DE3852536T2

DE3852536T2 - Biegsames Bohrstrangteil und Verfahren zum Bohren eines geneigten Lochs.

Info

Publication number: DE3852536T2
Application number: DE3852536T
Authority: DE
Inventors: Glenn Eric Beatty; Guy James Hill; Mark William Schnitker; Homer Grafton Smith
Original assignee: Weatherford US Inc
Current assignee: Weatherford Petco Inc
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1988-10-24
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2008-10-25
Also published as: US4811800A; KR890006951A; JP2758614B2; JPH0291389A; EP0313413B1; DE3852536D1; CA1335448C; NO884703L; EP0313413A1; ATE116036T1; NO884703D0; MX170526B

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Bohrstrangteil zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen und auf ein Verfahren zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen unter Verwendung besagten Bohrstrangteiles.
Während herkömmliche Bohrlöcher im allgemeinen vertikal von der Oberfläche zu dem Öl- oder Gasfeld absteigen, gewinnt es zunehmend an Bedeutung, in der Lage zu sein, Löcher zu bohren, die sich im allgemeinen horizontal von dem Bohrloch erstrecken oder in einem wesentlichen Winkel dazu geneigt werden. Solche Löcher werden im allgemeinen als "Löcher mit einer Abweichung von der Vertikalen" bezeichnet.
Wegen der hohen Beanspruchungen und Belastungen während des Bohrens mit Abweichen von der Vertikalen, sind spezielle Bohrstrangteile entwickelt worden. Keines davon ist jedoch zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen mit relativ kleinen Radien geeignet, z.B. 15 m.
US-A-4 460 202 (in gemeinsamem Eigentum hiermit) beschreibt ein Zwischengewichtsbohrstrangteil, das auf Druck und unter Spannung betrieben werden wird. Es wird beabsichtigt, dieses zwischen Bohrgestänge und Schwerstangen zu verwenden. Das Bohrstrangteil enthält Bohrstangenschlösser (einen Bolzen und einen Rohrstutzen), die durch einen Hauptteil getrennt sind, welcher einen Gleit- und Elevatorabschnitt sowie einen schraubenförmigen Abschnitt enthält. Die Nuten auf dem schraubenförmigen Abschnitt werden so geschnitten, daß die Trägheitsmomente des schraubenförmigen Abschnitts sowie des Gleit- und Elevatorabschnitts im wesentlichen gleich sind. In einem Beispiel in Tabelle II beträgt die Tiefe der Nuten 71 % der Wanddicke des Windungsabschnitts.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Bohrstrangteil zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen und zur Einfügung in einen Bohrstrang vorgesehen, wobei besagtes Bohrstrangteil Bohrstangenschlösser an jedem Ende davon und einen dazwischen befindlichen Hauptteil hat, wobei besagter Hauptteil des vorerwähnten Bohrstrangteiles wenigstens mit einer schraubenförmigen Nut gebildet wird, welche Felder auf dem Hauptteil zwischen den jeweiligen Fluchten begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die schraubenförmige Nut ununterbrochen über die gesamte Länge des Hauptteiles zwischen den Bohrstangenschlössern erstreckt, und daß die Tiefe der schraubenförmigen Nut etwa 55 % bis 85 % der Wanddicke des Hauptteiles, gemessen von dem Außendurchmesser des Feldes zum Innendurchmesser des Teiles, beträgt.
Es wird angemerkt, daß Bohrstrangteile nach Maßgabe keinen Gleit- und Elevatorabschnitt haben und daß die schraubenförmige Nut sich von Bohrstangenschloß zu Bohrstangenschloß erstreckt.
Vorzugsweise werden die Nuten und/oder Felder mit einer Druckvorspannung versehen.
Die Druckvorspannung wird zweckmäßigerweise durch Stoßverforinung oder Karburierung erreicht.
Das Bohrstrangteil enthält vorzugsweise eine Zahl von schraubenförmigen Nuten, die ein Vielfaches von drei ist.
Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls einen Bohrstrang mit einem Bohrgestänge und einem Bohrstrangteil gemäß der vorliegenden Erfindung vor, wobei der Bohrstrang eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:
(a) das Bohrstrangteil hat ein Gewicht pro Längeneinheit, das nur etwas mehr beträgt, als das des Bohrgestänges;
(b) die Bohrstangenschlösser besitzen jeweils eine Längsachse, die wesentlich kürzer ist als die der Verbindungsmittel des Bohrgestänges und
(c) der Unterschied der Maximalbeanspruchung in den Feldern und der Nut des Bohrstrangteiles ist gleich oder kleiner als 43000 psi (296 N/mm²) bei einem Krümmungsradius von 80 Fuß (24,4 m).
Die vorliegende Erfindung sieht ebenfalls ein Verfahren zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen unter Verwendung eines Bohrstrangteiles gemäß der Erfindung vor, eingefügt in einen Bohrstrang zwischen einem motorangetriebenen Bohrkopf am Bohrkopfende des Bohrstranges und einem Bohrgestänge am oberen Ende des Bohrstranges.
Bohrstrangteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere, aber nicht ausschließlich, abgestimmt auf den Gebrauch bei Bohrlochmotoren und bei den Meßtechniken während des Bohrens (NWB). Sie können in Betrieb sein, während sie einem beträchtlichen Innendruck des Bohrschlamms ausgesetzt sind, Spannung, Druck, Torsion, Biegung und Kombinationen all dieser Kräfte, wie von den Härten des von der Vertikalen abweichenden Bohrens verlangt, die sehr beanspruchend auf den Bohrstrang sind.
Die Schraubennutung hilft sicherzustellen, daß der Bohrstrang nicht dazu neigt, am Loch zu haften. Außerdem, wenn die Windung rechtsläufig ist, "schraubt" die Rechtsdrehung des Bohrstrangteiles praktisch den Bohrkopf ein in das äußerste Ende des Loches, entweder ist dieses äußerste Ende vertikal oder horizontal. Dieser "Schraub-" Effekt ist besonders wichtig in der Umgebung der Erfindung des von der Vertikalen abweichenden Bohrens, da der normale Druck auf den Bohrkopf, der durch das Gewicht des Bohrstrangs geschaffen wird, auf ein Minimum reduziert wird, wenn der Bohrstrang von der Vertikalen abweicht, und das ist besonders so, wenn das Loch horizontal ist.
Noch ein weiterer Vorteil der schraubenförmigen ist, daß sie dazu neigt, den Bohrschlamm, welcher den Wirkungsgrad des gesamten Bohrvorgangs außerdem erhöht, zu schütteln. Dieses ist wiederum besonders für das von der Vertikalen abweichende Bohren von Bedeutung, da Erdschwere dazu neigt, den Schlamm und die mitgeführten Bohrschnitte zu drängen, sich am Grund des Loches anzusammeln, was das Problem noch weiter verschärft, wenn der Schlamm nicht weiterhin geschüttelt und aus dem Loch entfernt wird.
Ein damit verbundener Vorteil ist, daß das Schütteln dazu neigtl einen gleichförmig dicken Schlammkuchen auf der Wand des Loches zu halten. Dadurch werden Verunreinigungen daran gehindert, in die Ölformationen zu stoßen.
Aufgrund ihrer unverwüstlichen Ausführung ist eine Wiederverwendung einer herkömmlichen Schwerstange vielleicht von nicht weniger als 30- oder 40mal oder öfters zu erwarten. Solche herkömmlichen Schwerstangen sind jedoch auch sehr steif, und es fehlt ihnen das erforderliche Biegungsvermögen für das von der Vertikalen abweichende Bohren.
Ziel der Erfindung ist es, das Bohrstrangteil so zu konzipieren, daß es bis zu den Höchstgrenzen seiner mechanischen Eigenschaften Leistung erbringen wird. Dauerhaftigkeit wird gegen Biegungsvermögen "eingetauscht". Somit ist vorweggenommen, daß Bohrstrangteile, die die Erfindung verkörpern, vielleicht sechs-, acht- oder zehnmal oder ähnlich so häufig wiederverwendet werden; bei bestimmten Krümmungsradien eventuell sogar weniger oft. Die Bohrstrangteile werden jedoch in der Lage sein, viel bessere Leistungen zu erbringen, was das Dichtermachen von Radienlöchern (mit Krümmung) anbelangt.
Das Fehlen von Gleit- und Elevatorabschnittsbereichen erlaubt ein leichtes "Auslaufen" der schraubenförmigen Nuten in die Bereiche der Bohrstangenschlösser, was die Lebensdauer der Bohrstrangteile durch gleichmäßigeres Aüsbreiten der Beanspruchungen und Belastungen durch das ganze Bohrstrangteil eher verlängert als sie zu konzentrieren, was in einem Gleitoder Elevatorbereich auftreten würde.
MWB-Techniken erfordern, daß die ersten paar Längen des Bohrstranges, die dem Bohrkopf am nächsten sind, nicht eisenhaltig sind, so daß die Formationsbefunde gesammelt werden und daß die durch das MWB-Werkzeug produzierten Angaben klar zurück zu der Oberfläche weitergeleitet werden können, um den Bohrlochmotor zu steuern. Zu diesem Zweck können Bohrstrangteile gemäß der Erfindung aus NE-Metall hergestellt werden.
Während die Erfindung für die und in der Umgebung eines Bohrstrangteiles zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen entwickelt wurde, ist sie auf diese Form nicht beschränkt. Beispielsweise könnten Bohrstrangteile gemäß der Erfindung in einer Stoßdämpfung verwendet werden - einer Vorrichtung, die an dem Ende des Bohrstranges zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrkopf plaziert ist und verwendet wird, um die Erschütterungen, welchen der Bohrkopf beim Durchbohren harter oder ungleichmäßiger Gesteine unterworfen ist, zu dämpfen. Dieses würde in der Umgebung herkömmlichen Drehbohrens ebensogut wie in der Primärumgebung der Erfindung des in hohem Grade oder des von der Vertikalen abweichenden Bohrens, bei dem man mit Bohrlochmotor angetriebene Bohrköpfe benutzt, sein.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun durch Anführen von Beispielen Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
Figur 1 eine Seitenansicht durch einen Schnitt der Erde ist, in der die Art des Loches dargestellt ist, in der die Erfindung besonders gut geeignet ist zu bohren;
Figur 2 eine Seitenansicht eines Bohrstrangteiles ist, der während der Entwicklung der vorliegenden Erfindung gebaut wurde;
Figur 3 eine ähnliche Ansicht zu Figur 2 ist, die eine Ausführungsart eines Bohrstrangteiles gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 4 eine Querschnittansicht entlang der Linie 4-4 der Figur 3 ist;
Figur 5 eine vergrößerte Schnittansicht der Verbindungsstelle zwischen dem Hauptteil des Bohrstrangteiles der Figur 3 und einem seiner Bohrstangenschloßenden ist, die die Art des Auslaufens der schraubenförmigen Nuten in das Bohrstangenschloßende darstellt;
Figur 6 eine Querschnittansicht entlang der Linie 6-6 der Figur 5 ist;
Figur 7 eine fiktive Querschnittansicht im großen und ganzen annähernd gleich mit Figur 4 ist und die Schnittiefe verschiedener schraubenförmiger Nuten verdeutlicht; und
Figuren 8 bis 11 Kurven sind, die nützlich für das Verständnis der bei Bohrstrangteilen verwendeten technischen Konzepte und Betrachtungen gemäß der Erfindung sind.
In bezug auf Figur 1 wird eine Bohrung oder ein Bohrloch 10 gezeigt, das darin eine Krümmung 12 im rechten Winkel hat und durch einen Radius R' definiert ist. Figur 1 stellt den härtesten Fall eines von der Vertikalen abweichenden Bohrloches dar, d.h., wo das Bohrloch aus einem Vertikalschnitt besteht, der eine Länge X' und einen Horizontalschnitt in der Größenordnung von 500 Fuß (150 m) oder mehr hat. Natürlich könnte die Erfindung benutzt werden, um Bohrlöcher zu bohren, in welchen die Krümmung 12 größer als 90 Grad beträgt, zum Beispiel 120 Grad.
Unter Verwendung der gegenwärtigen Technologie ist der Radius R' gewöhnlich in der Größenordnung von 500 Fuß (150 m). Es wird vorweggenommen, daß Bohrstrangteile gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage sein werden, solche Krümmungen auf Radien im Bereich von 50 bis 100 Fuß (15 bis 30 m) zu machen, und daß mit der weiteren Entwicklung der Erfindung sogar schärfere Krümmungen auf Radien in der Größenordnung von 25 bis 50 Fuß (7,5 bis 15 m) möglich sein werden.
Für Krümmungen im Bereich von 100 bis 500 Fuß (30 bis 150 m) ist die gegenwärtige Technologie in einem "grauen" Bereich. Über 500 Fuß hinaus wird es wirtschaftlicher sein, die gegenwärtige Technologie als die der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Also ist folgerichtiger Wirkungsbereich und -fläche für die vorliegende Erfindung alle Radien kleiner als 500 Fuß (150 m), und Radien so kurz wie 25 Fuß (7,5 m) werden vorweggenommen.
Hinsichtlich der Figuren 2 und 3 werden zwei Bohrstrangteile gezeigt.
Das Bohrstrangteil von Figur 2 wird im allgemeinen gekennzeichnet mit Bezugszahl 14A, wohingegen das Bohrstrangteil von Figur 3 im allgemeinen mit Bezugszahl 14 gekennzeichnet wird. Beide Bohrstrangteile 14 und 14A wiesen eine Länge von ungefähr 4,5 in (15 Fuß) auf und wurden von identischen Schwerstangen heruntergedreht. Jedes wurde mit einer Bohrstangenschloßendmuffe 16 und 16A und einem Bohrstangenschloßendbolzen 18 und 18A versehen. Diese Bohrstangenschloßenden 16 und 18 waren von herkömmlicher Machart mit der Ausnahme, daß sie kürzer als gewöhnliche neue Bohrstangenschlösser waren. Die Verbindungsstücke 16 und 18 werden mit ähnlichen Bohrstangenschlössern auf allen anderen herkömmlichen Bohrstrangteilen zusammenpassen.
Die Ausführung der Figur 2 hat eine Reihe relativ kurzer schraubenförmiger Abschnitte 20, die durch heruntergedrehte, dünnere Abschnitte 22 getrennt sind. Die Abschnitte 22 wurden auf die geringste Stärke des Rohres, die es gerade noch einsatzfähig machen würde, heruntergedreht. Die Erfindungsausführung 14 der Figur 3 wurde über ihre gesamte Länge schraubenförmig gewunden.
Das Bohrstrangteil 14 der Figuren 3 und 4 wurde mit drei schraubenförmigen Nuten 24 versehen, deren Enden in die Bohrstangenschloßenden 16 und 18 über Übergangszonen 26 auslaufen; dieses wird in den Figuren 5 und 6 deutlicher gezeigt.
Die Ausführungsart der Figur 2 hatte ein Gesamtgewicht geringer als dasjenige des Bohrstrangteiles 14 der Figur 3. Nichtsdestoweniger, trotz dieses Vorteils eines reduzierten Gewichtes, wurde nach Durchführen von Prüfungen herausgefunden, daß das Bohrstrangteil 14, das über seine gesamte Länge schraubenförmig gewunden wurde, biegsamer als die Ausführungsart der Figur 2 war. Es ist nicht ganz verständlich, wie oder warum das eingetreten sein sollte. Man stellt sich vor, daß vielleicht mit den abwechselnden dickeren und dünneren Abschnitten 20 und 22 die meisten Übergangszonen eine nachteilige Wirkung auf die Biegsamkeit hatten.
In bezug auf Figur 4 ist ersichtlich, daß das Bohrstrangteil 14 durch einen Innendurchmesser 28 und einen Außendurchmesser 30 definiert wird. Die erhöhten Bereiche, die die drei schraubenförmigen Nuten 24 umgeben, werden Felder genannt, und diese sind die Teile des Bohrstrangteils 14, die die Wand des Bohrloches 10 bei Gebrauch berühren.
Figur 4 zeigt ebenfalls die Oberfläche 32, die durch die Böden der schraubenförmigen Nuten 24 bestimmt wird. Wie oben erörtert, ist das Bohrstrangteil während des von der Vertikalen abweichenden Bohrens enormen Beanspruchungen unterworf en, die aus Kombinationen von Torsion, Kompression, Biegung, Spannung und Berstdruck, verursacht durch den Druck der Bohrflüssigkeit, die in den Bohrstrang hineingetragen wird, bestehen.
Es ist herausgefunden worden, daß Kombinationswechselbeanspruchungen am höchsten am Nutengrund sind, und da der dünnste Teil des Bohrstrangteiles sich am Boden der schraubenförmigen Nuten 24 befindet, ist vorherzusehen, daß diese die kritischste Zone ist.
Um die Nutzungsdauer des Bohrstrangteiles zu verlängern, ist wahlweise eine Kompressionsvorspannung an den Nutengrundflächen 32 anzuwenden. Die Oberflächen 32, aber nicht unbedingt die Felder, können durch Stoßverformung oder andere äquivalente ittel, wie z.B. Wärmebehandlung, behandelt werden.
Wenn die Vorspannung auf die Nuten angewendet wird, ist es möglich, daß die Felder ebenfalls, zumindest teilweise, vorgespannt werden. Es wird angenommen, daß solch eine Vorspannung in den Feldern weder schaden noch helfen wird, obwohl in dieser Weise die Vorspannung auf das Bohrstrangteil sowohl in den Feldern als auch in den Nuten den Vorspannungsvorgang erleichtern kann.
Wiederum Bezug nehmend auf die Figuren 5 und 6, ist es äußerst wünschenswert, einen so glatten Übergang der Enden der schraubenförmigen Nuten 24, die in die Bohrstangenschloßenden 16 und 18 auslaufen, wie nur möglich zu schaffen. Der Zweck liegt darin begründet, eine gleichmäßige Fläche für die Änderung der Beanspruchung von dem dickeren Bohrstangenschloßteil zu dem dünneren Hauptteil 100 zu schaffen. Es ist herausgefunden worden, daß dieser glatte Übergang durch die Übergangszonen 26 zu einer verbesserten Biegsamkeit und Gesamtleistung für das Bohrstrangteil führen.
Man glaubt, daß drei schraubenförmige Nuten 24 optimal sind. Wie aus der Besprechung der Figuren 8 bis 11 weiter unten ersichtlich sein wird, hat die Anzahl der Fluchten der schraubenförmigen Nut eine Wirkung auf die Leistung. Wenn nur eine Nut vorgesehen wäre, müßte sie eine solch kleine Steigung haben, daß die erwünschten Beanspruchungsverhältnisse umschlagen würden. Zwei Windungen würden unregelmäßige Querschnitte oder Querschnitte mit übermäßig großen Feldern hervorbringen. Vier Windungen wurden einen viereckigen Querschnitt hervorbringen und erfordern, Feldbreite abzudrehen, um eine ausreichend dünne Wand am Boden der Windungen zu erhalten. Aus Gründen, die gleich weiter unten besprochen werden, ist ein viereckiger Querschnitt nicht wünschenswert. Es ist notwendig, eine gewisse Mindestabmessung quer zu den Feldern für einwandfreies Bohren zu haben. Über vier Windungen hinaus, könnten fünf oder sechs oder sogar mehr bearbeitbar sein, und insbesondere könnten Vielfache von drei Windungen bearbeitbar sein, obwohl dieses Probleme ungenügender Feldbreite hervorrufen könnte. Daher, aus all diesen Gründen, scheinen drei Windungen gegenwärtig das Optimum für das Bohrstrangteil 14 zu sein.
Figur 7 zeigt einen anderen Aspekt des Bohrstrangteiles, nämlich die Tiefe der schraubenförmigen Nuten 24. Grundsätzlich, das technische Konzept der Erfindung verfolgend, das Bohrstrangteil 14 zu konstruieren, um an den Höchstgrenzen seiner Eigenschaften zu arbeiten, soll die schraubenförmige Nut 24 so tief wie möglich sein, während gleichzeitig ein Bohrstrangteil hergestellt wird, der eine annehmbare Mindestanzahl von Dauerzyklen aufweist. Diese Tiefe wird im Bereich von etwa 55 % bis etwa 85 % der Wanddicke des Hauptteiles liegen, geiaessen vom Feldaußendurchmesser bis zum Innendurchmesser des Teiles.
Im Zusammenhang mit Figur 7 ist die durchschnittliche Windungstiefe als Prozentsatz der Wanddicke etwa wie nachstehend veranschaulicht:
Bohrgestänge 0 %
Schwerstangen 8 - 22 %
U.S. Patent 4460202 35 - 71 %
Vorliegende Erfindung etwa 55 - 85 %
Die 0-%-Zahl verbunden mit Bohrgestänge ist vorgesehen, weil es ungewöhnlich ist, Bohrgestänge schraubenförmig zu winden, da es bereits ein relativ dünnwandiges Teil ist. Bohrgestänge wird als Beispiel verwendet, um die unterschiedlichen Nutungstiefen der verschiedenen Teile in Figur 7 dramatischer darzustellen.
Beträchtliche Entwicklungsarbeit und Erprobung sind vorangegangen, die die Ausführungsart der Figur 3 auf ihren gegenwärtigen Zustand gebracht haben.
Tabelle I heiter unten bringt sehr viel dieser Prüfungsangaben und anderer daraus extrapolierter Angaben in Wechselbeziehung. TABELLE I Projizierte Dauerfestigkeit gegen verschiedene Faktoren Basierend auf 40 Upm, 36" (0,91 m) Steigung, 3 Windungen, 15' (4,58 m) Länge Radius (Fuß) (m) Durchbohrgeschwindigkeit (Fuß/Std.) (mm/s) Beanspruchung (Pfund pro Quadratzoll) (N/mm²) Bohrungszyklen Dauerzyklen Anzahl der Bohrlöcher
Spalten 1 und 2 sind veränderliche Parameter, die dürch den Verwender ausgewählt werden. Spalte 3 zeigt die tatsächlichen gemessenen Werte, welche auf Prüfungen basieren, die während der Entwicklung ausgeführt wurden. Die Spalten 4, 5 und 6 sind, basierend auf den ersten drei Spalten, errechnet. Es wird um besondere Aufmerksamkeit für die fünfte Spalte, "Dauerzyklen", gebeten, da diese das Maß der Lebensdauer darstellt, mit welchem diejenigen, die der Technik sachkundig sind, am meisten vertraut sind. Die sechste Spalte, "Anzahl der Bohrlöcher", ist als eine Annehinlichkeit berechnet worden und steht zahlenmäßig direkt mit den "Dauerzyklen" in Wechselbeziehung, wobei die Dauerzyklusangaben einfach durch eine Konstante geteilt werden, um die "Anzahl der Bohrlöcher" hervorzubringen.
In Tabelle I wird angenommen, daß ein Bohrloch in der Konfiguration der Figur 1 gebohrt wird, das heißt von der Vertikalen zur Horizontalen, um den einzelnen Radius wie angegeben herum, aus etwas verhältnismäßig kurzer Entfernung nach der Krümmung, und dann wird das Bohren eingestellt. Als ein Ergebnis davon wird die Gesamtlänge in Fuß des gebohrten Loches länger sein für die längeren Radien als für die kürzeren Radien. Dieses wird jedoch als unbedeutend erachtet, da die erzeugte Beanspruchung, wenn in der Krümmung drehend und nicht wenn in einer geraden Richtung bohrend, als zerstörender Faktor für das Bohrstrangteil erachtet wird. Die gebohrte Gesamtlänge hat eine Wirkung auf den Bohrkopf selbst, aber dieses ist hier nicht ein Hauptanliegen.
Die zweite Spalte, "Durchbohrgeschwindigkeit", paßt unterschiedliche Formationen, unterschiedliche Bohrkopfgewichte und andere Faktoren, die denjenigen, welche der Technik sachkundig sind, gut bekannt sind, an. Zusammengefaßt ist festzustellen, daß man gelegentlich schneller und ein anderes Mal verhältnismäßig langsam bohrt, und diese Spalte nimmt diese Realität auf. Wie in Tabelle I gezeigt, basieren alle Angaben für die gesamte Tabelle auf 40 Upm, welches die langsamste Geschwindigkeit ist, mit der die herkömmliche Oberflächenapparatur den Bohrstrang rotieren lassen kann.
Die Bohrgeschwindigkeit ist eine Funktion sowohl der tatsächlichen Durchbohrlänge in Fuß pro Stunde als auch der Umdrehungen pro Minute. Ebenso ist die Anzahl der Beanspruchungszyklen eine Funktion sowohl der Umdrehungen pro Minute als auch der Durchbohrgeschwindigkeit. Zu Zwecken der Erfindung ist eine hohe Geschwindigkeit wunschenswert. Je schneller das Bohrloch gebohrt wird, desto schneller rotiert der Bohrkopf und desto schneller kommt jedes Bohrstrangteil geinäß der Erfindung durch die Krümmung vorwärts, und somit gibt es um so weniger Beanspruchungszyklen auf jedem solchen Bohrstrangteil. Die reduzierte Beanspruchung erhöht die produktive Lebensdauer des Bohrstrangteiles. Die Umdrehungen pro Minute des Bohrkopfes bei einem Antrieb durch einen Bohrlochmotor weichen von den Umdrehungen pro Minute des Bohrstranges ab. Zu Zwecken der Erfindung sind lediglich die rotierenden Zyklen des Bohrstranges in der Krümmung von Bedeutung. Dieses trifft ebenfalls bei Richtungsanwendungen zu, bei welchen Bohrlochmotoren nicht verwendet werden.
Bohrstrangteile, die geinäß der Erfindung konstruiert werden, werden teurer sein als vergleichbares Bohrgestänge. Sie brauchen jedoch während des vertikalen Laufes des Bohrloches nicht verwendet zu werden, sondern nur um die Krümmung herum und in dem horizontalen Lauf. Demzufolge könnte in dem Beispiel der Figur 1 das Loch jede beliebige Tiefe unterhalb der Oberfläche sein, aber die Länge von Bohrstrangteilen gemäß der Erfindung wird etwa 500 Fuß (152 m) plus der erforderlichen Entfernung, um durch die Krümmung zu gehen, entsprechen.
Figur 8 ist ein Satz von zwei Kurven, die teilweise auf den 80 Fuß (24,4 m)-Radiusmeßwerten basieren. Die Kurve, die durch die durch Kreise markierten Werte umrissen wird, zeigt die in den Nuten des Probestückes gemessene Beanspruchung, und die Gegenkurve, welche durch Sterne markiert ist, gibt die gemessene Beanspruchung auf den Feldern an. Die X-Achse zeigt verschiedene Steigungshöhen, die für die Probestücke verwendet werden, an. Der Doppelstern gibt die Istmeßwerte an; alle anderen Werte sind extrapoliert.
Es ist wünschenswert, Herstellungspunkte zur Rechten des Kreuzungspunktes der beiden Kurven, die in Figur 8 dargestellt sind, auszuwählen, da die Felder zwischen den Nuten sich in Gebrauch abnutzen.
Sämtliche Versuche wurden mit gewöhnlichen Stahlsorten durchgeführt, wie sie in ölfeldrohrmaterial verwendet werden. Aufgrund der Anforderungen der MWB-Techniken könnten ebenfalls unmagnetischer, rostfreier Stahl, Kupfer, Monel und andere Materialien verwendet werden.
Es wird allgemein angenommen, daß der Unterschied zwischen der Maximalbeanspruchung im Feld und der Maximalbeanspruchung in der Nut gleich oder kleiner als 43.000 Pfund pro Quadratzoll (etwa 296,5 N/mm²) sein sollte. Beispielsweise hinsichtlich Figur 8 würde dies alle Teile der Kurve von dem linken Endpunkt der Zeichnung bis zu einem Punkt zwischen den beiden Steigungshöhen von 15 und 13 Zoll (37,5 und 33 cm) einschließen.
Tabelle 2 veranschaulichte die annehmbare Mindestgröße am dünnsten Teil am Boden der schraubenförmigen Nuten für drei verschiedene Größen von Bohrstrangteilen gemäß der Erfindung. TABELLE II ANSCHLUSS GELENK-AD GELENK-ID ROHR-AD ROHR-ID MINDESTWANDDICKE MINDESTKRÜMMUNGSRADIUS (FUSS) BEVORZUGTE LOCHGRÖSSE Basierend auf der Nutentiefe = 72 % der Wanddicke des Hauptteiles vom Feldaußendurchmesser bis zum Innendurchmesser des Teiles. Alle Abmessungen sind in Zoll, wenn nicht anders angegeben
Figur 9 ist ein Musterbeispiel des verhältnismäßig großen Kurvennetzes, das in ähnlicher Weise von den Werten in Tabelle I gezeichnet werden könnte.
Figur 9 zeigt, daß die Lebensdauer in einer logarithmischen Art zunimmt, wie die Durchbohrgeschwindigkeit ansteigt. Derselbe Effekt tritt in bezug auf unterschiedliche Radien auf, beispielsweise in Anbetracht der relativ hohen Geschwindigkeit 20 Fuß pro Stunde (6 m/Std.) Durchbohrgeschwindigkeit bei 70 Fuß (21 m)-Radius, würden nur etwa acht Normbohrlöcher erwartet werden. Wenn der Radius jedoch auf 90 Fuß (27 m) erhöht werden würde, würde ein mehr als zehnfacher Anstieg der Lebensdauer erreicht werden, da die Anzahl der Bohrlöcher dann ungefähr 100 entsprechen würde.
Das Bohrstrangteil ist in vielen Beziehungen einzigartig nach dem bekannten Stand der Technik - wie oben beschrieben. Unter diesen ist es Tatsache, daß es ein Gewicht pro Längeneinheit hat, welches von jedem anderen Typ von Ölfeldrohrmaterial abweicht. Dieser Punkt ist in der folgenden Tabelle veranschaulicht. TABELLE III GEWICHTSTABELLE Nennmaß Schwerstangen Teil lt. US Patent Erfindungsteil Bohrgestänge
Die folgende Tabelle veranschaulichte die Vorteile der Erfindung von einem Gesichtspunkt kommerzieller Annehmbarkeit basierend auf verschiedenen Leistungskennwerten. Natürlich ist der erste, "Biegsamkeit", der bedeutende, soweit es das Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen bei kurzen Radien, wie oben beschrieben, betrifft. TABELLE IV Legenden: A = Akzeptabel NA = Nicht mehr akzeptabel Mechanische Eigenschaft Dünnwandrohr* Erfindung Dickwandrohr** Biegsamkeit Zugbelastungsfähigkeit Drehbelastungsfähigkeit Berstdruck Steifigkeitsverhältnis * derselbe ID und dieselbe Wand wie die Erfindung ** derselbe AD und ID wie die Erfindung
Figur 10 ist ein Diagramm, das die erwarteten Lebenszyklen für verschiedene Bohrteile bei verschiedenen Krümmungsradien darstellt. Beachten Sie die markierten Linien "Lebensdauer" für das Bohrstrangteil gemäß der Erfindung und für die Teile des bekannten Standes der Technik sowie den Unterschied in den akzeptablen Lebenszyklen. Die Darstellung der Figur 10 ist logarithmisch sowohl in X- als auch in Y-Richtung.
Figur 11 ist ein Diagramm der prozentualen Streckspannung als Funktion des Krümmungsradius für verschiedene Bohrteile Der Wert "100" auf der Y-Achse entspricht Ausfall.

Claims

1. Bohrstrangteil zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen und zur Einfügung in einen Bohrstrang mit Bohrstangenschlössern (16, 18) an seinen Enden und einem dazwischen befindlichen Hauptteil (100), wobei der Hauptteil (100) wenigstens eine Spiralnut aufweist, welche Felder auf dem Hauptteil (100) zwischen den jeweiligen Fluchten bildet, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spiralnut ununterbrochen über die gesamte Länge des Hauptteiles (100) zwischen den Bohrstangenschlössern erstreckt, und daß die Tiefe der Spiralnut etwa 55 % bis 85 % der Wanddicke des Hauptteiles, bezogen auf den Außendurchmesser des Feldes und dem Innendurchmesser des Teiles, beträgt.

2. Bohrstrangteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten und/oder Felder mit einer Druckvorspannung versehen sind.

3. Bohrstrangteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorspannung entweder durch Stoßverformung oder Karburierung erreicht wird.

4. Bohrstrangteil nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zahl von Spiralnuten vorgesehen ist, die ein Vielfaches von drei ist.

5. Bohrstrang mit einem Bohrgestänge und einem Bohrstrangteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrstrang eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist:

(a) das Bohrstrangteil hat ein Gewicht pro Längeneinheit, das nur etwas mehr beträgt, als das des Bohrgestänges;

(b) die Bohrstangenschlösser (16, 18) besitzen jeweils eine Längsachse, die wesentlich kürzer ist als die der Verbindungsmittel des Bohrgestänges und

(c) der Unterschied der Maximalbeanspruchung in den Bereichen der Felder und der Nuten des Bohrstrangteils ist gleich oder kleiner aLs 43000 psi (296 N/mm²) bei einem Krümmungsradius von 80 Fuß (24,4 m).

6. Verfahren zum Bohren von Löchern mit einer Abweichung von der Vertikalen unter Verwendung eines Bohrstrangteiles nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrstrangteil in einen Bohrstrang zwischen einem motorangetriebenen Bohrkopf am Bohrkopfende des Bohrstranges und einem Bohrgestänge am oberen Ende des Bohrstranges eingefügt ist.