NO842852L - Fremgangsmaate og apparat for kontroll av azimutal drift av en drillbit - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår generelt retningen til en borkrone når den borer et hull i jordoverflaten, og særlig en fremgangsmåte og anordning for kontroll av kompass- eller asimut-retningen for en borkrone i et skråttløpende borehull.

Nesten alle olje- og gassbrønner til havs samt et stort antall brønner på land, bores langs en bane som strekker seg på skrå i forhold til vertikalretningen, slik at borehullets bunn forskyves en forutvalgt horisontal strekning fra toppen av borehullet. Brønnene bores også i en forutvalgt kompass-eller asimut-retning. Det er ikke uvanlig for brønn-planleggere å velge flere enn ett mål langs en spesiell asimut- eller kompass-retning som de ønsker at borehullet skal passere på

sin vei mot sin fulle dybde. Retnings- eller avviks-boreren må følgelig ikke bare kontrollere borehullets vinkel i forhold til vertikalretningen for å treffe målene ved foreskrevne dybder og horisontale avstander, men han må også kontrollere borehullets asimut-retning.

Det er et velkjent faktum at borkroner som roterer mot høyre i et skråttløpende borehull for det meste vil søke å dreie til høyre for den valgte retningslinje. Dette kalles "høyre-vandring". Under visse forhold kan borkronen vandre mot venstre og særlig dersom røret roteres mot venstre, vil den gjøre det av samme grunn som den vandrer mot høyre under innvirkning av høyre-rotasjon.

Høyre- eller venstre-vandring skyldes at vektrørene over borkronen på grunn av sin vekt bøyes i et skråttløpende borehull. De bøyes ytterligere på grunn av den trykkbelastning som er plassert på vektrørene. Denne bøyingen av vektrørene bringer borkronen i inngrep med bunnen av borehullet i en større vinkel enn borehullets vinkel, hvilket fører til en øking i borehullets skråvinkel fra vertikalretningen, under borkronens fortsatte boring. Graden av øking i skråvinkel, dvs. den hastighet hvormed borkronen vil "bygge vinkel" kan i stor utstrekning kontrol-leres ved bruk av stabilisatorer i boreenheten.

Vektrørene utsettes også for en vridningskraft. En har funnet at dette fører til at retningen av "bøyen" eller "buen"

i vektrørene beveges i retning med urviseren mot hullets venstre side sett ovenfra, når dreiemomentet virker mot høyre. Dette reduserer den vinkel borkronen danner med en vertikal retning,

hvilket minsker den hastighet hvormed den vil bygge vinkel, men det fører også til at borkronen møter bunnen av borehullet i en vinkel med horisontalretningen. Følgelig vil borkronen søke å vandre til høyre for den ønskede retningslinje.

For hvilken som helst gitt enhet som befinner seg i borehullet og består av en borkrone, flere vektrør og vanligvis minst to stabilisatorer, vil retningsboreren generelt erfare at han kan vente at borkronen vandrer mot høyre med en temmelig konstant hastighet. På grunnlag av hans kjennskap til dette, kompenserer han for det ved å starte borehullet i en vinkel med den ønskede retningslinje slik at den vil bue bakover i tide til å passere gjennom målene, omtrent som når en pilot justerer retningen for å kompensere for drift på grunn av sidevind. Dette innebærer imidlertid at han ganske enkelt vil passere

nær målene oppe i hullet om han håper på å treffe bunnmålet. Typiske verdier for høyre-vandring er 1° til 2° pr. 100'

(30,5 m). For en dyp brønn vil følgelig borehullet oppvise en betydelig bue.

Hellingen og retningen av formasjonene som gjennomtrenges av borkronen, kan altså forårsake bevegelse av borkronen til høyre eller venstre for den ønskede retningslinje. Men slike bevegelser er små og utgjør vanligvis ikke noe alvorlig problem.

Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og anordning for kontroll av en borkrones asimut-drift som følge av gravitasjonskrefter, aksialkrefter, samt vridningskrefter som virker på vektrørene over borkronen under en boreoperasjon.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og anordning for forspenning av et vektrør i vridningsmoment en forutbestemt verdi for å kontrollere størrel-sen av borkronens asimut-drift under de ventede gravitasjons-, aksial-, og vridningsbelastninger som virker på vektrøret under boreoperasjonene.

Et annet formål med denne oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for kontroll av en borkrones asimut-drift, omfat-tende et vektrør som innbefatter ytre og indre rørelementer hvor en ende av det indre element er forankret til det ytre element og den ytre ende er fri til å rotere i forhold til ytterelementet for å tillate overføring av et forutbestemt vridningsmoment på innerelementet hvoretter innerelementets frie ende forankres til ytterelementet for å forspenne begge elementer med et forutvalgt vridningsmoment for kontroll av borkronens horisontal- eller asimut-drift.

Et annet formål med denne oppfinnelse er å forspenne et vektrør i strekk for å forskyve endringen i vektrør-bøyenes retning under påvirkning av gravitasjons-, aksial-, og vridningskrefter i borehullet.

Ovennevnte samt andre formål, fordeler og trekke ved denne oppfinnelse vil stå klart for fagmenn på området ved studium av denne beskrivelse, innbefattende de medfølgende tegninger og etterfølgende krav.

I tegningene:

figur 1 er en skjematisk tegning av en boreenhet i et skråttløpende borehull, hvor bare vektrørenes senterlinje over borkronen er vist for bedre å anskueliggjøre hvorledes vekt-rørene beveges bort fra borehullets senterlinje på grunn av gravitasjon- og aksialbelastning som virker på rørene,

figur 2 er et grunnriss av borehullet i figur 1, og viser vektrørenes forskyvning langs x- eller horisontalaksen som følge av vridningsspenninger i vektrørene på grunn av borkronens rotasjon,

figur 3 er et riss lik figur 1, bortsett fra at hullbunn-enheten omfatter adskilte stabilisatorer,

figur 4 er et grunnriss av det skråttløpende borehull i

figur 3,

figur 5A er et tverrsnitt av et borehull og et vektrør som er plassert i borehullet når borehullet er skråttløpende og vektrøret utsettes for vridningskrefter,

figur 5B er vektrørets posisjon i borehullet i figur 5A,

når vektrøret utsettes for vridningskrefter,

figur 6A er et tverrsnitt av et skråttløpende borehull og vektrør med vektrøret i posisjon når ingen rotasjon finner sted i henhold til fremgangsmåten og anordningen ifølge denne oppfinnelse ,

figur 6B viser vektrørets posisjon i borehullet når vekt-røret utsettes for vrdiningskrefter,

figur 7A er et tverrsnitt av topp-partiet av den foretrukne utføringsform av anordningen eller vektrøret ifølge oppfinnelsen,

figur 7B er et tverrsnitt av det nedre parti av den foretrukne utføringsform av anordningen eller vektrøret ifølge denne oppfinnelse,

figur 8 er et snitt langs linjen 8-8 i figur 7B,

figur 9 er et oppriss, med deler skilt fra hverandre, av nedre ende av vektrøret ifølge denne oppfinnelse klart for forspenning av vektrøret med vridningsspenning av forutvalgt verdi,

figur 10 er et snitt langs linjen 10-10 i figur 9 og viser den riktige retning for relativ rotasjon av ytter- og inner-elementene i vektrøret ifølge denne oppfinnelse for forspenning av elementene for å minske eller eliminere høyre-vandring på grunn av borestrengens høyre-rotasjon, og

figur 11 er et tverrsnitt av nedre ende av en alternativ utføringsform av anordningen ifølge denne oppfinnelse.

I figur 1 vil borehullets 12 skråvinkel føre til at borestrengen beveger seg mot borehullets nedre side på grunn av tyngdekraften. Ytterligere bøying vil finne sted mot hullets nedre side i den seksjon som utsettes for trykk. Borestrengens totale bevegelse fra borehullets senterlinje er antydet med bokstaven y. Denne avbøyning vil frembringe et bøyemoment i borkronen 15 som gir denne en tendens til å bore oppover i en vinkel alfa, som er sterkt forstørret i tegningen. Under disse forhold vil borkronen søke å øke den vinkel borehullet danner med vertikalretningen.

Vinkelen alfa kan minskes ved bruk av stabilisatorer som vist i figur 3. Stabilisatorenes diameter er den samme eller nær den samme som 'borehullets diameter og vil holde vektrørene over borkronen fra å bevege seg meget langt fra borehullets senterlinje. Dette minsker i høy grad den avstand de fritt-bærende vektrør mellom stabilisatorene kan bevege seg sideveis bort fra borehullets senterlinje.

I figur 3 har vektrørseksjonen mellom borkronen og den første strengstabilisator 16 i borehullet 17 en maksimal forskyvning y^fra senterlinjen, og ettersom denne borerørseksjon virker som en utliggerbjelke, vild en maksimale bøyning skje ved et punkt i en avstand av 2/3 av avstanden mellom stabilisatoren 16 og borkronen. Dette virker til å dreie borkronen gjennom vinkelen alfa. Vektrørene over stabilisatoren 16, så som de som er beliggende mellom stabilisatorer 16 og 18 og mellom stabilisator 18 og 19, vil ha sine maksimale utbøyninger v2°9v3'stort sett midtveis mellom stabilisatorene.

Det krever et betydelig dreiemoment å dreie en borkrone med de store tyndrebelastninger som nå for tiden plasseres på borkronene. Som ovenfor forklart, når vektrørene over en borkrone utsettes for vridningskrefter mens de utsettes for tyngdekraften og aksiell belastning, vil bøyeretningen dreie med urviseren til venstre i forhold til vertikalretningen, sett ovenfra, når røret dreies mot høyre. Som vist i figur 2 vil således borestrengen bevege seg en strekning x i horisontalretningen fra borehullets senterlinje. Dette vil endre vinkelen på borkronens frontflate i forhold til borehullets senterlinje, vinkel teta 8 i tegningen, hvilket medfører at borkronen søker å bore mot høyre sett ovenfra langs borehullets lengdeakse.

Antar man i figur 4 at stabilisatorene 16, 18 og 19 holder vektrørene stort sett midt i borehullet, vil vektrørene mellom stabilisatorene bøye ut mot venstre strekningene x^,<y>.^og x^som følge av vridningskreftene som virker på vektrørene. Ettersom det er nødvendig med et visst dreiemoment for å rotere stabilisatorene, vil størrelsen av dreiemomentet i hver vektrør-seksjon være forskjellig. Dreiemomentet i vektrørene mellom borkronen og den første stabilisator vil være mindre enn dreiemomentet i vektrørene mellom stabilisatorene 16 og 18, hvilket i sin tur vil være mindre enn dreiemomentet i vektrørene mellom stabilisatorene 18 og 19.

Virkningen av de samlede krefter som virker på vektrørene, er vist i figur 5A og 5B. I figur 5A er vektrøret 22 beliggende i det skråttløpende borehull 24. Den langstrakte åpning gjennom vektrøret er ikke vist for å forenkle tegningen. Tyngdekraft og aksielle trykk-krefter som virker på vektrøret bøyer vekt-røret hvorved senterlinjen 22a beveges nedad langs y-aksen fra borehullets senterlinje 24a en avstand y'. Når vektrøret 22 utsettes for en vridningskraft mot høyre i pilens retning, vil vektrørets senterlinje 24a beveges mot venstre som vist i figur 5B en strekning x" langs x-aksen. Den kan enten bibeholde en strekning y" under x-aksen eller ikke, for fortsatt å bringe borkronen til å bygge vinkel, men ved bevegelsen til venstre for y-aksen vil den også bringe borkronen til å bore mot høyre langs vinkelen teta som angitt ovenfor i forbindelse med figur 2 og 4. Det er ikke helt sikkert, men det antas at bevegelsen av vektrørets senterlinje langs horisontal- eller x-aksen som følge av dreiemoment vil bevirke en minsking av den strekning vektrørets senterlinje befinner seg under x-aksen og dersom dette er tilfelle, vil dette minske hastigheten hvormed borkronen bygger vinkel. Derfor er y" vist å være mindre enn y'.

I henhold til fremgangsmåten of anordningen ifølge denne oppfinnelse, blir størrelsen av høyre- eller venstre-vandring holdt under kontroll ved forspenning av én eller flere av vekt-rørene over borkronen i vridning, idet vridnings-spenningen virker i retning motsatt den vridnings-spenning som vektrøret utsettes for under boreoperasjoner. Resultatet av dette er vist i figur 6A og 6B. I figur 6A er et vektrør 26, beliggende i et skråttløpende borehull 28, blitt forspent, slik at når det utsettes bare for tyngde- og aksialkrefter vil dets senterlinje 26a være beliggende til høyre og under borehullets senterlinje 28a. Når vektrøret utsettes for dreiemomentet som oppstår under boreoperasjonene, vil senterlinjen 26a beveges mot venstre til en stilling under senterlinjen 28a på y-aksen.

I denne stilling vil enhver tendens for borkronen til å vandre mot høyre, elimineres.

Det skal selvsagt forstås at størrelsen av den forspenning som anbringes i vektrøret vil være basert på antatte tyngde-, aksial-, og vridningskrefter som påføres vektrøret under den aktuelle boreoperasjon. Tyngdekraften samt hvor mye vektrøret vil bøyes på grunn av den, kan beregnes temmelig nøyaktig.

Men tyngden på borkronen, dvs. den aksielle belastning på vektrøret og det dreiemoment som påføres vektrøret, vil variere med den følge at vektrørets senterlinje 26a sannsynligvis vil bevege seg frem og tilbake over den vertikale akse y under boreoperasjonene.

Følgelig vil borkronen ha en viss tendens til å vandre

mot høyre og også mot venstre fra tid til annen, men denne tendens vil bli vesentlig redusert og kan også utjevnes hvis det tidsrom og den strekning senterlinjen ligger til høyre er omtrent den samme som den tid og strekning den er til venstre.

Ved å endre størrelsen av forspenningen på vektrøret,

kan senterlinjen 26a posisjoneres slik at den bevirker en forutvalgt høyre-vandring eller en forutvalgt venstre-vandring

eller, som ovenfor forklart, minske tendensen til å vandre i den ene eller andre retning til omtrent null.

Den foretrukne utføringsform av anordningen for utførelse av fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelse, er vist i figur 7A og 7B. Anordningen er beregnet på å nedføres som et vektrør, og bør derfor ha tilnærmet samme stivhet og tyngde som et vekt-rør. Den omfatter et ytterrør 40 og innerrør 42 beliggende innvendig i ytterrøret, med andre ord er rørene innbyrdes teleskopmessig forskyvbare. Ytterrøret 40 er fortrinnsvis forholdsvis tykkvegget for å gi hovedsakelig all stivheten og tyngden som er nødvendig for at anordningen skal virke som et vektrør.

Organer er anordnet for å hindre inner- og ytter-rørelemen-tene fra relativ omdreining nær en ende. I figur 7A omslutter en ringformet ring 44 øvre ende av innerelementet 42 like under verktøyskjøten 46. Ringen er sveiset til ytter- og inner-rørelementene for å hindre rørelementene fra relativ omdreining. Verktøyskjøten 46 er en konvensjonell gjengeforbindelse for innkopling av vektrøret i borestrengen.

Den nedre ende av vektrøret er vist i 7B. Organer er anordnet for å hindre vektrørets inner- og ytter-rørelementer

fra relativ omdreining ved vektrørets andre ende etter at elementene er dreiet i forhold til hverandre for å forspenne elementene med den ønskede vridningsspenning. I den viste ut-førelse, og som best vist i figur 8, er ytter-elementets 40 innvendige overflate nær dets nedre ende utformet med et antall parallelle spor 48 og inner-rørelementet 42 er på sin ytre overflate utformet med et lignende antall parallelle spor 50. En ringelement 52 er likeledes utformet med spor på sine ut-vendige og innvendige overflater for å danne langstrakte rifler 54 som strekker seg langs dets ytre overflate og rifler 56 som strekker seg langs dets innvendige overflate. Riflene danner inngrep med sporene i inner- og ytter-elementet og hindrer de to elementer fra relativ omdreining etter at elementene er dreiet i forhold til hverandre en forutbestemt verdi for å gi■ den ønskede forspenning i elementene. Avstandselementer 58 (figur 7B) holder det riflete element 52 i inngrep med sporene. Dette hindres i sin tur fra langsgående bevegelse ved hjelp av boresubben 6 0 som kan være borkronesubben. Den er tilkoplet

ytterelementet 40 via verktøyskjøt 62.

Organer er anordnet for å hindre boreslam i å trenge inn

i ringrommet mellom inner- og ytterelementene. I den viste utføringsform er pakningselementer 62 plassert innvendig i boresubben 60 mellom metall distanseringer 64. Pakningselemen-tene og distanseringene holdes i stilling ved hjelp av et ringelement 66 som også holder et distanseelement 58 i stilling mellom inner- og ytter-elementene. Pakningen 62 danner inngrep med ytterflaten på spylerør 68 som er tilkoplet nedre ende av innerelementet.

Rommet mellom elementene er fortrinnsvis fyllt med en ikke-korroderende væske gjennom den i figur 7A viste fylleplugg 70.

Før vektrøret monteres, må det forspennes i henhold til denne oppfinnelse, og elementenes stilling forut for forspenning av vektrøret er vist i figur 9. Borkrone-subben, pakningen og spylerøret er fjernet. Distansestykket 58 og rifleelementet 52 er i stilling under ytterelementet for å beveges til inngrep med sporene i inner- og ytter-elementene for å hindre elementene fra relativ omdreining etter at det ønskede dreiemoment er plassert i elementene. Innerelementet 42 strekker seg utenfor nedre ende av ytterelementet 40 tilstrekkelig langt til at rifleelementet og distansestykket blir plassert med tilstrekkelig gjenværende frilagt overflate til at tenger kan benyttes til å gripe inner-elementet og påføre det et dreiemoment. Tenger er også festet til ytter-elementet 40 og elementene dreies i forhold til hverandre den ønskede verdi, hvoretter de holdes i sine relative dreiestillinger mens rifle-elementet 52 beveges til inngrep med sporene i elementene. Tengene fjernes og de gjenværende elementer av vektrøret monteres. Dersom vektrøret skal forspennes for å hindre høyre-vandring, dreies elementene i forhold til hverandre i den i figur 10 med piler anviste retning under den forutsetning at borestrengen dreies mot høyre.

Innerelementet, som har mindre diameter og tynnere vegg, dreies gjennom en vesentlig større vinkel enn ytterelementet for å oppnå den ønskede forspenning. Dersom f.eks. ytterelementet har en diameter på 203 mm med en innvendig diameter på 101,5 mm, og innerelementet har en utvendig diameter på 95 mm og innvendig diameter på 75 mm, må innerelementet dreies gjennom en vinkel på ca. 18° for å forspenne elementene med et dreiemoment på 1647 kg m, mens ytterelementets dreies gjennom en vinkel på ca. 18°, mens ytterlementet dreies gjennom en vinkel på 0,622°. Rifleelementet vil selvsagt bestemme den vinkel gjennom hvilken elementene dreies og kan selvsagt ikke oppta hvilken som helst ønsket vinkel. I tegningene har riflene og sporene på elementene en deling på 5°. Dette betyr at for ovennevnte dreiemoment-forspenning på 1647 kg m vil det antagelig være bedre å fastholde ytterelementet nær dets øvre ende og ikke utsette det for noe dreiemoment mens innerelementet dreies 20°. Når rifleelementet så er i stilling og dreiemomentet fjernet, vil innerelementet overføre sitt dreiemoment til ytterelementet. Dette vil bevirke en liten dreining av ytterelementet i motsatt retning, hvilket vil minske den vinkel gjennom hvilken innerelementet er blitt dreiet tilbake mot nevnte 18°. Dersom avviket er blitt for stort må selvsagt enkelte av de variable justeres.

I den alternative utføringsform av oppfinnelsen vist i figur 11, er innerelementet 70 et rørelement med en gjenget tapp 78 og muffe (ikke vist) på motsatte ender slik at det kan tilkoples rørstrengen direkte over borkrone-subben 74. Ytter-elementets 70 øvre ende (ikke vist) er festet til ytterelementet 7 0 for å hindre innbyrdes omdreining mellom elementene ved denne ende av ytterelementet. Ytterelementets nedre ende kan dreies i forhold til innerelementet for å forspenne elementene på den ovenfor beskrevne måte. Rifleelementet 78 anvendes til å holde elementene i deres forspente tilstand. En gjenget ring 80 i inngrep med gjenger 82 på innerelementet holder rifleelementet på plass.

Det fremgår av ovenstående at denne oppfinnelse er velegnet til å oppnå alle de ovenfor angitte formål, sammen med andre fordeler som er åpenbare og som er innebygget i anordningen og konstruksjonen.

Det vil forstås at visse trekk og kombinasjoner av disse er anvendbare og kan anvendes uten henvisning til andre trekk og kombinasjoner. Dette ligger innenfor kravenes ramme.

Ettersom mange andre utføringsformer av oppfinnelsen kan fremstilles uten å avvike fra dennes omfang, skal det forstås at alt som her er angitt eller som er vist i de medfølgende tegninger, skal tolkes som illustrerende og ikke på noen be-grensende måte.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for kontroll av sidedriften til en borkrone (15) under boring av et brønn-borehull (12) karakterisert ved beregning av den vinkel borkronen (15) vil danne med borehullets lengdeakse i horisontalplanet på grunn av vektrørenes avvik fra tyngde-, aksial-, og vridningskrefter, samt forspenning av vektrørene i vridning for å endre vinkelen i horisontalplanet som borkronen (15) danner med borehullets lengdeakse til den ønskede vinkel når vektrørene utsettes for det forutvalgte dreiemoment fra borkronen (15) .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forspenningstrinnet omfatter å holde to teleskopisk forskyvbare rørelementer (40, 42) fra innbyrdes omdreining ved én ende av elementene, omdreining av elementenes (40, 42) andre ende i forhold til hverandre inntil den ønskede vridningsspenning er oppnådd i elementene, og fastholding av elementene (40, 42) fra ytterligere innbyrdes omdreining.

3. Anordning for kontroll av sidedriften til en borkrone på den nedre ende av en borestreng i et skråttløpende borehull, karakterisert ved at anordningen omfatter et første rørelement (40) for plassering i borestrengen umiddel-bart over borkronen (15), et annet rørelement (42) i teleskopisk forskyvbart forhold med det første element (40) og med en ende festet til det første element (40) for å tillate de andre ender av det første og andre element (40, 42) å dreies i forhold til hverandre for å plassere et forutbestemt dreiemoment i elementene, samt organer (52) for å fastholde elementene (40, 42) fra ytterligere innbyrdes omdreining for å holde det forutbestemte dreiemoment i elementene for å justere vinkelen som borkronen (15) danner i horisontalplanet med borehullets (12) lengdeakse til den ønskede vinkel når ytterelementet (40) utsettes for de ventede tyngde-, aksial-, og vridningskrefter under boreoperasjonen.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at det første element (40) er på utsiden av det andre element (42).

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at ytterelementets (40) vegg er vesentlig tykkere enn innerelementets (42) vegg.

6. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at fastholdingsorganene omfatter et rifleelement (52) beliggende mellom elementene (40, 42) i inngrep med spor (48, 50) i elementene (40, 42).

7. Vektrør for bruk i en borkrone for kontroll av asimut-driften til en borkrone (15) i et skråttløpende brønn-borehull (12) som følge av bøyning av vektrøret i asimut-retningen på grunn av tyngde-, aksial-, og vridningskrefter som virker på vektrøret under boreoperasjoner, karakterisert ved at det omfatter teleskopisk forskyvbare ytter- og inner-rørelementer (40, 42), organer (44) for å fastholde elementene (40, 42) mot innbyrdes omdreining nær en ende av elementene og organer (52) for å fastholde elementene (40, 42) fra innbyrdes omdreining nær den andre ende av elementene etter at de er dreiet i forhold til hverandre om sine lengdeakser for å påføre elementene (40, 42) en vridnings-forspenning som vil frembringe en forutbestemt bøyning av vektrøret i asimut-retningen når det utsettes for ventede tyngde-, aksial-, og vridningskrefter under boreoperasjoner for å frembringe en forutbestemt asimut-drift av borkronen (15).