NO313712B1

NO313712B1 - Method and apparatus for displacement fluid replacement fluid in a riser

Info

Publication number: NO313712B1
Application number: NO20011447A
Authority: NO
Inventors: Oddgeir Hoeiland
Original assignee: Oddgeir Hoeiland
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-11-18
Also published as: NO20011447D0; NO20011447L

Description

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte som er innrettet til å forhindre sammenblanding av væsker i et stigerør av den art som anvendes ved petroleumsutvinning til havs. Oppfinnelsen omfatter også en anordning for utøvelse av fremgangsmåten. This invention relates to a method which is designed to prevent mixing of liquids in a riser of the type used in petroleum extraction at sea. The invention also includes a device for carrying out the method.

Ved petroleumsutvinning til havs er det vanlig at et brønn-hode (wellhead) er anbrakt på havbunnen over brønnåpningen i en tidlig fase av borearbeidet. Brønnhodet som er tettende forbundet til brønnens utforing (casing), er forsynt med nød-vendige sikkerhetsventiler (BOP) og tilkoplingsanordninger, blant annet for et stigerør som forbinder brønnhodet med et borefartøy på havoverflaten. I borefasen er brønnen og stige-røret fylt med borevæske. In the case of offshore petroleum extraction, it is common for a wellhead to be placed on the seabed above the well opening in an early phase of the drilling work. The wellhead, which is tightly connected to the well's casing, is equipped with the necessary safety valves (BOP) and connection devices, including for a riser that connects the wellhead to a drilling vessel on the sea surface. In the drilling phase, the well and riser are filled with drilling fluid.

Et borerør/borestreng (drill pipe) som ved sitt nedre endeparti er forsynt med en borekrone, føres fra borefartøyet gjennom stigerøret, brønnhodet og videre ned i brønnen gjennom brønnens utforing og ned til brønnbunnen hvor boringen foregår. Borevæske sirkuleres ned gjennom borerøret til bore-kronen hvorfra det medbringende borekaks strømmer tilbake til borefartøyet i ringrommet mellom borerøret og utforingen/ stigerøret. A drill pipe/drill string (drill pipe) which is fitted with a drill bit at its lower end, is led from the drilling vessel through the riser, the wellhead and further down into the well through the well's lining and down to the bottom of the well where the drilling takes place. Drilling fluid is circulated down through the drill pipe to the drill bit, from where the entrained cuttings flow back to the drilling vessel in the annulus between the drill pipe and the casing/ riser.

Stigerøret er vanligvis forsynt med flere utvendig beliggende mindre rør (choke and kill pipes) som forløper parallelt med stigerøret, og disse er i sitt øvre ehdeparti tilkoplet prosessutstyr på borefartøyet, mens de i sitt nedre endeparti er koplet til brønnhodet på hensiktsmessige steder mellom sik-kerhetsventilene. Rørene kan eksempelvis anvendes for å skif-te ut borevæske i brønnen dersom brønntrykket øker slik at stigerøret som normalt har atmosfæretrykk ved overflaten, må stenges av ved brønnhodet for å hindre uønsket utstrømning av borevæske. The riser is usually equipped with several externally located smaller pipes (choke and kill pipes) that run parallel to the riser, and these are connected in their upper part to process equipment on the drilling vessel, while in their lower end part they are connected to the wellhead at appropriate places between the the pressure valves. The tubes can, for example, be used to replace drilling fluid in the well if the well pressure increases so that the riser, which normally has atmospheric pressure at the surface, must be shut off at the wellhead to prevent unwanted outflow of drilling fluid.

Under boring hender det at eksempelvis dårlig vær nødven-diggjør fråkopling av borefartøyet fra brønnen. Ved slik fråkopling er det vanlig at borerørdelen som befinner seg under brønnhodet ved hjelp av et hensiktsmessig verktøy, henges av i brønnhodet. Borerørpartiet som befinner seg over avheng-ningsverktøyet, koples fra dette og trekkes opp. En ventil i brønnhodet stenges og lukker derved det nedre parti av bore-røret inne i brønnen. Det er således ikke nødvendig å trekke opp hele borerøret, noe som kan ta lang tid. During drilling, it happens that, for example, bad weather makes it necessary to disconnect the drilling vessel from the well. In the case of such a disconnection, it is usual for the part of the drill pipe that is located under the wellhead to be suspended in the wellhead using a suitable tool. The part of the drill pipe located above the suspension tool is disconnected from it and pulled up. A valve in the wellhead is closed and thereby closes the lower part of the drill pipe inside the well. It is thus not necessary to pull up the entire drill pipe, which can take a long time.

Etter at borerørets nedre parti er hengt av og lukket inne After the lower part of the drill pipe has been suspended and closed in

i brønnen, trekkes som nevnt borerørets øvre parti opp fra brønnhodet. Før fråkopling av stigerøret fra brønnhodet må in the well, as mentioned, the upper part of the drill pipe is pulled up from the wellhead. Before disconnecting the riser from the wellhead,

imidlertid borevæsken som befinner seg i stigerøret, skiftes ut med vann. Hensikten med væskeutskiftingen er å ta vare på borevæsken og å forhindre at den forurenser omgivelsene. Vanligvis utføres dette ved å pumpe vann ned til brønnhodet via however, the drilling fluid in the riser is replaced with water. The purpose of the fluid replacement is to take care of the drilling fluid and to prevent it from contaminating the surroundings. This is usually carried out by pumping water down to the wellhead via

de utvendig beliggende mindre rør, slik at vannet fortrenger borevæsken ut av stigerøret og inn i borefartøyets oppsam-lingstanker. Stigerøret koples deretter fra brønnhodet. the externally located smaller pipes, so that the water displaces the drilling fluid out of the riser and into the drilling vessel's collection tanks. The riser is then disconnected from the wellhead.

Det er et problem at det ved slik utskiftning av væske i sti-gerøret i området hvor de to væskene er i kontakt, foregår en betydelig væskesammenblanding. Borevæske blir således forurenset av vann. Rensing eller destruering av slik forurenset borevæske er relativt kostbart. It is a problem that with such replacement of liquid in the riser in the area where the two liquids are in contact, a significant mixing of liquids takes place. Drilling fluid is thus contaminated by water. Cleaning or destroying such contaminated drilling fluid is relatively expensive.

NO patent 309306 omhandler en fremgangsmåte og et system for testing av et borehull i en grunnformasjon ved anvendelse av såkalt lukket-kammer-testing. En forskyvbar plugg danner en barriere mellom formasjonsfluid og et dempefluid i systemets testrør. En anordning ifølge dokumentet er imidlertid ikke egnet til å løse den angjeldende oppgave. NO patent 309306 deals with a method and a system for testing a borehole in a foundation formation using so-called closed-chamber testing. A displaceable plug forms a barrier between formation fluid and a damping fluid in the system's test pipe. However, a device according to the document is not suitable for solving the task in question.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe ulempene ved den kjente fremgangsmåte. The purpose of the invention is to remedy the disadvantages of the known method.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved according to the invention by the features indicated in the description below and in the subsequent patent claims.

Når borefartøyet skal koples fra brønnhodet forsynes bore-strengen, gjerne nær avhengningsverktøyet, med et stempel eller en annen anordning som er innrettet til å holde væsker adskilt. Stemplet kan eventuelt utgjøre en del av avheng-ningsverktøyet. Stempelets ytterdiameter er tilpasset., stige-rørets innerdiameter og er fortrinnsvis langs sin ytterperi-feri forsynt med et materiale som er innrettet til å hindre When the drilling vessel is to be disconnected from the wellhead, the drill string is provided, preferably close to the suspension tool, with a piston or other device designed to keep fluids separated. The stamp may possibly form part of the suspension tool. The outer diameter of the piston is adapted to the inner diameter of the riser and is preferably provided along its outer periphery with a material designed to prevent

at væske kan strømme forbi stempelet når det forskyves i sti-gerøret. Ved forskyvning av det med det nevnte stempel og av- that liquid can flow past the piston when it is displaced in the riser tube. By displacing it with the aforementioned stamp and off-

hengningsverktøy forsynte borerør nedover i stigerøret, fortrenger stempelet borevæsken som befinner seg i stigerøret. Den fortrengte borevæske strømmer opp gjennom ett eller flere av de utenpå stigerøret beliggende mindre rør. Rørvolumet over stempelet etterfylles med vann. Når borerørets nedre parti er avhengt i brønnhodet og borerørets øvre parti er frakoplet avhengningsverktøyet, kan også borevæske som eventuelt befinner seg i borerørets øvre parti, utskiftes med vann via de samme mindre rør, ett av gangen. De mindre rør hanging tool supplied drill pipe down the riser, the piston displaces the drilling fluid that is in the riser. The displaced drilling fluid flows up through one or more of the smaller pipes located outside the riser. The tube volume above the piston is refilled with water. When the lower part of the drill pipe is suspended in the wellhead and the upper part of the drill pipe is disconnected from the suspension tool, drilling fluid that may be located in the upper part of the drill pipe can also be replaced with water via the same smaller pipes, one at a time. The smaller pipes

blir således også fylt med vann. En av brønnhodets stengean-ordninger lukkes over avhengningsverktøyet og borerørets nedre parti. Stemplet trekkes deretter opp sammen med borerørets øvre parti. Deretter koples stigrør og de mindre rør av fra brønnhodet. is thus also filled with water. One of the wellhead's shut-off devices closes over the suspension tool and the lower part of the drill pipe. The piston is then pulled up together with the upper part of the drill pipe. The risers and the smaller pipes are then disconnected from the wellhead.

Når borefartøyet igjen skal tilkoples brønnhodet, påkoples stigerøret og de mindre rør til brønnhodet, hvoretter stempelet igjen føres ned til brønnhodet sammen med avhengnings-verktøyets tilkoplingsanordning. Avhengningsverktøyets tilkoplingsanordning forbindes deretter til avhengningsverk-tøyet. Det vann som befinner seg i tilkoplingsområdet mellom stigerør og brønnhode, blir utsirkulert ved at borevæske pumpes ned gjennom det til brønnhodet lavest påkoplede mindre rør og returnerer opp til borefartøyet gjennom det andre mindre rør. Deretter etterfylles stigerøret med borevæske etter hvert som stempelet sammen med avhengningsverktøyet og borerøret trekkes opp gjennom stigerøret. Det rene vann som befant seg i stigerøret, strømmer ut uten å bli forurenset av den innstrømmende borevæske. Stempelet og avhengningsvertøyet demonteres fra borerøret etter at de er trukket opp til bore-fartøyet før boringen kan fortsette. When the drilling vessel is to be connected to the wellhead again, the riser and the smaller pipes are connected to the wellhead, after which the piston is again brought down to the wellhead together with the suspension tool's connection device. The suspension tool's connection device is then connected to the suspension tool. The water that is in the connection area between the riser and the wellhead is circulated by drilling fluid being pumped down through the smallest pipe connected to the wellhead and returning up to the drilling vessel through the other smaller pipe. The riser is then refilled with drilling fluid as the piston together with the suspension tool and drill pipe is pulled up through the riser. The clean water that was in the riser flows out without being contaminated by the inflowing drilling fluid. The piston and suspension tool are dismantled from the drill pipe after they have been pulled up to the drilling vessel before drilling can continue.

Stempelet eller en annen anordning som er innrettet til å holde væsker adskilt/ kan selvsagt anvendes på tilsvarende måte uten at et avhengningsverktøy benyttes. The plunger or another device which is designed to keep liquids separated can of course be used in a similar way without using a suspension tool.

Stemplet er utformet som et tetningselement ifølge i og for- The piston is designed as a sealing element according to i and for-

seg kjent teknikk. Eksempelvis kan stempelet foruten stempel-legemet omfatte et gjennomgående relativt kort borerør som i sine endepartier er forsynt med til de anvendte borerør komp-lementært passende gjenger. Stempelet kan langs sin ytterpe-riferi være: forsynt med et elastisk materiale som er innret- known technique. For example, in addition to the piston body, the piston may comprise a continuous, relatively short drill pipe, which in its end parts is provided with threads complementary to the drill pipes used. Along its outer periphery, the piston can be: provided with an elastic material which is arranged

tet til tettende å kunne forskyves innvendig i stigerøret.'tight to tight to be able to be displaced inside the riser.'

Om ønskelig kah stemplet forsynes med en eller flere styrbare gjenriomstrømningsventiler og/eller enveisventiler. If desired, the piston can be supplied with one or more controllable reverse flow valves and/or one-way valves.

I det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på In what follows, a non-limiting example is described

''X''X

en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på med-følgende tegninger, hvor: a preferred embodiment which is illustrated in the accompanying drawings, where:

Fig. 1 skjematisk viser et borefartøy som via et stigerør er tilkoplet et brønnhode på havbunnen; Fig. 2 skjematisk i snitt viser et brønnhode hvor et avheng-ningsverktøy og et stempel av angjeldende art er tilkoplet et borerør og befinner seg i et stigerør like over brønnhodet; Fig. 3 skjematisk i snitt viser brønnhodet i fig. 1, men her er avhengningsverktøyet kommet til anslag mot brønnhodet; FigX^C skj^ Fig. 1 schematically shows a drilling vessel which is connected via a riser to a wellhead on the seabed; Fig. 2 schematically in section shows a wellhead where a suspension tool and a piston of the relevant type are connected to a drill pipe and are located in a riser just above the wellhead; Fig. 3 schematically shows the wellhead in fig. 1, but here the suspension tool has come to rest against the wellhead; FigX^C skj^

er stempelet og borerørets øvre parti koplet fra avhengnings-verktøyet ; og the piston and the upper part of the drill pipe are disconnected from the suspension tool; and

Fig. 5 skjematisk i snitt viser brønnhodet i fig. 1, men her har en av brønnhodets avstengningsventiler stengt brønnhodets øvre åpning og stigerøret og de mindre rør er koplet av fra brønnhodet. Fig. 5 schematically shows in section the wellhead in fig. 1, but here one of the wellhead's shut-off valves has closed the wellhead's upper opening and the riser and the smaller pipes have been disconnected from the wellhead.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 et på havoverflaten 2 seg befinnende borefartøy. Et brønnhode 4 befinner seg på havbunnen 6 og er tettende tilkoplet en brønns 8 forings-rør 10. Et stigerør 12 er tettende forbundet til brønnhodet og rager gjennom vannet opp til borefartøyets 1 tilkoplingsanordning/prosessutstyr 14. Mindre rør 16, 16' (choke and kill pipes) forløper fra borefartøyets 1 tilkoplingsanordning/ prosessutstyr 14 parallelt med stigerøret 12 og ned til brønnhodet 4, hvor de på hensiktsmessige steder, eventuelt via ikke viste ventiler, er forbundet med brønnhodets 4 hul-rom gjennom boringer 16, 16'. Brønnhodet er forsynt med et antall ventiler hvorav bare en avstengningsventil 18,18' er vist. Brønnhodet 4 er videre forsynt med et leie 20. In the drawings, the reference number 1 denotes a drilling vessel located on the sea surface 2. A wellhead 4 is located on the seabed 6 and is sealingly connected to a well 8's casing pipe 10. A riser 12 is sealingly connected to the wellhead and projects through the water up to the drilling vessel's 1 connection device/process equipment 14. Smaller pipes 16, 16' (choke and kill pipes) extend from the drilling vessel's 1 connection device/process equipment 14 parallel to the riser 12 and down to the wellhead 4, where they are connected in appropriate places, possibly via valves not shown, to the wellhead's 4 cavity through bores 16, 16'. The wellhead is provided with a number of valves of which only one shut-off valve 18,18' is shown. The wellhead 4 is also provided with a bearing 20.

Et borerør 22 som rager nedover fra borefartøyet 1 befinner seg innvendig i stigerøret 12 og brønnen 8. Et avhengnings-verktøy 24 er innmontert i borerøret 22 via koplinger 26, 26" . A drill pipe 22 projecting downwards from the drilling vessel 1 is located inside the riser 12 and the well 8. A suspension tool 24 is fitted into the drill pipe 22 via couplings 26, 26".

Alle anordninger som er beskrevet så langt i beskrivelsens spesielle del, er av i og for seg velkjent art. All devices described so far in the special part of the description are of a well-known type in and of themselves.

Et stempel 30 omfattende et relativt kort borerør 32 og et stempellegeme 34 er innmontert i borerøret 22 ved hjelp av koplinger 26', 26". Stempelets 34 utvendige diameter er tilpasset stigerørets 12 innerdiameter, og kan være forsynt med tetninger 36, 36' av et elastisk materiale som er innrettet til å tette mot stigerørets 12 innermantel når stempelet 30 A piston 30 comprising a relatively short drill pipe 32 and a piston body 34 is installed in the drill pipe 22 by means of couplings 26', 26". elastic material which is designed to seal against the inner jacket of the riser 12 when the piston 30

forskyves i stigerøret 12. is displaced in the riser 12.

Når stigerøret 12 og de mindre rør 16, 16' skal koples fra brønnhodet 4, trekkes borerøret opp en lengde som minst til-svarer havdybden på borestedet. Et avhengningsverktøy 24 og et stempel 30 monteres inn mellom to av borerørets 22 seksjo-ner. Borerøret 22 med det påkoplede avhengningsverktøy 24 og stempel 30 senkes deretter nedover, se fig. 2. Borevæske som befinner seg under stempelet 30 i stigerøret 12 fortrenges under senkingen av stempelet 30, og strømmer opp til borefar-tøyet gjennom de mindre rør 16, 16'. Vann tilføres i stigerø-ret 12 over stempelet 30. When the riser 12 and the smaller pipes 16, 16' are to be disconnected from the wellhead 4, the drill pipe is pulled up a length which at least corresponds to the sea depth at the drilling site. A suspension tool 24 and a piston 30 are fitted between two of the drill pipe 22 sections. The drill pipe 22 with the attached suspension tool 24 and piston 30 is then lowered downwards, see fig. 2. Drilling fluid which is located below the piston 30 in the riser 12 is displaced during the lowering of the piston 30, and flows up to the drilling vessel through the smaller pipes 16, 16'. Water is supplied in the riser 12 above the piston 30.

Når avhengningsverktøyet 24 kommer til anslag mot brønnhodets 4 leie 20, befinner stempelet 30 seg like over brønnhodet 4, se fig. 3. Det alt vesentligste av borevæsken som befant seg i stigerøret 12 er således fortrengt. When the suspension tool 24 comes to rest against the bed 20 of the wellhead 4, the piston 30 is located just above the wellhead 4, see fig. 3. Most of the drilling fluid that was in the riser 12 is thus displaced.

Stemplet 30 og borerørets 22 øvre parti frakoples avheng-ningsverktøyet 24, se fig. 4. For å sikre at borerørets 22 øvre endeparti er tømt for borevæske, kan om ønskelig vann pumpes ned på slik måte at det strømmer tilbake først gjennom det ene mindre rør 16 og deretter gjennom det andre mindre rør 16'. Alternativt kan det pumpes vann ned gjennom det ene mindre rør 16' og tilbake gjennom det mindre rør 16, hvorved borevæske som befinner seg i de mindre rør 16, 16' og brønn-hodet 4 blir ført tilbake til borefartøyet 1. The piston 30 and the upper part of the drill pipe 22 are disconnected from the suspension tool 24, see fig. 4. To ensure that the upper end part of the drill pipe 22 is emptied of drilling fluid, if desired, water can be pumped down in such a way that it flows back first through one smaller pipe 16 and then through the other smaller pipe 16'. Alternatively, water can be pumped down through the one smaller pipe 16' and back through the smaller pipe 16, whereby drilling fluid that is in the smaller pipes 16, 16' and the wellhead 4 is led back to the drilling vessel 1.

Deretter lukkes brønnhodets 4 avstengningsventil 18, 18', og stigerøret 12 og de mindre rør 16, 16' koples fra brønnhodet 8, se fig. 5. The wellhead 4 shut-off valve 18, 18' is then closed, and the riser 12 and the smaller pipes 16, 16' are disconnected from the wellhead 8, see fig. 5.

Når boringen skal gjenopptas, gjennomføres ny væskeutskifting slik som den er beskrevet ovenfor, men i motsatt rekkefølge ved at det pumpes borevæske ned gjennom det mindre rør 16' hvorved vann i de mindre rør 16, 16' og brønnhodet 4 utsirku-leres gjennom det mindre rør 16. Sirkuleringen fortsetter, slik at borevæske etterfylles når stempelet 30 forskyves opp stigerøret 12. When the drilling is to be resumed, a new fluid replacement is carried out as described above, but in the opposite order by pumping drilling fluid down through the smaller pipe 16' whereby water in the smaller pipes 16, 16' and the wellhead 4 is circulated through the smaller pipe 16. The circulation continues, so that drilling fluid is refilled when the piston 30 is moved up the riser 12.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen reduserer i vesentlig grad behovet for rensning og destruksjon av forurenset borevæske. Anvendelse av fremgangsmåten vil derved medføre en betydelig økonomisk og miljømessig gevinst. The method according to the invention substantially reduces the need for cleaning and destruction of contaminated drilling fluid. Application of the method will thereby entail a significant financial and environmental gain.

Claims

1. Procedure for use when replacing liquid in a riser (12) of the type used in petroleum extraction at sea, where the riser (12) forms a connection between a wellhead (4) on or above the seabed (6) and a drilling vessel ( 1), and where a drill pipe (22) extends from the drilling vessel (1) down to, possibly through the wellhead (4), characterized in that a body (30) which is designed to keep the liquids separated and is connected to the drill pipe ( 22), is displaced in the longitudinal direction of the riser (12) together with at least a part of the drill pipe (22).

2. Method according to claim 1, characterized in that the liquid displaced from the riser (12) by the body (30) flows to the drilling vessel (1) via one or more pipes (16, 16').

3. Device for replacing liquid in a riser (12) of the type used in petroleum extraction at sea, where the riser (12) forms a connection between the wellhead (4) on or above the seabed (6) and a drilling vessel (1) ) where a sealing body (30) that can be moved against the inner wall of the riser (12) is placed in the riser (12), characterized in that the body (30) is connected to a drill pipe (22).

4. Device according to claim 3, characterized in that the body (30) is connected to and/or forms part of a suspension tool (24).