DE60003651T2

DE60003651T2 - Verfahren zur herstellung eines bohrloches in einer untergrundformation

Info

Publication number: DE60003651T2
Application number: DE60003651T
Authority: DE
Inventors: Joe Robert COON; John Timothy FRANK; John David Martin
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-04-06
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: EP1169547A1; NO20014901L; NO331907B1; CA2365966C; DE60003651D1; US20010002626A1; DK1169547T3; AU3818500A; US6371203B2; EP1169547B1; CA2365966A1; WO2000061915A1; NO20014901D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Bohrloches in einer Untergrundformation, bei welchem ein Bohrloch in die Untergrundformation gebohrt wird, indem ein Bohrrohr verwendet wird, das befähigt ist, aufgeweitet zu werden, an welchem ein Bohrlochmotor, der ein Bohrstück antreibt, befestigt ist und nach dem Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe das Bohrrohr aufgeweitet wird, um das Bohrloch auszukleiden, indem eine Radiallast auf das Bohrrohr aufgebracht und die Last von dem Bohrrohr nach dem Aufweiten aufgehoben wird.
Aufweitungsverfahren und -vorrichtungen sind in der deutschen Patentschrift Nr. 1583992 und in den US-Patentschriften Nrn. 3,203,483; 3,162,245; 3,167,122; 3,326,293; 3,785,193; 3,489,220; 5,014,779; 5,031,699; 5,083,608 und 5,366,012 offenbart. Ein anderes relevantes Dokument ist die WO 9325799.
Viele der bekannten Aufweitungsverfahren wenden ein anfänglich gewelltes Rohr an, und das letztere Dokument zum Stand der Technik wendet ein geschlitztes Rohr an, das im Bohrloch durch einen Aufweitungsdorn aufgeweitet wird.
Die Verwendung von gewellten oder geschlitzten Rohren bei den bekannten Verfahren dient zur Verminderung der Aufweitungskräfte, die auf das Rohr aufgebracht werden müssen, um die erwünschte Aufweitung zu erzielen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufweiten eines festen, d.h. ungeschlitzten, Rohres zu schaffen, bei welchem eine Kraft erforderlich ist, um das Rohr aufzuweiten, und welches eine Verrohrung schafft, die einen größeren Durchmesser und höhere Festigkeit hat als die nicht aufgeweitete Verrohrung, und das mit einer Verrohrung durchgeführt werden kann, die bereits vor dem Aufweiten eine rohrförmige Gestalt hat.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt den Schritt des Bewegens eines Aufweitungsdornes durch die Verrohrung, wodurch die Verrohrung plastisch aufgeweitet wird, wobei eine zumindest teilweise feste Verrohrung aufgeweitet wird, die aus einer formbaren Stahlqualität besteht, welche einer Kornhärtung unterworfen wird, ohne irgendeine Einschnürung und einen Spannungsbruch als Ergebnis des Aufweitungsvorganges zu verursachen, und wobei ein Aufweitungsdorn verwendet wird, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine sich verjüngende, nicht-metallische Oberfläche hat.
Als ein Ergebnis der Kornhärtung wird die Verrohrung während des Aufweitungsvorganges fester, weil für jeden Aufweitungsschritt stets eine höhere Spannung als für die vorhergehende Aufweitung erforderlich ist.
Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung einer formbaren Stahlqualität für die Verrohrung in Kombination mit einer nichtmetallischen verjüngten Oberfläche des Aufweitungsdornes einen synergetischen Effekt hat, weil die resultierende aufgeweitete Verrohrung eine entsprechend höhere Festigkeit hat, während die Aufweitungskräfte niedrig bleiben.
Es ist beobachtet worden, daß in der Metallurgie die Ausdrücke Kornhärtung und Kalthärtung synonym sind und beide dazu verwendet werden, eine Zunahme an Festigkeit zu bezeichnen, die durch eine plastische Verformung verursacht wird.
Der Ausdruck formbare Stahlqualität, wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, bedeutet, daß die Verrohrung befähigt ist, ihre strukturelle Integrität zu behalten, während sie plastisch in unterschiedliche Gestalten verformt wird.
Wege zur Bestimmung der Formungscharakteristika eines Stahls werden in dem Metals Handbook, 9. Auflage, Band 14, Forming and Forging, herausgegeben von ASM International, Metals Park, Ohio (USA), beschrieben.
Der Ausdruck Einschnürung bezieht sich auf einen geometrischen Effekt, der zu einer nicht einheitlichen plastischen Verformung an einigen Stellen durch Auftreten einer lokalen Einengung führt. Von der Einschnürung an kompensiert eine fortgesetzte Kalthärtung im Einschnürungsbereich nicht mehr die kontinuierliche Reduktion des kleinsten Querschnittes im Einschnürungsbereich, und deshalb nimmt die Lastaufnahmekapazität des Stahls ab. Mit fortgesetzter Belastung wird praktisch die gesamte weitere plastische Verformung auf den Halsbereich beschränkt, so daß eine stark ungleichmäßige Verformung in dem Halsbereich auftritt, bis ein Bruch auftritt.
Der Ausdruck Verformungsbruch bedeutet, daß ein Versagen auftritt, wenn die plastische Verformung einer Komponente, die ein Formänderungsverhalten zeigt, auf ein Extrem getrieben wird, so daß die Komponente örtlich in zwei Teile zerbricht. Die Kernbildung, das Wachstum und die Koaleszenz der inneren Hohlräume führen zu einem Versagen, wobei eine matte faserige Bruchfläche verbleibt. Eine detaillierte Beschreibung der Ausdrücke Einschnürung und Verformungsbruch wird in dem Handbuch „Failure of Materials in Mechanical Design", von J. A. Collins, zweite Ausgabe, herausgegeben von John Wiley and Sons, New York (USA), 1993, gegeben.
Vorzugsweise besteht die Verrohrung aus einer hochfesten Stahlqualität, mit einer Verformbarkeit und einem Streckfestigkeits-/Zugfestigkeits-Verhältnis, das kleiner als 0,8 ist, sowie einer Streckfestigkeit von zumindest 275 MPa. Soweit der Ausdruck in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, be zeichnet der Ausdruck hochfester Stahl einen Stahl mit einer Streckfestigkeit von zumindest 275 MPa.
Es wird auch bevorzugt, daß die Verrohrung aus einer formbaren Stahlqualität mit einem Streckspannungs-/Zugspannungs-Festigkeitsverhältnis zwischen 0,6 und 0,7 besteht.
Hochfeste Zweiphasen (DP)-Niedriglegierungs-Stähle (HSLA) haben keine definierte Streckgrenze, die die Bildung von Luderbändern während der Rohraufweitung verhindert, was ein gutes Oberflächenfinish des aufgeweiteten Rohres sicherstellt.
Geeignete HSLA-Zweiphasen (DP)-Stähle zur Verwendung bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sind die Qualitäten DP55 und DP60, entwickelt von Sollac, mit einer Zugfestigkeit von zumindest 550 MPa, und Qualitäten SAFH 540D und SAFH 590D, entwickelt von der Nippon Steel Corporation, mit einer Zugfestigkeit von zumindest 540 MPa.
Andere geeignete Stähle sind die folgenden formbaren Hochfestigkeits-Stahlqualitäten

– ASTM A106 nahtloses Hochfestigkeits-Niedriglegierungs-Stahlrohr (HSLA);
– ASTM A312 austenitisches rostfreies Stahlrohr der Qualität TP 304 L;
– ASTM A312 austenitisches rostfreies Stahlrohr der Qualität TP 316 L; und
– hochfester, austenitischer heißgewalzter Stahl (Niedriglegierungs-TRIP-Stahl), wie die Qualitäten SAFH 590E, SAFH 690E und SAFH 780E, entwickelt von der Nippon Steel Corporation.

Der vorerwähnte DP und andere geeignete Stähle haben jeweils einen Kornhärteexponenten n von zumindest 0,16, was eine Aufweitung des Rohres gestattet, derart, daß der Außendurchmesser des aufgeweiteten Rohres zumindest 20 % größer als der Außendurchmesser des nicht aufgeweiteten Rohres ist.
Detaillierte Erläuterungen der Ausdrücke Kornhärtung, Kalthärtung und Kornhärtungsexponent n werden in den Kapiteln 3 und 17 des Handbuches „Metal Forming-Mechanics and Metallurgy", 2. Ausgabe, herausgegeben von Prentice Hall, New Jersey (USA), 1993, gegeben.
Nach der radialen Aufweitung der Bohrverrohrung dient diese als Auskleidung für das Bohrloch.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch Verwendung eines Einwegbohr- und aufweitbaren Auskleidungssystems ein Bohrloch gebohrt und in ein und demselben Schritt durch radiales Aufweiten des Bohrstranges nach dem Bohren ausgekleidet werden kann.
Das System wendet Rohre an, die befähigt sind, radial aufgeweitet zu werden, d.h. aus einer formbaren Stahlqualität bestehen. Deshalb ist das Material der Bohrverrohrung vorteilhaft befähigt, eine plastische Verformung von zumindest 10 % bei einachsiger Beanspruchung aufzunehmen.
Die niedrige Formänderungsfestigkeit und die hohe Duktilität der Verrohrung vor der Aufweitung gestatten die Verwendung einer Verrohrung, die auf einer Wickeltrommel aufgewickelt ist. Deshalb wird das Bohrrohr vorzugsweise auf einer Trommel gespeichert, bevor der Bohrvorgang durchgeführt wird, und von der Trommel während des Bohrens in das Bohrloch hinein abgespult.
Vorzugsweise ist ein aufweitbarer Dorn oder ein Aufweitungswerkzeug als integraler Teil des Bohrstückes mit der Bohrverrohrung verrastet und wird dann durch die Bohrverrohrung nach dem Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe zurückgezogen, wobei er bzw. es die Bohrverrohrung bei seinem Weg aus dem Bohrloch heraus aufweitet.
Alternativ wird ein aufweitbarer Dorn oder ein Aufweitungswerkzeug vorteilhaft auf der Oberseite des Bohrstückes mit diesem verrastet aufgebaut und durch die Bohrverrohrung nach dem Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe zurückgezogen, wobei er bzw. es die Bohrverrohrung bei seinem Weg aus dem Bohrloch hinaus aufweitet. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Bohrverrohrung aufgeweitet, nachdem das Bohren auf eine erwünschte Auskleidungs-Setztiefe beendet ist, indem eine Aufweitungseinheit von der Oberseite her durch die Verrohrung bewegt wird, bis sie den Boden der Verrohrung erreicht, worauf die Einheit an dem Bohrstück oder an der Vorrichtung anlegt und das Bohren fortgesetzt wird.
Der Aufweitungsdorn ist zweckmäßig mit einer Reihe von keramischen Oberflächen versehen, welche die Reibungskräfte zwischen dem Dorn und der Verrohrung während des Aufweitungsvorganges beschränken. Der halbe Scheitelwinkel A der konischen Keramikfläche, der die Verrohrung tatsächlich aufweitet, beträgt vorteilhaft etwa 25°. Es hat sich gezeigt, daß Zirkonoxid ein geeignetes keramisches Metall ist, das als glatter konischer Ring geformt werden kann. Experimente und Simulationen haben gezeigt, daß sich bei einem halben Scheitelwinkel A zwischen 20° und 30° das Rohr derart verformt, daß es eine S-Form annimmt und den Verjüngsteil der keramischen Oberfläche im wesentlichen an der äußeren Spitze oder am äußeren Rand des konischen Teiles und vorzugsweise auch auf etwa der Hälfte des konischen Teiles berührt.
Experimente haben auch gezeigt, daß es vorteilhaft ist, daß das aufgeweitete Rohr eine S-Form annimmt, weil dies die Länge der Kontaktfläche zwischen dem Verjüngsteil der keramischen Oberfläche und der Verrohrung reduziert, und dadurch auch das Ausmaß an Reibung zwischen dem Aufweitungsdorn und der Verrohrung reduziert.
Experimente haben auch gezeigt, daß bei einem Scheitelwinkel von kleiner als 15° relativ hohe Reibungskräfte zwischen dem Rohr und dem Dorn auftreten, wogegen dies bei einem Scheitelwinkel größer als 30° infolge plastischen Biegens der Verrohrung redundante plastische Arbeit verursacht, was auch zu einer größeren Wärmedissipation und zu Unterbrechungen der Vorwärtsbewegung des Dornes durch die Verrohrung führt. Somit beträgt der halbe Scheitelwinkel A vorzugsweise 15° bis 30° und sollte stets zwischen 5° und 45° betragen.
Experimente haben auch gezeigt, daß der Verjüngungsteil des Aufweitungsdornes eine nicht-metallische Außenfläche haben sollte, um eine Beschädigung der Verrohrung während des Aufweitungsvorganges zu vermeiden. Die Verwendung einer Keramikfläche für den verjüngten Teil des Aufweitungsdornes verursacht außerdem, daß die Durchschnittsrauhigkeit der Innenfläche der Verrohrung als Ergebnis des Aufweitungsvorganges abnimmt. Die Experimente haben ebenfalls gezeigt, daß der Aufweitungsdorn, der mit einer verjüngten keramischen Oberfläche versehen ist, ein Rohr aus einer formbaren Stahlqualität aufweiten könnte, derart, daß der Rohraußendurchmesser D2 nach dem Aufweiten zumindest 20 % größer als der Außendurchmesser D1 des nicht aufgeweiteten Rohres ist, und daß zweckmäßige formbare Stahlqualitäten Zweiphasen (DP)-Hochfestigkeits-Niedriglegierungsstähle (HSLA) sind, die als DP55 und DP60 bekannt sind; ASTM A106 HSLA nahtloses Rohr, ASTM A312 austenitische rostfreie Stahlrohre, Qualitäten TP 304 L und TP 316 L und ein hochaustenitischer, hochfester heißgewalzter Stahl, der als TRIP-Stahl bekannt ist, welcher von der Nippon Steel Corporation hergestellt wird.
Der Dorn ist zweckmäßig mit einem Paar von Dichtungsringen ausgestattet, die in einem solchen Abstand von der konischen Keramikfläche liegen, daß die Ringe dem plastisch aufgeweiteten Abschnitt der Verrohrung zugekehrt sind. Die Dichtungsringe dienen auch dazu, zu vermeiden, daß Fluid unter hohem hydraulischen Druck zwischen der konischen Keramikfläche des Dornes und dem aufweitbaren Rohr vorhanden ist, was zu einer unregelmäßig großen Aufweitung des Rohres führen würde.
Der Aufweitungsdorn ist zweckmäßig mit einem zentralen Lüftungsdurchgang versehen, der in Verbindung mit einer gewickelten Lüftungsleitung steht, durch welche Fluid, das aus dem Ringraum verdrängt ist, zur Oberfläche entlüftet werden kann.
Alternativ kann dieses Fluid dazu gezwungen werden, in die Formation hinter oder unter der aufgeweiteten Bohrverrohrung, die nunmehr als Auskleidung dient, zu strömen. In Abhängigkeit von der Situation kann der Aufweitungsdorn und/oder das Bohrstück am Boden des Bohrloches bleiben oder durch Verwendung eines Einholkopfes und einer lösbaren Befestigung des Dornes und des Bohrstückes innerhalb der neu aufgeweiteten Verrohrung eingeholt und zur Oberfläche zurückgezogen werden. Dies kann mit Hilfe der Lüftungsleitung erfolgen.
Eine gewickelte Killer- und/oder Serviceleitung kann in der aufgeweiteten Verrohrung abgesenkt werden, um das Injizieren von Killer- und/oder Behandlungsfluiden gegen die Kohlenwasserstoff-Fluid-Einströmzone zu erleichtern, was normalerweise über einen Ringraum zwischen der Förderverrohrung und der Bohrlochauskleidung erfolgt.
Vorteilhaft wird ein Dichtungsmaterial in fluidem Zustand zwischen die Bohrverrohrung und die Bohrlochwand vor dem Aufbringen einer Radiallast auf die Bohrverrohrung gepumpt, wobei das Dichtungsmaterial sich setzt, nachdem die radiale Aufweitung durchgeführt ist, und auf diese Weise irgendwelche verbleibenden Ringzonen abdichtet. Vorzugsweise setzt sich dieses Dichtungsmaterial durch die auf dieses ausgeübte mechanische Energie infolge der Radialaufweitung der Bohrverrohrung.
Alternativ kann das Dichtungsmaterial setzen, indem es zwischen der Bohrverrohrung und der Bohrlochwand zirkuliert und ihm ein Härter beigefügt wird.
Dichtungsfluide und entsprechende Härter sind dem Fachmann bekannt.
Eine andere sehr bevorzugte Möglichkeit besteht darin, ein Bohrfluid zu verwenden, das in ein äußeres Dichtungsmaterial verwandelt werden kann, nachdem die radiale Aufweitung erfolgt ist.
Durch radiales Aufweiten des Bohrstranges wird die Formationsströmung, falls erforderlich, mit Hilfe eines Dichtungsmittels geeignet abgedichtet, wie dies vorstehend erläutert worden ist.
Nachdem das Bohrloch durch das radiale Aufweiten des Bohrstranges vervollständigt ist, wird der Aufweitungsdorn vorteilhaft als Abstreifstopfen verwendet, um irgendein verbliebenes Dichtungsfluid von der Innenseite der Bohrverrohrung nach der Aufweitung zu entfernen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrloch in einer Untergrundformation, welches mit dem vorliegenden Verfahren erzeugt worden ist.
Der Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, daß es Zeit spart und multiple aneinander anliegende Auskleidungen ermöglicht, während ein minimaler Verlust an Bohrlochdurchmesser im Vergleich zu konventionellen Bohrlochkonstruktionsverfahren auftritt.

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Bohrloches in einer Untergrundformation, bei welchem ein Bohrloch in die Untergrundformation unter Verwendung einer Bohrverrohrung gebohrt wird, die befähigt ist, aufgeweitet zu werden, an welcher ein Bohrloch-Antriebsmotor für ein Bohrstück angeschlossen ist und nach dem Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe die Bohrverrohrung an Ort und Stelle aufgeweitet wird, um das Bohrloch auszukleiden, indem eine Radiallast auf die Bohrverrohrung aufgebracht und diese Last von der Bohrverrohrung wieder aufgehoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe die Bohrverrohrung aufgeweitet wird, indem eine Aufweitungseinheit von der Oberseite durch die Verrohrung bewegt wird, bis die Einheit den Boden der Verrohrung erreicht, worauf die Einheit mit dem Bohrstück verrastet und das Bohren fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Bohrverrohrung auf einer Trommel vorrätig gehalten wird, bevor das Bohren beginnt, und von der Trommel während des Bohrens abgespult wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Material der Bohrverrohrung befähigt ist, eine plastische Deformation von zumindest 10 % bei einachsiger Belastung auszuhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein aufweitbarer Dorn oder ein Aufweitungswerkzeug als integraler Teil des Bohrstückes mit der Bohrverrohrung verrastet und durch die Bohrverrohrung hindurch zurückgezogen wird, nachdem das Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe erreicht ist, wobei er bzw. es die Bohr verrohrung auf seinem Weg aus dem Bohrloch heraus aufweitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein aufweitbarer Dorn oder ein Aufweitungswerkzeug auf der Oberseite des Bohrstückes gebaut, mit der Bohrverrohrung mit diesem verrastet und durch die Bohrverrohrung zurückgezogen wird, nachdem das Bohren auf die erwünschte Auskleidungs-Setztiefe durchgeführt worden ist, wobei er bzw. es die Bohrverrohrung auf dem Weg aus dem Bohrloch heraus aufweitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem vor dem Aufbringen der Radiallast auf die Bohrverrohrung ein Dichtungsmaterial in fluidem Zustand zwischen die Bohrverrohrung und die Bohrlochwand gepumpt wird, wobei sich das Dichtungsmaterial nach der Radialaufweitung setzt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem sich das Dichtungsmaterial durch mechanische Energie setzt, die auf das Material durch die Radialaufweitung der Bohrverrohrung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Dichtungsmaterial setzt, indem es zwischen der Bohrverrohrung und der Bohrlochwand zirkuliert und ihm ein Härter beigefügt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Bohrfluid verwendet wird, das nach der Radialaufweitung in ein äußeres Dichtungsmaterial verwandelt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Formationsströmung durch radiales Aufweiten der Bohrverrohrung abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9, bei welchem der Aufweitungsdorn als ein Abstreifstopfen verwendet wird, um Dichtungsfluid von der Innenseite der Bohrverrohrung nach der Aufweitung zu entfernen.