DE69924108T2

DE69924108T2 - Offshore-bohrsystem

Info

Publication number: DE69924108T2
Application number: DE1999624108
Authority: DE
Inventors: P. Charles PETERMAN; G. Riley GOLDSMITH; C. Keith MOTT; L. Kenneth PELATA; W. Kenneth COLVIN
Original assignee: Hydril LLC
Current assignee: Hydril USA Distribution LLC
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2019-03-27
Also published as: EP1082515A1; CA2326129A1; DE69924108D1; US6325159B1; NO322408B1; AU3366499A; WO1999049172A1; BR9909172A; EP1082515B1; US6505691B2; US20020066596A1; NO20004849L; NO20004849D0; EP1082515A4

Description

1. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein Offshore-Bohrsysteme zum Bohren von Unterwasserbohrlöchern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Offshore-Bohrsystem, das während des Bohrvorgangs einen dualen Druckgradienten aufrechterhält, und zwar einen Druckgradienten oberhalb des Bohrlochs und einen weiteren Druckgradienten in dem Bohrloch.
2. Stand der Technik
Tiefseebohrungen von einem Schiff aus erfordern in der Regel die Verwendung eines großkalibrigen Unterwasser-Riserrohres, beispielsweise eines 21 Inch durchmessenden Unterwasser-Riserrohres, um die auf dem Schiff befindliche Ausrüstung mit einem auf dem Unterwasserbohrloch befindlichen Ausblasverhinderungsschacht zu verbinden. Das Schiff kann an der Bohrposition festgemacht oder dynamisch positioniert sein. Für Tiefseebohrungen werden aber überwiegend dynamisch positionierte Bohrschiffe eingesetzt. Die Hauptaufgaben des Unterwasser-Riserrohres sind das Führen des Bohrstrangs und anderer Werkzeuge vom Schiff zum Unterwasserbohrloch und das Leiten von Bohrfluid und ausgebohrtem Erdreich von dem Unterwasserbohrloch zum Schiff. Das Unterwasser-Riserrohr besteht aus einer Mehrzahl von Riserrohrstücken, bei denen es sich um besondere Futterrohre mit Kupplungsvorrichtungen handelt, mit deren Hilfe sie so miteinander verbunden werden können, dass eine röhrenförmige Passage zur Aufnahme von Bohrwerkzeugen und zum Leiten von Bohrfluid gebildet wird. Das untere Ende des Riserrohres ist in der Regel lösbar mit dem Ausblasverhinderungsschacht verriegelt, der in der Regel eine flexible Verbindungsstelle enthält, die es dem Riserrohr ermöglicht, winklig auslenken, wenn sich das Schiff aus einer Position direkt über dem Bohrloch seitlich fortbewegt. Das obere Ende des Riserrohres enthält ein Teleskopverbindungsstück, mit dem das Heben und Senken des Schiffes ausgeglichen wird. Das Teleskopverbindungsstück ist an einer Bohranlage auf dem Schiff mittels Stahlseilen befestigt, die in Seilscheiben an Riserrohrspannvorrichtungen neben der Ölaufnahmeöffnung der Bohranlage eingeschert sind.
Die Riserrohrspannvorrichtungen sind so konfiguriert, dass sie einen Aufwärtszug am Riserrohr aufrechterhalten. Dieser Aufwärtszug verhindert, dass sich das Riserrohr unter seinem eigenen Gewicht verzieht, das bei einem Riserrohr, das mehrere hundert Fuß lang ist, recht beträchtlich sein kann. Die Riserrohrspannvorrichtungen sind verstellbar, um eine ausreichende Stützung für das Riserrohr zu ermöglichen, wenn die Wassertiefe und die Anzahl der Riserrohrstücke, die für das Erreichen des Ausblasverhinderungsschachtes benötigt werden, zunimmt. In sehr tiefem Wasser kann das Riserrohr so schwer werden, dass die Riserrohrspannvorrichtungen ineffektiv werden würden. Um zu gewährleisten, dass die Riserrohrspannvorrichtungen effektiv arbeiten, werden an einigen der Riserrohrstücke Auftriebsvorrichtungen angebracht, um das Gewicht des Riserrohres zu verringern, wenn es sich im Wasser befindet. Bei den Auftriebsvorrichtungen handelt es sich in der Regel um Stahlzylinder, die mit Luft oder Plastikschaumstoffkissen gefüllt sind.
Die maximale praktische Wassertiefe für derzeitige Bohrverfahren mit großkalibrigen Unterwasser-Riserrohren liegt bei etwa 7.000 Fuß. In dem Maße, wie die Energiereserven immer mehr aufgestockt werden müssen, werden die Grenzen der Erschließung von Energieressourcen in immer tieferes Wasser verschoben, wodurch die Entwicklung von Bohrtechniken für immer tieferes Wasser zunehmend an Bedeutung gewinnt. Im Zusammenhang mit den derzeitigen Bohrverfahren unter Verwendung eines herkömmlichen Unterwasser-Riserrohres gibt es jedoch eine Reihe von Aspekten, die das Tiefseebohren infolge seiner Eigenart auf Wassertiefen von weniger als etwa 7.000 Fuß beschränken.
Der erste einschränkende Faktor ist das hohe Gewicht und die Platzbeschränkungen, die mit einem Schiff bei zunehmender Wassertiefe verbunden sind. Bei Tiefseebohrungen stellt das Volumen an Bohrfluid oder Schlamm im Riserrohr den größten Teil des gesamten Schlammzirkulationssystems dar und nimmt mit zunehmender Wassertiefe ebenfalls zu. Die Kapazität des 21 Inch durchmessenden Unterwasser-Riserrohres liegt bei ungefähr 400 Barrels je 1.000 Fuß. Es wurde geschätzt, dass das Gewicht des Unterwasser-Riserrohres und des Schlammvolumens bei einer Bohranlage, die in einer Wassertiefe von 6.000 Fuß bohrt, mit 1.000 bis 1.500 Tonnen zu veranschlagen ist. Es leuchtet ein, dass infolge des Gewichts und des Platzbedarfs für eine Bohranlage, die das große Volumen der für die Zirkulation benötigten Fluide sowie die Anzahl der Riserrohrstücke, die zum Erreichen des Meeresbodens benötigt werden, tragen kann, die Verwendung von 21 Inch durchmessenden Unterwasser-Riserrohren oder sonstigen großkalibrigen Rohren zum Bohren in extremen Wassertiefen mittels der derzeit vorhandenen Offshore-Bohrschiffflotte nicht in Frage kommt.
Der zweite einschränkende Faktor betrifft die Belastung, der die Wand eines großkalibrigen Riserrohres in sehr tiefem Wasser ausgesetzt ist. Mit zunehmender Wassertiefe verlängert sich die Eigenperiodendauer des Riserrohres in axialer Richtung. Bei einer Wassertiefe von etwa 10.000 Fuß beträgt die Eigenperiodendauer des Riserrohres etwa 5 bis 6 Sekunden. Diese Eigenperiodendauer stimmt mit der Periodendauer der Wasserwellen überein und kann dazu führen, dass auf das Bohrschiff und das Riserrohr großen Energien einwirken, insbesondere wenn das untere Ende des Riserrohres vom Ausblasverhinderungsschacht getrennt wird. Die dynamischen Belastungen infolge der Wechselwirkung zwischen dem Heben des Bohrschiffes und dem Riserrohr kann zu hohen Druckwellen führen, welche die Kapazität des Riserrohres übersteigen.
In Wassertiefen ab 6.000 Fuß ist das 21 Inch durchmessende Unterwasser-Riserrohr so flexibel, dass infolge der Wasserströmungen, die auf das Riserrohr einwirken, winklige und seitliche Auslenkungen über die gesamte Länge des Riserrohres erfolgen. Um also die Auslenkungen des Riserrohres während des Bohrens innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten, ist eine exakte Positionsstabilisierung erforderlich. Häufig sind die Wasserströmungen so stark, dass die Positionsstabilisierung nicht ausreicht, um den Bohrvorgang fortsetzen können. Die Wasserströmungen sind gelegentlich so stark, dass das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht getrennt werden muss, um Beschädigungen oder dauerhafte Deformierungen zu vermeiden. Um ein häufiges Abtrennen des Riserrohres zu vermeiden, kann es erforderlich sein, eine teure Ausstrakung zu verwenden oder das Riserrohr noch stärker zu spannen. Vom operativen Standpunkt aus gesehen ist eine Ausstrakung unzweckmäßig, weil sie ein hohes Gewicht hat und sich nur schwer installieren und trennen lässt. Andererseits können zusätzliche Riserrohrspannvorrichtungen das Riserrohr überbelasten und auf das Bohrschiff noch stärkere Belastungen einwirken lassen.
Ein dritter einschränkender Faktor ist das Problem des Einholens des Riserrohres im Fall eines Sturms. Ausgehend von den großen Kräften, denen das Riserrohr und das Bohrschiff bereits ausgesetzt sind, kann man begründetermaßen davon ausgehen, dass weder das Riserrohr noch das Bohrschiff in der Lage wären, den Kräften zu widerstehen, die bei einem Wirbelsturm einwirken würden. Unter solchen Umständen würde ein dynamisch positioniertes Bohrschiff versuchen, dem Sturm auszuweichen. Aber es wäre unmöglich, dem Sturm auszuweichen, wenn 10.000 Fuß Riserrohr vom Bohrschiff herabhängen. In einer solchen Situation würde daher das Riserrohr vollständig heraufgezogen werden müssen.
Außerdem müssen, bevor das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht getrennt wird, Arbeiten stattfinden, um das Bohrloch so herzurichten, dass es unbedenklich verlassen werden kann. Das ist erforderlich, weil das Bohrloch den hydrostatischen Druck der Schlammsäule braucht, die sich vom oberen Ende des Riserrohres zum Grund des Bohrlochs erstreckt, um die Porendrücke der Formation zu überwinden. Wenn die Schlammsäule im Riserrohr entfernt wird, so wird der hydrostatische Druckgradient drastisch verringert und reicht möglicherweise nicht aus, um zu verhindern, das Formationsfluid in das Bohrloch einströmt. Zu den Arbeiten zum Eindämmen des Bohrlochdrucks kann gehören, eine Verschlussvorrichtung, wie beispielsweise einen Sturmpacker, in das Bohrloch einzusetzen und den Blindschieber in dem Ausblasverhinderungsschacht zu schließen.
Nach dem Sturm kehrt das Bohrschiff zur Bohrstelle zurück und setzt das Riserrohr erneut an, um das Bohren wieder aufzunehmen. An Orten wie dem Golf von Mexiko, wo es im Jahr durchschnittlich 2,8 Hurrikane gibt und die Warnfrist für einen heranziehenden Hurrikane maximal 72 Stunden beträgt, wäre es erforderlich, das Riserrohr jedes Mal abzutrennen und heraufzuholen, wenn in der Nähe des Bohrstandortes Hurrikanegefahr besteht. Damit wären freilich erhebliche finanzielle Verluste für das Ölförderunternehmen verbunden.
Ein vierter einschränkender Faktor betrifft Notabtrennungen, wie beispielsweise, wenn ein dynamisch positioniertes Bohrschiff abtreibt. Eine Abdrift ist eine Situation, wenn ein Bohrschiff die Fähigkeit verliert, seine Position zu stabilisieren, Leistung verliert, in unmittelbarer Gefahr schwebt, mit einem anderen Schiff oder Objekt zu kollidieren, oder sonstigen Situationen unterworfen ist, in denen der Bohrort rasch verlassen werden muss. Wie im Fall der Sturmabtrennung sind auch hier Bohrlocharbeiten erforderlich, um das Bohrloch zum Verlassen herzurichten. In einer Abdriftsituation ist jedoch in der Regel nicht genügend Zeit, alle notwendigen Maßnahmen für ein sicheres Verlassen des Bohrlochs durchzuführen. Normalerweise ist nur noch genügend Zeit, den Bohrstrang von den Rohr-/Hängeblöcken abzuhängen und die Scher- oder Blindschieber im Ausblasverhinderer zu schließen, bevor das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht getrennt wird.
Der sich aus der Riserrohrhöhe ergebende hydrostatische Druckgradient des Bohrlochs ist unter den geschlossenen Blindschiebern eingeschlossen, wenn das Riserrohr abgetrennt wird. Die einzige Sperre gegen das Einströmen von Formationsfluid in das Bohrloch sind somit die geschlossenen Blindschieber, da die Schlammsäule unter den Blindschiebern nicht ausreicht, um das Einströmen von Formationsfluid in das Bohrloch zu verhindern. Ein umsichtiges Vorgehen beim Bohren erfordert zwei voneinander unabhängige Sperren, um zu verhindern, dass die Kontrolle über das Bohrloch verloren geht. Wenn das Riserrohr vom Ausblasverhinderungsschacht abgetrennt wird, so werden große Mengen Schlamm auf dem Meeresboden abgelagert. Das ist sowohl aus ökonomischer als auch aus Umweltsicht unerwünscht.
Ein fünfter einschränkender Faktor betrifft die Bohrlochrandkontrolle und die Notwendigkeit zahlreicher Futterrohrpunkte. Bei jedem Bohrvorgang ist es wichtig, das Einströmen von Formationsfluid aus Untergrundformationen in das Bohrloch zu kontrollieren, um ein Ausblasen zu verhindern. Zu den Bohrlochkontrollverfahren gehört in der Regel, den hydrostatischen Druck der Bohrfluidsäule über dem Offenlochformationsporendruck, aber gleichzeitig nicht über dem Formationsbruchdruck zu halten. Beim Bohren des Anfangsabschnitts des Bohrlochs wird der hydrostatische Druck dadurch aufrechterhalten, dass Meerwasser als Bohrfluid verwendet wird, wobei der Bohrgutrücklauf auf den Meeresboden abgelassen wird. Das ist möglich, weil die Porendrücke der Formationen in der Nähe des Meeresbodens nahe dem hydrostatischen Meerwasserdruck auf dem Meeresboden liegen.
Während des Bohrens des Anfangsabschnitts des Bohrlochs mit Meerwasser ist es möglich, dass man auf Formationen stößt, deren Porendrücke größer sind als der hydrostatische Meerwasserdruck. In solchen Situationen können Formationsfluide ungehindert in das Bohrloch einströmen. Dieses unkontrollierte Einströmen von Formationsfluiden in das Bohrloch kann so stark sein, dass das Bohrloch ausgewaschen wird und vielleicht sogar die Bohrstelle unbrauchbar wird. Um zu verhindern, dass Formationsfluid in das Bohrloch einströmen, kann der Anfangsabschnitt des Bohrlochs mit gewichteten Bohrfluiden gebohrt werden. Die derzeitige Praxis des Ablassens des Fluids auf den Meeresboden während des Bohrens des Anfangsabschnitts des Bohrlochs macht diese Option nicht sehr erstrebenswert. Das liegt daran, dass die großen Mengen an Bohrfluiden, die auf den Meeresboden abgelassen werden, nicht zurückgewonnen werden. Große Mengen an nicht-zurückgewonnenen gewichteten Bohrfluiden sind teuer und möglicherweise aus Umweltsicht unerwünscht.
Nachdem der Anfangsabschnitt des Bohrlochs entweder mittels Meerwasser oder gewichtetem Bohrfluid auf eine akzeptable Tiefe gebohrt wurde, wird ein Führungsrohrstrang mit einem Bohrlochkopf eingeführt und einzementiert. Anschließend wird ein Ausblasverhinderungsschacht und ein Unterwasser-Riserrohr auf den Meeresboden gebracht, um eine Bohrfluidzirkulation vom Bohrschiff zum Bohrloch und zurück zum Bohrschiff in der üblichen Weise zu ermöglichen.
In geologischen Gebieten, die durch schnelle Sedimentablagerung und junge Sedimente geprägt sind, ist der Bruchdruck ein kritischer Faktor bei der Bohrlochkontrolle. Das liegt daran, dass der Bruchdruck an jedem Punkt im Bohrloch mit der Dichte der Sedimente, die über dem betreffenden Punkt lagern, in Verbindung mit dem hydrostatischen Druck der darüber befindlichen Meerwassersäule zusammenhängt. Diese Sedimente werden ganz erheblich durch das darüberliegende Gewässer beeinflusst, und die zirkulierende Schlammsäule braucht nur geringfügig dichter zu sein als Meerwasser, um die Formation zu durchbrechen. Glücklicherweise nimmt der Bruchdruck infolge der höheren Raummasse des Gesteins rasch mit der Penetrationstiefe unter den Meeresboden zu und stellt ein weitaus weniger ernstes Problem dar, nachdem die ersten wenigen tausend Fuß gebohrt sind. Jedoch stellen unnormal hohe Porendrücke, auf die man bis 2.000 Fuß unter dem Meeresboden regelmäßig stößt, ein Problem dar, und zwar sowohl während des Bohrens des Anfangsabschnitts des Bohrlochs mit Meerwasser als auch beim Bohren über den Anfangsabschnitt des Bohrlochs mit Meerwasser oder gewichtetem Bohrfluid hinaus.
Die Herausforderung besteht dann darin, die inneren Drücke der Formation mit dem hydrostatischen Druck der Schlammsäule auszubalancieren, während gleichzeitig das Bohrloch weiter gebohrt wird. Die derzeitige Praxis besteht darin, fortlaufend Futterrohre – das folgende im Inneren des vorangegangenen – in das Loch herabzulassen und dort einzuzementieren, um die offenen Lochabschnitte zu schützen, die ungenügend Bruchdruck besitzen, während man gleichzeitig die Verwendung gewichteter Bohrfluide ermöglicht, um die Formationsporendrücke zu überwinden. Es ist wichtig, dass das Bohrloch mit dem praktisch größtmöglichen Futterrohr durch die Förderzone hindurch vervollständig wird, um Förderraten zu gestatten, welche die hohen Kosten von Tiefseeerschließungen rechtfertigen. Förderleistungen von mehr als 10.000 Barrels am Tag sind für Tiefseeerschließungen üblich, und ein zu kleines Förderfutterrohr würde die Produktivität des Bohrlochs einschränken, wodurch seine Herstellung unrentabel wird.
Die Anzahl der in das Loch eingeführten Futterrohre hängt maßgeblich von der Wassertiefe ab. Die Vielzahl an Futterrohren, die zum Schutz des "offenen Lochs" benötigt werden, während gleichzeitig das praktisch größtmögliche Futterrohr durch die Förderzone hindurch verläuft, erfordert, dass das Oberflächenloch auf dem Meeresboden größer ist. Ein größeres Oberflächenloch erfordert seinerseits einen größeren Unterwasserbohrlochkopf und einen größeren Ausblasverhinderungsschacht, und ein größerer Ausblasverhinderungsschacht erfordert ein größeres Unterwasser-Riserrohr. Bei einem größeren Unterwasser-Riserrohr wird mehr Schlamm benötigt, um das Riserrohr zu füllen, und es wird ein größeres Bohrschiff benötigt, um den Schlamm aufzunehmen und das Riserrohr zu tragen. Dieser Kreis wiederholt sich, wenn die Wassertiefe zunimmt.
Es wurde herausgefunden, dass der Schlüssel zum Durchbrechen dieses Kreises darin liegt, den hydrostatischen Druck des Schlamms im Riserrohr auf den Druck einer Meerwassersäule zu senken und im Bohrloch Schlamm mit genügend Gewicht bereitzustellen, um die Kontrolle über das Bohrloch zu behalten. In der Vergangenheit wurden verschiedene Konzepte vorgeschlagen, um dies zu erreichen, doch keines dieser Konzepte nach dem Stand der Technik hat sich für das kommerzielle Bohren in immer tieferem Wasser durchgesetzt. Diese Konzepte lassen sich allgemein in zwei Kategorien unterteilen: das Schlammhubbohrungs-Konzept mit einem Unterwasser-Riserrohr und das Konzept des riserrohrlosen Bohrens.
Das Schlammhubbohrungs-Konzept mit einem Unterwasser-Riserrohr basiert auf einem Gradientensystem mit zwei Schlammdichten. Dies beinhaltet, die Dichte des Schlammrücklaufs im Riserrohr so zu verringern, dass der Druck des Rücklaufschlamms auf dem Meeresboden stärker dem Druck des Meerwassers angenähert ist. Der Schlamm im Bohrloch wird gewichtet, um die Kontrolle über das Bohrloch aufrecht zu erhalten. Beispielsweise offenbaren die US-Patente Nr. 3,603,409 an Watkins et al. und Nr. 4,099,583 an Maus et al. Verfahren zum Einleiten. von Gas in die Schlammsäule im Unterwasser-Riserrohr, um das Gewicht des Schlamms zu verringern. Patent Nr. 4,291,772 offenbart ein Verfahren zum Verringern der Spannung an einem Riserrohr, wobei bei diesem Verfahren das Bohrsystem mit einer separaten Bohrfluidrücklaufleitung ausgestattet ist.
Das Konzept des riserrohrlosen Bohrens basiert darauf, das großkalibrige Unterwasser-Riserrohr als Rücklaufringraum wegzulassen und es durch eine oder mehrere kleinkalibrige Schlammrücklaufleitungen zu ersetzen. Beispielsweise wird im US-Patent Nr. 4,813,495 an Leach das Unterwasser-Riserrohr als Rücklaufringraum weggelassen, und es wird eine Zentrifugalpumpe verwendet, um Schlammrücklauf vom Meeresboden zur Oberfläche durch eine Schlammrücklaufleitung zu befördern. Ein rotierender Kopf trennt den Schlamm im Bohrlochringraum vom freien Meerwasser, wenn der Bohrstrang in das Bohrloch eingeführt und aus dem Bohrloch herausgezogen wird.
Die Bohrraten werden stark durch die Größenordnung des Unterschieds zwischen dem Formationsporendruck und dem Schlammsäulendruck beeinflusst. Dieser Unterschied, gemeinhin als "Überausgleich" bezeichnet, wird durch Ändern der Dichte der Schlammsäule justiert. Der Überausgleich wird als der zusätzliche Druck geschätzt, der erforderlich ist, um zu verhindern, dass das Bohrloch zurückstößt, wenn gebohrt wird oder wenn ein Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird. Bei dieser Schätzung des Überausgleichs werden gewöhnlich solche Faktoren berücksichtigt wie beispielsweise Ungenauigkeiten bei der Vorhersage von Formationsporendrücken und Drückminderungen im Bohrloch, wenn ein Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird. Während des Bohrens wird normalerweise ein Minimum von 300 bis 700 psi Überausgleich aufrecht erhalten. Mitunter ist der Überausgleich so groß, dass er die Formation beschädigt.
Die Auswirkungen eines Überausgleichs auf die Bohrraten schwanken über ein weites Spektrum in Abhängigkeit vom Bohrkronentyp, vom Formationstyp, von der Größenordnung des Überausgleichs und von vielen weiteren Faktoren. Beispielsweise ist es bei einer typischen Kombination aus Bohrkrone und Formation mit einer Bohrrate von 30 Fuß in der Stunde und einem Überausgleich von 500 psi normal, dass sich die Bohrrate auf 60 Fuß in der Stunde verdoppelt, wenn der Überausgleich auf null verringert wird. Eine noch stärkere Zunahme der Bohrrate lässt sich erreichen, wenn der Schlammsäulendruck auf einen unterausgeglichenen Zustand verringert wird, d. h. wenn der Schlammsäulendruck kleiner ist als der Formationsdruck. Um also die Bohrraten zu verbessern, kann es zweckmäßig sein, ein Bohrloch in einem unterausgeglichenen Modus oder mit nur minimalem Überausgleich zu bohren.
Bei herkömmlichen Bohrverfahren ist es nicht möglich, die Schlammdichte zu verringern, um höhere Bohrraten zu erreichen, und dann die Schlammdichte zu erhöhen, um ein Ausklinken des Bohrstrangs zu gestatten. Das liegt daran, dass die Zirkulationsdauer für das gesamte Schlammsystem mehrere Stunden beträgt, wodurch es teuer wird, die Schlammdichte wiederholt zu erhöhen und zu senken. Des Weiteren würde eine solche Praxis die Operation gefährden, weil eine Fehlberechnung zu einem Rückstoßen führen könnte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Allgemein ausgedrückt, umfasst gemäß einem Aspekt ein System zum Bohren eines Unterwasserbohrlochs von einer Bohranlage aus mit einem unter der Bohranlage befindlichen Unterwasserbohrlochkopf einen am Unterwasserbohrlochkopf montierten Bohrlochkopfschacht. Der Unterwasserbohrlochkopf umfasst wenigstens einen Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht und eine Unterwasser-Ablenkvorrichtung. Ein Bohrstrang erstreckt sich von der Bohranlage aus über den Bohrlochkopfschacht in das Bohrloch hinein, um Bohrfluid von der Bohranlage zu einer Bohrkrone in dem Bohrloch zu leiten. Ein Riserrohr, das an einem Ende mit dem Bohrlochkopfschacht und am anderen Ende mit der Bohranlage verbunden ist, nimmt im Inneren den Bohrstrang dergestalt auf, dass ein Riser-Ringraum zwischen dem Bohrstrang und dem Riserrohr gebildet wird. Ein Bohrloch-Ringraum erstreckt sich vom Grund des Bohrlochs aus zur Unterwasser- Ablenkvorrichtung, um Fluid von der Bohrkrone wegzuleiten. Der Bohrloch-Ringraum ist durch die Unterwasser-Ablenkvorrichtung vom Riser-Ringraum getrennt. Eine Pumpe mit einer Ansaugseite, die mit dem Bohrloch-Ringraum in strömungsmäßiger Verbindung steht, und einer Auslassseite, die mit der Bohranlage in strömungsmäßiger Verbindung steht, arbeitet in der Weise, dass in dem Bohrloch-Ringraum ein ausgewählter Druckgradient aufrecht erhalten wird.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Offshore-Bohrsystem.
2A ist eine Detailansicht der Bohrlochkontrollvorrichtung aus 1.
2B ist eine Detailansicht des Schlammhubmoduls aus 1.
2C ist eine Detailansicht des Schlammtanks mit Druckausgleich aus 1.
3A und 3B sind Querschnitte durch nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtungen.
4A bis 4F sind Querschnitte durch rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtungen.
5 ist ein Querschnitt durch einen Abstreifer.
6 ist eine Seitenansicht eines anderen Schlammtanks mit Druckausgleich.
7A und 7B zeigen ein Riserrohr, das als Schlammtank mit Druckausgleich fungiert.
8 ist eine Seitenansicht einer Unterwasser-Schlammpumpe.
9A ist ein Querschnitt durch ein Membranpumpenelement.
9B ist ein Querschnitt durch ein Kolbenpumpenelement.
9C zeigt das Membranpumpenelement aus 9A mit. einem Membranpositionierer.
10A veranschaulicht einen Offenkreis-Hydraulikantrieb für die in 8 gezeigte Unterwasser-Schlammpumpe.
10B ist eine Kurvendarstellung von Ausgabecharakteristika des in 10A gezeigten Offenkreis-Hydraulikantriebs.
10C veranschaulicht die Leistung des in 10A gezeigten Offenkreis-Hydraulikantriebs.
11A veranschaulicht einen Offenkreis-Hydraulikantrieb für eine Unterwasser-Schlammpumpe mit drei Pumpenelementen.
11B ist eine Kurvendarstellung von Ausgabecharakteristika des in 11A gezeigten Offenkreis-Hydraulikantriebs.
11C ist eine Übersicht einer Steuerungssequenz für das in 11A gezeigte Pumpensystem.
12 veranschaulicht einen Geschlossenkreis-Hydraulikantrieb für die in 8 gezeigte Unterwasser-Schlammpumpe.
13A und 13B sind Querschnitte durch ein Ansaug-/Auslassventil.
14A ist eine Seitenansicht eines Gesteinszerkleinerers.
14B ist ein Querschnitt durch den in 14A gezeigten Gesteinszerkleinerer.
15A ist eine Seitenansicht eines Festkörperabscheiders.
15B ist ein Querschnitt durch eine Kombination aus rotierender Unterwasser-Ablenkvorrichtung und Festkörperabscheider.
16 ist ein Schaubild eines Schlammzirkulationssystems für das Offshore-Bohrsystem aus 1.
17 ist ein Tiefe-Druck-Diagramm für ein Bohrloch, das in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß gebohrt wurde, für ein Gradientensystem mit einer einzigen Schlammdichte und ein Gradientensystem mit zwei Schlammdichten.
18 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines Bohrstrangventils.
19A und 19B veranschaulichen eine geschlossene bzw. eine geöffnete Stellung des in 18 gezeigten Bohrstrangventils.
20A ist ein Tiefe-Druck-Diagramm für ein Bohrloch, das in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß gebohrt wurde, für ein Gradientensystem mit zwei Schlammdichten mit einem Schlammgrenzendruck, der niedriger ist als der Meerwasserdruck.
20B zeigt den Offenkreis-Hydraulikantrieb von 10A mit einer Schlammladepumpe in der Schlammsaugleitung.
20C zeigt den Offenkreis-Hydraulikantrieb von 10B mit einer Druckerhöhungspumpe in der Hydraulikfluidabflussleitung.
21 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 mit einem am Meeresboden installierten Schlammhubmodul.
22A und 22B sind Seitenansichten einholbarer Unterwasserkomponenten des in 21 gezeigten Offshore-Bohrsystems.
23 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 ohne ein Unterwasser-Riserrohr,
24A und 24B zeigen Seitenansichten der einholbaren Unterwasserkomponenten des in 23 gezeigten Offshore-Bohrsystems.
25 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform des in 23 gezeigten Rücklaufleitungs-Riserrohres.
26 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des in 23 gezeigten Rücklaufleitungs-Riserrohres.
27 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 ohne ein Unterwasser-Riserrohr und mit einem am Meeresboden installierten Schlammhubmodul.
28 veranschaulicht das Offshore-Bohrsystem aus 1 ohne ein Unterwasser-Riserrohr und mit einem Rücklaufleitungs-Riserrohr, das sich von einem Schlammhubmodul aus erstreckt.
29A und 29B zeigen Seitenansichten der einholbaren Unterwasserkomponenten des in 28 gezeigten Offshore-Bohrsystems.
30 veranschaulicht ein Offshore-Bohrsystem mit einer Unterwasser-Durchflussvorrichtung.
31 ist ein Tiefe-Druck-Diagramm für den Anfangsabschnitt eines Bohrlochs, das in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß mittels der in 30 gezeigten Unterwasser-Durchflussvorrichtung gebohrt wurde.
32 ist ein Schaubild eines Schlammzirkulationssystems für ein Offshore-Bohrsystem, das eine Unterwasser-Durchflussvorrichtung und ein Schlammhubmodul enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht ein Offshore-Bohrsystem 10, wobei ein Bohrschiff 12 auf einem Gewässer 14 schwimmt, das sich über einer zuvor festgelegten Formation befindet. Das Bohrschiff 12 wird mittels Schubdüsen 16, die durch (nicht gezeigte) bordeigene Computer aktiviert werden, über der unterseeischen Formation dynamisch positioniert. Eine Anordnung (nicht gezeigter) Unterwasser-Signalfeuer auf dem Meeresboden 17 sendet Signale, welche die Position des Bohrschiffes 12 anzeigen, zu (nicht gezeigten) Hydrofonen am Rumpf des Bohrschiffes 12. Die von den Hydrofonen empfangenen Signale werden an bordeigene Computer weitergeleitet. Diese bordeigenen Computer verarbeiten die Daten von den Hydrofonen zusammen mit Daten von einem Windsensor und weiteren positionserfassenden Zusatzgeräten und aktiviert die Schubdüsen 16, so wie es erforderlich ist, um die Position des Bohrschiffes 12 zu halten. Das Bohrschiff 12 kann auch mittels verschiedener Anker auf Position gehalten werden, die vom Bohrschiff aus auf dem Meeresboden festgemacht werden. Anker eignen sich aber im Allgemeinen nur, wenn das Wasser nicht zu tief ist.
Eine Bohranlage 20 befindet sich in der Mitte des Bohrschiffes 12 über einer Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden. Die Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden ist eine umbaute Öffnung, die sich durch das Bohrschiff 12 hindurch erstreckt und durch die Bohrwerkzeuge vom Bohrschiff 12 aus auf den Meeresboden 17 herabgelassen werden. Auf dem Meeresboden 17 erstreckt sich ein Führungsrohr 32 in ein Bohrloch 30 hinein. Ein Führungsgehäuse 33, das am oberen Ende des Führungsrohres 32 befestigt ist, stützt das Führungsrohr 32, bevor das Führungsrohr 32 im Bohrloch 30 einzementiert wird. Es wird eine Führungskonstruktion 34 um das Führungsgehäuse 33 herum installiert, bevor das Führungsgehäuse 33 auf den Meeresboden 17 herabgelassen wird. Ein Bohrlochkopf 35 ist am oberen Ende einer Oberflächenrohres 36 befestigt, das sich durch das Führungsrohr 32 hindurch in das Bohrloch 30 hinein erstreckt. Der Bohrlochkopf 35 ist von herkömmlicher Bauart und bietet die Möglichkeit, weitere Futterrohrstränge in das Bohrloch 30 zu hängen. Der Bohrlochkopf 35 bildet außerdem eine tragende Basis für einen Bohrlochkopfschacht 37.
Der Bohrlochkopfschacht 37 enthält eine Bohrlochkontrollvorrichtung 38, ein Schlammhubmodul 40 und einen Schlammtank 42 mit Druckausgleich. Ein Unterwasser-Riserrohr 52 zwischen der Bohranlage 20 und dem Bohrlochkopfschacht 37 ist so angeordnet, dass es Bohrwerkzeuge, Futterrohrstränge und sonstige Ausrüstung vom Bohrschiff 12 zum Bohrlochkopfschacht 37 führen kann. Das untere Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 ist lösbar mit dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich verriegelt, und das obere Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 ist an der Bohranlage 20 befestigt. Es sind Riserrohrspannvorrichtungen 54 angeordnet, die das Unterwasser-Riserrohr 52 unter Aufwärtszug halten. Schlammrücklaufleitungen 56 und 58, die außen am Unterwasser-Riserrohr 52 befestigt sein können, verbinden (nicht gezeigte) Strömungsauslässe im Schlammhubmodul 40 mit Durchflussöffnungen in der Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden. Die Durchflussöffnungen in der Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden dienen als Schnittstelle zwischen den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 und einem (nicht gezeigten) Schlammrücklaufsystem auf dem Bohrschiff 12. Die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 sind ebenfalls an (nicht gezeigte) Strömungsauslässe in der Bohrlochkontrollvorrichtung 38 angeschlossen, so dass sie als Drossel-/Absperrleitungen verwendet werden können. Alternativ können die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 auch vorhandene Drossel-/Absperrleitungen am Riserrohr sein.
Ein Bohrstrang 60 erstreckt sich von einem Bohrturm 62 auf der Bohranlage 20 aus über das Unterwasser-Riserrohr 52 und den Bohrlochkopfschacht 37 in das Bohrloch 30 hinein. Am Ende des Bohrstrangs 60 ist eine Grundlochbaugruppe 63 angebracht, die eine Bohrkrone 64 und eine oder mehrere Schwerstangen 65 umfasst. Die Grundlochbaugruppe 63 kann des Weiteren Stabilisatoren, einen Schlammmotor und andere ausgewählte Komponenten enthalten, die zum Bohren eines projektierten Bohrpfades benötigt werden, wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist. Während des normalen Bohrvorgangs wird der Schlamm, der in der Bohrung des Bohrstrangs 60 mittels einer (nicht gezeigten) Oberflächenpumpe entlang gepumpt wird, wird aus den Düsen der Bohrkrone heraus in den Grund des Bohrlochs 30 gedrängt. Der Schlamm am Grund des Bohrlochs 30 steigt im Bohrloch-Ringraum 66 nach oben zum Schlammhubmodul 40, wo er zu den Ansaug-Enden der (nicht gezeigten) Unterwasser-Schlammpumpen abgelenkt wird. Die Unterwasser-Schlammpumpen erhöhen den Druck des zurücklaufenden Schlammstroms und lassen den Schlamm in die Schlammrücklaufleitungen 56 und/oder 58 ab. Die Schlammrücklaufleitungen 56 und/oder 58 leiten den abgelassenen Schlamm dann in das (nicht gezeigte) Schlammrücklaufsystem auf dem Bohrschiff 12.
Das Bohrsystem 10 ist mit zwei Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 veranschaulicht, aber es versteht sich, dass auch eine einzelne Schlammrücklaufleitung oder mehr als zwei Schlammrücklaufleitungen verwendet werden können. Natürlich beeinflussen Durchmesser und Anzahl der Rücklaufleitungen die Pumpanforderungen an die Unterwasser-Schlammpumpen im Schlammhubmodul 40. Die Unterwasser-Schlammpumpen müssen den zurücklaufenden Schlammstrom mit genügend Druck versehen, um die Reibungsdruckverluste und das hydrostatische Gefälle der Schlammsäule in den Rücklaufleitungen zu überwinden. Der Bohrlochkopfschacht 37 enthält (nicht gezeigte) Unterwasser-Ablenkvorrichtungen, die den Bohrstrang 60 abdichtend umschließen und eine trennende Sperre zwischen dem Riserrohr 52 und dem Bohrloch-Ringraum 66 bilden. Das Riserrohr 52 ist mit Meerwasser gefüllt, so dass der hydrostatische Druck der Fluidsäule am Meeresboden oder an der Schlammgrenze oder an der trennenden Sperre, die durch die Unterwasser-Ablenkvorrichtungen gebildet wird, dem des Meerwassers entspricht. Wenn das Riserrohr anstelle von Schlamm mit Meerwasser gefüllt wird, so braucht das Riserrohr nicht so stark gespannt zu werden. Das Riserrohr kann auch mit anderen Fluiden, die eine geringere Dichte als der Schlamm im Bohrloch-Ringraum haben, gefüllt werden.
Bohrlochkontrollvorrichtung
2A zeigt die Komponenten der Bohrlochkontrollvorrichtung 38, die zuvor in 1 veranschaulicht wurde. Wie zu sehen, enthält die Bohrlochkontrollvorrichtung 38 ein unteres Unterwasser-Riserpaket (UURP) 44 und einen Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht (AVS) 46. Der AVS 46 enthält ein Paar Doppelschieber-Ausblasverhinderer 70 und 72. Es können aber auch andere Kombinationen verwendet werden, wie beispielsweise ein Dreischieber-Ausblasverhinderer in Kombination mit einem Einschieber-Ausblasverhinderer. Je nach den Präferenzen des Bohrunternehmens können noch zusätzliche Ausblasverhinderer benötigt werden. Die Schieber-Ausblasverhinderer sind mit Rohrschiebern, die eine Abdichtung um ein Rohr herum herstellen, und mit Scher- oder Blindschiebern, die sich durch das Rohr schieben und das Bohrloch abdichten, ausgestattet. Die Schieber-Ausblasverhinderer 70 und 72 haben Durchflussöffnungen 76 bzw. 78, die an (nicht gezeigte) Drossel-/Absperrleitungen angeschlossen werden können. Ein Bohrlochkopfverbinder 88 ist am unteren Ende des Schieber-Ausblasverhinderers 70 angebracht. Der Bohrlochkopfverbinder 88 ist so beschaffen, dass er auf das obere Ende des Bohrlochkopfes 35 (in 1 gezeigt) passt.
Das UURP 44 enthält die Ring-Ausblasverhinderer 90 und 92 und ein flexibles Verbindungsstück 94. Das UURP 44 kann aber auch andere Konfigurationen annehmen, beispielsweise einen einzelnen Ausblasverhinderer und ein flexibles Verbindungsstück. Die Ring-Ausblasverhinderer 90 und 92 haben Durchflussöffnungen 98 und 100, die an (nicht gezeigte) Drossel-/Absperrleitungen angeschlossen werden können. Das untere Ende des Ring-Ausblasverhinderers 90 ist über einen UURP-Verbinder 93 mit dem oberen Ende der Schieber-Ausblasverhinderer 72 verbunden. Das flexible Verbindungsstück 94 ist am oberen Ende des Ring-Ausblasverhinderers 92 angebracht. Ein Riserrohrverbinder 114 ist am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 befestigt. Der Riserrohrverbinder 114 enthält Durchflussöffnungen 113, die hydraulisch mit den Durchflussöffnungen 76, 78, 98 und 100 verbunden sein können. Das UURP 44 enthält (nicht gezeigte) Steuerungsmodule zum Betätigen der Schieber-Ausblasverhinderer 70 und 72, der Ring-Ausblasverhinderer 90 und 92, verschiedene Verbinder und Ventile im Bohrlochkopfschacht 37 sowie nach Bedarf weitere Steuerungselemente. Von der Oberfläche wird den Steuerungsmodulen über (nicht gezeigte) Hydraulikleitungen, die außen am Riserrohr 52 (in 1 gezeigt) befestigt sein können, Hydraulikfluid zugeführt.
Schlammhubmodul
2B zeigt die Komponenten des Schlammhubmoduls 40, das zuvor in 1 veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält das Schlammhubmodul 40 Unterwasser-Schlammpumpen 102, ein Durchflussrohr 104, eine nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106 und eine rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108. Das untere Ende des Durchflussrohres 104 enthält einen Riserrohrverbinder 110, der so beschaffen ist, dass er auf den Riserrohrverbinder 114 (in 2A gezeigt) am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 passt. Wenn der Riserrohrverbinder 110 mit dem Riserrohrverbinder 114 in Eingriff steht, so stehen die Durchflussöffnungen 111 im Riserrohrverbinder 110 in strömungsmäßiger Verbindung mit den Durchflussöffnungen 113 (in 2A gezeigt) im Riserrohrverbinder 114. Ein Riserrohrverbinder 112 ist am oberen Ende der Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 angebracht. Die Durchflussöffnungen 111 im Riserrohrverbinder 110 sind mit Durchflussöffnungen 116 im Riserrohrverbinder 112 über Rohre 118 und 120 verbunden, die wiederum hydraulisch mit den Auslassenden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 verbunden sind. Die Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 sind hydraulisch mit den Strömungsauslässen 125 im Durchflussrohr 104 verbunden.
Die Unterwasser-Ablenkvorrichtungen 106 und 108 sind dafür konfiguriert, Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt) zu den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 abzulenken. Die Ablenkvorrichtungen 106 und 108 sind des Weiteren dafür konfiguriert, einen Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 60, gleitend aufzunehmen und ihn abdichtend zu umschließen. Wenn die Ablenkvorrichtungen den Bohrstrang 60 abdichtend umschließen, so wird das Fluid im Durchflussrohr 104 oder unterhalb der Ablenkvorrichtungen von dem Fluid im Riserrohr 52 (in 1 gezeigt) oder oberhalb der Ablenkvorrichtungen isoliert. Die Ablenkvorrichtungen 106 und 108 können wechselweise oder zusammen dafür verwendet werden, einen Bohrstrang abdichtend in Eingriff zu nehmen und dadurch das Fluid im Ringraum des Riserrohres 52 von dem Fluid im Bohrloch-Ringraum 66 zu isolieren. Es leuchtet ein, dass entweder die Ablenkvorrichtung 106 oder 108 allein als das trennende Medium zwischen dem Fluid im Riserrohr 52 und dem Fluid im Bohrloch-Ringraum 66 verwendet werden kann. Ein (nicht gezeigter) rotierender Ausblasverhinderer, der in die Bohrlochkontrollvorrichtung 38 (in 2 gezeigt) integriert sein könnte, kann ebenfalls anstelle der Ablenkvorrichtungen verwendet werden. Die Ablenkvorrichtung 108 kann auch an dem Ring-Ausblasverhinderer 92 (in 2A gezeigt) angebracht sein, und der Schlammfluss in die Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 hinein kann von einem Punkt unterhalb der Ablenkvorrichtung aus entnommen werden.
Nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung
3A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch die nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106, die zuvor in 2B veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält die nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106 einen Kopf 126, der mittels Bolzen 130 an einem Körper 128 befestigt ist. Anstelle der Bolzen 130 können aber auch andere Mittel verwendet werden, wie beispielsweise eine Schraub- oder Riegelverbindung. Der Körper 128 hat einen Flansch 131, der am oberen Ende des Durchflussrohres 104 angeschraubt sein kann, wie in 2B gezeigt. Der Kopf 126 und der Körper 128 weisen Bohrungen 132 bzw. 134 auf. Die Bohrungen 132 und 134 bilden einen Durchgang 136 zur Aufnahme eines Bohrstrangs, beispielsweise Bohrstrang 60.
Der Körper 128 hat einen Schließhohlraum 138 und einen Öffnungshohlraum 139. Ein Kolben 140 ist so angeordnet, dass er sich in den Hohlräumen 138 und 139 in Reaktion auf einen Druck des in diese Hohlräume eingeleiteten Hydraulikfluids bewegt. Am oberen Ende des Körpers 128 befinden sich eine Buchse 142 und eine Abdeckung 143 zum Führen des Kolbens 140, während er sich in den Hohlräumen 138 und 139 bewegt.
Der Hohlraum 138 wird durch den Körper 128, den Kolben 140 und die Buchse 142 umschlossen. Der Hohlraum 139 wird durch den Körper 128, den Kolben 140 und die Abdeckung 143 umschlossen. Wenn sich der Kolben 140 in den Hohlräumen 138 und 139 bewegt, so halten Dichtringe 144 das Hydraulikfluid in den Hohlräumen. Die Buchse 142 hat Löcher 148 zum Ablassen von Fluid aus einem Hohlraum 145 unterhalb des Kolbens 140. Ein elastisches elastomeres toroidförmiges Dichtungselement 150 befindet sich zwischen dem oberen Ende des Kolbens 140 und einem sich verjüngenden Abschnitt 152 der Innenwand des Kopfes 126. Das Dichtungselement 150 kann so betätigt werden, dass es eine Abdichtung um einen Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 60, herum in dem Durchgang 136 bildet.
Der Kolben 140 bewegt sich abwärts und öffnet dabei den Durchgang 136, wenn Hydraulikfluid in den Öffnungshohlraum 139 eingeleitet wird. Wie in der linken Hälfte der Zeichnung veranschaulicht, extrudiert das Dichtungselement 150 nicht in den Durchgang 136 hinein, und die Ablenkvorrichtung 106 ist vollständig geöffnet, wenn der Kolben 140 auf dem Körper 128 aufsitzt. Wenn die Ablenkvorrichtung 106 vollständig geöffnet ist, so ist der Durchgang 136 so groß, dass er eine Grundlochbaugruppe und weitere Bohrwerkzeuge aufnehmen kann. Wenn Hydraulikfluid in den Hohlraum 138 eingeleitet wird, so bewegt sich der Kolben 140 aufwärts und schließt dabei die Ablenkvorrichtung 106. Wie in der rechten Hälfte der Zeichnung veranschaulicht, wird das Dichtungselement 150 in den Durchgang 136 hinein extrudiert, wenn sich der Kolben 140 aufwärts bewegt. Wenn sich ein Bohrstrang in dem Durchgang 136 befindet, so würde das extrudierte Dichtungselement 150 den Bohrstrang berühren und den Ringraum zwischen dem Durchgang 136 und dem Bohrstrang abdichten.
3B zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine andere nicht-rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung, d. h. eine Unterwasser-Ablenkvorrichtung 270, die anstelle der nicht-rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 10b verwendet werden kann. Die Unterwasser-Ablenkvorrichtung 270 enthält einen Gehäusekörper 272 mit Flanschen 274 und 276, die dem Anschluss an andere Komponenten des Bohrlochkopfschachts dienen, beispielsweise das Durchflussrohr 104 und die Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 (in 2B gezeigt). Der Gehäusekörper 272 weist eine Bohrung 278 und Taschen 280 auf. Die Taschen 280 sind entlang eines Umfangs des Gehäusekörpers 272 verteilt. In jeder Tasche 280 befindet sich eine zurückziehbare Anschlagschulter 282 und ein Riegel 284. Hydraulische Betätigungsvorrichtungen 285 betätigen die Riegel 284 dergestalt, dass sie ein zurückziehbares Abstreifelement 286 in Eingriff nehmen, das in der Bohrung 278 des Gehäusekörpers 272 angeordnet ist.
Das Abstreifelement 286 enthält einen Abstreifgummi 288, der an einen Metallkörper 290 vulkanisiert ist. Die Riegel 284 gleiten in Ausnehmungen 291 in dem Metallkörper 290 und verriegeln so den Metallkörper 290 im Gehäusekörper 272. Eine Dichtung 292 am Metallkörper 290 bildet eine Abdichtung zwischen dem Gehäusekörper 272 und dem Metallkörper 290. Der Abstreifgummi 288 nimmt abdichtend einen Bohrstrang in Eingriff, der in der Bohrung 278 aufgenommen ist, während sich der Bohrstrang in der Bohrung 278 drehen und axial bewegen kann. Der Abstreifgummi 288 dreht sich nicht mit dem Bohrstrang, so dass der Gummi 288 Reibungskräften ausgesetzt ist, die mit der Drehbewegung und der vertikalen Bewegung des Bohrstrangs verbunden sind. Das Abstreifelement 286 kann mittels eines Handhabungswerkzeugs, das oberhalb der Grundlochbaugruppe des Bohrstrangs angeordnet werden kann, in den Gehäusekörper 272 hinein und aus dem Gehäusekörper 272 heraus geführt werden.
Rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung
4A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108, die zuvor in 2B veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 einen Gehäusekörper 162 mit Flanschen 164 und 166. Der Flansch 164 ist so konfiguriert, dass er mit dem oberen Ende der Ablenkvorrichtung 106 (in 3A gezeigt) zusammenpasst. Der Gehäusekörper 162 weist eine Bohrung 168 und Taschen 170 auf. Die Taschen 170 sind entlang eines Umfangs des Gehäusekörpers 162 verteilt. In jeder Tasche 170 befindet sich eine zurückziehbare Anschlagschulter 174 und ein Riegel 176. Hydraulische Betätigungsvorrichtungen 177 betätigen die Riegel 176. Obgleich der Riegel 176 als hydraulisch betätigt dargestellt ist, versteht es sich, dass der Riegel 176 auch durch andere Mittel betätigt werden kann. Beispielsweise kann der Riegel 176 radial federbelastet sein. Der Riegel 176 kann des Weiteren einen Mechanismus beinhalten, der ein Eingreifen durch ein ferngesteuertes Fahrzeug (FGF) gestattet, wie beispielsweise einen T-Griff, der mit dem Betätigungselement verbunden ist und der vom FGF-Manipulator ergriffen werden kann.
Eine zurückziehbare Spindel 178 ist in der Bohrung 168 des Gehäusekörpers 162 angeordnet. Die Spindel 178 hat einen oberen Abschnitt 180 und einen unteren Abschnitt 182. Der obere Abschnitt 180 hat Ausnehmungen 181, in welche die Riegel 176 gleiten können, um den oberen Abschnitt 180 im Gehäusekörper 162 zu verriegeln. Eine Dichtung 183 am oberen Abschnitt 180 bildet eine Abdichtung zwischen dem Gehäusekörper 162 und dem oberen Abschnitt 180. Eine Lagerbaugruppe Am oberen Abschnitt 180 ist eine Lagerbaugruppe 184 angebracht. Die Lagerbaugruppe 184 hat Lager, die den unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 lagern, damit er sich im Gehäusekörper 162 drehen kann. Ein Abstreifgummi 185 ist an den unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 vulkanisiert. Der Abstreifgummi 185 dreht sich mit einem (nicht gezeigten) Bohrstrang, der in der Bohrung 168 aufgenommen ist, und nimmt diesen Bohrstrang abdichtend in Eingriff, wobei sich der Bohrstrang vertikal bewegen kann.
Im Betrieb wird die Spindel 178 mittels eines am Bohrstrang befestigten Handhabungswerkzeugs in den Gehäusekörper 162 eingeführt. Wenn die Spindel 178 auf der Schulter 174 aufsetzt, so wird der Bohrstrang gedreht, bis die Riegel 176 mit den Ausnehmungen 181 im oberen Abschnitt 180 der Spindel 178 übereinstimmen. Dann werden die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 177 betätigt, um die Riegel 176 in die Ausnehmungen 181 hineinzudrücken. Der Abstreifgummi 185 dichtet gegen den Bohrstrang ab, wobei der Bohrstrang in das Bohrloch hinabgelassen werden kann. Während des Bohrvorgangs erzeugt die Reibung zwischen dem sich drehenden Bohrstrang und dem Abstreifgummi 185 genügend Kraft, um den unteren Abschnitt 182 der Spindel 178 zu drehen. Während der untere Abschnitt 182 gedreht wird, wirken auf den Abstreifgummi 185 nur die Reibungskräfte ein, die mit der vertikalen Bewegung des Bohrstrangs zusammenhängen. Dadurch verschleißt der Abstreifgummi 185 nicht so schnell. Wenn der Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird, so können die hydraulischen Betätigungsvorrichtungen 177 so betätigt werden, dass die Riegel 176 aus den Ausnehmungen 181 herausgezogen werden, dergestalt, dass das Handhabungswerkzeug am Bohrstrang die Spindel 178 in Eingriff nehmen und aus dem Gehäusekörper 162 herausziehen kann.
4B zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine andere rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung, d. h. eine rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 186, die anstelle der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 verwendet werden kann. Die Unterwasser-Ablenkvorrichtung 186 enthält eine zurückziehbare Spindel 188, die in einem Gehäusekörper 190 angeordnet ist. Die Spindel 188 enthält zwei einander gegenüberliegende Abstreifgummis 192 und 194. Der Abstreifgummi 192 ist so ausgerichtet, dass er eine Abdichtung um einen Bohrstrang herum bewirkt, wenn der Druck über der Spindel 188 größer ist als der Druck unter der Spindel 188. Die Spindel 188 enthält zwei Lagerbaugruppen 196 und 198, welche die Abstreifgummis 192 bzw. 194 so lagern, dass sie sich drehen können.
4C zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine andere rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung, d. h. eine rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710, die anstelle der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 und/oder der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 106 verwendet werden kann. Die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710 enthält einen Kopf 1712 mit einer vertikalen Bohrung 1714 und einen Körper 1716 mit einer vertikalen Bohrung 1718. Der Kopf 1712 und der Körper 1716 werden durch eine radiale Arretierung 1720 und Riegel 1722 zusammengehalten. Die radiale Arretierung 1720 ist in einem ringförmigen Hohlraum 1724 im Körper 1716 angeordnet und ist am Kopf 1712 mittels einer Reihe ineinandergreifender Nuten 1726 befestigt. Die Riegel 1722 sind in Taschen 1730 entlang eines Umfangs des Körpers 1716 verteilt. Wie in 4D gezeigt, enthält jeder Riegel 1722 eine Klemme 1732, die an der radialen Arretierung 1720 mittels einer Schraube 1734 befestigt ist. Ein Stöpsel 1736 und eine Dichtung 1738 verhindern, dass Fluid und Partikel in die Taschen 1730 eindringen können.
Eine zurückziehbare Spindelbaugruppe 1740 ist in den vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 angeordnet. Die Spindelbaugruppe 1740 enthält ein Spindelgehäuse 1742, das mittels einer elastomeren Klemme 1744 an dem Körper 1716 befestigt ist. Die elastomere Klemme 1744 ist in einem ringförmigen Hohlraum 1746 in dem Körper 1716 angeordnet und enthält ein inneres elastomeres Element 1748 und ein äußeres elastomeres Element 1750. Das innere elastomere Element 1748 kann aus einem anderen Material bestehen als das äußere elastomere Element 1750. Das äußere elastomere Element 1750 hat einen ringförmigen Körper 1752 mit Flanschen 1754. Ein Ringhalter 1756 ist zwischen den Flanschen 1754 angeordnet, um das äußere elastomere Element 1750 zu stützen und zusätzlich zu versteifen. Das innere elastomere Element 1748 ist torusförmig und ist in dem äußeren elastomeren Element 1750 angeordnet. Wenn das äußere elastomere Element 1750 durch eine (nicht gezeigte) Öffnung in dem Körper 1716 einem Fluiddruck ausgesetzt wird, so wird das äußere elastomere Element 1750 ausgedehnt und legt eine Kraft an das innere elastomere Element 1748 an, wodurch das innere elastomere Element 1748 so extrudiert wird, dass es das Spindelgehäuse 1742 in Eingriff nimmt und dagegen abdichtet.
Wie in 4E gezeigt, umfasst die Spindelbaugruppe 1740 des Weiteren eine Spindel 1760, die sich durch das Spindelgehäuse 1742 erstreckt. Die Spindel 1760 ist in dem Spindelgehäuse 1742 in Lagern 1762 und 1764 aufgehängt. Das Lager 1762 ist zwischen dem Spindelgehäuse 1742 und der Spindel 1760 mittels einer Lagerkappe 1765 befestigt. Das Spindelgehäuse 1742, die Spindel 1760 und die Lager 1762 und 1764 bilden eine Kammer 1768, die ein Schmierfluid für die Lager enthält. Die Lagerkappe 1765 kann entfernt werden, um Zugang zur Kammer 1768 zu erlangen. Druckverstärker 1766 dienen dazu, den Druck in der Kammer 1768 bedarfsweise dergestalt zu erhöhen, dass der Druck in der Kammer 1768 den Druck über und unter der Spindel 1760 ausgleicht oder übersteigt. Wie in 4C zu sehen, enthält die Spindel 1760 ein oberes Packerelement 1772, ein unteres Packerelement 1774 und einen mittigen Durchgang 1776 zur Aufnahme eines Bohrstrangs, beispielsweise eines Bohrstrangs 1770.
Eine Anschlagschulter 1778 ist in einer Tasche 1780 in dem Körper 1716 angeordnet. Die Anschlagschulter 1778 kann mittels der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 1782 aus der Tasche 1780 heraus- oder in die Tasche 1780 hineingeschoben werden. Wenn die Anschlagschulter 1778 aus der Tasche 1780 herausgeschoben ist, so verhindert sie, dass die Spindelbaugruppe 1740 aus dem Körper 1716 herausfällt. Wie in 4F gezeigt, umfasst die hydraulische Betätigungsvorrichtung 1782 einen Zylinder 1784, der einen Kolben 1786 beherbergt. Der Zylinder 1784 ist in einem Hohlraum 1788 auf der Außenseite des Körpers 1716 angeordnet und wird von einer Kappe 1790 festgehalten. Ein Gewindeanschluss 1792 verbindet eine Seite des Kolbens 1786 mit der Anschlagschulter 1778. Der Kolben 1786 erstreckt sich von der Anschlagschulter 1778 in einen Hohlraum 1794 in der Kappe 1790 hinein. Die Kappe 1790 und der Zylinder 1784 enthalten Öffnungen 1796 und 1798, durch die Fluid in den Hohlraum 1794 bzw. in das Innere des Zylinders 1784 eingeleitet oder von dort abgelassen werden kann. Dynamische Dichtungen 1800 am Kolben 1786 halten Fluid im Zylinder 1784 und im Hohlraum 1794. Zusätzliche statische Dichtungen 1802 zwischen dem Zylinder 1784 und der Kappe 1790 und dem Körper 1716 verhindern, dass Fluid und Partikel in den Zylinder 1784 dringen können.
Die Anschlagschulter 1778 befindet sich in der vollständig herausgeschobenen Position, wenn der Kolben 1786 eine Fläche 1804 im Zylinder 1784 berührt. Die Anschlagschulter 1778 befindet sich in der vollständig zurückgezogenen Position, wenn er eine Fläche 1806 im Körper 1808 berührt. Der Kolben 1786 wird normal in Richtung der Fläche 1804 durch eine Feder 1808 vorgespannt. In dieser Position ist die Anschlagschulter 1778 vollständig herausgeschoben, und die Spindelbaugruppe 1740 sitzt auf der Anschlagschulter 1778. Die Federkraft muss die Kraft überwinden, die infolge des Drucks am unteren Ende der Spindel 1760 wirkt, um den Kolben 1786 in Kontakt mit der Fläche 1804 zu halten. wenn die Federkraft nicht ausreicht, so wird Fluid möglicherweise mit einem Druck in den Hohlraum 1794 geleitet, der höher ist als der Fluiddruck im Zylinder 1784. Der Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 1794 und dem Zylinder 1784 würde die zusätzliche Kraft erzeugen, die notwendig ist, um den Kolben 1786 gegen die Fläche 1804 zu bewegen und die Anschlagschulter 1778 in der vollständig herausgeschobenen Position zu halten.
Wenn es gewünscht ist, die Anschlagschulter 1778 zurückzuziehen, so kann Fluid mit einem Druck in den Zylinder 1784 gedrückt werden, der höher ist als der Fluiddruck im Hohlraum 1794. Der Druckunterschied zwischen dem Zylinder 1784 und dem Hohlraum 1794 bewegt den Kolben 1786 in die zurückgezogene Position. Die Öffnungen 1796 in der Kappe 1790 gestatten das Ablassen von Fluid aus dem Hohlraum 1794, wenn sich der Kolben 1786 in die zurückgezogene Position bewegt. Auch hier wird, um den Kolben 1786 zurück in die herausgeschobene Position zu bewegen, Fluiddruck vom Zylinder 1784 abgelassen, und erforderlichenfalls wird dem Hohlraum 1794 zusätzlicher Fluiddruck zugeführt. Es können Drucksensoren verwendet werden, um den Druck unter der Spindelbaugruppe 1740 und im Hohlraum 1794 und im Zylinder 1784 zu überwachen, um bei der Bestimmung zu helfen, wie ein Druck angelegt werden kann, um die Anschlagschulter 1778 vollständig herauszuschieben oder zurückzuziehen. Es kann ein (nicht gezeigter) Positionsanzeiger hinzugefügt werden, um den Bohranlagenbediener anzuzeigen, dass der Kolben sich in der herausgeschobenen oder in der zurückgezogenen Position befindet.
Ein Verbinder 1810 am Kopf 1712 und der Montageflansch 1812 am unteren Ende des Körpers 1716 ermöglichen das Anschließen der Ablenkvorrichtung 1710 im Bohrlochkopfschacht 37. Bei einer Ausführungsform kann der Montageflansch 1812 am oberen Ende des Durchflussrohres 104 (in 2B gezeigt) angebracht werden, und der Verbinder 1810 kann eine Schnittstelle zwischen dem Schlammhubmodul 40 (in 2B gezeigt) und dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich oder dem Riserrohr 52 (in 1 gezeigt) bereitstellen. Wenn der Montageflansch 1812 am oberen Ende des Durchflussrohres 104 angebracht ist, so steht der Raum 1818 unter dem Packer 1774 in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt).
Die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 haben einen solchen Durchmesser, dass jedes -Werkzeug, das durch das Unterwasser-Riserrohr 52 (in 1 gezeigt) geführt werden kann, auch durch die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 hindurchgeführt werden kann. Die zurückziehbare Anschlagschulter 1778 kann zurückgezogen werden, um das Hindurchführen großer Werkzeuge zu ermöglichen, und kann herausgeschoben werden, um das richtige Positionieren der Spindelbaugruppe 1740 in den Bohrungen 1714 und 1718 zu ermöglichen. Die Spindelbaugruppe 1740 kann entsprechend bemessen sein, damit sie durch das Unterwasser-Riserrohr 52 hindurchgeführt werden kann und in die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 an einem Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 1770, hineingeführt und von dort wieder herausgeholt werden kann. Wie gezeigt, ist ein Handhabungswerkzeug 1771 am Bohrstrang 1770 so konfiguriert, dass es das untere Packerelement 1774 der Spindel 1760 dergestalt in Eingriff nehmen kann, dass die Spindelbaugruppe 1740 in die vertikalen Bohrungen 1714 und 1718 hineingeführt werden kann. Wenn die Spindelbaugruppe 1740 auf der Anschlagschulter 1774 aufsetzt, so wird das innere elastomere Element 1748 so betätigt, dass es die Spindelbaugruppe 1740 in Eingriff nimmt. Sobald die Spindelbaugruppe 1740 in Eingriff genommen ist, kann das Handhabungswerkzeug 1771 von der Spindelbaugruppe 1740 getrennt werden, indem der Bohrstrang 1770 weiter abgesenkt wird. Das Handhabungswerkzeug 1771 nimmt die Spindelbaugruppe 1740 wieder in Eingriff, wenn sie zum unteren Packerelement 1774 gezogen wird, wodurch die Spindelbaugruppe 1740 an die Oberfläche geholt werden kann.
Schlammtank mit Druckausgleich
2C zeigt den Schlammtank 42 mit Druckausgleich, der zuvor in 1 veranschaulicht wurde, in größerer Detailliertheit. Wie gezeigt, enthält der Schlammtank 42 mit Druckausgleich einen allgemein zylindrischen Körper 230 mit einer durch diesen Körper hindurch verlaufenden Bohrung 231. Die Bohrung 231 ist so konfiguriert, dass sie einen Bohrstrang, beispielsweise einen Bohrstrang 60, eine Grundlochbaugruppe und weitere Bohrwerkzeuge aufnehmen kann. In dem Körper 230 ist eine ringförmige Kammer 235, die einen ringförmigen Kolben 236 beherbergt, ausgebildet. Der ringförmige Kolben nimmt die Innenwände 238 und 240 des Körpers 230 in Eingriff und dichtet gegen sie ab, dergestalt, dass in dem Schlammtank 42 eine Meerwasserkammer 242 und eine Schlammkammer 244 gebildet werden. Die Meerwasserkammer 242 ist über die Öffnung 246 mit dem offenen Meerwasser verbunden. Dadurch kann in der Meerwasserkammer 242 jederzeit der Meerwasser-Umgebungsdruck aufrechterhalten werden. Es kann stattdessen aber auch eine (nicht gezeigte) Pumpe an der Öffnung 246 angeordnet sein, um den Druck in der Meerwasserkammer 242 auf, über oder unter dem Meerwasser-Umgebungsdruck zu halten. Die Schlammkammer 244 ist über eine Öffnung 248 mit den Rohren verbunden, welche den Bohrloch-Ringraum 66 mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 verbinden.
Der Kolben 236 bewegt sich axial in der ringförmigen Kammer 235 hin und her, wenn ein Druckunterschied zwischen der Meerwasserkammer 242 und der Schlammkammer 244 besteht. Ein (nicht gezeigter) Strömungsmesser an der Öffnung 246 misst die Rate, mit der Meerwasser in die Meerwasserkammer 242 eintritt oder die Meerwasserkammer 242 verlässt, wenn sich der Kolben 236 in der Kammer 235 hin und her bewegt. Strömungsmesswerte von dem Strömungsmesser liefern die nötigen Informationen, um Schlammniveauänderungen im Schlammtank 42 festzustellen. Es kann auch ein (nicht gezeigter) Positionsanzeiger vorhanden sein, um die Position des Kolbens 236 in der ringförmigen Kammer 235 zu verfolgen. Die Position des Kolbens 236 kann dann dazu verwendet werden, das Schlammvolumen im Schlammtank 42 zu errechnen.
In dem Körper 230 ist eine Abstreifvorrichtung 232 installiert. Die Abstreifvorrichtung 232 enthält eine Abstreifaufnahme 233, die ein Abstreifelement 234 (in 5 gezeigt) beherbergt. Wie in 5 gezeigt, enthält das Abstreifelement 234 eine Kartusche 256, die aus einem Stapel aus mehreren elastomeren Scheiben 258 besteht. Die elastomeren Scheiben 258 sind so konfiguriert, dass sie einen Bohrstrang, beispielsweise Bohrstrang 60, aufnehmen und diesen Bohrstrang mit geringem Druck umschließen. Die elastomeren Scheiben 258 streifen außerdem Schlamm vom Bohrstrang ab, wenn der Bohrstrang durch das Abstreifelement 234 hindurchgezogen wird. Die Anordnung der elastomeren Scheiben 258 bildet eine stufenweise Abdichtung, die es ermöglicht, dass jede einzelne Scheibe nur einen Bruchteil des Gesamtdruckunterschieds am Abstreifelement 234 enthält. Das Abstreifelement 234 wird mit einem (nicht gezeigten) Handhabungswerkzeug, das am Bohrstrang 60 angebracht ist, in die Abstreifaufnahme 233 hineingeführt und aus der Abstreifaufnahme 233 herausgeführt.
In 2C ist gezeigt, wie ein Riserrohrverbinder 260 an der Abstreifaufnahme 233 angebracht ist. Der Riserrohrverbinder 260 passt mit einem Riserrohrverbinder 262 am unteren Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 zusammen. Am unteren Ende des Körpers 230 ist ebenfalls ein Riserrohrverbinder 115 vorhanden. Der Riserrohrverbinder 115 ist so konfiguriert, dass er mit dem Riserrohrverbinder 112 (in 2B gezeigt) im Schlammhubmodul 40 zusammenpasst. Durchflussöffnungen im Riserrohrverbinder 115 sind über die Rohre 122 und 124 und Durchflussöffnungen in den Riserrohrverbindern 260 und 262 mit den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 verbunden. Wenn der Riserrohrverbinder 115 mit dem Riserrohrverbinder 112 zusammengefügt ist, so stehen die Rohre 122 und 124 in strömungsmäßiger Verbindung mit den Rohren 118 und 120.
Wenden wir uns den 2A bis 2C zu. Wenn das Schlammhubmodul 40, der Schlammtank 42 mit Druckausgleich und das Riserrohr 52 an der Bohrlochkontrollvorrichtung 38 angebracht sind, so gestattet das flexible Verbindungsstück 94 eine winklige Bewegung dieser Vorrichtungen, wenn sich das Bohrschiff (in 1 gezeigt) seitlich bewegt. Die winklige Bewegung bzw. das Schwenken des Schlammhubmoduls 40 kann vermieden werden, indem man das flexible Verbindungsstück 94 vom UURP 44 entfernt und es zwischen dem Schlammhubmodul 40 und dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich oder zwischen dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich und dem Riserrohr 52 anordnet. Wenn das flexible Verbindungsstück 94 vom UURP 44 entfernt wird, so kann das Schlammhubmodul 40 dann am UURP 44 angebracht werden, indem man das Durchflussrohr 104 mit dem oberen Ende des Ring-Ausblasverhinderers 92 verbindet.
Die Höhe des Bohrlochkopfschachtes 37 (in 1 veranschaulicht) kann verringert werden, indem man den Schlammtank 42 mit Druckausgleich durch kleinere Schlammtanks mit Druckausgleich ersetzt, die im Schlammhubmodul 40 angeordnet sein können. Bei dieser Ausführungsform würde dann der Verbinder 262 am unteren Ende des Riserrohres 52 mit dem Verbinder 112 an der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 108 zusammenpassen. Anstatt den Verbinder 262 direkt mit dem Verbinder 112 zu verbinden, kann ein flexibles Verbindungsstück, ähnlich dem flexiblen Verbindungsstück 94, zwischen den Verbindern 112 und 262 angeordnet werden. Wie in 6 gezeigt, enthält ein kleinerer Schlammtank 234 mit Druckausgleich eine Meerwasserkammer 265, die von einer Schlammkammer 266 durch eine schwimmende, ausdehnbare elastomere Kugel 267 getrennt ist. Es kann selbstverständlich auch jedes andere trennende Medium, wie beispielsweise ein schwimmender Kolben, verwendet werden, um die Meerwasserkammer 265 von der Schlammkammer 266 zu trennen.
Meerwasser kann durch eine Öffnung 268 in die Meerwasserkammer 265 eintreten oder die Meerwasserkammer 265 verlassen. An die Öffnung 268 können eine oder mehrere (nicht gezeigte) Pumpen angeschlossen sein, um den Druck in der Kammer 265 auf, über oder unter dem Meerwasser-Umgebungsdruck zu halten. Ein (nicht gezeigter) Strömungsmesser kann an der Öffnung 268 angeschlossen sein, um die Rate zu messen, mit der Meerwasser in die Meerwasserkammer 265 eintritt oder die Meerwasserkammer 242 verlässt. Schlamm kann durch eine Öffnung 269 in die Schlammkammer 266 gelangen oder die Schlammkammer 266 verlassen. Die Öffnung 269 könnte mit den Rohren, die den Bohrloch-Ringraum mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 (in 2B gezeigt) verbinden, oder mit dem Strömungsauslass 125 im Durchflussrohr 104 (in 2B gezeigt) verbunden sein. Es kann auch ein (nicht gezeigter) Positionsanzeiger vorhanden sein, um die Position des trennenden Mediums zu überwachen, wie oben im Zusammenhang mit dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich erläutert.
Die Höhe des Bohrlochkopfschachtes 37 (in 1 veranschaulicht) kann auch verringert werden, indem man den Schlammtank 42 mit Druckausgleich weglässt und das Riserrohr 52 dazu verwendet, die Funktion des Schlammtanks mit Druckausgleich zu übernehmen. Wie in 7 gezeigt, kann, wenn der Schlammtank 42 mit Druckausgleich weggelassen wird, eine Unterwasser-Ablenkvorrichtung, beispielsweise die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710, die zuvor in 4C veranschaulicht wurde, die Schnittstelle zwischen dem Schlammhubmodul 40 und dem Riserrohr 52 bilden. Bei dieser Ausführungsform passt der Verbinder 1810 am oberen Ende der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1710 mit dem Verbinder 262 zusammen, und der Montageflansch 1812 passt mit dem oberen Ende des Durchflussrohres 104 zusammen. Der Auslass 1816 im Verbinder 1810 ist mit einer Öffnung 1820 im Durchflussrohr 104 durch Rohre 1822 verbunden, dergestalt, dass Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 in das Riserrohr 52 fließen kann. Weil der Schlamm im Bohrloch-Ringraum 66 schwerer ist als das Meerwasser im Riserrohr 52, bleibt der Schlamm 1821 aus dem Bohrloch-Ringraum 66 am Boden des Riserrohres 52, während das Meerwasser 1823 obenauf schwimmt. Dadurch kann der Boden des Riserrohres 52 als Kammer zur Aufnahme von Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 dienen. Schlamm kann aus dem Riserrohr 52 nach Bedarf in den Bohrloch-Ringraum 66 abgelassen werden. Ein Umgehungsventil 1824 in den Rohren 1822 kann so betätigt werden, dass es die strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Bohrloch-Ringraum 66 und dem Riserrohr 52 steuert.
Bei einer anderen Ausführungsform kann, wie in 7B gezeigt, eine schwimmende Sperre 1825, die eine Bohrung zur Aufnahme eines Bohrstrangs, beispielsweise eines Bohrstrangs 60, aufweist, im Riserrohr 52 angeordnet sein, um das Meerwasser im Riserrohr vom Bohrschlamm zu trennen. Die schwimmende Sperre 1825 kann eine höhere Dichte haben als das Meerwasser, aber eine geringere Dichte als der Bohrschlamm, so dass sie auf dem Bohrschlamm schwimmt und dadurch den Bohrschlamm 1821 vom Meerwasser 1823 trennt. Auf diese Weise wird die Vermischung, die durch die Drehung des Bohrstrangs im Riserrohr bewirkt wird, minimiert werden. Zwischen der schwimmenden Sperre 1825 und dem Riserrohr 52 können Mittel, beispielsweise federbelastete Rippen, vorgesehen sein, um die Drehung der schwimmenden Sperre in dem Riserrohr zu mindern. Wenn die schwimmende Sperre 1825 in dem Riserrohr 52 angeordnet wird, wie dargestellt, so braucht das Schlammhubmodul keine Ablenkvorrichtung 1710 (in 7A gezeigt) zu enthalten. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die schwimmende Sperre 1825 in der in 7A gezeigten Ausführungsform zu verwenden, weil die Fluide im Riserrohr ebenfalls vermischt werden, wenn der Bohrstrang gedreht wird.
Wenden wir uns den 1 bis 5 zu. Die Vorbereitung auf das Bohren beginnt mit der Positionierung des Bohrschiffes 12 am Bohrort, wobei unter anderem Signalfeuer oder andere Bezugspunkte auf dem Meeresboden 17 gesetzt werden können. Möglicherweise müssen ferngesteuerte Fahrzeuge, Unterwasserkameras oder sonstige Vorrichtungen eingesetzt werden, um Bohrtechnik auf den Meeresboden 17 zu führen. Die Verwendung von Führungsseilen zum Führen der Bohrausrüstung auf den Meeresboden kommt bei zu großer Wassertiefe möglicherweise nicht in Frage. Nachdem das Bohrschiff 12 positioniert ist, beginnt der Bohrvorgang normalerweise mit dem Absenken der Führungskonstruktion 36, des Führungsgehäuses 33 und des Führungsrohres 32 an einem Absenkwerkzeug, das über einer Grundlochbaugruppe befestigt ist. Die Grundlochbaugruppe, die eine Bohrkrone und weitere ausgewählte Komponenten enthält, um entlang eines projektierten Bohrpfades zu bohren, ist an einem Bohrstrang befestigt, der von der Bohranlage 20 getragen wird. Die Grundlochbaugruppe wird auf den Meeresboden herabgelassen, und das Führungsrohr 32 wird mit Strahldüsen an seine Stelle auf dem Meeresboden bewegt.
Nachdem das Führungsrohr 32 mit Strahldüsen an seine Stelle bewegt wurde, wird die Grundlochbaugruppe entriegelt, um ein Loch für das Oberflächenrohr 36 zu bohren. Das Bohren des Lochs beginnt damit, dass die Bohrkrone mittels eines Drehtisches oder eines Oberantriebs gedreht wird. Es kann auch ein über der Bohrkrone angeordneter Schlammmotor verwendet werden, um die Bohrkrone zu drehen. Während die Bohrkrone gedreht wird, wird Fluid in der Bohrung des Bohrstrangs entlang gepumpt. Das Fluid im Bohrstrang verlässt als Strahl die Düsen in der Bohrkrone und spült dabei Bohrgut von der Bohrkrone weg. In dieser ersten Bohrphase kann das Fluid, das in die Bohrung des Bohrstrangs gepumpt wird, Meerwasser sein. Nachdem das Loch für das Oberflächenrohr 36 gebohrt ist, werden der Bohrstrang und die Grundlochbaugruppe heraufgezogen. Dann wird das Rohr 36 in das Loch eingeführt und einzementiert. Am oberen Ende des Oberflächenrohres 36 ist der Unterwasserbohrlochkopf 35 angebracht. Der Unterwasserbohrlochkopf 35 wird in dem Führungsgehäuse 33 an seinem Platz verriegelt.
Die Schlammhubbohrarbeiten beginnen damit, dass der Bohrlochkopfschacht 37 durch die Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden zum Meeresboden abgesenkt wird. Das erfolgt dergestalt, dass das untere Ende des Unterwasser-Riserrohres 52 mit dem oberen Ende des Schlammtanks 42 an der Oberseite des Bohrlochkopfschachtes 37 verriegelt wird. Dann wird das Unterwasser-Riserrohr 52 zum Meeresboden abgelassen, bis der Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht 46 am Boden des Bohrlochkopfschachtes 37 auf dem Bohrlochkopf 35 aufsetzt und dort verriegelt wird. Die Meerwasserkammer 242 und der Schlammtank 42 füllen sich mit Meerwasser, während der Bohrlochkopfschacht 37 abgesenkt wird. Die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 sind mit den Durchflussöffnungen in der Ölaufnahmeöffnung 22 im Schiffsboden verbunden, nachdem der Bohrlochkopfschacht 37 auf dem Unterwasserbohrlochkopf 35 befestigt ist.
Der Bohrstrang 60 mit der Spindel 178 wird durch das Riserrohr 52 in den Gehäusekörper 162 der Abstreifvorrichtung 108 abgesenkt. Wenn die Spindel 178 auf der zurückziehbaren Anschlagschulter 174 in dem Gehäusekörper 162 aufsetzt, so wird der Bohrstrang gedreht, damit die Riegel in dem Gehäusekörper in die Ausnehmungen in der Spindel 178 eingreifen können. Dann wird der Bohrstrang durch die Ablenkvorrichtung 106, das Durchflussrohr 104 und die Bohrlochkontrollvorrichtung 38 hindurch auf den Grund des Bohrlochs abgesenkt. Wenn die Bohrkrone 64 den Grund des Bohrlochs 30 berührt, so wird die Oberflächenpumpe angeworfen, und Schlamm wird vom Bohrschiff 12 aus in der Bohrung des Bohrstrangs 60 entlang gepumpt. Der Bohrstrang 60 wird von der Oberfläche aus durch einen Drehtisch oder einen Oberantrieb gedreht. Es kann auch ein über der Bohrkrone angeordneter Schlammmotor verwendet werden, um die Bohrkrone zu drehen. Während der Bohrstrang 60 oder die Bohrkrone 64 gedreht wird, schneidet sich die Bohrkrone 64 in die Formation.
Der Schlamm, der in die Bohrung des Bohrstrangs 60 hineingepumpt wird, wird durch die Düsen der Bohrkrone 64 hindurch in den Grund des Bohrlochs hinein gedrängt. Der Schlamm, der sich als Strahl von der Krone 64 fort bewegt, steigt wieder nach oben durch den Bohrloch-Ringraum 66 zur Abstreifvorrichtung 108, wo er zu den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 und zur Öffnung 248 der Schlammkammer 244 des Schlammtanks 42 abgelenkt wird. Die Pumpen 102 lassen den Schlamm an die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 ab. Die Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 transportieren den Schlamm zum Schlammrücklaufsystem auf dem Bohrschiff 12. Der Schlammtank 42 mit Druckausgleich ist offen, um Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 66 aufzunehmen, wenn der Schlammdruck am Einlass der Schlammkammer 244 höher ist als der Meerwasserdruck in der Meerwasserkammer 242. Der Riserrohr-Ringraum wird mit Meerwasser gefüllt, dergestalt, dass der Druck der Fluidsäule im Riserrohr in jeder Tiefe dem Druck des Meerwassers entspricht. Natürlich kann auch jedes andere leichte Fluid zum Füllen des Riserrohr-Ringraums verwendet werden.
Unterwasser-Schlammpumpe
8 zeigt die Komponenten der Unterwasser-Schlammpumpe 102, die zuvor in 2B veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält die Unterwasser-Schlammpumpe 102 eine Mehrelementpumpe 350, eine Hydraulikvorrichtung 352 und einen Elektromotor 354. Der Elektromotor 354 treibt die Hydraulikvorrichtung 352 an, die der Mehrelementpumpe 350 druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid zuführt. Die Mehrelementpumpe 350 enthält Membranpumpenelemente 355. Es können aber auch andere Arten von Pumpenelementen, wie weiter unten beschrieben, anstelle der Membranpumpenelemente 355 verwendet werden.
Membranpumpenelement
9A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch das Membranpumpenelement 355, das zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält das Membranpumpenelement 355 ein kugelförmiges Druckgefäß 356 mit Endkappen 358 und 360. Eine elastomere Membran 362 ist im unteren Abschnitt des Druckgefäßes 356 angeordnet. Die elastomere Membran 362 isoliert eine Hydraulikarbeitskammer 370 von einer Schlammkammer 372 und verdrängt Fluid im Inneren des Gefäßes 356 in Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen der Hydraulikarbeitskammer 370 und der Schlammkammer 372. Die elastomere Membran 362 schützt außerdem das Gefäß 356 vor dem abrasiven und korrosiven Schlamm, der in der Schlammkammer 372 aufgenommen werden kann.
Die Endkappe 358 enthält eine Öffnung 374, durch die Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 370 hineingeleitet oder aus der Hydraulikarbeitskammer 370 herausgeleitet werden kann. Die Endkappe 360 enthält eine Öffnung 376, durch die Fluid in die Schlammkammer 372 hineingeleitet oder aus der Schlammkammer 372 herausgeleitet werden kann. Die Endkappe 360 besteht vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Material, um die Öffnung 376 vor dem abrasiven Schlamm zu schützen, der in die Schlammkammer 372 hineingelangt oder sie verlässt. Die Endkappe 360 ist mit einem Ventilverteiler 378 verbunden, der Ansaug- und Auslassventile zum Steuern des Schlammflusses in die und aus der Schlammkammer 372 enthält. Der Ventilverteiler 378 hat eine Einlassöffnung 380 und eine Auslassöffnung 382. Die Öffnungen 380 und 382 können selektiv mit der Öffnung 376 in der Endkappe 360 verbunden werden. Wie in 8 gezeigt, sind die Einlassöffnungen 380 mit: einem Kanal 384 verknüpft, der mit dem Strömungsauslass 125 in dem Durchflussrohr (in 2B gezeigt) verbunden sein kann. Obgleich nicht gezeigt, sind die Auslassöffnungen 382 ebenfalls mit einem Kanal verknüpft, der mit den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 verbunden sein kann.
Kolbenpumpenelement
9B zeigt ein Kolbenpumpenelement 390, das anstelle des Membranpumpenelements 355 verwendet werden kann, das zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält das Kolbenpumpenelement 390 ein zylindrisches Druckgefäß 392 mit einem oberen Ende 394 und einem unteren Ende 396. Ein Kolben 398 ist in dem Gefäß 392 angeordnet. Dichtungen 400 bilden eine Abdichtung zwischen dem Kolben 398 und dem Druckgefäß 392. Der Kolben 398 definiert eine Hydraulikarbeitskammer 402 und eine Schlammkammer 404 in dem Druckgefäß 392 und bewegt sich axial in dem Gefäß 392 in Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen den Kammern 402 und 404. Der Kolben 398 und das Druckgefäß 392 bestehen vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigem Material. Hydraulikfluid kann über eine Öffnung 406 am Ende 394 des Gefäßes 392 in die Hydraulikarbeitskammer 402 eingeleitet oder aus der Hydraulikarbeitskammer 402 abgelassen werden. Schlamm kann über eine Öffnung 408 am Ende 396 des Gefäßes 392 in die Schlammkammer 404 eingeleitet oder aus der Schlammkammer 404 abgelassen werden. Ein Ventilverteiler 410 ist am Ende 396 des Gefäßes 392 angeschlossen. Der Ventilverteiler 410 enthält Ansaug- und Auslassventile zum Steuern des Schlammflusses in die und aus der Schlammkammer 404. Der Ventilverteiler 410 hat eine Einlassöffnung 412 und eine Auslassöffnung 414, die selektiv mit der Öffnung 408 in strömungsmäßiger Verbindung stehen.
Membranpumpenelement mit Membranpositionsanzeiger
9C zeigt das Membranpumpenelement 355, das zuvor in 9A veranschaulicht wurde, mit einem Membranpositionsanzeiger, beispielsweise einem Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011. Der Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 enthält eine Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012, die in einem Gehäuse 2013 am oberen Ende des Membranpumpenelements 355 angeordnet ist. Eine Ringmagnetbaugruppe 2014 ist in einem Abstand um die Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 herum angeordnet. Die Magnetbaugruppe 2014 ist an einem Ende eines Magnetträgers 2015 befestigt. Das andere Ende des Magnetträgers 2015 ist mit der Mitte der elastomeren Membran 362 verbunden. Der Magnetträger 2015 ist so konfiguriert, dass er sich an der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 entlang bewegen kann, wenn sich die elastomere Membran 362 in dem Kugelgefäß 356 bewegt. In der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 befindet sich ein (nicht gezeigter) Leiterdraht. Der Leiterdraht und die Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 sind mit einem Wandler 2016 verbunden, der sich außerhalb des Gehäuses 2013 befindet. Der Wandler 2016 enthält Mittel zum Anlegen eines Abfragestromimpulses an den Leiterdraht in der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012.
Die Hydraulikarbeitskammer 370 steht mit dem Inneren des Gehäuses 2013 in strömungsmäßiger Verbindung. Eine Öffnung 2017 in dem Gehäuse ermöglicht es, Hydraulikfluid zu der Hydraulikarbeitskammer 370 zu leiten und von dort abzuziehen. Wenn während des Betriebes Hydraulikfluid abwechselnd zu der Hydraulikarbeitskammer 370 geleitet und von dort abgezogen wird, bewegt sich die Mitte der elastomeren Membran 360 vertikal in dem Druckgefäß 356. Wenn sich die Mitte der elastomeren Membran 360 bewegt, so bewegt sich auch die Magnetbaugruppe 2014 um die gleiche Distanz an der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 entlang. Die Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 hat einen Bereich in der Magnetbaugruppe 2014, der magnetisiert wird, wenn die Magnetbaugruppe an der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre entlang verschoben wird. Der Leiterdraht in der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 empfängt periodisch einen Abfragestromimpuls von dem Wandler 2016. Dieser Abfragestromimpuls erzeugt ein toroidales Magnetfeld um den Leiterdraht und in der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012. Wenn das toroidale Magnetfeld auf den magnetisierten Bereich der Magnetostriktions-Wellenleiterröhre 2012 trifft, so entsteht in der Wellenleiterröhre 2012 ein schraubenförmiges Schallrücklaufsignal. Der Wandler 2016 erfasst das schraubenförmige Rücklaufsignal und erzeugt ein elektrisches Signal für ein (nicht gezeigtes) Messgerät oder eine sonstige Anzeigevorrichtung, um die Position der Magnetbaugruppe 2014 und damit die Position der elastomeren Membran 362 anzuzeigen.
Der hier beschriebene Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 ähnelt dem Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011, der in den US-Patenten 5,407,172 und 5,320,325 an Kenneth Young et al., übertragen auf Hydril Company, offenbart ist. Der Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 erlaubt es, die absolute Position der elastomeren Membran 362 in dem Druckgefäß 356 zu messen. Diese Messungen der absoluten Position können verlässlich zu den Volumen in der Hydraulikarbeitskammer 370 und der Schlammkammer 372 in Beziehung gesetzt werden. Diese Volumeninformationen können dazu verwendet werden, den (nicht gezeigten) Pumpenhydraulikantrieb und die (nicht gezeigten) aktivierten Pumpenansaug- und -auslassventile effizient zu steuern. Es versteht sich, dass außer dem Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler noch andere Mittel verwendet werden können, die absolute Position der elastomeren Membran 362 in dem sphärischen Gefäß 356 zu messen, beispielsweise der lineare variable Differentialtransformator und die Ultraschallmessung. Es versteht sich des Weiteren, dass das Membranpumpenelement 355 in verschiedenen Anwendungen als Pulsationsdämpfer verwendet werden kann, sofern die Hydraulikarbeitskammer 370 mit einem komprimierbaren Fluid, wie beispielsweise Stickstoffgas, anstatt mit einem Hydraulikfluid gefüllt ist. Bei einer Anwendung als Pulsationsdämpfer kann ein Mittel zum Messen der absoluten Position der elastomeren Membran 362 in dem sphärischen Druckgefäß 356 wichtige Informationen über Pulsationen und Druckspitzen in Hydrauliksystemen liefern. Der Linearverschiebungs-Magnetostriktionswandler 2011 kann auch mit dem Kolbenpumpenelement 390 (in 9B gezeigt) verwendet werden, um die Position des Kolbens 398 zu verfolgen, wenn sich der Kolben in dem Druckgefäß 392 bewegt.
Hydraulikantriebskreise für die Unterwasser-Schlammpumpen
10A zeigt ein Offenkreis-Schaubild für den Hydraulikantrieb 352 (in 8 gezeigt). Wie gezeigt, enthält der Offenkreis-Hydraulikantrieb eine Verstellpumpe 420 mit Druckausgleich und eine Hilfspumpe 490. Die Pumpen 420 und 490 werden in einem Hydraulikfluidreservoir 424 mit Druckausgleich versenkt. Die Pumpen 420 und 490 können stattdessen aber auch außerhalb des Reservoirs 424 angeordnet sein. Das Hydraulikfluid in dem Reservoir 424 kann Öl oder ein anderes geeignetes fluides Kraftübertragungsmedium sein. Die Pumpe 420 wird von einem Elektromotor 432 angetrieben, der vom Bohrschiff aus mit Strom versorgt wird. Der Elektromotor 432 stellt den Elektromotor 354 dar, der zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Die Pumpe 490 ist mit der Pumpe 420 gekoppelt und wird von dem Elektromotor 432 angetrieben. Die Pumpe 490 kann auch durch eine andere Quelle angetrieben werden, wie beispielsweise durch einen pumpeneigenen Elektromotor.
Die Pumpe 420 zieht Hydraulikfluid aus dem Reservoir 424 ab und gibt druckbeaufschlagtes Fluid an die Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b der Pumpenelemente 2020 und 2022 über die Ventile 426b bzw. 428b ab. Die Stellungen der Ventile 426b und 428b werden durch die Steuerlogik im Steuerungsmodul 2034 bestimmt. Die Pumpe 490 zieht Fluid aus dem Reservoir 424 ab und pumpt das Fluid durch die (nicht gezeigten) Lager in der Pumpe 420. Am Reservoir 424 ist ein Volumenausgleichsbehälter 425 angebracht, um Volumenschwankungen im Reservoir auszugleichen, zu denen es kommt, wenn die Rate, mit der Fluid aus dem Reservoir 424 abgepumpt wird, sich von der Rate unterscheidet, mit der Fluid zum Reservoir über die Ventile 426a und 428a zurückkehrt. Die Stellungen der Ventile 426a und 428a werden ebenfalls durch die Steuerlogik im Steuerungsmodul 2034 bestimmt. Die Ventile 426a, 426b, 428a und 428b sind Zweiweg-Zweistellungs-Federrückhol-Magnetventile. Es können aber auch andere Richtungssteuerventile verwendet werden, um den Hydraulikfluss in die Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b hinein und aus den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b heraus zu steuern.
Jedes der Pumpenelemente 2020 und 2022 hat Positionsanzeiger 2026, die Signale zum Steuerungsmodul 2034 senden. Die Anzeiger 2026 messen das Schlammvolumen in den Schlammkammern 2020a und 2022a. Die Schlammkammern 2020a und 2022a der Pumpenelemente 2020 bzw. 2022 sind über Ansaugventile 1890a an die Leitung 456 und über Auslassventile 1890b an die Leitung 458 angeschlossen. Die Ventile 1890a und 1890b sind Rückschlagventile, die es ermöglichen, dass Schlamm von der Leitung 456 in die Schlammkammern 2020a und 2022a bzw. von den Schlammkammern in die Leitung 458 fließt. Obgleich einzelne Ventile 1890a und 1890b gezeigt sind, versteht es sich, dass anstelle dieser Ventile auch ein Dreiwegventil verwendet werden kann, das eine wechselweise Verbindung der Schlammkammern 2020a und 2022a mit den Leitungen 456 oder 458 gestatten würde. Im Betrieb kann die Leitung 456 hydraulisch mit dem Strömungsauslass 125 im Durchflussrohr 104 des Schlammhubmoduls 40 (in 2B gezeigt) verbunden sein, und die Leitung 458 kann hydraulisch mit den Schlammrücklaufleitungen 56 und 58 (in 1 gezeigt) verbunden sein.
In dem Kreis von 10A wird die Hydraulikarbeitskammer 2022b mit Hydraulikfluid befüllt, während die Schlammkammer 2022a Schlamm abgibt. Des Weiteren wird die Schlammkammer 2020a mit Schlamm befüllt, während die Hydraulikarbeitskammer 2020b Hydraulikfluid abgibt. Die zeitliche Abfolge des Befüllens einer Arbeitskammer mit Hydraulikfluid, während Hydraulikfluid aus der anderen Arbeitskammer abgegeben wird, der des Ablassens von Schlamm aus einer Schlammkammer, während die andere Schlammkammer mit Schlamm gefüllt wird, wird so gesteuert, dass der Schamm-Gesamtstrom von den Pumpenelementen 2020 und 2022 relativ pulsationsfrei ist. Die Pumpenelemente 2020 und 2022 sind als Membranpumpenelemente, d. h. Membranpumpenelemente 355, dargestellt, aber die Pumpenelemente 2020 und 2022 können auch von einem anderen Pumpenelement-Typ sein, beispielsweise ein Kolbenpumpenelement 390. Den Pumpenelementen 2020 und 2022 können auch ein oder mehrere Pumpenelemente hinzugefügt werden, um die Pumpleistung der Unterwasser-Schlammpumpe zu ändern.
10B ist eine Darstellung der Zeit-Positions-Beziehung zwischen den Schlammkammern 2020a und 2022a während des Pumpbetriebes. Am Anfang des Diagramms nimmt das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2022a ab, während das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2020a zunimmt. Die Strömungsrate in die Schlammkammer 2020a hinein ist größer als die Strömungsrate aus der Schlammkammer 2022a heraus. Schlamm fließt in die Schlammkammer 2020a infolge des positiven Druckunterschieds, der zwischen dem Schlamm in der Leitung 456 und dem Hydraulikfluid im Reservoir 424 aufrechterhalten wird.
Dieser positive Druckunterschied, der nötig ist, um die Schlammkammer 2020a zu füllen, kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Wenn das Pumpsystem unter Wasser verwendet wird, so ist die Ansaugseite der Pumpe mit dem Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt) über die Öffnung 125 im Durchflussrohr 104 (in 2B gezeigt) verbunden. Der Druck des Schlamms im Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt) variiert je nach der Rate, mit der Schlamm von den (nicht gezeigten) Oberflächen-Schlammpumpen an der Bohranlage 20 durch den Bohrstrang 60 in den Bohrloch-Ringraum 66 gepumpt wird, und der Rate, mit der die Unterwasserpumpen den Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum abtransportieren. Ein Drucksensor 2028 misst den Druckunterschied zwischen dem Schlamm im Bohrloch-Ringraum und dem Meerwasser, welches das Reservoir 424 umgibt. Das Ausgangssignal des Drucksensors 2028 wird zum Steuerungsmodul 2034 übertragen, das seinerseits ein Ratensteuerungssignal zur Verstellpumpe 420 (in 10A gezeigt) sendet. Der Druck im Bohrloch-Ringraum kann daher durch das Steuerungsmodul 2034 dergestalt erhöht oder gesenkt werden, dass er über dem Meerwasser-Umgebungsdruck gehalten wird. Dieser Steuerungsmodus gewährleistet, dass die Rate, mit der die Schlammkammer 2020a gefüllt wird (durch das Segment KJ angedeutet), die Strömungsrate des aus der Schlammkammer 2022a abfließenden Schlamms (durch das Segment LA angedeutet) übersteigt.
Die Steuerungslogik im Steuerungsmodul 2034 (in 10A gezeigt) erzeugt den in 10B gezeigten Pumpzyklus. Wie oben besprochen, ist der Schlammbefüllungszyklus der Schlammkammer 2020a beendet, wenn das Volumen in der Schlammkammer 2020a den Punkt J erreicht. An diesem Punkt schaltet das Steuerungsmodul 2034 die Stellung des Ventils 426a dergestalt um, dass kein Hydraulikfluid mehr aus der Hydraulikarbeitskammer 2020b ausfließt und somit kein Schlamm mehr in die Schlammkammer 2020a hineinfließt. Der Zustand der Hydraulikarbeitskammer 2020b wird beibehalten, bis der Schlamm, der aus der Schlammkammer 2022a abgelassen wird, den Punkt A erreicht. In diesem Moment wird das Ventil 426b in eine Durchlassstellung geschaltet, bei der Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 2020b einströmen kann, um Schlamm aus der Kammer 2020a in demselben Moment zu verdrängen, da Schlamm aus der Schlammkammer 2022a verdrängt wird. Der Hydraulikfluss von der Verstellpumpe 420 bleibt konstant, doch er wird zwischen den beiden Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b aufgeteilt. Die Gesamtmenge des Schlamms, die in die Leitung 458 hineinströmt, bleibt konstant.
Wenn das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2022a den Punkt C erreicht, so wird das Hydraulikbefüllungsventil 428b durch das Steuerungsmodul 2034 in eine Sperrstellung geschaltet, wodurch der Schlammfluss aus der Schlammkammer 2022a gestoppt wird. Nach einer Zeitverzögerung, die durch das Segment CE dargestellt wird, schaltet das Steuerungsmodul 2034 Hydraulikauslassventil 428a in die Durchlassstellung, wodurch Hydraulikfluid aus der Hydraulikarbeitskammer 2020b in das Reservoir 424 verdrängt werden kann, während Schlamm die Schlammkammer 2022a füllt. Die Rate, mit der Schlamm die Schlammkammer 2022a füllt, ist höher als die Rate, mit der die Pumpe 420 der Hydraulikfluidkammer 2020b Hydraulikfluid zuführt, und damit höher als die Rate, mit der Schlamm aus der Schlammkammer 2020a ausfließt. Der Befüllungszyklus für die Schlammkammer 2022a, der durch das Liniensegment EF dargestellt wird, hält an, wenn das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2022a den Punkt F erreicht. An diesem Punkt schaltet das Steuerungsmodul 2034 das Ventil 428a in eine Sperrstellung, wodurch der Hydraulikfluidfluss von der Hydraulikfluidkammer 2022b zum Reservoir 424 gestoppt wird.
Der "Voll"-Zustand der Schlammkammer 2022a wird beibehalten, bis der an dem Pumpenelement 2020 angebrachte Positionsanzeiger 2026 anzeigt, dass das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2020a den "Leer"-Punkt G erreicht hat. Das Steuerungsmodul 2034 betätigt dann das Ventil 428a dergestalt, dass Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 2022b fließen kann, um den Schlamm in der Schlammkammer 2022a in die Leitung 458 hinein zu verdrängen. Auch hier wird der Fluss von der Pumpe 420 zwischen den Hydraulikfluidkammern 2022b und 2020b aufgeteilt, bis das Volumen in der Schlammkammer 2020a den Punkt I erreicht. Die Aufteilung des Flusses wird durch die beiden Segmente HM und GI in 10B angezeigt. Wenn das Volumen in der Schlammkammer 2020a den Punkt I erreicht, so signalisiert das Steuerungsmodul 2034 dem Ventil 426a, in eine Sperrstellung umzuschalten, wodurch der Schlammstrom aus der Schlammkammer 2020a gestoppt wird. Die volle Leistung der Pumpe 420 wird dann dafür verwendet, den Schlamm aus der Schlammkammer 2022a mit der Rate abzulassen, die durch das Liniensegment MN angedeutet ist.
Die Strömungsanalyse zeigt, dass der Schlammaustrag aus den Schlammkammern 2020a und 2022a ununterbrochen erfolgt. Die Anfangsrate des Schlammaustrags aus der Schlammkammer 2022a ist durch das Segment LA definiert. Das nächste Segment ist die Kombination der Segmente BD (aus der Schlammkammer 2020a) und AC (aus der Schlammkammer 2022a), was der Strömungsrate des Segments LA gleich kommt. Das folgende Segment, das den Schlamm bezeichnet, der aus der Schlammkammer 2020a verdrängt wird, ist DG und hat die gleiche Rate wie LA. Der Fluss wird dann zwischen den Schlammkammern 2022a und 2020a aufgeteilt, wie durch die Segmente HM bzw. GI gezeigt. Die Summe der Strömungsraten der Segmente HM und GI ist gleich der Strömungsrate des Segments LA. Der Schlammfluss aus der Schlammkammer 2022a setzt sich im Segment MN fort, der wiederum der gleiche ist wie beim anfänglichen Segment LA. Dann wiederholt sich der Ablauf. Die Pumpströmungsrate, die durch die Liniensegmente MN und DG angedeutet ist, wäre – basierend auf der Befüllungsrate, die durch den Schlammdruck in der Leitung 456 bestimmt wird – die maximale Strömungsrate für die Unterwasser-Schlammpumpe. Wenn der Schlammfluss in den Bohrloch-Ringraum hinein abzunehmen beginnt, so würde auch der Druck im Bohrloch-Ringraum abnehmen. Das Steuerungsmodul 2034 würde die Änderung im Drucksensor 2028 erkennen und die Strömungsrate von der Pumpe 420 verringern, die ihrerseits das Volumen des Hydraulikfluids verringern würde, das durch die Pumpe 420 zu den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b abgegeben wird. Diese verringerte Schlammströmungsrate vom Bohrloch-Ringraum würde den benötigten Schlammdruck in der Leitung 456 wieder herstellen.
Das Steuerungsmodul 2034 enthält sämtliche Eingabe- und Ausgabe-Komponenten (E/A-Komponenten), die benötigt werden, um Signale von den verschiedenen Punkten, die in 10B gezeigt sind, entgegenzunehmen und Steuerungssignale an die Steuerventile 426a, 426b, 428a und 428b zu senden. Diese Steuerungsvorrichtung würde einen (nicht gezeigten) residenten Computer, der an die E/A-Komponenten angeschlossen ist, oder eine Kommunikationsverbindung mit einem (nicht gezeigten) Computer an der Oberfläche zu den E/A-Komponenten haben. Die Steuerung für die Skalierung von Sensoreingangssignalen und die Logik zum Erzeugen der Steuerungssignale, die für die in 10A gezeigte Konfiguration benötigt werden, sind Teil der Software für den Computer. Dieses Steuerungsmodul 2034 würde unabhängig davon verwendet werden, ob die Pumpe unter Wasser oder an der Oberfläche arbeitet.
10C veranschaulicht die Leistung des in 10A gezeigten Pumpenkreises unter Verwendung des in 10B beschriebenen Steuerungsverfahrens. Wie gezeigt, ist die Schlammaustragsrate konstant und weist keine feststellbare Pulsation auf. Die Ansaugströmungsrate hingegen wird durch eine Reihe von Strömungsimpulsen gebildet. Dies erfordert die Verwendung irgendeiner Art von Ansaugpulsationsdämpfer. Das Unterwasser-Pumpsystem besitzt diese Funktion, d. h. die Verringerung von Druckschwankungen im Bohrloch-Ringraum, in dem Schlammtank 42 mit Druckausgleich, der in 2C oder in 7A gezeigt ist, wenn das Umgehungsventil 1824 geöffnet ist, damit Schlamm zwischen dem Riserrohr 52 und dem Bohrloch-Ringraum transportiert werden kann. Alternativ können auch ein oder mehrere zusätzliche Pumpenelemente, die nicht phasengleich mit den Pumpenelementen 2022a und 2020a arbeiten, verwendet werden, um den Schlamm so anzusaugen, dass keine Pulsation entsteht, während gleichzeitig ein Schlammabfluss aufrecht erhalten wird, der ebenfalls pulsationsfrei ist.
Die Pumprate, die benötigt wird, um Schlamm vom Meeresboden zur Oberfläche zu heben, wenn in einer Wassertiefe von 10.000 Fuß gebohrt wird, beträgt schätzungsweise bis zu 1.600 Gallonen in der Minute. Wenn beispielsweise der Ausstoßhub jedes Pumpenelements sechs Sekunden dauert, so würde jedes Pumpenelement in einer Minute fünf Ausstoßhübe vollführen. Wenn die Pumpenelemente eine Nennkapazität von 40 Gallonen haben, so würde ein Pumpenelement in einer Minute ein Schlammvolumen von 200 Gallonen ausstoßen. Um 400 Gallonen Schlamm in einer Minute zu pumpen, muss die Pumpe 420 eine Pumprate von wenigstens 400 Gallonen in der Minute haben. Natürlich würde man vier Pumpenmodule benötigen, um die geschätzte Pumprate von 1.600 Gallonen in der Minute zu erreichen, die nötig ist, wenn in einer Wassertiefe von 10.000 Fuß gebohrt wird.
11A veranschaulicht einen Offenkreis-Hydraulikantrieb, ähnlich dem von 10A, jedoch unter Hinzufügung eines dritten Pumpenelements 2036, eines Durchflusssteuerventils 2042 und eines Strömungsmessers 2040 in der Hydraulikrücklaufleitung, welche die Hydraulikarbeitskammern 2020b, 2022b und 2036b mit dem Reservoir 424 verbindet. Das Steuerungsmodul 2044 muss um zusätzliche Strömungsalgorithmen erweitert werden, um den Pumpzyklus für dieses System zu koordinieren.
Die Rate, mit der Schlamm aus den Schlammkammern 2020a, 2022a und 2036a ausfließt, wird so gesteuert, wie es oben für 10A beschrieben ist. Die Strömungsratensequenzierung für das Pumpsystem von 11A ist in 11B gezeigt. Das Diagramm ähnelt dem von 10B, doch es enthält die Pumpkurve 1 für das dritte Pumpenelement 2036, das den Pumpkurven 2 und 3 für die Pumpenelemente 2022 bzw. 2020 hinzugefügt wurde. Am Anfang des Diagramms wird das Pumpenelement 2020 mit Schlamm befüllt, und sowohl das Hydrauliksteuerventil 426a als auch das Hydrauliksteuerventil und 426b wurden durch das Steuerungsmodul 2044 in die Sperrstellung versetzt, wie in 11A gezeigt. Schlamm wird aus der Schlammkammer 2022a in die Leitung 458 abgelassen, während Hydraulikfluid die Hydraulikarbeitskammer 2022b füllt, wobei das Steuerventil 428b in der Durchflussposition und das Steuerventil 428a in Sperrstellung steht. Schlamm füllt die Schlammkammer 2036a, wodurch das Hydraulikfluid in der Hydraulikfluidkammer 2036b durch das Steuerventil 2038a verdrängt wird.
Die erste Steuerungsaktion wird eingeleitet, wenn das Schlammvolumen in der Schlammkammer 2022a den Punkt A ("Leer"-Einstellpunkt) erreicht. Der Positionsanzeiger 2026 beobachtet das Schlammvolumen im Pumpenelement 2022 und übermittelt dieses Signal an das Steuerungsmodul 2044. Das Steuerungsmodul 2044 leitet eine Durchflusssteuerungsaktion ein, um das Fließen von Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 2020b hinein zu beginnen, indem es das Steuerventil 426a von der Sperrstellung in die Durchflussstellung umschaltet. Wenn Hydraulikfluid in die Hydraulikarbeitskammer 2020b hineinfließt, so wird Schlamm aus der Schlammkammer 2020a über das entsprechende Rückschlagventil 1890b in die Leitung 458 abgelassen. Der Fluss von der Pumpe 420 wird zwischen den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b für die Strömungssegmente BD und AC aufgeteilt. Der Schlammfluss aus der Schlammkammer 2022a wird gestoppt, wenn das Volumen den Punkt C erreicht und die gesamte Pumpmenge der Pumpe 420 durch das Pumpenelement 2020 hindurchfließt. Der Schlammbefüllungszyklus für das Pumpenelement 2036 wird fortgesetzt, und das Steuerungsmodul 2044 erkannt anhand der Ausgangssignale vom Positionsanzeiger 2046 den Punkt E. Dies löst im Steuerungsmodul 2044 ein Steuerungsausgangssignal aus, das Steuerventil 428a in Durchflussstellung zu schalten. Schlamm fließt in die Schlammkammer 2022a, wodurch das Hydraulikfluid von der Hydraulikarbeitskammer 2022b veranlasst wird, durch das Steuerventil 428a, den Strömungsmesser 2040 und das Strömungssteuerventil 2042 zu fließen. Hydraulikfluid wird des Weiteren aus der Hydraulikarbeitskammer 2036b über denselben Strömungspfad verdrängt. Die kombinierte Strömungsrate des Hydraulikfluids, das zum Reservoir 424 zurückfließt, wird durch das Strömungssteuerventil 2042 so gesteuert, dass sie der Abflussströmungsrate der Hydraulikpumpe 420 entspricht. Der Strömungsmesser 2040 stellt die benötigten Strömungsmessungen für das Strömungssteuerventil 2042 bereit. Die Hydraulikströmungsrate wird durch ein Signal vom Steuerungsmodul 2044 an den Verstellsteuermechanismus, der an der Pumpe 420 angebracht ist, gesteuert.
Wenn der Steuerungspunkt G erreicht ist, so wird das Strömungssteuerventil 2038a in Sperrstellung geschaltet. Dadurch fließt kein Schlamm mehr in die Schlammkammer 2036a, und der gesamte Schlammfluss von der Leitung 456 fließt in die Schlammkammer 2022a. Das Strömungssteuerventil 2042 hält die Rate, mit der Schlamm in die Pumpenelemente fließt, auf der gleichen Rate, mit der Hydraulikfluid von der Pumpe 420 ausgestoßen wird. Die Steuerungspunkte, die angesteuerten Strömungsventile und die resultierenden Strömungsbedingungen für den in 11A gezeigten Hydraulikantrieb sind in 11C im Überblick dargestellt.
Das Steuerungsschema basiert darauf, dass der Schlammauslass aus dem vollen Pumpenelement beginnt, wenn das entsprechende Pumpenelement in der letzten Phase des Auslassens den "Leer"-Stand erreicht. Der oben beschriebene Prozess wird fortgesetzt, wobei die Pumprate durch die Strömungsrate bestimmt wird, welche die Pumpe 420 erbringen muss, um den Druck des in die Pumpenelemente fließenden Schlamms auf dem erforderlichen Einstellpunkt zu halten, der durch den Drucksensor 2028 gemessen wurde und dem Steuerungsmodul 2044 übermittelt wird. Die Strömungsraten des Schlamms in die Pumpe und aus der Pumpe unter Verwendung des in 11A gezeigten Hydraulikantriebskreises sind immer die gleichen Werte und weisen keine Pulsation auf. Dieser pulsationsfreie Fluss resultiert aus dem Überlappen des Befüllungs- und des Auslasszyklus' der drei Pumpenelemente in der oben beschriebenen Weise. Weil die Pulsation im Schlammansaugabschnitt der Pumpe beseitigt wird, braucht man keine Ansaugpulsationsvorrichtung.
Das Steuerungsmodul 2044 enthält sämtliche Eingabe- und Ausgabe-Komponenten (E/A-Komponenten), die benötigt werden, um Signale von den verschiedenen Punkten, die in 11A gezeigt sind, entgegenzunehmen und Steuerungssignale an die Steuerventile in 11A zu senden. Dieses Steuerungsmodul würde einen (nicht gezeigten) residenten Computer, der an die E/A-Komponenten angeschlossen ist, oder eine Kommunikationsverbindung mit einem (nicht gezeigten) Computer an der Oberfläche zu den E/A-Komponenten haben.
Die Steuerung für die Skalierung von Sensoreingangssignalen und die Logik zum Erzeugen der Steuerungssignale, die für die in 11A gezeigte Konfiguration benötigt werden, sind Teil der Software für den Computer. Das Steuerungsmodul 2044 würde unabhängig davon verwendet werden, ob die Pumpe unter Wasser oder an der Oberfläche arbeitet. Die Software im Steuerungsmodul 2044 würde außerdem ein Logikmodul enthalten, das die Strömungsraten des Hydraulikfluids, das von der Pumpe 420 gepumpt wird, und des Hydraulikfluids, das zum Reservoir 424 zurückgeleitet wird, überwacht. Steuerungssignale zum Strömungssteuerventil 2042 würden die Rate der Strömung, die zum Reservoir 424 zurückkehrt, gleich der Rate der Strömung halten, die von der Pumpe 420 gepumpt wird, und zwar in Reaktion auf das Signal, welches das Steuerungsmodul 2044 zur Pumpe sendet. Ein zusätzliches Steuerungsmodul würde die Zeit überwachen, die zwischen Ventilbetätigungssignalen verstreicht, die an die Ventile 426a, 426b, 428a, 428b, 2038a und 2038b übermittelt werden, und würde geringfügige Justierungen am Strömungssteuerventil 2042 vornehmen, um – auf der Basis der Pumprate der Pumpe 420 – diese verstrichenen Zeiten auf zuvor festgelegten Werten zu halten. Dies würde das offenkundige Steuerungsproblem überwinden, das entsteht, wenn man nur die oben erwähnten Strömungsratenmesswerte benutzt, um die Pumpsequenz synchron zu halten, so wie es bei der in 10B gezeigten Konfiguration vorgesehen ist.
12 zeigt ein Geschlossenkreisschaubild für den Hydraulikantrieb 352, der zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Der Geschlossenkreis-Hydraulikantrieb enthält einen Elektromotor 490, der eine Strömungsumkehr-Verstellpumpe 492 mit Druckausgleich antreibt. Auch hier stellt der Elektromotor 490 den Elektromotor 354 dar, der zuvor in 8 veranschaulicht wurde. Die Pumpe 492 ist als in einem Hydraulikreservoir 494 mit Druckausgleich versenkt dargestellt, aber sie kann auch außerhalb des Reservoirs 494 angeordnet sein. Ein Pumpenelement 496 ist an eine erste Pumpöffnung der Pumpe 492 angeschlossen, und ein Pumpenelement 498 ist an eine zweite Pumpöffnung der Pumpe 492 angeschlossen. Eine Druckerhöhungspumpe 490 versorgt die Pumpe 492 Lagerspülfluid und Zusatzfluid.
Während der ersten Hälfte eines Pumpzyklus' gibt die Pumpe 492 Fluid an die Hydraulikarbeitskammer 502 des Pumpenelements 496 ab und erhält gleichzeitig Fluid von der Hydraulikarbeitskammer 504 des Pumpenelements 498. Die Schlammkammer 506 des Pumpenelements 496 gibt Schlamm ab, während die Schlammkammer 508 des Pumpenelements 498 sich mit Schlamm füllt. Der Fluss wird für die zweite Hälfte des Pumpzyklus' umgekehrt, so dass die Pumpe 492 Fluid an die Hydraulikarbeitskammer 504 des Pumpenelements 498 abgibt, während sie Fluid von der Hydraulikarbeitskammer 502 des Pumpenelements 496 erhält. Die Schlammkammer 508 des Pumpenelements 498 gibt nun Schlamm ab, während die Schlammkammer 506 des Pumpenelements 496 mit Schlamm gefüllt wird.
Die Pumpe 492 gibt die gleiche Menge Fluid ab, wie sie erhält, so dass es keine Volumenschwankung im Hydraulikreservoir 494 gibt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Volumenausgleichsvorrichtung für das Reservoir 494. Aufgrund der Zeit, welche die Pumpe 492 für das Umkehren ihrer Strömungsrichtung benötigt, kommt es vor und nach jedem Ansaughub und Ausstoßhub der Pumpenelemente zu einer Pulsation. Das bedeutet, dass am Ansaug- und am Auslass-Ende der Pumpenelemente möglicherweise Pulsationsdämpfer erforderlich sind, damit die Pumpe effizient arbeiten kann. Wie bereits erwähnt, können der Schlammtank 42 mit Druckausgleich oder das Riserrohr eine Zweitfunktion als Pulsationsdämpfer am Ansaug-Ende der Pumpenelemente übernehmen.
Die Unterwasser-Schlammpumpen 102 emulieren Verdrängungs-Kolbenpumpen. Kolbenpumpen, wie auch andere Verdrängungspumpen, eignen sich sehr gut für das Pumpen hoch-viskoser Fluide. Bei konstanten Drehzahlen erzeugen sie nahezu konstante Strömungsraten und einen praktisch unbegrenzten Druckhöhenanstieg. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von Verdrängungs-Kolbenpumpen zum Heben des Schlamms vom Bohrloch zur Oberfläche beschränkt ist. Es können beispielsweise auch Zentrifugalpumpen, die durch Meerwasser oder mit Strom betrieben werden, oder eine Wasserstrahlpumpe verwendet werden. Es können außerdem auch andere Verdrängungspumpen, wie beispielsweise eine Schraubenpumpe oder Moyno-Pumpe, verwendet werden.
Ansaug-/Auslassventil
Die Unterwasser-Schlammpumpen 102 benötigen Ansaug- und Auslassventile, um zu funktionieren. 13A zeigt einen vertikalen Querschnitt durch ein Ventil 1890, das als Ansaug- oder Auslassventil fungieren kann. Das Ventil 1890 umfasst einen Körper 1892 und einen Ventildeckel 1894. Der Körper 1892 weist eine vertikale Bohrung 1896 auf. Der Ventildeckel 1894 hat einen Flansch 1898, der auf das obere Ende des Körpers 1892 passt. Ein metallischer Dichtring 1900 bildet eine Dichtung zwischen dem Flansch 1898 und dem Körper 1892. Eine Dichtungsbaugruppe 1904 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 1906 im Körper 1892 angeordnet und wird von einer Einlassplatte 1908 gehalten. Die Dichtungsbaugruppe 1904 enthält einen oberen Dichtungssitz 1910, eine elastomere Dichtung 1912 und einen unteren Dichtungssitz 1914. Die Dichtung 1912 befindet sich zwischen den Dichtungssitzen 1910 und 1914 und wird durch sie gestützt. Ein Runddichtring 1916 und Zusatzdichtringe 1918 bilden eine Dichtung zwischen dem Körper 1892 und den Dichtungssitzen 1910 und 1914. Der obere Dichtungssitz 1910, die Dichtung 1912 und der untere Dichtungssitz 1914 definieren eine Bohrung 1920, die eine strömungsmäßige Verbindung zwischen einer Öffnung 1922 in der Einlassplatte 1908 und einer Öffnung 1926 im Körper 1892 gestattet.
Ein Kolben 1928 ist in der Bohrung 1896 im Körper 1892 und in der Bohrung 1930 im Ventildeckel 1894 angeordnet und kann sich darin bewegen. Der Aufwärtshub des Kolbens 1928 ist durch eine Verschlussstopfbüchse 1932 am oberen Ende des Ventildeckels 1894 begrenzt, und der Abwärtshub des Kolbens 1928 ist durch die Dichtungsbaugruppe 1904 im Körper 1892 begrenzt. Ein oberer Abschnitt des Kolbens 1928 enthält voneinander beabstandete Rippen 1936, die Fluid von der Bohrung 1896 im Körper 1892 zur Bohrung 1930 im Ventildeckel 1894 gelangen lassen. Ein unterer Abschnitt des Kolbens 1928 enthält eine Dichtfläche 1942, welche die Dichtung 1912 in Eingriff nimmt, wenn sich der Kolben 1928 in die Bohrung 1920 hinein erstreckt.
Eine Betätigungsvorrichtung 1944, die dazu dient, den Kolben 1928 im und zwischen Körper 1892 und Ventildeckel 1894 zu bewegen, ist an der Verschlussstopfbüchse 1932 angebracht. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält die Betätigungsvorrichtung 1944 einen Zylinder 1946, der einen Kolben 1948 beherbergt. Der Kolben 1948 bewegt sich in dem Zylinder 1946 infolge eines Fluiddrucks zwischen einer Öffnungskammer 1950 und einer Schließkammer 1952. Eine Stange 1954 verbindet den Kolben 1948 mit einem Kolben 1928 und überträgt eine Bewegung des Kolbens 1948 zum Kolben 1928. Die Stange 1954 erstreckt sich durch eine Bohrung 1956 in der Verschlussstopfbüchse 1932. Dichtungen 1958 bilden eine Dichtung zwischen der Verschlussstopfbüchse 1932 und der Stange 1954, dem Ventildeckel 1894 und dem Zylinder 1946 und verhindert dadurch eine Strömungsverbindung zwischen dem Zylinder 1946 und dem Ventildeckel 1894. Zwischen der Stange 1954 und der Verschlussstopfbüchse 1932 sind Abstreifer 1960 angeordnet, um die Stange 1954 abzustreifen, während sie sich durch die Bohrung 1956 hin und her bewegt. Die Verschlussstopfbüchse 1932 enthält durch sie hindurch eine Abzugsöffnung 1959, um Druck und Fluid abzulassen. Wie in 13B gezeigt, kann ein Kolbenpositionsanzeiger 1949, der dem Membranpositionsanzeiger 2011 (in 9C gezeigt) ähnelt, vorgesehen sein, um die Position des Kolbens 1948 im Zylinder 1946 zu beobachten. Es können auch andere Mittel, wie sie zuvor für das Membranpumpenelement 355 in 9C beschrieben wurden, verwendet werden, um die Position des Kolbens 1948 im Zylinder zu beobachten.
Wenn das Ventil 1890 als Ansaugventil verwendet wird, so steht die Öffnung 1926 in dem Körper 1892 in strömungsmäßiger Verbindung mit der Schlammkammer des Pumpenelements, beispielsweise der Schlammkammer 372 des Membranpumpenelements 355 (in 9A gezeigt), und die Öffnung 1922 in der Einlassplatte 1908 steht in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Bohrloch-Ringraum 66 (in 1 gezeigt). Wenn das Ventil 1890 als Auslassventil verwendet wird, so steht die Öffnung 1922 in strömungsmäßiger Verbindung mit der Schlammkammer des Pumpenelements, und die Öffnung 1926 steht in strömungsmäßiger Verbindung mit der Schlammrücklaufleitung 56 und/oder 58 (in 1 gezeigt).
Im Betrieb, wenn der Kolben 1928 sich in die Bohrung 1920 hinein erstreckt, wirkt der Fluiddruck über dem oberen Dichtungssitz 1910 und/oder unter dem unteren Dichtungssitz 1914 dergestalt auf die Dichtungssitze, dass die Dichtung 1912 extrudiert wird. Die extrudierte Dichtung 1912 nimmt die Dichtfläche 1942 des Kolbens 1928 in Eingriff und dichtet gegen sie ab. Wenn Fluid in die Bohrung 1896 gezogen werden soll, so wird Hydraulikfluid mit einem Druck in die Öffnungskammer 1950 gedrückt, der höher ist als der Fluiddruck in der Schließkammer 1952. Dadurch bewegen sich der Kolben 1948 und der Kolben 1928 aufwärts. Wenn sich der Kolben 1948 nach oben bewegt, so fließt Fluid in die Bohrung 1986. Das Fluid in der Bohrung 1896 verlässt den Körper 1892 durch die Öffnung 1926. Das Fluid, das in die Öffnung 1896 eintritt, wird auch durch die Kanäle zwischen den voneinander beabstandeten Rippen 1936 zur Bohrung 1930 geleitet. Dadurch wird der Druck im Körper 1892 mit dem Druck in dem Ventildeckel 1894 ausgeglichen. Die Durchgänge zwischen den voneinander beabstandeten Rippen 1936 sind sehr klein, so dass Festpartikel im Fluid unter dem Kolben 1928 nicht über den Kolben wandern.
Wenn kein Fluid mehr in die Bohrung 1896 fließen soll, so wird Fluid mit einem Druck in die Schließkammer 1952 gedrückt, der höher ist als der Fluiddruck in der Öffnungskammer 1950. Dadurch bewegen sich der Kolben 1948 und der Kolben 1928 abwärts. Der Kolben 1928 bewegt sich nach unten, bis er sich wieder in die Bohrung 1920 hinein erstreckt. Weil der Druck im Ventildeckel 1894 und im Körper vollständig ausgeglichen ist, schließt der Kolben 1928 gegen eine sehr geringe Differenzialkraft.
Behandlung von Festpartikeln
Wenn mit Festpartikeln gearbeitet wird, wie beispielsweise solchen, wie sie im Schlammrücklauf vorhanden sind, so müssen die Ansaug- und Auslassventile sowie weitere Komponenten im Pumpsystem solche Festpartikel verarbeiten können. Die Obergrenze für die Größe solcher Festpartikel wird durch den Durchmesser der Schlammrücklaufleitungen bestimmt. Es gibt somit eine Obergrenze für die Größe von Festpartikeln, die das Pumpsystem verarbeiten kann. Allerdings dürfen nicht die Ansaug- und Auslassventile die größenbegrenzenden Komponenten im Pumpsystem sein. Für Fälle, wo große Formations- oder Zementbrocken im Schlammrücklauf mitgeführt werden, müssen darum unbedingt Mittel vorhanden sein, mit denen große feste Brocken zerkleinert werden oder im Bohrloch zurückgehalten werden, bis sie durch den Bohrstrang oder die Bohrkrone zerkleinert worden sind.
Gesteinszerkleinerer
14A und 14B veranschaulichen einen Gesteinszerkleinerer 550, der an den Ansaug-Enden der Unterwasserpupen 102 angeordnet sein kann, um große feste Brocken zu zerkleinern. Wie in 14A gezeigt, enthält der Gesteinszerkleinerer 550 einen Körper 552 mit Endwänden 554 und 555 und einer Umfangswand 556. Wie in 14B gezeigt, sind Platten 558 und 560 in dem Körper 552 montiert. Die Platten 558 und 560 definieren zusammen mit den Wänden 554 und 556 eine Zerkleinerungskammer 562 in dem Körper 552. Die Zerkleinerungskammer 562 hat eine Zufuhröffnung 564, die mit einer Leitung 566 verbunden ist, und eine Auslassöffnung 568, die mit einer Leitung 570 verbunden ist. Die Leitung 566 hat eine Einlassöffnung 569 zur Aufnahme von Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum 66, und die Leitung 570 hat eine Auslassöffnung 572 zum Ablassen von verarbeitetem Schlamm aus der Zerkleinerungskammer 562. Der Gesteinszerkleinerer 550 kann in die Pumpenelemente der Unterwasserpupen 102 integriert werden, indem die Einlassöffnung 380 der Pumpen 350 (in 8 gezeigt) mit der Öffnung 572 des Gesteinszerkleinerers verbunden wird. Die Öffnung 569 des Gesteinszerkleinerers 550 würde dann mit dem Strömungsauslass 125 (in 2B gezeigt) im Durchflussrohr 104 verbunden sein.
An den Endwänden 554 bzw. 555 sind Rotoren 574 und 576 (in 14A gezeigt) angebracht. Die Rotoren 574 und 576 sind mit Wellen 578 bzw. 580 verbunden, die sich durch die Zerkleinerungskammer 562 erstrecken. Die Rotoren 574 und 576 drehen die Wellen 578 und 580 in entgegengesetzter Richtung. Die Welle 578 trägt eine Schaufelbaugruppe 582, und die Welle 580 trägt eine Schaufelbaugruppe 584. Die Schaufelbaugruppen 582 und 584 enthalten Schaufeln, die versetzt um ihre jeweilige Tragwelle herum angeordnet sind. In der Zerkleinerungskammer ist ein Gitter 557 angeordnet. Das Gitter 557 enthält voneinander beabstandete Gitterelemente 588, die gerade so breit sind, dass die Schaufeln der Schaufelbaugruppen 582 und 584 durch sie hindurchpassen. Die Schaufeln sind so angeordnet, dass sie zwischen den Gitterelementen 588 rotieren, so dass die festen Brocken an dem Gitter 557 zerkleinert werden.
Im Betrieb tritt Schlamm durch die Öffnung 569 in den Gesteinszerkleinerer 550 ein und wird durch die Öffnung 564 in die Zerkleinerungskammer 562 weitergeleitet. Die rotierenden Schaufelbaugruppen 582 und 584 schieben den Schlamm zu dem festen Gitter 557 und zerkleinern gleichzeitig die festen Brocken im Schlamm. Gesteinsbrocken, die so klein sind, dass sie die Gitterelemente 588 des festen Gitters 557 passieren, werden infolge der Wirkung der rotierenden Schaufeln durch die Gitterelemente 588 hindurchgedrückt. Der Schlamm mit den kleineren Festpartikeln verlässt den Zerkleinerer 550 durch die Öffnungen 568 und 572.
Abscheider
15A zeigt eine Festkörperabscheider 620, der dazu verwendet werden kann, große feste Brocken im Schlammrücklauf auszusondern, der vom Bohrloch-Ringraum 66 aus zu den Ansaug-Enden der Unterwasserpumpen 102 (in 2B gezeigt) fließt. Der Festkörperabscheider 620 enthält ein Gefäß 622. Der Verbinder 630 am unteren Ende des Gefäßes 622 kann mit dem Verbinder 114 am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 (in 2A gezeigt) zusammenpassen. Eine mit Durchbrüchen versehene Tonne 632 mit Reihen von Löchern 634 ist in dem Gefäß 622 angeordnet. Das untere Ende der Tonne 632 sitzt in einer Nut 636 in dem Gefäß 622, und ein komplementär geformter Flansch 628 hält die Tonne 632 in dem Gefäß 622 an ihrem Platz. Zwischen dem Gefäß 622 und der Tonne 632 ist ein Strömungskanal 638 definiert. Es sind Öffnungen 640 vorhanden, durch die Fluid, das in dem Strömungskanal 638 auf genommen wurde, aus dem Gefäß 622 herausfließen kann. Die Öffnungen 640 können mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 (in 2B gezeigt) verbunden sein.
Im Betrieb tritt Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum durch einen Strömungskanal im Verbinder 630 in die Tonne 632 ein und fließt durch die Löcher 634 in den Strömungskanal 638. Schlamm verlässt den Strömungskanal 638 durch die Öffnungen 640. Feste Brocken, die größer sind als der Durchmesser der Löcher 634, können die Löcher 634 nicht passieren und kehren in den Bohrloch-Ringraum zurück, wo sie durch den Bohrstrang oder die Bohrkrone zerkleinert werden. Der Abscheider 620 kann in Verbindung mit – oder anstelle von – einem Gesteinszerkleinerer 578 (in 14A und 14B gezeigt) verwendet werden, um die Größe von Festpartikeln im Pumpsystem zu steuern.
Festkörperabscheider/Unterwasser-Ablenkvorrichtung
15B zeigt eine rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970, die dazu ausgebildet ist, große feste Brocken im Schlammrücklauf auszusondern, der vom Bohrloch-Ringraum 66 aus zu den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 fließt. Die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970 hat ein Ablenkvorrichtungsgehäuse 1972, das einen Kopf 1974 und einen Körper 1976 enthält. Der Kopf 1974 und der Körper 1976 werden durch eine radiale Arretierung 1977, ähnlich der radialen Arretierung 1720, und Riegel 1979, ähnlich den Riegeln 1722, zusammengehalten. In dem Ablenkvorrichtungsgehäuse 1972 ist eine zurückziehbare Spindelbaugruppe 1978 angeordnet. Die Spindelbaugruppe 1978 ähnelt der Spindelbaugruppe 1740 und enthält ein Spindelgehäuse 1980, das mittels einer elastomeren Klemme 1981, ähnlich der elastomeren Klemme 1744, an dem Körper 1976 befestigt ist.
Am unteren Ende des Körpers 1976 ist ein Abscheidergehäuse 1982 angebracht. Das Abscheidergehäuse 1982 hat eine Bohrung 1984 und einen Strömungsauslass 1986. In der Bohrung 1984 ist eine mit Durchbrüchen versehene Tonne oder ein Sieb 1988 angeordnet. Das obere Ende der mit Durchbrüchen versehenen Tonne 1988 ist mit dem Spindelgehäuse 1980 verbunden, und das untere Ende der mit Durchbrüchen versehenen Tonne 1988 wird von einer zurückziehbaren Anschlagschulter 1990 getragen. Die Anschlagschulter 1990 kann mittels einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung 1994, ähnlich der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 1782, in den Hohlraum 1992 in dem Abscheidergehäuse 1982 zurückgezogen oder in die Bohrung 1984 hineingeschoben werden. Die mit Durchbrüchen versehene Tonne 1988 enthält Reihen von Löchern 1996, die neben dem Strömungsauslass 1986 angeordnet sind, wenn das untere Ende der Tonne 1988 von der Anschlagschulter 1990 getragen wird.
Das untere Ende 1998 des Abscheidergehäuses 1982 und der Riserrohrverbinder 2000 an dem Kopf 1972 ermöglichen die Integration der rotierenden Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970 in einem Bohrlochkopfschacht, beispielsweise dem Bohrlochkopfschacht 37. Bei einer Ausführungsform ersetzt die rotierende Unterwasser-Ablenkvorrichtung 1970 das Durchflussrohr 104 und die Unterwasser-Ablenkvorrichtungen 106 und 108 (in 2B gezeigt) im Schlammhubmodul 40. Bei dieser Ausführungsform würde dann das untere Ende 1998 des Abscheidergehäuses 1982 mit dem Riserrohrverbinder 114 (in 2A gezeigt) am oberen Ende des flexiblen Verbindungsstücks 94 zusammenpassen, und der Riserrohrverbinder 2000 am Kopf 1972 kann mit dem Riserrohrverbinder 115 (in 2C gezeigt) am unteren Ende des Schlammtanks 42 mit Druckausgleich oder direkt mit dem Riserrohrverbinder 262 (in 2C gezeigt) am unteren Ende des Riserrohres 52 verbunden werden. Der Strömungsauslass 1986 in dem Abscheidergehäuse 1982 würde dann mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 (in 2B gezeigt) verbunden sein. Wenn der Schlammtank 42 mit Druckausgleich weggelassen wird, wie oben beschrieben, so kann der Strömungsauslass 1986 in dem Abscheidergehäuse auch mit dem Strömungsauslass 2002 im Riserrohrverbinder 2000 verbunden werden. Auf diese Weise kann Fluid je nach Bedarf aus dem Bohrloch-Ringraum 66 in das Riserrohr 52 abgelenkt werden.
Während eines Bohrvorgangs erstreckt sich ein Bohrstrang 2004 durch die Spindelbaugruppe 1978 und die mit Durchbrüchen versehene Tonne 1988 in das Bohrloch hinein. Die Packer 2006 und 2008 nehmen den Bohrstrang 1998 in Eingriff und dichten gegen ihn ab. Schlamm im Bohrloch-Ringraum 66 fließt durch das Einlassende des Abscheidergehäuses 1982 in die Tonne 1988, wird aber durch die Packer 2006 und 2008 daran gehindert, durch das Ablenkvorrichtungsgehäuse 1972 zu fließen. Der Schlamm verlässt die Tonne 1988 durch die Löcher 1996 und fließt durch den Strömungsauslass 1986 im Abscheidergehäuse 1982 in die Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 102 hinein. Feste Brocken, die größer sind als der Durchmesser der Löcher 1996, können die Löcher 1996 in den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen nicht passieren und kehren in den Bohrloch-Ringraum zurück, wo sie durch den Bohrstrang oder die Bohrkrone zerkleinert werden.
Schlammzirkulationssystem
16 zeigt ein Schlammzirkulationssystem für das zuvor beschriebene Offshore-Bohrsystem 10. Wie gezeigt, enthält das Schlammzirkulationssystem einen Bohrloch-Ringraum 650, der sich vom Grund des Bohrlochs 652 zum Abstreifer 658 erstreckt. Ein Riserrohr-Ringraum 656 erstreckt sich vom Abstreifer 658 zum oberen Ende des Riserrohres 660. Unter dem Abstreifer 658 befindet sich eine rotierende Ablenkvorrichtung 654 und eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 661. Die Ablenkvorrichtung 661 wird geöffnet, damit Schlamm vom Grund des Bohrlochs 652 zur Ablenkvorrichtung 654 fließen kann. Die Ablenkvorrichtung 661 kann geschlossen werden, wenn die Ablenkvorrichtung 654 und der Abstreifer 658 zur Oberfläche geholt werden.
Eine Leitung 662 erstreckt sich vom Bohrloch-Ringraum 650 nach außen und zweigt in eine Leitung 664 ab, die zum Einlass einer Unterwasser-Schlammpumpe 670 führt. In der Leitung 664 ist ein Gesteinszerkleinerer 665 angeordnet. Die Leitung 662 schließt sich auch an eine Drossel-/Absperrleitung 674 an, die zu einer Schlammrücklaufleitung 676 führt. In ähnlicher Weise erstreckt sich eine Leitung 678 vom Bohrloch-Ringraum 650 nach außen und zweigt in eine Leitung 680 ab, die zum Einlass einer Unterwasser-Schlammpumpe 686 führt. In der Leitung 680 ist ein Gesteinszerkleinerer 681 angeordnet.
Die Leitung 678 schließt sich auch an eine Drossel-/Absperrleitung 690 an, die zu einer Schlammrücklaufleitung 692 führt. In den Leitungen 662 und 678 befinden sich Strömungsmesser 694, um die Rate zu messen, mit der Schlamm aus dem Bohrloch-Ringraum 650 ausfließt.
Eine Leitung 700 verbindet den Auslass der Unterwasser-Schlammpumpe 670 mit der Schlammrücklaufleitung 676. In ähnlicher Weise verbindet eine Leitung 708 den Auslass der Unterwasser-Schlammpumpe 686 mit der Schlammrücklaufleitung 692. Die Leitungen 700 und 708 sind durch eine Leitung 712 miteinander verbunden, so dass der Fluss nach Wunsch selektiv durch die Rücklaufleitungen 676 und 692 gelenkt werden kann.
Die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 führen zu dem (nicht gezeigten) Bohrschiff an der Oberfläche, wo sie an ein Schlammrücklaufsystem 714 angeschlossen sind. Die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 können erforderlichenfalls auch als Drossel-/Absperrleitungen verwendet werden. Die Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 mit Druckausgleich ist durch eine Strömungsleitung 724 mit dem Bohrloch-Ringraum 650 verbunden. Über die Strömungsleitung 728 wird Meerwasser in die Meerwasserkammer 726 eingeleitet oder aus der Meerwasserkammer 726 abgeleitet. Ein Strömungsmesser 730 in der Strömungsleitung 728 misst die Rate der Strömung des Meerwassers in die Meerwasserkammer 726 hinein und aus der Meerwasserkammer 726 heraus und liefert so die notwendigen Daten zur Bestimmung des Schlammvolumens in der Schlammkammer 720. Die Strömungsleitung 728 ist mit dem Meerwasser oder optional mit einer Pumpe 731 verbunden, die einen Druckunterschied zwischen dem Schlamm im Bohrloch-Ringraum 650 und dem Meerwasser im Riserrohr-Ringraum 656 aufrechterhält.
Eine Strömungsleitung 740 ist an einem Ende mit einem Punkt zwischen den Ring-Ausblasverhinderern 742 und 744 und am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitung 690 verbunden. Eine Strömungsleitung 746 ist an einem Ende mit einem Punkt unter den Blind-/Scherschiebern in dem Schieber-Ausblasverhinderer 748 und am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitung 690 verbunden. Eine Strömungsleitung 768 ist an einem Ende mit einem Punkt unter dem Paar Schieber-Ausblasverhinderer 750 und am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitung 690 verbunden. Die Strömungsleitungen 740, 746 und 768 enthalten die Ventile 764, die im geöffneten Zustand einen kontrollierten Schlammfluss vom Bohrloch-Ringraum 650 zu der Drossel-/Absperrleitung 690 oder von der Drossel-/Absperrleitung 690 zum Bohrloch-Ringraum 650 ermöglichen. Eine Strömungsleitung 760 ist an einem Ende mit einem Punkt zwischen dem Paar Schieber-Ausblasverhinderer 750 und am anderen Ende mit den Drossel-/Absperrleitungen 674 verbunden. Eine Strömungsleitung 766 ist an einem Ende mit einem Punkt zwischen den Schieber-Ausblasverhinderern 748 und 750 und am anderen Ende mit der Drossel-/Absperrleitungen 674 verbunden. Die Strömungsleitungen 766 und 760 enthalten die Ventile 770, die einen kontrollierten Fluss in den Bohrloch-Ringraum 650 hinein und aus dem Bohrloch-Ringraum 650 heraus ermöglichen. Eine ähnliche Verrohrungsanordnung wird auch bei anderen Kombinationen von Ausblasverhinderern verwendet.
Druckmesswertwandler (a) sind strategisch positioniert, um den Schlammdruck an den Auslass-Enden der Pumpen 670 und 686 zu messen. Druckmesswertwandler (b) messen den Schlammdruck an den Einlass-Enden der Pumpen 670 und 686. Druckmesswertwandler (c) messen die Drücke in den Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690. Druckmesswertwandler (d) messen den Druck am Einlass der Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722. Druckmesswertwandler (e) messen den Meerwasserdruck in der Strömungsleitung 728. Weitere Druckmesswertwandler sind in geeigneter Weise positioniert, um je nach Bedarf den Meerwasser-Umgebungsdruck und den Druck im Bohrloch-Ringraum zu messen.
Die verschiedenen Umgehungs- und Absperrventile, die zur Definierung des Strömungspfades im Schlammzirkulationssystem benötigt werden, sind mit den Buchstaben A bis I bezeichnet.
Ventile A trennen die Auslassverteiler der Unterwasserpumpen 670 und 686 von den Schlammrücklaufleitungen 676 und 692, wodurch die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 als Drossel-/Absperrleitungen verwendet werden können. Ventile B trennen die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 von den Schlammrücklaufleitungen 676 und 692. Wenn die Ventile B geschlossen sind, so kann Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 650 durch die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 zur Oberfläche gepumpt werden. Wenn die Ventile B offen sind und die Ventile C geschlossen sind, so kann Schlamm von den Unterwasserpumpen 670 und 686 durch die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 in den Bohrloch-Ringraum 650 abgelassen werden.
Ventile D trennen den Bohrloch-Ringraum 650 vom Einlass der Unterwasserpumpen 670 und 686. Ventile E kann der Fluss vom Bohrloch-Ringraum 650 auf den Meeresboden abgelassen werden. Ventile F trennen die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 vom Einlass der Unterwasserpumpen 670 und 686. Ventile G sind Unterwasser-Drosselventile, die einen kontrollierten Schlammfluss von den Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 zu den Strömungsleitungen 662 und 678 ermöglichen. Ventil H isoliert den Schlammtank 722 mit Druckausgleich, wenn die Einlässe der Unterwasser-Schlammpumpen mit Drücken arbeiten, die über dem Nenndruck des Schlammtanks liegen, oder wenn kein Schlamm in die Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 hineinfließen soll. Ventile I trennen einzelne Pumpen von dem Rohrsystem.
Schlamm wird von einer Oberflächen-Schlammpumpe 716 in die Bohrung des Bohrstrangs 774 gepumpt. Schlamm fließt durch den Bohrstrang 774 zum Grund des Bohrlochs 652. In dem Maße, wie mehr Schlamm die Bohrung des Bohrstrangs 774 entlang gepumpt wird, wird der Schlamm am Grund des Bohrlochs 652 im Bohrloch-Ringraum 650 nach oben zur Ablenkvorrichtung 654 hin gedrückt. Die Ventile 764 und 770 geschlossen, damit kein Schlamm in die Drossel-/Absperrleitungen 674 und 690 hinein fließt. Die Absperrventile A, C, D, I und H sind offen. Die Absperrventile B, E und F sind geschlossen. Dadurch kann der Schlamm im Bohrloch-Ringraum 650 zu den Einlässen der Unterwasserpumpen 670 und 686 gelenkt werden. Die Unterwasserpumpen 670 und 686 erhalten den Schlamm vom Bohrloch-Ringraum 650 und geben ihn mit einem höheren Druck in die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 hinein ab. Die Schlammrücklaufleitungen 676 und 692 transportieren den Schlamm zum Schlammrücklaufsystem 714.
Im Schlammtank 722 bewegt sich ein Schwimmerkolben 780, der die Schlammkammer 720 von der Meerwasserkammer 726 trennt, in Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen den Kammern 720 und 726. Der Kolben 780 befindet sich in einer Gleichgewichtsstellung in dem Schlammtank 722, wenn der Druck in der Meerwasserkammer 726 im Wesentlichen gleich dem Druck in der Schlammkammer 720 ist. Wenn der Schlammdruck am Einlass der Schlammkammer 720 den Druck in der Meerwasserkammer 726 übersteigt, so bewegt sich der Kolben aus der Gleichgewichtsstellung heraus nach oben, um Meerwasser aus der Meerwasserkammer 726 herauszudrücken, während gleichzeitig Schlamm in die Schlammkammer 720 einströmen kann. Wenn der Druck in der Schlammkammer 720 unter den Druck in der Meerwasserkammer 726 abfällt, so bewegt sich der Kolben aus der Gleichgewichtsstellung heraus nach unten, um Schlamm aus der Schlammkammer 720 herauszudrücken, während gleichzeitig Meerwasser in die Meerwasserkammer 726 einströmen kann.
Während der Schlammzirkulation wird das Volumen der Unterwasserpumpen 670 und 686, die für die Erhöhung des Drucks der Rücklaufschlammsäule verantwortlich sind, so gesteuert, dass ein nahezu konstanter Druckgradient im Bohrloch-Ringraum 650 aufrechterhalten bleibt. Alternativ können die Unterwasserpumpen 670 und 686 auch so gesteuert werden, dass der Schlamm-Füllstand im Schlammtank 722 beibehalten bleibt, d. h. dass der Kolben 780 in einer Gleichgewichtsstellung im Schlammtank 722 gehalten wird. Die Strömungsraten, die von den Strömungsmessern 730 gemessen werden, können als Steuerungs-Sollwertpunkte verwendet werden, um die Pumpraten der Unterwasserpumpen zu justieren.
Das in 16 gezeigte Schlammzirkulationssystem stellt ein Gradientensystem mit zwei Schlammdichten bereit, das aus der Schlammsäule, die sich vom Grund des Bohrlochs 652 zur Schlammgrenze oder zum Ansaugpunkt der Unterwasserpumpen 670 und 686 erstreckt, und dem Meerwasserdruck, der an der Schlammgrenze mittels der Unterwasser-Schlammpumpen 670 und 686 aufrecht erhalten wird, um den Rücklaufschlammsäulendruck zu erhöhen, besteht. 17 vergleicht dieses Gradientensystem mit zwei Schlammdichten mit einem Gradientensystem mit einer einzigen Schlammdichte für den Fall eines 15.000 Fuß tiefen Bohrlochs in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß. Es sind Schlammdrucklinien für das Gradientensystem mit einer einzigen Dichte für Schlammgewichte von 10 Pfund/Gallone bis 18 Pfund/Gallone gezeigt. Das Gewicht des Meerwassers (oder des Schlamms) oberhalb der Schlammgrenze beträgt für das Gradientensystem mit zwei Schlammdichten 8,56 Pfund/Gallone, während das Gewicht des Schlamms unterhalb der Schlammgrenze 13,5 Pfund/Gallone beträgt.
Die Drucklinien für das Gradientensystem mit einer einzigen Dichte beginnen bei 0 psi an der Wasseroberfläche und erhöhen sich linear bis zum Grund des Bohrlochs. Um mit einem Gradientensystem mit einer einzigen Schlammdichte einen Schlammdruck zu erreichen, der dem Formationsporendruck an der Schlammgrenze gleicht, müsste das Schlammgewicht- ungefähr 8,56 Pfund/Gallone betragen. Ein Schlammgewicht von 8,56 Pfund/Gallone stellt aber gegenüber den Formationsporendrücken einen Unterausgleich dar. Um einen Überausgleich der Formationsporendrücke zu bewirken, benötigt man ein Schlammgewicht von über 8,56 Pfund/Gallone. Wie gezeigt, führen höhere Schlammgewichte zu Schlammdrücken, welche die Bruchgradienten für große Längen des Bohrlochs übersteigen.
Im Gegensatz zum Gradientensystem mit einer einzigen Schlammdichte hat das erfindungsgemäße Gradientensystem mit zwei Schlammdichten einen Meerwassergradienten oberhalb der Schlammgrenze und einen Schlammgradienten, der besser an die natürlichen Porendrücke der Formation angepasst ist. Das ist möglich, weil die Unterwasserpumpen 670 und 686 den Rücklaufleitungsschlammsäulendruck erhöhen, um im Bohrloch einen Druck aufrecht zu erhalten, der einem Meerwasserdruck an der Schlammgrenze in Kombination mit einem Schlammgradienten im Bohrloch entspricht. Weil die duale Dichte Formationsdrücke über-ausgleicht, ohne die Bruchgradienten für große Längen des Bohrlochs zu übersteigen, wird die Anzahl von Futterrohrsträngen, die für das Vollenden des Bohrlochs benötigt werden, minimiert. In dem gezeigten Beispiel kreuzt die Drucklinie für den Abschnitt mit hoher Dichte der Drucklinie für das erfindungsgemäße Gradientensystem mit zwei Schlammdichten die Nulltiefenachse bei -1.284 psi.
Freier Fall des Schlamms
Während des Bohrvorgangs ist es hin und wieder erforderlich, Verbindungen im Bohrstrang aufzubrechen. Vor dem Aufbrechen einer Verbindung wird die Oberflächenpumpe 716 (in 16 gezeigt) angehalten. Die Schlammsäule im Bohrstrang übt einen größeren hydrostatischen Druck aus als die Summe des hydrostatischen Drucks der Schlammsäule im Bohrloch-Ringraum 650 und der Meerwassersäule im Riserrohr-Ringraum 656. Wenn die Oberflächenpumpe 716 angehalten wird, so fällt Schlamm frei vom Bohrstrang in das Bohrloch, bis der hydrostatische Druck der Schlammsäule im Bohrstrang mit den hydrostatischen Drücken der Schlammsäule im Bohrloch-Ringraum und der Meerwassersäule im Riserrohr-Ringraum ausgeglichen ist. Wenn der Schlamm den Bohrstrang nicht verlassen kann, indem der Schlammtank abgesperrt wird oder indem der Schlamm nicht herausgepumpt wird, so entsteht am Bohrlochgrund ein übermäßig hoher Druck, der zum Brechen der Formation führen kann.
Das Phänomen des freien Falls des Schlamms tritt normalerweise während der Schlammzirkulation nicht auf, weil zwischen dem Schlamm, der in den Bohrstrang 774 hinein gepumpt wird, und dem Schlamm, der aus dem Bohrloch-Ringraum 650 heraus gepumpt wird, ein Gleichgewicht gewahrt wird. Wenn Schlamm im Bohrstrang 774 frei fällt, so wird der überschüssige Schlamm, der in den Bohrloch-Ringraum 650 fällt, zur Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 und/oder zu den Einlässen der Unterwasserpumpen 670 und 686 abgelenkt. Die Unterwasserpumpen arbeiten in dem Maße langsamer, wie der freie Fall des Schlamms im Bohrstrang nachlässt.
Wenn der Bohrstrang zur Oberfläche gezogen wird, so wird das Bohrloch 652 mit einem Schlammvolumen gefüllt, das dem Volumen des aus dem Bohrloch herausgezogenen Bohrstrangs entspricht. Das Füllen des Bohrlochs 652 mit Schlamm gewährleistet den richtigen hydrostatischen Druck der Schlammsäule, um die Kontrolle über das Bohrloch zu behalten. Der Schlamm, der das Bohrloch 652 füllt, kann aus der Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 kommen. Das Volumen des Schlamms, der das Bohrloch füllt, wird anhand der Strömungsraten, die der Strömungsmesser 730 misst, oder anhand der Ablesewerte von einem Kolbenpositionsanzeiger für den Kolben 780 ermittelt. Wenn das Schlammvolumen, welches das Bohrloch füllt, geringer ist als das Volumen des Bohrstrangs, so kann es im Bohrloch zu einem Rückstoßen gekommen sein; und es. müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden. wenn der Schlammfüllstand im Schlammtank 722 niedrig wird, während das Bohrloch 650 mit Schlamm gefüllt wird, so wird die Oberflächenpumpe 716 angeworfen, um Schlamm durch die Rücklaufleitung 676 und/oder 692 und die Drossel-/Absperrleitung 690 in den Schlammtank 722 zu pumpen. Wenn Schlamm in den Schlammtank 722 gepumpt wird, sind die Ventile B, C, F und H offen, und die Ventile A, D und I sind geschlossen.
Wenn der Bohrstrang in das Bohrloch hineingeführt wird, so kann Schlamm gepumpt werden, um den Bohrstrang teilweise zu füllen. Während der Bohrstrang zum Bohrlochgrund hinabgelassen wird, wird ein Schlammvolumen gleich dem Volumen des Bohrstrangs in den Schlammtank 722 gedrückt oder wird durch die Unterwasserpumpen 670 und 686 aus dem Bohrloch 650 herausgepumpt. Das Volumen des Schlamms, der in den Schlammtank 722 hineinfließt oder aus dem Bohrloch 650 herausgepumpt wird, wird gemessen und aufgezeichnet, um zu gewährleisten, dass das aus dem Bohrloch 650 verdrängte Schlammvolumen gleich dem Volumen des Bohrstrangs ist. Wenn das verdrängte Schlammvolumen geringer ist als das Volumen des Bohrstrangs, so ist möglicherweise Schlamm in die Formation gesickert, und es müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Wenn der Schlammtank 722 sich nahezu gefüllt hat, während der Bohrstrang in das Bohrloch eingeführt wird, so werden die Unterwasserpumpen 670 und 686 angeworfen, um Schlamm aus dem Schlammtank 722 zum Schlammrücklaufsystem 714 zu pumpen.
Ein Bohrloch kann zurückstoßen, während gebohrt oder Schlamm zirkuliert wird oder während ein Bohrstrang aus dem Bohrloch herausgezogen wird. Während des Bohrens und der Schlammzirkulation wird ein Einfließen von Formationsfluid zuerst angezeigt, wenn ein Druckanstieg im Bohrloch 650 erkannt wird. Weitere Anzeichen des Einfließens von Formationsfluid können sein: eine erhöhte Strömungsrate, die von den Unterwasser-Strömungsmessern 694 gemessen werden; plötzliche große Volumenzunahmen in der Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722; und große Volumenzunahmen im Schlammrücklaufsystem, wenn die Pumpleistung der Unterwasserpumpen 670 und 686 zunimmt. Wenn ein Einfließen von Formationsfluid erkannt wird, so werden die Unterwasserpumpen 670 und 686 so gesteuert, dass sie den Meerwasserdruck zuzüglich einer Bohrlochkontroll-Sicherheitstoleranz im Bohrloch aufrechterhalten. Der Bohrlochkontrollrand wird anhand eines Druckintegritätstests (DIT) ermittelt. Ein DIT wird in der Regel durchgeführt, nachdem ein neues Futterrohr in das Bohrloch eingeführt und darin einzementiert wurde, um einen unbedenklichen maximalen Bohrlochdruck herzustellen, der nicht zum Brechen der Formation führt.
Wenn der Druck im Bohrloch auf Meerwasserdruck zuzüglich einer Bohrlochkontroll-Sicherheitstoleranz gehalten wird, so wird der Ring-Ausblasverhinderer 742 geschlossen, und das Ventil 764 in der Strömungsleitung 740 wird geöffnet. Das Ventil H wird geschlossen, um den Schlammtank 722 von dem Schlammzirkulationssystem zu trennen, und die Oberflächenschlammpumpe 776 wird in Vorbereitung darauf angeworfen, eingeströmtes Formationsfluid aus dem Bohrloch herauszuzirkulieren. Wenn eingeströmtes Formationsfluid aus dem Bohrloch herauszirkuliert wird, so wird Schlamm über den Bohrstrang in den Bohrloch-Ringraum 650 mit einer konstanten, zuvor festgelegten Sperrrate hineingepumpt, während die Drehzahl der Unterwasserpumpen 670 und 686 so eingestellt wird, dass der erforderliche Rückstau auf den Rücklaufschlammstrom beibehalten bleibt. Die Druckmesswertwandler (a) an den Auslass-Enden der Unterwasserpumpen 670 und 686 liefern dem Mengenregler-Bediener an der Oberfläche sofortige Druckwerte des Pumpenauslassdrucks. Der Mengenregler-Bediener stellt eine oder mehrere Oberflächen-Mengenregler so ein, dass der Fluss von den Rücklaufleitungen zur Oberfläche gesteuert wird und dass große Schwankungen beim Rückstaudruck an der Unterwasserpumpe vermieden werden.
Im Fall eines Rückstoßes oder des Einströmens von Formationsfluid, während der Bohrstrang aus dem Bohrloch herausgezogen wird, wird das Bohrloch statisch abgeschlossen, indem ein oder mehrere Ausblasverhinderer geschlossen werden. Dies verhindert, dass das in das Bohrloch einströmende Formationsfluid zum Bohrschiff auf der Wasseroberfläche gelangt. Der statische Futterrohrdruck (SICP), der statische Bohrrohrdruck (SIDP) und der Volumenzuwachs werden aufgezeichnet. Dann wird der Bohrstrang zum Grund des Bohrlochs geführt, während ein konstanter Grundlochdruck aufrechterhalten wird, indem das richtige Schlammvolumen in den Schlammtank 722 abgelassen wird. Der Bohrstrang wird zuerst in das Bohrloch geführt, ohne dass Schlamm aus dem Bohrloch abgelassen wird, bis der Futterrohrdruck auf den SICP zuzüglich eines Sicherheitsfaktors, beispielsweise 100 psi; ansteigt und der Bohrstrangpenetrationsdruck zunimmt. Der Bohrstrangpenetrationsdruckanstieg ist der Ringdruck, der aus einer Gasblasenverlängerung resultiert, wenn der Bohrstrang in sie eindringt. Dann werden die Unterwasserventile 764 und 770 geöffnet, um Schlamm durch die Mengenregler G in die Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 abzulassen.
In dem Maße, wie der Bohrstrang weiter in das Bohrloch geführt wird, wird Schlamm aus dem Bohrloch in exakt dosierten Mengen abgelassen, um das Volumen des Bohrstrangs, der in das Bohrloch eingeführt wird, auszugleichen. Ein Kolbenpositionsanzeiger, der dazu verwendet wird, die Position des Kolbens im Schlammtank zu beobachten, oder die Strömungsmesser 730 liefern die Informationen zur exakten Messung des Ablassvolumens. Es kann zusätzlicher Schlamm aus dem Bohrloch abgelassen werden, um eine Gasausdehnung zu ermöglichen, wenn eine Gasblase durch das Bohrloch nach oben perkoliert. Ein kontrolliertes Ablassen von Schlamm aus dem Bohrloch ermöglicht es, den richtigen Bohrlochdruck am geschlossenen Ausblasverhinderer aufrecht zu erhalten, so dass weder zusätzliches Fluid einströmt noch Zirkulationsverluste eintreten. Wenn die Schlammkammer 720 des Schlammtanks 722 voll ist, so wird der Einführvorgang vorübergehend gestoppt, und der Schlammfüllstand im Schlammtank wird verringert, indem Schlamm mittels der Unterwasser-Schlammpumpen aus dem Schlammtank zur Oberfläche gepumpt wird. Wenn der Bohrstrang zum Grund des Bohrlochs geführt ist, wird ein Absperrvorgang eingeleitet, um das einströmende Formationsfluid herauszuzirkulieren.
Das erfindungsgemäße Schlammhubsystem gestattet die Vornahme von Überausgleichsänderungen durch vorübergehendes Schließen des Ventils H zum Schlammtank 722 und Einstellen der Drehzahl der Unterwasserpumpen 670 und 686 zum Steuern des Schlammhub-Verstärkungsdrucks. Ein Überausgleich ist die Differenz zwischen dem Formationsporendruck und dem Schlammsäulendruck, wobei der Formationsporendruck höher ist als der Schlammsäulendruck. Bei dem Schlammhubsystem empfiehlt es sich, beim Ein- und Ausbauen des Bohrgestänges eine Schlammdichte zu verwenden, die hoch genug ist, um einen hydrostatischen Druck zu erzeugen, der weit über den Formationsporendrücken liegt, und anschließend den Unterwasserverstärkungsdruck so einzustellen, dass mit einem Unterausgleich oder einem minimalen Überausgleich gebohrt wird, was die Bohrrate erhöht und Formationsbeschädigungen verringert. Das Schlammhubsystem stützt sich darauf, dass die rotierende Ablenkvorrichtung 654 und/oder die nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 661 den Druck halten. Es kann auch ein rotierender Ausblasverhinderer verwendet werden, um den Druck zu halten.
Die Erfindung eignet sich ebenso für Arbeiten in flachem Wasser und an Land, wo das Schlammhubsystem den Druck von einer Tiefe unter der Oberfläche dergestalt erhöht, dass ein Gradientensystem mit zwei Schlammdichten entsteht, wodurch der Überausgleich durch Änderungen des Verstärkungsdrucks des Schlammhubsystems justiert werden kann. Beispielsweise können ein Schlammhubsystem und eine externe Rücklaufleitung außen an einem Futterrohrstrang befestigt werden, wenn der Futterrohrstrang in das Bohrloch eingeführt ist. Wenn dann der Bohrvorgang unterhalb des Futterrohrstrangs wieder. auf genommen wird, kann Schlamm aus der unter der Oberfläche liegenden Tiefe des Schlammhubsystems durch die Rücklaufleitung nach oben zur Oberfläche gepumpt werden, wodurch der Überausgleich verringert wird, um die Bohrrate zu erhöhen und Formationsbeschädigungen zu verringern.
Bohrstrangventil
Die 18, 19A und 19B veranschaulichen ein Bohrstrangventil 880, das in einem Bohrstrang angeordnet werden kann, um zu verhindern, dass Schlamm im Bohrstrang frei fällt. Das Bohrstrangventil 880 enthält einen länglichen Körper 882 mit einem oberen Ende 884 und einem unteren Ende 886. Am oberen Ende 884 ist eine Gewindeaufnahme 888 ausgebildet, und am unteren Ende 886 ist ein Gewindestift 890 ausgebildet. Die Gewindeaufnahme 888 und der Stift 890 ermöglichen den Einbau des Ventils in den Bohrstrang.
Der Körper enthält ein vorstehendes Element 892, das eine Öffnung 894 zur Aufnahme eines druckbetätigten Durchflussmengenreglers 896 definiert. In 19A und 19B sind vergrößerte Ansichten des Durchflussmengenreglers 896 im offenen bzw. geschlossenen Zustand gezeigt. Der Durchflussmengenregler 896 enthält einen Strömungskegel 898 und eine Strömungsmessdüse 900, die in dem Strömungskegel 898 angeordnet ist. Die Strömungsmessdüse 900 hat mehrere Öffnungen 902, die in diametral gegenüberliegenden Paaren entlang des Umfangs der Düse 900 angeordnet sind. In der geschlossenen Position des Ventils sind die Öffnungen 902 durch den Strömungskegel 898 bedeckt. Am oberen Ende der Strömungsmessdüse 900 befindet sich ein Rückschlagventil 906, das einen Fluss aus dem Bohrloch-Ringraum in den Bohrstrang hinein gestatten kann, wenn der Bohrlochdruck ausreicht, den hydrostatischen Druck der Schlammsäule im Bohrstrang zu überwinden. Das Rückschlagventil 906 kann durch ein Blindrohr ersetzt werden, so dass es zu keinem Fluss aus dem Bohrloch-Ringraum in den Bohrstrang hinein kommt. Der Strömungskegel 898 kann innerhalb der Öffnung 894 des vorstehenden Elements 892 gleiten und enthält dynamische Dichtungen 908, die eine Abdichtung zwischen dem vorstehenden Element 892 und der Strömungsmessdüse 900 herstellen.
Ein Strömungsrohr 910, das am unteren Ende der Strömungsmessdüse 900 ausgebildet ist, erstreckt sich zum unteren Ende des Körpers 882. Das untere Ende 912 des Strömungsrohres 910 ist am unteren Ende des Körpers 882 befestigt. Der Außendurchmesser des Strömungsrohres 910 ist größer als der Außendurchmesser der Strömungsmessdüse 900, wodurch ein Hub-Endanschlag für den Strömungskegel 898 gebildet wird, wenn sich der Strömungskegel 898 axial in dem Körper 882 hin und her bewegt.
Die Innenwand 916 des Körpers 882 und die Außenwand 918 des Strömungsrohres 910 definieren eine ringförmige Federkammer 920. Die Federkammer 920 ist an der Oberseite mittels der dynamischen Dichtungen 908 am Strömungskegel 898 abgedichtet. Der Körper 882 enthält eine oder mehrere Öffnungen 924, die eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Bohrloch-Ringraum und der Federkammer 920 herstellen.
In der Federkammer 920 befindet sich eine Feder 930. Ein Ende der Feder 930 stützt sich an einer Anschlagleiste 932 ab, und das andere Ende der Feder 930 stützt sich am unteren Ende 886 des Körpers 882 ab. Die Anschlagleiste 932 ist am unteren Ende des Strömungskegel 898 angebracht. Die Feder 930 ist auf einen zuvor festgelegten Wert vorkomprimiert und so angeordnet, dass sie die Anschlagleiste 932 dergestalt nach oben vorspannt, dass diese das vorstehende Element 892 berührt. Wenn die Anschlagleiste 932 das vorstehende Element 892 berührt, werden die Durchflussöffnungen 902 vollständig durch den Strömungskegel 898 geschlossen.
Im Betrieb kann das Ventil 880 in einem Bohrstrang oder am oberen Ende einer Bohrkrone angeordnet sein. Wenn Schlamm in der Bohrung des Bohrstrangs entlang zum Durchflussmengenreglers 896 gepumpt wird, so wirkt auf das obere Ende des Strömungskegels 898 der Schlammdruck im Bohrstrang ein, während auf das untere Ende des Strömungskegels 898 die Feder 930 und der Bohrlochringraumdruck in der Federkammer 920 einwirkt. Wenn ein genügender Druckunterschied auf den Strömungskegel 898 einwirkt, so beginnt der Strömungskegel 898, sich abwärts zu bewegen, und gibt dabei die Öffnungen 902 frei. So, wie die Öffnungen 902 geöffnet werden, strömt Schlamm in die Strömungsmessdüse 900 und in das Durchflussrohr 910. Der Schlamm, der in das Durchflussrohr 910 eintritt, strömt durch die Bohrkronendüsen in den Bohrloch-Ringraum.
Mit zunehmender Strömungsrate im Bohrstrang nimmt der Druckunterschied zu, der auf den Strömungskegel einwirkt, und der Strömungskegel 898 wird weiter abwärts bewegt, wodurch die freie Durchflussfläche der Öffnungen 902 vergrößert wird. Die Durchflussfläche der Öffnungen 902 erreicht ihr Maximum, wenn die Anschlagleiste das obere Ende des Durchflussrohres 910 berührt, wie in 19b gezeigt. Wenn die Oberflächen-Schlammpumpe abgeschaltet wird, nimmt der Druckunterschied ab, der auf den Strömungskegel 898 einwirkt, wodurch der Strömungskegel 898 sich aufwärts bewegen kann, um dabei die Öffnungen 902 zu schließen.
Wenn der Bohrstrang mit dem Ventil 880 aus dem Bohrloch herausgezogen wird, so verhindert das Ventil 880, dass Schlamm aus dem Bohrstrang heraustropft. Ein (nicht gezeigtes) nadel- oder kugelbetätigtes Ablassventil kann im Bohrstrang installiert sein und kann so betätigt werden, dass der Bohrstrang ablaufen kann, wenn er aus dem Bohrloch gezogen wird. Alternativ kann auch ein (nicht gezeigter) Schlammkasten an der Oberfläche installiert sein, um Schlamm aus dem Bohrstrang aufzufangen, wenn der Bohrstrang zur Oberfläche gezogen wird. So, wie der Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen wird, strömt Schlamm in das Bohrloch nach, wie zuvor beschrieben, um die Kontrolle über das Bohrloch zu behalten.
In der Besprechung des Hydraulikantriebs für die Unterwasser-Schlammpumpen wurde erwähnt, dass der Ansaugdruck der Pumpenelemente auf Meerwasserdruck gehalten wird. Es kann jedoch zweckmäßig sein, den Bohrlochringraumdruck am Ansaugpunkt der Pumpenelemente unter den Meerwasserdruck zu senken. Wie in 20A gezeigt, werden – nachdem die Futterrohre in die Flachwasserformationen eingebracht sind – die Bruchdruckgradienten und Porendruckgradienten am besten durch einen Schlammsäulengradienten in Kombination mit einem Ringraum- oder Schlammgrenzendruck, der sich vom Meerwasserdruck unterscheidet, überschnitten. Die Hinzufügung einer Druckerhöhungspumpe zum Erzeugen des erforderlichen Druckunterschieds zum Füllen der Pumpe mit Schlamm ist eine Möglichkeit, diesen geringeren Ringraumdruck zu erzeugen. 20B zeigt die Hinzufügung einer Schlammladepumpe 2050, die von einem separaten Elektromotor 2052 angetrieben wird. Die Pumpe 2050 würde den geringeren Ringraumdruck zu einem höheren Druck verstärken, der ausreicht, die Unterwasser-Schlammpumpen zu betreiben.
Ein weiteres Verfahren zur effektiven Erhöhung des Druckunterschieds zwischen den Schlammkammern der Pumpenelemente, beispielsweise den Schlammkammern 2020a und 2022a, und ihren jeweiligen Hydraulikarbeitskammern, d. h. den Hydraulikarbeitskammern 2020b und 2022b, besteht darin, eine Druckerhöhungspumpe 2054, wie in 20C gezeigt, hinzuzufügen, die Fluid aus den Hydraulikkammern absaugt und es in das Reservoir 424 abgibt. Dies senkt effektiv den Hydraulikdruck in den Hydraulikarbeitskammern, wenn die entsprechenden Hydrauliksteuerventile einen Strömungspfad zwischen den Hydraulikarbeitskammern und der Ansaugstelle der Druckerhöhungspumpe 2054 öffnen. Der Druck des Schlamms, der in die Schlammkammern fließt, kann um den Betrag des Verstärkungsdrucks gesenkt werden, der von der Druckerhöhungspumpe 2054 erzeugt wird. Das Ergebnis des Absenkens des Ringraum- oder Schlammgrenzendrucks unter den Meerwasserdruck, wie in 20A veranschaulicht, ist ein Zweigradientensystem mit einem Abschnitt mit einem niedrigen Gradienten, der durch einen Schlammgrenzendruck (S) definiert wird. In dem gezeigten Beispiel ist der Schlammgrenzendruck (S) ungefähr 1.000 psi geringer als der Meerwasserdruck (T) an der Schlammgrenze. Der Meerwasserdruck an der Schlammgrenze wird durch die eine oder mehreren Ablenkvorrichtungen gegen die einen geringeren Druck aufweisende Schlammsäule abgedichtet. Rotierende Ausblasverhinderer, die von beiden Richtungen her abdichten, können ebenfalls verwendet werden, um den Meerwasserdruck an der Schlammgrenze abzudichten.
Weitere Ausführungsformen des Offshore-Bohrsystems
21 veranschaulicht ein weiteres Offshore-Bohrsystem 950, das einen Bohrlochkopfschacht 952 enthält, der auf einem Bohrlochkopf 953 auf einem Meeresboden 954 montiert ist. Der Bohrlochkopfschacht 952 enthält eine Bohrlochkontrollbaugruppe 955 und einen Schlammtank 960 mit Druckausgleich. Der Bohrlochkopfschacht 952 ist lösbar über ein Unterwasser-Riserrohr 964 mit dem Bohrschiff 956 verbunden. Ein Bohrstrang 966, der von einer Bohranlage 968 auf dem Bohrschiff 956 getragen wird, erstreckt sich über den Bohrlochkopfschacht 952 in das Bohrloch 972 hinein. Das Bohrsystem 950 enthält ein Schlammhubmodul 972, das auf dem Meeresboden 954 montiert ist. Das Schlammhubmodul 972 ist über eine Ansaugversorgungsleitung 974 mit dem Bohrloch-Ringraum 973 verbunden. Das Schlammhubmodul 972 ist des Weiteren über Auslassversorgungsleitungen 980 und 981 mit den Schlammrücklaufleitungen 976 und 978 verbunden. Strom- und Steuerleitungen zum Schlammhubmodul 972 können in die Versorgungsleitungen integriert sein oder durch separate Versorgungsleitungen getragen werden.
Wie in 22A gezeigt, enthält die Bohrlochkontrollbaugruppe 955 einen Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht 958 und ein unteres Unterwasser-Riserpaket (UURP) 959. Der Unterwasser-Ausblasverhinderungsschacht 958 enthält Schieber-Ausblasverhinderer 982 und 984. Das UURP 959 enthält Ring-Ausblasverhinderer 986 und 988 und ein flexibles Verbindungsstück 989. An dem Ring-Ausblasverhinderer 988 ist ein Durchflussrohr 990 angebracht. Das Durchflussrohr 990 hat Durchflussöffnungen 922, die über einen Strömungskanal in der Ansaugversorgungsleitung 974 mit den Ansaug-Enden der Unterwasserpumpen verbunden sind. Eine Ablenkvorrichtung 996 ist an dem Durchflussrohr 990 angebracht, und eine Ablenkvorrichtung 998 ist an der Ablenkvorrichtung 996 angebracht. Die Ablenkvorrichtung 996 kann eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung sein, ähnlich den nicht-rotierenden Ablenkvorrichtungen, die in den 4A bis 4C gezeigt sind. Wie in 22B gezeigt, enthält der Schlammtank 960 mit Druckausgleich, der dem Schlammtank 42 ähnelt, einen Verbinder 1000, der so konfiguriert ist, dass er mit dem Verbinder 1002 an der Ablenkvorrichtung 998 zusammenpasst. Der Schlammtank 960 enthält des Weiteren einen Verbinder 1004, der mit einem Riserrohrverbinder 1006 am unteren Ende des Unterwasser-Riserrohres 96 zusammenpasst.
Bis hierher wurde die Erfindung im Kontext eines Unterwasser-Riserrohres beschrieben, das einen Bohrlochkopfschacht auf dem Meeresboden mit einem Bohrschiff auf einem Gewässer verbindet. Die Erfindung eignet sich aber ebenso für riserrohrlose Bohrkonfigurationen. 23 veranschaulicht ein riserrohrlose Bohrsystem 1100 mit einem Bohrlochkopfschacht 1102, der auf einem Bohrlochkopf 1104 auf einem Meeresboden 1106 montiert ist. Der Bohrlochkopfschacht 1102 enthält eine Bohrlochkontrollbaugruppe 1108, ein Schlammhubmodul 1110 und einen Schlammtank 1112 mit Druckausgleich. Ein Bohrstrang 1114 erstreckt sich von einer Bohranlage 1115 auf einem Bohrschiff 1116 über den Bohrlochkopfschacht 1102 in das Bohrloch 1120 hinein.
Ein Rücklaufleitungssystem 1122 verbinden ein (nicht gezeigtes) Schlammrücklaufsystem auf dem Bohrschiff 1116 mit den Auslass-Enden von (nicht gezeigten) Unterwasser-Schlammpumpen im Schlammhubmodul 1110. Das Rücklaufleitungssystem 1122 stellt des Weiteren eine Verbindung für Hydraulik- und Stromversorgung und – steuerung zwischen dem Bohrlochkopfschacht 1102 und dem Bohrschiff 1116 bereit. Das Rücklaufleitungssystem 1122 enthält eine untere Versorgungsleitung 1124, einen Arretierungsverbinder 1126, ein Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128, eine Boje 1130 und eine obere Versorgungsleitung 1132. Schlamm, der von den (nicht gezeigten) Unterwasser-Schlammpumpen des Schlammhubmoduls 1110 ausgestoßen wird, fließt durch die untere Versorgungsleitung 1124, den Arretierungsverbinder 1126, das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 und die obere Versorgungsleitung 1132 in das Schlammrücklaufsystem auf dem Bohrschiff 1116. Das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 wird durch die Boje 1130 vertikal im Wasser gehalten.
24A und 24B zeigen die Komponenten der Bohrlochkontrollbaugruppe 1108, die zuvor in 23 veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält die Bohrlochkontrollbaugruppe 1108 Schieber-Ausblasverhinderer 1136 und 1138 und Ring-Ausblasverhinderer 1140 und 1142. Auf dem Ring-Ausblasverhinderer 1140 ist ein Durchflussrohr 1144 montiert. Eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 1145 ist an dem Durchflussrohr 1144 montiert, und eine rotierende Ablenkvorrichtung 1146 ist an der Ablenkvorrichtung 1145 montiert. Die Ablenkvorrichtung 1145 kann eine der Ablenkvorrichtungen sein, die in den 3A und 3B gezeigt sind. Die Ablenkvorrichtung 1146 kann eine der Ablenkvorrichtungen sein, die in den 4A bis 4C gezeigt sind. Das Schlammhubmodul 1110 enthält Unterwasser-Schlammpumpen 1148 mit Ansaug-Enden, die über Strömungskanäle 1149 in der unteren Versorgungsleitung 1124 mit dem Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 verbunden sind.
Der Schlammtank 1112 enthält einen Verbinder 1150, der so konfiguriert ist, dass er mit einem ähnlichen Verbinder 1152 an der Ablenkvorrichtung 1146 zusammenpasst. Der Schlammtank 1112 ähnelt dem Schlammtank 42. Ein Abstreifer 1154 am Schlammtank 42 enthält ein Abstreifelement ähnlich dem Abstreifelement 234 (in 5 gezeigt), das eine Niederdruckabdichtung gegen einen Bohrstrang darstellt, der in der Bohrung des Schlammtanks aufgenommen ist. Ein Führungstrichter 1156 an der Oberseite des Abstreifers 1154 hilft dabei, Bohrwerkzeuge vom Bohrschiff 1116 in das Bohrloch 1120 zu führen.
25 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128, das zuvor in 23 veranschaulicht wurde. Wie gezeigt, enthält das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 eine erste Rücklaufleitung 1160 und eine zweite Rücklaufleitung 1162, die in einer Tragekonstruktion 1164 angeordnet sind. Die Tragekonstruktion 1164 enthält ein Paar vertikal voneinander beabstandeter Platten 1166, die durch Zugstangen 1168 zusammengehalten werden. Die Platten haben aufeinander ausgerichtete Öffnungen zur Aufnahme der Rücklaufleitungen 1160 und 1162. Die Platten haben des Weiteren eine Öffnung zur Aufnahme einer Hydraulikfluidleitung 1170. Die Hydraulikfluidleitung 1170 versorgt den Bohrlochkopfschacht 1102 mit Hydraulikfluid.
Ein Auftriebsmodul 1172 umgibt die Tragekonstruktion 1164, die Rücklaufleitungen 1160 und 1162 und die Hydraulikfluidleitung 1170. In dem Auftriebsmodul 1172 befinden sich Stromkabel 1174. Die Stromkabel 1174 versorgen die Komponenten im Schlammhubmodul 1110 mit Strom. Die Rücklaufleitungen 1160 und 1162, die Hydraulikfluidleitung 1170 und die Stromkabel 1174 sind über den Arretierungsverbinder 1126 (siehe 23) mit dem Bohrlochkopfschacht 1102 verbunden. Das Auftriebsmodul 1172 ist so dargestellt, dass es sich entlang eines oberen Abschnitts der Rücklaufleitungen 1160 und 1162 erstreckt. Es versteht sich, dass das Auftriebsmodul die Rücklaufleitungen 1160 und 1162, einschließlich der Hydraulikfluidleitung 1170 und der Stromkabel 1174, vollständig umschließen kann.
26 zeigt ein alternatives Rücklaufleitungs-Riserrohr 1180, das anstelle des Rücklaufleitungs-Riserrohres 1128, das in 25 veranschaulicht ist, verwendet werden kann. Das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1180 enthält eine Rücklaufleitung 1182 mit einer Flanschkonstruktion 1184, die an ihrem oberen Ende angebracht ist. Die Flanschkonstruktion 1184 enthält eine Öffnung 1186 zur Aufnahme einer zweiten Rücklaufleitung 1188 und eine Öffnung 1189 zur Aufnahme einer Hydraulikzufuhrleitung 1190. Die Rücklaufleitungen 1182 und 1188, die Hydraulikzufuhrleitung 1190 und die Stromkabel 1192 sind in einem Auftriebsmodul 1194 untergebracht. Das Auftriebsmodul 1194 kann sich über einen Abschnitt längs der Rücklaufleitungen erstrecken oder die Rücklaufleitungen vollständig umschließen.
Während für die Rücklaufleitungs-Riserrohre 1128 und 1180 zwei Rücklaufleitungen gezeigt sind, versteht es sich, dass auch eine einzelne Rücklaufleitung oder mehr als zwei Rücklaufleitungen verwendet werden können. Es können auch mehr als zwei Stromkabel und mehr als eine einzelne Hydraulikzufuhrleitung in das Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem integriert sein. Das Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1122 sollte vom Bohrlochkopfschacht 1102 weit genug entfernt sein, um zu vermeiden, dass sich das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1128 und der Bohrstrang 1114 gegenseitig behindern.
27 veranschaulicht ein weiteres Offshore-Bohrsystem 1200, das einen Bohrlochkopfschacht 1202 enthält, der an einem Bohrlochkopf 1204 auf einem Meeresboden 1206 montiert ist. Der Bohrlochkopfschacht enthält eine Bohrlochkontrollbaugruppe 1208 und einen Schlammtank 1210 mit Druckausgleich. Ein Bohrstrang 1212, der von einer Bohranlage 1214 auf einem Bohrschiff 1216 getragen wird, erstreckt sich über den Bohrlochkopfschacht 1202 in ein Bohrloch 1218 hinein. Das Bohrsystem enthält ein Schlammhubmodul 1220, das auf dem Meeresboden 1206 montiert ist. Das Schlammhubmodul ist über Ansaugversorgungsleitungen mit dem Bohrloch-Ringraum verbunden. Das Schlammhubmodul ist des Weiteren über Auslassversorgungsleitungen mit einem Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem verbunden, ähnlich dem Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1122, wie in 23 gezeigt.
28 veranschaulicht ein weiteres Offshore-Bohrsystem 1300, das einen Bohrlochkopfschacht 1302 enthält, der auf einem Bohrlochkopf 1303 auf einem Meeresboden 1304 angeordnet ist. Der Bohrlochkopfschacht 1302 enthält eine Bohrlochkontrollbaugruppe 1308, einen Schlammtank 1310 mit Druckausgleich und einen Bohrlochkopf 1312. Ein Bohrstrang 1314, der von einer Bohranlage 1316 auf dem Bohrschiff 1306 getragen wird, erstreckt sich in das Bohrloch 1318 hinein. Das Bohrsystem 1306 enthält ein Schlammhubmodul 1320, das auf dem Meeresboden 1304 montiert ist. Das Schlammhubmodul 1320 ist über Ansaugversorgungsleitungen 1324 mit dem Bohrloch-Ringraum 1322 verbunden.
Ein Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1326 erstreckt sich von dem Schlammhubmodul 1328 zum Bohrschiff 1306. Das Rücklaufleitungs-Riserrohrsystem 1326 enthält ein Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330, eine Boje 1332 und eine obere Versorgungsleitung 1334. Die Auslass-Enden der Unterwasserpumpen 1336 sind mit dem unteren Ende des Rücklaufleitungs-Riserrohres 1330 verbunden. Die obere Versorgungsleitung 1334 verbindet das obere Ende des Rücklaufleitungs-Riserrohres 1330 mit einem (nicht gezeigten) Schlammrücklaufsystem auf dem Bohrschiff 1306. Die Boje 1332 ist so angeordnet, dass sie das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330 in einer vertikalen Position hält. Das Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330 sollte vom Bohrstrang 1314 weit genug entfernt sein, so dass keine gegenseitigen Behinderungen entstehen.
Wie in 29 gezeigt, enthält die Bohrlochkontrollbaugruppe 1308 Schieber-Ausblasverhinderer 1336 und 1338 sowie Ring-Ausblasverhinderer 1340 und 1342. Auf dem Ring-Ausblasverhinderer 1342 ist ein Durchflussrohr 1344 montiert. Das Durchflussrohr 1344 hat einen Auslass 1350, der über eine Leitung 1324 mit den Ansaug-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 1352 des Schlammhubmoduls 1328 verbunden ist. Die Auslass-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 1352 sind mit Rücklaufleitungen 1354 und 1356 im Rücklaufleitungs-Riserrohr 1330 verbunden. Eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung 1346 ist an dem Durchflussrohr 1344 montiert, und eine rotierende Ablenkvorrichtung 1348 ist an der Ablenkvorrichtung 1346 montiert. Die Ablenkvorrichtungen 1346 und 1348 sind dafür konfiguriert, dass sie den Fluss vom Bohrloch-Ringraum zur Durchflussleitung 1324 ablenken.
30 veranschaulicht ein Flachwasserbohrsystem 1450, das dafür verwendet werden kann, einen Anfangsabschnitt eines Bohrlochs zu bohren. Das Flachwasserbohrsystem 1450 enthält eine Durchflussbaugruppe 1452, die auf einem Führungsgehäuse 1454 montiert ist. Das Führungsgehäuse 1454 ist am oberen Ende eines Führungsfutterrohres 1455 befestigt, das sich in ein Bohrloch 1456 im Meeresboden 1457 hinein erstreckt. Die Durchflussbaugruppe 1452 enthält eine rotierende Ablenkvorrichtung 1458, die auf einem Durchflussrohr 1460 montiert ist. Das Durchflussrohr 1460 ist durch den Verbinder 1462 mit dem Führungsgehäuse 1454 verbunden. An Auslässen 1465 des Durchflussrohres 1460 sind Strömungsmesser 1464 angebracht. Am Auslass der Strömungsmesser 1464 sind Ventile 1466 angebracht, und am Auslass der Ventile 1466 sind verstellbare Mengenregler 1468 angebracht.
Die rotierende Ablenkvorrichtung 1458 kann eine der rotierenden Ablenkvorrichtungen sein, die in den 4A bis 4C gezeigt sind. Eine nicht-rotierende Ablenkvorrichtung, wie beispielsweise eine der Ablenkvorrichtungen, die in den 3A und 3B gezeigt sind, kann ebenfalls zwischen der rotierenden Ablenkvorrichtung 1458 und dem Verbinder 1462 angeordnet sein. Die Ablenkvorrichtung 1458 ist so konfiguriert, dass sie Bohrfluid, bei dem es sich um Meerwasser handeln kann, vom Bohrloch-Ringraum 1470 zu den Auslässen 1465 des Durchflussrohres 1460 ablenkt.
Ein Bohrstrang 1474 erstreckt sich von einem (nicht gezeigten) Bohrschiff an der Oberfläche zum Bohrloch 1456. Während des Bohrens steigt das Bohrfluid, das in den Bohrstrang 1474 hineingepumpt wird, im Bohrloch- Ringraum 1470 nach oben zu den Auslässen 1465 des Durchflussrohres 1460. Das Fluid verlässt die Auslässe 1465 und tritt in die Strömungsmesser 1464 ein. Die Strömungsmesser 1464 sind beispielsweise Strömungsmesser vom Vollbohrungstyp ohne Strömungsbehinderung. Fluid verlässt die Strömungsmesser 1464 und tritt in die Ventile 1466 ein. Die Ventile 1466 sperren den Strömungskanal ab. Fluid verlässt die Ventile 1466 und tritt in die Mengenregler 1468 ein. Das in die Mengenregler 1468 eintretende Fluid wird auf den Meeresboden abgelassen.
Der Mengenregler 1468 ähnelt dem Schlammsparventil, das im US-Patent Nr. 5,339,864, das auf die Hydril Company übertragen wurde, beschrieben ist. Die Mengenregler 1468 sind ein Mittel zum Regeln des Strömungswiderstandes und ermöglichen so die Steuerung des Rückstaudrucks im Bohrloch-Ringraum 1470. Dadurch ist es möglich, mit leichteren Bohrfluiden, wie beispielsweise Meerwasser, zu bohren und gleichzeitig einen ausreichenden Druck auf die Formation auszuüben, um dem Einfließen von Formationsfluiden in das Bohrloch zu widerstehen.
Ein Druckmesswertwandler 1500 misst den Fluiddruck im Bohrloch-Ringraum 1470. Der Druckmesswertwandler 1500 wird durch ein ferngesteuertes Fahrzeug (FGF) 1502 über die Steuerleitung 1510 überwacht. Die Steuerleitungen 1504, 1506 und 1508 verbinden die Strömungsmesser 1464, die Ventile 1466 bzw. die Mengenregler 1468 mit dem FGF 1502. Das FGF 1502 überwacht die Strömungsraten in den Strömungsmessern 1464 und bedient die Ventile 1466 und die Mengenregler 1468. Die Messwerte von den Strömungsmessern 1464 und dem Druckmesswertwandler 1500 dienen als Steuerungs-Sollwertpunkte zum Justieren der Mengenregler 1468.
Das Bohrsystem 1450 stellt ein Gradientensystem mit zwei Bohrfluiddichten bereit, das aus der Bohrfluidsäule, die sich vom Grund des Bohrlochs zur Schlammgrenze oder zum Meeresboden erstreckt, und dem Rückstaudruck, der an der Schlammgrenze mittels der Mengenregler, die dem Regeln des Ablassflusses dienen, aufrecht erhalten wird, besteht. 31 vergleicht dieses Gradientensystem mit zwei Bohrfluiddichten mit einem Gradientensystem mit einer einzigen Bohrfluiddichte für den Fall eines Bohrlochs in einer Wassertiefe von 5.000 Fuß. Wie gezeigt, hat das Aufrechterhalten eines Rückstaudrucks an der Schlammgrenze den Effekt, dass die Schlammdruckgrenze im Bohrloch nach rechts verschoben wird. Diese verschobene Schlammdruckgrenze passt besser zum Porendruck- und Bruchgradienten der Formation.
32 zeigt ein Schlammzirkulationssystem für ein Bohrsystem, das ein Schlammhubmodul, beispielsweise ein Schlammhubmodul 1651, mit einer Durchflussbaugruppe, beispielsweise der Durchflussbaugruppe 1652 (in 30 gezeigt), enthält. Ein Bohrloch-Ringraum 1658 erstreckt sich vom Grund des Bohrlochs 1660 zur Ablenkvorrichtung 1662. Eine Leitung 1664 erstreckt sich vom Bohrloch-Ringraum 1658 nach außen und zweigt zu den Durchflussleitungen 1668 und 1670 ab. Das Ventil 1686 in der Leitung 1664 kann geöffnet werden, damit Fluid über die Leitung 1664 aus dem Bohrloch fließen kann, oder es kann geschlossen werden, damit kein Fluid über die Leitung 1664 aus dem Bohrloch fließen kann. Der Strömungsmesser 1686 misst die Rate, mit der Fluid aus der Durchflussbaugruppe 1652 ausfließt.
Die Durchflussleitung 1668 verläuft zu den Ansaug-Enden der Unterwasserpumpen 1672 und 1674. Absperrventile 1692 und 1693 dienen erforderlichenfalls dem Abtrennen der Pumpen 1672 und 1674 vom Rohrsystem. Eine Durchflussleitung 1670 verläuft zur Schlammkammer 1676 des Schlammtanks 1656. Eine Durchflussleitung 1680 ermöglicht die Zufuhr oder das Abziehen von Meerwasser zur bzw. aus der Meerwasserkammer 1678. Eine in der Durchflussleitung 1680 angeordnete Pumpe 1682 kann dazu verwendet werden, den Druck in der Meerwasserkammer 1678, auf, über oder unter dem Meerwasser-Umgebungsdruck zu halten. Der Strömungsmesser 1684 misst die Rate, mit der Meerwasser in die oder aus der Meerwasserkammer ein- bzw. ausfließt.
Ein Bohrstrang 1700 erstreckt sich über die Durchflussbaugruppe 1652 in das Bohrloch 1660. Der Bohrstrang 1700 transportiert Bohrfluid von der Schlammpumpe 1698 zum Bohrloch-Ringraum 1658. Die Auslass-Enden der Unterwasser-Schlammpumpen 1672 und 1674 sind mit einer Rücklaufleitung 1694 verbunden, die zum Schlammrücklaufsystem 1696 führt.
Im Betrieb tritt Fluid, das in der Bohrung des Bohrstrangs 1700 entlang gepumpt wurde, in das Bohrloch 1660 ein und steigt im Bohrloch-Ringraum 66 nach oben. Das Fluid im Bohrloch-Ringraum tritt in die Durchflussleitung 1664 ein und fließt durch das Ventil 1686, den Strömungsmesser 1688 und das Ventil 1690 in das Ansaug-Ende der Unterwasserpumpen 1672 und 1674. Der Fluiddruck wird in die Rücklaufleitung 1694 abgelassen, und die Rücklaufleitung 1694 transportiert das Fluid zum Schlammrücklaufsystem an der Oberfläche.
Die Pumpraten der Unterwasserpumpen 1672 und 1674 werden so gesteuert, dass der gewünschte Rückstaudruck im Bohrloch 1660 aufrechterhalten wird. Der Rückstaudruck kann so eingestellt werden, dass ein ausgeglichener, ein unterausgeglichener oder ein überausgeglichener Bohrzustand entsteht.
Obgleich die Erfindung anhand einer begrenzten Anzahl Ausführungsformen beschrieben wurde, fallen dem Fachmann zahlreiche Variationen von dieser Erfindung ein, ohne dass der erfindungsgemäße Gedanke und der Geltungsbereich der Erfindung verlassen werden. In den Rahmen der angehängten Ansprüche fallen alle derartigen Modifikationen und Variationen, die dem Durchschnittsfachmann einfallen.

Claims

System (10) zum Bohren eines Unterwasserbohrlochs (30) von einer Bohranlage (20) aus mit einem unter der Bohranlage (20) befindlichen Unterwasser-Bohrlochkopf (35), umfassend: eine am Unterwasserbohrlochkopf (35) montierte Bohrlochkopfgarnitur (37), die wenigstens eine Unterwasser-Sicherheitsventilausblasleitung (46) und eine Unterwasser-Ablenkvorrichtung umfasst; einen Bohrstrang (60), der sich von der Bohranlage (20) aus durch die Bohrlochkopfgarnitur (37) hindurch in das Bohrloch (30) hinein erstreckt, wobei der Bohrstrang (6 0) dazu dient, Bohrfluid von der Bohranlage (20) zu einer Bohrkrone (64) in dem Bohrloch (30) zu leiten; ein Riser-Rohr (52), das an einem Ende mit der Bohrlochkopfgarnitur (37) und am anderen Ende mit der Bohranlage (20) verbunden ist, wobei das Riser-Rohr (52) im Inneren den Bohrstrang (60) dergestalt aufnimmt, dass ein Riser-Ringraum zwischen dem Bohrstrang (60) und dem Riser-Rohr (52) gebildet wird; einen Bohrloch-Ringraum (66), der sich vom Boden des Bohrlochs (30) aus zur Unterwasser-Ablenkvorrichtung (106, 108) erstreckt, wobei der Bohrloch-Ringraum (66) vom Riser-Ringraum durch die Unterwasser-Ablenkvorrichtung getrennt ist und so konfiguriert ist, dass er Fluid von der Bohrkrone (64) wegleitet; und eine Pumpe (102) mit einer Ansaugseite, die mit dem Bohrloch-Ringraum (66) in strömungsmäßiger Verbindung steht, und einer Auslassseite, die mit der Bohranlage (20) in strömungsmäßiger Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (102) in der Weise arbeitet, dass in dem Bohrloch-Ringraum (66) ein ausgewählter Druckgradient aufrecht erhalten wird, wobei die Pumpe (102) des Weiteren eine erste Kammer (372; 404) umfasst, die mit dem Bohrloch-Ringraum (66) in strömungsmäßiger Verbindung steht, wobei die erste Kammer (372; 404) dafür vorgesehen ist, selektiv Fluid vom Bohrloch-Ringraum (66) zu empfangen und an den Bohrloch-Ringraum (66) abzugeben, wobei die erste Kammer (372; 404) in einem Behälter (356; 392) ausgebildet ist, in dem eine zweite Kammer (370; 402) ausgebildet ist, und wobei ein bewegliches Element (362; 398) zwischen der ersten und der zweiten Kammer angeordnet ist, wobei das bewegliche Element (362; 398) so konfiguriert ist, dass es sich in Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kammer (372, 370; 404, 402) in dem Behälter (356; 392) bewegt.
System gemäß Anspruch 1, wobei das Riser-Rohr (52) mit Meereswasser gefüllt ist.
System gemäß Anspruch 2, wobei die Pumprate der Pumpe (102) so gesteuert wird, dass eine zuvor festgelegte Menge Fluid in der ersten Kammer (372; 404) verbleibt, dergestalt, dass der ausgewählte Druckgradient in dem Bohrloch-Ringraum (66) aufrecht erhalten wird.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pumprate der Pumpe (716) so gesteuert wird, dass das bewegliche Element (780) in einer zuvor festgelegten Position in dem Behälter (722) gehalten wird.
System gemäß Anspruch 4, wobei die zuvor festgelegte Position einem Zustand entspricht, bei dem die Drücke in der ersten und der zweiten Kammer (720, 726) im Wesentlichen gleich dem Meerwasser-Umgebungsdruck sind.
System gemäß Anspruch 4, wobei die zuvor festgelegte Position einem Zustand entspricht, bei dem ein ausgewählter Druckunterschied zwischen dem Bohrloch-Ringraum (66) und dem umgebenden Meerwasser herrscht.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend einen Drucksensor (2028) zum Überwachen des Drucks in der ersten Kammer (2020b, 2022b) und ein Ventil (1890a, 1890b) zum Verhindern eines Fluidflusses vom Bohrloch-Ringraum (66) zur ersten Kammer (2020b, 2022b), wenn der vom Drucksensor (2028) gemessene Druck den Nenndruck des Behälters übersteigt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Kammer (2020b, 2022b) so angeschlossen ist, dass sie Fluid von einer Fluidquelle auf der Bohranlage (20) durch ein Ventil (426b, 428b) empfängt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Vorrichtung zum Steuern der Größe von Festpartikeln in dem Fluid, das von dem Bohrloch-Ringraum (66) zur Ansaugseite der Pumpe strömt.
System gemäß Anspruch 9, wobei die Vorrichtung zum Steuern der Größe von Festpartikeln einen Gesteinszerkleinerer (550) mit rotierenden Schaufeln (582, 584) zum Zerkleinern von Festpartikeln enthält.
System gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die Vorrichtung zum Steuern der Größe von Festpartikeln Folgendes umfasst: ein Gehäuse (622) mit einem Port (640), der hydraulisch mit der Ansaugseite der Pumpe (102) verbunden ist; und eine in dem Gehäuse (622) angeordnete Tonne (632) mit einer Bohrung, die hydraulisch mit dem Bohrloch-Ringraum (66) verbunden ist, und einer Mehrzahl von Löchern (634), die in strömungsmäßiger Verbindung mit dem Port (640) stehen, wobei Festpartikel, die größer sind als die Löcher (634), nicht durch die Löcher (634) zu dem Port (640) gelangen können.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend ein in dem Bohrstrang (60) angeordnetes druckbetätigtes Ventil (880), das verhindert, dass Bohrfluid frei von dem Bohrstrang (60) in das Bohrloch (30) fällt.
System gemäß Anspruch 12, wobei das druckbetätigte Ventil (880) Folgendes umfasst: einen länglichen Körper (882) mit einer durch diesen Körper (882) hindurch verlaufenden Bohrung; eine in der Bohrung angeordnete Strömungsmessdüse (900) mit wenigstens einem Port (902) für eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Bohrstrang (60) und der Bohrkrone; einen zwischen dem Körper (882) und der Strömungsmessdüse (900) angeordneten Strömungskegel (898), der zwischen einer geöffneten Position, in der eine Fluidströmung vom Bohrstrang (60) zum Port (902) möglich ist, und einer geschlossenen Position, in der keine Fluidströmung vom Bohrstrang (60) zum Port (902) möglich ist, bewegt werden kann; eine Öffnung in dem Körper (882) zum Übermitteln von Druck in dem Bohrloch-Ringraum (66) zur Bohrung; und einen Vorspannmechanismus (920, 930, 932), der den Strömungskegel (898) in die normale, d. h. geschlossene Position drängt; wobei der Strömungskegel (898) sich von der geschlossenen Position in die geöffnete Position bewegt, wenn der Druck des durch den Bohrstrang (60) gepumpten Fluids einen zuvor festgelegten Wert erreicht, und in die geschlossene Position zurückkehrt, wenn der Druck des durch den Bohrstrang (60) gepumpten Fluids unter den zuvor festgelegten Wert abfällt.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Pumpe (102) eine Verdrängerpumpe ist.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend wenigstens eine Drossel-/Absperrleitung (56, 58) für eine strömungsmäßige Verbindung zwischen dem Bohrloch-Ringraum (66) und der Bohranlage (20).
System gemäß Anspruch 15, wobei die Drossel-/Absperrleitung (674, 690) die Auslassseite der Pumpe (670, 686) hydraulisch mit der Bohranlage (20) verbindet.
System gemäß Anspruch 16, wobei die Drossel-/Absperrleitung (674, 690) hydraulisch mit der Ansaugseite der Pumpe (670, 686) durch ein Ventil (F) und eine Drosselvorrichtung verbunden ist.
System gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druck des aus dem Bohrloch-Ringraum (66, 650) fließenden Fluids auf Meereswasser-Umgebungsdruck gehalten wird.
System gemäß Anspruch 18, des Weiteren umfassend eine Druckerhöhungspumpe (2050) zum Erhöhen des Drucks des in die Ansaugseite der Pumpe einströmenden Fluids.