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AUSGANGSSITUATION DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung betreffen im allgemeinen einen Rohr-
oder Bohrstrangrückholvorgang
in einer Bohrlochumgebung und insbesondere ein Abschraubwerkzeug.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Während des
Ausbildens von Bohrlöchern werden
verschiedene rohrförmige
Stränge
in das Bohrloch eingeführt
und wieder aus diesem entfernt. Zum Beispiel können zum Ausbilden des Bohrlochs Bohrer
und Bohrstränge
verwendet werden, die mit zunehmender Tiefe des Bohrlochs typischerweise mit
Futterrohr ausgekleidet sind. Bei den heutigen Löchern ist es nicht unüblich, daß ein Bohrloch
mehrere tausend Fuß tief
ist und das gesamte Bohrloch mit einem rohrförmigen Strang ausgekleidet
ist, der häufig
als Futterrohr bezeichnet wird. In anderen Fällen ist nur der obere Abschnitt
des Bohrlochs mit Futterrohr ausgekleidet, und der untere Abschnitt
ist zur Erde hin weiterhin offen. Rohrförmige Elemente, die häufig als
Förderrohrstrang
oder nur Rohrstrang bezeichnet werden, sind ebenfalls in dem Bohrloch
installiert. Während
das Loch in neue Tiefen gebohrt wird, wird der Bohrstrang zunehmend
länger.
Da die Löcher
oftmals nichtvertikal oder krumm sind, kann ein etwas gekrümmter Weg
ausgebildet werden, der zu dem Grund des Bohrlochs führt, wo
das Bohren erfolgt. Aufgrund des nichtlinearen Wegs durch das Bohrloch
und anderer unvorhersehbarer Bedingungen kann der Bohrstrang oder
der Rohrstrang blockieren oder auf sonstige Weise in dem Bohrloch
steckenbleiben, während
er sich axial oder rotierend bewegt. Die mit einem steckengebliebenen
Bohrstrang verbundenen Probleme können das Anhalten sämtlicher
Bohrvorgänge
einschließen,
wodurch wertvolle Anlaufzeit verlorengeht. Im allgemeinen ist einer
der ersten Schritte bei einem Bohrstrangrückholvorgang, den Punkt zu
bestimmen, an dem der Bohrstrang feststeckt, zum Beispiel unter
Verwendung eines Free-Point-Werkzeugs. Diesem Schritt folgt üblicherweise
ein Abschraubvorgang unter Verwendung eines Abschraubwerkzeugs.
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Da
ein Bohrstrang im allgemeinen aus mehreren Teilen eines Gestängerohrs
zusammengesetzt ist, die durch Schraubverbindungen verbunden sind, kann
der obere Abschnitt des Bohrstrangs über dem Teil des Rohrs, das
steckengeblieben ist, von dem unteren Abschnitt des Bohrstrangs
abgeschraubt werden. Somit kann der obere Abschnitt des Bohrstrangs
aus dem Loch gezogen werden. Da die Schraubverbindung im allgemeinen
fest angezogen ist, wurde das Lösen
des oberen Abschnitts des Bohrstrangs von dem unteren Abschnitt
des Bohrstrangs typischerweise durch Ausführen eines Abschraubvorgangs
erreicht, wobei auf den Bohrstrang ein Links- oder Rückdrehmoment
ausgeübt
und benachbart zu der zu lösenden
Schraubverbindung ein Sprengsatz gezündet wird. Die Sprengung überträgt eine
Schockwelle von dem Sprengsatz zu der Schraubverbindung, was für die Schraubverbindung als
eine Erschütterung
dient, so daß das
Abschraubdrehmoment den oberen Abschnitt von dem unteren Abschnitt
des Bohrstrangs abkoppelt.
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Ein
herkömmliches
Abschraubwerkzeug schließt
im allgemeinen eine Zündschnur
ein, die an einer zentralen Stahlstange befestigt ist, welche an einem
Drahtseil in den Bohrstrang abgesenkt werden kann. Die Zündschnur
wird gezündet,
um durch eine Sprengung Schockwellen an oder in der Nähe einer gewünschten
Stelle zu erzeugen. Die Sprengung erzeugt in etwa die gleiche Wirkung
wie ein starker Hammerschlag und erlaubt es, den Bohrstrang an der
Schraubverbindung abzuschrauben. Dieses Verfahren aus dem Stand
der Technik, das im allgemeinen als ein „string shot" (Strangschuß) bekannt
ist, hinterläßt Bandreste
in dem Loch und erfordert Seitendetonation von Schnur zu Schnur,
was nicht nur ein wenig unzuverlässig
ist, sondern auch eine ungleichmäßige, uneinheitliche
Sprengung erzeugt, die eine Schockwelle der notwendigen Stärke und Gleichmäßigkeit
erzeugen kann oder auch nicht. Darüber hinaus sind die Versandkosten
für die
Zündschnüre, die
typischerweise als Gefahrstoffe klassifiziert werden, aufgrund von
Versandbestimmungen in Verbindung mit Sprengstoffen typischerweise
hoch.
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Daher
besteht ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum
Lösen des
oberen Abschnitts des Bohrstrangs von dem unteren Abschnitt des
Bohrstrangs ohne die Nachteile herkömmlicher Veren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Vorrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art ist
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß
- – der
Wellengenerator aus einem piezoelektrischen Kristall, einer piezoelektrischen
Keramik, einem Stapel aus piezoelektrischen Platten oder magnetostriktiven
Materialien hergestellt ist;
- – der
mindestens eine Schallwellengenerator zwei oder mehr Schallwellengeneratoren
umfaßt,
die an zwei oder mehr Stellen an dem Abschraubwerkzeug positioniert
sind, wobei die zwei oder mehr Schallwellengeneratoren so positioniert sind,
daß eine
Kombination der Vielzahl von Schallwellen von den beiden oder mehr
Schallwellengeneratoren wesentlich größer als die Vielzahl von Schallwellen
von jedem der beiden oder mehr Schallwellengeneratoren ist.
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Insbesondere
umfaßt
der Schallwellengenerator mindestens eine piezoelektrische Keramik
oder einen Stapel aus piezoelektrischen Platten.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Abschrauben eines oberen Abschnitts eines rohrförmigen Elements,
der mit dem unteren Abschnitt des rohrförmigen Elements durch eine Schraubverbindung
in einem Bohrloch verbunden ist, gekennzeichnet durch:
- – Ausüben eines
Rückdrehmoments
auf den oberen Abschnitt des rohrförmigen Elements;
- – Absenken
eines Abschraubwerkzeugs durch das rohrförmige Element zu einer Position,
die sich im wesentlichen in der Nähe der Schraubverbindung befindet;
und
- – Erzeugen
einer Vielzahl von Schallwellen durch das Abschraubwerkzeug zum
Lösen der
Schraubverbindung unter Verwendung eines Schallwellengenerators,
der aus einem piezoelektrischen Kristall, einer piezoelektrischen
Keramik, einem Stapel von piezoelektrischen Platten oder magnetostriktiven
Materialien hergestellt ist;
- – Versehen
des mindestens einen Schallwellengenerators mit zwei oder mehr Schallwellengeneratoren,
die an zwei oder mehr Stellen an dem Abschraubwerkzeug positioniert
sind, wobei die beiden oder mehr Schallwellengeneratoren so positioniert
sind, daß eine
Kombination der Vielzahl von Schallwellen von den beiden oder mehr
Schallwellengeneratoren wesentlich größer als die Vielzahl von Schallwellen
von jedem der beiden oder mehr Schallwellengeneratoren ist.
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Bevorzugt
umfaßt
das Verfahren ferner Aktivieren des Abschraubwerkzeugs zum Erzeugen
der Schallwellen.
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Noch
bevorzugter umfaßt
das Verfahren ferner Setzen des rohrförmigen Elements in eine neutrale
Gewichtsposition an der Schraubverbindung über einem Klebezustand.
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...
dieser Erfindung und sind daher nicht als Einschränkung ihres
Umfangs anzusehen, da die Erfindung weitere gleichermaßen wirksame
Ausführungsformen
zulassen kann.
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1 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht eines im Inneren eines rohrförmigen Elements positionierten
Abschraubwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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2 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht eines im Inneren eines rohrförmigen Elements positionierten
Abschraubwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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3 veranschaulicht
ein Verfahren zum Abschrauben eines rohrförmigen Elements aus einem Bohrloch
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend
folgt eine ausführliche
Beschreibung. Verschiedene hier verwendete Begriffe sind untenstehend
definiert. Sofern ein in einem Anspruch verwendeter Begriff untenstehend
nicht definiert ist, sollte er die am weitesten gefaßte Definition erhalten,
die Fachleute diesem Begriff gegeben haben und die in Druckschriften
und erteilten Patenten zum Ausdruck kommt. In der folgenden Beschreibung
sind gleiche Teile in der gesamten Patentschrift und in den Zeichnungen
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Zeichnungen können maßstabsgetreu
sein, sind dies jedoch nicht notwendigerweise, und die Proportionen
bestimmter Teile wurden übertrieben
dargestellt, um Einzelheiten und Merkmale der Erfindung besser zu
veranschaulichen.
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1 veranschaulicht
eine Querschnittsansicht eines im Inneren eines rohrförmigen Elements 110 positionierten
Abschraubwerkzeugs 100 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Das rohrförmige
Element 110 kann ein Bohrstrang, ein Futterrohr, ein Förderrohrstrang
und dergleichen sein. Das rohrförmige
Element 110 ist als aufgrund eines Zustands 135 in
einem Bohrloch 120, das mit Futterrohr 125 ausgekleidet
sein kann, feststeckend veranschaulicht. Der Klebezustand 135 kann
durch eine Anzahl von Faktoren verursacht sein, einschließlich einer Sandbrücke, die
um einen Abschnitt des rohrförmigen
Elements 110 herum gebildet worden sein kann, Festschlamm
oder Trocknung von Schlamm in dem Ring, eines feststeckenden Packers
oder einer feststeckenden Bohrlochausrüstung und dergleichen. Zur
Veranschaulichung ist ein Bohrloch an Land gezeigt; es versteht
sich jedoch, daß das
Abschraubwerkzeug 100 auch bei Offshore-Bohrlöchern angewendet
werden kann.
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Das
Abschraubwerkzeug 100 wird im allgemeinen an einem Drahtseil 140,
das sich bis zu dem Bohrgestell an der Oberfläche des Bohrlochs 120 erstreckt,
in das rohrförmige
Element 110 herabgelassen. Das Abschraubwerkzeug 100 schließt ein Gehäuse 130 und
einen in dem Gehäuse 130 montierten
Schallwellengenerator 10 ein. Der Schallwellengenerator 10 kann
aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, das dazu veranlaßt werden
kann, Schall-, akustische, Schock- oder Druckwellen zu erzeugen.
Zum Beispiel kann der Schallwellengenerator 10 aus einem
piezoelektrischen Kristall oder einer piezoelektrischen Keramik,
magnetostriktiven Materialien, Bariumtitanat, Quarz und dergleichen
hergestellt sein. Der Schallwellengenerator 10 kann außerdem ein
Stapel aus piezoelektrischen Platten sein, der aus Wafern aus Quarz,
Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Keramik gefertigt ist. Der Stapel
aus piezoelektrischen Platten, die im allgemeinen in der Richtung
der x-Kristallachse
geschnitten werden, können
für Leitfähigkeit
und mechanische Festigkeit mit Silberlegierung beschichtet werden,
dann gestapelt und unter Vakuum und aufgebrachtem Druck miteinander
verschmolzen werden.
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Der
Schallwellengenerator 10 ist mit einer Stromversorgung 124 elektrisch
verbunden, die konfiguriert ist, um ein elektrisches Signal an den
Schallwellengenerator 10 zu liefern. Der Schallwellengenerator 10 ist
konfiguriert, als Reaktion auf den Empfang des elektrischen Signals
von der Stromversorgung 124 zu schwingen, wodurch die Schallwellen erzeugt
werden. Der Schallwellengenerator 10 kann außerdem mit
einer Steuereinrichtung 116 verbunden sein, die zum Steuern
der Aktivierung des Schallwellengenerators 10 konfiguriert
ist. Die Steuereinrichtung 116 kann außerdem die Frequenz, Amplitude
oder Resonanz der Schallwellen variieren.
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Die
Steuereinrichtung 116 weist eine Zentraleinheit (CPU),
einen Speicher und Hilfsschaltungen für die CPU auf. Die CPU kann
eine beliebige Form von Universalprozessoren für Rechner aufweisen, die in
einer industriellen Umgebung zum Steuern verschiedener Geräte wie beispielsweise
dem Schallwellengenerator 10 verwendet werden. Der Speicher ist
an die CPU gekoppelt und kann mindestens ein leicht verfügbarer Speicher
wie beispielsweise ein Direktzugriffspeicher (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM),
eine Diskette und/oder eine Festplatte oder jede sonstige Form von
digitalem Fest- oder Fernspeicher sein. Die Hilfsschaltungen sind
an die CPU gekoppelt, um den Prozessor auf herkömmliche Weise zu unterstützen. Diese
Schaltungen können
Cache-Speicher, Stromversorgungen, Taktschaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltkreise
und Teilsysteme und dergleichen einschließen.
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Das
Abschraubwerkzeug 100 ist im allgemeinen im wesentlichen
in der Nähe
von oder benachbart zu einer Schraubverbindung 150 positioniert,
so daß die
von dem Schallwellengenerator 10 erzeugten Schallwellen
die Schraubverbindung 150 lösen können.
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In
einer Ausführungsform
schließt
das Abschraubwerkzeug zwei Schallwellengeneratoren 210 und 220 ein,
wie in 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform können die
beiden Schallwellengeneratoren 210 und 220 auf
jeder Seite der zu lösenden Schraubverbindung 150 positioniert
sein, so daß die kombinierte
Amplitude der Schallwellen größer ist
als die Amplitude der Schallwellen von einem einzelnen Schallwellengenerator 10.
In noch einer weiteren Ausführungsform
schließt
das Abschraubwerkzeug 100 eine Vielzahl von Schallwellengeneratoren
ein. In diesen Ausführungsformen
können
die Schallwellengeneratoren simultan oder zu vordefinierten Zeiten
aktiviert werden.
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3 veranschaulicht
ein Verfahren 300 zum Abschrauben eines oberen Abschnitts
eines rohrförmigen
Elements 110 aus einem Bohrloch 120 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Nachdem der Klebezustand erkannt und lokalisiert
wurde, kann das rohrförmige
Element 110 in eine neutrale Gewichtsposition an der Schraubverbindung 150 gesetzt
werden (Schritt 310), das heißt, Setzen des rohrförmigen Elements
weder unter Spannung noch unter Druck. Das Setzen der neutralen
Gewichtsposition wird typischerweise erreicht durch Hin- und Herbewegen des
rohrförmigen
Elements 110. Während
Spannung an der Oberfläche
des Bohrlochs 120 aufgebracht wird, kann sich das rohrförmige Element 110 zusammenziehen
und ausdehnen. Somit kann das rohrförmige Element 110 angehoben
werden, um das Gewicht des oberen Abschnitts des rohrförmigen Elements 110 zu
verringern, wodurch Kräften
entgegengewirkt wird, die auf die Schraubverbindung 150 einwirken
und die Freigabe verhindern.
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Bei
Schritt 320 wird auf das rohrförmige Element 110 von
der Oberfläche
aus ein Rückdrehmoment
ausgeübt.
Das Abschraubwerkzeug 100 wird daraufhin durch das rohrförmige Element 110 zu
einer gewünschten
Position abgesenkt (Schritt 330). In einer Ausführungsform
ist die gewünschte
Position im wesentlichen in der Nähe der ersten Schraubverbindung 150 über dem
Klebezustand 135. In einer weiteren Ausführungsform
ist die gewünschte
Position im wesentlichen in der Nähe der ersten Schraubverbindung 150 im
Inneren des Futterrohrs 125 über dem Klebezustand 135.
In noch einer weiteren Ausführungsform
kann das rohrförmige
Element in die neutrale Gewichtsposition gesetzt werden, nachdem das
Abschraubwerkzeug 100 zu der gewünschten Position abgesenkt
wurde. Alternativ kann das Rückdrehmoment
ausgeübt
werden, nachdem das Abschraubwerkzeug 100 abgesenkt wurde.
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Bei
Schritt 340 wird der Schallwellengenerator 10 aktiviert,
um Schallwellen zu erzeugen, um die Schraubverbindung 150 zu
erschüttern
oder zu lösen.
In einer Ausführungsform
werden die Schallwellen erzeugt, während das rohrförmige Element 110 in seine
neutrale Gewichtsposition gesetzt wird. Die Schallwellen sind konfiguriert,
um in etwa die gleiche Wirkung wie ein starker Hammerschlag zu erzeugen, wodurch
die Schraubverbindung 150 gelöst wird und erlaubt wird, den
oberen Abschnitt des rohrförmigen Elements 110 von
dem unteren Abschnitt des rohrförmigen
Element 110 abzuschrauben. Die Schallwellen werden durch
flüssiges
oder gasförmiges
Medium in dem Bohrloch 120 an die Schraubverbindung 150 übertragen.
Der Schallwellengenerator 10 kann durch Empfang eines elektrischen
Signals von der Stromversorgung 124 aktiviert werden. Ferner
kann die Aktivierung des Schallwellengenerators 10 von der
Steuereinrichtung 116 gesteuert werden. In einer Ausführungsform
kann der Schallwellengenerator 10 wiederholt aktiviert
werden, um die Schallwellen zu erzeugen, bis die Schraubverbindung 150 gelöst ist. Ein
Rückdrehmoment
und die gesetzte neutrale Gewichtsposition an Schraubverbindung 150 können ausgeübt werden,
nachdem oder während
der Schallwellengenerator 10 aktiviert wurde/wird.
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In
einer Ausführungsform
werden die Schallwellen wiederholt oder kontinuierlich erzeugt,
während
das Abschraubwerkzeug 100 nach oben oder nach unten bewegt
wird (Schritt 345). Zum Beispiel können die Schallwellen erzeugt
werden: (i) während das
Abschraubwerkzeug 100 in die gewünschte Position abgesenkt wird,
das heißt,
noch bevor das Abschraubwerkzeug 100 die gewünschte Position
erreicht, (ii) während
das Abschraubwerkzeug 100 nach oben gezogen wird, (iii)
während
das Abschraubwerkzeug 100 über die Schraubverbindung 150 hinaus
abgesenkt und nach oben gezogen wird, wie bei einer Kehrbewegung.
Auf diese Weise erlauben verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dem Schallwellengenerator 10, die Schallwellen
während
des Auf- und Abbewegens des Abschraubwerkzeugs 100 zu erzeugen,
bis die Schallwellen die Schraubverbindung 150 erreichen, während sich
das rohrförmige
Element 110 in der neutralen Gewichtsposition befindet,
wodurch die Schraubverbindung gelöst wird 150.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Schallwellen wiederholt oder
kontinuierlich erzeugt, während
das rohrförmige
Element 110 hin- und herbewegt wird. Während das rohrförmige Element
hin- und herbewegt wird, bewegt sich die neutrale Gewichtsposition
entlang des rohrförmigen
Elements 110. Während
sich die neutrale Gewichtsposition entlang des rohrförmigen Elements 110 nach
oben und unten bewegt, werden die Schallwellen in Richtung des rohrförmigen Elements 110 erzeugt.
Auf diese Weise lösen
die auf die Schraubverbindung 150 ausgeübten Schallwellen die Schraubverbindung 150,
während
sich die neutrale Gewichtsposition durch die Schraubverbindung 150 bewegt.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
ist der Schallwellengenerator 10 konfiguriert zum Erzeugen
von Schallwellen bei einer oder mehreren vorbestimmten Frequenzen.
Die Frequenz der Schallwellen kann über die Steuereinrichtung 116 variiert
werden. Zusätzlich
können
die Frequenz und/oder die Resonanz der Schallwellen entsprechend
der Nähe der
Schraubverbindung 150 an dem Klebezustand 135 variiert
werden. Zum Beispiel ist im allgemeinen die zum Lösen der
Schraubverbindung 150 erforderliche Frequenz und/oder Resonanz
um so höher,
je näher
sich die Schraubverbindung 150 an dem Klebezustand befindet.
Ferner kann auch die Amplitude der Schallwellen von der Steuereinheit 116 variiert werden.
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Nachdem
die Schraubverbindung 150 von den von dem Schallwellengenerator 10 erzeugten Schallwellen
gelöst
oder erschüttert
wurde, kann der obere Abschnitt des rohrförmigen Elements 110 aus dem
Bohrloch 120 geholt werden (Schritt 350). Auf diese
Weise ist die Kombination der Schallwellenerzeugung und der Anwendung
des Rückdrehmoments
konfiguriert, um die Schraubverbindung 150 zu lösen, so
daß der
obere Abschnitt des rohrförmigen
Elements 110 aus dem Bohrloch geholt werden kann, wobei
der untere Abschnitt des rohrförmigen Elements 110 für anschließende Fangarbeiten
und dergleichen in dem Bohrloch 120 verbleibt. Bei 360 wird
das Abschraubwerkzeug durch Nachobenziehen mit dem Drahtseil 140 aus
dem rohrförmigen
Element entfernt.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung weisen viele Vorteile auf, darunter, daß der Schallwellengenerator 10 beliebig
oft aktiviert werden kann, ohne das Abschraubwerkzeug 100 herausholen
zu müssen,
im Gegensatz zu derzeitigen herkömmlichen
Abschraubwerkzeugen, die ein Herausholen des Abschraubwerkzeugs 100 und
Ersetzen der Sprengladung für
jedes Erschütterungsereignis,
zum Beispiel eine Sprengung unter Verwendung von Zündschnur,
erfordern. Ferner beseitigen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung im wesentlichen die Verwendung von Gefahrstoffen als Erschütterungsmechanismus.
Zusätzlich
zum Lösen
von Schraubverbindungen können verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung verwendet werden, um steckengebliebene Packer, Fangwerkzeuge
und dergleichen freizugeben, Korrosion von Rohren zu entfernen,
Perforationen zu eröffnen,
Bohrlöcher
zu schlagen, Gestängerohre
in Keilsitzen durch Stoßen
zu lösen,
Strahldüsen
in Bohrern zu entfernen, um die Zirkulationsrate zu erhöhen, und dergleichen.
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Während vorstehendes
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung betrifft, können andere und weitere Ausführungsformen
der Erfindung erdacht werden, ohne von dem grundlegenden Schutzbereich
derselben abzuweichen, und der Schutzbereich derselben ist durch
die folgenden Ansprüche bestimmt.