DE4035982A1 - Gestaengerohr fuer einen bohrstrang - Google Patents

Description

Bisher bestehen Bohrstränge und Bohrgestänge, die beim Bohren von üblichen Bohrlöchern, wie beispielsweise Öl­ bohrlöchern oder Gasbohrlöchern, verwendet werden, aus einem Bohrstrang oder Bohrgestänge, welches aus rohrförmigen Teilen gebildet ist, die als Gestängerohre bezeichnet und Ende an Ende miteinander verbunden werden, um einen Bohrstrang bzw. ein Bohrgestänge zu bilden (nachstehend der Einfachheit halber als Bohrstrang bezeichnet). Schwere rohrförmige Teile, die als Mei­ ßelschaft oder Schwerstange bezeichnet und Ende an Ende mitein­ ander verbunden und an einer vorbestimmten oder gewünschten Position in dem Bohrstrang, allgemein nahe dem und über dem Bohrer bzw. der Bohrkrone, angeordnet werden, der bzw. die mit dem unteren Ende des Bohrstranges verbunden ist, dienen dazu, das Eindringen des Bohrers zum Bohren des Bohrlochs hervorzuru­ fen, und zwar in bekannter Art dann, wenn der Bohrstrang ge­ dreht wird.

Die Gestängerohre und die Schwerstangen sowie der Bohrer am unteren Ende dienen dazu, Bohrfluid von der Erdober­ fläche durch den Bohrstrang hindurch zu übertragen, um es durch den Bohrer hindurch abzugeben, um diesen zu kühlen, und auch dazu, geschnittenes Material von dem Bohrloch durch den Ring­ raum zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch zur Erdoberfläche zu fördern sowie andere Funktionen auszuführen, wie sie für den Fachmann des hier in Rede stehenden Gebietes bekannt sind. Bei den beschriebenen üblicherweise angewendeten Arbeitsvorgängen werden die Gestängerohre in dem Bohrstrang Zug- und Torsionsbe­ anspruchungen, jedoch keinen Druckbeanspruchungen unterworfen.

Es ist bisher übliche Praxis, das Bohrloch seitlich zu verschieben oder in einer gewünschten Weise abzuleiten oder abzulenken. Neuerdings ist es üblicher geworden, das Bohrloch seitlich um große Strecken zu verschieben, Was als "Long Reach Drilling" bezeichnet wird, sowie auch in gewissen Situationen seitlich oder waagerecht zu bohren, um Lagerstätten horizontal und nicht vertikal zu durchdringen. Der horizontale Teil des Bohrlochs kann sich tausende Fuß durch eine oder mehrere Lager­ stätten oder Lagerformationen erstrecken in einem Versuch, die Förderrate und die maximale Gewinnung von einer Lagerstätte zu erhöhen, oder das horizontale Bohrloch kann eine Gruppe von Formationen durchdringen. Dies wird als "Horizontal Drilling" bezeichnet. Die oben beschriebenen Arbeitsweisen werden auch in gewissen Fällen angewendet zum Gewinnen von Mineralien durch Bohren eines Bohrlochs und Gewinnen gewünschter Mineralien in einer Art und Weise, wie es auf diesem Gebiet der Technik bekannt ist.

Der Bohrstrang, wie er gegenwärtig beim Bohren mit großer seitlicher Verschiebung und beim horizontalen Bohren verwendet wird, ist im wesentlichen der gleiche, wie er bei üb­ lichen vertikalen Bohrvorgängen verwendet wird, was jedoch nicht immer erwünscht ist, da gewisse Probleme, die bei Techniken zum Bohren in sehr großem Winkel vorhanden sind, nur hierbei auftreten, bzw. wenigstens von denjenigen Problemen verschieden sind, die beim Bohren von vertikalen Bohrlöchern angetroffen werden.

Beispielsweise kann es schwierig sein, ausreichendes Gewicht zu erhalten, um in sehr großen Winkeln wirksam bohren zu können, da das auf den Bohrer wirkende Gewicht eine Funktion des Schrägwinkels des gebohrten Bohrlochs ist. Wenn die Gewichtsteile einschließlich der Gestängerohre und der Schwer­ stangen eines Bohrstranges in einem Bohrloch in einem großen Schrägwinkel angeordnet werden, wird lediglich ein kleiner Teil des verfügbaren Gewichtes auf den Bohrer am Unterende des Bohr­ stranges übertragen. Es ist hierbei zu verstehen; daß, wenn das Bohrloch horizontal gebohrt werden soll, nur ein sehr geringes Gewicht, wenn überhaupt eines, auf den Bohrer übertragen wird.

In einem Versuch, dieses Problem beim Bohren mit großer seitlicher Verschiebung oder beim horizontalen Bohren zu überwinden, wurden in gewissen Fällen Schwerstangen an einer höher liegenden Stelle im Bohrloch angeordnet, wo der Schräg­ winkel gering ist. Von dieser Stelle bis zum Bohrer steht der Bohrstrang unter Druckbelastung und ist einem Auswölben und einem möglichen letztlichen Versagen unterworfen.

Weiterhin ist Reibung zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch ein wichtiger Gesichtspunkt, insbesondere bei großem Schrägwinkel oder bei horizontalen Bohrlöchern, und sie ist meistens besonders ausgeprägt, wenn das Auswölben oder Aus­ knicken des Bohrstranges ein Problem darstellt. In gewissen Fällen werden Gestängerohre sehr hohen Gewichtes verwendet, die im Vergleich zu üblichen Gestängerohren das Dreifache wiegen, und zwar in einem Versuch, einen gewünschten Widerstand gegen Verbiegen, Knicken o. dgl. zu erzielen. Da die Reibung sich direkt mit dem Gewicht erhöht, wird die Reibung um einen Faktor Drei erhöht. Die Reibung bestimmt üblicherweise die Grenzen für die Verschiebung des Bohrlochendes.

Ein anderes Problem, welches beim Bohren abgelenkter bzw. abweichender Löcher angetroffen wird und welches beim Boh­ ren mit großer seitlicher Verschiebung und/oder beim horizonta­ len Bohren ausgeprägt sein kann, besteht in der richtigen Rei­ nigung des Bohrlochs. Das Bohrfluid, welches durch den Bohr­ strang zum Boden des Bohrlochs geführt wird, wird dann zur Erd­ oberfläche zurück umlaufen gelassen in dem Bohrlochringraum, der den Bohrstrang umgibt, und das Fluid dient wenigstens meh­ reren Funktionen, zu denen die Funktion des Kühlens des Bohrers während des Erdschneidvorganges und das darauffolgende Entfer­ nen der geschnittenen Erde aus dem Bohrloch zur Erdoberfläche gehören, wie es oben gesagt worden ist. Bei umgelenkten Bohrlö­ chern und insbesondere beim Bohren mit großer seitlicher Ver­ schiebung oder beim horizontalen Bohren, ruht der Bohrstrang exzentrisch zum Bohrloch allgemein entlang der Unterseite des Bohrlochs. Wenn gewöhnliche oder Standard-Gestängerohre verwen­ det werden, haben von dem Bohrfluid getragene Feststoffe das Bestreben, aus der Bohrfluidsuspension herauszufallen und sich zwischen den Gestängerohren und dem Bohrloch an der unteren Seite des Bohrlochs anzusammeln, und das Bohrfluid kann das Bestreben haben, entlang der oberen Seite des Bohrlochs einen Kanal zu bilden, in welchem Fall sich nur geringe Reinigungs­ wirkung ergibt und dementsprechend ein geringeres Bestreben besteht, das geschnittene Material aus dem Bohrloch zu entfer­ nen.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen rohrförmigen Teil zur Verwendung zum Bilden eines Bohr­ stranges zu schaffen, der eine bevorzugte Kombination verrin­ gerten Gewichtes mit erhöhtem Widerstand gegen Biegen und Knicken unter Druckbelastung schafft.

Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, einen rohrförmigen Teil bzw. Bauteil für einen Bohrstrang zu schaf­ fen, der, wenn er mit anderen im wesentlichen identischen rohr­ förmigen Teilen oder Bauteilen verbunden wird, einen Bohrstrang schafft, der Druckbelastungen in irgendwelchen Situationen und insbesondere in einem Bohrloch mit sehr großem Winkel erträgt. Dies stellt eine Unterstützung dar hinsichtlich des Vermeidens des Biegens oder Knickens des Bohrstranges und der Reibung des Bohrstranges.

Wie zuvor erwähnt, ist es bekannt, daß Gewicht und Reibung als in direkter Beziehung zueinander stehend anzusehen sind, wobei mit erhöhtem Gewicht die Reibung sich erhöht. Wenn die Reibung die Kapazität des Bohrstranges bzw. der Bohrausrü­ stung übersteigt, wird der Bohrvorgang beendet.

Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, ange­ messene Steifheit oder Starrheit in den den Bohrstrang bilden­ den rohrförmigen Teilen und in dem Bohrstrang zu bilden, was zu einem angemessenen Widerstand gegen Biegen, Verbiegen oder Knicken führt, während in dem Bohrstrang minimales Gewicht geschaffen bzw. aufrechterhalten ist.

Übliche Gestängerohre mit Standardgewicht, die bisher in Bohrlöchern verwendet werden, haben viel geringeres Gewicht und führen zu geringerer Reibung im Vergleich mit Schwerstangen oder Gestängerohren hohen Gewichtes, die rohrförmige Teile oder Rohrteile hohen Gewichtes sind. Jedoch fehlen bei üblichen Standardgestängerohren sowohl Steifheit als auch Gewicht, wie es beim Bohren mit großer seitlicher Verschiebung und beim horizontalen Bohren erforderlich sein kann, so daß die bekann­ ten Rohre einem Verbiegen, Krümmen oder Knicken in großem Aus­ maß unterworfen sind und daher hinsichtlich des Übertragens ho­ her Druckbelastungen, wie es erforderlich sein kann, nur von begrenzter Nützlichkeit sind.

Andererseits sind Schwerstangen, die hohes Gewicht haben und speziell Gewicht auf den Bohrer liefern und Starrheit beim Bohren eines Bohrloches schaffen sollen, wie sie bisher verwendet wurden, zumindest einem Biegen, Verbiegen oder Knicken unterworfen. Jedoch kann die Steifheit der Schwerstan­ gen oder möglicherweise sogar der Gestängerohre hohen Gewichtes oberhalb eines nützlichen Wertes liegen und ihr Gewicht ist derart hoch, daß sich aus ihm verhindernde Reibungskräfte erge­ ben, wenn sie beim Bohren mit großer seitlicher Verschiebung und/oder beim horizontalen Bohren verwendet werden. Aus diesem Grunde besteht lediglich minimale Anwendung von Schwerstangen oder Gestängerohren hohen Gewichtes beim Bohren in einem großen Winkel oder beim horizontalen Bohren. Während der Widerstand gegen Biegen oder Knicken von Gestängerohren hohen Gewichtes und ihr Gewicht wesentlich niedrigerer als bei Schwerstangen sind, ist der Widerstand gegen Biegen oder Knicken immer noch größer als derjenige von üblichen Gestängerohren, jedoch können Gestängerohre hohen Gewichtes das Dreifache oder mehr von übli­ chen Gestängerohren wiegen, so daß beim Bohren in großem Winkel die dreifache Reibung erzeugt wird.

Mit einer Ausführung gemäß der Erfindung wird weiter­ hin unterstützt, das geschnittene Material im Bohrfluid in Sus­ pension zu halten, um es aus dem Bohrloch zu entfernen und um das Bohrloch zu reinigen.

Mit der vorliegenden Erfindung werden gewisse Probleme überwunden, die beim Bohren mit großer seitlicher Ver­ schiebung und/oder beim horizontalen Bohren angetroffen werden, und zwar als Folge der Erkenntnis, daß ein Bohrstrang in einem Bohrloch mit großem Winkel nicht einen einzigen Balken, sondern eine Reihe von Balken darstellt, die an ihren Enden miteinander verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Bohr­ turmes bzw. einer Bohrausrüstung und eines Bohrstranges, der sich von dem Bohrturm nach unten erstreckt, wobei der Zustand eines Bohrens mit großer seitlicher Verschiebung dargestellt ist;

Fig. 2 ist eine der Fig. 1 analoge Ansicht, gemäß welcher der Bohrstrang sich zunächst von der Erdoberfläche ver­ tikal nach unten erstreckt und danach in die horizontale Rich­ tung umgelenkt ist;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei sie dargestellt ist, wie sie an der Unterseite eines Bohrlochs ruht bei einem Bohren mit großer seitlicher Verschiebung und/oder bei einem horizontalen Bohren;

Fig. 3A zeigt eine gegenüber Fig. 3 abgewandelte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines üblichen Gestängerohres;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, in welcher die Lage eines üblichen Bohrstranges an der Unterseite eines typi­ schen Bohrlochs mit großem Winkel dargestellt ist;

Fig. 6 ist eine Schnittansicht nach Linie 6-6 der Fig. 3 eines Bohrstranges gemäß der Erfindung, in welcher das Verhältnis des Bohrlochringraumes zu dem vergrößerten sich in Längsrichtung erstreckenden Teil oder Abschnitt des rohrförmi­ gen Teiles gemäß der Erfindung, welcher den Bohrstrang dar­ stellt, gezeigt ist.

Fig. 1 zeigt einen Zustand eines Bohrstranges beim Bohren mit großer seitlicher Verschiebung. Ein Bohrturm DM ist nahe der Erdoberfläche oder auf einer Plattform oder einer an­ deren zweckentsprechenden Abstützung S auf dem Land oder auf einer mit Wasser bedeckten Fläche angeordnet. Von dem Bohrturm DM auf der Plattform S erstreckt sich ein Bohrstrang DS nach unten in ein Bohrloch, welches einen Standardteil oder vertika­ len Teil oder Abschnitt 3 und einen abgelenkten Abschnitt 4 um­ faßt, wobei ein Bohrer oder eine Bohrkrone 5 mit dem unteren Ende des Bohrstranges DS verbunden ist. Der Bohrstrang ist aus einer Mehrzahl von rohrförmigen Teilen bekannter Gestalt gebil­ det, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, und die rohrförmigen Teile sind mittels Vorschweißverbindern TJ Ende an Ende mitein­ ander verbunden, und der Bohrer 5 ist am unteren Ende des Bohr­ stranges befestigt.

In Fig. 2 sind ebenfalls der Bohrturm DM und die Plattform S dargestellt. Der Bohrstrang DS erstreckt sich wie­ derum von dem Arbeitsbereich des Bohrturms DM, und es ist eine Mehrzahl von Schwerstangen DC in dem vertikalen Abschnitt 3 des Bohrlochs dargestellt. Der horizontale Abschnitt des Bohrlochs ist mit H bezeichnet. Ein Bohrer 5 ist wieder am unteren Ende des Bohrstranges befestigt.

Fig. 1 zeigt eine Situation, die allgemein als Bohren mit großer seitlicher Versetzung bezeichnet wird, und Fig. 2 zeigt eine Situation, die gewöhnlich als horizontales Bohren bezeichnet wird. In gewissen Fällen kann die Terminologie für die beiden dargestellten Arten von Bohrlöchern von der gerade gewählten Terminologie abweichen.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines rohrförmigen Teiles gemäß der Erfindung dargestellt und mit M bezeichnet. Gemäß der Darstellung befindet sich der rohrförmige Teil M an der Unterseite eines abgebogenen oder abgelenkten Bohrloches WB. Der Teil M umfaßt einen Rohrteil 10, der eine sich in Längsrichtung durch ihn erstreckende Bohrung B hat, und an jedem Ende einen Vorschweißverbinder TJ, die gemäß nachstehen­ der Beschreibung mit anderen Komponenten verbunden sind, um den Rohrteil 10 zu bilden. Das Verbinden kann auf irgendeine zweckentsprechende Weise ausgeführt werden, beispielsweise durch Schweißen o. dgl.

Der Vorschweißverbinder TJ an einem Ende des Rohrtei­ les 10 ist mit einer vergrößerten Bohrung 14 mit Innengewinde 11 versehen, und der Vorschweißverbinder TJ an dem anderen Ende des Rohrteiles 10 ist mit Außengewinde 12 versehen.

Der Rohrteil 10 umfaßt einen ersten Rohrabschnitt 15, der mit dem Vorschweißverbinder TJ an einem Ende des Rohrteiles 10 verbunden ist und sich von diesem erstreckt, und gemäß Fig. 3 erstreckt sich der erste Rohrabschnitt 15 von dem mit Innen­ gewinde 11 versehenen Vorschweißverbinder TJ. Es ist zu bemer­ ken, daß der bei 16 dargestellte Außendurchmesser des ersten Rohrabschnitts 15 kleiner ist als der Durchmesser des benach­ barten Vorschweißverbinders TJ und weiterhin kleiner ist als der Vorschweißverbinder TJ am anderen Ende des Rohrteiles 10.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein zweiter Rohrabschnitt 15′ nahe dem mit Außengewinde 12 versehenen Vor­ schweißverbinder TJ vorgesehen, und dieser zweite Rohrabschnitt 15′ kann den gleichen verringerten Außendurchmesser 16 wie der erste Rohrabschnitt 15 haben.

Ein vergrößerter Rohrabschnitt 20 erstreckt sich in Längsrichtung des Rohrteiles 10 kontinuierlich zwischen den beiden Rohrabschnitten 15 und 15′, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Der vergrößerte Rohrabschnitt 20 ist in irgendeiner zweckentsprechenden Weise zwischen den Rohrabschnitten 15 und 15′ angeschlossen, beispielsweise mittels Schweißen. Der ver­ größerte Abschnitt 20 hat einen Außendurchmesser 21, der größer als der Außendurchmesser der beiden Rohrabschnitte 15 und 15′ ist. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser 21 des vergrößerten Abschnitts 20 im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser 18 der Vorschweißverbinder, jedoch kann er sich innerhalb des nachstehend angegebenen Bereiches ändern. Der Innendurchmesser der Bohrung im Abschnitt 20 ist größer als der Innendurchmesser der Bohrung in den Abschnitten 15 und 15′, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist.

Fig. 3A stellt eine andere Ausführungsform des Teiles M dar, wobei für gleiche Teile wie in Fig. 3 gleiche Bezugszei­ chen verwendet sind. Der Teil M gemäß Fig. 3A umfaßt wiederum an jedem Ende eines Rohrteiles 10 einen Vorschweißverbinder TJ, wobei der eine Vorschweißverbinder Innengewinde 11 in der sich vergrößernden Bohrung 14 hat. Ein erster Rohrabschnitt 15 ist mit diesem Vorschweißverbinder TJ mit Innengewinde 11 verbunden und erstreckt sich von diesem in Längsrichtung. Bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 3A ist kein zweiter Abschnitt 15′ vorhan­ den, und der vergrößerte Abschnitt 20 ist mit dem Vorschweiß­ verbinder TJ mit Außengewinde 12 am anderen Ende des Rohrteiles 10 verbunden und erstreckt sich von dem ersten Abschnitt 15. Es ist zu bemerken, daß der erste Rohrabschnitt 15 mit verkleiner­ tem Durchmesser auch neben dem Vorschweißverbinder TJ mit Außengewinde 12 vorgesehen sein kann anstelle der Anordnung in Verbindung mit dem Vorschweißverbinder TJ mit Innengewinde 11 gemäß Fig. 3A. Der Durchmesser und die anderen physikalischen Verhältnisse zwischen den Vorschweißverbindern, dem Abschnitt 15 mit verkleinertem Durchmesser und dem vergrößerten Abschnitt 20 sind die gleichen, wie sie oben in Verbindung mit Fig. 3 be­ schrieben worden sind. In anderen Worten ausgedrückt, ist der vergrößerte kontinuierliche Abschnitt 20 gemäß Fig. 3A größer im Durchmesser als der erste Abschnitt 15, und bei der bevor­ zugten Ausführungsform ist der Durchmesser des vergrößerten Ab­ schnitts 20 im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Vor­ schweißverbinder, jedoch kann sich dieser Durchmesser ändern, wie es oben in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben ist.

In Fig. 4 ist ein Standardgestängerohr 25 darge­ stellt, um zu zeigen, was bisher allgemein verwendet wurde. Das übliche Gestängerohr weist an jedem Ende einen Vorschweißver­ binder TJ auf, dessen jeder mit einem Ende eines Abschnitts kleineren Durchmessers verbunden ist, der sich zwischen den Vorschweißverbindern TJ erstreckt.

Fig. 5 zeigt einen üblichen Bohrstrang an der Unter­ seite LS in einem typischen Bohrloch WB mit großem Winkel, und es ist zu bemerken, daß der Rohrteil 25 denjenigen Abschnitt darstellt, der sich zwischen den Vorschweißverbindern er­ streckt. Es ist weiter zu bemerken, daß ein beträchtlicher Ringraum A zwischen dem üblichen Gestängerohrabschnitt 25 gemäß Fig. 5 und dem Bohrloch WB vorhanden ist. Es ist, wie oben er­ wähnt, gefunden worden, daß in einem Bohrloch mit großem Winkel bei Verwendung eines üblichen Bohrstranges für das geschnittene Material das Bestreben besteht, sich von dem Bohrfluid zu tren­ nen, wenn es durch den Ringraum A hindurchgeht, und das geschnittene Material sammelt sich an der Unterseite des Bohr­ loches WB an. Das geschnittene Material ist mit C bezeichnet. Der Ringraum A über dem üblichen Bohrstrang gemäß Fig. 5 ist relativ groß, so daß die Geschwindigkeit des Bohrfluids durch den Ringraum A hindurch relativ niedrig ist, wodurch das ge­ schnittene Material C sich bequem absetzen kann und ein Anhaf­ ten bewirkt bzw. eine Erhöhung der Reibung und des Bestrebens zum Biegen, Verbiegen, Knicken o. dgl.

Fig. 6 zeigt den vergrößerten Rohrabschnitt 20 eines rohrförmigen Teiles M gemäß der Erfindung. Der Bohrstrang aus den Teilen M entsprechend der Erfindung liegt gemäß der Dar­ stellung an der Unterseite LS eines stark geneigten Bohrloches WB. Ein Bohrstrang in dieser Position, der eine Druckbelastung trägt, kann als ein an einem Ende eingespannter Balken bezeich­ net werden. Wenn eine genügend große Last angelegt wird, ver­ biegt sich der Balken oder knickt. Widerstand gegen Biegen oder Knicken kann erhalten werden durch eine zweckentsprechende Kom­ bination von Gewicht und Steifheit des Balkens. Insbesondere ist für einen gegebenen Spielraum zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch die kritische Last, bei welcher ein Biegen oder Knicken auftritt, eine Funktion der Quadratwurzel des Produktes aus Gewicht und Steifheit.

Übliche Gestängerohre mit Standardgewicht, wie sie beim Bohren von vertikalen Löchern verwendet werden, haben das geringste Gewicht und führen demgemäß zu geringster Reibung. Jedoch haben solche Gestängerohre mangelnde Steifheit und man­ gelndes Gewicht und sind daher einem Biegen oder Knicken stark unterworfen, so daß ihre praktische Benutzung begrenzt ist beim Übertragen hoher Druckbelastungen, um wirksames Bohren zu bewirken, insbesondere beim Bohren von stark abgelenkten Bohr­ löchern wie beim Bohren mit starker seitlicher Verschiebung und beim Bohren von horizontalen Löchern.

Wie oben erwähnt, sind Schwerstangen und Gestänge­ rohre hohen Gewichtes gestaltet, um dem Bohrer Gewicht und Steifheit beim vertikalen Bohren zu verleihen, und sie sind zumindest einem Biegen oder Knicken unterworfen, wobei allge­ mein die Steifheit der Schwerstangen weit oberhalb des nützli­ chen Wertes liegt und ihr Gewicht so hoch ist, daß hindernde Reibungskräfte sich ergeben. Der Widerstand gegen Biegen oder Knicken und die Gewichtsbelastung von Gestängerohren mit dicker Wand sind im wesentlichen geringer als bei Schwerstangen, und ihr Knickwiderstand kann das Zweifache von üblichen Rohren betragen, sie können jedoch das dreifache Gewicht oder ein noch höheres Gewicht haben, so daß bei Bohrlöchern mit großem Winkel dreifache Reibung erzeugt wird. Der Ordnung halber ist festzu­ stellen, daß unter einem großen Winkel ein Winkel des Bohrlo­ ches zu verstehen ist, der von der Vertikalen stark abweicht, wie es in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 4 und in Fig. 2 mit dem Bezugszeichen H dargestellt ist.

Bei üblichen Gestängerohren, die mittels Vorschweiß­ verbindern miteinander verbunden werden, stellen die Vor­ schweißverbinder den schwersten und starrsten Teil des Rohres dar und sie dienen dazu, die Stangenenden sicher gegen die Sei­ tenwände zu halten derart, daß die Stangenenden festgelegt wer­ den. Da der Rohrabschnitt, der sich zwischen den Vorschweißver­ bindern erstreckt, kleineren Durchmesser hat, ist er leichter und biegsamer, und eine Stirnbelastung führt zum Beginnen des Knickens des Rohrabschnitts zwischen den Vorschweißverbindern.

Die vorliegende Erfindung überwindet dies, indem eine Ausführung geschaffen ist, mit welcher die Steifheit zwischen den Vorschweißverbindern erhöht ist. Erreicht ist dies durch Schaffen des Abschnitts 20, dessen Durchmesser derart groß gewählt ist, wie es maximal mit guter Bohrpraxis für ein Bohr­ loch gegebenen Durchmessers verträglich ist. Gleichzeitig ist der Wandabschnitt des vergrößerten Abschnitts 20 auf einem Minimum gehalten, um das Gesamtgewicht dieser Ausführung zu minimieren.

In den Fig. 3 und 3A ist jeweils ein einzelner rohr­ förmiger Teil M dargestellt, der dazu verwendet wird, einen Bohrstrang zu bilden, wenn er mit anderen ähnlichen rohrförmi­ gen Teilen verbunden wird. Der rohrförmige Teil M hat einen Rohrabschnitt 15 nahe wenigstens einem der Vorschweißverbinder, und dieser Rohrabschnitt 15 hat einen zweckmäßigen Durchmesser in Abhängigkeit vom Gewicht und der Größe des Gestängerohres, um die Handhabung zu erleichtern und eine Beanspruchungsvertei­ lung während der Drehung in einem gebogenen Bohrloch zu ermög­ lichen. Es ist zu bemerken, daß die größte Biegung in einem rohrförmigen Teil in einem Bohrstrang in einem stark abgelenk­ ten Bohrloch an den Abschnitten mit kleinstem Durchmesser auf­ tritt, d. h. an den Abschnitten 15 und 15′ neben den Vorschweiß­ verbindern 11 und 12. Dieser Abschnitt kleineren Durchmessers wirkt dahingehend, die Spannungen bzw. Beanspruchungen an den Gewinden der Vorschweißverbinder aufzuheben, und demgemäß ist die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform die bevorzugte Aus­ führungsform.

Es ist nicht erforderlich, Abschnitte verkleinerten Durchmessers nahe beiden Vorschweißverbindern vorzusehen, ob­ wohl hierdurch eine Unterstützung dahingehend geschaffen wird, die Spannungen oder Beanspruchungen in den Gewindeteilen der Vorschweißverbinder aufzuheben, wie dies oben erläutert ist. Falls es gewünscht wird, kann, wie in Fig. 3A dargestellt, ein einzelner Abschnitt kleineren Durchmessers, nämlich der Ab­ schnitt 15, verwendet werden.

Eine Ausführung gemäß den Fig. 3 und 3A hat weitere Vorteile. Der Druck, der erforderlich ist, um das Bohrfluid durch den Bohrstrang umlaufen zu lassen, Energie zum unter Tage angeordneten Motor zu liefern und ausreichende Geschwindigkeit für das Reinigen des Bohrlochbodens und das Rückführen von ge­ schnittenem Material zur Oberfläche zuzuführen, beträgt typisch mehrere hundert kg/cm². Der Fließdruck an der Pumpe ist an der Erdoberfläche maximal und verringert sich beim Durchgang durch den Bohrstrang und die Schwerstangen und fällt dann beim Durch­ tritt durch den unter Tage angeordneten Motor stark ab, wo das Fluid verwendet wird. Am Bohrer fällt der Druck weiter ab. Der Druck an irgendeiner Stelle in dem Ringraum zwischen dem Bohr­ strang und dem Bohrloch ist immer niedriger als der Druck in­ nerhalb des Bohrstranges an der gleichen Stelle.

Das Fließdruckdifferential, d. h. der Unterschied zwi­ schen dem Druck in dem Bohrstrang und dem Druck des Bohrfluids in dem Ringraum im Bohrloch außerhalb des Bohrstranges beim Bohren, ist an der Oberfläche maximal und verringert sich auf ein Minimum am Bohrlochboden, wie es oben beschrieben ist.

Der Druck, der innerhalb des Bohrstranges wirkt, ist, wie gesagt, niedrigerer als der Druck im Ringraum zwischen dem Bohrloch und dem Bohrstrang, und durch diesen Druckunterschied wird auf den Bohrstrang eine Zugbeanspruchung ausgeübt. Diese Belastung stellt eine Vorbelastung dar entgegengesetzt zu irgendeiner Druck-Knick-Last, die an den Bohrstrang angelegt wird. Gemäß der Erfindung ist die Innenfläche des rohrförmigen Teiles M vergrößert bzw. maximiert über eine beträchtliche Er­ streckung des Rohrteiles 10. Diese Zug-Vorbelastung bei der Ausführung gemäß der Erfindung ist wesentlich vergrößert gegen­ über derjenigen, die auf ein übliches Gestängerohr wirkt, wel­ ches bisher zum Bohren in einem großen Winkel, d. h. zum Bohren mit starker seitlicher Verschiebung und zum horizontalen Boh­ ren, verwendet wird.

Beim horizontalen Bohren folgt die Knickkraft dem gleichen allgemeinen Muster wie es oben in bezug auf die Zug- Vorbelastung gesagt ist. Dies bedeutet, daß die Knickkraft beim horizontalen Bohren unmittelbar unter irgendwelchen Gewichts­ teilen, wie beispielsweise Schwerstangen, maximal ist und dann von dieser Stelle nach unten in dem Bohrstrang sich zunehmend verkleinert.

Die Ausführung gemäß der Erfindung führt zu einer Zug-Vorbelastung, die einem Knicken widersteht und sich direkt mit dem Bedarf für einen solchen Widerstand ändert. Beispiels­ weise ist durch Regeln des Ausganges der Bohrfluidpumpe der Widerstand gegen Knicken steuerbar. Wenn der Pumpendruck erhöht oder verringert wird, wird der hydraulische Knickwiderstand erhöht bzw. verringert. Insbesondere ist dann, wenn die Pumpe abgeschaltet wird, kein Druckdifferential bzw. keine Verstei­ fung, d. h. keine Zug-Vorbelastung vorhanden. Jedoch ist dies ein Vorteil, wenn der Bohrstrang in das Bohrloch eingeführt oder aus diesem zurückgezogen wird, da es erwünscht ist, daß der Bohrstrang biegsam ist, wenn er sich um eine Kurve bewegt, und es wird bevorzugt, daß während dieser Zeit keine Zugbela­ stung vorhanden ist.

Demgemäß ermöglicht es die Erfindung, daß ein Bohr­ strang, der durch rohrförmige Teile M gemäß der Erfindung gebildet ist, in seinem biegsamsten Zustand durch scharfe Krüm­ mungen und Unregelmäßigkeiten hindurchgeht. Dementsprechend kann der Rohrstrang in seinem starrsten Zustand verwendet wer­ den, wenn mit Druckbelastung gebohrt wird, indem der Pumpen­ druck geregelt wird, wie es erwünscht sein kann, um eine ge­ wünschte Zug-Vorbelastung an den Rohrstrang bzw. die rohrförmi­ gen Teile anzulegen, um einem Bestreben zum Knicken zu wider­ stehen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen anderen wichtigen Vor­ teil, der durch die Erfindung erzielt wird. Beim Schneiden oder Bohren entstehendes Material wird aus dem Bohrloch durch Fluid­ zirkulation entfernt, und wirksame Entfernung kann in großem Ausmaß von der Fließgeschwindigkeit des Fluids in dem Ringraum abhängen, der sich auf der Außenseite des Bohrstranges befin­ det. Bei der Erfindung, d. h. bei den rohrförmigen Teilen M, ist der größte Außendurchmesser derart gewählt, daß er sich im Ein­ klang mit üblichen Gewinnungs- bzw. Wiedergewinnungsarbeitswei­ sen befindet. Um minimales Gewicht zu erzielen, ist der Innen­ durchmesser weiterhin groß. Im Vergleich mit üblichen Gestänge­ rohren sind sowohl der Innendurchmesser als auch der Außen­ durchmesser am vergrößerten mittleren Abschnitt 20 des Rohrtei­ les 10 viel größer.

Aus den zuvor beschriebenen Merkmalen ergeben sich mindestens zwei Vorteile. Durch einen vergrößerten inneren Fließweg verringern sich die Druckverluste in dem Bohrstrang und für eine gegebene Pumpenkapazität ist ein größeres Fluidvo­ lumen möglich. Gleichzeitig wird durch den Abschnitt 20 mit vergrößertem Außendurchmesser der Ringraum auf der Außenseite des Abschnitts 20 größeren Durchmessers verkleinert, der sich über eine wesentliche Strecke zwischen den Vorschweißverbindern erstreckt. Die Kombination aus vergrößertem Fluidvolumen und verkleinerter Fließfläche in dem Ringraum führt zu einer Erhö­ hung der Geschwindigkeit des umlaufenden Fluids, wodurch eine Abtrennung von suspendierten Feststoffen in dem Ringraum A ver­ hindert wird. Dadurch wird das Reinigen in einem horizontalen Bohrloch verbessert.

Die Parameter, innerhalb von welchen die vorliegende Erfindung wirksam ist, werden nachstehend definiert. Der erste Rohrabschnitt 15 nahe einem Vorschweißverbinder TJ, oder nahe beiden Vorschweißverbindern TJ, hat einen Außendurchmesser, der kleiner als der Außendurchmesser des Vorschweißverbinders TJ ist. Der vergrößerte Rohrabschnitt 20, der sich zwischen dem Rohrabschnitt 15 oder den Rohrabschnitten 15, 15′ erstreckt, hat einen Außendurchmesser 21, der größer als der Außendurch­ messer des ersten Rohrabschnitts 15 bei der Ausführung gemäß Fig. 3A und größer als der Außendurchmesser der beiden Rohrab­ schnitte 15, 15′ bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist.

Das Gewicht des vergrößerten Rohrabschnitts 20 ist um nicht mehr als etwa 50% je Längeneinheit größer als das eines Abschnitts eines Gestängerohres, welches im wesentlichen die gleiche Länge wie der Rohrteil 10 und annähernd den gleichen Außendurchmesser und die gleiche Wanddicke wie der Rohrab­ schnitt 15 bzw. die Rohrabschnitte 15, 15′ hat.

Praktisch liegt der Außendurchmesser 21 des vergrö­ ßerten Abschnitts 20 im Bereich von annähernd 10% bis annähernd 100% über dem Außendurchmesser der Rohrabschnitte 15, 15′. Wei­ terhin ist die Wanddicke des vergrößerten Rohrabschnitts 20 um nicht mehr als annähernd 50% größer als die Wanddicke der klei­ neren Rohrabschnitte 15, 15′.

Die Länge des vergrößerten Rohrabschnitts 20 liegt im Bereich von annähernd 30% bis annähernd 90% der Gesamtlänge des Rohrteiles 10.

Der Innendurchmesser des vergrößerten Rohrabschnitts 20 liegt im Bereich von annähernd 10% bis annähernd 100% über dem Innendurchmesser der kleineren Rohrabschnitte 15, 15′. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Außendurchmesser des vergrößerten Rohrabschnitts 20 im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Vorschweißverbinder 11 und 12.

Der vergrößerte Rohrabschnitt 20 ist vorzugsweise gleichförmig, jedoch kann er in gewissen Fällen, falls es er­ forderlich ist, derart gestaltet werden, daß irgendein Bestre­ ben zum Anhaften an der Wand vermieden ist.

Der Rohrteil 10, der den rohrförmigen Teil M bildet, hat gewöhnlich eine Länge von annähernd 9,90 m (30 Fuß), jedoch kann er kürzer oder länger sein, falls dies gewünscht wird. Bei der angegebenen Gesamtlänge betragen bei einer bevorzugten Aus­ führungsform die Längen des ersten Rohrabschnitts 15, des zwei­ ten Rohrabschnitts 20, des dritten Rohrabschnitts 15′ und jedes Vorschweißverbinders 1,32 m, 6,60 m, 1,32 m und jeweils 33 cm. Dies stellt jedoch nur eine mögliche Ausführungsform dar.

Mit einem Gestängerohr gemäß der Erfindung ist eine Bohrstrangkomponente geschaffen, die zum Bohren von Bohrlöchern mit sehr großen Winkeln verwendet werden kann. Das Gestängerohr umfaßt einen mittleren Abschnitt 20 vergrößerten Durchmessers mit dünner Wand, dessen Außendurchmesser vorzugsweise gleich ist dem Außendurchmesser der Vorschweißverbinder TJ. Dieser mittlere Abschnitt 20 hat vorzugsweise eine Länge von annähernd 30% bis annähernd 90% der Gesamtlänge des Gestängerohres.

Die Ausführung gemäß der Erfindung ermöglicht die Verwendung in einem Bohrstrang zum Bohren von Bohrlöchern in sehr großem Winkel, und das Gestängerohr widersteht einer etwa um 50% höheren Druckbelastung als ein Gestängerohr mit gleichem Gewicht und gleichem Durchmesser wie der kleinere Abschnitt 15 über die gesamte Länge zwischen den Vorschweißverbindern.

Zusätzlich kann bei Verwendung eines Gestängerohres gemäß der Erfindung eine Zug-Vorbelastung in dem Bohrstrang hervorgerufen und gesteuert werden, die dazu dient, einer Knick-Druckbelastung zu widerstehen, die bei den Bohrvorgängen an den Bohrstrang angelegt wird, und dies kann erwünscht sein beim Bohren eines normalen Bohrlochs und auch beim Bohren eines abgelenkten Bohrloches. Die Verengung des Ringraums durch den vergrößerten Rohrabschnitt 20 dient zur Verringerung des Volu­ mens des Ringraumes des Bohrloches und ermöglicht eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Bohrfluids, wodurch das Bestreben besteht, ein Abtrennen von Teilchen aus geschnittenem Material aus dem Bohrfluid bei dessen Durchfluß zu verhindern.

Indem das Verhältnis des Gewichtes des vergrößerten Rohrabschnitts 20 je Längeneinheit zu einem Gestängerohrab­ schnitt, der im wesentlichen die gleiche Länge wie der Rohrteil 10 und im wesentlichen den gleichen Durchmesser und die Wand­ dicke wie der erste kleine Rohrabschnitt 15 hat, aufrechterhal­ ten oder beibehalten wird, und der Außendurchmesser des vergrö­ ßerten Rohrabschnitts 20 im Bereich von annähernd 10% bis annä­ hernd 100% über dem Außendurchmesser des ersten kleinen Rohrab­ schnitts 15 gehalten wird, werden die vorteilhaften Effekte der Zug-Vorbelastung in Gegenwart eines hydraulischen Differentials zwischen dem Bohrstrang und dem Ringraum erhalten, wobei wei­ terhin der Widerstand gegen Knicken des Bohrstranges unter Druckbeanspruchung verbessert ist.

Indem der Außendurchmesser des vergrößerten Rohrab­ schnitts 20 im Bereich von annähernd 10% bis annähernd 100% über dem Durchmesser des ersten kleineren Rohrabschnitts 15 ge­ halten wird und die Länge des größeren Rohrabschnitts 20 im Be­ reich von annähernd 30% bis annähernd 90% der Gesamtlänge des Rohrteiles 10 gehalten wird, werden die vorteilhaften Effekte erhalten des Steuerns der Geschwindigkeit der Bohrfluidströmung in dem Ringraum A und auch die vorteilhaften Bohrlochreini­ gungseffekte in dem Ringraum A.

Die rohrförmigen Teile bzw. Gestängerohre gemäß der Erfindung können gebildet werden, indem Vorschweißverbinder und Rohrabschnitte miteinander verbunden oder auf irgendeine andere dem Fachmann bekannte Art gebildet werden.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen möglich.

Claims (8)

1. Gestängerohr für einen Bohrstrang, umfassend einen Rohrteil (10), der an seinen beiden Enden mit einem Vorschweiß­ verbinder (TJ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrteil (10) einen vergrößerten Abschnitt (20) aufweist, der an einem Ende mit dem betreffenden Vorschweißverbinder (TJ) über einen ver­ kleinerten Abschnitt (15) verbunden ist, dessen Außendurchmes­ ser kleiner als der Außendurchmesser des vergrößerten Ab­ schnitts (20) und des Vorschweißverbinders (TJ) ist und dessen Innendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des vergrö­ ßerten Abschnitts (20) ist.

2. Gestängerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vergrößerte Abschnitt (20) an jedem Ende mit dem be­ treffenden Vorschweißverbinder (TJ) über einen verkleinerten Abschnitt (15 bzw. 15′) verbunden ist, dessen Außendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des vergrößerten Abschnitts (20) und des Vorschweißverbinders (TJ) und dessen Innendurch­ messer kleiner als der Innendurchmesser des vergrößerten Ab­ schnitts (20) ist.

3. Gestängerohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewicht des vergrößerten Abschnitts (20) je Längeneinheit um nicht mehr als etwa 50% größer als dasjenige eines Rohrabschnitts ist, welcher im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser und die gleiche Wanddicke wie der verkleinerte Abschnitt (15, 15′) hat.

4. Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des vergrößerten Abschnitts (20) annähernd 10% bis annähernd 100% größer als der Außendurchmesser des verkleinerten Abschnitts (15, 15′) ist.

5. Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des vergrößerten Ab­ schnitts (20) im Bereich von annähernd 30% bis annähernd 90% der Gesamtlänge des Rohrteiles (10) liegt.

6. Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des vergrößer­ ten Abschnitts (20) annähernd 10% bis annähernd 100% größer als der Innendurchmesser des verkleinerten Abschnitts (15, 15′) ist.

7. Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des vergrößer­ ten Abschnitts (20) dem Außendurchmesser der Vorschweißverbin­ der (TJ) entspricht.

8. Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des oder jedes verkleinerten Abschnitts (15, 15′) dem Innendurchmesser der Vor­ schweißverbinder (TJ) entspricht.