setningsstempelet 58 og sylinderen 60 mot trykkskulderen 66 for å sette pakningen/holdekilen 10.

En typisk operasjon av enheten ifølge oppfinnelsen er representert ved sekvensen i figurene 5, 6 og 7. Initialt bringes verktøyenheten til det ønskede dypet i et eksisterende borehull som er foret med et stålforingsrør 40. På grunnlag av asimut- og borehullsawikdata tilveiebragt av MWD-enheten 30 roteres borestrengen for å orientere avlederkilens avlederflate 15 i ønsket retning. På dette tidspunktet stanses borefluid-sirkulasjonspumpen, eller utløpsstrømmen fra pumpen ledes bort fra nedihulls-rørstrengen. Med henvisning til prosesskjematikken i figur 4, når strømningen av slam opphører, terminerer signaloverføringen 31 fra MWD (eller LWD)-enheten 30. Avbrudd av MWD-signaloverføringen armerer mikroprosessoren 36 for pakning/holdekile-aktuatoren 12. Etter for eksempel en to minutters oppholdsperiode gjenopp-rettes strømningen av slam og fortsettes for eksempel i ett minutt før den igjen stanses. Denne syklusen gjentas to eller tre ganger, hvorpå mikroprosessoren 36 responderer på den programmerte signalsekvensen ved å åpne pakningA holdekile-solenoidventilen 38. Når ventilen 38 åpner oversvømmes pakning/- holdekile-aktueringsmotorkammeret 56 med nedihulls-brønnfluid under nedi-hullstrykket gjennom kanalene 52 og 54. In situ brønntrykket mot overflaten av setningsstempelet 58 presser trykkskulderen 66 inn i setningsmekanismen for pakningen/holdekilen 10.

Med pakning/holdekile-enheten 10 satt, slik at den forankrer den nedre enden av holdekilen, roteres borestrengen 32 for å skjære festeelementet 18 mellom avlederkilen 15 og borestrengen 32. Borestrengen 32 frigjøres med dette fra avlederkileenheten og kan føres innover i brønnboringen uavhengig av avlederkilen. Borestrengen roteres mens den føres innover. Når den roterende borestrengen 32 og foringsrørfresen 20 bringes i kontakt med den herdede stålflaten 15 av avlederkilen 14, presses foringsrørfresen 20 mot veggen av foringsrøret 40 slik at den kutter ut et vindu i veggen som illustrert i figur 6.

Vanligvis har ikke foringsrørfresen 20 samme diameter som den inn-vendige diameteren til det originale foringsrøret 40. Foringsrørvinduet, rett etter at det er tilveiebrakt, er således mindre enn det som er nødvendig og ofte frynset (eng: fringed) langs periferien av foringsrør-metallfragmenter (eng: metal shards). For å ekspandere vindusåpningen og trimme vindusperiferien etter-følges foringsrørfresen 20 av opprømmeme 22 og 24. Ytterligere innoverføring av borestrengen 32 borer pilothulletforen ny brønnboring 42.

Så langt er det nye borehullet 42 tilveiebrakt med én enkelt tur inn i det originale borehullet 40. Alt verktøy som er nødvendig for å starte og ferdiggjøre avlederkileoperasjonen er til stede fra begynnelsen av operasjonen. Etter at det originale foringsrøret 40 er kuttet og utvidet trekkes borestrengen. 32 ut fra borehullet og foringsrørfresen og -opprømmeme erstattes med et tradisjonelt berggrunnsbor som på en mer effektiv måte borer det nye borehullet 42.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med setting av en avlederkile, vil det være åpenbart for fagfolk på området at kjernekonseptet ved denne oppfinnelsen er utnyttelse av en kodet sekvens av trådløse signaler fra et nedihulls-telemetriinstrument som tilveiebringes med signalstrøm generert av en pumpet strømning av fluid gjennom en rørstreng forløpende fra overflaten. Dette kjernekonseptet kan anvendes for å styre, aktivere eller deaktivere annet nedihulls brønnstyringsutstyr så som produksjonspakninger, produksjons-forankringer, produksjonsventiler, sementventiler og overkryssløp. Telemetri-instrumenter så som MWD- eller LWD-enheter som utnytter pumpet strømning av borefluid for å drive én turbogenerator er kun anvendt som eksempler.

En må også forstå at det finnes mange alternativer til å anvende in situ brønnboringstrykket som energikilde for aktiveringen. Signalene som aktiverer fluidstyringsventilen 38 kan også anvendes for å avfyre eksplosiver, frigjøre komprimert gass eller frigjøre mekaniske fjærer.

Følgelig kan det gjøres modifikasjoner og forbedringer av disse opp-funnede konseptene uten at en beveger seg utenfor oppfinnelsens rekkevidde. De spesifikke utførelsesformene som er vist og beskrevet her er kun illustra-sjoner av oppfinnelsen og må ikke tolkes som begrensende på oppfinnelsens rekkevidde eller oppfattelsen av de etterfølgende patentkravene.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for å sette en avlederkile i et borehull med et verktøy (10,14) omfattende en pakning (10) og en lederkile (14), karakterisert ved: (a) sammensetting av en nedihulls-verktøystreng som inkluderer en rørstreng med en fluidstrømningsboring og en ledekile (14), idet verktøy-strengen videre omfatte en telemetrienhet (30) er opphulls i forhold til ledekilen (14) for rapportering av nedihulls dybde, retning, orientering på datasignaler generert av en pumpet strøm av fluid langs fluidstrømningsboringen og brønnpakningen (10) under ledekilen (14), idet pakningen (10) hår fluidstrømningsisolasjon fra den pumpede fluidstrømmen; (b) utplassering av nevnte verktøystreng ved et ønsket dyp i en brønn; (c) orientering av nevnte lederkile (14) i den ønskede retningen i nevnte brønn; (d) å energiforsyne aktiveringen av nevnte pakning (10) og holdekiler ved hjelp av in situ borehullstrykk; (e) styring av aktiveringen av nevnte pakning (10) og holdekiler ved hjelp av en mikroprosessor (36) som opererer i respons på en kodet sekvens av datasignaler fra nevnte måleverktøy med telemetrienhet (30); og (f) styring av den pumpede strømningen av fluid for å overføre nevnte kodede sekvens av datasignaler, hvorved nevnte pakning (10) og holdekiler settes for å oppnå det ønskede dypet for, og den ønskede orienteringen av nevnte avlederkile.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at nevnte måleverktøy med telemetrienhet (30) er et måling-under-boring instrument.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at nevnte måleverktøy med telemetrienhet (30) er et logging-under-boring instrument.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 for å operere et nedihullsverktøy (10, 14), karakterisert ved at den videre omfatter trinnene: (a) tilveiebringelse, i en rørstreng (32) for å kanalisere en pumpet strømning av fluid, av et nedihulis-telemetriinstrument (30) for å måle nedihullsforhold og for å sende ut trådløse datasignaler fra nevnte nedihulis-telemetriinstrument (30) i overensstemmelse med nevnte nedihullsforhold; (b) å energiforsyne utsendelsen av nevnte datasignaler fra nevnte nedihulis-telemetriinstrument (30) ved hjelp av nevnte pumpede strømning av fluid; (c) tilveiebringelse av verktøyet (10,14) i nevnte rørstreng (32), idet verktøyet blir drevet av in situ borehullstrykk; (d) styring av operasjonen av nevnte in situ borehullstrykk på nevnte verktøy (10,14) ved hjelp av en mikroprosessor (36); (e) programmering av nevnte mikroprosessor (36) til operativt å respondere på en kodet sekvens av nevnte datasignaler; og (f) styring av nevnte pumpede fluidstrømning for å overføre nevnte datasignaler fra nevnte nedihulis-telemetriinstrument (30) i nevnte kodede sekvens for å operere nevnte verktøy (10,14).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte telemetriinstrument (30) energiforsynes av en fluiddrevet turbogenerator.

6. Nedihulls verktøystreng for å operere en avlederkile, karakterisert ved at den omfatter: (a) en avlederkile (14) med en opphulls ende fastgjort til en rørstreng (32) med en fluidstrømningsboring; (b) en avlederkile-forankringsanordning (10) fastgjort til en nedihullsende av ledekilen (14), idet forankringsanordningen (10) er isolert fra en pumpet strøm av fluid gjennom fluidstrømningsboringen og er operativt energiforsynt av in situ brønnboringstrykk; (c) et måleverktøy med telemetrienhet (30) for å måle dybden til og orienteringen av nevnte anordning i en brønnboring og for å overføre telemetrisignaler i overensstemmelse med dette; (d) en telemetri-signalgenereringsanordning som drives ved styring av pumpet fluidstrømning gjennom en rørboring; og (e) en aktuator (12) for forånkringanordningen aktivert av en kodet sekvens av telemetrisignaler for å gå i inngrep ved hjelp av nevnte in situ borehullstrykk.

7. Nedihulls verktøystreng ifølge krav 6, karakterisert ved at nevnte måleverktøy med telemetrienhet (30) er et måling-under-boring instrument.

8. Nedihulls verktøystreng ifølge krav 6, karakterisert ved at nevnte måleverktøy med telemetrienhet (30) er et logging-under-boring instrument.

9. Nedihulls verktøystreng ifølge krav 6, karakterisert ved at nevnte telemetrisignal-énergigenererings-anordning er en fluiddrevet turbogenerator.