NO311444B1 - Fremgangsmåte og apparat for orientert boring, med en motor anordnet nede i borehullet og uavhengig borestreng ogverktöymontasje - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en boremontasje ifølge innledningen til krav 1 og 21, og en fremgangsmåte ifølge innledningen til krav 22.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således retningsboring, og mer bestemt såkalt navigasjonsboring, hvor en bunnhullsmontasje inkludert en nedihullsmotor av fortrengningstypen eller turbintypen anvendes til å bore både lineære og ikke-lineære segmenter av et borehull for å følge en ønsket bane. I en foretrukket utførelse tillater oppfinnelsen kontinuerlig rotasjon av en streng av borerør over bunnhullsmontasjen mens bunnhullsmontasjen kompenserer for reaktive dreiemomentkrefter som påføres montasjen av nedihullsmotoren og enten holder bunnhullsmontasjen i en rotasjonsmessig statisk stilling, roterer bunnhullsmontasjen, eller tillater at bunnhullsmontasjen roterer på en styrt måte uavhengig av borestrengen.

Navigasjonsboring er en kommersielt levedyktig teknologi som anvendes ved olje- og gassleting. Kommersielt tilgjengelige bunnhullsmontasjer for navigasjonsboring som har blitt benyttet på feltene i løpet av de siste ti år har anvendt turbiner eller fortrengningsmotorer (Moineau-prinsippet, eller i den senere tid, skovltypen)

(heretter generelt benevnt "nedihullsmotorer", eller "motorer") som er festet til enden av en borestreng som går til boredekket. Det benyttes en enkeltbøyd eller flerbøyd overgang, fortrinnsvis under motor seksjonen, for å vinkle motorens drivaksel, og dermed aksen til borekronen som er festet til akselen, i en liten vinkel (generelt i størrelsesorden 4° eller mindre) i forhold til motoraksen, og således i forhold til borestrengen umiddelbart over motoren. Andre teknikker som i det siste har blitt

anvendt for å vinkle eller skjevbelaste borekronen fra siden i forhold til borestrengens akse omfatter bruk av en vinklet lagerovergang ved motoren og bruk av én eller flere eksentriske stabilisatorer. Eksempler på patenter som omtaler bunnhullsmontasjer av den ovennevnte type og andre er beskrevet i US patenter nr. 5 343 967, 4 807 708, 5 022 471, 5 050 692, 4 610 307 og Re 33 751. Slike montasjer kan sies generelt å inneholde "avbøyningsinnretninger" av en hvilken som helst type som er kjent innen teknikken, idet begrepet avbøyningsinnretning som her benyttet betyr et element eller en kombinasjon av elementer i en bunnhullsmontasje for å vinkle borekronens akse i forhold til enten motoren, hele bunnhullsmontasjen, eller borestrengen, med det formål å oppnå retningsboring (orientert boring), eller det bevirker en skjevbelastning i borekronens sidebelastning, slik at det oppnås retningsboring gjennom sideskjærevirkningen til borekronen under påvirkning av den siderettede skjevbelastning.

Styrbare bunnhullsmontasjer med nedihullsjusterbare bøyede overganger eller hus, såvel som montasjer som benytter forlengbare styreputer på én eller flere sider av montasjen har også blitt beskrevet, men såvidt oppfinnerne kjenner til er de ikke i utstrakt, og heller ikke i begrenset, kommersiell bruk. Videre er slike montasjer kompliserte, kostbare å bygge, og har pr. idag en tvilsom pålitelighet.

Idet det igjen vises til den fastvinklede typen av bunnhullsnavigasjonsboremontasjer (ikke-justerbar ved anvendelse i borehullet), skal det bemerkes at nedihullsboremotoren er i kontinuerlig bruk for å rotere borekronen ved enden av strengen, uansett om det ønskes en rett eller krum borehullsbane. Når det er ønskelig å bore rett forover, blir en høyrerettet (medurs, sett nedover) borestrengrotasjon via et rotasjonsbor eller et toppdrevet rotasjonssystem overlagret på den høyrerettede rotasjon av borekronen som bevirkes av motoren. I et slikt tilfelle blir den lille awiksvinkelen mellom borekronens akse og motoren eller strengaksen, eller skjevbelastningen i borekronens sidebelastning, kompensert og nøytralisert med hensyn på påvirkning på borehullets bane, selv om det "rette" borehull i praksis kan ha en spiralform eller sno seg om den tiltenkte "rette" bane av andre årsaker. Når et buet eller ikke-lineært borehullsegment skal bores, stoppes rotasjon av strengen, rotasjonsretningsvinkelen til utgangsakselen og borekronen (tool face orientation, TFO, arbeidsflateorientering) justeres til en ønsket kurs ved inkrementell borestrengrotasjon som utføres fra overflaten, hvilket overvåkes av et styre- eller retningsorienteringsverktøy (directional-orientation tool (DOT) eller via en måling under boring (measurement-while-drilling (MWD)) montasje, idet sensorene i slike instrumenter av nøyaktighetshensyn plasseres så nær motoren som mulig.

Selv om navigasjonsboresystemer som anvender de ovenfor beskrevne apparater og grunnleggende fremgangsmåter har vært kommersielt vellykkede, gjenstår i det minste én stor ulempe. Mer bestemt, i retningsmodus eller orientert boremodus, resulterer den stillestående borestrengen over motoren i sterkt øket friksjon mellom borestrengen og veggen i borehullet langs den langsgående brønnakse, hvilket fenomen er ansvarlig for "slippe-sitte fast" oppførsel av strengen hvor strengen vekslende kan sette seg fast og løsne i borehullet, både aksialt og rotasjonsmessig. Når vinkelmessig eller rotasjonsmessig orientering av borestrengen forsøkes fra boredekket, kan denne slippe-sitte fast oppførselen bevirke avvik i en korrekt TFO når friksjonskrefter og reaktivt dreiemoment reduseres eller økes umiddelbart etter en avlesning. Videre kan borestrengen faktisk "vinnes opp" mens den roteres, idet utstrekningen av slik oppvinning varierer med det reaktive (venstrerettede) dreiemoment fra motoren og med den vinkelmessige eller rotasjonsmessige elastisitet eller føyelighet av borestrengen. Når strengen avlastes og vinnes tilbake, kan TFO igjen endres svært mye.

Det har også blitt foreslått å anvende bunhullsmontasjer omfattende nedihullsmotorer ved enden av kveilrørstrenger, gitt den store riggtidfordel kveilrør gir i forhold til bruk av konvensjonelle borerørlengder. Kveilrør kan imidlertid ikke roteres fra overflaten, selv ikke i begrenset grad for bunnhullsmontasjeorienteringsformål, og såvist ikke for rotasjon av bunnhullsmontasjen på vedvarende basis. En bunnhullsmontasje med fast vinkel eller fast skjevbelasning kan derfor ikke benyttes når det er ønskelig å ha mulighet for å bore både rett forover og i en kurve. Bunnhullsmontasjer som er kjørt på kveilrør ifølge teknikkens stand må følgelig omfatte en annen type orienteringsmekanisme for å variere orienteringen av borekronens akse mellom sammenfallende med og vinklet i forhold til motoren eller strengen. Et slikt apparat er beskrevet i US patent 5 311 952, utgitt 17. mai 1994 til Eddison et al. I tillegg til problemet med vinkeljustering, kan bunnhullsmontasjer som er kjørt på kveilrør oppvise styreproblemer for det reaktive dreiemoment som er generert av nedihullsmotoren, hvilket ved sitt maksimum (begynnende motorstans) ikke kan håndteres effektivt av kveilrøret på samme måte som med et relativt mer torsjonstivt og robust borerør.

Sammenfattende har navigasjonsboresystemer som er kjørt på borerør og navigasjonsboresystemer som er kjørt på kveilrør ifølge teknikkens stand hver for seg noen ulemper og begrensninger som gjør deres ytelse mindre enn optimal.

Oppfinnelsens hensikt er å frembringe en boremontasje for valgfri boring av tilstøtende hovedsakelig lineære og ikke-lineære brønnsegmenter gjennom en underjordisk formasjon og en fremgangsmåte til valgfri boring av tilstøtende hovedsakelig lineære og ikke-lineære brønnsegmenter gjennom en underjordisk formasjon, hvilke ikke skal være beheftet med de ovennevnte ulemper. Hensikten oppnås med en boremontasje ifølge krav 1 og 21, og en fremgangsmåte ifølge krav 22.

I motsetning til teknikkens stand, tilveiebringer boresystemet ved den foreliggende oppfinnelse enkle men elegante robuste løsninger på problemene som hittil har forekommet ved benyttelse av en konvensjonell styrbar, motorisert bunnhullsmontasje ved enden av en borerørstreng eller ved enden av kveilrør. Den foreliggende oppfinnelse kan benyttes ved bunnhullsmontasjer med fastvinkel såvel som med justerbar vinkel, og i bunnhullsmontasjer hvor styrbarheten oppnås ved å påføre en siderettet skjevbelastning (enten med fast orientering og/eller størrelse, eller én av disse eller begge kan være variable) på borekronen eller et annet parti av montasjen.

Med hensyn på en bunnhullsmontasje som er kjørt på et borerør, tilveiebringer oppfinnelsen mulighet for kontinuerlig rotasjon av borestrengen både under boring av rette og ikke-lineære segmenter. Et apparat for tilveiebringelse av denne mulighet omfatter en fortrinnsvis låsbar svivelmontasje som anvendes nedihulls i kombinasjon med en statisk venstrerettet turbin- og borefluidfordelingsmodul som omfatter en dreiemomentkompensasjonsmontasje og er styrt av en inspeksjons- eller styremodul som overvåker borehullets bane. I en orientert modus eller retningsmodus, tilveiebringer apparatet ifølge oppfinnelsen nøyaktig det påkrevde høyrerettede dreiemoment for å kompensere for det venstrerettede reaktive dreiemoment som er generert av motoren, hvilket opprettholder en fast TFO eller en styrt kontinuerlig eller diskontinuerlig variasjon av denne. I rotasjonsmodus kan oppfinnelsen tilveiebringe mindre eller mer kompensasjonsdreiemoment, hvilket resulterer i en styrt og sakte venstrerettet eller høyrerettet rotasjon av motoren når den motordrevne borekronen dreier på en netto høyrerettet måte med en hastighet som er tilstrekkelig til å tilveiebringe passende borefremdrift. Alternativt, når den kjøres i rotasjonsmodus på en borerørstreng, kan svivelmontasjen låses og montasjen roteres med strengen.

I begge boremodus fortsetter borestrengen over bunnhullsmontasjen å rotere, hvilket reduserer aksial eller langsgående friksjon, slippe-sitte fast og oppvinning. Reduksjonen i aksial bevegelsesmotstand mellom borestrengen og borehullveggen muliggjør mye mer nøyaktig og optimalisert anvendelse og styring av vekt på borekronen via slakking av borestrengen fra boredekket for maksimal borehastighet (rate of penetration, ROP), såvel som en sterkt forbedret TFO-styring. Denne fordelen er særlig viktig ved utførelse av awiksboring med forlenget rekkevidde, hvor borestrengens bevegelsesmotstand blir svært stor og boreoperasjoner med fast TFO enten kan være problematiske eller ugjørlige.

Apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse kan anvendes med et lukket-sløyfe navigasjonssystem hvor borekronens posisjon og borehullets orientering sammenlignes med en forhåndsprogrammert bane og korrigerende handlinger skjer automatisk, eller via en operatørstyrt styrespak eller et datamaskinbasert system hvor borehullets posisjon og banedata relésendes til en overflatestyremodul med kabel, slampulser, akustiske, elektromagnetiske eller andre nedihullskommunikasjonssystemer, og operatøren justerer banen til bunnhullsmontasjen som ønskelig. En kombinasjon av de to måtene, som tilveiebringer en lukket sløyfestyring med en operatøroverbroing, kan også benyttes.

Sammen med motoriserte bunnhullsmontasjer som er kjørt på kveilrør, tilveiebringer apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse mulighet for å kjøre en overgang med fast eller justerbar vinkel under motoren for boring av både rette og krumme borehullsegmenter. I retningsmodus tilveiebringer apparatet ifølge oppfinnelsen en nøyaktig fast og korrigert TFO via dreiemomentkompensasjon. I lineær boremodus tilveiebringer apparatet igjen rotasjon av bunnhullsmontasjen under svivelen via dreiemomentkompensasjon som er ute av likevekt, hvilket kompenserer for den vinklede borekroneaksen. Som et ekstra trekk ved oppfinnelsen, kan en aksialkraftenhet av en viss utførelse, hvilket er kjent innen teknikken, anvendes for fremføring av bunnhullmontasjen når den kjøres på kveilrør og videre hjelpe til med nøyaktig påføring av borekronebelastning.

Som bemerket ovenfor, kan svivelmontasjen, uansett om den anvendes med et borerør eller kveilrør, være selektivt låsbar for å tillate eller forhindre relativ rotasjon mellom bunnhullmontasjen og strengen.

En alternativ utførelse for å bevirke rotasjon av bunnhullsmontasjen uten strengrotasjon ville anvende en dreiemomentsensitiv slureclutch eller en dreiemomentsensitiv væskeclutch som ville bli aktivert av det reaktive (venstrerettede) dreiemoment fra motoren ved et gitt dreiemoment for å bevirke sakte venstrerettet rotasjon av bunnhullsmontasjen under rett boring. Den alternative utførelse antas å ha særlig anvendbarhet ved boring med kort radius, hvor raske og markerte forandringer i brønnens orientering utføres over korte boreintervaller. For orienteringsformål kunne pulser med høy borefluidstrøm benyttes for inkrementell rotering av montasjen. Krum eller orientert boring ville utføres med borefluidstrøm under terskelen for clutchfrigjøring. Denne utførelsen av oppfinnelsen er noe mindre foretrukket, ettersom den ville begrense utgangseffekten fra motoren og således ROP under ikke-lineær boring.

Kort beskrivelse av figurene:

Fig. 1 er et skjematisk riss av en bunnhullsmontasje som benytter apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse, og omfatter en motor og en eksempliifserende avbøyrnngsirinretning som er kjørt i en brønn i enden av en rørstreng eller en kveilrørstreng; Fig. 2 er et forstørret skjematisk riss av komponentdelene i en første, foretrukket utførelse av apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse, anordnet mellom borestrengen og nedihullsmotoren i bunnhullsmontasjen; Fig. 3 viser et forstørret skjematisk snitt av en strømningsdistribusjons- og

dreiemomentstyremontasje ifølge den foreliggende oppfinnelse, for selektiv endring av kompenserende høyrerettet dreiemoment som påføres boremotoren for å motvirke det reaktive venstrerettede dreiemoment som er generert av motoren under belastning; og

Fig. 4 er et forstørret skjematisk riss av komponentdelene i en annen, alternativ

utførelse av apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse, som har særlig anvendelse ved boring med kort radius.

Med henvisning til fig. 1 på tegningene, strekker borestrengen 10 seg inn i et underjordisk borehull 12 fra en borerigg 14 på jordens overflate. Borestrengen 10 kan omfatte enten en flerhet av lengder av borerør, andre skjøtte rør, eller en kontinuerlig rørformet kveilrørstreng, hvilket alt er velkjent innenfor teknikken. Bunnhullsmontasjen 16 i samsvar med den foreliggende oppfinnelse er innfestet til den nedre ende av rørstrengen 10.

Bunnhullsmontasjen 16 omfatter en nedihullsmotor 18 med en utgangsaksel 20, til hvilken det er innfestet en borekrone 22. Nedihullsmotoren 18 kan omfatte en fluiddrevet fortrengningsmotor (Moineau eller skovltypen), eller en boreturbin, hvilket igjen er motorer som alle er velkjent innen teknikken. En eksemplifiserende avbøyningsinnretning for vinkling av aksen 24 i borekronen 22 i forhold til aksen 26 i nedihullsmotoren 18 er også inkludert i bunnhullsmontasjen 16, idet avbøyningsinnretningen i dette tilfellet omfatter en overgang 28 med én bøy anordnet mellom motoren 18 og borekronen 22. Som tidligere omtalt, kan avbøyningsinnretningen omfatte en hvilken som helst av et antall forskjellige konstruksjoner eller montasjer. En utmerket oversikt over forskjellige typer avbøyningsinnretninger omfattende teknikkens stand er gitt i det ovennevnte US patent 5 022 471, som det her skal vises til. En avbøyningsinnreting kan også

(i visse tilfeller) sies å tilveiebringe en vinkel mellom aksen 26 i nedihullsmotoren 18 og aksen 24 i borestrengen 10, som når én eller flere eksentriske eller forskjøvne stabilisatorer anvendes for å skråstille eller vinkle motoren og dermed hele bunnhullsmontasjen istedenfor kun aksen i borekronen. En avbøyningsinnretning kan også i visse tilfeller sies å gi en siderettet skjevbelastning eller en sidebelastning på borekronen uten hensyn på et spesifikt (enten fast eller justerbart) vinkelforhold mellom borekronen eller bunnhullsmontasjeaksen og borestrengen ovenfor. Det er imidlertid foretrukket å anvende en avbøyningsinnretning som tilveiebringer den nødvendige vinkel nedenfor nedihullsmotoren 18.

Bunnhullsmontasjen 16 er festet til den nedre ende av borestrengen 10 via en svivelmontasje 30, som fortrinnsvis er selektiv låsbar for å forebygge innbyrdes rotasjon mellom borestrengen 10 og bunnhullsmontasjen 16.

Bunnhullsmontasjen 16 omfatter også en dreiemomentkompensasjonsmontasje 32 under svivelmontasjen 30, idet detaljer ved dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 er avbildet på fig. 3 på tegningene. Dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 er i sin foretrukkede form en innretning som reagerer på borefluidstrøm, hvilken innretning genererer dreiemoment i bunnhullsmontasjen. Dreiemomentet er fortrinnsvis et høyrerettet dreiemoment for kompensasjon av det reaktive venstrerettede dreiemoment som er generert av bunnhullsmotoren 18 ved drift av borekronen 22. Dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 med tilhørende komponenter, som vil bli omtalt nedenfor med henvisning til fig. 3, tilveiebringer mulighet for å stabilisere bunnhullsmontasjen 16 (eller i det minste nedihullsmotoren 18) mot rotasjonsbevegelse som ellers ville påføres på grunn av det reaktive dreiemoment som er generert av motoren 18, og på grunn av tilstedeværelsen av svivelmontasjen 30 i en ulåst modus. Dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 tilveiebringer også mulighet for å rotere bunnhullsmontasjen 16 (eller igjen, i det minste motoren 18 og borekronen 22) under en boreoperasjon som er uavhengig av en eventuell rotasjon eller mangel på denne av borestrengen 10. Slik bunnhullsmontasjerotasjon kan enten være venstrerettet, som respons på det reaktive dreiemoment av motoren 18, men styrt innenfor et ønsket område, eller høyrerettet, og overvinne det reaktive motordreiemoment, igjen innenfor et ønsket område, såsom, kun som et eksempel, mellom 10 og 20 omdreininger pr. min.

Med henvisning til fig. 2, er svivelmontasjen 30 og

dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 avbildet med andre elementer ifølge oppfinnelsen i et forstørret skjematisk riss av det øvre eller nære parti av bunnhullsmontasjen 16, med utstrekning fra den øvre ende av nedihullsmotoren 16 til den nedre ende av borestrengen 10.

Som beskrivelse av elementene på fig. 2, fra topp til bunn og høyre til venstre, kan borestrengen 10 omfatte en flerhet av lengder av borerør eller et annet skjøtt rør som strekker seg oppover til overflaten, idet de nedre rørlengder av rørstrengen valgfritt omfatter tykkveggede vektrør, hvilket ér ønskelig og velkjent innen teknikken. Borestrengen 10 kan alternativt omfatte en kontinuerlig lengde av kveilrør som strekker seg til overflaten, eller flere lengder som er forbundet ende mot ende i tilfellet av et borhull som er svært dypt, eller har stor utstrekning.

Svivelmontasjen 30 tilveiebringer mulighet for rotasjonsmessig innkobling og utkobling av borestrengen 10 og bunnhullsmontasjen 16, og omfatter øvre og nedre hus 34 og 36 som er forbundet med en lagermontasje med et tettet rullelager, radiallager eller en annen lagerutførelse som er kjent innen teknikken for å tillate fri, rotasjonsmessig utvungen innbyrdes rotasjon av det øvre og nedre hus 34 og 36. Et aksiallager, også som kjent innen teknikken, bør inkorporeres i svivelmontasjen 30 for å muliggjøre aksial belastning på grunn av den påførte borestrengvekten. Det er selvinnlysende at en sikker hydraulisk tetning må opprettholdes mellom boringen 38 i svivelmontasjen 30 og borehullringrommet 40 som omgir borestrengen 10 og bunnhullsmontasjen 16 for å forhindre spredning av borefluid fra borestrengen 10 inn i ringrommet 40. Det kan også være ønskelig, selv om det ikke er et krav, at svivelmontasjen hovedsakelig er trykkbalansert, hvilket er kjent innen teknikken for nedihullsboring og -verktøy, slik at forskjeller mellom borestreng- og ringromtrykk ikke gir opphav til ekstra aksiale lagerbelastninger. En låsmekanisme 35 er integrert i svivelmontasjen, med hjelp av hvilken låsmekanisme det øvre og nedre lagerhus 34 og 36 selektivt kan være i inngrep for å overføre store torsjonsbelastninger over svivelmontasjen 30. Utformingen av låsmekanismen er uten betydning for oppfinnelsen, og kan omfatte en hvilken som helst av en variasjon av mekaniske, hydrauliske eller elektromekaniske eller elektrohydrauliske mekanismer som er kjent innen teknikken for rotasjonsmessig låse- og frigjøringsformål. En j-spaltemekanisme, som reagerer på aksial bevegelse av borestrengen eller hydraulisk borefluidtrykk, er et relativt enkelt alternativ. Elektromagnetstyrte mekaniske eller hydrauliske mekanismer har også vist seg pålitelige ved lignende anvendelser.

Under svivelmontasjen 30 sørger telemetri- og kommunikasjonsmodulen 42 for toveis data- og styrekommunikasjon mellom en overflatestyremodul 15 på boreriggen 14, og bunnhullsmontasjen 16. Kommunikasjon kan utføres mellom overflatestyremodulen 15 og modulen 42 via en ikke-fysisk eller ulegemlig kommunikasjonsforbindelse som er basert på slampulstelemetri (enten positiv eller negativ, begge er kjent innen teknikken), akustisk telemetri, eller elektromagnetisk telemetri, som kjent innen teknikken. Alternativt kan kommunikasjonen utføres via en ledningsført kommunikasjonsforbindelse, såsom et gjenfinnbart kabel- og våtkoblingssystem, en kabel installert i kveilrør, eller et borerør med en isolert leder i eller på dets vegg. Med et slikt arrangement, kan enten en sleperingledermontasje inkorporert i svivelmontasjen 30 eller et elektromagnetisk eller et annet kortdistansegrensesnitt, hvilket er kjent innen teknikken, anvendes mellom modulen 42 og lederen som strekker seg oppover fra bunnhullsmontasjen for å tilveiebringe en kommunikasjonsforbindelse over svivelmontasjen 30. Dersom det anvendes en ledningsført kommunikasjonsforbindelse, kan om ønskelig en sideinngangsovergang inkorporeres i borestrengen mellom riggen 14 og bunnhullsmontasjen 16, eller en sleperingledermontasje kan plasseres på riggen 14 for å unngå behovet for å ta av kabel. Det er tilstrekkelig å si at kjent kommunikasjonsteknologi kan anvendes til formålet med oppfinnelsen, og er fullstendig egnet til dette bruk.

Kraftmodulen 44 ligger under telemetri- og kommunikasjonsmodulen 42 og tilveiebringer det elektriske kraftbehov til modulen 42 såvel som instrumenterings- og styremodulen 46 og strømningsdistribusjonsmodulen 48 som er forbundet med dreiemomentkompensasjonsmodulen 32. Kraftkilden som er tilveiebragt av modulen 44 kan omfatte batterier eller en turbindrevet vekselstrømsgenerator som befinner seg over dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32, idet slike innretninger er kjent innen teknikken. Videre kan det anvendes en vekselstrømsgenerator som er drevet av nedihullsmotoren 18, selv om anvendelse av ledere mellom vekselstrømsgeneratoren og moduler over dreiemomentkompensasjonsmontasjen kan vise seg å være besværlig, selv om det er mulig. Det er også tenkelig at kraft kan tilføres via borestrengen 10 med integrerte eller interne elektriske ledere i en navlestreng, istedenfor en nedihulls kraftkilde. I et slikt tilfelle ville det også være mulig å anvende de samme ledere som en kommunikasjonsforbindelse.

Instrumenterings- og styremodulen 46 omfatter sensorer for innsamling av informasjon om borehullets stilling og rotasjonsbevegelse og posisjonsinformasjon, såvel som en mikroprosessorbasert CPU, med minne, for å lagre og behandle slik informasjon, såvel som en logikk og et servostyresystem for å modulere funksjonen til strømningsdistirbusjonsmodulen 48. Styring kan utføres av kommandoer som mottas fra en operatør via overflatestyremodulen 15 på riggen 14, eller automatisk med "lukket sløyfe" servotilbakekoblingsstyring som en funksjon av forhåndsprogrammerte instruksjoner til styremodulen, relatert til den planlagte borehullsbane. Selvsagt kan det om ønskelig anvendes en kombinasjon av et operatørbasert system og et lukket sløyfesystem.

Strømningsdistirbusjonsmodulen 48 retter og styrer strøm av borefluid fra borestrengen 10 mellom to baner gjennom dreiemomentkompensasjonsmodulen 50, det andre elementet i dreiemomentkompensasjonsmontasjén 32. Det skal forstås og oppfattes av fagfolk på området at boringen 38 gjennom svivelmontasjen 30 fortsetter via kommunikasjonsboringer (se fig. 2), vist med stiplede linjer) gjennom modulene 42, 44, 46 og 48, som fordeler fluidstrøm til og inne i modulen 50, idet den nedre boring i modulen 50 retter borefluid til motoren 18.

Strømningsdistribusjonsmodulen 48 omfatter en motorisert (hydraulisk eller elektrisk) ventil som tildeler og utmåler borefluidstrøm mellom en rett bane til nedihullsmotoren 18 og en snodd bane gjennom en dreiemomentgenererende mekanisme. Den rette bane kan også benevnes en "passiv" bane, mens den dreiemomentgenererende bane kan benevnes en "aktiv" bane når fluidet utfører arbeid i modulen 50 før det avgis til motoren 18. Forskjellige typer ventilmontasjer kan benyttes inne i strømningsdistribusjonsmodulen 48, hvilket er kjent innen teknikken og samsvarer med det krav at ventilutformingen og materialene er tilpasset den errosive og abrasive strøm av borefluider i en forlenget tidsperiode.

Nedihullsmotoren 18 ifølge en av de ovennevnte utforminger (turbin, Moineau eller skovltypen) eller enhver annen passende utforming som er kjent innen teknikken, festes til den nedre ende av dreiemomentkompensasjonsmodulen 50, og, som tidligere nevnt, driver den borekronen 22 gjennom utgangsakselen 20 (se fig. 1).

Fig. 3 for oppfinnelsen viser dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32, omfattende strømningsdistribusjonsmodulen 48 og dreiemomentkompensasjonsmodulen 50. Som vist, omfatter strømningsdistribusjonsmodulen 48 et ventilelement 52 av setetypen, med en aksial bevegelse som er styrt av ventilaktuatoren/regulatoren 54. Det er mulig å anvende en ventilmontasje som er tilpasset fra et positiv puls MWD-system til dette. Den aksiale posisjon av ventilelementet 52, som (ved hjelp av sin utforming som en avkortet kjegle) påvirker strømningsområdet 56 mellom elementet 52 og ventilsetet 58, retter eller utmåler borefluidstrøm (se piler) mellom en passiv bane gjennom modulen 50, frembragt av den aksiale boring 60, og en aktiv eller dreiemomentgenererende bane frembragt av den snodde bane 62 gjennom de innbyrdes innskutte statiske turbinelementer 64 og 66. Av bekvemmelighetshensyn kan elementene 64 benevnes rotorelementer og elementene 66 kan benevnes statorelementer på grunn av deres relative stillinger, selv om begge sett av elementer står på sin faste plass i forhold til det utvendige hus 68 i modulen 50, idet rotorelementene er indirekte innfestet via sin forbindelse til den rørformede borestamme 70, som i sin tur er festet til det utvendige hus 68 gjennom åpningsplatene 72 og 74 ved toppen og bunnen av banen 62. Borefluidstrøm som er avledet fra boringen 60 går inn i den snodde bane 64 gjennom åpninger 76 i platen 72, og forlater banen 64 gjennom åpninger 78 i platen 74, og gjenforenes med strømmen gjennom den aksiale boring 60 før den går inn i nedihullsmotoren 18 for å drive denne.

Et av de aspekter som det er mest verdt å legge merke til ved utførelsen på fig. 3 er dens maksimale dreiemomentytelse relativt fluidmassefluksen gjennom modulens aktive bane. Dette skyldes at det turbinlignende arrangement av de innbyrdes innskutte elementer 64 og 65 er permanent stanset, og således frembringer topp eller maksimalt tilgjengelig dreiemoment for en gitt fluidmassefluks.

I bruk vil den foretrukkede utførelse av boremontasjen ifølge den foreliggende oppfinnelse generelt bli brukt som konvensjonelle navigasjonsboremontasjer eller såkalte "styrbare" boremontasjer som benytter awiksinnretninger. Tilstedeværelsen av svivelmontasjen 30 tillater imidlertid kontinuerlig borestrengrotasjon både under rett og orientert boring, slik at aksial bevegelsesmotstand på borestrengen 10 reduseres sterkt når borerøret benyttes. Dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 tillater rotasjonsmessig justering av TFO for orientert boring uavhengig av borestrengpåvirkning, og enten høyrerettett eller venstrerettet rotasjon av bunnhullsmontasjen 16 uavhengig av borestrengrotasjonen, hvilket i sistnevnte tilfelle opprettholder netto høyrerettet rotasjon av borekronen ved rotasjonshastigheter som er anvendelige for boring.

Dersom det anvendes en kveilrørsstreng, forblir røret rotasjonsmessig stasjonært både under orientert og rett boring, og kun bunnhullsmontasjen 16 roterer under rett boring, idet rotasjonsmuligheten ved dreiemomentkompensasjonsmontasjen 32 igjen sørger for rotasjonsmessig justering av TFO for orientert boring. I hvert tilfelle kan systemet benyttes i en lukket sløyfemodus, en operatørstyrt modus, eller en kombinasjon av dette, avhengig av operatørens preferanse og den kommunikasjonsforbindelsen som benyttes, dersom det er noen.

Som angitt ovenfor og som vist på fig. 4, er det vist en alternativ utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen som har særlig anvendbarhet ved boring med kort radius. Uttrykket boring med "kort radius" kan defineres som boring av en brønn inkludert bueformede eller krumme segmenter som er boret med en radius på mindre enn ca. 100 fot, eller 30 meter. Angitt som retningsforandring pr. enhet boret brønnsegment, vil dette tilsvare ca. 0,5° til 1,5° pr. fot brønn, eller ca. 1,5° til 4,5° pr. meter.

Elementer i apparatet på fig. 4 som tidligere er beskrevet med hensyn på fig. 2 er angitt med de samme henvisningstall, og noen ytterligere beskrivelse av disse vil derfor ikke bli gitt. I utførelsen på fig. 4 vil rotasjon av bunnhullsmontasjen 116 uten

rotasjon av borestrengen 10 utføres ved anvendelse av en dreiemomentsensitiv clutch 130 som aktueres av det reaktive (venstrerettede) dreiemoment fra motoren 18 ved et gitt dreiemoment for å bevirke sakte venstrerettet rotasjon av bunnhullsmontasjen 116 under rett boring. Clutchen 130 kan omfatte en mekanisk slureclutch som benytter elementer i friksjonsmessig inngrep, eller en fluidclutch eller såkalt "visco"-clutch av den type som benyttes til å fordele dreiemoment mellom hjulene i et firehjulsdrevet kjøretøy. Clutchen 130 kan også være av enhver annen passende design eller utforming som er kjent innen teknikken. For orienteringsformål kan pulser med høy borefluidstrøm benyttes til inkrementell rotasjon av montasjen. Krum eller orientert boring kan utføres med borefluidstrøm under terskelen for clutchens utløsing. Denne alternative utførelse av oppfinnelsen er mindre foretrukket, idet den vil begrense utgangseffekten fra motoren 118 og således ROP under ikke-lineær boring. Dersom et slikt alternativ anvendes, vil clutchen 130 bli anvendt istedenfor strømningsdistribusjonsmodulen 48 og dreiemomentkompensasjonsmodulen 50, og plassert som vist på fig. 4, ved toppen av bunnhullsmontasjen som er festet til borestrengen 10. Svivelmontasjen 30 ville bli eliminert som overflødig for den uavhengige rotasjonsmulighet som er tilveiebragt i bunnhullsmontasjen 16 av clutchen 130. Clutchen 130 ville være utformet til å koble ut ved anvendelse av eksempelvis 75 % av maksimum driftsdreiemoment for den nedihullsmotoren som clutchen anvendes sammen med. Enten måtte friksjonskrefter i clutchen 130 styres, eller det måtte anvendes en annen rotasjonshastighetsstyremekanisme for å holde rotasjonen av bunnhullsmontasjen 116 innen et begrenset område, i størrelsesorden 10-20 omdreininger/min. for å tillate TFO-justeringer under innledningen til og under orientert boring. Det kunne valgfritt anvendes en to-modus eller en to-hastighets tannhjulsmekanisme, slik at dreiemomentet i en-modus kunne justeres for å justere TFO, mens en høyere rotasjonshastighet tillates for rett boring i en annen modus. Det kan benyttes en mekanisme, etter ønske og som beskrevet med henvisning til svivelmontasjen 30, for å koble ut clutchen 130 for å tilveiebringe en låsing eller en frihjulsforbindelse over clutchen, og/eller for å skifte mellom rotasjonshastighetsmodi. Clutch, gir, modusskifting og låsmekanismer er alle velkjente innenfor mekanisk teknikk og spesielt innenfor boreteknikken, og beskrivelse av ytterligere detaljer ved disse enn det som her er angitt er ikke nødvendig.

I bruk vil den alternative utførelsen av oppfinnelsen tilveiebringe inkrementell justering av TFO via korte borefluidstrømmer som er høye nok til å generere nok reaktivt motordreiemoment for clutchutløsing, idet rotasjonsstillingen til bunnhullsmontasjen 116 detekteres som i den foretrakkede utførelse. Etter rotasjonsretting vil orientert boring utføres ved strømningshastigheter og under vekt på borekronen som er styrt slik at det dreiemomentnivå som er påkrevet for å frigjøre clutchen 130 ikke overstiges. For rett boring, vil høye strømningshastigheter og passende vekt på borekronen bli anvendt for å sikre utløsing av clutchen og kontinuerlig rotasjon av bunnhullsmontasjen 116. Som tidligere angitt, dersom det anvendes en mekanisme for å låse eller koble ut clutchen, kan bunnhullsmontasjen 116 orienteres, clutchen 130 låses, og deretter kan orientert boring utføres uten å ta hensyn til strømningshastighet og vekt på borekronen.

Claims (24)

1. Boremontasje for valgfri boring av tilstøtende hovedsakelig lineære og ikke-lineære brønnsegmenter gjennom en underjordisk formasjon, omfattende: en borestreng (10) med en lengdeakse (24); en bunnhullsmontasje (16), omfattende: en nedihullsmotor (18) som er tilpasset til å drives med borefluid som tilføres til nedihullsmontasjen (16) gjennom borestrengen (10) og har en utgangsaksel (20); en borekrone (22) som har en lengdeakse (24) og er forbundet til utgangsakselen (20); en avbøyningskonstruksjon (28) for å påvirke bunnhullsmontasjen (16) til å bore et ikke-lineært brønnsegment; en dreiemomentkompensasjonsmontasje (32) for tilveiebringelse av høyrerettet dreiemoment på bunnhullsmontasjen (16); og en svivelmontasje (30) som er anordnet mellom og forbundet til en nedre ende av borestrengen (10) og en øvre ende av bunnhullsmontasjen (16) for å tillate innbyrdes rotasjonsbevegelse mellom disse,karakterisert ved at dreiemomentkompensasjonsmontasjen (32) omfatter en borefluiddrevet turbinmontasje (64, 66) som tilveiebringer dreiemomentet som respons på en andel av strømmen av borefluid gjennom bunnhullsmontasjen (16).

2. Boremontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at dreiemomentkompensasjonsmontasjen (32) videre omfatter en ventilmontasje (52, 54, 58) for å variere størrelsen av andelen av borefluidstrøm for å variere graden av dreiemomentkompensasjon som påføres bunnhullsmontasj en (16).

3. Boremontasje ifølge krav 2, karakterisert ved at ventilmontasjen (52, 54) er tilpasset til å variere graden av dreiemomentkompensasjon for å holde bunnhullsmontasjen (16) i en rotasjonsmessig statisk stilling eller bevirke at bunnhullsmontasjen (16) roterer.

4. Boremontasje ifølge krav 3, karakterisert ved at rotasjonen av bunnhullsmontasjen (16) som respons på ventilmontasjen (52, 54, 58) enten kan være høyrerettet eller venstrerettet rotasjon.

5. Boremontasje ifølge krav 2, karakterisert ved at den videre omfatter en sensormontasje (46) inne i bunnhullsmontasjen (16) for detektering av rotasjonshastigheten og rotasjonsposisjonen til bunnhullsmontasjen (16).

6. Boremontasje ifølge krav 5, karakterisert ved at den videre omfatter en behandlings- og styremontasje (48) for å bevirke ventilmontasjen (52, 54) til å variere andelen av borefluidstrøm som respons på minst den ene av rotasjonshastigheten og rotasjonsposisjonen som er detektert av sensormontasjen (46).

7. Boremontasje ifølge krav 6, karakterisert ved at den videre omfatter en kommunikasjonsforbindelse mellom sensormontasjen (46) og jordens overflate for å overføre signaler som representerer rotasjonshastigheten og rotasjonsposisjonen til bunnhullsmontasjen (16) til en boreoperatør ved overflaten, og å bringe signaler fra overflaten til behandlings-og styremontasjen (48) for selektiv variering av andelen av borefluidstrøm for å bringe brønnsegmentene som er boret av boremontasjen i samsvar med en ønsket bane.

8. Boremontasje ifølge krav 6, karakterisert ved at behandlings- og styremontasjen (48) omfatter en forhåndsprogrammert borehullsbane, og er tilpasset til å variere andelen av borefluidstrøm for å bringe brønnsegmentene som er boret av boremontasjen (16) i samsvar med den forhåndsprogrammerte brønnbane.

9. Boremontasje ifølge krav 8, karakterisert ved at den videre omfatter en kommunikasjonsforbindelse mellom sensormontasjen (46) og jordoverflaten for overføring av signaler som angir rotasjonshastigheten og rotasjonsposisjonen til bunnhullsmontasjen (16) til en boreoperatør ved overflaten, og overføring av signaler fra jordoverflaten til behandlings- og styremontasjen (48) for selektiv variasjon av andelen av borefluidstrøm gjennom ventilmontasjen (52, 54) for å endre den forhåndsprogrammerte brønnbane.

10. Boremontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at svivelmontasjen (30) er selektivt låsbar for å forhindre innbyrdes rotasjonsbevegelse.

11. Boremontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at borestrengen (10) omfatter en flerhet av rørlengder.

12. B oremontasj e ifølge krav 1, karakterisert ved at borestrengen (10) omfatter en kveilrørstreng.

13. Boremontasje ifølge krav 12, karakterisert ved at bunnhullsmontasjen (16) videre omfatter en aksialkraftenhet for påføring av aksialkraft på bunnhullsmontasjen (16) og gjennom borekronen (22) mot en underjordisk formasjon som bores.

14. Boremontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at nedihullsmotoren (18) omfatter en fortrengningsmotor som er drevet av borefluid.

15. B oremontasj e ifølge krav 14, karakterisert ved at borefluidet er valgt fra gruppen av fluider omfattende væsker, gass og skum.

16. Boremontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at nedihullsmotoren (18) omfatter en borefluiddrevet turbin.

17. Boremontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at den borefluiddrevne turbin i kompensasjonsmontasjen (32) omfatter en statisk turbin som er rotasjonsmessig fastholdt til bunnhullsmontasjen (16) og omfatter faste, innbyrdes innskutte statorelementer (66) og rotorelementer (64).

18. B oremontasj e ifølge krav 16, karakterisert ved at turbinmontasjen omfatter en gjennomgående aksial passasje (62) som er omgitt av innbyrdes innskutte statorelementer (66) og rotorelementer (64), og en ventilmontasje (52, 54, 58) ved enden av borestrengen for variasjon av strømmen av borefluid mellom den aksiale passasje (62) og de innbyrdes innskutte statorelementer (66) og rotorelementer (64).

19. Boremontasje ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at dreiemomentkompensasjonsmontasjen omfatter en statisk turbin inkludert innbyrdes innskutte statorelementer (66) og rotorelementer (64), idet både statorelementene (66) og rotorelementene (64) er fastholdt i turbinens ytre hus (68), hvilket resulterer i en permanent stanset turbinlignende anordning.

20. Boremontasje ifølge krav 19, karakterisert ved at den statiske turbinmontasje (64, 66, 68) omfatter en gjennomgående aksial passasje (60) som er omgitt av de innbyrdes innskutte statorelementer (66) og rotorelementer (64), og en ventilmontasje (52, 54, 58) i én ende for variasjon av strømmen av borefluid mellom den aksiale passasje (60) og de innbyrdes innskutte statorelementer (66) og rotorelementer (64).

21. Boremontasje for valgfri boring av tilstøtende hovedsakelig lineære og ikke-lineære brønnsegmenter gjennom en underjordisk formasjon, omfattende: en borestreng (10) med en lengdeakse (24); og en bunnhullsmontsje (116), omfattende: en nedihullsmotor (18) som drives med borefluid som tilføres til bunnhullsmontasjen (16) gjennom borestrengen (10) og har en utgangsaksel (20); en borekrone (22) som har en lengdeakse (24) og er forbundet til utgangsakselen (20); en avbøyningskonstruksjon (28) for å påvirke bunnhullsmontasjen (16) til å bore et ikke-lineært brønnsegment; og en rotasjonsdrivmontasje mellom borestrengen (10) og nedihullsmotoren (18) for å endre rotasjonsretningen til nedihullsmotoren (18) til rotasjon uavhengig av borestrengen (10),karakterisert ved at rotasjonsdrivmontasjen (16) omfatter en dreiemomentsensitiv clutch (130) som er tilpasset til utløsing ved påføring av en valgt grad av reaktivt dreiemoment som er generert av nedihullsmotoren (18) under boringen.

22. Fremgangsmåte til valgfri boring av tilstøtende hovedsakelig lineære og ikke-lineære brønnsegmenter gjennom en underjordisk formasjon, omfattende: tilveiebringelse av en borestreng (10) med en lengdeakse, og en bunnhullsmontasje (16, 116) ved den nedre ende av borestrengen (10), idet bunnhullsmontasjen (16, 116) omfatter en nedihullsmotor (18) for rotasjon av en borekrone (22) med en lengdeakse (24); plassering av bunnhullsmontasjen (16, 116) på borestrengen (10) i en brønn (12); bevirke nedihullsmotoren (18) til å rotere borekronen (22); og styre rotasjonsretningen til nedihullsmotoren (18), karakterisert ved at styringen av rotasjonsretningen til nedihullsmotoren (18) utføres uavhengig av rotasjonsretningen til borestrengen (10) ved generering av et dreiemoment i bunnhullsmontasjen (16, 116) over motoren (18), idet det genererte dreiemoment anvendes i kombinasjon med reaktivt dreiemoment generert av motoren (18) for å styre rotasjonsretningen til motoren (18).

23. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at styringen omfatter rotasjon av borestrengen (10) og motoren (18) ved forskjellige hastigheter.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 23, karakterisert ved at styringen omfatter rotasjon av borestrengen (10) og motoren (18) i forskjellige retninger.