NO343881B1

NO343881B1 - Roterende borekontrollinnretning og fremgangsmåte for detektering av lekkasjer i en roterende borekontrollinnretning

Info

Publication number: NO343881B1
Application number: NO20085148A
Authority: NO
Inventors: Trung Leduc; Russell Lewis
Original assignee: Smith International
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2019-07-01
Also published as: US7802635B2; US7950474B2; GB2456890B; GB2487874B8; CA2646715A1; CA2646715C; GB201208459D0; US20090152006A1; GB2487874A; GB2456890B8; GB2456890A8; GB2487874A8; US20100269570A1; GB2487874B; GB0822714D0; NO20085148L; GB2456890A

Description

ROTERENDE BOREKONTROLLINNRETNING OG FREMGANGSMÅTE FOR DETEKTERING AV LEKKASJER I EN ROTERENDE BOREKONTROLLINNRETNING

Her beskrevne utførelser relaterer seg generelt til anordninger og fremgangsmåter for bruk ved brønnboring. Mer særskilt vedrører foreliggende beskrivelse anordninger og fremgangsmåter for lekkasjedetektering i en roterende borekontrollinnretning.

Brønner bores langt ned i grunnen for gjenvinning av olje- og gassavleiringer som finnes i de underliggende formasjoner. Vanligvis bores disse brønnene med en anordning som roterer en borekrone på enden av en lang streng bygget opp av sammenskrudde rør, også benevnt borestreng. Som følge av den energien og friksjonen som brukes henholdsvis oppstår ved boring av brønner i grunnen, brukes det borefluider, vanligvis kalt boreslam, for smøring og kjøling av borekronen når den skjærer seg gjennom bergformasjonene. I tillegg til å kjøle og smøre borekronen har boreslammet også sekundære og tertiære funksjoner med fjerning av borkaks fra bunnen av brønnboringen og tilveiebringelse av en hydrostatisk trykksøyle i brønnen.

Typisk føres boreslam til borekronen fra overflaten under høyt trykk og gjennom et sentralt løp i borestrengen. Det trykksatte slammet går gjennom dyser ved borekronen ut til skjærene i borekronen og renser og kjøler borekronen. Mens fluidet leveres ned i hullet gjennom det sentrale løpet i borestrengen, går fluidet tilbake til overflaten i et ringrom mellom utsiden av borestrengen og veggen i den borede brønnen. Fordi forholdet mellom tverrsnittsarealene til løpet i borestrengen og ringrommet er relativt lavt, vil boreslammet returnere til overflaten i ringrommet med et lavere trykk og lavere hastighet enn det som brukes ved tilføringen.

Allikevel dannes det vanligvis en hydraulisk boreslamsøyle i fra bunnen av hullet og opp til en slamreturnippel i en skilleanordning i boreriggen. Ringromfluid går ut fra slamreturnippelen idet faststoffer fjernes, slammet behandles og klargjøres for ny anvendelse i den underjordiske boringen, med tilføring gjennom borestrengen.

Da brønner bores til opptil flere tusen meter under overflaten, bidrar den hydrauliske boreslamsøylen til å hindre en utblåsing av brønnen. Ofte vil hydrokarboner og andre fluider i de underjordiske formasjonene stå under et betydelig trykk. Uten strømningskontrolltiltak kan fluider fra slike gjennomtrengte formasjoner blåses ut fra brønnen på samme måte som en geysir og føre hydrokarboner og andre uønskede fluider (eksempelvis H2S-gass) ut i atmosfæren. Som sådan hindrer det hydrauliske trykket i en 1000 meter lang boreslamsøyle utblåsninger under normale forhold.

Noen ganger vil imidlertid borekronen støte på lommer i trykksatte formasjoner, slik at brønnen derved ”sparker” eller utsettes for en rask trykkøking. Fordi formasjonsspark er uforutsigbare og vil kunne medføre en katastrofal tilstand, er det i dag et krav for de fleste brønner om at det skal brukes utblåsningssikringer eller såkalte BOP’er. En type BOP er en ringformet utblåsningssikring.

Ringformede BOP’er er utformet for avtetting av ringrommet mellom borestrengen og veggen i brønnen. Ringformede BOP’er innbefatter typisk en stor, fleksibel gummipakningsenhet med en i hovedsaken toroidal form som er utformet for tetting rundt ulike borestrengdimensjoner når den påvirkes av et stempel. Når det ikke foreligger en borestreng, kan ringformede BOP’er også kunne stenge en åpen boring. Selv om ringformede BOP’er er utformet til å muliggjøre at en borestreng kan tas ut eller børes inn mens BOP’en er aktivert, er BOP’er ikke utformet til å bli aktivert under boringer (dvs. når borestrengen roterer). Som følge av utformingen vil en rotering av borestrengen gjennom en aktivert ringformet utblåsningssikring raskt slite ut pakningselementet.

Ved oljefeltboreoperasjoner hvor det foreligger større ringtrykk, benyttes ofte roterende borehoder. Et typisk roterende borehode innbefatter en pakning eller tetningselement og en lagerpakning, idet lagerpakningen muliggjør at tetningselementet kan rotere sammen med borestrengen. Ved bruk av et roterende borehode forekommer det derfor ingen relativ rotasjonsbevegelse mellom tetningselementet og borestrengen, idet det bare er lagerpakningen som utfører en relativ rotasjonsbevegelse. Eksempler på roterende borehoder finnes i US patent 5 022 472 og US patent 6354 385, hvis innhold det her vises til. I noen tilfeller har roterende dobbeltstripping-kontrollinnretninger to tetningselementer, ett som brukes som primærtetning og ett som brukes som støttetetning. Når lagerpakningen og tetningselementene og borestrengen roterer, vil det kunne forekomme lekkasje mellom borestrengen og den primære pakningen. En anordning eller fremgangsmåte for detektering av lekkasje mellom borestrengen og tetningselementet under boring, anses derfor å kunne bli godt mottatt innenfor denne industrien.

Ifølge ett aspekt relaterer oppfinnelsen seg til en fremgangsmåte for detektering av lekkasjer i en roterende borekontrollinnretning ved boring av en brønn, hvilken fremgangsmåte innbefatter: bruk av den roterende borekontrollinnretningen som innbefatter et kammer dannet mellom et øvre og et nedre pakningselement, hvor nevnte øvre og nedre pakningselementer er plassert rundt en borestreng; rotere en magnetisk avfølingsring inne i den roterende borekontrollinnretningen om en sentralakse; orientere et trykkbelastet stempel som har en magnetskive plassert på en ende av stempelet nær den magnetiske avfølingsringen; sammentrykking av stempelet i radial retning mot den roterende magnetiske avfølingsringen ved økning av trykk i kammeret; og transmittering av et signal for indikering av lekkasjen etter en kritisk avstand mellom magnetskiven og den magnetiske avfølingsringen er nådd.

Ifølge et annet aspekt relaterer oppfinnelsen seg til en roterende borekontrollinnretning for bruk sammen med en borestreng for boring av en brønn, innbefattende: et øvre pakningselement og et nedre pakningselement som er plassert rundt en borestreng og danner et kammer mellom seg; en lekkasjedetekteringsinnretning innbefattende: et stempel anordnet i en boring i den roterende borekontrollinnretningen og i kommunikasjon med kammeret, en magnetskive plassert på en ende av stempelet, og et antall magnetiske sensorer som er anordnet i en magnetisk avfølingsring rundt den roterende borekontrollinnretningen; idet en fjær, når det oppstår et valgt kritisk trykk i kammeret, er utformet for sammentrykking når den magnetiske skiven plasseres nær det nevnte antall magnetiske sensorer.

Utførelser og fordeler med oppfinnelsen vil gå frem av den etterfølgende beskrivelse og av patentkravene.

På tegningene viser:

Fig. 1 et snitt gjennom en roterende borekontrollinnretning med en lekkasjedetekteringsinnretning ifølge utførelser av oppfinnelsen,

Fig. 2 er et utsnitt av lekkasjedetekteringsinnretningen i samsvar med utførelser av oppfinnelsen,

Fig. 3 er et skjematisk riss av en magnetisk avfølingsring i samsvar med utførelser av oppfinnelsen,

Fig. 4A er et utsnitt av lekkasjedetekteringsinnretningen, idet trykket i et kammer befinner seg under et kritisk trykk, og

Fig. 4B viser et utsnitt av lekkasjedetekteringsinnretningen, idet trykket i kammeret her ligger på eller over kritisk trykk.

Fig. 1 viser et snitt gjennom en roterende borekontrollinnretning 10 i samsvar med utførelsesformer av oppfinnelsen. Den roterende borekontrollinnretningen 10 innbefatter et legeme 12 med en sentral akse 13. Gjennom dette legemet går det en borestreng 14. Rundt borestrengen 14 er det plassert et øvre pakningselement 16 og et nedre pakningselement 18. Disse pakningselementene 16, 18 danner et mellomliggende kammer 20. Kammeret 20 kan innfange et trykk mellom det øvre og det nedre pakningselementet 16, 18. Videre innbefatter den roterende kontrollinnretningen 10 en lagerpakning 15 i legemet 12, hvilken lagerpakning muliggjør at det øvre pakningselementet 16 og det nedre pakningselementet 18 kan rotere om den sentrale aksen 13 sammen med borestrengen 14 når anordningen er i bruk.

Den roterende borekontrollinnretningen 10 innbefatter videre en lekkasjedetekteringsinnretning 100. Når den roterende borekontrollinnretningen 10 er i bruk, kan det forekomme lekkasjer mellom borestrengen 14 og det nedre pakningselementet 18, slik at derved trykket i kammeret 20 mellom det øvre og nedre pakningselementet 16, 18 øker. Når det er nådd et ”kritisk trykk” i kammeret 20, vil det være en fordel å kunne få en indikasjon på at det foreligger et slikt kritisk trykk, hvilket vil kunne bety at det nedre pakningselementet 18 lekker og må byttes. Slik det er benyttet her skal uttrykket kritisk trykk betegne et trykk i kammeret 20 som indikerer en lekkasje mellom borestrengen 14 og det nedre pakningselementet 18. Fagpersoner vil kunne bestemme hvor høyt et slikt kritisk trykk skal være.

Fig. 2 viser et snitt gjennom en lekkasjedetekteringsinnretning 200 som er montert i legemet 12 i samsvar med utførelsesformer av oppfinnelsen.

Lekkasjedetekteringsinnretningen 200 innbefatter et stempel 210 som er plassert i en boring 215. Boringen 215 kan være anordnet ved den ytre omkretsen til borekontrollinnretningens roterende legeme 12 og har en senterakse 216 som går perpendikulært på og radielt i forhold til borekontrollinnretningens 10 senterakse 13 (fig. 1). En O-ring 212 og en støttering 214 kan være anordnet rundt stempelet 210 i et kontaktområde 217 mellom en innervegg i boringen 215 og stempelets 210 ytre overflate. Kontaktområdet 217 kan være relativt glatt, slik at O-ringen 12 derved kan tette mot dette området, eller området kan være utformet på andre måter som vil være kjent for fagpersoner.

Som vist i fig.2 innbefatter lekkasjedetekteringsinnretningen 200 videre en fjær 220 som er plassert på stempelet 210, og en ventilhette 230 hvor stempelet 210 og fjæren 220 er innpasset. En O-ring 232 er anordnet for tetting av et kontaktareal 234 mellom en ytre overflate på stempelet 210 og en indre vegg i ventilhetten 230. Ventilhetten 230 kan være skrudd inn i legemet 12 eller innfestet på andre måter som vil være kjent for fagpersoner. Videre er det anordnet en magnetskive 240 på stempelets 210 utadvendte ende. Magnetskiven 240 kan festes til stempelet ved hjelp av epoksy, festemidler eller andre tilknytningsmetoder som vil være kjent for fagpersoner.

Lekkasjedetekteringsinnretningen 200 innbefatter videre en magnetisk avfølingsring 260 som er tilknyttet en aluminiumring 250 som er plassert i en boring i den roterende borekontrollinnretningen 10 (fig.1). Den magnetiske avfølingsringen 260 er orientert slik at ringens 260 senterlinje vil falle sammen med boringens 215 senterakse 216, slik at derved den magnetiske avfølingsringen 260 og magnetskiven 240 i hovedsaken er i innbyrdes innretting. Den magnetiske avfølingsringen 260 kan avtettes med en epoksyblanding eller en annen tetningsblanding som vil være kjent for fagpersoner, for på den måten å beskytte ringen mot krevende miljøer. En holdering 270 og en sikkerhetsskjerm 280 tjener til holding av aluminiumsringen 250 og den magnetiske avfølingsringen 260 i den roterende borekontrollinnretningens legeme 12.

Fig. 3 viser et elektrisk skjema for et lekkasjedetekteringssystem 202 i samsvar med oppfinnelsen. Lekkasjedetekteringssystemet 202 innbefatter en ledningskrets 262, et antall magnetiske sensorer 264 som er plassert rundt omkretsen til den magnetiske avfølingsringen, og elektriske komponenter 266, 268 som vil være kjent for fagpersoner. Fig.3 viser stempelet 210 med magnetskiven 240 plassert i forhold til magnetiske sensorer 264. Når lagerpakningen 15 (fig.1) roterer i den roterende borekontrollinnretningen 10 (fig.1), vil magnetskiven 240 kontinuerlig passere (pil B) de magnetiske sensorene 264 i den magnetiske avfølingsringen 260. Antall magnetiske sensorer (eksempelvis Hall-effektsensorer) 264 og avstanden mellom dem i den magnetiske avfølingsringen 260 rundt den roterende borekontrollinnretningen, kan bestemmes av fagpersoner. Eksempelvis kan omdreiningshastigheten pr. minutt for lagerpakningen bestemme antall magnetiske sensorer 264 og/eller størrelsen av avstanden mellom de magnetiske sensorene 264.

Fjæren 220 i fig.2 er utformet for å svare til et valgt ”kritisk” trykk i kammeret 20 mellom de øvre og nedre pakningselementene (16 og 18 i fig.1). Fjæren 220 har en ”fjærkonstant”, som er et mål for ”stivheten” eller motstanden til fjæren.

Beregninger og fremgangsmåter som brukes for valg av en egnet fjærkonstant vil være kjent for fagpersoner. Fjærens 220 fjærkonstant kan svare til det valgte kritiske trykket i kammeret 20 slik at, når trykket når det valgte kritiske nivået, fjæren 220 også vil trykke seg sammen i en kjent grad.

Når trykket i kammeret 20 har nådd et på forhånd bestemt eller kritisk trykknivå, vil fjæren 20 altså være trykket sammen og ha beveget magnetskiven 240 til en ”kritisk avstand” fra den magnetiske avfølingsringen 260. Som brukt her skal uttrykket ”kritisk avstand” være avstanden mellom magnetskiven 240 og den magnetiske avfølingsringen 260 når et varselsignal sendes til en riggulvoperatør, for derved å indikere at det i kammeret 20 foreligger et kritisk trykk. I noen utførelser kan det kritiske trykket i kammeret ligge rundt 14 kp/cm<2>(200 psi). I andre utførelser kan det kritiske trykket i kammeret 20 ligge mellom 7 og ca.35 kp/cm<2>(100 til ca.500 psi). Utførelser av foreliggende eksempel tilfredsstiller de krav som American Petroleum Institute har oppstilt i API 16RCD, som relaterer seg til overvåking av trykk mellom to pakningselementer, og det vises til innholdet i denne standarden.

I fig.4A er lekkasjedetekteringsinnretningen 20, som er vist i snitt, vist i en tilstand hvor trykket i kammeret 20 ennå ikke har nådd det kritiske trykket. Fjæren 220 er ubelastet, eller er spent for å holde magnetskiven 240 i en avstand fra magnetavfølingsringen 260 som er større enn den kritiske avstanden. Når trykket (vist med pilen A) øker i kammeret 20 mellom det øvre pakningselementet 16 (fig.

1) og det nedre pakningselementet 18 (fig.1), vil trykket påvirke stempelet 220 og magnetskiven 240 slik at stempelet og magnetskiven vil bevege seg radielt utover i retning mot den magnetiske avfølingsringen 260, hvorved fjæren 220 trykkes sammen.

I fig.4B er lekkasjedetekteringsinnretningen 200, som er vist i snitt, vist i en tilstand hvor trykket i kammeret 20 har nådd det kritiske trykket. Det trykket som virker på stempelet 210 (vist med pilene A) har presset stempelet 220 og magnetskiven 240 radielt utover i retning mot den magnetiske avfølingsringen 260. Fjæren 220 er trykket sammen og muliggjør at magnetskiven 240 har beveget seg til innenfor den kritiske avstanden fra den magnetiske avfølingsringen 260.

Magnetiske sensorer 264 i den magnetiske avfølingsringen 260 detekterer den kritiske avstanden mellom seg og magnetskiven 240, en kritisk avstand som indikerer at det kritiske trykket er nådd i kammeret 20. Magnetskivens 240 nærhet til den magnetiske avfølingsringen 260 ved den kritiske avstanden, kan bevirke at det sendes et signal til riggulvoperatøren om at det foreligger et kritisk trykk. En varselsindikator på en styrepult på riggulvet kan være i form av et blinkende lys, et horn som tuter eller et annet varselsignal som vil være kjent for fagpersoner. I noen utførelser kan varselsignalet sendes trådløst til riggulvoperatøren.

I noen utførelser kan det øvre og det nedre pakningselementet være anordnet som en innsats og derved foreligge som en enhet. Denne innsatsen kan samvirke med eksisterende klemmekanismer for installering i en foreliggende lageranordning for den roterende borekontrollinnretningen. Innsatsen med pakningselementene kan muliggjøre at pakningselementene kan byttes uavhengig av lagringsanordningen. Roterende borekontrollinnretningsklemmekanismer og lageranordninger finnes beskrevet detaljert i US patentsøknad 11/556,938, hvis innhold det vises til.

I noen utførelser kan det benyttes et software-program sammen med lekkasjedetekteringsinnretningen, for behandling av de data som mottas fra de magnetiske sensorene. I utgangspunket, når programmet starter, kan det kjøres en diagnosetest for å verifisere systemet. I drift kan software-programmet utformes for å gjenkjenne avstanden ettersom denne endrer seg mellom magnetskiven og de magnetiske sensorene, og å gjenkjenne den kritiske avstanden mellom magnetskiven og de magnetiske sensorene, samt når det skal sendes et signal til riggulvoperatøren.

I software-pakken kan det også integreres en tidsforsinkelse. Tidsforsinkelsen kan sikre at magnetskiven vil befinne seg i en kritisk avstand fra de magnetiske sensorene i en gitt tid før det sendes et varselsignal. I noen utførelser kan tidsforsinkelsen være ca.15 sekunder. I andre utførelser kan tidsforsinkelsen variere fra ca.5 til ca. 30 sekunder. Tidsforsinkelsen kan medføre at ”trykktopper” ikke vil være tilstrekkelig til å bevirke at det sendes et varselsignal, slik at det således vil være nødvendig med et konstant kritisk trykk før det sendes et varselsignal. Videre kan magnetskiven være utformet med en sydpol som vender ut eller mot de magnetiske sensorene i den magnetiske avfølingsringen. En slik orientering av magnetskiven vil være forståelig for fagpersoner.

Fordelaktig kan utførelser av lekkasjedetekteringsinnretningen ifølge oppfinnelsen gi en tidlig varslingsindikasjon til riggulvoperatøren om at et pakningselement i den roterende borekontrollinnretningen lekker og derfor bør byttes. Når et primært pakningselement lekker, varsles riggulvpersonellet og kan da treffe proaktive tiltak for å hindre kostbare reparasjoner som skyldes at pakningselementene svikter uten varsel. Tidligere, ved heving av en borestreng, har operatøren basert seg mer på en synsinntrykk- og lydinntrykkmetode, med lytting etter trykklekkasjer, da disse vil være forbundet med en ”rapelyd”. Lekkdetekteringsinnretningen bedrer driften av dobbeltstripping-gummisystemet og bedrer funksjonen og tetningen i den roterende borekontrollinnretningen.

Utførelser av oppfinnelsen kan gi et system som er lett å installere og ta ut ved hjelp av eksisterende klemmekanismer som brukes for roterende borekontrollinnretninger. Lekkasjedetekteringsinnretningen kan innpasses i eksisterende utstyr, hvilket vil være betydelig billigere enn å innhente nytt utstyr med den nye teknologien.

Claims

PATENTKRAV

1. Fremgangsmåte for detektering av lekkasjer i en roterende borekontrollinnretning (10) ved boring av en brønn, hvilken fremgangsmåte innbefatter:

bruk av den roterende borekontrollinnretningen (10) som innbefatter et kammer (20) dannet mellom et øvre og et nedre pakningselement (16, 18), hvor nevnte øvre og nedre pakningselementer (16, 18) er anordnet rundt en borestreng (14);

karakterisert ved at fremgangsmåten videre innbefatter:

rotere en magnetisk avfølingsring (260) inne i den roterende borekontrollinnretningen (10) om en sentralakse (13);

orientere et trykkbelastet stempel (210) som har en magnetskive (240) plassert på en ende av stempelet (210) nær den magnetiske avfølingsringen (260);

sammentrykking av stempelet (210) i radial retning mot den roterende magnetiske avfølingsringen ved økning av trykk i kammeret (20); og transmittering av et signal for indikering av lekkasjen etter en kritisk avstand mellom magnetskiven (240) og den magnetiske avfølingsringen (260) er nådd.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor trykkøkningen i kammeret trykket ligger mellom ca.7 og ca.35 kp/cm<2>(100-500 psi).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvor transmittering av signalet gjennomføres trådløst.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av ovennevnte krav, som videre innbefatter å forsinke transmittering av signalet med et bestemt tidsintervall.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av ovennevnte krav, som videre innbefatter å påvirke stempelet med en fjær i en retning bort fra den magnetiske avfølingsringen i fravær av det økte trykket i kammeret.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av ovennevnte krav, hvor den magnetiske avfølingsringen innbefatter et antall Hall effekt sensorer.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av ovennevnte krav, som videre innbefatter å velge det fjærbelastede stempelet for samsvar med en bestemt trykkøkning i kammeret.

8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av ovennevnte krav, hvor trykkøkningen i kammeret er ca.14 kp/cm<2>(200 psi).

9. Roterende borekontrollinnretning (10) for bruk sammen med en borestreng (14) for boring av en brønn, innbefattende:

et øvre pakningselement (16) og et nedre pakningselement (18) som er plassert rundt en borestreng (14) og danner et kammer (20) mellom seg, karakterisert ved at borekontrollinnretningen videre innbefatter en lekkasjedetekteringsinnretning (100) innbefattende:

et stempel (210) anordnet i en boring (215) i den roterende borekontrollinnretningen (10) og i kommunikasjon med kammeret (20),

en magnetskive (240) plassert på en ende av stempelet (210), og

et antall magnetiske sensorer (264) som er anordnet i en magnetisk avfølingsring (260) rundt den roterende borekontrollinnretningen (10),

idet en fjær (220), når det oppstår et valgt kritisk trykk i kammeret (20), er utformet for sammentrykking når den magnetiske skiven (240) plasseres nær nevnte antall magnetiske sensorer (264).

10. Roterende borekontrollinnretning ifølge krav 9, hvor fjæren er konfigurert for å påvirke stempelanordningen i en retning bort fra de magnetiske sensorene i fravær av den valgte kritiske tilstanden.

11. Roterende borekontrollinnretning ifølge krav 9 eller 10, hvor det valgte kritiske trykket ligger mellom ca.7 og ca.35 kp/cm<2>(100-500 psi)

12. Roterende borekontrollinnretning ifølge et hvilket som helst av krav 9 til 11, hvor det valgte kritiske trykket er ca.14 kp/cm<2>(200 psi)

13. Roterende borekontrollinnretning ifølge et hvilket som helst av krav 9 til 12, hvor antallet av magnetiske sensorer innbefatter Hall-effektsensorer.

14. Roterende borekontrollinnretning ifølge et hvilket som helst av krav 9 til 13, hvor magnetskiven innbefatter minst én magnet av et sjeldent jordmetall.

15. Roterende borekontrollinnretning ifølge et hvilket som helst av krav 9 til 14, hvor magnetskiven er utformet slik at den har en sydpol som vender mot den magnetiske avfølingsringen.

16. Roterende borekontrollinnretning ifølge et hvilket som helst av krav 9 til 15, hvor fjæren er valgt for det valgte kritiske trykket.