NO338637B1

NO338637B1 - Trykkregulering ved bruk av fluid på oversiden av et stempel

Info

Publication number: NO338637B1
Application number: NO20111179A
Authority: NO
Inventors: Ola Michael Vestavik
Original assignee: Reelwell As
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2016-09-26
Also published as: CA2846455A1; AU2012301145A1; EP2751374A2; BR112014004368A2; NO20111179A1; US20140190751A1; WO2013030050A2; WO2013030050A3; CN104040107A

Description

Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen vedrører en innretning og en fremgangsmåte for utførelse av boreaktiviteter i en brønn slik dette er fremlagt i innledningen i de uselvstendige kravene.

Bakgrunn for oppfinnelsen

For å ekstrahere petroleumsfluider fra reservoarer i jordformasjoner blir brønner boret inn i formasjonene. Utviklingen av boreteknikker har utviklet seg til at det er mulig å bore brønner i enhver retning for slik å ekstrahere så mye som mulig av petroleumsfluidene som er til stede i formasjonene som det bores i. En brønn kan for eksempel omfatte en hovedsakelig vertikal seksjon og minst én seksjon som avviker fra den vertikale seksjonen, eventuelt en hovedsakelig horisontal seksjon. Seksjonene som avviker fra den hovedsakelig vertikale seksjonen har en tendens til å bli lengre og kan strekke seg i tusenvis av meter inn i en formasjon. Dybdene på brønnene øker, og i tillegg øker også vanndybdene.

Boring blir vanligvis utført ved å innføre en borekrone på enden av borestrengen ned i brønnen. Vekten av borestrengen er proporsjonal med lengden på borestrengen. Når det bores på store vanndyp påvirker dybden av vannet også trykkbetingelsene i brønnen, og bidrar til vekten av borestrengen. Man ønsker ikke at formasjonsfluidene skal trenge inn i den borede brønnen under boring, og derfor bør trykket som utøves av boreutstyret på formasjonen være høyere enn poretrykket til formasjonen. Boreutstyr skal også bli forstått som fluidet som tilsettes mellom borestrengen og den utildekkede formasjonsveggen. Med dette har man også kontroll på brønnen under boring og vil derfor forhindre utblåsninger i brønnen. Samtidig er det også et behov for å begrense mengden av borefluid som trenger inn

i den utildekkede formasjonsveggen, og også et behov for å forhindre sprekkdannelse i sideveggen i det borede hullet før produksjon kan igangsettes. Dette betyr at trykket som utøves av boreutstyret ikke må overskride sprekkdannelsestrykket (eng. fracturing pressure) for formasjonen. Poretrykket i formasjonen er også avhengig av den hydrostatiske kolonnen, og ved store vanndyp øker poretrykket i formasjonen. Når trykket som utøves av boreutstyret beveger seg mot grensene som er definert ved poretrykket i formasjonen og sprekkdannelsestrykket i formasjonen, må brønnen bli foret med foringsrør eller forlengelsesrør før boring kan fortsettes. Det er derfor et behov for å tilveiebringe en fremgangsmåte for boring der boringen kan fortsette i en lengre tidsperiode i det tillatte trykkområdet mellom poretrykket i formasjonen og sprekkdannelsestrykket for formasjonen.

Benyttet på denne måten skal boring bli ansett som å referere til etablering av et hull i bakken ved hjelp av en borestreng. Dette gjelder spesielt for boring i jordskorpen for petroleumsutvinning, tuneller, kanaler eller for utvinning av geotermisk energi, både offshore og på land.

WO 2010/039043 Al beskriver et nedihulls brønnredskap som omfatter en redskapsenhet. Redskapsenheten omfatter minst ett første fluidledningsrør og et returfluidledningsrør, og redskapsenheten er arrangert for å bli plassert i brønnhull for å definere et ringformet rom mellom brønnenheten og brønnhullet eller det forede brønnhullet. En tetning deler det ringformede rommet mellom brønnenheten og brønnhullet i to deler; en øvre ringformet romdel som er i fluidkommunikasjon med et første fluid gjennom et innløp, og en nedre ringformet romdel som ligger under tetningen og som er i fluidkommunikasjon med et andre fluid.

Fra dokument WO 94/13925 Al er det kjent å bore med to rør anbrakt ved siden av hverandre, der ett rør blir benyttet til pumping av fluider fra overflaten til borekronen, og det andre røret virker som returlinje for det borede kakset og fluider fra borekronen til overflatefasiliteten. Ved en lavere del av borestrengen, over borekronen, er det anbrakt et forseglende stempel. Over stemplet er en forsegling som lukker rommet mellom rørene og borehullveggen eller foringen, og definerer et volum mellom nevnte stempel og forsegling. Trykksatt fluid, slik som hydraulikkfluid, pumpes inn i nevnte volum, trykker på stemplet, og derved borekronen, hydraulisk mot bunnen av hullet. Trykket som virker på den øvre overflaten av stemplet er lik trykket som virker på bunnsiden av forseglingen, noe som betyr at når det bores i formasjoner med høye trykk så må forseglingen være i stand til å motstå trykk som er like med eller til og med høyere enn formasjonstrykkene.

Når det bores i formasjoner for å prøve og nå et potensielt petroleumsreservoar kan man bli hindret i boreprosessen ved soner som har høyere formasjonsporetrykk enn det som foreligger i omkringliggende formasjoner. Disse sonene kan være lommer eller reservoarer med gass eller vann under høyt trykk. Boring gjennom slike soner kan være vanskelig, eller til og med umulig, med konvensjonelle boreteknologier, fordi det er svært vanskelig å holde kontroll over poretrykket samtidig som det bores underbalansert (UBD, eng. Under Balanced Drilling) eller ved å benytte trykkbalansert boring (MPD, eng. Managed Pressure Drilling) og fremdeles nå videre ned i formasjonssonen med høyt trykk. UBD blir referert til som en boretilstand der det hydrostatiske trykket på innsiden av foringsrøret eller forlengelsesrøret er lavere enn reservoartrykket, mens MPD er en hensiktsmessig fremgangsmåte dersom forskjellen mellom formasjonsporetrykket og sprekkdannelsestrykket i formasjonen er liten. MPD er en adaptiv borefremgangsmåte som benyttes for mer presist å kontrollere den ringformede trykkprofilen i hele brønnhullet. For å kunne bore må vekten av boreutstyret være høyere enn formasjonsporetrykket. Det kan være mulig å pumpe trykksatt fluid, slik som hydraulikkfluid, over stemplet, men da må den roterende kontrollinnretningen (RCD, eng. Rotating Control Device), som typisk er anbrakt på toppen av brønnen, og som definerer den øvre grensen for et ringformet volum mellom stemplet og toppen av brønnen, motstå trykkene fra det pumpede, trykksatte fluidet. Per i dag eksisterer ingen slik RCD på markedet som er i stand til å motstå disse trykkene. Søkeren har derfor utledet og legemliggjort en løsning på denne mangelen, der trykket ved RCD'en er lavt, fortrinnsvis null. Selv om en situasjon med underbalansert boring og håndtert trykkboring er beskrevet så er fremgangsmåten og innretningen også anvendbare i en konvensjonell, overbalansert boretilstand som refererer til en tilstand der det hydrostatiske trykket i foringsrøret eller forlengelsesrøret er høyere enn formasjonsporetrykket.

Et formål med oppfinnelsen er derfor å kontrollere trykket i en brønn samtidig som trykket ved RCD'en er lavt.

Istedenfor å benytte trykksatt hydraulikkfluid over delerelementet har søkeren utledet en fremgangsmåte og innretning der fluidet over delerelementet er et tungt fluid som har høyere netto vekt enn det hydrauliske fluidet i de kjente løsningene. Ved å benytte et tungt fluid, ofte med en nettovekt på mer enn 1.0 kg/liter, kan man oppleve en større trykkforskjell langs den hydrostatiske kolonnen enn i de kjente løsningene. Trykket på bunnen vil være signifikant høyere enn trykket på toppen av kolonnen, og slik ved RCD'en, på grunn av den høye nettovekten til fluidet. Dersom kraften som virker fra det tunge fluidet, som refereres til som et første fluid, på den øvre overflaten av delerelementet er lavere enn kraften som virker fra fluidet under delerelementet, som her blir referert til som et andre fluid, så kan man være i stand til å trykksette det første fluidet og/eller endre tettheten og/eller endre volumet av det første fluidet for å overvinne trykket fra det andre fluidet.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen er fremlagt ogkarakteriserti hovedkravene, mens de avhengige kravene beskriver andre karakteristikker for oppfinnelsen.

Innretningen ifølge oppfinnelsen vedrører et boreutstyr for boring av et hull i jordskorpen som omfatter en dobbel borestreng, der borestrengen har én innløpsfluidrørledning og én returfluidrørledning, der den doble borestrengen danner en brønn-annulus mellom borestrengen og veggen i brønnen, et delerelement deler brønn-annulusen i en øvre annulus-region over delerelementet som er i kommunikasjon med et første fluid gjennom et fluidinntak, og en lavere annulus-region under delerelementet i kommunikasjon med et andre fluid, der tettheten til det første fluidet er høyere enn tettheten til det andre fluidet. Øvre annulus-region er ment å ligge nærmere overflaten av brønnen, mens lavere annulus-region er ment å ligge nærmere enden av brønnen.

Oppfinnelsen vedrører videre et boreutstyr for boring av et hull i jordskorpen som omfatter en dobbel borestreng, der borestrengen har én innløpsfluidrørledning og én returfluidrørledning, der den doble borestrengen danner en brønn-annulus mellom borestrengen og veggen i brønnen, et delerelement deler brønn-annulus en i en øvre annulus-region over delerelementet som er i kommunikasjon med et første fluid gjennom et fluidinntak, og en lavere annulus-region under delerelementet i kommunikasjon med et andre fluid, der en mengde og tetthet av det første fluidet bevirker en kraft som virker på en øvre overflate på delerelementet som er hovedsakelig den samme som, eller større, enn kraften fra det andre fluidet som virker på delerelementet.

Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for boring av et hull i jordskorpen ved å benytte et boreutstyr som omfatter en dobbel borestreng, der borestrengen har én innløpsfluidrørledning og én returfluidrørledning, og der den doble borestrengen danner en brønn-annulus mellom borestrengen og veggen i brønnen, et delerelement deler brønn-annulusen i en øvre annulus-region over delerelementet som er i kommunikasjon med et første fluid, og en lavere annulus-region under delerelementet i kommunikasjon med et andre fluid, der fremgangsmåten omfatter å velge en mengde og tetthet av det første fluidet som tilføres den øvre annulus-regionen for å definere en kraft som virker på en øvre overflate av delerelementet der kraften er lik med eller større enn kraften fra det andre fluidet.

I en utførelsesform omfatter delerelementet et stempel, en plunger eller en stempelforsegling mellom den øvre annulus-regionen og den lavere annulus-regionen. Delerelementet er fortrinnsvis fluidtett slik at trykkene som virker ovenfra og nedenfra på delerelementet kan være forskjellig.

I en utførelsesform er delerelementet fiksert til den doble borestrengen.

I en alternativ utførelsesform er delerelementet bevegelig relativt den doble borestrengen.

I en utførelsesform av boreutstyret er de to fluidledningsrørene i den doble borestrengen konsentriske. Ledningsrørene kan også være anbrakt ved siden av hverandre med avstand.

I en utførelsesform omfatter det første fluidet et ikke-trykksatt fluid, slik som et tungt oljebasert eller vannbasert borefluid eller annet hensiktsmessig tungt fluid.

I en annen utførelsesform påfører mengden av og tettheten til det første fluidet en kraft som virker på en øvre overflate ev delerelementet som er hovedsakelig den samme som, eller større enn, kraften fra det andre fluidet.

I en alternativ utførelsesform påfører mengden av og tettheten til det første fluidet en kraft som virker på en øvre overflate av delerelementet som er hovedsakelig den samme som, eller større enn, kraften fra det andre fluidet, der det andre fluidet er formasjonsfluidet.

I en utførelsesform kan boreutstyret omfatte en roterende kontrollenhet anbrakt i sammenheng med en utblåsningssikringsventilen (eng. blow-out preventer) i den øvre delen av brønnen, som definerer en øvre grense for den øvre annulus-regionen, og der trykket som virker på den roterende kontrollenheten fra det første fluidet i den øvre annulus-regionen er lavt eller omtrent null.

Fremgangsmåten kan omfatte å velge en mengde av og en tetthet for det første fluidet som blir tilført den øvre annulus-regionen for å definere en kraft som virker på en øvre overflate av delerelementet der kraften er lik med eller større enn kraften fra det andre fluidet. Det første fluidet kan også være trykksatt dersom kraften fra det første fluidet, for eksempel kraften fra mengden og netto vekt av det første fluidet, er lavere enn kraften fra det andre fluidet.

Fremgangsmåten kan i en alternativ utførelsesform omfatte å velge en mengde av og tetthet for det første fluidet som blir tilført den øvre annulus-regionen for å definere en kraft som virker på en øvre overflate av delerelementet der kraften er lik med eller større en kraften fra det andre fluidet, der det andre fluidet er formasjonsfluidet.

I en alternativ utførelsesform av fremgangsmåten kan delerelementet være fiksert til den doble borestrengen slik at kraften som virker på den øvre overflaten av delerelementet driver den doble borestrengen ned i hullet.

I en annen utførelsesform av fremgangsmåten kan den doble borestrengen være bevegelig relativt delerelementet slik at kraften som virker fra det første fluidet på delerelementet er konfigurert for å motstå formasjonsporetrykket mens den doble borestrengen blir drevet ned i hullet ved hjelp av en toppdriveradapter.

Kort beskrivelse av tegningen(e)

Figur 1 viser en brønn med boreutstyret ifølge oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av en foretrukket utførelsesform

I den foretrukne utførelsesformen blir den beskrevne løsningen utført offshore, men løsningen er også anvendbar på land.

Det refereres til figur 1 som viser boreutstyret 1 ifølge foreliggende oppfinnelse. Et hull 14 er boret i en høytrykksformasjon H som ligger over en petroleumsformasjon P. Den øvre delen av hullet 14 er tilveiebrakt med foringsrør 2. Den lavere delen av hullet 14 er ikke foret. Boreutstyret 1 består av en borestreng som har to rør. Rørene kan være konsentriske eller posisjonert ved siden av hverandre, og i den viste utførelsesformen er rørene konsentriske. Et første rør har en første fluidkanal A som fører til en innløpsfluidrørledning 10. Et andre rør har en andre fluidkanal B som fører til en returfluidrørledning 9. Returfluidrørledningen 9 ligger på innsiden av innløpsfluidrørledningen 10, men i en alternativ utførelsesform kan innløpsfluidrørledningen 10 ligge på innsiden av returfluidrørledningen 9. Den lavere delen av borestrengen har et bunnhullsarrangement (BHA, eng. Bottom hole Assembly) 15 og en borekrone 4 som har et borefluidutslipp 18 i sin nedre ende. BHA'en 15 kan være tilveiebrakt med kryssover-ventil (eng. cross-over valve) 16. Et borekaksinntak 17 er posisjonert på den øvre delen av BHA'en 15. Et delerelement 3, slik som et stempel, plunger eller ram 3, er anbrakt i annulusen på utsiden av borestrengen. Delerelementet 3 deler annulusen i en øvre annulus-region 5 over delerelementet 3, og en lavere annulus-region 12 under delerelementet 3. Delerelementet 3 kan være plassert i et område av hullet 14 med foringsrør 2 eller åpent hull. I området nærme sjøbunnen 13 er det anbrakt en utblåsningssikringsventil (BOP) 8 og en roterende kontrollinnretning (RCD) 7. RCD 7 står i kontakt med en tank (ikke vist) eller tilsvarende lagringsfasilitet for lagring av fluid, slik som borefluid, gjennom et fluidinntak 6. Fluidinntaket 6 fører til den øvre annulus-regionen 5 som er definert av delerelementet 3 i den nedre enden og RCD'en 7 i den øvre enden. Et toppdriveradapter 11 for rotering eller driving av borestrengen er anbrakt på et overflatefartøy eller plattform (ikke vist). Når man utfører boreoperasjoner med boreutstyret 1 blir et fluid, slik som ikke-trykksatt, tungt borefluid, tilført gjennom fluidinntaket 6 og kommer inn i den øvre annulus-regionen 5. Dersom delerelementet 3 er fiksert til borestrengen vil vekten av fluidet tvinge delerelementet 3 nedover og derved tvinge borestrengen nedover. Vekten og mengden av fluid som tilføres inn i den øvre annulus-regionen 5 er avhengig av formasjonsporetrykket og kan bli justert. Dette betyr at kun en del av den øvre annulus-regionen 5 behøver å bli fylt, og den øvre delen av annulus-regionen 5 står igjen med luft ved et lavt trykk, tilnærmet null. Da er trykket som avleses ved RCD 7 likt trykket på overflaten av den fluidfylte, øvre annulus-regionen 5, som er tilnærmet null. Alternativt kan hele den øvre annulus-regionen 5 være fluidfylt, og da vil trykket ved RCD'en være høyere, men det vil fremdeles være vesentlig lavere enn trykket på bunnen av fluidkolonnen.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i en foretrukket utførelsesform så kan endringer bli utført. Fluidstrømningsretningene, og inntakene og utslippene for kakset og borefluid, kan bli byttet om på. Delerelementet kan være fiksert til den ytre overflaten av borestrengen, eller borestrengen kan bevege seg relativt delerelementet. En fagmann på området vil forstå at det kan bli gjort endringer og modifiseringer i utførelsesformen som ligger innenfor omfanget av oppfinnelsen slik denne er definert i de vedføyde kravene.

Claims

1. Boreutstyr (1) til boring av et hull i jordskorpen, som omfatter: en dobbel borestreng anordnet i et hull (14), den doble borestrengen har én innløpsfluidrørledning (10) og én returfluidrørledning (9), der den doble borestrengen danner en annulus mellom borestrengen og veggen i brønnen, et delerelement (3) deler annulusen i en øvre annulus-region (5) over delerelementet (3) og en nedre annulus-region (12) under delerelementet (3), der den nedre annulus-region (12) under delerelementet (3) er i kommunikasjon med et andre fluid, et første fluid anordnet i den øvre annulus-regionen (5),karakterisert vedat det første fluidet er et ikke-trykksatt fluid og at mengden av og tettheten til det første fluid er valgt slik at det første fluidet påfører en kraft på en øvre overflate av delerelementet (3) som er hovedsakelig den samme som, eller større enn, en kraft fra det andre fluidet som virker under delerelementet (3).

2. Boreutstyr (1) ifølge krav 1,karakterisert vedat delerelementet (3) er et stempel.

3. Boreutstyr (1) ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat delerelementet (3) er fiksert på den doble borestrengen.

4. Boreutstyr (1) ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat delerelementet (3) er bevegelig relativt den doble borestrengen.

5. Boreutstyr (1) ifølge krav 1-4,karakterisert vedat de to fluidrørledningene (9, 10) i den doble borestrengen er konsentriske.

6. Boreutstyr (1) ifølge krav 1-5,karakterisert vedat hullet (14) bores i en formasjon og at det andre fluidet er formasjonsfluidet.

7. Boreutstyr (1) ifølge krav 1-6, ytterligere omfattende en roterende kontrollenhet (7) anordnet i forbindelse med en utblåsningssikringsventil (8) i den øvre delen av brønnen, som definerer en øvre grense for den øvre annulus-regionen (5), ogkarakterisert vedat trykket som virker på den roterende kontrollenheten (7) fra det første fluidet i den øvre annulus-regionen (5) er tilnærmet null.

8. Fremgangsmåte for boring av et hull i jordskorpen omfattende: å anordne en dobbel borestreng i et hull (14), der borestrengen har én innløpsfluidrørledning (10) og én returfluidrørledning (9), der den doble borestrengen danner en annulus mellom borestrengen og veggen i hullet (14), å benytte et delerelement (3) for å dele annulus i en øvre annulus-region (5) over delerelementet (3) og en nedre annulus-region (12) under delerelementet (3), der den nedre annulus-regionen (12) er i kommunikasjon med et andre fluid, tilføre et første fluid til den øvre annulus-regionen (5),karakterisert vedå tilveiebringe det første fluidet som et ikke-trykksatt fluid og velge mengde av og tetthet til det første fluidet for å definere en kraft som virker på en øvre overflate av delerelementet (3) der kraften er den samme som, eller større enn, en kraft fra det andre fluidet som virker på delerelementet (3).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat hullet (14) bores i en formasjon og at det andre fluid er formasjonsfluidet.