NO326671B1 - Boresystem og fremgangsmate for styring av ekvivalent sirkulasjonsdensitet under boring av bronnboringer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt boresystemer for brønnboringer i oljefelter, og mer spesifikt undersjøiske boresystemer som styrer bunnhullstrykket eller den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten under boring av brønnboringene.

Brønnboringer for oljefelter bores ved å rotere en borkrone som føres inn i brønnboringen på en borestreng. Borestrengen omfatter en boreenhet (også betegnet en "bunnhullsenhet" eller "BHA, bottom-hole-asembly) som bærer borkronen. Bunnhullsenheten føres inn i brønnboringen på en rørledning. Kveilrør eller skjøtet rør anvendes for å føre boreenheten inn i brønnboringen. Boreenheten omfatter enkelte ganger en boremotor eller "slammotor" som roterer borkronen. Boreenheten omfatter også forskjellige typer følere for å gjøre målinger av en rekke parametere vedrørende boringen, formasjonen og bunnhullsenheten. Et egnet borefluid (vanligvis betegnet "slammet") forsynes eller pumpes fra overflaten og ned rørledningen. Borefluidet driver slammotoren, og strømmer deretter ut ved bunnen av borkronen. Borefluidet returnerer oppihulls via ringrommet mellom borestrengen og brønnboringen, og fører med seg biter av formasjonen (vanligvis betegnet "borkaks") som er kuttet løs eller generert av borkronen under boring av brønnboringen.

For å bore brønnboringer under vann (innenfor industrien betegnet en "offshore" eller "undersjøisk" boring) tilveiebringes rørledning ved arbeidsstasjonen på overflaten (lokalisert på et fartøy eller en plattform). Én eller flere rør injektorer eller rigger anvendes for å føre rørledningen inn i eller ut av brønnboringen. I undersjøisk stigerørtype boring blir et stigerør, som dannes ved å skjøte sammen seksjoner av foringsrør eller annet rør, trukket mellom borefartøyet og brønnhode-utstyret ved havbunnen, og anvendes for å styre rørledningen til brønnhodet. Stigerøret tjener også som en kanal for fluid som returnerer fra brønnhodet til fartøyet på havoverflaten.

Under boring forsøker boreoperatøren på en nøyaktig måte å styre fluid-densiteten ved overflaten for å hindre overtyngede tilstander i brønnboringen. Med andre ord holder boreoperatøren det hydrostatiske trykket i borefluidet i brønn-boringen over formasjons- eller poretrykket for å unngå utblåsning fra brønnen. Borefluidets densitet og fluidstrømningsmengden bestemmer i stor grad borefluidets effektivitet i det å bringe borkaks til overflaten. En viktig nedihulls parameter under boring er bunnhullstrykket, som effektivt er den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten ("ECD", equivalent-circulating-density) til borefluidet ved bunnen av brønnboringen.

Denne betegnelsen, ECD, beskriver forholdet som råder når boreslammet i brønnen sirkulerer. ECD er friksjonstrykket forårsaket av at fluidet sirkulerer gjennom ringrommet mellom det åpne hullet og foringsrøret eller foringsrørene på sin vei tilbake til overflaten. Dette forårsaker en økning i trykkprofilet langs denne banen som er forskjellig fra trykkprofilet når det er statiske forhold i brønnen (dvs. ingen sirkulasjon). I tillegg til trykkøkningen under sirkulasjonen oppstår det en ytterligere økning av trykket under boring som følge av at det introduseres borespon i fluidet. Denne trykkøkningen langs ringrommet i brønnen kan på en negativ måte virke inn på boreoperasjoner ved å frakturere formasjonen ved forings-rørskoen av det siste foringsrøret. Dette kan redusere den lengden som kan bores før det er nødvendig å sette ytterligere foringsrør. I tillegg er den sirkulasjons-hastigheten som kan oppnås begrenset. Som følge av denne økningen i sirkulasjonstrykket begrenses i betydelig grad evnen til å rense borehullet. Dette forholdet forsterkes ved boring av en offshore brønn. I offshore brønner er for-skjellen mellom fraktureringstrykket i de grunnere seksjonene av brønnen og poretrykket i de dypere seksjonene betydelig mindre sammenliknet med brønn-boringer på land. Dette er fordi sjøvannsgradienten versus den gradienten som ville eksistere dersom det var jordoverdekning (eng. soil overburden) tilsvarende samme dyp.

For å kunne bore en brønn av denne typen til et totalt brønnboringsdyp ved en undersjøisk lokasjon må den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten i bunnen av brønnboringen reduseres eller styres. Én fremgangsmåte for å gjøre dette er å anvende et slamfylt stigerør for å skape et undersjøisk fluidsirkulasjonssystem ved anvendelse av rørledningen, bunnhullsenheten, ringrommet mellom rørledningen og brønnboringen og det slamfylte stigerøret, og deretter injisere gass (eller en annen væske med lav densitet) i det primære borefluidet (typisk i ringrommet ved bunnhullsenheten) for å redusere densiteten til det fluidet som befinner seg nedstrøms (dvs. i resten av fluidsirkulasjonssystemet). Denne såkalte "todelt densitet (eng. dual density)" metoden betegnes ofte boring med kompressible fluider.

Det har vært foreslått en annen fremgangsmåte for å endre densitets-gradienten i en dypvanns returfluid-strømningsvei. Denne fremgangsmåten foreslår å anvende en beholder, så som en elastisk pose, på havbunnen for å motta returfluid fra brønnboringsringrommet, og holde det ved samme trykk som det hydrostatiske trykket i vannet ved havbunnen. Uavhengig av strømningen i ringrommet forsyner en separat returledning, som er koplet til lagringsenheten på havbunnen, sammen med en undersjøisk sugepumpe returfluidet til overflaten. Selv om denne teknikken (som refereres til som "todelt gradient11 boring) vil anvende ett enkelt fluid, vil den også kreve en diskontinuitet i trykkgradient-ledningen mellom lagringstanken på havbunnen og den undersjøiske sugepumpen. Dette krever nøye overvåkning og styring av trykket ved den undersjøiske lagringstanken, det undersjøiske hydrostatiske vanntrykket, operasjonen av den undersjøiske sugepumpen og overflatepumpen som forsyner borefluider under trykk inn i produksjonsrøret for strømning nedihulls. Kompleksitetsnivået for de nødvendige nedihulls instrumentene og styringsenhetene, så vel som vanskelig-heten med å utplassere systemet har forsinket den kommersielle anvendelsen av "todelt gradient" systemet.

En annen fremgangsmåte er beskrevet i US 6,415,877 og innlemmes her i sin helhet som referanse. Én utførelsesform i denne søknaden beskriver et stigerørløst system der en sentrifugalpumpe i en separat returledning styrer strømningen av fluid til overflaten og således den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten. Dette patentet har samme prioritetssøknader som WO 00/04269.

Fra US 4,291,772 fremgår det en anordning og fremgangsmåte for å redusere spenningen foreskrevet på et stigerør benyttet under offshoreboring mellom et flytende fartøy og et undersjøisk brønnhode. Tungt borefluid blir sirkulert ned borerøret og opp ringrommet mellom borerøret og borehullsveggen til et punkt rett over det undersjøiske brønnhodet.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system for en brønnboring der den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten styres ved på en kontrollert måte å lede det returnerende fluidet rundt en begrensning i returfluid-strømningsveien i et stigerør ved anvendelse av en aktiv differensialtrykkanordning, så som en sentrifugalpumpe eller en turbin som er tilveiebrakt ved stigerøret. Fluidet returneres deretter inn i stigerøret ovenfor begrensningen. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også et undersjøisk todelt gradient boresystem der den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten styres ved på en kontrollert måte å lede det returnerende fluidet rundt en begrensning i et stigerør ved anvendelse av en aktiv differensialtrykkanordning, så som en sentrifugalpumpe eller en turbin som er tilveiebrakt i en høyde over havbunnen. Systemene ifølge foreliggende oppfinnelse er forholdsvis enkle å innlemme i nye og eksisterende systemer.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer systemer for brønnboringer for å utføre operasjoner nedihulls i brønnboringer, så som undersjøisk boring som vil bli beskrevet mer utførlig i det følgende. Slike boresystemer omfatter en rigg ved havoverflaten som fører en borestreng inn i og ut av brønnboringen. En bunnhullsenhet, som bærer borkronen, er festet i den nedre enden av rørstrengen. En brønnhodeenhet eller utstyr ved havbunnen mottar bunnhullsenheten og rør-strengen. Et borefluidsystem forsyner et borefluid inn i en fluidkrets for operasjoner i brønnboringer. I én utførelsesform omfatter fluidkretsen en tilførselskanal og en returkanal. Tilførselskanalen omfatter en rørstreng som mottar borefluid fra fluidsystemet. Dette fluidet strømmer ut ved borkronen og returnerer til brønn-hodeutstyret førende med seg borkaks. Returkanalen omfatter et stigerør som forløper mellom brønnhodeutstyret og overflaten og som styrer borestrengen og tilveiebringer en kanal for strømning av det returnerende fluidet til overflaten.

I én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse begrenser en strømnings-begrensningsanordning i stigerøret strømningen av det returnerende fluidet gjennom stigerøret. Strømningsbegrensningsanordningen er fortrinnsvis bevegelig mellom stillinger der boringen henholdsvis er hovedsaklig åpen og lukket, og gir plass til den aksialt sleidene og roterende bevegelsen av borestrengen. I én utførelsesform stabiliserer radiallagere borestrengen mens en hydraulisk aktivert pakningsenhet tilveiebringer selektiv sperring av boringen i stigerøret og avleder derfor selektivt strømningen av returfluid inn i en omløpsledning som er tilveiebrakt nedenfor strømningsbegrensningsanordningen. I tillegg anvendes en tetning, så som en rotasjonstetning, for ytterligere å begrense strømningen av returfluid gjennom strømningsbegrensningsanordningen. En fluidpumpeanordning, så som en sentrifugalpumpe eller en turbin, i omløpsledningen skaper et trykkdifferensial i returfluidet mens det strømmer fra like nedenfor strømningsbegrensnings-anordningen til ovenfor strømningsbegrensningsanordningen. Pumpehastigheten styres ved å styre energiforsyningen til pumpen. Én eller flere trykkfølere tilveiebringer trykkmålinger i det sirkulerende fluidet. En styringsenhet styrer operasjonen av pumpen for å kontrollere trykkdifferensialet over pumpen og således den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten. Styringsenheten holder den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten ved et forbestemt nivå eller innenfor forbestemte grenser i respons til programmerte instruksjoner som er matet inn i styringsenheten. Pumpen er montert på utsiden av en stigerørskjøt, typisk tilstrekkelig langt under havoverflaten til å tilveiebringe tilstrekkelig løft til å tilveiebringe en ønsket ECD. Alternativt kan strømningsbegrensningsanordningen og pumpen være tilveiebrakt i returfluid-strømningsveien i ringrommet mellom brønnboringen og borestrengen. Dette systemet er spesielt nyttig som et balansert eller et underbalansert boresystem.

I en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse begrenser en strømningsbegrensningsanordning i stigerøret strømningen av det returnerende fluidet gjennom stigerøret. En omløpsledning, en aktiv trykkdifferensialanordning ("APD-anordning", active-pressure-differential-device) og en separat returledning tilveiebringer en fluidstrømningsvei rundt strømningsbegrensningsanordningen. I denne utførelsesformen oppnås todelt gradient boring med aktiv styring av brønnboringstrykket midt i stigerøret eller ved et valgt punkt i stigerøret, idet det valgte punktet ligger mellom havoverflaten og havbunnen. Den aktive trykkdifferensialanordningen, så som sentrifugalpumper eller turbiner, pumper det returnerende fluidet fra like nedenfor strømningsbegrensningsanordningen til overflaten gjennom den separate returledningen. Operasjonen til den aktive trykkdifferensialanordningen styres slik at det skapes et trykkdifferensial over anordningen og bunnhullstrykket reduseres. Hastigheten til pumpene eller turbinene styres ved å styre energiforsyningen til pumpene eller turbinene. Én eller flere trykkfølere tilveiebringer målinger av trykket i det sirkulerende fluidet. En styringsenhet styrer operasjonen av pumpene eller turbinene for å kontrollere trykkdifferensialet over pumpen og således den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten. Styringsenheten holder bunnhullstrykket og den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten ved et forbestemt nivå eller innenfor forbestemte grenser i respons til programmerte instruksjoner som er matet inn i styringsenheten. Pumpene eller turbinene er montert på utsiden av stigerøret, typisk mellom 305 meter (1000 fot) og 915 meter (3000 fot) under havoverflaten, men ovenfor havbunnen. Dette systemet er spesielt nyttig for å holde bunnhullstrykket ved balanserte eller underbalansene forhold.

Eksempler på de viktigste særtrekkene ved oppfinnelsen er oppsummert (om enn forholdsvis generelt) for at den etterfølgende detaljerte beskrivelsen av denne skal kunne forstås bedre og for at en skal forstå bidragene de representerer til teknikken. Der er selvfølgelig ytterligere særtrekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det følgende og som vil danne bakgrunnen for de deretter følgende patentkravene.

For å oppnå en detaljert forståelde av foreliggende oppfinnelse bør en lese gjennom den etterfølgende detaljerte beskrivelsen av den foretrukne utførelses-formen, sett sammen med de vedlagte figurene, der: Figur 1 er et skjematisk snitt av én utførelsesform av et system for brønn-boringer for å styre ekvivalent sirkulasjonsdensitet under boring av undersjøiske brønnboringer; Figur 2 er et skjematisk snitt av en strømningsbegrensningsanordning og en aktiv trykkdifferensialanordning tilveiebrakt i overensstemmelse med én utførelses-form av foreliggende oppfinnelse; Figurene 3A og 3B illustrerer trykkgradientkurver som produseres i den utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse som er vist i figur 1; Figur 4 er et skjematisk snitt av én utførelsesform av et system for brønn-boringer for å styre ekvivalent sirkulasjonsdensitet og bunnhullstrykk under todelt gradient boring av undersjøiske brønnboringer med anordningen montert et sted i stigerøret mellom havoverflaten og havbunnen; og Figurene 5A og 5B illustrerer trykkgradientkurver som produseres i den utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse som er vist i figur 4. Figur 1 viser et skjematisk snitt av et brønnborings-boresystem 100 for å bore en undersjøisk eller undervanns brønnboring 90. Boresystemet 100 omfatter en boreplattform 101, som kan være et boreskip eller en annen egnet overflatebasert arbeidsstasjon så som en flytende plattform eller en delvis nedsenkbar enhet. Et boreskip eller en flytende rigg er vanligvis foretrukket for å bore brønn-boringer på dypt vann, for eksempel brønnboringer som bores på tusen meters dyp eller mer. For å bore en brønnboring 90 under vann, utplasseres brønnhodeutstyr 125 over brønnboringen 90 ved havbunnen 123. Brønnhodeutstyret 125 omfatter en utblåsningssikringsenhet 126. Et sluserør (ikke vist) med tilhørende strømnings-styringsventiler kan være tilveiebrakt over utblåsningssikringen 126.

Den undersjøiske brønnboringen 90 bores av en borkrone 130 som føres av en borestreng 120 som omfatter en boreenhet eller en bunnhullsenhet ("BHA") 135 nederst på en egnet rørledning 121, som kan være kveilrør eller skjøtet rør. Rørledningen 121 befinner seg på boreplattformen 101. For å bore brønnboringen 90 bringes bunnhullsenheten 135 fra fartøyet 101 til brønnhodeutstyret 125, og føres deretter inn i brønnboringen 90. Rørledningen 121 bringes til brønnhode-utstyret 125 og føres deretter inn i og ut av brønnboringen 90 ved hjelp av et dertil egnet rørinjeksjonssystem.

For å bore brønnboringen 90 forsynes et borefluid 20 fra et overflatebasert borefluidsystem eller slamsystem 22 inn i en fluidkrets som betjener brønnboringen 90. Strømningen av dette fluidet kan drives av oppbygget trykk eller primært av tyngden. I én utførelsesform omfatter slamsystemet 22 en slamtank eller til-førselskilde 26 og én eller flere pumper 28 i fluidkommunikasjon med en til— førselskanal i fluidkretsen. Fluidet pumpes ned tilførselskanalen, som omfatter rørledningen 121. Borefluidet 20 kan drive en slammotor i bunnhullsenheten 135, som i sin tur roterer borkronen 130. Borkronen bryter opp eller kutter formasjonen (stengrunn) til borespon 147. Borefluidet 142 som forlater borkronen strømmer oppihulls gjennom en returkanal i fluidkretsen. I én utførelsesform omfatter returkanalen ringrommet 122 mellom borestrengen 120 og brønnboringsveggen 126, og transporterer borkaks 147. Returkretsen omfatter også et stigerør 160 som forløper mellom brønnhodet 125 og havoverflaten 101 og som fører det returnerende fluidet 142 fra brønnboringen 90 til havnivået. Det returnerende fluidet 142 strømmer ut til en separator 24 som separerer borkaks 147 og andre faste stoffer fra det returnerende fluidet 142 og forsyner det rensede fluidet til slamtanken 26. Rørledningen 121 passerer gjennom det slamfylte stigerøret 160. Som vist i figur 1 pumpes det rensede slammet 20 gjennom rørledningen 121, og slammet 142 med borespon 147 deri returnerer til overflaten via ringrommet 122 opp til brønnhodet 125 og deretter gjennom stigerøret 160. Fluidsirkulerings-systemet eller fluidkretsen omfatter således en tilførselskanal (f. eks. rørledningen 121) og en returkanal (f. eks. ringrommet 122 og stigerøret 160). I én utførelses-form utgjør således stigerøret en aktiv del av fluidsirkulasjonssystemet.

Som angitt ovenfor tilveiebringer foreliggende oppfinnelse et boresystem for å styre brønnboringstrykket og styre eller redusere ECD-effekten under sirkulasjon av borefluid eller boring av undersjøiske brønnboringer. For å oppnå den ønskede kontrollen av ECD, anpasser foreliggende oppfinnelse selektivt trykkgradienten i fluidsirkulasjonssystemet. Én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse anvender et arrangement der strømningen av returfluid styres (f.eks. hjelpes) ved et forbestemt sted langs stigerøret 160. Et eksempel på en konstruksjon av en slik utførelsesform omfatter en strømningsbegrensningsanordning 164 i stigerøret 160 og en aktivt styrt fluidløfteanordning 170.

Med henvisning til figur 2 omleder en eksempelvis strømningsbegrensnings-anordning 164 strømningen av returfluid fra stigerøret 160 til fluidløfteanordningen 170. Strømningsbegrensningsanordningen 164 er fortrinnsvis bevegelig mellom en stilling som gir hovedsaklig fullt åpen boring (ingen begrensning av strømningen) og en stilling der boringen hovedsaklig er stengt (betydelig begrensning av strømningen). Det er også foretrukket at strømningsbegrensningsanordningen 164 har plass til både den aksielle sleidingen og den roterende bevegelsen av borestrengen 121 i den hovedsaklig lukkede stillingen. Følgelig, i en foretrukket utførelsesform av strømningsbegrensningsanordningen 164, anvendes det øvre og nedre radiallagre 164A, 164B for å stabilisere borestrengen 121 under bevegelse. Videre tilveiebringer en hydraulisk betjent pakningsenhet 164D selektiv avsperring av boringen i stigerøret 160. Når de aktiveres av hydraulikkfluid via en hydraulikk-ledning 164G, ekspanderes de pumpbare elementene i pakningsenheten 164D for å gripe borestrengen 121 og med det omlede betydelig strømning av returfluid 142 inn i omløpsledningen 171. Mellomliggende elementer så som konsentriske rør-formige hylselagre (ikke vist) kan være tilveiebrakt mellom pakningsenheten 164D og borestrengen 121.1 tillegg kan en tetning 164C, så som en rotasjonstetning, tilveiebringe en ytterligere sperre for strømning av returfluid 142 gjennom strømningsbegrensningsanordningen 164. Når den deaktiveres, frigjøres pakningsenheten 164D fra borestrengen 121 og trekkes inn mot veggen i stigerøret 160. Dette reduserer blokkeringen av boringen i stigerøret 160, og muliggjør det med passasje av utstyr med stor diameter (ikke vist) gjennom strømningsbegrensnings-anordningen 164 mens, for eksempel, borestrengen 121 trippes inn og ut av stige-røret 160. Strømningsbegrensningsanordningen 164 er fortrinnsvis posisjonert i en hus-rørdel 164F, som kan være et teleskopskjøthus. Elementer så som lagrene 164 A,B og tetningen 164C kan være konstruert for permanent montering i huset 164F eller for montering på borestrengen 121.1 én foretrukket konstruksjon er elementer som utsettes for forholdsvis høy slitasje posisjonert på borestrengen 121, og skiftes ut når borestrengen 121 trippes. Videre er det fortrinnsvis tilveiebrakt en viss kontrollert klaring mellom borestrengen 121 og strømnings-begrensningsanordningen 164, slik at utstående andeler av borestrengen 121 (f.eks. rørskjøtkoplinger) kan sleide eller passere gjennom strømnings-begrensningsanordningen 164.

Strømningsbegrensningsanordningen 164 kan være justerbar fra overflaten via en styreledning 165, hvilket muliggjør styring av trykkdifferensialet gjennom stigerøret. Dypet ved hvilket strømningsbegrensningsanordningen 164 installeres vil avhenge av den maksimalt ønskede reduksjonen av ECD. Et dyp på mellom 305 meter (1000 fot) og 915 meter (3000 fot) ansees som passende for de fleste undersjøiske anvendelser. Det returnerende fluidet 142 i stigerøret 160 omledes rundt strømningsbegrensningsanordningen 164 av en fluidløfteanordning, så som en sentrifugalpumpe 170, som er koplet til en krysstrømningsledning eller omløpsledning 171. Omløpsledningen 171 forløper fra en posisjon nedenfor strømningsbegrensningsanordningen 164 til en posisjon ovenfor strømnings-begrensningsanordningen 164. Løfteanordningen 170 leder således det returnerende fluidet i stigerøret fra nedenfor strømningsbegrensningsanordningen til ovenfor strømningsbegrensningsanordningen 164. Fluidløfteanordningen 170 er montert på utsiden av stigerøret 160. For å holde ECD ved en ønsket verdi regu-leres pumpens hastighet (omdreiningstall). Energien som forsynes (og således omdreiningstallet) til pumpen 170 økes typisk når strømningen av fluid i sirkuleringsveien øker og/eller etter hvert som lengden til sirkuleringsveien øker med fremdriften av borkronen. Videre reduseres energien som forsynes (og således omdreiningstallet) til løfteanordningen når returstrømningen i brønnen 90 (figur 1) avtar. I denne konstruksjonen utfører løfteanordningen deler av arbeidet med å pumpe eller løfte borefluidet tilbake til overflaten fra strømnings-begrensningsanordningen. Energien som forsynes til løfteanordningen 170 (dvs. arbeidet som utføres av anordningen) resulterer i en reduksjon av det hydrostatiske trykket i fluidsøylen nedenfor dette punktet, hvilket resulterer i en tilsvarende reduksjon av trykket langs retur-strømningsveien i ringrommet nedenfor løfteanordningen 170 og mer spesifikt ved foringsrørskoen 151 til det siste foringsrøret 152. Et hvilket som helst antall anordninger så som sentrifugalpumper, turbiner, strålepumper, positive fortrengningspumper og liknende kan være egnet for å tilveiebringe et trykkdifferensial og den assosierte styringen av ECD. Betegnelsene aktiv trykkdifferensialanordning ("APD-anordning"), aktiv fluidpumpeanordning og aktiv fluidløfteanordning er ment å omfatte i hvert fall slike anordninger, mekanismer og konstruksjoner.

Nå med henvisning til figur 1, i en alternativ utførelsesform, kan strømnings-begrensningsanordningen 164 og pumpen 170 være installert på et passende sted i ringrommet i brønnboringen, for eksempel som angitt med pilen 175, eller ved brønnhodeutstyret 125. Foreliggende oppfinnelse er også like anvendbar for underbalansene boresystemer, siden den kan styre ECD-effekten til et ønsket nivå.

Nå med henvisning til figurene 1 og 2 omfatter brønnboringsystemet 100 videre en styringsenhet 180 ved overflaten som er konstruert for å motta informasjon eller signaler fra en rekke følere, omfattende de i fjerntliggende utstyr så som bunnhullsenheten 135. Systemet 100 omfatter én eller flere trykkfølere, så som P1 og flere andre følere Si-7 som tilveiebringer målinger vedrørende forskjellige boreparametere, så som fluidstrømningsmengde, temperatur, vekt mot borkronen, borehastighet, etc, parametere som vedrører boreenheten eller bunnhullsenheten, så som vibrasjon, glidefriksjon, omdreiningshastighet, vinkling, retning, bunnhulls-enhetens posisjon, etc, og formasjons- eller formasjonsevalueringsparametere som vanligvis betegnes måling-under-boring parametere så som resistivitet, akustikk, kjerne, NM R, etc Målinger av trykket i borefluidet kan også tas ved brønnhodet (P2) og ved overflaten (P3) eller ved et hvilket som helst annet punkt (Pn) langs borestrengen 120. Videre kan utstyrets status og tilstand, så vel som parametere vedrørende de omkringliggende forholdene (i tillegg til trykk og andre parametere som er listet ovenfor) i systemet 100 overvåkes av følere som er posisjonert rundt om i systemet 100, idet eksempelvise posisjoner omfatter ved overflaten (S1), ved fluidløfteanordningen (S2), ved brønnhodeutstyret 125 (S3), ved strømningsbegrensningsanordningen 164 (S4), nær foringsrørets forings-rørsko 151B (S5), ved bunnhullsenheten (S6) og nær innløpet til den aktive fluid-løfteanordningen 170 (S7). Informasjonen som tilveiebringes av disse følerne sendes til styringsenheten 180 via et egnet telemetrisystem (ikke vist).

Under boring mottar styringsenheten 180 informasjonen om trykket fra én eller flere av følerne (Pi - P„) og/eller informasjon fra andre følere (S1-7) i systemet 100. Styringsenheten 180 bestemmer ECD og anpasser energiforsyningen til løfteanordningen 170 for å holde ECD ved en ønsket eller forbestemt verdi eller innenfor et ønsket eller forbestemt intervall. Styringsenheten 180 omfatter en mikroprosessor eller en datamaskin, periferienheter 184 og programvare som kan ta online avgjørelser vedrørende styringen av strømningsbegrensningsanord-ningen 164 og energiforsyningen til løfteanordningen 170. En hastighetsmåler S2 kan anvendes for å bestemme pumpehastigheten. Posisjonen til strømnings-begrensningsanordningen 164 og trykkdifferensialet over begrensningsanordningen styrer derfor den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten. Brønnboringssystemet 100 tilveiebringer således et lukket system for å styre den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten ved på en kontrollert måte å omlede det returnerende fluidet rundt en strømningsbegrensningsanordning i returstrømningsveien i respons til én eller flere parametere av interesse under boring av en brønnboring. Dette systemet er relativt enkelt og effektivt, og kan innlemmes i nye eller eksisterende boresystemer. Figurene 3A og 3B illustrerer grafisk ECD-styringen som tilveiebringes av den ovenfor beskrevne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse. For enkelhets skyld viser figur 3A fluidløfteanordningen 164 ved et dyp D1 og en referanseposisjon i brønnboringen, så som foringsrørskoen 151, ved et nedre dyp D2. Figur 3B viser grafisk dypet som funksjon av trykket, omfattende en første kurve C1 som representerer en trykkgradient før operasjon av systemet 100 og en andre kurve C2 som representerer en trykkgradient under operasjon av systemet 100. Kurven C3 representerer en teoretisk kurve der ECD-forholdet ikke er til stede, dvs. når brønnen er statisk uten sirkulasjon og er fri for borespon. En vil se at et ønsket eller valgt trykk ved dypet D2 under kurven C3 ikke kan oppnås med kurven C1. Tjenlig reduserer systemet 100 det hydrostatiske trykket ved dypet D1, og endrer således trykkgradienten, som vises av kurven C3, hvilket kan tilveiebringe det ønskede forbestemte trykket ved dypet D2. Denne endringen er omtrent lik det trykkfallet som skapes av fluidløfteanordningen 170. Figur 4 viser en annen utførelsesform av foreliggende oppfinnelse som er egnet for todelt gradient boring. Mekanismer og anordninger som er de samme som de i figur 1 er for enkelhets skyld gitt samme referansenummer. Utførelses-formen i figur 4 omfatter et system 200 der det returnerende fluidet 142 i stigerøret 160 omledes rundt begrensningsanordningen 164 av en aktiv trykkdifferensialanordning 202 som er koplet til en krysstrømningsledning eller omløpsledning 204. Omløpsledningen 204 er installert i en posisjon nedenfor strømningsbegrensnings-anordningen 164. Den aktive trykkdifferensialanordningen 202 omleder således det returnerende fluidet 142 i stigerøret 160 fra nedenfor strømningsbegrensnings-anordningen 164 til overflaten. Den aktive trykkdifferensialanordningen 202 er montert ovenfor havbunnen og utenfor stigerøret 160. Operasjonen av den aktive trykkdifferensialanordningen 202 skaper et valgt trykkdifferensial over anordningen 202. Den pumper også det returnerende fluidet 142 fra rett nedenfor strømnings-begrensningsanordningen 164 og bringer det omledede fluidet inn i en separat returledning 206, som fører fluidet til overflaten ved å omløpe den andelen av stigerøret 160 som befinner seg ovenfor strømningsbegrensningsanordningen 164.

Figur 4 illustrerer videre at et materiale 208, som har lavere densitet enn returfluidet og som oppnås fra en dertil egnet kilde på eller ved overflaten, holdes i

stigerøret 160 oppihulls begrensningsanordningen 164. Materialet 208 er vanligvis sjøvann. Et egnet fluid kan imidlertid ha en densitet som er lavere eller høyere enn den til sjøvann. Materialet 208 anendes for å tilveiebringe en statisk trykkgradient i brønnboringen som er mindre enn den trykkgradienten som skapes av fluidet nedenfor strømningsbegrensningsanordningen 164. Boringen utføres på en tilsvarende måte som i den utførelsesformen som er beskrevet i forbindelse med figur 1, bortsett fra at den aktive trykkdifferensialanordningen 202 pumper returfluidet 142 inn i den separate returledningen 206, som kan forløpe utenfor stigerøret 160. Deretter bringes returfluidet 142 inn i separatoren 24.

For å oppnå den ønskede reduksjonen av og/eller styringen over bunnhullstrykket eller den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten, anvender systemet 200 en strømningsbegrensningsanordning 164 og en aktiv trykkdifferensialanordning 202 mye på samme måte som den beskrevet i forbindelse med systemet 100 (figur 1). Det vil si, kort beskrevet, at den aktive trykkdifferensialanordningen 202 løfter det returfluidet som befinner seg ovenfor den og med det reduserer det hydrostatiske trykket i fluidsøylen som befinner seg nedenfor dette punktet. Dette resulterer i en tilsvarende reduksjon av trykket langs returstrømningsveien og mer spesifikt ved foringsrørskoen 151 for det siste foringsrøret 152. Styring av den aktive trykkdifferensialanordningen muliggjør derfor styring av brønnboringens trykk og ECD.

Figurene 5A og 5B illustrerer grafisk ECD-styringen som tilveiebringes av den ovenfor beskrevne utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse. For enkelhets skyld viser figur 5A fluidløfteanordningen 202 ved et dyp D3 og en referanseposisjon i brønnboringen, så som foringsrørskoen 151, ved et nedre dyp D4. Figur 5B viser grafisk dypet som funksjon av trykket, omfattende en første kurve C4 som representerer en trykkgradient før operasjon av systemet 200 og en andre kurve C5 som representerer en trykkgradient under operasjon av systemet 200. Kurven C6 representerer en teoretisk kurve der ECD-forholdet ikke er til stede, dvs. når brønnen er statisk uten sirkulasjon og er fri for borespon. Trykkgradienten i det materialet 208 som ikke er borefluid (f.eks. sjøvann) (figur 3) i stigerøret er vist som kurve C7, og trykkgradienten i borefluidet i den separate ledningen 206 (figur 3) er vist som kurven C8. En vil se at et ønsket eller valgt trykk ved dypet D3 under kurven C6 ikke kan oppnås med kurven C4. Tjenlig reduserer systemet 200 det hydrostatiske trykket ved dypet D3, og endrer således trykk-gradientkurven, som fremgår av kurven C5, hvilket kan tilveiebringe det ønskede forbestemte trykket ved dypet D4. Denne endringen er omtrent lik det trykkfallet som skapes av fluidløfteanordningen 202.

I likhet med brønnboringssystemet 100 i figur 1 omfatter systemet 200 en styringsenhet 180 som er innrettet for å motta informasjon eller signaler fra en rekke forskjellige følere, omfattende de i bunnhullsenheten 135. For korthets skyld vil ikke detaljene av de assosierte komponentene bli gjentatt her. Videre, også i likhet med systemet 100, mottar styringsenheten 180 for systemet 200 trykk-informasjonen fra én eller flere av følerne (Pi - Pn) og/eller informasjon fra andre følere S1-S7 i systemet 100. Styringsenheten 180 evaluerer bunnhullstrykket og anpasser energiforsyningen til trykkdifferensialanordningen 202 for å opprettholde bunnhullstrykket ved en ønsket eller forbestemt verdi eller innenfor et ønsket eller forbestemt intervall. Brønnboringssystemet 200 tilveiebringer således et lukket system for å styre den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten ved på en kontrollert måte å omlede det returnerende fluidet rundt en strømningsbegrensnings-anordning i returfluid-strømningsveien i respons til én eller flere parametere av interesse under boring av en brønnboring. Dette systemet er relativt enkelt og effektivt og kan innlemmes i nye eller eksisterende systemer.

Mens den foregående beskrivelsen er rettet mot de foretrukne ut-førelsesformene av oppfinnelsen, vil forskjellige endringer være åpenbare for fagmannen. Intensjonen er at alle variasjoner som ligger innenfor rammen til og idéen bak de etterfølgende patentkravene omfattes av den foregående beskrivelsen.

Claims (34)

1. System for å støtte operasjoner i undersjøiske brønnboringer, omfattende (a) en tilførselskanal (121) for å forsyne borefluid inn i en brønnboring (90); (b) en returkanal (122) omfattende et stigerør (160) for å føre borefluidet fra brønnboringen (90), til et forbestemt sted, idet tilførselskanalen (121) og returkanalen (122) danner en fluidkrets, karakterisert ved: (c) en aktiv trykkdifferensialanordning ("APD-anordning") (70, 202) som er konstruert for å motta borefluidet fra et første valgt sted på stigerøret (160) og føre borefluidet til et andre valgt sted under selektiv forbikobling av returfluidet rundt en begrensning i stigerørets returfluidbane.

2. System i henhold til krav 1, der det andre valgte stedet er ett av (i) en seksjon av stigerøret (160) oppihulls det første valgte stedet; og (ii) en separat ledning (206) til et sted på overflaten (101).

3. System i henhold til krav 1, der det andre valgte stedet er en separat ledning (206) til et sted på overflaten (101); og en seksjon av stigerøret oppihulls av det første valgte stedet er i det minste delvis fylt med et fluid med en densitet som er forskjellig fra borefluidets densitet.

4. System i henhold til et av de foreågende krav, der APD-anordningen (170, 202) er posisjonert ett sted blant (i) inne i stigerøret (160), (ii) i et ringrom (122) i brønnboringen (90).

5. System i henhold til et av de foregående krav, der APD-anordningen (170, 202) er posisjonert mellom 305 meter (1000 fot) nedenfor havoverflaten og havbunnen.

6. System i henhold til et av de foregående krav, der APD-anordningen (170, 202) er én av: (i) minst én sentrifugalpumpe; (ii) en turbin; (iii) en strålepumpe; og (iv) en fortrengningspumpe.

7. System i henhold til et av de foregående krav, der APD-anordningen (170, 202) er innrettet for å styre ekvivalent sirkulasjonsdensitet i borefluidet i hvert fall i en andel av fluidkretsen.

8. System i henhold til et av de foregående krav, videre omfattende en styringsenhet (180) som styrer APD-anordningen (170,202) for å styre den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten i hvert fall i en andel av fluidkretsen.

9. System i henhold til krav 8, der styringsenheten (180) styrer APD-anordningen (170, 202) i respons til en trykkmåling i returledningen.

10. System i henhold til krav 9, der trykket er ett av: (i) bunnhullstrykket; (ii) trykket målt ved et sted i tilførselskanalen (121); (iii) trykket målt ved brønnstyringsenhetsutstyret som er assosiert med brønnboringen (90); (iv) trykket målt i returkanalen (122); (v) trykket målt i en bunnhullsenhet (135); (vi) trykket målt ved overflaten (101); (vii) et trykk lagret i et minne assosiert med styringsenheten (180); og (viii) trykket målt nær et innløp (171, 204) til APD-anordningen (170, 202).

11. System i henhold til krav 8, der styringsenheten (180) styrer trykkdifferensialet for å oppnå det å: (i) opprettholde bunnhullstrykket ved en forbestemt verdi; (ii) opprettholde bunnhullstrykket innenfor gitte grenser; (iii) opprettholde trykket i brønnboringen (90) ved balanserte forhold; (iv) opprettholde trykket i brønnboringen (90) ved underbalanserte forhold; og (v) redusere bunnhullstrykket med en valgt verdi.

12. System i henhold til krav 8, der styringsenheten (180) styrer APD-anordningen (170, 202) til å opprettholde den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten enten (i) ved en forbestemt verdi, eller (ii) innenfor forbestemte grenser.

13. System i henhold til krav 8, videre omfattende minst én føler (P1 -Pn) som tilveiebringer trykkmålinger i borefluidet i fluidkretsen.

14. System i henhold til krav 13, hvori styringsenheten (180) styrer APD-anordningen (170, 202) i respons til trykkmålinger og i henhold til programmerte instruksjoner tilveiebrakt til enheten.

15. System i henhold til et av de foregående krav, videre omfattende en borestreng plassert i brønnboringen (90); og en boringsenhet forbundet med borestrengen for å danne brønnboringen (90).

16. System i henhold til et av de foregående krav, hvori en styringsenhet (180) er operativt forbundet med APD-anordningen (170, 202) styrer APD-anordningen (170, 202) som reaksjon på en parameter av interesse.

17. System i henhold til krav 16, hvori parameteren av interesse er en av følgende: (i) trykk; (ii) strømningsmengde; (iii) beskaffenheten til fluid i brønnboringen (90); og (iv) en karakteristikk ved formasjon.

18. Fremgangsmåte for å støtte operasjoner i undersjøiske brønnboringer, omfattende: (a) forsyne borefluid inn i en brønnboring (90) via en tilførselskanal (121); (b) føre borefluidet fra brønnboringen (90) til et forbestemt sted via en returkanal (122) som omfatte et stigerør (160), idet tilførselskanalen (121) og returkanalen (122) danner en fluidkrets; karakterisert ved: (c) føring av borefluidet til et første valgt sted på stigerøret (160) til et andre valgt sted ved hjelp av en aktiv trykkdifferensialanordning ("APD-anordning") (170, 202) under selektiv forbikobling av returfluidet rund en begrensning i stigerørets (160) returfluidbane.

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 18, hvori det andre valgte stedet er ett av (i) en seksjon av stigerøret (160) oppihulls det første valgte stedet; og (ii) en separat ledning (206) til et sted på overflaten (101).

20. Fremgangsmåte i henhold til krav 18, der den andre valgte plasseringen er en separat ledning (206) til en overflateplassering; og en seksjon av stigerøret (160) oppihulls i forhold til den første valgte plasseringen er i det minste delvis fylt med et fluid med en densitet som er forskjellig fra borefluidets densitet.

21. Fremgangsmåte i henhold til krav 18-20, videre omfattende det å posisjonere APD-anordningen (170, 202) mellom 305 meter (1000 fot) under havoverflaten (101) og havbunnen.

22. Fremgangsmåte i henhold til krav 18-21, der APD-anordningen (170, 202) er én av: (i) minst én sentrifugalpumpe; (ii) en turbin; (iii) en strålepumpe; og (iv) en fortrengningspumpe.

23. Fremgangsmåte i henhold til krav 18-22, videre omfattende det å styre APD-anordningen (170, 202) til å styre den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten i hvert fall i en andel av fluidkretsen.

24. Fremgangsmåte i henhold til krav 23, der APD-anordningen (170, 202) styres i respons til trykk.

25. Fremgangsmåte i henhold til krav 24, der trykket er ett av: (i) bunnhullstrykket; (ii) trykket som måles ved et sted i tilførselskanalen (121); (iii) trykket som måles ved brønnstyringsenhetsutstyret som er assosiert med brønnboringen (90); (iv) trykket som måles i returkanalen (122); (v) trykket som måles i en bunnhullsenhet (135); (vi) trykket som måles ved overflaten (101); (vii) trykk som er lagret i et minne assosiert med styringsenheten (180); og (viii) trykket som måles nær et innløp (171, 204) til APD-anordningen (170, 202).

26. Fremgangsmåte i henhold til krav 18, videre omfattende det å styre APD-anordningen (170, 202) til å skape et trykkdifferensial for å styre et bunnhullstrykk for å oppnå én av det å: (i) opprettholde bunnhullstrykket ved en forbestemt verdi; (ii) opprettholde bunnhullstrykket innenfor gitte grenser; (iii) opprettholde trykket i brønnboringen (90) ved balanserte forhold; (iv) opprettholde trykket i brønn-boringen (90) ved underbalansene forhold; og (v) redusere bunnhullstrykket med en valgt verdi.

27. Fremgangsmåte i henhold til krav 18, hvori styringsenheten (180) styrer fluidstrømanordningen for å opprettholde den ekvivalente sirkulasjonsdensiteten ved en av (i) ved en forbestemt verdi, og/eller (ii) innenfor forbestemte grenser.

28. Fremgangsmåte i henhold til et av kravene 18-27, videre omfattende en borestreng plassert i brønnboringen (90); og en boringsenhet forbundet med borestrengen.

29. Et boresystem med to gradienter for boring av en undersjøisk brønnboring, idet systemet har stigerør (160) som strekker seg fra brønnstyringsenhetsutstyr ved havbunnen over brønnboringen til overflaten, omfattende: (a) en borestreng (120) med en borkrone (130) i sin nedre ende og som forløper fra overflaten (101) og inn i brønnboringen (90) gjennom stigerøret (160) og brønnstyringsenhetsutstyret for boring av brønnboringen (90); (b) en kilde med borefluid som tilfører borefluid inn i borestrengen (120), idet nevnte borefluid strømmer ut ved bunnen av borkronen (130) og returnerer til overflaten (101) delvis via et ringrom (122) mellom borestrengen (120) og stigerøret (160), idet nevnte ringrom (122) utgjør returfluidstrømningsveien; (c) en begrensninganordning ved en forhåndsbestemt dybde i stigerøret (160) som begrenser strømmen av det returnerende fluidet gjennom stigerøret oppihulls i forhold til begrensningsanordningen; karakterisert ved: (d) en aktiv trykkdifferensialanordning ("APD-anordning") på stigerøret (160) som pumper det returnerende fluidet fra en plassering nedihulls i forhold til begrensningsanordningen til overflaten ved forbikopling av stigerørseksjon oppihulls i forhold til begrensningsanordningen; og (e) et fluid med en densitet som er mindre enn det returnerende fluidets densitet ("fluid med lavere densitet") i stigerøret oppihulls i forhold til begrensningsanordningen.

30. System i henhold til krav 29, hvori APD-anordningen (170, 202) er en av: (i) minst en sentrifugalpumpe; (ii) en turbin; (iii) og (iv) en fortrengningspumpe.

31. System i henhold til krav 29, ytterligere omfattende en separat returledning på utsiden av stigerøret (160) som strekker seg fra APD-anordningen (170,202) til overflaten for å føre det returnerende fluidet til overflaten ved forbikopling av stigerøret (160).

32. System i henhold til krav 29, ytterligere omfattende en styringsenhet for styring av APD-anordningen (170, 202) for å skape en trykkforskjell tversover APD-anordningen for å redusere et valgt trykk tilknyttet borefluidet.

33. System i henhold til krav 29, ytterligere omfattende en styringsenhet (180) tilknyttet APD-anordningen (170, 202) for å styre APD-anordningen (170, 202) for å tilveiebringe et trykkdifferensial til en av: (i) opprettholde bunnhullstrykket ved en forhåndsbestemt verdi; (ii) opprettholde bunnhullstrykket innenfor et trykkområde; (iii) opprettholde trykket i brønnboringen ved balanserte forhold; (iv) opprettholde trykket i brønnboringen ved underbalansene forhold; og (v) redusere bunnhullstrykket en velvalgt mengde.

34. System i henhold til krav 29, ytterligere omfattende en styringsenhet for styring av APD-anordningen (170,202) som reaksjon på en av: (i) en parameter av interesse; (ii) programmerte instruksjoner lagret for anvendelse av styringsenheten; og (iii) signaler sendt til styringsenheten fra en fjerntliggende anordning.