NO343409B1

NO343409B1 - Apparat for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner

Info

Publication number: NO343409B1
Application number: NO20091546A
Authority: NO
Inventors: Jason Duhe; James May
Original assignee: Smith International; Mi Llc
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2019-02-25
Also published as: GB2456438A; EA200970408A1; CA2667199A1; CA2667199C; WO2008051978A1; BRPI0718493A2; GB0906542D0; GB2456438B; US20100288507A1; US8490719B2; NO20091546L; MX2009004270A; BRPI0718493B1; EA014363B1

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

[0001] Letingen etter og produksjonen av hydrokarboner fra undergrunnsformasjoner krever i siste instans en fremgangsmåte for å nå og utvinne hydrokarbonene fra formasjonen. Med henvisning til fig.1, en typisk olje- eller gassbrønn 10 inkluderer et borehull 12 som krysser en underjordisk formasjon 14, og som inkluderer et brønnborings-fôringsrør 16. Under operasjon av brønnen 10, kan et borerør 18 posisjoneres inne i borehullet 12 for å injisere fluider, så som f.eks. boreslam, inn i brønnboringen. Som det vil innses av personer som har ordinær fagkunnskap innen teknikken, kan enden av borerøret 18 inkludere en borkrone, og det injiserte boreslam kan brukes til å avkjøle borkronen og fjerne partikler som er boret bort fra borkronen. Fluidet sirkulerer deretter tilbake opp ringrommet som er dannet mellom borehullets vegg og borkronen, idet det tar med seg borekakset fra borkronen og rensker borehullet. En slamtank 20 inneholdende et forråd av boreslam kan være funksjonsdyktig koplet til en slampumpe 22 for injisering av boreslammet inn i borerøret 18.

[0002] US 6904981 B2 omtaler et system og fremgangsmåte for å styre formasjonstrykk under boring av en underjordisk formasjon som anvender et selektivt fluidmottrykksystem hvor fluid pumpes ned borefluidretursystemet som reaksjon på detekterte borehullstrykk. Et trykkovervåkningssystem er videre fremskaffet for å overvåke detekterte borehullstrykk, modellantatte borehullstrykk for ytterligere boring og styring av fluidmottrykksystemet.

[0003] Tradisjonelt sett blir fluid valgt slik at det hydrostatiske trykk som påføres av fluidet er større enn omgivende formasjonstrykk, hvilket hindrer formasjonsfluider i å komme inn i borehullet 12. Dette forårsaker også at fluidet kommer inn i formasjonens porer, eller "invaderer" formasjonen 14. Videre henger enkelte av additivene fra det trykksatte fluid fast ved formasjonens vegger, og danner en "slamkake" på formasjonens vegger. Denne slamkaken hjelper til med å bevare og beskytte formasjonen før setting av fôringsrør i boreprosessen. Valget av fluidtrykk som er større enn formasjonens trykk, blir vanligvis referert til som overbalansert boring.

[0004] Ringrommet 24, mellom fôringsrøret 16 og borerøret 18 kan tettes på konvensjonell måte, f.eks. ved bruk av en roterende tetning 26. For å styre driftstrykket inne i brønnen 10, innenfor akseptable områder, kan en struper 28 være funksjonsdyktig koplet til ringrommet 24 mellom fôringsrøret 16 og borerøret 18, for styrbart å tappe av trykksatte fluidiske materialer ut av ringrommet 24, tilbake inn i slamtanken 20, for dermed å danne mottrykk inne i borehullet 12. Den rene, returnerte fluidstrøm måles for å bestemme fluidtap til formasjonen som er resultat av fluidinvasjon. De returnerte faststoffer og fluid (før behandling) kan studeres for å bestemme forskjellige formasjonskarakteristika som brukes ved boreoperasjoner. Så snart fluidet har blitt behandlet i slamgropen, blir det deretter igjen pumpet ut av slamgropen og på ny injisert inn i toppen av borestrengen. Denne overbalanserte teknikk avhenger primært av fluidets tetthet og den hydrostatiske kraft som genereres av søylen av fluid i ringrommet for å generere trykk. Ved å overstige formasjonens poretrykk, brukes fluidet til å hindre brå utslipp av formasjonsfluid til borehullet, så som gass-spark. Der hvor det skjer slike gass-spark, kan tettheten av fluidet økes for å hindre ytterligere utslipp av formasjonsfluid til borehullet.

Imidlertid, tilsetningen av vektadditiver for å øke fluidets tetthet (a) er kanskje ikke rask nok til å hanskes med utslippet av formasjonsfluid, og (b) kan overstige formasjonens frakturtrykk, hvilket resulterer i dannelsen av spalter eller frakturer i formasjonen, med resulterende fluidtap til formasjonen, hvilket eventuelt har negativ påvirkning nær borehullets permeabilitet. I slike hendelser, kan operatøren velge å stenge utblåsingssikringene (blow out preventors (BOP) nedenfor boreriggens dekk, for å styre bevegelsen av gassen opp ringrommet. Gassen tappes av og fluidtettheten økes før gjenopptakelse av boreoperasjoner.

[0005] Bruken av overbalansert boring påvirker også valget av fôringsrør under boreoperasjoner. Boreprosessen begynner med et lederør som blir drevet inn i grunnen, en BOP-stakk festes til bore-lederøret, med boreriggen posisjonert over BOP-stakken. En borestreng med en borkrone kan selektivt roteres ved rotering av hele strengen ved bruk av rigg-kellyen eller et toppdrevet rotasjonssystem, eller kan roteres uavhengig av borestrengen ved benyttelse av borefluid-drevne mekaniske motorer som er installert i borestrengen over borkronen. Som påpekt ovenfor, en operatør kan bore åpent hull over en periode inntil det tidspunkt det akkumulerte fluidtrykk ved en beregnet dybde nærmer seg formasjonens frakturtrykk. På dette tidspunkt er det alminnelig praksis å sette inn og henge en fôringsrørstreng i borehullet fra overflaten ned til den beregnede dybde. En sementeringssko plasseres på borestrengen, og spesialsement injiseres i borestrengen, for bevegelse opp ringrommet og for å fortrenge eventuelt fluid som da er i ringrommet. Sementen mellom formasjonens vegg og utsiden av fôringsrøret støtter og isolerer effektivt formasjonen fra brønnboringens ringrom, og videre åpenhullsboring utføres nedenfor fôringsrørstrengen, idet fluidet igjen tilveiebringer trykkstyring og formasjonsbeskyttelse.

[0006] Fig.2 er et eksemplifiserende diagram over bruken av fluider under boreprosessen i en mellomliggende borehullsseksjon. Den øvre horisontale stolpe representerer det hydrostatiske trykk som utøves av borefluidet, og den vertikale stolpe representerer den totale vertikale dybde av borehullet. Formasjonens poretrykk-graf er representert ved linje 40. Som påpekt ovenfor, i en overbalansert situasjon, overstiger fluidtrykket formasjonens poretrykk av hensyn til trykkstyring og hullstabilitet. Linje 42 representerer formasjonens frakturtrykk. Trykk som er høyere enn formasjonens frakturtrykk vil resultere i at fluidet trykksetter formasjonens vegger i den utstrekning at små sprekker eller frakturer vil åpne i borehullets vegg og fluidtrykket overvinner formasjonens trykk med betydelig fluidinvasjon. Fluidinvasjon kan resultere i redusert permeabilitet, hvilket negativt påvirker formasjonens produksjon. Ringromstrykket som genereres av fluidet og dets additiver er representert ved linje 44, og er en lineær funksjon av den totale vertikale dybde. Det rene hydrostatiske trykk som ville bli generert av fluidet, minus additiver, dvs. vann, er representert ved linje 46.

[0007] I et fluidsystem med åpen sløyfe, beskrevet ovenfor, er ringromstrykket som ses i borehullet en lineær funksjon av borehullets fluid. Dette er korrekt kun der hvor fluidet er ved en statisk tetthet. Selv om fluidets tetthet kan modifiseres under boreoperasjoner, er det resulterende ringromstrykk generelt lineært. På fig.2 følger det hydrostatiske trykk 46 og poretrykket 40 generelt hverandre i den mellomliggende seksjon til en dybde på ca.2133,6 meter. Deretter øker poretrykket 40. Dette kan skje der hvor borehullet penetrerer et formasjonsintervall som har betydelig forskjellige karakteristika i forhold til den tidligere formasjon. Ringromstrykket 44, som opprettholdes av fluidet er sikkert over poretrykket før økningen. I dybden nedenfor poretrykkets økning, er differansen mellom poretrykket 40 og ringromstrykket 44 betydelig redusert, hvilket reduserer sikkerhetsmarginen under operasjoner. Et gass-spark i dette intervall kan resultere i at poretrykket overstiger ringromstrykket med et utslipp av fluid og gass inn i borehullet, hvilket muligens krever aktivering av BOP-stakken på overflaten. Som påpekt ovenfor, selv om ytterligere vektmateriale kan tilsettes til fluidet, vil det generelt være ineffektivt for å hanskes med et gass-spark, på grunn av den tid som er påkrevet for å øke fluidets tetthet slik dette ses i borehullet.

[0008] Fluidsirkulasjon danner i seg selv også problemer i et åpent system. Det vil forstås at det er nødvendig å stenge av slampumpene for å skru sammen suksessive lengder av borerør. Når pumpene er stengt av, vil ringromstrykket gjennomgå en negativ spiss som spres ettersom ringromstrykket stabiliseres. På lignende vis, når pumpene igjen skrus på, vil ringromstrykket gjennomgå en positiv spiss. Dette skjer hver gang en rørlengde tilsettes til eller tas ut fra strengen. Det vils forstås at disse spisser kan forårsake utmatting på borehullskaken og kan resultere i at formasjonsfluider kommer inn i borehullet, hvilket igjen fører til en brønnkontrollhendelse.

[0009] I kontrast til åpne fluidsirkulasjonssystemer, har det blitt utviklet en rekke lukkede fluidhåndteringssystemer. Et lukket system brukes for formålet med underbalansert boring, dvs. at ringromstrykket er mindre enn formasjonens poretrykk. Underbalansert boring brukes generelt når formasjonen er av kritt eller annen frakturert kalkstein og det er ønskelig å hindre slamkaken i å plugge frakturer i formasjonen. Dessuten vil det forstås at der hvor det brukes underbalanserte systemer, vil en betydelig brønnhendelse kreve at BOP-ene stenges for å håndtere sparket eller en annen brå trykkøkning.

[0010] Det vil således være en forbedring innen teknikken å ha et system som kan ta hånd om trykk i borehullet gjennomgående under boreoperasjoner.

Sammenfatning

[0011] Målene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved et apparat for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner, hvor brønnboringen har fôringsrør satt og sementert på plass, kjennetegnet ved apparatet omfatter:

et reservoar som inneholder fluid fra brønnboringen;

en borestreng i fluidkommunikasjon med reservoaret, hvor et ringrom er avgrenset mellom brønnboringen og borestrengen;

en trykktransduser i borestrengen for å måle trykk i ringrommet;

en roterende styringsinnretning som isolerer trykk i ringrommet og kommuniserer fluid fra reservoaret til borestrengen og avleder fluid og faststoffer fra ringrommet;

en første strømningsmåler for måling av strømningsmengde av fluid og faststoffer avledet fra ringrommet;

en justerbar struper i fluidkommunikasjon med den roterende styringsinnretning som styrbart tapper av trykksatt fluid fra ringrommet, hvor den justerbare struper har et ventilelement med en posisjon styrt av et første styretrykksignal og en motstående andre styretrykksignal;

faststoffkontrollutstyr som mottar fluid og faststoffer fra den justerbare struper og fjerner faststoffene fra fluidet;

en fluidledning for å styre fluid fra faststoffkontrollutstyret til reservoaret; en prosessor som mottar de målte trykk fra trykktransduseren og beregner et settpunktmottrykk; og

en mottrykkpumpe i fluidkommunikasjon med reservoaret, og som påfører et mottrykk mellom den første strømningsmåler og den justerbare struper basert på det beregnede settpunktmottrykk.

[0012] Foretrukne utførelsesformer av apparatet er videre utdypet i kravene 2 til og med 6.

[0013] Utførelser som her offentliggjøres vedrører en fremgangsmåte for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner. Fremgangsmåten inkluderer trinn for tilveiebringelse av fluid fra et reservoar gjennom en borestreng, sirkulering av fluidet fra borestrengen til et ringrom mellom borestrengen og brønnboringen, isolering av trykk i ringrommet, måling av trykk i ringrommet, beregning av et settpunkt-mottrykk, påføring av mottrykk på ringrommet basert på settpunktmottrykket, avleding av fluid fra ringrommet til en styrbar struper, styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet, separering av faststoffer fra fluidet og leding av fluidet tilbake til reservoaret.

[0014] I et annet aspekt vedrører utførelser som her offentliggjøres et apparat for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner, hvor brønnboringen har fôringsrør satt og sementert på plass. Apparatet inkluderer et reservoar som inneholder fluid for brønnboringen, en borestreng i fluidkommunikasjon med reservoaret, hvor et ringrom er avgrenset mellom brønnboringen og borestrengen, en trykktransduser i borestrengen for å måle trykk i ringrommet, en roterende styringsinnretning som isolerer trykk i ringrommet og som kommuniserer fluid fra reservoaret til borestrengen og avleder fluid og faststoffer fra ringrommet, en justerbar struper i fluidkommunikasjon med den roterende styringsinnretning som styrbart tapper av trykksatt fluid fra ringrommet, faststoff-kontrollutstyr som mottar fluid og faststoffer fra den justerbare struper og som fjerner faststoffene fra fluidet, hvor fluidet fra faststoff-kontrollutstyret ledes til reservoaret, en prosessor som mottar det målte trykk fra trykktransduseren og beregner et settpunktmottrykk, og en mottrykkspumpe i fluidkommunikasjon med reservoaret og som påfører et mottrykk mellom den roterende styringsinnretning og den automatiske stuper basert på det beregnede settpunkt-mottrykk.

[0015] Andre aspekter og fordeler ved den gjenstand det kreves beskyttelse for vil være åpenbare fra den følgende beskrivelse og de vedføyde krav.

Kort beskrivelse av tegningene

[0013] Fig.1 er en skjematisk illustrasjon av en utførelse av en konvensjonell oljeeller gassbrønn.

[0014] Fig.2 er en graf som viser ringromstrykk og formasjonsporetrykk og frakturtrykk.

[0015] Fig.3 er et planriss av en utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen.

[0016] Fig.4 er et planriss av en utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen.

[0017] Fig.5 er et planriss av en utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen.

[0018] Fig.6 er en utførelse av den automatiske struper som benyttes i en utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen.

[0019] Fig.7 er et blokkdiagram over trykkovervåkings- og styringssystemet som benyttes i en utførelse av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse

[0020] I et aspekt vedrører utførelser som her offentliggjøres en fremgangsmåte for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner. Som her brukt, inkluderer uttrykket "boreoperasjoner" alle operasjoner eller aktiviteter som skjer på borestedet i forbindelse med boring av en brønn, inkludert, men ikke begrenset til, den faktiske handling med dreiing av borestrengen for å forårsake at en roterende borkrone borer inn i formasjonen, og som inkluderer pumping av boreslammet, drift av borevinsjene, genereringen av elektrisk effekt, kjøringen av maskineri, alle andre aktiviteter som er forbundet med drift av et borested.

[0021] Med henvisning til fig.3, vises en utførelse av et apparat for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner. Selv om fig.3 er et planriss som viser et overflateboresystem som anvender den foreliggende oppfinnelse, vil det forstås at et offshore boresystem likeledes kan anvende den foreliggende oppfinnelse. Boresystemet 100 er vist idet det utgjøres av en borerigg 102 som benyttes til å understøtte boreoperasjoner. Mange av de komponenter som brukes på en rigg 102, så som kellyen, krafttenger, holdekiler, borevinsjer og annet utstyr, er av hensyn til enkelhet ved visningen ikke vist. Riggen 102 brukes til å understøtte bore- og leteoperasjoner i formasjonen 104. Borehullet 106 har allerede blitt delvis boret, fôringsrør 108 satt og sementert 109 på plass. I en utførelse er en fôringsrøravstengingsmekanisme, eller nedihulls utplasseringsventil 110, installert i fôringsrøret 108 for valgfritt å stenge av ringrommet, og virker effektivt som en ventil for å stenge av åpenhulls-seksjonen når borkronen er lokalisert over ventilen.

[0022] Borestrengen 112 bærer en bunnhullsanordning (bottom hole assembly, BHA) 113 som inkluderer en borkrone 120, en slammotor, et MWD/LWD-sensorsett 119, som inkluderer en trykktransduser 116 for å bestemme ringromstrykket, eller tilbakeslagsventil, for å hindre tilbakestrømming av fluid fra ringrommet. Det inkluderer også en telemetripakke 122 som brukes til å sende trykk, MWD/LWD så vel som boreinformasjon som skal mottas ved overflaten. Selv om fig. 3 illustrerer en BHA som benytter et slamtelemetrisystem, vil det forstås at andre telemetrisystemer, så som radiofrekvens (RF), elektromagnetiske (EM) eller borestreng-overførings-systemer kan anvendes innenfor den foreliggende oppfinnelse.

[0023] Som påpekt ovenfor, boreprosessen krever bruk av et borefluid 150, som kan være lagret i reservoaret 136. Det vil forstås at reservoaret 136 kan være en slamtank, grop eller en hvilken som helst type av beholder som kan romme et borefluid. Reservoaret 136 er i fluidkommunikasjon med én eller flere slampumper 138 som pumper borefluidet 150 gjennom ledningsrør 140. En valgfri strømningsmåler 152 kan være anordnet i serie med den ene eller de flere slampumper, enten oppstrøms eller nedstrøms for disse. Ledningsrøret 140 er forbundet til den siste rørlengde av borestrengen 112 som passerer gjennom en roterende styringsinnretning (rotating control device, RCD) 142. En RCD 142 isolerer trykket i ringrommet, samtidig som den likevel tillater borestrengens rotasjon. Fluidet 150 pumpes ned gjennom borestrengen 112 og BHA-en 113 og går ut gjennom borkronen 120, hvor det sirkulerer borekakset fra borkronen 120 og returnerer det opp åpenhulls-ringrommet 115 og deretter ringrommet dannet mellom fôringsrøret 108 og borestrengen 112. Fluidet 150 returnerer til overflaten og går gjennom avlederen 117 som er lokalisert i RCD-en 142, gjennom ledningsrør 124 til et assistert brønnkontroll-system 160 og forskjellige faststoff-kontrollutstyr 129, så som f.eks. en vibrasjonssikt. Det assisterte brønnkontrollsystem 160 vil bli beskrevet i nærmere detalj nedenfor.

[0024] I ledningsrøret 124 kan en annen strømningsmåler 126 være anordnet. Strømningsmåleren 126 kan være en strømningsmåler av massebalansetypen eller en annen strømningsmåler med høy oppløsning. Det vil forstås at ved overvåking av strømningsmålerne 126, 152 og det volum som pumpes av mottrykkspumpen 128 (beskrevet nedenfor), er systemet med letthet i stand til å bestemme mengden av fluid 150 som blir tapt til formasjonen, eller omvendt, den mengde av formasjonsfluid som lekker til borehullet 106. Basert på forskjellene i mengde av fluid 150 som pumpes sammenholdt med fluid 150 som returneres, er operatøren i stand til å bestemme om hvorvidt fluid 150 blir tapt til formasjonen 104, hvilket kan angi at formasjonsfrakturering har skjedd, dvs. en betydelig negativ fluiddifferanse. Likeledes vil en betydelig positiv differanse være tegn på at formasjonsfluid kommer inn i brønnboringen.

[0025] Etter å ha blitt behandlet med faststoffkontrollutstyret 129, blir borefluidet ledet til slamtanken 136. Borefluid fra slamtanken 136 ledes gjennom ledningsrøret 134 tilbake til ledningsrøret 140 og til borestrengen 112. En mottrykksledning 144, lokalisert oppstrøms fra slampumpene 138, forbinder ledningsrøret 134 strømningsmessig til det som generelt refereres til som et mottrykkssystem 146. I en utførelse, vist på fig.4, er en tre-veis ventil 148 plassert i ledningsrøret 134. Denne ventil 148 tillater at fluid fra slamtanken 136 selektivt ledes til riggpumpen 138 for å gå inn i borestrengen 112 eller ledes til mottrykkssystemet 146. I en annen utførelse er ventilen 148 en styrbar variabel ventil, som tillater en variabel deling av den totale pumpeytelse for levering til borestrengen 112 på den ene side og til mottrykksledningen 144 på den andre side. På denne måte kan borefluidet pumpes både inn i borestrengen 112 og mottrykkssystemet 146. I en utførelse, vist på fig.5, er en tre-veis fluidforbindelse 154 anordnet i ledningsrøret 134, og en første variabel strømningsbegrensende innretning 156 er anordnet mellom tre-veis fluidforbindelsen 154 og ledningsrøret 140 til riggpumpen 138, og en annen variabel strømningsbegrensende innretning 158 er anordnet mellom tre-veis fluidforbindelsen 154 og mottrykksledningen 140. Evnen til å tilveiebringe justerbart mottrykk under hele bore- og kompletteringsprosessen er således tilveiebrakt.

[0026] Det vises nå igjen til fig.3, idet mottrykkspumpen 128 forsynes med fluid fra reservoaret gjennom ledningsrøret 134, som er i fluidkommunikasjon med reservoaret 136. Selv om fluid fra ledningsrøret 124, lokalisert nedstrøms fra det assisterte brønnkontrollsystemet 160 og oppstrøms fra faststoffkontroll-utstyr 129, kan brukes til å forsyne mottrykkssystemet 146 med fluid, vil det forstås at fluid fra reservoaret 136 har blitt behandlet av faststoffkontrollutstyr 129. Som sådan er slitasjen på mottrykkspumpen 128 mindre enn slitasjen ved pumping av fluid hvor borefaststoffer fremdeles er tilstede.

[0027] I en utførelse er mottrykkspumpen 128 i stand til å tilveiebringe opp til ca.

2200 psi (15168,5 kPa) av mottrykk; dog kan pumper med høyere trykk-kapasitet velges. Mottrykkspumpen 128 pumper fluid inn i ledningsrøret 144, som er i fluidkommunikasjon med ledningsrøret 124 oppstrøms for det assisterte brønnkontrollsystem 160. Som tidligere omtalt, fluid fra ringrommet 115 ledes gjennom ledningsrøret 124. Fluidet fra mottrykkspumpen 128 bevirker således et mottrykk på fluidet i ledningsrøret 124 og tilbake inn i ringrommet 115 i borehullet.

[0028] Det assisterte brønnkontrollsystem, vist på fig.3, inkluderer en automatisk struper 162 for styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet 115. Som vist på fig. 6, den automatiske struper 162 inkluderer et bevegelig ventilelement 164. Posisjonen til ventilelementet 164 styres av et første styringstrykksignal 166 og et motstående annet styringstrykksignal 168. I kontrast til dette, strupere med fast posisjon som brukt i enkelte versjoner av systemer med lukket sløyfe ifølge kjent teknikk, er avhengig av signaler som er fremskaffet fra og overført på utsiden av struperen for å justere åpningen gjennom struperen, og kan derfor ikke med letthet tilpasses til hurtige trykkforandringer. Det vil forstås at fordelen med en automatisk struper er at hurtige trykkøkninger, -reduksjoner og -spisser som opptrer i det annet styringstrykksignal dempes av det første motstående trykksignal.

[0029] I en utførelse er det første styringstrykksignal 166 representativt for et settpunkttrykk (settpoint pressure, SPP) som genereres av et styringssystem 184 (beskrevet nedenfor og vist på fig.7), og det annet styringstrykksignal 168 er representativt for fôringsrørtrykket (casing pressure, CSP). På denne måte, hvis CSP er større enn SPP, blir trykksatte fluidiske materialer inne i ringrommet 115 tappet av inn i slamtanken 136. Omvendt, hvis CSP er lik eller mindre enn SPP, så blir de trykksatte fluidiske materialer inne i ringrommet 115 ikke tappet av inn i slamtanken 136. På denne måte tapper den automatiske struper 162 styrbart av trykksatte fluider fra ringrommet 115, og muliggjør dermed også styrbart opprettholdelsen av mottrykk i borehullet 106 som tilveiebringes av mottrykkssystemet 146. I en eksemplifiserende utførelse er den automatiske struper 162 videre anordnet hovedsakelig som beskrevet i US-patent nr.6,253,787, idet offentliggjøringen av dette innlemmes heri som referanse.

[0030] Med henvisning til fig.3 -5, den automatiske struper 162 kan inkorporeres på en strupermanifold 180. En reservestruper 182 kan også inkorporeres på strupermanifolden 180. Ventiler (ikke vist) på manifolden 180 kan selektivt aktiveres for å avlede fluid fra ledningsrøret 124 gjennom reservestruperen 182. Slik avledning av strømning gjennom reservestruperen 182 kan være vanskelig, f.eks. når den automatiske struper 162 må tas ut av tjeneste for vedlikehold.

Strømning kan selektivt returneres til den automatiske struper 162 når vedlikeholdet er fullført.

[0031] Det vises til fig.7, hvor et blokkdiagram inkluderer styringssystemet 184 i en utførelse av den foreliggende oppfinnelse. Systeminnganger til styringssystemet 184 inkluderer nedihullstrykket (downhole pressure, DHP) 186 som har blitt målt av sensorpakken 119, overført av MWD-pulsgeneratorpakken 122 og mottatt av transduserutstyr (ikke vist) på overflaten. Andre systeminnganger inkluderer pumpetrykk, inngangsstrøm fra strømningsmåler 152, penetrasjonshastighet og strengens rotasjonshastighet, så vel som vekt på borkronen (weight on bit, WOB) og dreiemoment på borkronen (torque on bit, TOB) som kan sendes fra BHA-en 113 opp ringrommet som en trykkpuls. Returstrøm måles ved bruk av strømningsmåler 126. Signaler som er representative for datainngangene sendes til en styringsenhet (ikke vist), som selv utgjøres av en boreriggstyringsenhet (ikke vist), en boreoperatørs stasjon (ikke vist), en prosessor 188 og en mottrykkprogrammerbar logisk kontroller (programmable logic controller, PLC) 190, som alle er bundet sammen ved hjelp av et felles datanettverk. Prosessoren 188 tjener flere funksjoner, inkludert overvåking av tilstanden til borehullstrykket under boreoperasjoner, predikering av borehullets respons på fortsatt boring, utsendelse av kommandoer til mottrykks-PLC-en for å styre mottrykkspumpen 128, og utsendelse av kommandoer til en PID-kontroller 172 for å styre den automatiske struper. Logikk som er tilknyttet prosessoren 188 vil bli omtalt videre nedenfor.

[0032] Med fortsatt henvisning til fig.7, det assisterte brønnkontrollsystem 160 kan også inkludere en sensortilbakekopling 170 som overvåker verdien av det faktiske borerørtrykk (drill pipe pressure, DPP) inne i borestrengen 112 ved bruk av utgangssignalet fra en sensor. Den faktiske DPP-verdi som tilveiebringes av sensortilbakekoplingen 170 blir deretter sammenlignet med mål-DPP-verdien for å generere en DPP-feil som behandles av en proporsjonal-integral-differensial (PID) kontroller 172 for å generere en hydraulisk SPP. En PID-kontroller inkluderer forsterkningskoeffisienter, Kp, Ki og Kd, som multipliseres henholdsvis med feilsignalet, integralet av feilsignalet og differensialet av feilsignalet.

[0033] Prosessoren 188 inkluderer programmering for å utføre styringsfunksjoner og sanntids modellkalibrerings-funksjoner. Prosessoren 188 mottar data fra forskjellige kilder og beregner kontinuerlig i sanntid det korrekte mottrykk-settpunkt basert på inngangsparametrene. Mottrykk-settpunktet blir deretter overført til den programmerbare logiske kontroller 190, som genererer styringssignalene for mottrykkspumpen 128. Inngangsparametrene for mottrykk-settpunktberegningen faller i tre hovedgrupper. De første er relativt faste parametere, inkludert parametere så som brønn- og fôringsrørstreng-geometri, borkronens dysediametre og brønnens trajektorie. Selv om det innses at den faktiske brønntrajektorie kan variere fra den planlagte trajektorie, kan avviket tas hensyn til med en korreksjon av den planlagte trajektorie. Innenfor denne gruppe av parametere er også temperaturprofil for fluid i ringrommet og fluidets sammensetning. Som med trajektorieparametrene, er disse generelt kjent og forandres ikke i løpet av boreoperasjonene. Et formål er å holde fluidtettheten og sammensetningen forholdsvis konstant, ved bruk av mottrykk for å tilveiebringe det ytterligere trykk for å styre ringromstrykket.

[0034] Den annen gruppe av parametere er variable i sin karakter og avføles og logges i sanntid. Det felles datanettverk tilveiebringer denne informasjon til prosessoren 188. Denne informasjon inkluderer strømningsmengdedata tilveiebrakt både av nedihulls- og returstrømmålere 152, henholdsvis 126, borestrengens penetrasjonshastighet (rate of penetration, ROP) eller hastighet, borestrengens rotasjonshastighet, borkronens dybde og brønnens dybde, idet sistnevnte to blir avledet fra riggsensordata. Den siste parameter er de data for nedihullstrykk som tilveiebringes av nedihulls-MWD/LWD-sensorsettet 119, og som overføre tilbake opp ringrommet av slampulstelemetripakken 122. En annen inngangsparameter er settpunkt-nedihullstrykket, det ønskede ringromstrykk.

[0035] I en utførelse, er en foroverkoplingsstyring inkludert. Som det vil innses av personer som har ordinær fagkunnskap innen teknikken, refererer foroverkoplingsstyring til et styringssystem hvor settpunktforandringer eller perturbasjoner i driftsmiljøet kan forutses og behandles uavhengig av feilsignalet før de kan påvirke prosessdynamikken negativt. I en eksemplifiserende utførelse forutser foroverkoplingsstyringen forandringer i borerørets SPP og/eller perturbasjoner i driftsmiljøet for borehullet 106. Som her brukt, refererer uttrykket "perturbasjon" til et eksternt generert uønsket inngangssignal som påvirker verdien av den styrte utgang.

[0036] Det hydrauliske borerør sin SPP behandles av den automatiske struper 162 for å styre den faktiske CSP. Den faktiske CSP blir deretter "behandlet" av borehullet 106 for å justere den faktiske DPP. Systemet 160 opprettholder således den faktiske DPP innenfor et forhåndsbestemt område av akseptable verdier.

[0037] Prosessoren 188 inkluderer en styringsmodul for å beregne trykket i ringrommet over dets oppfyllings-brønnboringslengde ved benyttelse av forskjellige modeller designet for forskjellige formasjons- og fluidparametere. Trykket i brønnboringen er en funksjon, ikke bare av trykket eller vekten av fluidsøylen i brønnen, men inkluderer de trykk som er forårsaket av boreoperasjoner, inkludert fluidfortrengning av borestrengen, friksjonstap som returnerer opp ringrommet, og andre faktorer. For å beregne trykket inne i brønnen, betrakter styringsmodulen brønnen som et endelig antall av segmenter, hvert tilordnet til et segment av brønnboring ens lengde. I hvert av segmentene blir det dynamiske trykk og fluidvekten beregnet og brukt til å bestemme trykkdifferansen for segmentet. Segmentene summeres og trykkdifferansen for hele brønnprofilen bestemmes.

[0038] Det er kjent at strømningsmengden for fluidet 150 som blir pumpet ned i hullet er proporsjonal til strømningshastigheten til fluidet 150, og kan brukes til å bestemme dynamisk trykkfall når fluidet blir pumpet ned i hullet. Tettheten til fluidet 150 beregnes i hvert segment, idet det tas hensyn til fluidets kompressibilitet, estimert borekaksfylling og termisk utvidelse for fluidet for det spesifiserte segment, hvilket i seg selv er relatert til temperaturprofilen for dette segmentet av brønnen. Fluidviskositeten ved temperaturprofilen for segmentet er også instrumentell for å bestemme dynamiske trykktap for segmentet. Sammensetningen av fluidet blir også betraktet ved bestemmelse av kompressibilitet og varmeutvidelseskoeffisienten. Borestrengens ROP er relatert til trykkøkninger og trykkreduksjoner man møter under boreoperasjoner når borestrengen beveges inn i eller ut av borehullet. Borestrengens rotasjon brukes også til å bestemme dynamiske trykk, ettersom den danner en friksjonskraft mellom fluidet i ringrommet og borestrengen. Borkronens dybde, brønnens dybde og brønnens/strengens geometri brukes alle til å hjelpe til med å danne borehullsegmentene som skal modelleres. For å beregne vekten av fluidet, betrakter den foretrukkede utførelse ikke bare det hydrostatiske trykk som utøves av fluidet 150, men også fluidets kompresjon, fluidets termiske utvidelse og borekaksfyllingen for fluidet sett under operasjoner. Det vil forstås at borekaksfyllingen kan bestemmes når fluidet returneres til overflaten og rekondisjoneres for videre bruk. Alle disse faktorer går inn i beregningen av "det statiske trykk".

[0039] Dynamisk trykk tar hensyn til mange av de samme faktorer ved bestemmelse av statisk trykk. Det tar imidlertid videre hensyn til en rekke andre faktorer. Blant dem er konseptet med laminær sammenholdt med turbulent strømning.

Strømningskarakteristikaene av den estimerte ruhet, hullstørrelse og strømningshastigheten til fluidet. Beregningen tar også hensyn til den spesifikke geometri for det aktuelle segment. Dette vil inkludere borehullets eksentrisitet og spesifikke borerørsgeometri (muffe/tapp-fortykkelser) som påvirker strømningshastigheten sett i borehullets ringrom. Beregningen av det dynamiske trykk inkluderer videre akkumulering av borekaks nede i hullet, så vel som fluidets reologi og effekten av borestrengens bevegelser (penetrasjon og rotasjon) på dynamisk trykk i fluidet.

[0040] Trykkdifferansen for hele ringrommet beregnes og sammenlignes med nedihulls-settpunkttrykket i styringsmodulen. Det ønskede mottrykk blir deretter bestemt og sendt videre til den programmerbare logiske kontroller 190, som genererer styringssignaler for mottrykkspumpen 128.

[0041] Den ovenstående drøftelse av hvordan mottrykk generelt beregnes benyttet flere nedihullsparametere, inkludert nedihullstrykk og estimater av fluidets viskositet og fluidets tetthet. Disse parametere bestemmes nede i hullet og sendes opp slamsøylen ved bruk av trykkpulser. Fordi databåndbredden for slampulstelemetri er svært lav og båndbredden brukes av andre enn MWD/LWD-funksjoner, så vel som borestrengens styringsfunksjoner, kan nedihullstrykk, fluidets tetthet og viskositet ikke mates inn i en modell basert på styring av dynamisk ringromstrykk på en sanntids basis. Det vil følgelig forstås at det trolig vil være en forskjell mellom det målte nedihullstrykk, når det sendes opp til overflaten, og det predikerte nedihullstrykk for denne dybde. Når slikt skjer, beregner et system for dynamisk styring av ringromstrykk justering av parametrene og implementerer dem i modellen for å foreta et nytt beste estimat av nedihullstrykk. Korreksjonene i modellen kan gjøres ved variering av hvilke som helst av de variable parametere. I den foretrukkede utførelse blir fluidets tetthet og fluidets viskositet modifisert for å korrigere det predikerte nedihullstrykk. Videre, i den foreliggende utførelse brukes den faktiske måling av nedihullstrykk kun til å kalibrere det beregnde nedihullstrykk. Den benyttes ikke til å predikere respons på nedihulls ringromstrykk. Hvis nedihulls-telemetribåndbredden øker, kan det da være praktisk å inkludere sanntids informasjon om nedihullstrykk og -temperatur for å korrigere modellen.

[0042] Styringssystemet 184 karakteriserer den transiente oppførsel til CSP-en og/eller DPP-en, og oppdaterer deretter modelleringen av den samlede transferfunksjon for systemet. Basert på den oppdaterte modell av den samlede transferfunksjon for systemet, modifiserer systemet 184 deretter forsterkningskoeffisientene for PID-kontrolleren 172 for optimalt å styre DPP og BHP. Systemet 184 justerer videre forsterkningskoeffisientene for PID-kontrolleren 172 og modelleringen av den samlede transferfunksjon for systemet som en funksjon av graden av konvergens, divergens eller forskyvning av stabil tilstand mellom den teoretiske og faktiske respons til systemet.

[0043] Fordi det er en forsinkelse mellom målingen av nedihullstrykk og andre sanntids innganger, opereres styringssystemet 184 videre til å indeksere inngangene slik at sanntidsinnganger korrelerer korrekt med forsinkede overførte innganger nede i hullet. Riggsensorinngangene, beregnet trykkdifferanse og mottrykks-trykk, så vel som nedihullsmålingene, kan "tidsstemples" eller "dybdestemples", slik at inngangene og resultatene kan korreleres korrekt med senere mottatte nedihullsdata. Ved benyttelse av en regresjonsanalyse basert på et sett av nylig tidsstemplede faktiske trykkmålinger, kan modellen justeres for mer nøyaktig å predikere faktisk trykk og det påkrevde mottrykk.

[0044] Bruken av det offentliggjorte styringssystem gjør det mulig for en operatør å foreta essensielt trinnvise forandringer i ringromstrykket. Som respons på trykkøkningen sett i et poretrykk, kan mottrykket økes for trinnvis å forandre ringromstrykket som respons på økende poretrykk i kontrast til normale ringromstrykkteknikker. Systemet tilbyr videre den fordel at det er i stand til å redusere mottrykket som respons på en reduksjon i poretrykk. Det vil forstås at forskjellen mellom det opprettholdte ringromstrykk og poretrykket, kjent som overbalansetrykket, er betydelig mindre enn det overbalansetrykk som ses ved bruk av konvensjonelle ringromstrykk-styringsmetoder. Svært overbalanserte tilstander kan ha negativ påvirkning på formasjonens permeabilitet ved å tvinge større mengder av borepulsfluid inn i formasjonen.

[0045] Det forstås at variasjoner kan gjøres i det foregående uten å avvike fra oppfinnelsens omfang. For eksempel kan enhver struper som er i stand til å kunne styres med et settpunktsignal brukes i systemet 100. Videre kan den automatiske struper 162 styres av en pneumatisk, hydraulisk, elektrisk og/eller hybrid-aktuator, og kan motta og behandle pneumatiske, hydrauliske, elektriske og/eller hybridsettpunkt- og styringssignaler. I tillegg kan den automatiske struper 162 også inkludere en integrert kontroller som i det minste delvis sørger for den gjenværende styringsfunksjonalitet til systemet 184. Videre kan PID-kontrolleren 172 og styringsblokken 184 f.eks. være analoge, digitale eller en hybrid av analoge og digitale, og kan f.eks. implementeres ved anvendelse av en programmerbar datamaskin for generelt formål, eller en applikasjons-spesifikk integrert krets. Til sist, som omtalt ovenfor, læren ved systemet 100 kan anvendes på styringen av driftstrykkene innenfor ethvert borehull som er dannet inne i jorden, inkludert f.eks. en olje- eller gassproduksjonsbrønn, en undergrunns rørledning, en gruvesjakt eller en annen underjordisk struktur hvor det er ønskelig å styre driftstrykkene.

[0046] I et aspekt vedrører utførelser som her er offentliggjort en fremgangsmåte for styring av ringromstrykk i et borehull, idet fremgangsmåten inkluderer trinn for leding av borefluid gjennom en borestreng og opp et ringrom mellom borestrengen og borehullet, innmating av en flerhet av parametere til en prosessor, beregning av settpunkttrykk for en mottrykkspumpe, tilveiebringelse av mottrykk i ringrommet med mottrykkspumpen, styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet med en automatisk struper, hvor styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet inkluderer trinn for generering av et fôringsrørsettpunkt-trykksignal, avføling av et faktisk fôringsrørtrykk og generering av et faktisk fôringsrør-trykksignal, beregning av et feilsignal fra fôringsrørsettpunkt-trykksignalet og det faktiske fôringsrørtrykksignal, behandling av feilsignalet med en PID-kontroller og justering av den automatiske struper med PID-kontrolleren.

[0047] I et annet aspekt vedrører utførelser som her offentliggjøres en fremgangsmåte for dannelse av en ekvivalent sirkulasjonstetthet i et underjordisk borehull når én eller flere riggpumper startes eller stoppes, idet fremgangsmåten inkluderer trinn for leding av borefluid gjennom en borestreng og opp et ringrom mellom borestrengen og borehullet, innmating av en flerhet av parametere til en prosessor, beregning av settpunkttrykk for en mottrykkpumpe, tilveiebringelse av mottrykk inn i ringrommet med mottrykkpumpen, styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet med en automatisk struper, hvor styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet inkluderer trinn for generering av et fôringsrørsettpunkt-trykksignal, avføling av et faktisk fôringsrørtrykk og generering av et faktisk fôringsrør-trykksignal, beregning av et feilsignal fra fôringsrørsettpunkt-trykksignalet og det faktiske fôringsrør-trykksignal, behandling av feilsignalet med en PID-kontroller og justering av den automatiske struper med PID-kontrolleren.

[0048] I et annet aspekt vedrører utførelser som her er offentliggjort en fremgangsmåte for styring av formasjonstrykk i et underjordisk borehull under boreoperasjoner, idet fremgangsmåten inkluderer trinn for leding av borefluid gjennom en borestreng og opp et ringrom mellom borestrengen og borehullet, innmating av en flerhet av parametere til en prosessor, beregning av settpunkttrykk for en mottrykkpumpe, tilveiebringelse av mottrykk i ringrommet med mottrykkpumpen, styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet med en automatisk struper, hvor styrbar avtapping av trykksatt fluid fra ringrommet inkluderer trinn for generering av et fôringsrørsettpunkt-trykksignal, avføling av et faktisk fôringsrørtrykk og generering av et faktisk fôringsrør-trykksignal, beregning av et feilsignal fra fôringsrørsettpunkt-trykksignalet og det faktiske fôringsrør-trykksignal, behandling av feilsignalet med en PID-kontroller og justering av den automatisk struper med PID-kontrolleren.

Claims

PATENTKRAV

1. Apparat for opprettholdelse av trykk i en brønnboring under boreoperasjoner, hvor brønnboringen har fôringsrør (108) satt og sementert på plass, k a r a k t e r i s e r t v e d a t apparatet omfatter:

et reservoar (136) som inneholder fluid fra brønnboringen;

en borestreng (112) i fluidkommunikasjon med reservoaret, hvor et ringrom (115) er avgrenset mellom brønnboringen og borestrengen (112);

en trykktransduser (116) i borestrengen for å måle trykk i ringrommet; en roterende styringsinnretning (142) som isolerer trykk i ringrommet og kommuniserer fluid fra reservoaret (136) til borestrengen (112) og avleder fluid og faststoffer fra ringrommet (115);

en første strømningsmåler (152) for måling av strømningsmengde av fluid og faststoffer avledet fra ringrommet (115);

en justerbar struper (162) i fluidkommunikasjon med den roterende styringsinnretning (142) som styrbart tapper av trykksatt fluid fra ringrommet, hvor den justerbare struper (162) har et ventilelement (164) med en posisjon styrt av et første styretrykksignal og en motstående andre styretrykksignal (169);

faststoffkontrollutstyr (129) som mottar fluid og faststoffer fra den justerbare struper (162) og fjerner faststoffene fra fluidet;

en fluidledning for å styre fluid fra faststoffkontrollutstyret (129) til reservoaret (136);

en prosessor (188) som mottar de målte trykk fra trykktransduseren (116) og beregner et settpunktmottrykk; og

en mottrykkspumpe (128) i fluidkommunikasjon med reservoaret (136), og som påfører et mottrykk mellom den første strømningsmåler (152) og den justerbare struper (162) basert på det beregnede settpunktmottrykk.

2. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t det videre omfatter:

en andre strømningsmåler (126) mellom reservoaret (136) og borestrengen (112) som måler en strømningsmengde derigjennom;

hvor prosessoren (188) er konfigurert for å bestemme en mengde av fluid som er tapt eller vunnet i brønnboringen basert på strømningsmengdemålingen av den første strømningsmåler (152) og den andre strømningsmåler (126) og en strømningsmengde av fluidet pumpet av mottrykkspumpen (128).

3. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t det videre omfatter:

en proporsjonalt-integral-differensial(PID)-kontroller (172) som mottar kommunikasjon fra prosessoren (188);

hvor PID-kontrolleren (172) genererer et hydraulisk settpunkttrykk og påfører det på struperen (162);

hvor mottrykkspumpen (128) er styrt av den programmerbare logiske kontroller basert på settpunkt-nedihullstrykket.

4. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t det videre omfatter:

en programmerbar logisk kontroller (190) for styring av mottrykkspumpen (128);

hvor prosessoren (188) beregner et settpunkt-nedihullstrykk og sender settpunkt-nedihullstrykket til den programmerbare logiske kontroller (190); og hvor mottrykkspumpen (128) styres av den programmerbare logiske kontroller (190) basert på settpunkt-nedihullstrykket.

5. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t mottrykkspumpen (128) tilveiebringer opp til ca. 15,168 MPa mottrykk.

6. Apparat som angitt i krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d a t det videre omfatter:

en strupermanifold (180);

en reservestruper (182) på strupermanifolden (180);

hvor struperen (162) og reservestruperen (182) selektivt er i fluidkommunikasjon med den roterende styringsinnretning (142) som styrbart tapper av trykksatt fluid fra ringrommet (115).