NO811485L - Fremgangsmaate ved boring. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved boring hvor et spylemedium ledes gjennom borehullet, bringes i varmeutveksling med fjellet og/eller boreverktøyet og ledes ut av borehullet.

I tillegg til valget av en egnet fremgangsmåte

for boringen, er det vesentlig ved utviklingen og utnyttelsen av råstoffansamlinger, eksempelvis ansamlinger med olje eller naturgass, å sikre boringen under avsenkingen. Sikringen -tjener blant annet til å hindre en ødeleggelse

av borehullet ved de mekaniske krefter fra fjellet som omgir borehullet, med andre ord å beskytte borehullet mot nedfall og gjenstyrting. Ifølge kjente metoder bores derfor borehullet trinnsvis og hvert trinn sikres. Når ett trinn er ferdigboret, innsettes rør, dvs. det senkes stål-rør ned i borehullet og rommet mellom stålrørene og bore-hullenes vegger fylles med sement. Således føres rørene

i de etterfølgende trinn g.jennom de forangående. Dersom det ikke er tilstrekkelig fast fjell ved nedsenkningen av et avsluttet trinn, må borehullets vegg støttes med andre midler inntil rørene settes ned. Ved kjente meto-

der oppnås denne beskyttelse ved hjelp av spyling med væske, ved at væsken,hvis tetthet kan bli forhøyet ved hjelp av tilsats av egnede fyllstoffer, ledes inn i borehullet. Boringen med flytende og eventuelt belas--

ede spylinger medfører at den hydrauliske søyle som i seg selv kun skal trykke mot de åpne borehullvegger,

også hviler med hele sin last mot borehullets bunn og der i betydelig grad motvirker den mekaniske oppløs-ningsprosess. Meislingsytelsen avtar derved i den grad som spylemidlets vekt vokser. De vanlige tungspylinger arbeider derfor motsatt oppløsningsforegangen i borehullets bunn. Sammen med spyletrykket som vokser med tiltagende utgravningsdybde, stiger boremotstanden og bore-freindriften synker tilsvarende. En mindre borefremdrift er imidlertid ensbetydende med høyere borekostnader.

Ved store utgravinger må også de over lange åpne fjell-strekninger fremtredende hydrauliske ulikevekter påaktes som ytterligere faktor for forhøyelse av kostnadene. Hensyntagen til disse ulikevekter krever flere mellom-boringer og dermed en større startdiameter for boreverk-tøyet i det første trinn. En følge av disse tiltak er en kostbarere nedsetning av rør samt høye kostnader ved spyle-operasjonen slik at kostnadene for borehullet derved også tiltar merkbart.

Oppfinnelsen tar sikte på å frembringe en fremgangsmåte hvor en boring kan utføres hurtig og med lave kostnader.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved at spylemediet før innføringen i borehullet avkjøles til en temperatur som ligger under den temperatur som vil innstille seg ved et spylemedium som føres i kretsløpet, etter uttaket fra borehullet ved varmeutvekslingen med omgivelsen.

Til forskjell fra konvensjonelle fremgangsmåter med sirkulerende spylinger, som i friluft avkjøles ved naturlig varmeovergang med eksempelvis luft, 10 - 20° C, senkes spylemediets temperatur ifølge oppfinnelsen under denne temperatur (kaldspyling). Dette er fordelaktig da alle sedimenter og stenarter i dekkfjellet oppfører seg slik at de med fallende temperatur blir mer formbestandig og derved statisk mer stabile. Trekker man derfor ved hjelp av den foreslåtte fremgangsmåte med kaldspyling, tilstrekkelig varme ut av fjellet, vil dette resultere i et stabilere borehull. Da åpne borestrekninger blir mer eller mindre stabilisert på denne måte, kan det hydrauliske trykk som utøves av spylingen mot borehullets vegg, reduseres. Dette betyr at den vanlige tungspyling kan erstat-tes av forholdsvis lettere spylemidler. Bruk av spylemidler med lavere spesifikk vekt medfører imidlertid en avlastning av borehullets bunn og gir derved umiddelbart bedre boreytelser.

Et ytterligere arbeidshinder i de større dybder, er.for konvensjonelle metoder den tiltagende temperatur. Ved^gradienter mellom 25 og 50 K/km hersker det i 10 km dybde en temperatur på mellom 520 og 770 K. Ved en kaldspyling innstiller det seg et gunstigere temperaturnivå

for boreverktøyet og boreutstyret. Især kan temperaturen

senkes til en verdi hvor borekomponentene ikke utscLtes for skader utover den vanlige slitasje ved konstant drift. Søking etter materialer som også er bestandige ved de temperaturer som hersker på store dyp, samt utprøving av slike, bortfaller dermed.

Ifølge en fordelaktig utforming av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen avkjøles spylemediet til 0° C. På denne måte kan en åpen fjellstrekning avkjøles så mye at vannet i befuktede fjellsegmenter som omgir borehullet, fryser. Derved dannes et stabilt frostlegeme som ikke tillater vanngjennomføring og som gir fjellet en tilstrekkelig fasthet. Borehullets ennå ikke med rør avstivede område kan derved støttes provisorisk og løst fjell kan ved hjelp av dannelse og opprettholdelse av frostlegemer omformes til stabilt fjell.

Frosset fjellfukt forhøyer fjellets stabilitet ubetydelig i forhold til avkjøling uten dannelse av frostlegemer. Jo mer stabilt det fjell er som ligger omkring borehullet, jo lavere kan spylemediets spesifikke vekt velges og jo større er borefremdriften, på grunn av den tiltagende avlastning av borehullets bunn.

Spesielt fordelaktig er det derfor at spylemediet foreligger i gassform ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen. En vesentlig fordel ved denne fremgangsmåte er

. den allerede beskrevne dempende virkning av en væske-søyle hvor borehullets såle bortfaller. En gass tilføres borehulle't som praktisk talt ikke utøver noe trykk mot borehullets såle. Følgelig kan det i forhold til tungspyling med væske oppnås en betydelig høyere borefremgang og en senkning av borekostnadene. Uten støttetrykket mot borehullets vegg bortfaller samtidig alle problemer som oppstår ved tungspylingene på grunn av hydrauliske ulikevekter i lengre åpne borestrekninger. Ved bruk av tungspylinger kunne det i tilfelle hittil oppstå at et bestemt spyletrykk måtte opprettholdes i en dybde mens dette trykk ville være for stort i en annen.dybde da det ville føre til oppbrytning av fjellet. Under slike forhold var det nød-vendig med en ekstra rørinnsats. Da det ifølge erfaringer

ikke utøves noe trykk mot borehullets vegg, er det derved ikke mer nødvendig med slike ytterligere rørinnsetninger. Derved synker kostnadene for rørinnsettingen og spylingen.

En ytterligere fordel ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnås på grunn av borets intensive kjøling og boringen i kald omgivelse. På grunn av den lave mate-rialslitasje oppstår en lengre standtid enn i den ellers med tiltagende dybde også tiltagende varme omgivelse.

Dette betyr at et boreverktøy har en lengre teknisk leve-alder og kan innsettes økonomisk lengre. Derav følger en bedre materialutnyttelse og færre borestrengutvekslinger, dvs. inn- og utbygging av boreutstyret med utveksling av boreverktøyet.

Ved spylingen med gass er det vesentlig at spylemediet er tilstrekkelig avkjølt slik at det i en åpen fjellstrekning hurtig oppstår en bærende mantel. Hastig-heten for dannelsen og også bæreevnen av fjellmantelen avhenger blant annet av fjellets termiske egenskaper, eksempelvis varmeledningsevnen, varmekapasiteten eller temperaturgradienten. Dannelseshastigheten fastlegger på sin side borehastigheten. Det er derfor fordelaktig at det oppnås en høyst mulig dannelseshastighet.

Med dette som mål benyttes i en fordelaktig utforming av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen en flytendegjort gass som spylemedium som i det minste fordamper delvis ved varmeutveksling med det fjell som omgir borehullet og/eller boreverktøyet.

Især i store dybder eller varme formasjoner er denne utforming hensiktsmessig. I tillegg kan en varme-mengde tilsvarende fordampningsvarmen for den flytendegjorte gass trekkes ut av fjellet slik at fjellet og fuk-tigheten i de utgravede skikt, avkjøles spesielt hurtig, henholdsvis bringes til å fryse. Tilsvarende hyppig dannes et fast frostlegeme omkring borehullet. Dersom en flytendegjort gass tilføres det usikrede område av borehullet,

kan det fjernes vesentlig mere varme og det oppnås en bedre kjøling eksempelvis også av boreverktøyet.

Det er herved ikke nødvendig og heller ikke under alle omstendigheter mulig å gjennomføre at den flytendegjorte gass fordamper fullstendig. Det er kun vesentlig at spylingen tilfører den nødvendige kuldemengde til stuff, trekker tilstrekkelig varme ut av fjellet her og deretter er i stand til både å bringe borstøvet opp i dagen og også

å opprettholde den korrekte kjøletilstand i de allerede gjennomborede strekninger.

Med fordel blir det avkjølte spylemedium ledet

til borehullsålens område ifølge et annet trekk av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Det medium som avkjøler fjellet når borehullsålen med en meget lav temperatur. Derved begunstiges en grundig avkjøling av boreverktøyet

og fjellet i området ved borehullets såle. Dersom især en flytendegjort gass ledes inn i borehullsålens område, av-kjøles den friske borehullsåle intensivt og kan lett ned-brytes ved hjelp av et mekanisk angripende boreverktøy.

Den ved varmekontakten med fjellet dannede damp fjerner borestøvet fra sålen og strømmer via ringronunet mellom boreverktøyet og borehullets vegg opp i dagen. Betinget av den volumforstørrelse som er forbundet med faseforand-ringen, fremkommer en høy strømningshastighet. På veien mellom borehullsålen og jordoverflaten opptar dampen ytterligere varme og opprettholder på denne måte frem til inn-føringen av rørene den allerede dannede del av frostmantelen.

Ved en variant ifølge fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ledes spylemediet via en egen ledning som kan være varmeisolert , til borehullets åpne fjellstreknings-område. Med fordel kan ledningsenden fra jordoverflaten innstilles til enhver ønsket høyde slik at spylemediet kan tilføres ethvert område av borehullet.

Ifølge en ytterligere utforming av oppfinnelsen, er det spesielt hensiktsmessig når spylemediet, f.eks. ved en boreoperasjon, ledes gjennom et strømningstverrsnitt i borestrengen som ved hjelp av en på overflaten stående drivanordning roterer boreverktøyet, og videre ledes til borehullets såle gjennom boreverktøyet og føres tilbake utenfor borestrengen. Derved bortfaller behovet for å anordne en ytterligere ledning for filførselen av det kjølende spylemedium. Især ved bruk av flytendegjorte lavtkokende gasser er det fordelaktig å isolere borestrengen i det minste delvis mot varmetilførsel.

En spesielt effektiv avkjøling av boreverktøyet og en ensartet fordeling av det kjølende spylemedium i borehullet oppnås når gassen ved hjelp av en hensiktsmessig utforming av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen,

ledes til borehullsålens område via flere åpninger i bore-verktøyet.

På grunn av de fysikalske egenskaper og de rela-tivt lave kostnader, er nitrogen og carbondioxyd spesielt egnet for bruk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Carbondioxyd må holdes under trykk slik at det kreves en borestreng,henholdsvis en tilførselsledning som kan holde trykk.

Sammenfattende kan det fastslås at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen muliggjør en stigning av brutto bore-freindrift. For utvikling av den størst mulige drift, gjelder det å optimere verdiene for kaldspylingens spesifikke vekt og temperatur. Innstillingen av disse to parametre dikterer fjellet (i hovedsaken gjennom egensta-bilitet og bæremantelens dannelseshastighet) og boresyste-mets temperaturbilde (i første linje boreutstyr og spylemiddel). Området for de spylemetoder som omfattes av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, strekker seg derfor fra spylemidler hvis vekt er vesentlig mindre enn konvensjonelle spylemidler og hvis temperaturer er sterkt senket, til spylemidler med noe senkede temperaturer og tilsvarende høy vekt, som imidlertid alltid er mindre enn ved konvensjonelle spylemidler.

Dersom det brukes et spylemiddel med sterkt ned-satt temperatur, kan dette, slik som beskrevet, ha mindre vekt i forhold til hittil benyttede spylemidler. Slike spylemidler bidrar kun delvis til de nødvendige støttekref-ter. Forøvrig bærer fjellet selv ved hjelp av den nedkjølte borehullsmantel. To ting er i denne forbindelse selvfølgelic

a) Hvert kaldspylingsmiddel må ved arbeidstemperaturen (sirkulasjonstemperaturen) fremvise de best mulige

spylingsverdier, men skal ved stillstandstemperaturene ikke tape bestemte minsteegenskaper. Kalde, væske-formige spylemidler oppvarmes eksempelvis ved lengre stillstand, og i grensetilfeller helt opp til fjellets hviletemperatur. Videre må spylemidlene fremfor alt ikke "brekke", dvs. ikke å miste den iboende gelstyrke, da det borstøv som befinner seg i spylemidlet ellers sedimenteres og blokkerer boreutstyret. Vannholdige kaldspylingsmidler må kondisjoneres slik at de over en begrenset tid (eksempelvis omkring 8 dager) forblir

temperaturbestandig i det minste opp til 200° C.

b) Den kombinerte stabilitet må i det minste bestå eller kunne opprettholdes utover de fastlagte pauser (meisel-ombytting, målinger, innbygging av rør og sementering).

Denné fremgangsmåtes fordeler tillater en betydelig senkning av kostnadene ved dype og ekstremt dype borin-ger. Bruken av den foreslåtte fremgangsmåte vil især være interessant ved leting etter (olje eller) naturgass. Da det øverste fjell ned til omkring 3000 meters dybde i mel-lomtiden er utforsket så grundig i mange land, eksempelvis i Forbundsrepublikken Tyskland, at det dog kan forven-tes betydelige funn her, må det mer og mer bores i dypet og i ekstremt dype områder når tilførselen skal holdes på dagens nivå eller til og medøkes. Et annet bruksområde burde ligge i utnyttelsen av jordvarmen. Dersom dette alternativ skal avlaste den totale energitilførsel merkbart, må det arbeides i dyptliggende varmt fjell, da de få fore-komster som ligger på små dybder eller termalkildene, ikke bidrar vesentlig. Borekostnadene ved kjente fremgangsmåter ville imidlertid på forhånd gjøre slike operasjoner, urenta-ble.

I det følgende skildres i henhold til en skjema-tisk skisse et utførelseseksempel av en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen, hvor fig. 1 viser en innretning som arbeider i henhold til fremgangsmåten med roterende bor og som er egnet for gjennomføring av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, og fig. 2 viser noen temperaturområder.

Ifølge fig. 1 avsenkes et borehull 1 med et bore-verktøy som drives via en streng 3 og en vektstreng 4 av en x~ k vist over et dreiebord 5 anordnet drivanordning. Heller ikke vist er størstedelen av boretårnet 6 samt innretningene for oppbygning av borestrengen. Ved borehullets topp monteres en preventer 8 såsnart det første foringsrør 7, forankrings-røret, er fylt med sement.9. På tegningen er det vist et ytterligere foringsrør 10 som likeledes er etterfylt med sement og hvorigjennom det tredje trinn bearbeides. Ved utførelseseksemplene skal borehullets vegg avkjøles ved hjelp av flytende nitrogen og i det omkringliggende fjell, dvs. i området 17 omkring borehullet, som strekker seg fra den nedre ende 20 av sementeringen omkring det annet forings-rør 10, til borehullets såle 21, skal dannes et ringformet frostlegeme (området som er tegnet stipler). Med dette formål ledes flytende nitrogen fra en lagringstank 11 med en varmeisolering 12, anordnet i friluft, via en ventil 13 og en uttaksledning 14 til et overføringshode 15. Overfø-ringshodets oppgave er å lede nitrogen i flytende form inn

i den dobbeltveggede borestreng 3, som skal være utformet som med vakuum isolert fallrør for flytende nitrogen. Når tilførselssysternets varmeinnhold er fjernet, strømmer flytende nitrogen via flere åpninger i boreverktøyet 2, til borehullets såle 21, henholdsvis til den borehullvegg 1

som støter til borehullets såle. Ved direkte varmekontakt med det omkringliggende fjell fordamper den flytende nitrogen og bringer, også ved høye temperaturer i fjellet, sedimentenes vanninnhold til å bryte disse. Den fordampede nitrogen strømmer med høy hastighet inn i rommet mellom vektstangen 4 og borehullets vegg 1, idet borestøv rives bort fra borehullets såle og bringes opp av den dampformede nitrogen. Ved det videre forløp trekker den riktignok dampformede, men meget kalde nitrogen, varme ut fra fjellet ovenfor borehullets såle 21 hvor det allerede er dannet et frostlegeme og opprettholder på denne måte det allerede dannede frostlegeme. Deretter gjennomstrømmer nitrogenen de to foringsrørs område og strømmer via en uttaksledning 18

ut til atmosfæren. Medbragt borstøv fanges opp i gropen 19. Såsnart det tredje trinns ønskede dybde er oppnådd, kan kjølingen avbrytes og det tredje foringsrør nedsettes med etterfølgende sementering. De enkelte trinn er ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vesentlig lengre enn ved kjente fremgangsmåter. Således kan en boring med fastlagt dybde, utføres med færre foringsrør ved hjelp av den foreslåtte fremgangsmåte.

Ved kaldspylinger benyttes med fordel drivanordninger i hullet. Derfor er anordning av en drivanordning 22 i borehullet antydet i utførelsen på fig. 1. Slike drivanordninger anordnes over det egentlige boreutstyr (vektstang og meisel) og kun denne del settes i rotasjon. Borestrengen ovenfor befinner seg i ro og må i det vesent-lige kun oppta returdreiemomentet. Dreiebordet bortfaller ikke fordi erfaringen viser at det av og til kan være nyttig å la strengen bevege seg langsomt med.

På fig. 2 er det vist noen temperaturfelt på grunn-lag av de omløpende spylemidler ved en dybde til 10 km og en temperaturgradient på 37°/km. I detalj er følgende fremgangsmåte vist:

1. Små spylemengder og naturlig avkjøling i dagen.

2. Store spylemengder og naturlig avkjøling i dagen.

3. Store spylemengder og kunstig tilbakekjøling over dagen med en omløpstemperatur på 10° C. 4. Store spylemengder og kunstig tilbakekjøling over dagen til en innløpstemperatur på -100° C.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved boring, ved hvilken et spylemedium ledes.gjennom borehullet, bringes til varmeutveksling med fjellet og/eller boreverktøyet og ledes ut av borehullet, karakterisert ved at spylemediet, før innføringen i borehullet, kjøles til en temperatur som ligger under den temperatur som innstiller seg ved et i kretsløp ført spylemedium etter utløpet fra borehullet ved varmeutvekslingen med omgivelsen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at spylemediet nedkjøles til en temperatur under 0° C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, karakterisert ved at spylemediet har gassform.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det som spylemedium benyttes en flytendegjort gass som ved varmeutvekslingen med det fjell som omgir borehullet, og/eller boreverktøyet, i det minste fordamper delvis.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det som flytendegjort gass benyttes nitrogen eller carbondioxyd.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5, karakterisert ved at spylemediet ledes via en egen ledning inn i det område av borehullet hvor det ikke er anordnet foringsrør.