DE60007134T2

DE60007134T2 - Verfahren zur erzeugung einer schweissnaht in einem bohrloch

Info

Publication number: DE60007134T2
Application number: DE60007134T
Authority: DE
Inventors: Hubertus Wilhelmus HEIJNEN; Hans Djurre ZIJSLING
Original assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: SHELL INT RESEARCH; Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DZ3158A1; AU763587B2; EG22607A; CA2376963A1; OA11887A; DE60007134D1; AU6829100A; MXPA01013432A; CA2376963C; CN1365418A; EA003227B1; GC0000134A; EA200200201A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht, um ein erstes Element mit einem zweiten Element zu verbinden. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ist es erwünscht, ein Verfahren zum Erzeugen einer Schweißnaht in einem Bohrloch zu schaffen, das in einer Erdformation ausgebildet ist, wobei das Bohrloch eine Bohrlochflüssigkeit enthält. Solche Anwendungsfälle umfassen beispielsweise die Ausbildung von Metall-gegen-Metall-Dichtungen, welche den Bohrlochkomponenten strukturelle Integrität verleihen, oder die Reparatur von Korrosionsschäden. Das Schweißen eines ersten Elementes an ein zweites Element in einem Bohrloch ist beispielsweise aus der WO 98/02638 bekannt. Die FR 2 337 606 offenbart ein Verfahren zum Schweißen von Unterwasserelementen. Das Schweißen in einer flüssigen Umgebung (Bohrlochflüssigkeit) ist jedoch bei hohen Drücken, die im allgemeinen in Bohrlöchern auftreten, nicht möglich. Eine analoge Situation existiert für das Unterwasserschweißen, d.h. bei Offshore-Plattformen, bei denen die Tiefe, in der eine solche Schweißung möglich ist, durch den hydrostatischen Druck des Wassers begrenzt ist.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht zu schaffen, um ein erstes Element mit einem zweiten Element zu verbinden, wodurch die Elemente in einem Bohrloch angeordnet sind, das eine Bohrlochflüssigkeit enthält.
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt:

a) das Auswählen eines Schweißpfades, entlang welchem die Schweißnaht erzeugt werden soll;
b) das Auswählen eines Raumabschnittes des Bohrloches, in welchem der Schweißpfad angeordnet ist, und das Abdichten des ausgewählten Raumabschnittes vom Rest des Bohrlochraumes;
c) das Vorsehen eines Druckkontrollmittels zum Kontrollieren des Flüssigkeitsdruckes in dem ausgewählten Raumabschnitt;
d) das Betätigen des Druckkontrollmittels, um den Flüssigkeitsdruck in dem ausgewählten Raumabschnitt auf einen ausgewählten Druck zu reduzieren, bei welchem die Schweißnaht erzeugt werden kann; und
e) das Erzeugen der Schweißnaht entlang des ausgewählten Schweißpfades.

Durch Abdichten des Raumabschnittes, in welchem die Schweißnaht erzeugt werden soll, vom Rest des Bohrloches und durch nachfolgendes Reduzieren des Druckes in dem Raumabschnitt, verhindert der Flüssigkeitsdruck nicht mehr die Erzeugung der Schweißnaht.
Zweckmäßig ist das erste Element eine obere Bohrlochauskleidung und das zweite Element eine untere Bohrlochauskleidung, die einen oberen Teil aufweist, der sich in den unteren Teil der oberen Bohrlochauskleidung erstreckt. Auf diese Weise werden Metall-gegen-Metall abgedichtete Auskleidungen erzielt, die es gestatten, daß Gas unter einem hohen Druck durch die Bohrlochauskleidung statt durch ein konventionelles Förderrohr, das sich durch die Bohrlochauskleidung erstreckt, gefördert werden kann.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der obere Teil einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des unteren Teiles ist, und der Schritt e) umfaßt das Schweißen des oberen Randes der unteren Auskleidung an die obere Auskleidung.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der obere Teil einen Außendurchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des unteren Teiles ist, und das Verfahren umfaßt ferner das Einsetzen eines Füllrohres in den Ringraum zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil, wobei der Schritt e) das Schweißen des oberen Randes der unteren Auskleidung an das Füllrohr und das Schweißen des oberen Randes des Füllrohres an die obere Auskleidung umfaßt.
Um eine Hochdruck-Gasförderung aus einem mehrseitigen Bohrlochsystem zu gestatten, ist das Bohrloch zweckmäßig ein Hauptbohrloch, das mit einem Zweigbohrloch versehen ist, wobei das erste Element ein Zweig eines Zweigauskleidungselementes ist, welches mit einem Hauptauskleidungselement verbunden ist, das sich durch das Hauptbohrloch in das Zweigauskleidungselement erstreckt, das sich durch das Zweigbohrloch erstreckt, wobei das zweite Element die Zweigauskleidung ist.
Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter und anhand eines Beispieles unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 schematisch einen Längsschnitt eines Systems, das in Verbindung mit einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird;
2 schematisch einen Längsschnitt eines Systems, das in Verbindung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird;
3 schematisch ein Detail A in 2.
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten.
Das in 1 gezeigte System umfaßt ein Bohrloch 1, das in einer Erdformation 3 ausgebildet ist, wobei das Bohrloch mit einem ersten Element in Form einer oberen Bohrlochauskleidung 5 versehen ist, die sich in einen oberen Teil 1a des Bohrloches erstreckt, und ein zweites Element in Form einer unteren Bohrlochauskleidung 7, die sich in einen unteren Teil 1b des Bohrloches 1 erstreckt. Die untere Auskleidung 7 hat einen Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der oberen Auskleidung 5 ist, und erstreckt sich teilweise in die obere Auskleidung 5. Eine Zementschicht 9 ist im Ringraum zwischen den beiden Auskleidungen einerseits und der Bohrlochwand anderseits vorhanden.
Ein Schweißsystem 10 ist in dem Bohrloch 1 angeordnet, wobei das Schweißsystem ein radial expandierbares oberes Dichtungsstück 12 aufweist, das in der oberen Auskleidung 5 oberhalb des oberen Randes 14 der unteren Auskleidung 7 angeordnet ist, und ein radial expandierbares unteres Dichtungsstück 16, das in der unteren Auskleidung 7 angeordnet ist. Die Dichtungsstücke 12, 16 sind durch ein Rohrelement 18 miteinander verbunden, das in seiner Wand eine Vielzahl von Öffnungen 20 aufweist. Jedes Dichtungsstück 12, 16 ist an der Innenseite mit einem zusammenziehbaren Memory-Metallelement (nicht gezeigt) zum radialen Expandieren des Dichtungsstückes gegen die entsprechende Auskleidung 5 bzw. 7 und mit einer elektrischen Heizspule (nicht gezeigt) zum Aktivieren des Memory-Metallelementes versehen. Die Dichtungsstücke 12, 16 sind mit entsprechenden Dichtungen 21 zum Abdichten der Dichtungsstücke 12, 16 in der expandierten Position gegen die entsprechende Auskleidung 5, 7 versehen.
Das obere Dichtungsstück 12 ist an der Innenseite mit einer ferngesteuerten Schweißeinheit 22 versehen (strichliert dargestellt), die eine Schweißelektrode 24 und ein Rohr 25 aufweist. Die Elektrode 24 und das Rohr 25 sind zwischen einer zurückgezogenen und einer expandierten Position bewegbar. In der zurückgezogenen Position sind die Elektrode 24 und das Rohr 25 in einer Kammer (nicht gezeigt) angeordnet, die innerhalb des oberen Dichtungsstückes 12 vorhanden ist, wobei die Kammer durch ein entfernbares Ringdichtungselement 26 abgedichtet ist, das in einer entsprechenden ringförmigen Hinterschneidung 28 (strichliert dargestellt) angeordnet ist, die in dem oberen Dichtungsstück 12 auf der dem unteren Dichtungsstück 16 zugekehrten Seite vorhanden ist. Das Ringdichtungselement 26 ist aus dem oberen Dichtungsstück durch Betätigung einer Solenoidspule (nicht gezeigt) entfernbar, die befähigt ist, das Dichtungselement zu einem Herabfallen von dem Dichtungsstück 12 zu veranlassen. In 1 ist das Ringdichtungselement von dem oberen Dichtungsstück 12 entfernt gezeigt. In der expandierten Position erstrecken sich die Elektrode 24 und das Rohr 25 durch die ringförmige Hinterschneidung 28 in einen Raumabschnitt 30 des Bohrloches 1, der durch den von den Dichtungsstücken 12, 16 und den Auskleidungen 5, 7 definierten Raum umschlossen ist. Die Schweißeinheit ist außerdem mit Mitteln (nicht gezeigt) zum Bewegen der Elektrode 24 und des Rohres 25 in Umfangsrichtung entlang der von dem oberen Rand 14 der unteren Auskleidung 7 und der Innenfläche der oberen Auskleidung 5 geformten Ecke versehen.
Eine Rohrleitung 33 ist mit der Schweißeinheit 10 an dem oberen Dichtungsstück 12 verbunden und erstreckt sich durch das Bohrloch 1 zu einer Steuereinheit (nicht gezeigt) an der Oberfläche, wobei die Leitung 33 in Flüssigkeitsverbindung mit dem Inneren des Rohrelementes 18 steht und mit einem Steuerventil (nicht gezeigt) an der Oberfläche versehen ist, welches in der Offenstellung eine Flüssigkeitsverbindung der Leitung 33 zur Atmosphäre herstellt.
Ein elektrisches Kabel 34 erstreckt sich von der Steuereinheit durch die Rohrleitung 33 zum Schweißsystem 10 und von dort zu den Heizspulen und zu der Solenoidspule. Ein faseroptisches Kabel 35 erstreckt sich von einer Überwachungseinheit (nicht gezeigt) an der Oberfläche durch die Rohrleitung 33 zum Schweißsystem 10 und von dort in das Rohr 25, um optische Signale an die Überwachungseinheit zu liefern.
Die Steuereinheit ist so ausgebildet, daß sie selektiv elektrische Energie und/oder elektrische Steuersignale über das Kabel 34 an das Schweißsystem 10, die Heizspulen, die Solenoidspule und die Kamera liefert.
Eine Auslaßleitung 36 erstreckt sich aus dem unteren Dichtungsstück 16 durch das Rohrelement 18 und durch das obere Dichtungsstück 12, wobei die Auslaßleitung eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Raumabschnitt 30 und dem Inneren des Bohrloches 1 oberhalb der Schweißeinheit 10 bereitstellt. Ein Rückschlagventil 38 verhindert eine Strömung der Flüssigkeit aus der Auslaßleitung 36 in den Raumabschnitt 30.
Während des Normalbetriebes des Systems, das bei dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, enthält das Bohrloch 1 eine Bohrlochflüssigkeit vorbestimmter Dichte. Die Schweißelektroden 24 sind in ihrer zurückgezogenen Position, und das Ringdichtungselement ist in der ringförmigen Hinterschneidung 28 angeordnet, um die Elektroden gegen die Bohrlochflüssigkeit abzudichten. Das Schweißsystem 10 hängt von der Rohrleitung 33 herab und wird in das Bohrloch bis zu der Stelle abgesenkt, die in 1 gezeigt ist, so daß der obere Rand 14 der unteren Auskleidung 7 zwischen den Dichtungsstücken 12, 17 angeordnet ist. Elektrische Energie wird der Steuereinheit über das Kabel 34 zugeführt, um die Heizspulen zu erhitzen und dadurch die Memory-Metallelemente mit Hitze zu versorgen. Bei Erreichen ihrer Übergangstemperatur ziehen sich die Memory-Metallelemente zusammen und expandieren dadurch die Dichtungsstücke 12, 16 in radialer Richtung, die sodann in abdichtender Weise in Eingriff mit den entsprechenden Auskleidungen 5, 7 kommen.
Das Steuerventil an der Oberfläche wird geschlossen, und kompromiertes Inertgas, beispielsweise Stickstoff, wird von der Oberfläche durch die Rohrleitung 33 und von dort über das Rohrelement 18 und die Öffnungen 20 in den Raumabschnitt 30 gepumpt. Durch Pumpen des Gases in den Raumabschnitt 30 wird die Bohrlochflüssigkeit aus dem Raumabschnitt 30 durch die Auslaßleitung in das Innere des Bohrloches 1 oberhalb der Schweißeinheit 10 evakuiert. Sobald das komprimierte Gas im wesentlichen die gesamte Bohrlochflüssigkeit aus dem Raumabschnitt 30 verdrängt hat, wird das Pumpen stillgesetzt. Das Steuerventil wird dann geöffnet, um den Gasdruck in dem Raumabschnitt 30 und der Rohrleitung 33 abzulassen, so daß der Gasdruck auf im wesentlichen Atmosphärendruck reduziert wird. Das Rückschlagventil 38 verhindert eine Rückströmung der Bohrlochflüssigkeit aus der Auslaßleitung 36 in den Raumabschnitt 30.
Die Steuereinheit wird sodann aktiviert, um der Solenoidspule elektrische Energie zuzuführen, die dadurch das Ringdichtungselement 26 veranlaßt, von dem oberen Dichtungsstück 12 in das untere Dichtungsstück 16 herabzufallen (wie in 1 gezeigt). Die Steuereinheit wird aktiviert, um elektrische Energie und elektrische Steuersignale an das Schweißsystem 10 bereitzustellen, so daß die Schweißelektroden 24 ihre ausgefahrene Stellung einnehmen, in welcher die Spitzen der Schweißelektroden nahe dem oberen Rand 14 der unteren Auskleidung 7 angeordnet sind. Die Steuereinheit bewirkt sodann, daß die Elektroden 24 eine Schweißnaht erzeugen, die sich in Umfangsrichtung entlang der Ecke erstreckt, die durch den oberen Rand 14 der unteren Auskleidung 7 und die Innenfläche der oberen Auskleidung 5 gebildet ist. Die Schweißnaht dichtet die untere Auskleidung 7 gegen die obere Auskleidung 5 ab. Während des Schweißprozesses wird die Kamera durch die Steuereinheit betätigt, um den Schweißprozeß an der Oberfläche zu überwachen.
Sobald der Schweißprozeß beendet ist, wird das Schweißsystem 10 durch Einholen der Rohrleitung 33 aus dem Bohrloch 1 zur Oberfläche zurückgeholt.
Das bei dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendete System ist in 2 gezeigt und umfaßt ein Zweigauskleidungselement 40, das in einem Hauptbohrloch (nicht gezeigt) angeordnet ist, welches mit einem Zweigbohrloch (nicht gezeigt) versehen ist, wobei das Zweigauskleidungselement 40 an dem Abzweigungspunkt der beiden Bohrlöcher angeordnet ist und eine Hauptauskleidung 42, die sich durch das Hauptbohrloch erstreckt, mit einer Zweigauskleidung 44 verbindet, die sich in das Zweigbohrloch erstreckt. Die Zweigauskleidung 44 hat einen oberen Teil 46, der sich in einen Zweig 48 des Zweigauskleidungselementes 40 erstreckt, wobei der obere Teil einen Außendurchmesser hat, der kleiner als der Innendurchmesser des Zweiges 48 ist, und wobei ein Füllrohr 50 im Ringraum zwischen dem oberen Teil 46 und dem Zweig 48 angeordnet ist. Der obere Rand der Zweigauskleidung 44 ist unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung an das Füllrohr 50 geschweißt worden, und der obere Rand des Füllrohres 50 ist an den Zweig 48 geschweißt worden.
In 3 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden, wie sie in 1 angegeben sind, so daß auf 1 zur Beschreibung dieser in 3 gezeigten Komponenten Bezug genommen wird. Die in 3 gezeigte Ausführung unterscheidet sich von der Ausführung nach 1 dadurch, daß das erste Element durch eine Zweigauskleidung 44 und das zweite Element durch eine Zweigauskleidung 44 gebildet ist. Der Außendurchmesser des oberen Teiles 46 ist kleiner als der Innendurchmesser des Zweiges 48.
Im Normalbetrieb des Betriebs der zweiten Ausführung erfolgen im wesentlichen die gleichen Schritte wie bei dem System nach der ersten Ausführung, außer, daß der obere Rand der Zweigauskleidung 44 an das Füllrohr 50 durch eine Schweißnaht 52 unter Verwendung des Schweißsystems 10 angeschweißt wird, und der obere Rand des Füllrohres 50 an den Zweig 48 durch eine Schweißnaht 54 unter Verwendung des Schweißsystems 10 angeschweißt wird.
Die zweite Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist von besonderem Interesse, falls während des Einführens der Zweigauskleidung 46 in das Zweigbohrloch die Zweigauskleidung in dem Zweigbohrloch steckenbleibt, bevor sie die geplante Tiefe erreicht hat. Die Zweigauskleidung 46 wird dann auf einer Höhe abgeschnitten, derart, daß der obere Teil 46 der Zweigauskleidung in Zweig 48 verbleibt, worauf das Füllrohr 50 installiert und die Schweißnähte 52, 54 unter Verwendung des Schweißsystems 10 erzeugt werden. Der abgeschnittene obere Abschnitt der Zweigauskleidung wird aus dem Bohrloch entfernt.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer Schweißnaht an einem Element, das in einem eine Bohrlochflüssigkeit enthaltenden Bohrloch angeordnet ist, wobei das Verfahren den Schritt aufweist: a) das Auswählen eines Schweißpfades, entlang welchem die Schweißnaht erzeugt werden soll; wobei das Verfahren ferner durch die Schritte gekennzeichnet ist: b) das Auswählen eines Raumabschnittes (30) des Bohrloches, in welchem der Schweißpfad angeordnet ist, und das Abdichten des ausgewählten Raumabschnittes vom Rest des Bohrlochraumes; c) das Vorsehen eines Druckkontrollmittels zum Kontrollieren des Flüssigkeitsdruckes in dem ausgewählten Raumabschnitt; d) das Betätigen des Druckkontrollmittels, um den Flüssigkeitsdruck in dem ausgewählten Raumabschnitt (30) auf einen ausgewählten Druck zu reduzieren, bei welchem die Schweißnaht erzeugt werden kann; und e) das Erzeugen der Schweißnaht entlang des ausgewählten Schweißpfades.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt b) das Installieren eines ersten Dichtungsstückes (12) und eines zweiten Dichtungsstückes (17) in dem Bohrloch umfaßt, wobei der ausgewählte Raumabschnitt zwischen den Dichtungsstücken angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das erste Dichtungsstück (12) mit einer ferngesteuerten Schweißeinheit (10) zur Erzeugung der Schweißnaht ausgestattet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Schweißeinheit (10) zumindest eine Schweißelektrode (24) aufweist, die gegen den ausgewählten Raumabschnitt durch entfernbare Dichtungsmittel abgedichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, bei welchem das Element ein erstes Element (5) ist, und die Schweißnaht das erste Element (5) mit einem zweiten Element (7) verbindet, das in dem Bohrloch angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das erste Element eine obere Bohrlochauskleidung (5) und das zweite Element eine untere Bohrlochauskleidung (7) ist, die einen oberen Teil aufweist, der sich in den unteren Teil der oberen Bohrlochauskleidung erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der obere Teil einen Außendurchmesser hat, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des unteren Teiles ist, und der Schritt e) das Schweißen des oberen Randes (14) der unteren Auskleidung an die obere Auskleidung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der obere Teil einen Außendurchmesser hat, der kleiner als der Innendurchmesser des unteren Teiles ist, und bei welchem das Verfahren ferner das Einsetzen eines Füllrohres (50) in den Ringraum zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil umfaßt, und wobei der Schritt e) das Schweißen des oberen Randes der unteren Auskleidung an das Füllrohr und das Schweißen des oberen Randes des Füllrohres an die obere Auskleidung umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8, bei welchem das Bohrloch ein Hauptbohrloch ist, das mit einem Zweigbohrloch versehen ist, wobei das erste Element ein Zweig eines Zweigauskleidungselementes (40) ist, welches eine Hauptauskleidung (42), die sich durch das Hauptbohrloch erstreckt, mit einer Zweigauskleidung (44) verbindet, die sich durch das Zweigbohrloch erstreckt, wobei das zweite Element die Zweigauskleidung (44) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, bei welchem die Druckkontrollmittel eine Leitung (33) aufweisen, die mit einem Steuerventil versehen und in Flüssigkeitsverbindung mit dem ausgewählten Raumabschnitt ist, wobei sich die Leitung durch das Bohrloch zur Oberfläche erstreckt, und wobei der Schritt c) das Öffnen des Steuerventilen umfaßt, damit der Flüssigkeitsdruck in dem ausgewählten Raumabschnitt verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, das ferner das Vorsehen von Flüssigkeitsaustragmitteln zum Austragen der Bohrlochflüssigkeit aus dem vorbestimmten Raumabschnitt umfaßt, und vor dem Schritt e) das Betätigen der Flüssigkeitsaustragmittel, um die Bohrlochflüssigkeit aus dem ausgewählten Raumabschnitt (30) auszutragen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Flüssigkeitsaustragmittel eine Auslaßleitung (36) aufweisen, die in Flüssigkeitsverbindung zwischen dem ausgewählten Raumabschnitt und dem Rest des Bohrlochvolumens steht, und bei welchem der Schritt des Austragens der Bohrlochflüssigkeit das Einströmenlassen eines ausgewählten Gases in den ausgewählten Raumabschnitt (30) umfaßt, um die Bohrlochflüssigkeit zu veranlassen, aus dem ausgewählten Raumabschnitt über die Auslaßleitung (36) in den Rest des Bohrlochraumes zu strömen.
Verfahren nach Anspruch 12 in Abhängigkeit von Anspruch 10, bei welchem das ausgewählte Gas dazu veranlaßt wird, in den Raumabschnitt (30) über die Leitung (36) zu strömen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei welchem die Auslaßleitung mit einem Rückschlagventil (38) versehen ist, das eine Strömung der Bohrlochflüssigkeit aus dem Rest des Bohrlochraumes in den ausgewählten Raumabschnitt verhindert.