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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes
Verfahren zum Filtern von Bohrmeißel-Bruchstücken, -Spänen und anderen schleifenden
Gegenständen
aus einem Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang,
wie hierin definiert, in einem Öl-
oder Gasquellenbohrsystem und insbesondere einen am Bohrflüssigkeitsdurchgang,
wie hierin definiert, eines Turmbohrsystems, eines Top-Drive-Bohrsystems
oder eines Kraftdrehkopfs angebrachten oder darin aufgenommenen
Schlammfilter.
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HINTERGRUND
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Ein
Bohrstrang besteht aus mehreren miteinander verschraubten Bohrstangenabschnitten,
wobei jede Bohrstange eine Länge
von ungefähr
dreißig Fuß hat. Ein
Ende jeder Bohrstange hat ein Innengewinde (das "Kastenende" des Rohrs) und ein gegenüberliegendes
Ende jeder Bohrstange hat ein Außengewinde (das "Stiftende" des Rohrs). Eine
Folge von drei miteinander verschraubten Bohrstangen wird häufig als "Stand" von Bohrstangen
bezeichnet. Jede Folge von 3 Bohrstangen hat eine Länge von
ungefähr
90 Fuß.
Mehrere "Stands" von gebrauchsfertigen
Bohrstangen werden typischerweise vertikal von der Arbeitsbühne getragen
gelagert und ein einer häufig
als "Fingerboard" bezeichneten Einheit
festgehalten.
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Eine
Top-Drive-Tiefbohrvorrichtung umfasst typischerweise ein Top-Drive-System
(TDS). Das TDS umfasst eine röhrenförmige Hauptwelle,
von der ein unteres Ende mit einem oberen Ende eines Bohrstrangs
verschraubbar ist. Das TDS treibt den Bohrstrang drehend an und
bewegt sich während
eines Bohrvorgangs mit dem Bohrstrang auf- und abwärts. Das
TDS umfasst einen Motor zum Antreiben der Hauptwelle und damit des
Bohrstrangs während
eines Bohrvorgangs. Das TDS umfasst eine Einheit zum Aufnehmen von
Bohrflüssigkeit.
Während
des Bohrvorgangs wird die Bohrflüssigkeit
(häufig
als "Bohrschlamm" oder einfach "Schlamm" bezeichnet) durch
das TDS in den Bohrstrang und zum Bohrmeißel hinunter gepumpt, um Schmierung
für den
Bohrmeißel
bereitzustellen und dadurch den Bohrvorgang zu erleichtern. Während des
Rohrens sammeln sich jedoch Bohrmeißel-Bruchstücke, -Späne und andere schleifende Gegenstände (hierin
nachfolgend als Abfallprodukte bezeichnet) im Bohrschlamm. Die Abfallprodukte
können
beträchtlichen
Verschleiß an
den Innenflächen
des Bohrstrangs und des Bohrmeißels und
an Bohrparameter-Messvorrichtungen verursachen. Folglich ist es
wünschenswert,
den Bohrschlamm zu filtern, um die angesammelten Abfallprodukte
zu entfernen.
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Bei
herkömmlichen
Filtriersystemen wird ein Schlammfilter oder -sieb in das Kastenende
einer Folge von 3 Bohrstangen eingesetzt, die am Bohrstrang anzubringen
ist. Um den Filter einzusetzen, muss jedoch ein Ölarbeiter (häufig als "Roughneck" bezeichnet) die
ungefähr
90 Fuß zum
oberen Ende der Folge von 3 Bohrstangen gehoben werden. Dies wird
typischerweise erreicht, indem der Ölarbeiter in eine als Geschirr
bezeichnete Vorrichtung platziert wird. Dieses Verfahren ist sehr
gefährlich
und erzeugt eine unerwünscht
hohe Gefahr der schweren Verletzung oder des Tods des Ölarbeiters.
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Ein
Filtersystem und -verfahren gemäß den vorkennzeichnenden
Abschnitten der Ansprüche
ist aus
US-A-4495073 bekannt.
Ein Filtersystem ist außerdem
aus
US-A-5148880 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich daher auf
ein Filtersystem zum Filtern von Bohrmeißel-Bruchstücken, -Spänen und anderen schleifenden
Gegenständen
aus einem Bohrschlamm, der durch ein Öl- oder Gasquellenbohrsystem
geleitet wird. Das System umfasst ein Turmbohrsystem, einen mit
dem Turmbohrsystem verbundenen Bohrstrang und einen Schlammfilter
zum Filtern des Bohrschlamms. Der Schlammfilter ist in einem Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang
angeordnet, der sich von der Eintrittsstelle des Bohrschlamms in das
Turmbohrsystem zur Eintrittsstelle des Bohrschlamms in den Bohrstrang
erstreckt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das System weiter ein Schonstück mit einem oberen Ende, das
mit dem Turmbohrsystem verbunden wird und einem unteren Ende, das
mit einem Bohrstrang verbunden wird.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Verfahren
zum Filtern von Bohrmeißel-Bruchstücken, -Spänen und
anderen schleifenden Gegenständen
aus einem Bohrschlamm, der durch ein Öl- oder Gasquellenbohrsystem
geleitet wird. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Bohrstrangs,
das Bereitstellen eines Turmbohrsystems, das den Bohrstrang drehend
antreibt, das Bereitstellen eines Schlammfilters zum Filtern des
Bohrschlamms und das Positionieren des Schlammfilters in einem Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang,
der sich von der Eintrittsstelle des Bohrschlamms in das Turmbohrsystem
und der Eintrittsstelle des Bohrschlamms in den Bohrstrang erstreckt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren weiter das Bereitstellen eines Schonstücks mit
einem inneren Flüssigkeitsdurchgang,
der einen Abschnitt des Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgangs bildet,
das Anbringen eines oberen Endes des Schonstücks an dem Turmbohrsystem und
das Anbringen eines unteren Endes des Schonstücks an dem Bohrstrang.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind
besser verständlich
unter Verweis auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung bei Betrachtung
zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen, wobei:
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1 ein
Schema einer Top-Drive-Bohrvorrichtung mit einem Top-Drive-System,
einem Schonstück
und einem Bohrstrang ist;
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2 ein
Schema eines Abschnitts von 1 ist, das
ein unteres Ende des Top-Drive-Systems,
das Schonstück
und ein oberes Ende des Bohrstrangs zeigt;
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3 eine
Frontansicht des Schonstücks von 1 ist;
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4A ist
eine Frontansicht eines Schlammfilters gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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4B ein
Längsschnitt
des Schlammfilters von 4A ist;
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5 einen
Längsschnitt
des Schlammfilters von 4 zeigt, der
im Schonstück
von 3 angeordnet ist, eine Anordnung, die nicht der
vorliegenden Erfindung entspricht;
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6 ein
teilweiser Querschnitt eines Abschnitts eines Degenrohrs mit einem
darin angeordneten Filter ist;
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7 eine
Frontansicht einer weiteren Ausführungsform
des Schlammfilters gemäß der Erfindung
ist; und
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8 ein
Schema einer Top-Drive-Bohrvorrichtung mit einem in einem S-Rohr
angeordneten Schlammfilter ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes
Verfahren zum Filtern von Bohrmeißel-Bruchstücken, -Spänen und anderen schleifenden
Gegenständen
(hierin nachfolgend als Abfallprodukte bezeichnet) aus einem Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang,
wie nachfolgend definiert, in einem Öl- oder Gasquellenbohrsystem und
insbesondere einen am Bohrflüssigkeitsdurchgang,
wie nachfolgend definiert, eines Turmbohrsystems, eines Top-Drive-Bohrsystems
oder eines Kraftdrehkopfs angebrachten oder darin aufgenommenen Schlammfilter.
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1 veranschaulicht
eine Top-Drive-Tiefbohrvorrichtung 10, die in einem Bohrvorgang
an einer Öl-
oder Gasquelle verwendet wird. Die Bohrvorrichtung 10 wird
strukturell von einem Bohrturm 11 getragen. Die Bohrvorrichtung 10 umfasst
mehrere mechanische Komponenten, einschließlich: ein Haken 13,
ein am Haken 13 angebrachtes Top-Drive-System (TDS) oder
Turmbohrsystem 23, ein am TDS 23 angebrachtes
Schonstück 24,
ein am Schonstück 24 angebrachter
Bohrstrang 19 und ein am Bohrstrang 19 angebrachter
Bohrmeißel 20.
In einer Ausführungsform,
wie in 1 gezeigt, umfasst das TDS 23 eine Degenrohrhaube 14,
einen Schwanenhals 15, der sich von der Degenrohrhaube 14 erstreckt,
ein S-Rohr 18, das mit dem Schwanenhals 15 verbunden
wird, eine Hauptwelle 16 und ein Motorgehäuse 17.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die mechanischem
Komponenten gemeinsam an einem Flaschenzugblock 12 aufgehängt, der zulässt, dass
sich die mechanischen Komponenten auf mit dem Bohrturm 11 verbundenen
Schienen 22 aufwärts
und abwärts
bewegen, um die Vertikalbewegung der mechanischen Komponenten zu
führen. Die
Hauptwelle 16 erstreckt sich durch das Motorgehäuse 17 und
ist mit dem Bohrstrang 19 verbunden.
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Während des
Betriebs dreht ein im Motorgehäuse 17 eingeschlossener
TDS-Motor die Hauptwelle 16,
die ihrerseits den Bohrstrang 19 und den Bohrmeißel 20 dreht.
Die Drehung des Bohrmeißels 20 erzeugt
ein Bohrloch 21. Bohrflüssigkeit
(auch als Bohrschlamm oder Schlamm bezeichnet), die von einem drehbaren
Schlauch 25 (siehe 8), der
mit dem S-Rohr 18 verbunden ist, gepumpt wird, läuft zum
Bohrmeißel 20 und
schmiert den Bohrmeißel 20, um
den Bohrbetrieb zu erleichtern. Der Schlammfilter 26 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in einem Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang 8 platziert,
um Abfallprodukte zu sammeln, die sich während des Bohrvorgangs im Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang
ansammeln.
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Wie
er hierin verwendet wird, bedeutet der Begriff "Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang" einen Durchgang,
durch den sich Bohrschlamm während eines
Bohrvorgangs bewegt, der sich vom Eintritt des Bohrschlamms in das
TDS 23 erstreckt und am Eintritt des Bohrschlamms in das
Kastenende des Bohrstrangs 19 endet, das am TDS 23 angebracht
ist. Beispielsweise erstreckt sich in einer Ausführungsform der Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang 8 von
der Verbindung des drehbaren Schlauchs 25 und des S-Rohrs 18,
verläuft
weiter durch das S-Rohr 18, den Schwanenhals 15,
das Degenrohr 14, das TDS 23, die Hauptwelle 16 und
das Schonstück 24 und
endet am Anschluss des Schonstücks 24 am
Bohrstrang 19. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch
eine oder mehrere der im vorangehenden Beispiel aufgeführten Komponenten
weggelassen werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform
das TDS 23 ohne Verwendung des Schonstücks 24 direkt mit
dem Bohrstrang 19 verbunden sein.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der ein Schonstück am Bohrsystem vorhanden
ist, wie in 2 gezeigt, ist das TDS 23 mit dem
Schonstück 24 verschraubt,
das seinerseits mit dem Bohrstrang 19 verschraubt ist.
Obwohl das TDS 23 direkt mit dem Bohrstrang 19 verbunden
sein kann, ist bei den meisten Arbeiten das Schonstück 24 zwischen
dem TDS 23 und dem Bohrstrang 19 angebracht, um
das Gewinde des TDS 23 zu "schonen".
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Wenn
beispielsweise das TDS 23 direkt mit dem Bohrstrang 19 verbunden
wäre und
das Gewinde des TDS 23 beschädigt, verschlissen oder anderweitig
defekt wäre,
müsste
die Hauptwelle 16 des gesamten TDS 23 ausgetauscht
werden. Im Gegensatz dazu ist das Schonstück 24 ein Opferteil,
das leicht ausgetauscht werden kann, wenn seine Gewinde verschleißen, beschädigt sind
oder anderweitig defekt sind. Folglich wird das Schonstück 24 zwischen dem
TDS 23 und dem Bohrstrang 19 angeschlossen, um
das Gewinde im TDS 23 zu schützen und die nutzbare Lebensdauer
des TDS 23 zu verlängern.
In einer Ausführungsform
besteht das Schonstück 24 aus
einem sehr harten Material, etwa einem hochlegierten Stahl, beispielsweise
AISI 4340.
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Wie
in 2, 3 und 5 gezeigt,
ist das Schonstück 24 eine
allgemein zylindrische hohle Röhre
mit einem allgemein zylindrischen hohlen Inneren 42, das
einen inneren Flüssigkeitsdurchgang definiert,
der einen Abschnitt des Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgangs 8 bildet.
Die Größe des Schonstücks 24 kann
variieren, allgemein hat es jedoch eine Länge in einem Bereich von ungefähr 14 Zoll
bis ungefähr
17 Zoll. In der in 2 dargestellten Ausführungsform
umfasst das Schonstück 24 ein
oberes Ende 27 mit Außengewinde,
das mit einem unteren Ende 28 des TDS 23 mit Innengewinde
zusammenpasst und ein unteres Ende 30 mit Außengewinde, das
zu einem oberen Ende 32 mit Innengewinde (Kastenende) des
Bohrstrangs 19 zusammenpasst. Wie gezeigt, kann ein Körperabschnitt 34 zwischen den
Gewindeabschnitten 27 und 30 des Schonstücks 24 angeordnet
werden, um das Schonstück 24 mit struktureller
Festigkeit auszustatten.
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Wie
in 4A–4B gezeigt,
ist in einer Ausführungsform
der Schlammfilter 26 allgemein zylindrisch und besitzt
einen sich in Längsrichtung
erstreckenden Hohlraum 44, der sich von einem oberen Ende 36 des
Schlammfilters 26 zu einem unteren Ende 46 des
Schlammfilters 26 erstreckt. Der sich in Längsrichtung
erstreckende Hohlraum 44 wird durch einen Abstand zwischen
den Schlammfilter-Seitenwänden 48 definiert.
Die Schlammfilter-Seitenwände 48 erstrecken
sich vom oberen Ende 36 des Schlammfilters 26 zum
unteren Ende 46 des Schlammfilters 26 und enden
an einer Schlammfilter-Bodenwand 50.
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Der
Schlammfilter 26 ist zumindest teilweise porös, um den
Bohrschlamm hindurchzulassen, wobei jedoch die Abfallprodukte daran
gehindert werden, hindurch zu gelangen. Beispielsweise umfassen beispielhafte
poröse
Strukturen für
den Schlammfilter 26 unter anderen geeigneten porösen Strukturen
ein Metallgittermaterial, mehrere geschweißte Metallstäbe oder
ein allgemein solides Material mit mehreren durch dieses hindurch
gestochenen Öffnungen.
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In
der in 4A und 4B dargestellten Ausführungsform
umfasst der Schlammfilter 26 ein solides Stahlmaterial,
wie beispielsweise Edelstahl, mit mehreren durch dieses hindurch
gestochenen Öffnungen 52.
In dieser Ausführungsform
ist der Schlammfilter 26 außerdem nach unten hin verjüngt, um
einen zunehmenden Durchmesser zum oberen Ende 36 des Schlammfilters 26 hin
zu ermöglichen, so
dass ein verbesserter Fluss des Bohrschlamms durch den Schlammfilter 26 ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform
sind die Öffnungen
allgemein kreisförmig
mit einem Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 2 Zoll bis ungefähr 4 Zoll.
Wie beim Schonstück 24 kann
die Größe des Schlammfilters
variieren, er hat jedoch allgemein eine Länge in einem Bereich von ungefähr 12 Zoll
bis ungefähr
18 Zoll.
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5 zeigt
eine nicht der vorliegenden Erfindung entsprechende Anordnung, in
der der Schlammfilter 26 im Schonstück 24 aufgenommen ist.
Bei dieser Anordnung enthält
das obere Ende 36 des Schlammfilters 26 einen
ringförmigen Ring 38, der
mit einer ringförmigen
Aussparung 40 im oberen Ende 27 des Schonstücks 24 zusammenpasst.
Der ringförmige
Ring 38 des Schlammfilters 26 kann ein Dichtungselement,
wie beispielsweise eine O-Ring-Dichtung (nicht abgebildet) umfassen,
das gegen die ringförmige
Aussparung 40 des Schonstücks 24 zusammengedrückt wird,
um eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung
zu bilden.
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In
einer weiteren nicht der Erfindung entsprechenden Anordnung, haben
der ringförmige
Ring 38 des Schlammfilters 26 und die ringförmig Aussparung 40 des
Schonstücks 24 ausreichend
enge Toleranzen, um die Abfallprodukte daran zu hindern, zwischen
dem ringförmigen
Ring 38 und der ringförmigen
Aussparung 40 am Schlammfilter 26 vorbei zu fließen. Beispielsweise
können
der ringförmige
Ring 38 und die ringförmige
Aussparung 40 Toleranzen in einem Bereich von ungefähr plus
oder minus 0,002 Zoll bis ungefähr
plus oder minus 0,005 Zoll haben, um sicherzustellen, dass kein
Austreten der Abfallprodukte stattfindet.
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Obwohl
in diesen Anordnungen der Schlammfilter 26 so im Schonstück 24 aufgenommen sein
kann, dass die Schlammfilter-Bodenwand 50 aus dem unteren
Ende 30 des Schonstücks 24 ragt, ist
es in anderen nicht der vorliegenden Erfindung entsprechenden Anordnungen,
bei denen die Schlammfilter-Bodenwand 50 nicht aus dem
unteren Ende 30 des Schonstücks 24 ragt, weniger
wahrscheinlich, dass die Schlammfilter-Bodenwand 50 beschädigt wird,
wenn das Schonstück 24 an
der Top-Drive-Tiefbohrvorrichtung 10 angebracht, von ihr gelöst oder
anderweitig darin bewegt wird.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird der Schlammfilter 26 im Degenrohr 14 aufgenommen,
wie beispielsweise in 6 gezeigt. Der Schlammfilter 26 kann,
wie vorangehend in Bezug auf die Positionierung des Schlammfilters 26 im Schonstück 24 beschrieben,
im Degenrohr 14 aufgenommen werden. Die Platzierung des
Schlammfilters 26 im Degenrohr 14 bietet den Vorteil,
dass die Länge
des Schlammfilters 26 länger
ausgeführt
werden kann, als die vorangehend beschriebene. Beispielsweise kann
der Schlammfilter 26 in Ausführungsformen, in denen der
Schlammfilter 26 im Degenrohr 14 platziert ist,
eine Länge
in einem Bereich von ungefähr
12 Zoll bis ungefähr
36 Zoll haben.
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7 zeigt
eine Ausführungsform
des Schlammfilters 26 mit einem oberen Abschnitt 29,
der nicht porös
ist, und einem unteren Abschnitt 31, der porös ist. Die
poröse
Struktur des unteren Abschnitts 31 kann beliebige der vorangehend
beschriebenen porösen
Strukturen umfassen. Diese Ausführungsform
ist beispielsweise dann nützlich,
wenn der Schlammfilter 26 im Degenrohr 14 aufgenommen
ist und ein oberer Abschnitt des Degenrohrs einen gekrümmten Schwanenhals 15 umfasst.
Die Krümmung
des Schwanenhalses 15 verursacht eine erhöhte Turbulenz
im Fluss des Bohrschlamms. Infolgedessen ist es vorteilhaft, wenn
der obere Abschnitt 29 des Schlammfilters 26 aus
einem nicht porösen Material
besteht, um die strukturelle Festigkeit des oberen Abschnitts 29 des
Schlammfilters 26 zu erhöhen, so dass die Turbulenz
im Bohrschlamm den Schlammfilter 26 nicht zerbricht.
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8 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei der der Schlammfilter 26 im S-Rohr 18 aufgenommen
ist. Der Schlammfilter 26 kann, wie vorangehend in Bezug
auf die Positionierung des Schlammfilters 26 im Schonstück 24 beschrieben,
im S-Rohr 18 aufgenommen werden.
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Diese
Erfindung richtet sich außerdem
auf ein Verfahren zum Filtern von Bohrschlamm unter Verwendung der
vorangehend beschriebenen Vorrichtung. In dieser Ausführungsform
wird während
eines Bohrvorgangs der Bohrschlamm durch den Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang 8 gepumpt. Wenn
der Bohrschlamm in den sich in Längsrichtung erstreckenden
Hohlraum 44 des Schlammfilters 26 eintritt, lässt der
Schlammfilter 26 den Schlamm durch die Schlammfilter-Seitenwände 48 und
-Bodenwand 50 hindurch treten, lässt jedoch die Abfallprodukte
nicht durch die Schlammfilter-Seitenwände 48 und -Bodenwand 50 hindurch
treten. Wenn sich die Abfallprodukte in dem sich in Längsrichtung
erstreckenden Hohlraum 44 des Schlammfilters 26 ansammeln
oder "stapeln", nimmt der Druck
des Bohrschlamms zu. Wenn der Druck im Bohrschlamm ein Niveau erreicht,
dass darauf hinweist, dass der sich in Längsrichtung erstreckende Hohlraum 44 des Schlammfilters 26 im
Wesentlichen durch die Abfallprodukte gefüllt ist, wird ein neuer Schlammfilter 26 in den
Bohrschlamm-Flüssigkeitsdurchgang
eingesetzt, beispielsweise in das Degenrohr 14, das S-Rohr 18 oder
das Schonstück 24.
Dieser Prozess des Einbauens und Austauschens des Schlammfilters 26 kann
nach Bedarf während
des Bohrprozesses wiederholt werden.
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Obwohl
vorangehend ein Top-Drive-System beschrieben wurde, kann in alternativen
Ausführungsformen
ein beliebiges geeignetes Turmbohrsystem verwendet werden, wie beispielsweise
ein Kraftdrehkopf. Es ist zu beachten, dass die hierin beschriebenen
und abgebildeten Ausführungsformen lediglich
beispielhaft sind und nicht als Einschränkungen des Umfangs der vorliegenden
Erfindung zu betrachten sind. Abweichungen und Abwandlungen können gemäß dem Umfang
der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden. Daher soll die Erfindung
nicht durch die speziellen Merkmale der bevorzugten Ausführungsformen,
wie offenbart, definiert werden, sondern durch den Umfang der nachfolgenden
Patentansprüche.