NO972626L

NO972626L - Method and apparatus for forming a borehole in underground formations

Info

Publication number: NO972626L
Application number: NO972626A
Authority: NO
Inventors: Matthias Reich
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 1997-12-08
Also published as: NO972626D0; AU2470097A; EP0811744A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for utforming av et borehull i undergrunnsformasjoner, ved bruk av et boreverktøy som er forbundet med den nedre ende av en rotasjonsdrevet boreline, samt en i anordningens hus opptatt drivmotor for borkronen. The present invention relates to a method and a device for designing a borehole in underground formations, using a drilling tool which is connected to the lower end of a rotationally driven drill line, as well as a drive motor for the drill bit housed in the housing of the device.

Når borehull utformes i undergrunnsformasjoner ved hjelp av et borehull av ovennevnte art, blir borelinen, for å minske friksjon mellom formasjonen og borelinen samt for å påføre et mot-dreiemoment på boreverktøyhuset, vanligvis brakt til å rotere forholdsvis sakte i retning mot høyre, og således i samme retning som borkronen, idet den forholdsvis sakte rotasjon øker borkronens rotasjonshastighet som frembringes av boreverktøyets drivmotor. Dreiemomentet som utøves på borelinens boreverktøyhus, minskes imidlertid på grunn av friksjonen mellom formasjonen og borelinen etterhvert som sistnevntes lengde øker, slik at borelinen bare overfører til boreverktøyhuset en gradvis avtagende del av det dreiemoment som ansettes ved overflaten og som er tilgjengelig for drivmotoren som et mot-dreiemoment. Av fasthetsårsaker er det bare mulig å innføre en begrenset øking av dreiemomentet ved overflaten. When boreholes are formed in underground formations by means of a borehole of the above kind, the drill line, in order to reduce friction between the formation and the drill line as well as to apply a counter-torque to the drill tool housing, is usually made to rotate relatively slowly in a clockwise direction, and thus in the same direction as the drill bit, as the relatively slow rotation increases the drill bit's rotation speed, which is produced by the drill tool's drive motor. The torque exerted on the drilling tool casing of the drill line, however, decreases due to the friction between the formation and the drill line as the length of the latter increases, so that the drill line only transfers to the drilling tool casing a gradually decreasing part of the torque applied at the surface and which is available to the drive motor as a counter - torque. For stability reasons, it is only possible to introduce a limited increase in the torque at the surface.

Oppfinnelsen angår problemet forbundet med å forbedre ansettingen av dreiemoment ved hjelp av borelinen og boreverktøyet. Den løser dette problem ved en fremgangsmåte som angitt krav 1 og ved en anordning som angitt i krav 8. Med hensyn til ytterligere utviklinger vises til krav 2-7 og 9-15. The invention relates to the problem associated with improving the application of torque by means of the drill line and the drill tool. It solves this problem by a method as stated in claim 1 and by a device as stated in claim 8. With regard to further developments, reference is made to claims 2-7 and 9-15.

For den samme maksimale dreiemoment-belastning på borelinen, skifter fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen punktet for innføring av dreiemomentet som bringer borelinen til å rotere til boreledningens borehullende, med den følge at det der er tilgjengelig et høyt mot-dreiemoment som kan påvirke rotasjons-borkronen. Dette muliggjør betydelig større boreytelse og oppnåelse av lengre avstander, ettersom det ikke er noe nødvendig med noe restmoment som et mot-dreiemoment ved borelinens overflateende, og hele dreiemomentet som innføres i borelinen ved borehullenden for å rotere den, kan benyttes til å over-vinne friksjonskraften. For the same maximum torque load on the drill string, the method and device according to the invention shifts the point of introduction of the torque that causes the drill string to rotate to the drilling end of the drill string, with the result that a high counter-torque is available there that can affect the rotary drill bit . This enables significantly greater drilling performance and the achievement of longer distances, as no residual torque is required as a counter-torque at the surface end of the drill line, and the entire torque introduced into the drill line at the downhole end to rotate it can be used to overcome the friction force.

Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen er nærmere beskre-vet i det følgende, i tilknytning til tegningen som skjematisk og i større målestokk viser en anordning for utforming av et borehull i undergrunnsformasjoner. The method and device according to the invention are described in more detail below, in connection with the drawing which schematically and on a larger scale shows a device for designing a borehole in underground formations.

Den viste anordning omfatter en boreline 1 som består av enkelt-bore-rørseksjoner 2, 3 som er sammenkoplet og som er forbundet med et boreverktøy 4 ved sin bunnende. Boreverktøyets 4 hus 5 opptar en drivmotor, fortrinnsvis en hydraulisk drivmotor 6 som drives ved hjelp av boreslam, og dens drivaksel 6 strekker seg ut av huset 5 med en liten spiss vinkel til husets lengdeakse og bæ-rer en borkrone 7 ved sin ytterende. The device shown comprises a drill line 1 which consists of single drill pipe sections 2, 3 which are interconnected and which are connected to a drilling tool 4 at its bottom end. The housing 5 of the drilling tool 4 accommodates a drive motor, preferably a hydraulic drive motor 6 which is driven by means of drilling mud, and its drive shaft 6 extends out of the housing 5 at a small acute angle to the longitudinal axis of the housing and carries a drill bit 7 at its outer end.

Borerørseksjonene 2, 3 kan være sammenkoplet på konvensjonell måte ved hjelp av bolter, men det er også mulig å anordne en forbindelse 8 mellom borerørseksjonene 2, 3 som kan belastes i begge rotasjonsretninger og som f.eks er konstruert som en rillekopling som er låst ved hjelp av en kapselmutter. Denne er skrudd på en ytre, skruegjenget del 10 på borerørseksjonen 3, som skjematisk nærmere vist i detalj E1. I utgangspunktet kan enhver type kopling som kan belastes i begge rotasjonsretninger, benyttes. The drill pipe sections 2, 3 can be connected in a conventional way by means of bolts, but it is also possible to arrange a connection 8 between the drill pipe sections 2, 3 which can be loaded in both directions of rotation and which is, for example, designed as a groove coupling which is locked by using a cap nut. This is screwed onto an outer, screw-threaded part 10 on the drill pipe section 3, as schematically shown in detail E1. Basically, any type of coupling that can be loaded in both directions of rotation can be used.

På overflaten strekker borelinen 1 seg gjennom en overflate-drivinnretning, f.eks. et dreiebord som skjematisk vist ved 13 og ved hjelp av hvilket borelinen 1 eventuelt kan drives i begge rotasjonsretninger. På overflaten er det fortrinnsvis også en overflatebrems som er skjematisk vist ved 14 og som samvirker med borelinens yttervegger i en overflateseksjon. Bremseinnretningen kan f.eks. omfatte en bremsesko 11 som ved hjelp av en momentarm 12 kan trykkes mot borelinens yttervegger, som skjematisk vist i detalj i fig. E2, selv om den også kan ha en utføringsform hvor den er kombinert med rotasjons-drivinnretningen 13. On the surface, the drill line 1 extends through a surface drive device, e.g. a turntable as schematically shown at 13 and with the help of which the boreline 1 can possibly be driven in both directions of rotation. On the surface there is preferably also a surface brake which is schematically shown at 14 and which cooperates with the outer walls of the boreline in a surface section. The brake device can e.g. comprise a brake shoe 11 which, by means of a torque arm 12, can be pressed against the outer walls of the bore line, as schematically shown in detail in fig. E2, although it can also have an embodiment where it is combined with the rotary drive device 13.

Som det fremgår av tegningen, er huset 5 til boret i verktøyet 4 forsynt med en bremseinnretning 15 som, slik det er nærmere skjematisk vist i detalj i fig. E3, f.eks. kan omfatte bremseelementer 16 som kan utskyves i anlegg mot borehullveggene. Borkronens 7 skaftparti kan også være forsynt med en bremseinnretning 17 som omfatter bremseelementer 16 innrettet til å bringes i anlegg mot borehullveggene, som skjematisk antydet nærmere i detalj fig. E3. Bremseele-mentene 16 kan være konstruert som bremsesko eller -ribber. As can be seen from the drawing, the housing 5 of the drill in the tool 4 is provided with a brake device 15 which, as is more schematically shown in detail in fig. E3, e.g. may include brake elements 16 which can be pushed out in contact with the borehole walls. The shaft part of the drill bit 7 can also be provided with a brake device 17 which comprises brake elements 16 designed to be brought into contact with the borehole walls, as schematically indicated in more detail in fig. E3. The brake elements 16 can be designed as brake shoes or ribs.

Borkronen 7 er fortrinnsvis utstyrt med koplingsdeler 18 eller 19 som har en angrepsvinkel 20 som kan ligge mellom en liten negativ og en liten positiv verdi som antydet i detalj fig. E4. I betraktning av den høyt tilgjengelige drivutgang for borkronen 7, utgjør en slik utføringsform et ytterligere bidrag til øket borefremdrift. The drill bit 7 is preferably equipped with coupling parts 18 or 19 which have an angle of attack 20 which can lie between a small negative and a small positive value as indicated in detail in fig. E4. In view of the highly available drive output for the drill bit 7, such an embodiment constitutes a further contribution to increased drilling progress.

Boreverktøyets 4 drivmotor 6 er konstruert for en sammenligningsvis høye-re ytelse, slik at drivmotoren kan drive både borkronen 7 i høyrerettet rotasjon og borelinen 1 i venstrerettet rotasjon. Borelinens 1 venstre rotasjon foregår fortrinnsvis med en hastighet som er en brøkdel av borkronens 7 rotasjonshastighet. Dersom det gjelder et retnings-boreverktøy, så som vist i tegningen, bringes borelinen 1 som regel til å rotere mot venstre under rette boreoperasjoner. The drive motor 6 of the drilling tool 4 is designed for a comparatively higher performance, so that the drive motor can drive both the drill bit 7 in right-hand rotation and the drill line 1 in left-hand rotation. The left rotation of the drill line 1 preferably takes place at a speed which is a fraction of the rotation speed of the drill bit 7. If it concerns a directional drilling tool, as shown in the drawing, the drill line 1 is usually caused to rotate to the left during straight drilling operations.

I tilfeller der formasjonen bare utøver minimal friksjon på borelinen 1, er det mulig å bruke bremseinnretningen 14 til å skape et dreiemoment som virker mot-satt borelinens 1 venstre rotasjon, og som erstatter en manglende friksjon som formasjonen virker på borelinen 1 med og som er nødvendig for å bygge opp et ønsket mot-dreiemoment på boreverktøyets 4 hus 5. Bremsemomentet som ved overflaten innføres i borelinen via bremseinnretningen 14, kan trinnløst varieres for å tilpasses enhver situasjon, og det påføres i ethvert tilfelle hver gang rotasjonshastigheten til borelinens 1 venstre rotasjon overskrider et forutbestemt maskimumsnivå. In cases where the formation only exerts minimal friction on the boreline 1, it is possible to use the braking device 14 to create a torque that acts opposite to the boreline 1's left rotation, and which replaces a lack of friction with which the formation acts on the boreline 1 and which is necessary to build up a desired counter-torque on the housing 5 of the drill tool 4. The braking torque which is introduced at the surface into the drill line via the brake device 14 can be infinitely varied to adapt to any situation, and it is applied in any case every time the rotation speed of the drill line 1 left rotation exceeds a predetermined maximum level.

I tilfeller der formasjonen utøver en meget høy friksjon på borelinen, kan det være ønskelig ved overflaten å innføre i borelinen 1 et dreiemoment som virker i retning av venstre rotasjon ved hjelp av drivinnretningen 15 for å hjelpe drivmotoren 6 i boreverktøyet 4. In cases where the formation exerts a very high friction on the drill line, it may be desirable at the surface to introduce into the drill line 1 a torque that acts in the direction of left rotation by means of the drive device 15 to assist the drive motor 6 in the drilling tool 4.

I den grad den minimale friksjon som utøves på borelinen 1 av formasjonen innebærer at borelinen 1, for sin venstre rotasjon, bare krever et minimalt dreiemoment som, som et mot-dreiemoment, ikke er tilstrekkelig til å drive borkronen med en ønsket bore-fremdriftshastighet, så kan man, i tillegg til å bruke bremseinnretningen 14 eller isteden for å bruke bremseinnretningen 14, sette bremseinnretningen 15 som kan være anordnet på boreverktøyets 4 hus 5, men som også kan være anordnet hvilket som helst annet sted på borelinen, i bevegelse for å gi drivmotoren 6 det nødvendige mot-dreiemoment for en høy boreytelse. I dette tilfelle har bruken av bremseinnretningen 15 den fordel at rotasjonshastigheten til borelinens 1 venstre rotasjon kan reguleres uten å påføre borelinen 1 et tilsva-rende dreiemoment ved hjelp av bremseinnretningen 14 ved overflaten. Bremseinnretningen 15 kan også brukes som en rotasjonshastighetsbegrenser for borelinen 1. Inasmuch as the minimal friction exerted on the drill line 1 by the formation means that the drill line 1, for its left-hand rotation, requires only a minimal torque which, as a counter-torque, is not sufficient to drive the drill bit at a desired drill advance rate, then one can, in addition to using the brake device 14 or instead of using the brake device 14, set the brake device 15 which can be arranged on the housing 5 of the drilling tool 4, but which can also be arranged anywhere else on the drill line, in motion in order to provide the drive motor 6 with the necessary counter-torque for a high drilling performance. In this case, the use of the brake device 15 has the advantage that the rotation speed of the drill line 1's left rotation can be regulated without applying a corresponding torque to the drill line 1 by means of the brake device 14 at the surface. The brake device 15 can also be used as a rotation speed limiter for the drill line 1.

Dersom det skulle vise seg at borkronen 7 ikke lenger finner tilstrekkelig motstand i formasjonen til å kunne skape, som et mot-dreiemoment, det moment som er nødvendig for en venstre rotasjon av borelinen 1, så er det ved hjelp av If it should turn out that the drill bit 7 no longer finds sufficient resistance in the formation to be able to create, as a counter-torque, the torque that is necessary for a left rotation of the drill line 1, then it is with the help of

bremseinnretningen 17 mulig å bygge opp på rotasjonsborekronens 7 skaft og på grunn av bremseeffekten fra borehullveggene, et dreiemoment som er nødvendig og som kan virke som et mot-dreiemoment for å drive borestangen 1. I likhet med bremseinnretningene 14 og 15, kan også bremseinnretningen 17 trinnløst varieres slik at det via bremseinnretningene 14, 15, 17 enkeltvis eller sammen, og finjustere hvilken som helst ønsket påføring av dreiemoment ved borkronen 7 og borelinen 1. the brake device 17 possible to build up on the shaft of the rotary drill bit 7 and, due to the braking effect from the borehole walls, a torque which is necessary and which can act as a counter-torque to drive the drill rod 1. Like the brake devices 14 and 15, the brake device 17 can also continuously varied so that via the brake devices 14, 15, 17 individually or together, and fine-tune any desired application of torque at the drill bit 7 and the drill line 1.

F.eks. i forbindelse med en konvensjonell utforming av et borehull, dersom overflate-drivinnretningen 15 driver en boreline 1 i høyrerotasjon med en hastighet på 60 r/min, så vil boreverktøyets 4 drivmotor 6 også virke til å rotere borkronen 7 mot høyre med 200 r/min i forhold til huset 5 og på overflaten vil borelinen 1 være utsatt for et dreiemoment på 40 000 Nm hvorav bare 10 000 Nm, på grunn av friksjonen til borelinen 1 i formasjonen, vil være igjen ved overføringen mellom huset 5 og boreverktøyet 4, slik at driv-utgangseffekten ved borkronen som roterer med 260 r/min i forhold til formasjonen og i en høyrerotasjon, vil beløpe seg til 7,272 kW. E.g. in connection with a conventional design of a borehole, if the surface drive device 15 drives a drill line 1 in clockwise rotation at a speed of 60 r/min, then the drive motor 6 of the drilling tool 4 will also act to rotate the drill bit 7 to the right at 200 r/min in relation to the housing 5 and on the surface, the drill line 1 will be exposed to a torque of 40,000 Nm of which only 10,000 Nm, due to the friction of the drill line 1 in the formation, will remain during the transfer between the housing 5 and the drilling tool 4, so that the drive output power at the bit rotating at 260 r/min relative to the formation and in a clockwise rotation will amount to 7.272 kW.

På den annen side, dersom boreverktøyets 4 drivmotor 6 driver borelinen 1 med 20 r/min i venstrerotasjon, slik at borkronen 7 drives i forhold til boreverktøy-ets 4 hus 5 200 r/min i høyrerotasjon, og dersom drivmotoren 6 derved påfører borelinen 1 et dreiemoment på 40 000 Nm, hvorav bare 10 000 Nm, på grunn av friksjonen til borelinen 1 i formasjonen, er tilgjengelig ved overflateenden, så vil driv-utgangseffekten ved borkronen som roterer med 180 r/min mot høyre i forhold til formasjonen beløpe seg til 7,754 kW. On the other hand, if the drive motor 6 of the drilling tool 4 drives the drill line 1 at 20 r/min in left-hand rotation, so that the drill bit 7 is driven in relation to the housing 5 of the drilling tool 4 at 200 r/min in clockwise rotation, and if the drive motor 6 thereby applies the drill line 1 a torque of 40,000 Nm, of which only 10,000 Nm, due to the friction of the drill line 1 in the formation, is available at the surface end, then the drive output power at the bit rotating at 180 r/min to the right relative to the formation will amount to to 7.754 kW.

Til slutt, dersom boreledningen drives av boreanordningens 4 drivmotor 6 mot venstre med 60 r/min, så vil utgangseffekten ved en borkrone som roterer med 140 r/min mot høyre i forhold til formasjonen, med dreiemomenter som er uendret ved borelinens 1 topp- og bunn-ender beløpe seg til 7,586 kW, og likevel være omtrent det dobbelte av den driv-utgangseffekt som for konvensjonell høy-rerotasjon av borelinen 1 kan påføres av borkronen 7 fra overflaten. Finally, if the drill string is driven by the drilling device's 4 drive motor 6 to the left at 60 r/min, then the output power of a drill bit rotating at 140 r/min to the right in relation to the formation, with torques that are unchanged at the drill line's 1 top and bottom ends amount to 7.586 kW, and yet be approximately twice the drive output power that for conventional high-rerotation of the drill line 1 can be applied by the drill bit 7 from the surface.

Ettersom det ved toppenden av borelinen 1 og i forbindelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, ikke må være tilgjengelig noe rest-dreiemoment, slik som ved konvensjonelle metoder med overflate-høyrerotasjon av borelinen 1, er nødvendig som et mot-dreiemoment ved bunnenden, så får den sammen maksimale belastning av borelinen slik at borehull av betraktelig større utstrekning kan utformes. Since at the top end of the drill line 1 and in connection with the method according to the invention, no residual torque must be available, as with conventional methods with surface right-hand rotation of the drill line 1, a counter-torque at the bottom end is required, so it gets together maximum load on the drill line so that boreholes of considerably larger extent can be designed.

Claims

1. Method for designing a borehole in underground formations by means of a drilling tool which is connected to the bottom end of a rotary drive drill line, in particular a directional drilling tool which accommodates in its housing a drive motor for the drilling tool's drill bit, characterized in that the drill line is rotationally driven in a left-hand rotational direction by means of the drilling tool's drive motor.

2. Method according to claim 1, characterized in that the speed of the drill line's rotational movement to the left constitutes a fraction of the drill bit's rotational speed.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that a surface section of the boreline is braked.

4. Method according to claims 1-3, characterized in that an underground section of the drill line is slowed in relation to the borehole.

5. Method according to one of claims 1-4, characterized in that the outer housing of the drilling tool is braked in relation to the borehole.

6. Method according to one of claims 1-5, characterized in that the shaft part of the drill bit is braked in relation to the borehole and in the area near its shaft.

7. Method according to one of claims 3-5, characterized in that the braking of the boreline is cut in when a predetermined maximum rotational speed of left-handed rotation is exceeded.

8. Device for designing a borehole in underground formations with a drill line (1) which is arranged for rotational operation and a drilling tool (4), in particular a directional drilling tool, which can be connected to the bottom of the drill line (1) and which is equipped with a drive motor arranged in the housing (5) of the drilling tool (4) for the drill bit (7) of the drilling tool (4), characterized in that the drive motor (6) of the drilling tool (4) is designed to drive the drill bit (7) in rotation in the right direction at the same time as it drives the drill line to the left in rotation in the direction to the left.

9. Device according to claim 8, characterized in that the drill bit (7) is equipped with cutting elements (18, 19) with a bevel angle (20) that lies between a small negative and a small positive value.

10. Device according to claim 8 or 9, characterized in that the boreline (1) consists of pipe sections (2, 3) which are arranged to be connected together by means of coupling means (8; 9, 10, 11, 12) so that they can be loaded in both directions of rotation.

11. Device according to claims 8-10, characterized in that the drill bit (7) shaft part is provided with a brake device (15) with brake parts (16) which can be brought into contact with the walls of the borehole.

12. Device according to one of claims 8-11, characterized in that the housing (5) of the drilling tool (4) is equipped with a brake device (15) with brake parts (16) which can be brought into contact with the walls of the borehole.

13. Device according to claim 11 or 12, characterized in that the brake device (15; 17) comprises brake pads that can be pushed out to abut against the walls of the borehole.

14. Device according to one of claims 8-13, characterized in that a brake device (14) which is rigidly supported and which cooperates with a surface part of the outer walls of the bore line (1).

15. Device according to one of claims 8-14, characterized by a surface rotation drive (13) for the boreline (1) by means of which it becomes possible to bring the boreline (1) to rotate optionally in the left or right direction.