DE69808139T2

DE69808139T2 - Verfahren zum herstellen und verrohren von ölproduktionsbohrlöchern

Info

Publication number: DE69808139T2
Application number: DE69808139T
Authority: DE
Inventors: Christianus Lohbeck; Franz Marketz; Bruce Stewart
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2018-12-29
Also published as: NO20003402L; WO1999035368A1; EP1044316A1; JP4085403B2; EA002563B1; CA2316978A1; EP1044316B1; EA200000724A1; JP2002500306A; DE69808139D1; NO322486B1; NZ505059A; MY129529A; AU2418699A; BR9814563A; CA2316978C; OA11527A; DK1044316T3; AU740213B2; NO20003402D0

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bohren und Verrohren eines Bohrloches für die Kohlenwasserstofförderung, wie eines Bohrloches für die Förderung von Öl und/oder Gas.
Traditionell werden Bohrlöcher für die Kohlenwasserstofförderung dadurch hergestellt, daß zuerst ein großer Bohrlochabschnitt gebohrt wird, in den ein großdurchmeßriges Futter eingesetzt und einbetoniert wird, um die Bohrlochwand zu stabilisieren. Danach werden Bohrlochverlängerungen kleineren Durchmessers gebohrt, und ein Futter wird in die Verlängerung derart eingesetzt, daß sich dieses weitere Futter vom unteren Ende der Verlängerung zur Oberseite des Bohrloches erstreckt, worauf dieses weitere Futter innerhalb der Bohrlochverlängerung und auch innerhalb des vorher gesetzten Futters einbetoniert wird.
Dieses Verfahren wird wiederholt, bis das Bohrloch die Nähe der kohlenwasserstofführenden Formation erreicht. Wenn diese Formation instabil ist, wird das Futter in die Formation erstreckt und danach perforiert, um das Einströmen von Kohlenwasserstoffen zu ermöglichen. Wenn die kohlenwasserstoffführende Formation stabil ist, wird im wesentlichen ein offenes Loch erzeugt, in welches eine durchlässige Förderauskleidung eingesetzt und beispielsweise von einer Packung aus Kies umgeben wird.
Die Förderauskleidung ist allgemein mit dem unteren Ende einer Förderverrohrung verbunden, welche durch den Futterstrang derart abgesenkt wird, daß sie sich über die Länge des Bohrloches vom Bohrlochkopf bis zur Nähe der kohlenwasserstofführenden Formation erstreckt, wo die Verrohrung abdichtend an dem Futter mittels eines Förderdichtstückes festgelegt wird.
Da die Bohrlochwand und die Innenfläche eines zuvor installierten Futters unregelmäßig und das Bohrloch signifikant gekrümmt sein kann, ist ein Spiel zwischen den verschiedenen Futtern und der Förderverrohrung erforderlich, welches zu einer signifikanten Menge an unproduktivem Ringraum und zu redundanter Bohrarbeit führt.
Typischerweise ist in einem Bohrloch für die Kohlenwasserstofförderung der Durchmesser des oberen Teiles des Bohrloches nahe dem Erdboden und der Innendurchmesser des oberen Teiles des Futters größer als ein halber Meter, wogegen der Innendurchmesser der Förderverrohrung, durch welche die Kohlenwasserstoffe gefördert werden, zwischen 10 und 25 cm beträgt.
Es sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden, um das Ausmaß von unproduktivem Ringraum in Bohrlöchern zu reduzieren. Die US Patente Nrn. 3,162,245; 3,203,483 und 5,014,779 offenbaren die Verwendung von ursprünglich gewellten Rohren, die gegen die Innenseite eines Futters durch einen Expansionsdorn oder eine Kugel zu einer zylindrischen Form expandiert werden. Ein Nachteil der Verwendung von gewellten Rohren besteht darin, daß sie schwierig herzustellen sind und daß die Wand der expandierten Rohre über ihren Umfang ungleichmäßige Festigkeit haben kann, was ihre Verläßlichkeit reduziert.
Die internationale Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer WO 93/25799 offenbart die Verwendung eines im wesentlichen zylindrisch geformten Futters, welches durch einen Expansionsdorn gegen die Bohrlochwand expandiert wird, um eine Druckkraft zwischen dem Futter und der umgebenden Formation zu erzeugen.
Dieses bekannte expandierbare Futter kann zwischen einem Oberflächenfutter im oberen Teil des Bohrloches und einem Förderfutter im unteren Teil des Bohrloches angeordnet sein. Da das Oberflächenfutter und das Förderfutter im unteren Teil des Bohrloches nicht expandiert werden, umfaßt diese bekannte Futtertechnik noch immer entweder die Verwendung von konventionellen Futterteilen, die das Bohren eines überdimensionalen Bohrloches erfordern, oder die Expansion eines Futterstranges, der eingesetzt und expandiert wird, nachdem die gesamte Länge des Bohrloches gebohrt worden ist, was nicht immer möglich ist.
Die französische Patentanmeldung Nr. 2 741 907 offenbart ein Bohrlochauskleidungsverfahren, bei welchem ein flexibler Schlauch verwendet wird, welcher nach dem Einsetzen in das Bohrloch aufgeblasen wird, indem eine schwere Flüssigkeit eingespritzt und nachfolgend durch Polymerisation ausgehärtet wird. Eine Schwierigkeit dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß ein zweistufiger Aufweitungs- und chemischer Aushärtvorgang zeitaufwendig ist und ein fragiles Rohr erzeugt wird, das unregelmäßige Festigkeit und Form haben kann.
Das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus dem US Patent No. 5,348,095 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden Futterabschnitte, die aus einem verformbaren Material hergestellt sind, unter Anwendung eines Expansionskonus, welcher einen halben Scheitelwinkel zwischen 30º und 45º definiert, derart expandiert, daß auch die Bohrlochbohrung und die umgebende Formation expandiert werden. Die Verwendung eines relativ einfachen Expansionskonus und die Verformung der umgebenden Formation erzeugt hohe Biegekräfte während des Expansionsvorganges, die leicht eine unregelmäßige Expansion und sogar einen Bruch des Futters verursachen können.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bohren und Verrohren eines Bohrloches für die Kohlenwasserstofförderung zu schaffen, bei welchem ein Futter installiert oder verlängert werden kann, um die Bohrlochwand gegen Einstürzen während der verschiedenen Phasen des Bohrvorganges zu schützen, und bei welchem die Installation sowohl des Futters als auch der Förderverrohrung derart vorgenommen werden kann, daß über zumindest einen wesentlichen Teil der Bohrlochlänge die akkumulierte Breite der Ringräume zwischen der Verrohrung, dem Futter bzw. den Futtern und der umgebenden Formation auf einem Minimum gehalten wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines Bohrloches zu schaffen, bei welchem die Menge an für das Futter und die Verrohrung des Bohrloches erforderliche Stahlaufwand auf einem Minimum gehalten wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die nacheinander eingesetzten und im Bohrloch expandierten Futter in radialer Richtung plastisch expandiert werden, indem ein Expansionsdorn mit einer verjüngten Keramikfläche, welche einen halben Scheitelwinkel A zwischen 15º und 30º definiert, in einer Längsrichtung hindurchgeführt wird.
Vorzugsweise erstreckt sich nur das erste Futter von der Erdoberfläche in das Bohrloch, und jedes nachfolgende Futter überlappt ein vorher gesetztes Futter nur teilweise.
In einem solchen Fall wird es bevorzugt, daß die Länge, über welche die nachfolgenden Futterabschnitte einander überlappen, kleiner als 10% der Länge jedes Futters ist, und auch, daß entlang zumindest eines wesentlichen Teiles der Länge des Bohrloches von der Erdoberfläche bis zur Nähe der kohlenwasserstofführenden Formation die Durchmesservariation des Bohrloches kleiner als 10% ist.
In diesem Fall wird ein schlankes Bohrloch von nahezu gleichmäßigem Durchmesser über die gesamte Länge erzeugt, welches mit einem Minimum an Bohraufwand und an im Bohrloch zu installierendem Stahlaufwand gebohrt wird.
In manchen Umständen kann es noch immer erforderlich sein, daß sich zumindest zwei Futter, die nacheinander in das Bohrloch eingesetzt werden, bis zum Bohrlochkopf erstrecken.
Es wird außerdem bevorzugt, daß nach der Installation der Futter eine Förderverrohrung in das Bohrloch derart eingesetzt wird, daß sich die Förderverrohrung von der Erdoberfläche bis zur Nähe der kohlenwasserstofführenden Formation erstreckt; die Verrohrung wird radial innerhalb des Stranges von expandierten Futtern expandiert.
Geeignete Futter und gegebenenfalls Verrohrungen werden in radialer Richtung plastisch expandiert, indem ein Expansionsdorn in einer Längsrichtung hindurchbewegt wird, und sie sind aus einer formbaren Stahlqualität, die einer Kaltverformung unterliegt, ohne daß irgendeine Einschnürung und Verformungsbrüche als Ergebnis des Expansionsvorganges auftreten, und wobei ein Expansionsdorn verwendet wird, der entlang eines Teiles seiner Länge eine verjüngte nichtmetallische Fläche aufweist.
In diesem Fall wird es bevorzugt, daß der Expansionsdorn eine verjüngte Keramikfläche hat und daß die Verrohrung und die Futter aus formbarem Stahl bestehen, der ein Verhältnis von Formänderungsfestigkeit - Zugfestigkeit hat, das kleiner als 0,8 ist und eine Formänderungsfestigkeit von zumindest 275 Mpa hat.
Es wird auch bevorzugt, daß die Förderverrohrung und zumindest eines der Futter aus einem Rohr bestehen, das in das Bohrloch eingesetzt wird, indem das Rohr von einer Trommel abgezogen wird.
Alternativ kann das Förderrohr und/oder zumindest eines der Futter aus einer Reihe von Rohrabschnitten, bestehen, die am Bohrlochkopf durch Schraubverbindungen, Schweißen oder Kleben miteinander verbunden werden, um ein langgestrecktes Rohr mit im wesentlichen zylindrischer Form zu bilden, das gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung expandiert und im Bohrloch installiert werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detaillierter beschrieben, welche zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Bohrloches mit einer Reihe von radial expandierten Futtern im wesentlichen einheitlichen Durchmessers, die gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung installiert worden sind;
Fig. 2 das Bohrloch nach Fig. 1, in welchem eine Förderverrohrung innerhalb der Reihe von Futtern expandiert worden ist;
Fig. 3 einen Längsschnitt einer Reihe von teleskopartig expandierten Futtern und einer Förderverrohrung, die gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung installiert worden sind; und
Fig. 4 einen Längsschnitt einer Förderverrohrung, die im Bohrloch durch einen Expansionsdorn expandiert worden ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Bohrloch 1 gezeigt, das sich von der Erdoberfläche 2 durch eine Anzahl von Untergrundformationsschichten 3, 4, 5 und 6 in eine Öl- und/oder gasführende Formationsschicht 7 erstreckt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß ein Futter 8, 9, 10 oder 11 eingeführt werden muß, um das Bohrloch 1 jedes Mal gegen Einstürzen abzustützen, wenn das Bohrloch 1 eine Zwischenschicht 12, 13, 14 oder 15 zwischen unterschiedlichen Formationsschichten 3, 4, 5, 6 oder 7 überschritten hat.
Dementsprechend wird anfänglich der erste und obere Abschnitt 1A des Bohrloches 1 gebohrt, und nachdem die Zwischenschicht 12 erreicht ist, das obere Futter 8 in den oberen Bohrlochabschnitt 1A eingesetzt und mittels eines Expansionsdornes 16 radial expandiert. Das expandierte Futter 8 kann an der Bohrlochwand mit Hilfe eines ringförmigen Körpers (nicht gezeigt) aus Beton oder einem Bindemittel festgelegt werden. Alternativ kann das expandierte Futter 8 an der Bohrlochwand durch Reibung festgelegt werden. Eine solche Reibung kann erzeugt werden, indem die Außenfläche des Futters 8 mit Spikes (nicht gezeigt) versehen wird und/oder durch radiales Einpressen des Futters in die Formation 3.
Danach wird der Bohrstahl durch das obere Futter 8 zum Boden des ersten Bohrlochabschnittes 1A abgesenkt, und der zweite Abschnitt 1B des Bohrloches 1 wird gebohrt. Nachdem die nächste Zwischenschicht 13 erreicht ist, wird das zweite Futter 9 durch das erste Futter 8 hindurch zum Boden des zweiten Bohrlochabschnittes 1B abgesenkt und mittels des Expansionsdornes 16 radial expandiert.
Sobald der Expansionsdorn 16 jene Zone erreicht, in welcher die Futter 8 und 9 einander koaxial überlappen, wird das zweite Futter 9 das erste Futter 8 weiter aufweiten, wodurch eine starke Bindung und Abdichtung durch Reibungs- und Druckkräfte erzeugt werden. Um die erhöhten Expansionskräfte in der Überlappungszone abzuschwächen, ist die Länge, über welche die Futter 8 und 9 einander überlappen, relativ klein, vorzugsweise beträgt sie weniger als 10% der Länge des kürzesten Futters 8 bzw. 9, und die Unterseite des oberen Futters 8 kann vorexpandiert und/oder mit Schlitzen oder Nuten (nicht gezeigt) versehen sein, die sich während des Expansionsvorganges aufweiten oder brechen.
Das zweite Futter 9 wird an der Bohrlochwand auf die gleiche Weise wie das erste Futter 8 festgelegt. Außerdem werden der zweite und jeder weitere Bohrlochabschnitt 1B, 1C und 1D mittels eines Nachbohrers gebohrt, der befähigt ist, die gesamte Länge des Bohrloches 1 mit im wesentlichen dem gleichen Durchmesser zu bohren.
Danach werden der dritte und der vierte Bohrlochabschnitt 1C und 1D gebohrt und in der gleichen Weise mit Futtern versehen, wie dies unter Bezugnahme auf den zweiten Bohrlochabschnitt 1B beschrieben worden ist.
Am unteren Ende des Abschnittes 1D ist der Expansionsdorn 16 gezeigt, der in der Längsrichtung durch das unterste Futter 11 nach unten bewegt worden ist, wobei er das Futter 11 radial in der Weise expandiert hat, die detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben worden ist.
In Fig. 2 ist das Bohrloch nach Fig. 1 gezeigt, in welchem eine Förderverrohrung 17 installiert wird, indem ein Expansionsdorn 18 in der Längsrichtung hindurchbewegt wird.
Die Verrohrung 17 wird auf einen Außendurchmesser expandiert, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der expandierten Futter ist, so daß die Förderverrohrung 17 eine Innenauskleidung für die Futter 8, 9, 10 und 11 bildet und die Wände der Verrohrung 17 und der Futter 8, 9, 10 und 11 einander gegenseitig verstärken. Das untere Ende der Förderverrohrung, das sich über das untere Ende des untersten Futters 11 hinaus in die Öl- oder gasführende Formation 7 erstreckt, kann mit versetzten Axialschlitzen (nicht gezeigt) versehen sein, die sich als Ergebnis des Rohrexpansionsvorganges zu einer Rautenform öffnen, um das Einströmen von Öl und/oder Gas aus der Formation 7 in das Bohrloch 1 zu ermöglichen, wobei die Fluide sodann nach oben durch das Innere der Verrohrung 17 zur Erdoberfläche 2 strömen.
Anstatt den Einströmabschnitt am untersten Ende der Förderverrohrung 17 mit axialen Schlitzen zu versehen, kann dieser mit nicht geschlitzten Öffnungen versehen werden. Diese Öffnungen können kreisförmige, ovale oder quadratische Löcher sein, die in die Verrohrungswand gestanzt oder aus dieser ausgeschnitten werden, und die in einem überlappenden oder nicht überlappenden Muster angeordnet sind, das versetzt sein kann oder nicht.
Das Vorhandensein solcher nicht geschlitzter Öffnungen erzeugt eine Verrohrung, die nach dem Expandieren derselben im allgemeinen eine höhere Festigkeit hat als eine expandierbare Verrohrung mit einander überlappenden, versetzten Axialschlitzen.
Auch die expandierbaren Futter 8, 9, 10 und 11 können mit zumindest einigen geschlitzten oder nicht geschlitzten Öffnungen versehen sein, um die zum Expandieren dieser Futter notwendigen Kräfte herabzusetzen, insbesondere in den Zonen, in welchen die Futter 8, 9, 10 und 11 einander überlappen und in anderen Zonen, wie den gekrümmten Abschnitten des Bohrloches 1, wo die Expansionskräfte groß sind.
Es versteht sich, daß in diesem Fall die Förderverrohrung 17 in den Zonen nicht perforiert wird, in denen irgendeines der Futter 8, 9, 10 und 11 perforiert ist, um eine Fluidabdichtung zwischen dem Inneren der Verrohrung 17 und den umgebenden Formationsschichten 3, 4, 5 und 6 aufrechtzuerhalten.
In Fig. 3 ist ein Bohrloch 20 gezeigt, das in eine Untergrundformation 21 gebohrt worden ist.
Im oberen Teil 20A des Bohrloches ist ein erstes Futter 22 installiert und expandiert. Bei dem gezeigten Beispiel hat der obere Teil 20A des Bohrloches einen Innendurchmesser von etwa 25,4 cm. Das nicht expandierte erste Futter 22 hat einen Außendurchmesser von etwa 18,8 cm, wenn es in das Bohrloch abgesenkt wird. Das expandierte erste Futter 22 hat einen Außendurchmesser von etwa 23,4 cm, so daß ein schmaler Ringraum um das expandierte erste Futter 22 herum verbleibt, der mit Beton 23 gefüllt wird.
Danach wird der zweite Teil 20B des Bohrloches auf einen Innendurchmesser von etwa 21 cm gebohrt, und ein zweites Futter 24 wird in nicht expandierter Form in das Bohrloch abgesenkt, derart, daß es sich von der Oberseite des Bohrloches 20 zur Unterseite des zweiten Teiles 20B desselben erstreckt. Das nicht expandierte zweite Futter 24 hat einen Außendurchmesser von 15,7 cm und wird innerhalb des Bohrloches 20 auf einen Außendurchmesser von 19,5 cm expandiert.
Das zweite Futter 24 wird innerhalb des zweiten Teiles 20B des Bohrloches betoniert und innerhalb des ersten Futters durch einen ringförmigen Betonkörper 23 festgelegt.
Dann wird der dritte Bohrlochabschnitt 20C mit einem Innendurchmesser von 17,8 cm von der Unterseite des zweiten Bohrlochabschnittes 20B in die Formation 21 gebohrt, worauf ein dritter Futterabschnitt 25 in das Bohrloch 20 eingesetzt und expandiert wird. Das nicht expandierte dritte Futter 25 hat einen Außendurchmesser von etwa 13 cm und wird auf einen Außendurchmesser von etwa 16,3 cm expandiert.
Sodann wird ein vierter Bohrlochabschnitt 20D mit einem Innendurchmesser von etwa 14,2 cm gebohrt und ein viertes Futter 26 in das Bohrloch 20 eingesetzt und nachfolgend von einem Außendurchmesser von 10,1 cm auf einen Außendurchmesser von etwa 13 cm expandiert.
Innerhalb des vierten Futters 26 wird eine Förderverrohrung 27 eingesetzt und gegen die Innenseite des Futters 26 expandiert, um eine Auskleidungsverrohrung 27 zu bilden.
Um das Einspritzen von Betriebs- und/oder Neutralisierfluiden in das Bohrloch zu erleichtern und die Installation von Leitungen für Messungen oder eine andere Ausrüstung zu ermöglichen, wird eine gewickelte Serviceleitung 28 in die Förderverrohrung 27 eingeführt und nahe dem Boden der Verrohrung 27 durch ein Förderdichtstück 29 abdichtend angeschlossen.
Die Serviceleitung 28 enthält Perforationen 30 unmittelbar oberhalb des Förderdichtstückes, derart, daß Öl und/oder Gas von der Einströmzone des Bohrloches, dem Boden der Serviceleitung 28 und den Perforationen 30 in die Förderverrohrung 27 gefördert werden kann.
Als Ergebnis der Expansion der Futter 22, 24, 25 und 26 und der Förderverrohrung 27 ist es möglich, daß eine Förderverrohrung mit einem Innendurchmesser von mehr als 10 cm in einem Bohrloch 20 installiert wird, dessen oberer Abschnitt 20A einen Innendurchmesser von etwa 25 cm hat. Für den Fachmann versteht sich, daß das Bohren von Öl- und/oder Gasförderbohrlöchern nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Förderverrohrungen 27 größeren Durchmessers innerhalb eines Bohrloches 20 kleineren Durchmessers ermöglicht, als dies beim üblichen Bohrlochbohren und den üblichen Verrohrungstechniken der Fall ist.
Es versteht sich auch, daß statt der ausschließlichen Verwendung von expandierten Futtern innerhalb des Bohrloches eines oder mehrere der Futter nicht-expandierbare konventionelle Futter sein können. Beispielsweise kann das obere Futter ein konventionelles Futter sein, in das ein oder mehrere teleskopartig expandierbare Futterabschnitte, wie dies Fig. 3 zeigt, eingesetzt werden, und der untere Teil des Bohrloches kann mit einem Einheitsbohrungsfutter versehen sein, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist.
In Fig. 4 ist ein Bohrloch gezeigt, das eine Untergrundformation 41 durchsetzt, und ein Futter 42, das innerhalb des Bohrloches mittels eines ringförmigen Betonkörpers 43 fixiert ist.
Eine Förderverrohrung 44, die aus einem Zweiphasen-Hochfestigkeits-Niedriglegierungsstahl (HSLA) oder aus einem anderen formbaren Hochfestigkeitsstahl hergestellt ist, ist innerhalb des Futters 42 aufgehängt.
Ein Expansionsdorn 45 wird in der Längsrichtung durch die Verrohrung 44 bewegt, wodurch die Verrohrung 44 derart expandiert wird, daß der Außendurchmesser der expandierten Verrohrung geringfügig kleiner als oder etwa gleich dem Innendurchmesser des Futters 42 ist.
Der Expansionsdorn 45 ist mit einer Reihe von Keramikflächen 46 ausgestattet, welche die Reibungskräfte zwischen dem Dorn und der Verrohrung 44 während des Expansionsvorganges reduzieren. Bei dem gezeigten Beispiel beträgt der halbe Scheitelwinkel A der konischen Keramikfläche, welche tatsächlich die Verrohrung expandiert, etwa 25º. Es wurde gefunden, daß Zirkonoxid ein geeignetes Keramikmaterial ist, das als glatter konischer Ring geformt werden kann. Experimente und Simulationen haben gezeigt, daß bei einem Halbkonus-Scheitelwinkel A zwischen 20º und 30º das Rohr derart verformt, daß es eine etwa S-förmige Gestalt annimmt und den verjüngten Teil der Keramikfläche 46 im wesentlichen an der äußeren Spitze bzw. dem äußeren Rand des konischen Teiles und gegebenenfalls auch etwa auf der halben Strecke des konischen Teiles berührt.
Das Experiment zeigte auch, daß es günstig ist, daß die expandierende Verrohrung 44 eine S-förmige Gestalt annimmt, weil dies die Länge der Kontaktfläche zwischen dem verjüngten Teil der Keramikfläche 46 und der Verrohrung 44 und damit auch die Reibung zwischen dem Expansionsdorn 45 und der Verrohrung 44 reduziert.
Experimente haben auch gezeigt, daß ein halber Scheitelwinkel A kleiner als 15º zu relativ hohen Reibungskräften zwischen dem Rohr und dem Dorn führt, wogegen bei einem Scheitelwinkel größer als 30º eine redundante plastische Arbeit infolge des plastischen Biegens der Verrohrung 44 auftritt, was zu einer höheren Wärmedissipation und zu Unterbrechungen der Vorwärtsbewegung des Dornes 45 durch die Verrohrung 44 Anlaß gibt. Somit wird der halbe Scheitelwinkel A vorzugsweise zwischen 15º und 30º gewählt, und sollte stets zwischen 5º und 45º betragen.
Experimente haben auch gezeigt, daß der verjüngte Teil des Expansionsdornes 45 eine nichtmetallische Außenfläche haben sollte, um einen Verschleiß der Verrohrung während des Expansionsvorganges zu vermeiden. Die Verwendung einer Keramikfläche für den sich verjüngenden Teil des Expansionsdornes verursacht eine Herabsetzung der Durchschnittsrauigkeit der Innenfläche der Verrohrung 44 durch den Expansionsvorgang. Die Experimente haben auch gezeigt, daß der Expansionsdorn 45, der mit einer verjüngten keramischen Fläche 46 versehen ist, eine Verrohrung 45, die aus formbarem Stahl besteht, derart expandieren kann, daß der äußere Verrohrungsdurchmesser D2 nach der Expansion zumindest 20% größer war als der Außendurchmesser D1 der nicht expandierten Verrohrung, und daß geeignete formbare Stähle Zweiphasen-Hochfestigkeits-Niedriglegierungsstähle (HSLA) sind, die als DP55 und DP60 bekannt sind; ASTM A106 HSLA nahtloses Rohr, ASTM A312 austenitische rostfreie Stahlrohre, TP 304 L und TP 316 L-Qualitäten und hoch-austenitischer heißgewalzter Hochfestigkeitsstahl, der als TRIP-Stahl bekannt ist, welcher von der Nippon Steel Corporation hergestellt wird.
Der Dorn 45 ist mit einem Paar von Dichtungsringen 47 versehen, die in einem solchen Abstand von der konischen Keramikfläche 46 angeordnet sind, daß die Ringe 47 dem plastisch expandierten Abschnitt der Verrohrung 44 zugekehrt sind. Die Dichtungsringe verhindern, daß ein Fluid unter hohem hydraulischen Druck zwischen der konischen Keramikfläche 46 und dem Dorn 45 sowie der expandierenden Verrohrung 44 vorhanden ist, was zu einer unregelmäßig großen Expansion der Verrohrung 44 führen könnte.
Der Expansionsdorn 45 ist mit einem zentralen Lüftungsdurchgang 47 ausgestattet, der in Verbindung mit einer gewickelten Lüftungsleitung 48 steht, durch welche Fluid zur Oberfläche entlüftet werden kann. Nach dem Vollenden des Expansionsvorganges kann der Dorn 45 durch die Lüftungsleitung zur Oberfläche zurückgezogen und eine gewickelte Neutralisier- und Serviceleitung (nicht gezeigt) in die expandierte Verrohrung 44 abgesenkt werden, um das Einspritzen von Neutralisier- und/oder Behandlungsfluiden gegen die Kohlenwasserstofffluid- Einströmzone zu erleichtern, was normalerweise über den Ringraum zwischen der Förderverrohrung und dem Bohrlochfutter geschieht. Wenn jedoch die Verrohrung 44 auf einem kleineren Durchmesser expandiert ist, dann kann der Restringraum zwischen dem Futter 42 und der expandierten Verrohrung 44 zum Lüften von Fluiden während des Expansionsvorganges und zum Einspritzen von Fluiden während des Fördervorganges verwendet werden, in welchem Fall kein Erfordernis zur Verwendung einer Lüftungsleitung 48 und von Neutralisier- und/oder Serviceleitungen besteht.
In konventionellen Bohrlöchern ist es oft notwendig, eine Förderverrohrung zu verwenden, die einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als 50% des Innendurchmessers des innersten Bohrlochfutters ist, um ein glattes Einsetzen der Verrohrung zu ermöglichen, selbst wenn das Bohrloch abweicht und das Futter eine unregelmäßige Innenfläche aufweist. Es ist deshalb klar, daß die in situ-Verrohrungsexpansion gemäß der vorliegenden Erfindung die Wirksamkeit der Bohrlochbohrung erhöht.
Es versteht sich, daß statt des Bewegens des Expansionsdornes 45 durch die Verrohrung 44 mittels hydraulischen Druckes der Dorn auch durch die Verrohrung mittels eines Kabels gezogen oder mittels eines Rohrstranges oder einer Stange durch die Verrohrung gedrückt werden kann.
Es versteht sich ferner, daß das Futter 42 und die Futter 8, 9, 10, 11, 22, 24, 25 und 26, die in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt sind, expandiert werden können, indem ein ähnlicher Expansionsvorgang angewendet wird, wie er vorstehend für die Expansion des Rohrstranges 44 unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben worden ist, wenn diese Futter ebenfalls aus formbaren Stahlqualitäten bestehen.
Vorzugsweise bestehen die expandierbare Förderverrohrung und die expandierbaren Futter aus formbaren Stahlqualitäten mit einem Verhältnis von Formänderungsfestigkeit - Zugfestigkeit, das kleiner als 0,8 ist und einer Formänderungsfestigkeit, die zumindest 275 MPa beträgt.
Die Erfindung wird nunmehr auf der Basis von Vergleichsexperimenten weiter beschrieben.

Experiment 1

Ein Expansionsdorn mit einer konischen Keramikfläche (halber Scheitelwinkel A des Konus = 20º) wurde durch eine konventionelle Ölfeldrohrfutterleitung bewegt, die als Futter der Güte L80 13% Cr bekannt ist, und die eine sehr verbreitete Futterart ist, mit einem Anfangsaußendurchmesser von 101,6 mm (4"), einer Anfangswandstärke von 5,75 mm, einem Berstdruck von 850 bar und einem Kaltverformungsexponenten n = 0,075. Dieser Expansionsdorn war so ausgebildet, daß der Außendurchmesser des expandierten Rohrstranges 127 mm beträgt, so daß die Durchmesserzunahme 20% beträgt. Das Rohr barst während des Expansionsvorganges. Eine Analyse zeigte, daß die Verformungsgrenze des Materials überschritten worden war, so daß ein Verformungsbruch auftrat.

Experiment 2

Ein Experiment wurde mit einer gewickelten Verrohrung des Typs QT-800 ausgeführt, die in zunehmendem Maße als Förderverrohrung in Öl- oder Gasbohrlöchern angewendet wird. Die Verrohrung hat einen anfänglichen Außendurchmesser von 60,3 mm, eine Wandstärke von 5,15 mm, einen Berstdruck von 800 bar und einen Kaltverformungsexponenten n = 0,14. Ein Expansionsdorn wurde durch die Verrohrung bewegt, wobei der Dorn eine konische Keramikfläche hatte, derart, daß der halbe Scheitelwinkel A eines Kegels, welcher die konische Fläche einhüllte, 5º betrug, und der so ausgebildet war, daß der Außendurchmesser der expandierten Verrohrung 73 mm betrug (eine Zunahme von etwa 21%). Diese Verrohrung barst während des Expansionsvorganges. Eine Analyse zeigte, daß infolge der hohen Reibungskräfte der Expansionsdruck und der Berstdruck des Rohres während des Expansionsvorganges überschritten wurden.

Experiment 3

Ein Experiment wurde mit einem nahtlosen Rohr aus einer formbaren Stahlqualität ausgeführt, die als ASTM A 106 Güte B bekannt ist. Das Rohr hat einen anfänglichen Außendurchmesser von 101,6 mm (4"), eine anfängliche Wandstärke von 5,75 mm und einen Kaltverformungsexponenten n = 0,175.
Ein Expansionsdorn wurde durch das Rohr gepumpt, wobei der Dorn eine konische Keramikfläche aufwies, derart, daß der halbe Scheitelwinkel A eines Kegels, welcher die konische Fläche einhüllt, 20º betrug, und derart, daß der Außendurchmesser des expandierten Rohres 127 mm (5 Zoll) betrug und der Außendurchmesser um 21% zunahm.
Das Rohr wurde mit Erfolg expandiert, und der hydraulische Druck, der auf den Dorn ausgeübt wurde, um den Dorn durch das Rohr zu bewegen, betrug zwischen 275 und 300 bar. Der Berstdruck des expandierten Rohres lag zwischen 520 und 530 bar.

Claims

1. Verfahren zum Bohren und Verrohren eines Bohrloches für die Kohlenwasserstofförderung, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

A) Bohren eines Abschnittes eines Bohrloches in eine Untergrundformation; Einsetzen eines Futters in den gebohrten Bohrlochabschnitt und radiales Expandieren und Festlegen des Futters innerhalb des Bohrlochabschnittes;

B) Absenken eines Bohrstahles durch das expandierte Futter und Bohren eines nachfolgenden Abschnittes des Bohrloches; Einsetzen eines nächsten Futters in den nachfolgenden Abschnitt des Bohrloches und radiales Expandieren und Festlegen des nächsten Abschnittes innerhalb des nachfolgenden Bohrlochabschnittes; und

C) Mehrmaliges Wiederholen des Schrittes B, falls erforderlich, bis das Bohrloch die Nähe einer kohlenwasserstofführenden Formation erreicht hat,

dadurch gekennzeichnet, daß das nächste Futter so installiert wird, daß es das vorher installierte Futter koaxial überlappt, und daß das nächste Futter gegen das vorher installierte Futter expandiert wird, um das vorher installierte Futter weitet zu expandieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem sich nur das erste Futter von der Erdoberfläche in das Bohrloch erstreckt und jedes nachfolgende Futter ein vorher eingesetztes Futter nur teilweise überlappt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die Länge, über welche die nachfolgenden Futterabschnitte einander überlappen, kleiner als 10% der Länge jedes Futters ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem zumindest über einen wesentlichen Teil der Länge des Bohrloches von der Erdoberfläche bis zur Nähe der kohlenwasserstofführenden Formation die Durchmesservariation des Bohrloches kleiner als 10% ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem zumindest zwei Futter nacheinander in das Bohrloch eingesetzt werden und sich bis zum Bohrlochkopf erstrecken.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem nach dem Installieren der Futter eine Förderverrohrung in das Bohrloch derart eingesetzt wird, daß sich die Förderverrohrung von der Erdoberfläche bis zur Nähe der kohlenwasserstofführenden Formation erstreckt; und die Verrohrung innerhalb des Stranges von expandierten Futtern radial expandiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, bei welchem die Futter und gegebenenfalls die Verrohrung in radialer Richtung plastisch expandiert werden, indem ein Expansionsdorn in einer Längsrichtung hindurchbewegt wird, und aus einer formbaren Stahlqualität bestehen, die einer Kaltverformung ohne Einschnürung und Formänderungsbrüche als Ergebnis des Expansionsvorganges unterworfen wird, und wobei ein Expansionsdorn verwendet wird, der zumindest über einen Teil seiner Länge eine verjüngte nichtmetallische Oberfläche hat.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Expansionsdorn eine verjüngte Keramikfläche hat und die Verrohrung und die Futter aus einer formbaren Stahlqualität mit einem Verhältnis von Formänderungsfestigkeit - Zugfestigkeit bestehen, das kleiner als 0,8 ist und einer Formänderungsfestigkeit von zumindest 275 MPa.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Förderverrohrung und zumindest eines der Futter aus einem Rohr bestehen, welches in das Bohrloch eingesetzt wird, indem das Rohr von einer Wickeltrommel abgewickelt wird.