NO331907B1 - Fremgangsmate for a danne et borehull i en undergrunnsformasjon - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for å danne et borehull i en undergrunnsformasjon omfattende å bore et borehull i undergrunnsformasjonen ved bruk av et borerør som er i stand til å ekspanderes, hvortil en ned-i- hull-motor som driver en borekrone er blitt tilkoblet, og etter boring til den tilsiktede fôringsinnsettingsdybde, ekspanderes borerøret på plass til å fore borehullet ved å påføre en radiell last på borerøret og å fjerne nevnte last fra borerøret. Et tettemateriale i en fluid tilstand blir fortrinnsvis pumpet mellom borerøret og brannveggen før påføring av nevnte radielle last på borerøret, hvilket tettemateriale herder etter den radielle ekspansjon.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å danne et borehull i en undergrunnsformasjon, omfattende å bore et borehull i undergrunnsformasjonen ved bruk av et borerør som er i stand til å ekspanderes, og hvortil en ned-i-hulls-motor som driver en borekrone er blitt tilkoblet, og etter boringen til den ønskede innsettingsdybde for foring ekspanderes borerøret på plass for å forsegle borehullet ved å påføre en radiell last på borerøret, og så fjerne lasten fra borerøret etter ekspansjonen.

WO 93/25799 angår boring i en undergrunnsformasjon. Et foringsrør av føybart materiale føres inn i borehullet og ekspanderes radielt mot borehullsveggen ved påføring av en radiell last.

Ekspansjonsmetoder og -innretninger er beskrevet i patentpublikasjon

DE 1583992 og iUS-patentpublikasjoner 3203483; 3162245; 3167122; 3326293; 3785193; 3489220; 5014779; 5031699; 5083608 og 56366012.

Mange av de kjente ekspansjonsmetoder gjør bruk av et opprinnelig korrugert rør og den sistnevnte referanse gjør bruk av et slisset rør som ekspanderes nede i hullet ved bruk av en ekspansjonsspindel.

Anvendelsen av korrugerte eller slissede rør i henhold til kjente metoder tjener til å redusere ekspansjonskreftene som behøves for å danne den tilsiktede ekspansjon i røret.

Det er et mål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å ekspandere et fast, dvs. ikke-slisset, rør som krever påføring av en kraft for å ekspandere røret, hvorved det tilveiebringes et rør med en større diameter og høyere fasthet enn det uekspanderte rør, og fremgangsmåten kan utføres med et rør som allerede kan ha rørform før ekspansjonen.

Med oppfinnelsen tilveiebringes således en fremgangsmåte for å danne et borehull i en undergrunnsformasjon. Fremgangsmåten omfatter å bore et borehull i undergrunnsformasjonen ved bruk av et borerør som er i stand til å ekspanderes, hvortil det er tilkoblet en ned-i-hull-motor som driver en borekrone, og etter boring til tilsiktet foringsinnsettingsdyp, å ekspandere borerøret på plass til å fore borehullet ved å påføre en radiell last på borerøret og så fjerne lasten fra borerøret. Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at etter boring til tilsiktet foringsinnsettingsdyp blir borerøret ekspandert ved å bevege en ekspansjonsenhet gjennom borerøret fra toppen inntil enheten når bunnen i borerøret, hvoretter enheten festes til borekronen eller boreenheten og boringen fortsettes.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen omfatter å bevege en ekspansjonsspindel gjennom røret for derved å ekspandere røret plastisk, hvorved det faste røret i det minste ekspanderes delvis, hvilket rør er fremstilt av en formbar stålkvalitet som er underkastet tøyningsherding uten at det medfører noen innsnevring og duktil bruddannelse som et resultat av ekspansjonsprosessen, og det benyttes en ekspansjonsspindel som i det minste langs en del av sin lengde har en avsmalnende ikke-metallisk overflate.

Som et resultat av tøyningsherdingen blir røret sterkere under ekspansjonsprosessen ettersom enhver ytterligere ekspansjon alltid krever høyere spenning enn den foregående ekspansjon.

Det er blitt funnet at anvendelse av en formbar stålkvalitet for røret i kombina-sjon med en ikke-metallisk avsmalnende overflate på ekspansjonsspindelen har en synergistisk virkning ettersom det resulterende ekspanderte rør vil ha en hensiktsmessig økt fasthet samtidig som ekspansjonskreftene forblir lave.

Det bemerkes at innen feltet metallurgi er begrepene tøyningsherding og arbeidsherding synonymer som begge benyttes til å betegne en økning av fasthet bevirket ved plastisk deformasjon.

Begrepet formbar stålkvalitet benyttes i denne sammenheng til å betegne at røret er i stand til å opprettholde sin strukturelle integritet mens det blir plastisk deformert til ulike former.

Metoder til å bestemme bearbeidingsegenskapene for stål er fremsatt i Metals Handbook, 9. utg., volum 14, "Forming and Forging", ASM International, Metal Park, Ohio (USA).

Begrepet innsnevring betegner en geometrisk effekt som leder til ikke-uniform plastisk deformasjon ved stedet der det forekommer en lokal innsnevring. Fra en slik innsnevring begynner vil fortsatt arbeidsherding i det innsnevrede område ikke lenger kompensere for den fortsatte reduksjon av det minste tverrsnitt ved innsnevringen, og derfor vil den lastbærende kapasitet for stålet senkes. Med fortsatt pålasting vil praktisk talt all videre plastisk deformasjon begrenses til området for innsnevringen, slik at det finner sted en høyst ujevn deformasjon som utvikler seg i det innsnevrede område inntil brudd finner sted.

Begrepet duktil oppsprekking betyr at et havari finner sted dersom plastisk deformasjon av en komponent som innehar duktile egenskaper utføres i så ekstrem grad at komponenten separeres lokalt i to biter. Rimdannelse, vekst og sammenvoksning av interne hulrom vokser frem til havari, hvilket etterlater en mørk fibrig bruddflate. En detaljert beskrivelse av begrepene innsnevring og duktil oppsprekking er gitt i håndboken "Failure of Materials in Mechanical Design", J A Collins, 2. utg., John Wiley and Sons, New York (USA), 1993.

Fortrinnsvis er røret fremstilt av en høyfast stålkvalitet med formbarhet og et forhold flytegrense-strekkfasthet mindre enn 0,8 og en flytegrense på minst 275 MPa. I denne sammenheng betegner begrepet høyfast stål et stål med en konvensjonell flytegrense på minst 275 MPa.

Det er også foretrukket at røret er fremstilt av et formbart stål med et forhold konvensjonell flytegrense/strekkfasthet mellom 0,6 og 0,7.

Tofase (DP) høyfaste, lavlegerte stål (HSLA) savner et spesifikt flytepunkt som eliminerer dannelse a Luders bånd under den tubulære ekspansjonsprosess, hvilket sikrer god overflatekvalitet hos de ekspanderte rør.

Egnede HSLA-tofase (DP) stål for anvendelse ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kvalitetene DP 55 og DP 60 utviklet av Sollac og med en strekkfasthet på minst 550 MPa, og kvalitetene SAFH 540 D og SAFH 590 D utviklet av Nippon Steel Corporation, med en strekkfasthet på minst 540 MPa.

Andre egnede stål er følgende formbare høyfaste stålkvaliteter

et ASTM Al06 høyfast lavlegert (HSLA) sømløst rør;

et ASTM A 312 austenittisk rustfritt stålrør, kvalitet TP 304 L;

et ASTM A312 austenittisk rustfritt stålrør, kvalitet TP 316 L; og et høy-bibeholdt austenittisk høyfast varmvalset stål (lavlegert TRIP-stål) slik som kvalitetene SAFH 590 E, SAFH 690 E og SAFH 780 E utviklet av Nippon Steel Corporation.

De ovennevnte DP-stål og andre egnede stål har hver en fastningskomponent n på minst 0,16, hvilket tillater en ekspansjon av røret slik at den ytre diameter på det ekspanderte rør er minst 20 % større enn den ytre diameter på det uekspanderte rør.

Detaljerte forklaringer av begrepene tøyningsherding, arbeidsherding og fastningseksponent n er gitt i kapitlene 3 og 17 i håndboken "Metal Forming-Mechanics and Metallurgy", 2. utg., Prentice Hall, New Jersey (USA), 1993.

Etter radiell ekspansjon av borerøret tjener det som en foring for borehullet.

Prinsippet bak den foreliggende oppfinnelse er at ved å benytte en éntur-boring og et ekspanderbart rørforingssystem kan en brønn både bores og fores i ett trinn ved radielt å ekspandere borerørene etter boring.

Systemet gjør bruk av rør som kan bli ekspandert radielt, dvs. er fremstilt av en formbar stålkvalitet. Derfor er materialet i borerørene fortrinnsvis i stand til å motstå en plastisk deformasjon på minst 10 % énakset strekk.

Den lave flytegrense og den høye duktilitet for røret før ekspansjon muliggjør bruk av et rør som er kveilet opp på en kveiletrommel. Derfor er borerøret fortrinnsvis lagret på en trommel før boring og tromles ut fra trommelen under boringen og inn i borehullet.

Fortrinnsvis er en ekspanderbar spindel eller senkeseksjon som er en tilknyttet del av borekronen låst med borerøret, og den trekkes tilbake gjennom dette etter boring til ønsket foringsnedsetningsdyp, hvorved borerøret ekspanderes ved uttrekkingen fra borehullet.

Alternativt blir en ekspanderbar spindel eller senkeseksjon med fordel bygget på toppen av borekronen, låst til denne med borerøret og trukket tilbake gjennom borerøret etter boring til tilsiktet foringsnedsettingsdybde, og ekspandere borerøret på sin vei ut av borehullet. I henhold til en annen foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse blir borerøret ekspandert etter boring til tilsiktet foringsnedsetningsdyp ved å bevege en ekspansjonsenhet gjennom det fra toppen inntil enheten når bunnen i røret, hvoretter enheten festes på borekronen eller boreenheten og boringen fortsettes.

Ekspansjonsspindelen er hensiktsmessig utrustet med en rekke keramiske overflater som begrenser friksjonskreftene mellom piggen og røret under ekspansjonsprosessen. Halve toppvinkelen A i den koniske keramiske overflate som faktisk ekspanderer røret er fordelaktig ca. 25°. Det er blitt funnet at zirkoniumoksid er et hensiktsmessig keramisk materiale som kan formes til en jevn konisk ring. Eksperimenter og simuleringer har vist at dersom halvkonustoppvinkelen A er mellom 20 °C og 30 °C deformeres røret slik at det oppnår en S-form og berører den avsmalnende delen av den keramiske overflate i hovedsak ved den ytre spiss eller kant på den koniske delen og eventuelt også omkring halvveis på den koniske delen.

Eksperimenter har også vist at det er fordelaktig at det ekspanderende rør inntar en S-form ettersom dette reduserer lengden på kontaktoverflaten mellom den avsmalnende del av den keramiske overflate og røret, og derved også reduserer friksjonsmengden mellom den ekspanderende spindel og røret.

Eksperimenter har også vist at dersom nevnte halvtoppvinkel A er mindre enn 15° resulterer dette i relativt høye friksjonskrefter mellom røret og piggen, og at dersom nevnte topp vinkel er større enn 30° vil dette innebære overflødig plastisk arbeid på grunn av den plastiske bøyning av røret, hvilket også leder til høyere varmespredning og til avbrudd i piggens bevegelse forover gjennom røret. Derfor er nevnte halvtoppvinkel A fortrinnsvis valgt mellom 15° og 30°, og bør alltid være mellom 5° og 45°.

Eksperimenter har også vist at den avsmalnende del av ekspansjonsspindelen bør ha en ikke-metallisk ytre overflate for å unngå riving av røret under ekspansjonsprosessen. Anvendelsen av en keramisk overflate på den avsmalnende del av ekspansjonsspindelen bevirker videre at den gjennomsnittlige ruhet på den indre overflate i røret senkes som et resultat av ekspansjonsprosessen. Eksperimentene har også vist at ekspansjonsspindelen utrustet med en keramisk avsmalnende overflate kunne ekspandere et rør fremstilt av et formbart stål slik at den ytre rørdiameter D2 etter ekspansjon var minst 20 % større enn den ytre rørdiameter Dl hos det uekspanderte rør, og at egnede formbare stål er tofase (DP) høyfaste lavlegerte (HSLA) stål kjent som DP55 og DP60; ASTM A106 HSLA sømløst rør, ASTM A312 austenittisk rustfritt stålrør, kvalitetene TP 304 L og TP 316 L, og høy-bibeholdt austenittiske høyfaste varmvalsede stål, kjent som TPJP-stål fremstilt av Nippon Steel Corporation.

Spindelen er hensiktsmessig utrustet med et par tetningsringer som er plassert i en slik avstand fra den koniske keramiske overflate at ringene støter mot den plastisk ekspanderte seksjon i røret. Tetningsringene tjener til å unngå at fluid ved høyt hydrau-lisk trykk kan være til stede mellom spindelens koniske keramiske overflate på og det ekspanderende rør, hvilket kan lede til en irregulær stor ekspansjon av røret.

Ekspansjonsspindelen er hensiktsmessig utrustet med en sentral ventileringsvei som er i kommunikasjon med en kveilet ventileringsledning hvorigjennom fluid, fortrengt fra ringrommet, kan ventileres til overflaten.

Alternativt kan dette fluid tvinges inn i formasjonen under eller bak det ekspanderte borerør som nå tjener som en foring. Avhengig av situasjonen kan ekspansjonsspindelen og/eller borekronen bli værende tilbake i bunnen av hullet, eller gjennom bruk av et opptakshode og en avtagbar montering av spindelen og borekronen kan disse trekkes opp og trekkes tilbake til overflaten inne i det nylig ekspanderte rør. Dette kan utføres med nevnte ventileringsledning.

En kveilet brønndrepings- og/eller serviceledning kan senkes i det ekspanderte rør for å lette injeksjon av brønndrepings- og/eller behandlingsfluider i retning mot innstrømningssonen for hydrokarbonfluidet, hvilket normalt foretas via ringrommet mellom produksjonsrøret og brønnforingen.

Fordelaktig blir et tetningsmateriale i fluidtilstand pumpet mellom borerøret og brønnveggen før påføring av den radielle lasten på borerøret, hvilket tetningsmateriale herder etter den radielle ekspansjon og derved tetter eventuelt gjenværende ringrom. Fortrinnsvis herder dette tetningsmateriale ved den mekaniske energi dette påføres ved den radielle ekspansjon av borerøret.

Alternativt kan tettematerialet herdes ved å sirkulere det mellom borerøret og brønnveggen mens en herder føres inn.

Tettefluider og korresponderende herdere er velkjente for fagpersoner.

En annen meget foretrukken mulighet er anvendelsen av et borefluid som kan endres til et eksternt tettmateriale etter den radielle ekspansjon.

Ved radielt å ekspandere borerøret blir formasjonsstrømmen hensiktsmessig avtettet, om nødvendig ved hjelp av tettehjelpemidler, slik det er nevnt ovenfor.

Etter at borehullet er blitt komplettert ved radiell ekspansjon av borerøret blir ekspansjonsspindelen fordelaktig benyttet som en skrapeplugg for å fjerne eventuelt resterende tettefluid fra innsiden av borerøret etter ekspansjonen.

Fordelen med den foreliggende fremgangsmåte er at den medfører besparelse av tid og muliggjør mange reserveledninger eller -rør samtidig som tapet av hulldiameter minimaliseres sammenlignet med konvensjonelle

brønnkonstruksj onsmetoder.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å danne et borehull i en undergrunnsformasjon, omfattende å bore et borehull i undergrunnsformasjonen ved bruk av et borerør som er i stand til å ekspanderes, hvortil det er tilkoblet en ned-i-hull-motor som driver en borekrone, og etter boring til tilsiktet foringsinnsettingsdyp, å ekspandere borerøret på plass til å fore borehullet ved å påføre en radiell last på borerøret og så fjerne lasten fra borerøret, karakterisert vedat etter boring til tilsiktet foringsinnsettingsdyp blir borerøret ekspandert ved å bevege en ekspansjonsenhet gjennom borerøret fra toppen inntil enheten når bunnen i borerøret, hvoretter enheten festes til borekronen eller boreenheten og boringen fortsettes.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor borerøret lagres på en trommel før boringen og tromles ut fra trommelen under boringen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, hvor materialet i borerøret er i stand til å motstå en plastisk deformasjon på minst 10 % énakset strekk.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvor en ekspanderbar spindel eller senkeseksjon, hvilken er en tilknyttet del av borekronen, er festet med borerøret og trekkes tilbake gjennom borerøret etter boring til tilsiktet foringsinnsettingsdyp, hvorved borerøret ekspanderes ved uttrekkingen gjennom borehullet.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvor den ekspanderbare spindel eller senkeseksjon er bygd på toppen av borekronen, festet til denne med borerøret og trekkes tilbake gjennom borerøret etter boring til tilsiktet foringsinnsettingsdyp, hvorved borerøret ekspanderes på veien ut fra borehullet.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvor et tettemateriale i fluidtilstand pumpes mellom borerøret og brønnveggen før påføring av nevnte radielle last på borerøret, hvilket tettemateriale herder etter den radielle ekspansjon.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor tettematerialet herder ved den mekaniske energi det påføres ved den radielle ekspansjon av borerøret.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor tettematerialet herdes ved at det sirkuleres mellom borerøret og borehullveggen og tilføres herder.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvor det benyttes et borefluid som kan endres til et eksternt tettemateriale etter den radielle ekspansjon.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst foregående krav, hvor formasjons-strømmen tettes av ved radiell ekspansjon av borerøret.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 6-9, hvor ekspansjonsspindelen benyttes som en skrapeplugg for å fjerne tettefluid fra innsiden av borerøret etter ekspansjonen.