NO870901L

NO870901L - Metode for friksjonsredusering ved boreoperasjoner.

Info

Publication number: NO870901L
Application number: NO870901A
Authority: NO
Inventors: Z A Foroulis; Y H Tsao
Original assignee: Exxon Production Research Co
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1987-10-01
Also published as: GB2188660B; AU582987B2; GB8707279D0; NO870901D0; US4665996A; CA1286281C; AU7073887A; GB2188660A

Abstract

Det er anvist en fremgangsmåte for hardmetallbelegglng av hovedlagerflåtene til et borerør med en legering som har sammensetningen av 50 til 65$ kobolt, 25 til 35$ molybden, 1 til 18$ krom, 2 til 10$ silikon og mindre enn 0,1$ karbon som reduserer friksjonen mellom borstrengen og forlngsrøret eller bergartene. Som et resultat minskes det nødvendige moment for roterende boreoperasjoner, særlig retnlngsborlng. Legeringen tilveiebringer også utmerket slitasjemotstandlghet på borstrengen mens slitasjen på brønnens forlngsrør reduseres.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en metode for å redusere friksjonen under boreoperasjoner og derved redusere heste-kraftbehovet for roterende boreoperasjoner. Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen bruken av visse legeringer som en har hard overflate på hovedlagerflåtene til borestrengen for å redusere friksjonen under roterende boreoperasJoner av oljebrønner, og særlig retningsboring.

Ved roterende boreoperasjoner er en borkrone festet til enden av en borestreng som dreies fra overflaten ved et rotasjons-bor. Vekten av borestrengen bevirker at den roterende krone borer et hull i grunnen. Etterhvert som operasjonen frem-skrider må nye seksjoner av borerør tilføres borestrengen og øker dens totale lengde. Periodisk under boreoperasjonen, må det åpne borehull innsettes med foringsrør for å stabilisere veggene, og deretter gjenopptas boreoperasJonen. Som et resultat opereres borestrengen vanligvis både i det åpne borehull og inne i forlngsrøret som er installert i borehullet .

Borekraften overføres gjennom borstrengen til borkronen. Den kraftstørrelse som kan overføres er begrenset til det maksimale moment en borstreng kan motstå.

Under boring av et borehull gjennom JordformasJoner undergår borstrengen betraktelig glidekontakt med både stålforings-røret og stenformasJoner. Denne glidekontakt resulterer primært av de dreiemessige og rette bevegelser av borstrengen i borehullet. Friksjon mellom den bevegende overflate av borestrengen og den stasjonære overflate av forlngsrøret og formasjonen skaper betraktelig drag eller motstand mot strengen og resulterer i svært høye moment under boreoperasjoner. Problemet forårsaket av friksjon er iboende i enhver boreoperasjon, men det er spesielt besværlig i retningsborede brønner. Retningsboring er ganske enkelt ved tiltenkte avvik av en brønnboring fra vertikal. I noen tilfeller kan vinkelen fra vertikalen være så stor som 90°. Slike brønner er vanligvis referert til som horisontale brønner og kan bores til en betraktelig dybde og en betraktelig avstand fra boreplattformen.

I alle boreoperasjoner har borestrengen en tendens til å hvile mot siden av borehullet eller brønnens foringsrør, men denne tendens er mye større i retningsborede brønner på grunn gravitasjonseffekten. Etterhvert som borstrengen øker i lengde eller grad av vertikal bøyning, øker også størrelsen på friksjonen skapt av den dreiende borstreng. For å over-vinne denne friksjonsøkning, kreves ytterligere kraft for å rotere borstrengen. I noen tilfeller overskrider friksjonen mellom borstrengen og foringsrørveggen det maksimale moment som kan tolereres av borstrengen og boreoperasJonen må opphøre. Følgelig er dybden til hvilke brønner kan bores ved bruk av tilgjengelig retningsboringsutstyr og teknikker begrenset.

De mest vanlige metoder for å redusere friksjon forårsaket av kontakten mellom borstrengen og brønnforingsrøret eller borehullet primært baserer seg på å forbedre smøreevnen til boreslammet. Det er generelt akseptert at bentonitt hjelper til å redusere friksjonen mellom borstrengen og et åpent borehull. Diesel og andre mineraloljer blir også ofte brukt som smøremidler, men det er et problem med utslipp av slam. Andre addetiver innbefatter vegetabilske oljer, asfalt, grafitt, såpe og valnøtthams, men hver har sine egne ulemper.

En annen vanlig metode for å redusere friksjonen mellom borstrengen og brønnens foringsrør eller borehullet er å bruke en borstreng av aluminium fordi aluminium er lettere enn stål. Imidlertid er en borestreng av aluminium kostbar, og den er ikke forenelig med mange typer borefluider (f.eks. borefluider med høyt ph).

Nok et problem som påstøtes under boreoperasj oner, særlig retningsboring, er slitasje på forlngsrøret og borestrengen som skjer når metallflåtene kontakter hverandre. Denne abrasjon mellom metallf låtene vinder horing av olje- og gass-brønner resulterer i stor slitasje på både borestrengen og brønnens foringsrør. For tiden er en foretrukket løsning for å redusere slitasjen på borstrengene å tilveiebringe en hard overflate på partier av borestrengen. En legering som inneholder wolframkarbid, slik som Stellite 6 og Stellite 12 (varemerket til Cabot Corporation), har utmerket slitasjemotstandighet. Overflatebelegging med hardmetall beskytter borstrengen, men det tenderer til å bevirke stor bortsliting av brønnforingsrøret. Dette problem er særlig alvorlig under retningsboring fordi borstrengen, hvilke har en tendens til å hvile mot brønnforingsrøret, sliter kontinuerlig på brønnfor-ingsrøret når borstrengen roterer. I tillegg gjør faktisk noen av disse hardf 1 atelegeringer, slik som wolframkarbid, friksjonsproblemet verre.

Denne oppfinnelse er en fremgangsmåte for å redusere friksjonen under boreoperasjoner, særlig retningsboring. denne oppfinnelsen involverer hardf latebelegging av i det minste deler av borestrengen med en legering som har den følgende sammensetning: 50-6556 kobolt, 25-35$ molybden, 1-18$ krom,

2- 10% silikon og mindre enn 0,1$ karbon. Å bruke denne legering for å belegge en borestreng med hardmetall vil redusere momentet for boring og tillate brønnen å bli boret til en større dybde ved bruk av konvensjonelt boreutstyr. I tillegg til å redusere friksjonen, tilveiebringer legeringen brukt i denne oppfinnelsen slitasjemotstand for borestrengen som er likt med eller bedre enn det som oppnås fra legeringer tidligere brukt i hardsflatebelegging av borerør mens det reduserer slitasjen på brønnens foringsrør.

Denne oppfinnelsen er fremkommet fra oppdagelsen at friksjonen mellom borstrengen og forlngsrøret eller fjellet kan reduseres ved å hardflatebelegge i det minste deler av borstrengen med en legering som har den følgende sammenset ning: 50-65$ kobolt, 25-35$ molybden, 1-18$ krom, 2-10$ silikon og mindre enn 0,1$ karbon.

Hardmetallbelegget må påføres hovedlagerflaten til borerøret over et område som er tilstrekkelig til å tilveiebringe adekvat kontakt med forlngsrøret. Hovedlagerflaten er den del av røret som har den største diameter. Med andre ord er hovedlagerflåtene den del av borerøret som vanligvis kontakter forlngsrøret eller fjellet. På et standard borerør er hovedlagerflåtene ved endene av rørskjøtene.

Ulike teknikker kan anvendes for å påføre hardflaten til borstrengkomponentene. For tiden er de to mest vanlig brukte metoder sveiste belegg og plasmaoverføringslysbue. Slike teknikker er vanlig kjent for fagmannen. Den foretrukne metode for påføring av hardflaten er oksygen- brenselmetoden fordi den frembringer belegg med minimale defekter. Belegget bør påføres til en tykkelse fra omkring 0,25 mm - 12,70 mm, og fortrinnsvis til en tykkelse fra 3,17 mm - 6,35 mm.

Selv om det antas at enhver legering som har en sammensetning innenfor det spesifiserte området vil fungere, er den foretrukkede legering Tribaloy 400 og Tribaloy 800 (varemerket til Cabot Corporation) primært på grunn av at de er kommersielt tilgjengelige. Tribaloy 400 og 800 er kobolt-molybdenbaserte legeringer som harr de følgende sammenset-ninger, henholdsvis: 62Co-28Mo-8Cr-2.6Si og 52Co-28Mo-17Cr-3.0Si. Disse foretrukkede legeringer har vært foreslått for bruk som hardf latebelegging for ulike maskindeler fordi de tilveiebringer utmerket slitasjemotstandighet.

De foretrukkede legeringer og vanlig brukte wolframkarbid-innholdende legeringer ble utprøvd for friksjon- og slitasje-egenskaper. De wolframkarbidinneholdende legeringer var Stellite 6 og Stellite 12 som har sammensetningen 66Co-28Cr-4W-1.0C og 62Co-29Cr-8¥-l. 3C, henholdsvis. Prøvene ble utført ved bruk av en alpha modell LFW-1 testemaskin Ifølge standardmetoden for kalibrering og operering av alphamodellen LFW-1 friksjon- og slitasjetestmaskin, ANSI-ASTM D2714-68 (godkjent igjen 1978).

Roterende ringer ble tilvirket av enten A1S1 4137-H basert stål eller type 304 SS overflatebelagt med ulike legeringer, og stasjonære blokker ble tilvirket av K55 foringsrør stål. Alle disse materialer er allerede tilgjengelige. Friksjons-prøver ble utført i et laboratoriepreparert boreslam med ferskvann og densitet 1,5 tonn/m<3>ved 200 rpm og belastning på 35,72 kg/cm. Sl itasJetesting ble utført under de samme forhold ved bruk av 25000 omdreininger. Sammensetningene på beleggene som ble utprøvd og testresultatene er gitt i

tabellene 1 og 2.

Det ble også utført tester hvor det ble brukt ringer tilvirket av 4140 stål. I disse tester ble de foretrukne legeringer påført over et mellomliggende smørende lag av 309 SS eller Inconel 600 ved bruk av oksygen-brensel (OF) metode og teknikken med plasmaoverføringslysbue (TPA). Å anvende et mellomliggende smørende lag er en vanlig sveiseteknikk, og det tjener til å minske sprekkdannelse i substratet og karbonopphenting ved det pålagte belegg. For sammenlignings-formål ble tester kjørt på ubelagt 4137-H stål og type 304 SS stål belagt ved tungsten inert gassmetoden (TIG). Friksjons-og slitasjetestene ble utført under de samme forhold som de forutgående tester, og resultatene er gitt i tabellene 3 og 4. Legeringene Tribaloy 400 og Tribaloy 800 ble også påført verktøyskjøter i full målestokk for faktiske feltforsøk. Tre verktøyskj øter ble hver belagt med fire bånd av legering omkring 22 mm bredt. Legeringene og metodene for påføring var som følger: 309 rustfritt smørelag, Tribaloy 400, oksygen-brenselmetoden

(340F)

309 rustfritt smørende lag, Tribaloy 800, oksygen-brenselmetoden (380F)

Inconel 600 smørende lag, Tribaloy 800, plasmaoverførings-lysbueteknikken (I8TP)

Hver av de hardbåndbelagte verktøyskjøter ble kjørt for omkring 15000 omdreininger (20 timer ved 125 rpm). Testflu-ided var en 16.0 ppg vannbasert slam med 0.5$ sand i tillegg. Forlngsrøret av K-55 ble belastet mot den dreiende verktøy-skjøt med 8.896 N sidelast. Sammenligningstester ble kjørt ved bruk av en regulær verktøyskjøt.

Som vist i tabell 5 ble 6 tester kjørt. Hver av de tre hårdbandbelagte skjøter ble testkjørt til omkring 150000 omdreininger. Dette ble etterfulgt av en sammenlignings-kjøring med en regulær verktøyskjøt. For å eliminere hydrodynamisk smøring, ble hovedandelen av omdreininger i verktøy-skjøttesten (4) logget ved 15 rpm. Følgelig varte denne test 120 timer. For den femte test ble en regulær verktøyskjøt maskinert til å gi fire hevede bånd av omkring den samme geometri som de harbåndbelagte skjøter. Disse fire bandskjø-ter ble kjørt ved 125 rpm i omkring 150000 omdreininger. Den ble kjørt på den hydrodynamiske måte og ble tillatt å kontinuere. Den endelige test var en repetisjon på testen som ble brukt på 340F hårdbåndet.

De tre hardbandbelagte verktøyskjøter viste alle lavere friksjonskoeffisienter og lavere slitasjekoeffisienter enn de målt med regulære verktøyskjøter. Ved å kombinere tester av ulike materialer, kan de følgende generelle observasjoner<g>jøres:

Tribaloy 400 viste en 20$ lavere friksjonskoeffisient og 40$ lavere slitasjekoeffisient enn stål, og Tribaloy 800 viste 30$ lavere friksjonskoeffisient og 30$ lavere slitasjekoeffisient enn stål.

En annen betydelig observasjon var fraværet av hydrodynamisk effekt med Tribaloy-beleggene. Ingen av legeringene forløp på hydrodynamisk måte. Stålverktøyskjøten (4) var forventet å forløpe hydrodynamisk basert på tidligere testerfaringer. Stålet (5) med 4-bånd ble konstruert for å bestemme om kontaktarealet var en faktor i den observerte hydrodynamiske effekt. Det overraskende resultat var at denne verktøyskjøt med redusert kontaktareal også forløp hydrodynamisk ved 125 rpm. Videre viste begge stålverktøyskjøter god overensstemm-else i friksjonskoeffisientene ved lavt omdreiningstall som ikke indikerte noen kontaktarealeffekt. Det er også interess-ant å legge merke til at slitasjemotstanden for begge stålprøver er aksepterbare og indikerer at slitasjekoeffi-sienten nøyaktig svarer til kontaktarealvariasjonene.

Den foranstående beskrivelse og utførelser er ment å illu-strere oppfinnelsen uten å derved begrense denne. Det skal forstås at tallrike modifikasjoner kan gjøres med oppfinnelsen uten å avvike fra oppfinnelsens ramme.

Claims

1. Metode for å redusere friksjonen mellom en borstreng og et foringsrør under en roterende boreoperasjon, karakterisert ved at den innbefatter trinnene: å tilføre borerør til borestrengen, hvor borerøret har i det minste hovedlagerflaten hardmetallbelagt med en legering innbefattende i vektprosent fra omkring 50 til omkring 65$ kobolt, ca. omkring 25 til omkring 35$ molybden, fra omkring 1 til omkring 18$ krom, fra omkring 2 til omkring 10$ silikon og mindre enn 0,1$ karbon; og at borstrengen i nevnte boreoperasj on.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at boreoperasjonen er retningsboring.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen påføres hovedlagerflaten i en tykkelse fra omkring 0,25 mm til omkring 12,70 mm.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at tykkelsen på legeringen er fra omkring 3,17 mm til omkring 6,35 mm.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen har sammensetningen av 62Co-28Mo-8Cr-2,6Si.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen har sammensetningen av 52Co-28Mo-17Cr-3.0Si.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen påføres hovedlagerflaten ved en oksygen-brenselmetode.

8. Fremgangsmåte for å redusere friksjonen mellom en borstreng og et foringsrør under en roterende retningsboreoperasjon, karakterisert ved at den innbefatter trinnene: å tilføre borerør til borstrengen, hvor borerøret har i det minste en del av hovedlageroverflåtene hardmetallbelagt med en legering innbefattende i vektprosent fra omkring 50 til omkring 65$ kobolt, fra omkring 25 til omkring 35$ molybden, fra omkring 1 til omkring 18$ krom, fra omkring 2 til omkring 10$ silikon og mindre enn 0,1$ karbon, hvor legeringen påføres flaten i en tykkelse fra omkring 0,25 mm til omkring 12,70 mm, og at borestrengen brukes i nevnte boreoperasjon.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at tykkelsen til legeringen er fra omkring 3,17 mm til omkring 6,35 mm.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at legeringen påføres hovedlagerflaten ved en oksygen- brenselmetode.

11. Fremgangsmåte for å redusere momentet under roterende boreoperas j oner , karakterisert ved at den innbefatter trinnene; å tilføre borerør til en borestreng, hvor borerøret har i det minste en del av hovedlageroverflåtene hardmetallbelagt med en legering innbefattende i vektprosent fra omkring 50 til omkring 65$ kobolt, fra omkring 25 til omkring 35$ molybden, fra omkring 1 til omkring 18$ krom, fra omkring 2 til omkring 10$ silikon og mindre enn 0,1$ karbon; og at borstrengen anvendes i nevnte boreoperasj on, hvorved på grunn av friksjonsreduksjonen mellom hovedlagerflåtene og nevnte hardmetallbelagte borerør og forlngsrøret, reduseres momentet for å utføre roterende boring.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den roterende boreoperasjon er retningsboring.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at legeringen påføres hovedlagerflaten til en tykkelse fra omkring 0,25 mm til omkring 12,70 mm.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at tykkelsen på nevnte legering er fra omkring 3,17 mm til omkring 6,35 mm.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen har sammensetningen av 62Co-28Mo-8Cr-2.6S1.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen har sammensetningen av 52Co-28Mo-17Cr-3.0S1.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at legeringen påføres nevnte hovedlagerflate ved en oksygen-brenselmetode.

18. Fremgangsmåte for å redusere momentet under roterende retningsboreoperas joner , karakterisert ved at den innbefatter trinnene av: å tilføre borerør til en borstreng, hvor borerøret har i det minste en del av hovedlageroverflåtene hardmetallbelagt med en legering innbefattende i vektprosent fra omkring 50 til omkring 65$ kobolt, fra omkring 25 til omkring 35$ molybden, fra omkring 1 til omkring 18$ krom, fra omkring 2 til omkring 10$ silikon og mindre enn 0,1$ karbon, hvor legeringen påføres nevnte overflate i en tykkelse av omkring 0,25 mm til omkring 12,70 mm; og at borestrengen anvendes i nevnte boreoperasjon, hvorved på grunn av friksjonsreduksjonen mellom hovedlagerflåtene av nevnte hardmetallbelagte borerør og forlngsrøret reduseres momentet for å utføre roterende boring.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at tykkelsene på nevnte legering er fra omkring 3,17 mm til omkring 6,35 mm.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at legeringen påføres nevnte hovedlagerflate ved en oksygen-brenselmetode.