Foringsrør : metoder og utstyr i forbindelse med setting av foringsrør 8241200668 [PDF]

Zitiervorschau

21 3*5/

Rune B. Vik

FORINGSRØR Metoder og utstyr i forbindelse med setting av foringsrør

Vett&Vitenas

©Vett & Viten A/S 1990

ISBN 82-412-0066-8 Illustrasjoner: Susanne Kihle og Bjørn Norheim

Boka er tidligere utgitt av NKI-forlaget i 1982 Printed in Norway 1990

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og foto­ grafiloven eller i strid med avtaler om kopiering som er gjort med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere av åndsverk.

Utgiver: Vett & Viten A/S Postboks 381, 1301 Sandvika

Forord

Foringsrør inngår i en serie av læremidler innen boretekniske fag. Hen­

sikten med serien er å dekke behovet for norske lærebøker både på det grunnleggende og det videregående nivå i henhold til eksisterende fag­ planer.

Boka har en gradvis økende vanskelighetsgrad, slik at den kan brukes på alle nivåer innen faget. Utvalget av illustrasjoner er basert på vanlig benyttet utstyr og teknikker på det tidspunkt boka ble skrevet. Forlaget

INNHOLD

1. FORINGSRØR 7 1.1. Boring fra faste installasjoner 11 1.2. Boring fra flytende installasjoner 16

2. KLASSIFISERING AV FORINGSRØR 2.1. Testspørsmål 25

20

3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6.

INNKJØRING AV FORINGSSTRENGEN 27 Klargjøring av hullet 27 Foringsrørverktøy 27 Klargjøring av foringsrørene 32 Styring og sammenskruing 35 Etterfylling av foringsrørene 39 Væskesirkulasjon med foringsstrengen på hullbunnen

4.

LANDING AV FORINGSSTRENGEN 40

39

5. OPPSUMMERING 41 5.1. Testspørsmål 46 6. FORINGSRØRSTILBEHØR 6.1. Testspørsmål 60 7.

48

ÅRSAKER TIL PROBLEMER MED FORINGSRØRENE 61

INSPEKSJON, TESTING OG BEHANDLING A V FORINGSRØRENE 62 8.1. Inspeksjonsmetoder 63 8.2. Magnetisk Flux lekkasjesystem 65 8.3. Gamma strålemetoden 65 8.

KONSTRUKSJON AV FORINGSSTRENGER 66 Diametrene til de enkelte foringsstrengene 66 Settedypene til foringsstrengene 67 Kontroll av planlagte settedyp under boring av en undersøkelsesbrønn 76 9.4. Krefter som virker på foringsstrengene 78 9.5. Testspørsmål 85

9. 9.1. 9.2. 9.3.

5

10.

KRITERIER VED KONSTRUKSJON AV FORINGSSTRENGER 86

10.1. Åpningsrøret 86 10.2. Forankrings- og mellomforingene 10.3. Produksjonsforingen 89

86

91

II.

REKNEEKSEMPLER

12.

KONSTRUKSJON AV ET FORINGSSTRENGPROGRAM FOR NORDSJØEN 96

12.1. Foringsstreng berekninger 96 12.2. Oppsummering av kriteriene ved konstruksjon av foringsstrenger 102 108 13.1. En metode for berekning av sammensatte foringsstrenger 13.2. Eksempel 108 13.

14.

SAMMENSATT FORINGSSTRENG

FREMSTILLING AV FORINGSRØR

14.1. Sømløse foringsrør 14.2. Sveisede foringsrør

6

113 113

115

15.

TABELLER

16.

STIKKORDREGISTER

17.

L1TTERA TURREFERA NSER

117 118

113

108

1. Foringsrør

Sett fra et rent boreteknisk synspunkt er hovedformålet med boring etter olje eller gass å bore seg ned til den hydrokarbonførende formasjonen, for så å installere et rør som kan transportere hydrokarbonene opp til overflaten. Dette røret kalles for en foringsstreng (casing). Foringsstrengen sementeres fast til formasjonen når den er satt på plass. På denne måten oppnås en trykktett forbindelse mellom reservoaret og overflaten, eller mellom forskjellige reservoarer og overflaten. Foringsstrengen har flere viktige funksjoner. Disse funksjonene er lis­ tet opp nedenfor: — forhindre utgraving av hullet i grunne og/eller svake formasjoner. — forhindre tapt sirkulasjon, se Figur 1. — kontrollere formasjonstrykket i de tilfellene hvor borevæsken er for lett til å kunne gi slik kontroll. Dette kan skje når en har boret seg gjennom en høytrykkssone. Borevæskevekten reduseres gjerne for å øke boresynken. — begrense fremtidig produksjon til den olje-/gass-førende formasjo­ nen, se Figur 2. — forhindre vann i å trenge inn i den produserende sonen. — muliggjøre installasjon av produksjonsrør (tubing), og produksjonstesteutstyr samt annet utstyr som kan være nødvendig for å oppnå ef­ fektiv produksjon: pakninger, pumper, ventiler etc. — forhindre at borevæsken reduserer permeabiliteten til mulige produksjonssoner. — redusere friksjonskreftene, «torque» og «drag», ved videre boring. Dette er spesielt viktig ved retningsboring. — forhindre at borestrengen skal grave seg inn i formasjonen på steder hvor hullbanen har en knekk.

7

a) Tapt sirkulasjon under skoen fordi borevæsketrykket er høyere enn oppsprekkingstrykket.

b) Mellomforingen er satt på riktig sted og i riktig øyeblikk.

Figur 1. Forhindring av tapt sirkulasjon.

Figur 2. Begrensing av fremtidig produksjon til den olje-/gassførende for­ masjonen.

Innkjøring av produksjonsforingen og installasjon av produksjonsrøret er det siste som gjøres ved fullføring av en brønn. Produksjonsforingen kjøres og settes ikke før brønnen er boret ned til endelig dyp og testet, slik at en vet at brønnen har stort nok produksjonspotensiale. Det er nødvendig å sette mellomforinger på forskjellige dyp for å gi brønnen støtte, forhindre sammenrasing, samt lede borevæsken tilbake til overflaten. Alt avhengig av formålet til de enkelte foringsstrengene kan foringsstrengene deles inn i fem hovedtyper, jfr. Figur 3. 1. Åpningsrør (Marine Conductor) 2. Forankringsforing (Surface csg. )* 3. Mellomforing (Intermediate csg.) 4. Produksjonsforing (Production csg.) 5. Bunnforing (Liner) Ikke tegnet inn på fig. 3.

* csg. = casing = foringsstreng.

9

- ÅPNINGSRØR, 30"

FORANKRINGSFORING, 20"

SEMENT

ÅPNINGSRØR, 30"

FORANKRINGSFORING, 20"

MELLOMFORING, 13 3/8“

ÅPNINGSRØR, 30"

FORANKRINGSFORING, 20

MELLOMFORING, 13 3/8"

PRODUKSJONSFORING, 9 5/8

Figur 3. Typisk bilde av foringsstrenger, Nordsjøen.

10

På «off-shore» boreplattformer er det nødvendig å installere en rørforbindelse mellom boredekket og havbunnen. Når en borer fra faste installasjoner, så som oppjekkbare plattformer, produksjonsplattformer — stålplattformer (Jackets), betongplattformer (Condeep), kalles denne rørforbindelsen åpningsror eller ledeforing. Drivrør («Drivepipe») er et annet navn som gjerne brukes på denne forbindelsen. Denne foringsstrengen går fra boredekket og et kort styk­ ke ned i de øverste løse lagene. Drivrøret slås som oftest ned i de løse formasjonene ved hjelp av die­ sel — eller hydraulisk opererte rambukker. Denne foringsstrengen tjener til å støtte opp brønnveggen i de løse formasjonene nær overflaten, slik at brønnen ikke raser sammen. Drivrøret skal også sørge for at borevæs­ ken returnerer tilbake til ovefflaten. På flytende plattformer er det ingen fast forbindelse mellom boredek­ ket og havbunnen. I stedet for et rør fra dekket og ned i havbunnen er det her et marint stigerør (Marine Riser) som kan frakobles utblåsingsventilen (BOP-stack). Stigerøret benyttes om igjen fra brønn til brønn, se Figur 4.

Figur 4. Faste og flytende installasjoner.

1.1. Boring fra faste installasjoner Den første foringsstrengen som settes ved boring fra faste installasjoner betegnes som nevnt driv-rør (Drive-pipe), eller åpningsrør (Conductor Casing). Åpningsrøret skal sørge for retur av borevæsken, og samtidig for­ hindre at de løse formasjonene på havbunnen raser inn i hullet. Det er vanlig at denne foringsstrengen settes fra 50 til 150 meter under havbun­ nen. Typisk foringsstrengstørrelse er 30" og hulldiameter er 36". 11

En borer deretter brønnen ned til neste settedyp, idet en reduserer Kullstørrelsen (borekronediameteren). Denne foringsstrengen kalles forankringsforing (SurfaceCasing). Formålet med denne foringsstrengen er å isolere svake (ukonsoliderte) overflate-formasjoner og grunne sandlag som kan inneholde gass. Vanlige settedyp for forankringsforingen er her 300—1200 meter un­ der havbunnen. Vanlig diameter er 20" og hulldiameteren er 26". Utblåsingsventilen (BOP-stack) som monteres på toppen av forank­ ringsforingen skal normalt tåle trykk på opp til 670 bar (10 000 psi). Forankringsforingen skal også tjene som fundament for produksjonsforingen når denne til slutt settes. Borekronediameteren reduseres ytterligere og hullet bores nå så dypt som det lar seg gjøre før formasjonen sprekker opp p.g.a. vekten til borevæsken som må benyttes for å nå dette dypet. Når planlagt settedyp er nådd, settes mellomforingen. Denne foringsstrengen henges av i brønnhodet som er montert på toppen av forankringsforingen.

Mellomforingen skal også gi beskyttelse mot utblåsning (Blow-Out kon­ troll). Hensikten med mellomforingen er i tillegg til utblåsingskontroll, å gi beskyttelse mot tapt sirkulasjon (Lost circulation), isolere gasslommer, hindre oppsprekking av formasjonene samt stenge av problema­ tiske soner. Slike soner kan bestå av Gumbo leire, salt eller være forma­ sjon med stor mulighet for tapt sirkulasjon. Gumbo leire er navnet på en svellende leire det finnes mye av i Nordsjøen. I svært dype brønner, eller brønner hvor en støter på dforutsette pro­ blemer er det ofte nødvendig å sette flere mellomforinger. Borer en inn i en høytrykkssone er det vanlig å sette en foringsstreng like over sonen, og en foringsstreng like etter at en har boret seg gjen­ nom denne sonen. Dette gjøres for at det skal være mulig å bore videre nedover med lettere borevæske. Settedypene varierer her ganske mye, men normale settedyp er fra 1500 til 3500 meter, og vanlige diametre er 16", 13Vs" og95/8". Dersom mellomforingen når ned til endelig dyp, betegnes den gjerne for produksjonsforing. Hvis mellomforingen ikke når ned til reservoaret må en ofte sette en avkortet foringsstreng. Denne foringsstrengen kalles bunnforing (Liner, Production Liner). Den henges av inne i den sist satte foringsstrengen ca. 150 meter over foringsrørsskoen til denne. En viktig grunn til at bunnforingen settes er økonomiske hensyn. Dersom det skulle vise seg at brønnen ikke er produktiv kan en forlate brønnen uten å ha satt foringsstrengen fra bunnen til overflaten. Før en ikke produktiv brønn forlates må brønnen plugges ved hjelp av meka­ niske og/eller sementplugger i.h.t. gjeldende forskrifter. Skulle det der­ imot vise seg at brønnen er produktiv er det mulig å forlenge bunnforin­ gen tilbake til overflaten. Dette gjøres ved hjelp av såkalte «tilbakeføringselement», se Figur 5. Bunnforingene henges av enten hydraulisk v.h.a. pakninger, eller mekanisk, v.h.a. metall tenner som trenger inn i foringsstrengveggen, se Figur 6.

12

FORINGSRØR

BLY PAKNING

CHEVRON PAKNING

SEMENT PORT

CHEVRON

PAKNING

"TIE-BACK" MOTTAKER MED POLERT INNSIDE VANLIGVIS 12 TIL 14 ft. LANG

FORINGSRØR

Figur 5. Tilbakeføringselement (Tie-back assembly).

13

Figur 6. Bunnforingshenger (mekanisk).

14

1.2. Boring fra flytende installasjoner I store trekk foregår boringen fra flytende og faste plattformer på samme måten. Forskjellen er plasseringen av utblåsingsventilen. På fly­ tende plattformer må den av nødvendige grunner stå plassert nede på havbunnen, mens den på en fast installasjon står under selve boredek­ ket, på underdekket («Cellar Deck»), Drivrøret på en fast installasjon er på flytende plattformer erstattet med utblåsingsventilen, og det Marine stigerøret («Marine Riser»). Den første virkelige foringsstrengen som settes fra en flytende platt­ form kalles åpningsrøret. Denne foringsstrengen skal gi støtte til det permanente ledefundamentet (permanent guide base), se Figur 7 som «utblåsningsventilen» (BOP-stack) landes på.

Figur 7. Vetco's permanente ledefundament.

Forankringsforingen må være så sterk, og så godt bundet (sementert) til formasjonen at den kan holde oppe utblåsingsventilen, og påfølgende foringsstrenger som henges av inne i brønnhodet («well-headen»). Brønnhodet er montert på toppen av denne foringsstrengen, se Figurene 8 og 9. Deretter settes en mellomforing, produksjonsforing, og kanskje en bunnforing. Åpningsrøret har i dette tilfellet bare til hensikt å støtte opp brønnen nær overflaten. Den gir ikke feste for en eventuell utblåsingsventil, den­ ne monteres som oftest først på forankringsforingen (20"). Figur 10 viser typiske foringsstrengsprogram for boring fra hen­ holdsvis faste og flytende plattformer i Nordsjøen.

15

FORINGSSTRENGHENGERE

BRØNNHODE, FORANKRINGS­ FORING

BRØNNHODE, LEDEFORING

Figur 8. Vetco ’s brønnhode med foringsstrenger avhengt inni.

16

VIRKEMÅTE :

1

DRIVKRAFTEN BLIR OVERFØRT TIL

2 .DET ELASTISKE SAMMENPRESSNINGS ELEMENTET SOM UTVIDES

OG SAMTIDIG PRESSER 3 . METALL LIPPENE UT MOT FORINGS­

STRENGEN OG MOT

4 . forankringsforing 5

FORINGSSTRENGHENGEREN

ØVRE METALL PAKNINGS LIPPER

ELASTISK SAMMENPRESSNINGS ELEMENT

NEDRE METALL PAKNINGS LIPPER

Figur 9. Vetcos brønnhode system.

17

1 NORDSJØEN

W

KALLES DENNE OGSÅ FOR ÅPNINGSRØR FORANKRINGSFORING, 20"

ÅPNINGSRØR, 30"

k FORANKRINGS­ FORING 20" MELLOMFORING 13 3/8"

k MELLOMFORING 13 3/8"

k MELLOMFORING 9 5/8"

J k PRODUKSJONSFORING 9 5/8", 7"

■ ' 1

■

•

• •

'

k PRODUKSJONSFORING 9 5/8’; 7"

, ved 1400 m Poppsp. 1400 =(1-83 • 0.0981 -1400) bar Pqppsp. i4oo ~ 251.33 bar Nødvendig hydrostatisk trykk for å balansere formasjonstrykket, i tilfel­ le stigerøret tas bort, må bereknes. Dette trykket kan uttrykkes som en borevæskegradient, TGBV PBV. 1800—225 "f Psv. 200 — P|. 1800

TGbv • [1800 - 225] + 200 ■ 1.03 • 0.0981 = 291.35

tgbv

—

291.35 —[200- 1-03 • 0.0981] = 0.17 bar/m = 1.75 ST [1800 - 225]

«Kick margin» (mengde med gass som kan tas inn uten at formasjonen sprekker opp) vil i dette tilfelle være; Pr 1800 _ (1800 - 1400 - h) • TGbv - h ■ VGg_ = Popp,p. I4(H, h = 291.35 - 251.33 - (1800 - 1400) • 0,17 = 177 m 0.012-0.17

Høyden på gassøyien som kan tillates å strømme inn i brønnen, er h = 177 m «Kick»-volumet vil være = [177 • 0.0436] m3 = 7.7 m3 = (48.6 Bbls) hvor 0.0436 representerer ringromsvolumet mellom hull og vektrør. Et «Kick»-volum på 7.7 m3 bør kunne oppdages i tide. En kunne der­ for ha øket tettheten til borevæsken og fortsatt boringen. 77

9.4. Krefter som virker på foringsstrengene

TEMPERATUR, T ( °C)

-------------------- -

Figur 54. Temperaturens effekt på stålkvaliteten. For dype brønner må en anta at det oppstår en svekkelse i stålets flytestyrke pga temperaturens effekt på stålet. Dersom en ikke har kjennskap til temperaturgradienten i det aktuelle området, kan en gradient på 3° C/100 meter brukes. Kr står for stålets flytegrense ved temperaturen T.

Problemet med å konstruere en foringsstreng vil være å velge ut de mest økonomiske gradene og vektene av foringsrør som er istand til å motstå alle forventede påkjenninger. Kreftene som virker på en foringsstreng er ikke konstante, men varie­ rer med dybden. De vanligste kreftene som en foringsstreng utsettes for, og som den må tåle er; — Utvendig trykk forårsaket av borevæsken, eller reservoarvæsken på utsiden av foringsstrengen (sammenpressing) — Innvendig trykk som kan oppstå ved f.eks. en «kick» (sprengning) — Aksielle trykkspenninger. 78

Aksielle strekkspenninger pga egenvekten til foringsrørene. Boyespenninger pga retningsborede hull. Krefter pga jordskorpebevegelser. Krefter som oppstår pga temperaturforandringer i bronnen, se Figur 54. — Dynamiske krefter under innkjoringen av foringsrørene. — Kjemiske påvirkninger, korrosjon — H S. CO . — Slitasje av foringsstrengen p.g.a. selve rotasjonsboringen. Figur 55 (neste side) viser 5 av de vanligste kreftene. Disse kreftene er også forholdsvis enkle å berekne. For å redusere konsekvensene av eventuelle feil i de bereknede størr­ elsene bruker en alltid en designfaktor. , Maksimalt tillatte spenninger Designfaktor = ---------------------------------- - ----Virkelige utreknede spenninger Aksielle trykkpåkjenninger under innkjoringen av foringsstrengen, og bøyekrefter som opptrer i retningsborede hull er med på å redusere de oppgitte verdiene for sammenpressing («Collapse»), sprengning («Burst»), og strekk. Motstanden mot sammenpressing reduseres også når strekk påkjenningene blir store. I tillegg kan styrken til foringsrørene reduseres under transport, ved korrosjon, og ved høye temperaturer. Alle disse forholdene skal dekkes av designfaktoren. Valg av riktig designfaktor er avhengig av to forhold, nemlig; — Sikkerhet — Økonomi En altfor høy designfaktor gir en viss garanti moUsammenbrudd, men foringsstrengen kan da bli unødvendig sterk (tung), og dermed ufor­ holdsmessig kostbar. En lav designfaktor tilsier at en er istand til, eller må være istand til å rekne ut alle påkjenningene nøyaktig. Tabell 8 viser en del vanlig benyt­ tede designfaktorer.

— — — —

Gulf Statoil Esso Conoco Elf USA trend Comité des Techniciens Saga

Strekk «Tension»

Sammenpressing «Collapse»

Sprengning «Burst»

1.50 1.75 * 1.50 1.60 1.5—1.7 1.75

1.0 1.125 * 1.10 *** 0.85-1.0 0.85—1.125 0:60-1.125

1.0 1.0 * 1.10 1.05 1.10 1.10

1.75—1.5 1.60

0.85-1.125 1.10

1.10 1.20

Tabell 8. Vanlig benyttede designfaktorer. ' For 30 " foringsstrengen benytter en ofte en noe lavere D F for strekkspenninger. For 9 5/«" foringsstrengen benyttes ofte en noe lavere D.F for sammenpressing og sprengning *’ Minimum designfaktorer ’' * D.F på 0 85 refererer seg til den sementerte delen av foringsstrengene. D F i tabell 8. er ikke umiddelbart sammenlignbare da konstruksjonskritenene kan variere fra selskap til selskap

79

SAMMENPRESS ING (COLLAPSE)

(COMPRESS ION)

Figur 55. Krefter som virker på foringsstrengene.

80

Sammenpressing («Collapse»); oppstår når trykket på utsiden blir mye hoyere enn trykket inne i foringsstrengen. Når foringsstrengen skal konstrueres med hensyn på sammenpressingstrykk bor en alltid anta verste tilfellet. Dette vil være når forings­ strengen er tom innvendig og fylt på utsiden med den tyngste borevæs­ ken en brukte for å bore ned til dette dypet. Sjansene for at forings­ strengen noensinne skal bli tom er små. God praksis vil derfor være å anta at borevæskenivået har falt så mye at borevæsken bare fyller 60% av foringsstrengen. Eksempel på sammenpressing vil være:

— Sementeringsoperasjonen — Boring gjennom saltformasjoner; plastiske egenskaper ved saltet kan fore til sammenpressing. — I de tilfellene hvor foringsstrengen tommes helt eller delvis for borevæske (kan oppstå under testing av reservoaret, tapt sirkula­ sjon).

En skal også være klar over at et foringsrors evne til å motstå sam­ menpressing vil avta når strekket (vekten) i foringsstrengen oker. Sprengning («Burst»): oppstår når trykket inne i foringsstrengen blir mye høyere enn trykket på utsiden av foringsstrengen. Denne situa­ sjonen vil en ha dersom foringsstrengen helt eller delvis er fylt med gass som følge av en «kick». Sprengningstrykket vil være lik det innvendige trykket redusert med det utvendige trykket på samme sted. Det maksimale gasstrykket som foringsstrengen kan utsettes for vil være oppsprekkingstrykket til formasjonen ved skoen til foringsstren­ gen. Større gasstrykk kan fore til at formasjonen sprekker opp og gassen presser borevæsken ut i formasjonen. Ved de samme berekningene for produksjonsforingene antar en også at hele foringsstrengen er fylt med gass. Trykket på bunnen av denne gasskolonnen vil derimot være lik poretrykksgradienten på det aktuelle stedet multiplisert med dypet. Det hersker en del uenighet om hvordan trykket oppover i gasskolon­ nen skal bereknes. Enkelte hevder at topptrykket bor reknes lik bunntrykket, redusert med vekten av gasskolonnen. Dette blir gjort her. Andre mener at topptrykket bor reknes lik bunnhullstrykket, spesielt for produksjonsforinger. Dette kommer av at innestengt gass i enkelte si­ tuasjoner kan stige opp til overflaten uten mulighet for å utvide seg. Gassen vil da ta med seg bunnhullstrykket opp til overflaten (jfr. den ideelle gass-loven hvor PV = nRT). Dersom en ikke vet hva formasjonstrykkene er på det aktuelle stedet, gjelder som nevnt følgende forhold: — Formasjonstrykkgradienten er lik 0,13 bar/m når settedypene til neste foringsstreng er grunnere enn 2440 m og — Formasjonstrykkgradienten er lik 0,15 bar/m når neste settedyp er dypere enn 2440 meter. Spesielt for åpningsforingen antar en at denne må kunne motstå et sprengningstrykk tilsvarende en trykkgradient på 0,23 bar/m (1 psi/ft), dersom ikke annet er kjent.

81

Aksielle strekkspenninger (Tension): Strekkspenningene vil alltid være størst øverst oppe i foringsstrengene, nærmere bestemt i . den øverste gjengekoblingen. Overbelastning fører ikke automatisk til brudd, men lekkasjer og uthoppinger («jump-outs») av sammenkoblingsstykkene vil kunne oppstå. Når foringsstrengene skal dimensjoneres med hensyn på strekk antar en at strekkraften i et gitt punkt er lik vekten av foringsrørene nedenfor det aktuelle punktet, målt i luft. Reduksjon i vekten av foringsrørene, som følge av oppdriften i borevæsken, tas ikke med i berekningene. Be­ grunnelsen for dette er at om en tar hensyn til oppdriften må en i stedet berekne den ekstra strekkspenningen i foringsstrengene som oppstår i forbindelse med trykktesting av foringsstrengene.

Eksempel: Et trykk på 200 bar vil resultere i en aksiell strekkspenning tilsvarende, 1153.7 bar, dersom foringsstrengen består av 13 Vs", 107,15 kg/m fo­ ringsrør. sp = [200 x 77-2,4] bar = j 153 7 bar 133,9 hvor 772,4 er innvendig foringsrørareal, cm2 og 133,9 er tverrsnittsarealet av foringsrøret, cm2.

I tillegg til sammenpressing, sprengning og strekkrefter finnes det andre typer krefter som en vanligvis ikke tar hensyn til ved konstruksjon av foringsstrenger for undersøkelsesbrønner. Disse kreftene beskrives bare kort.

Biaksielle krefter På grunn av at foringsstrengene kjøres og sementeres i strekk vil det all­ tid være en permanent aksiell strekkspenning i foringsstrengene. Den aksielle strekkspenningen virker inn på foringsrørenes evne til å tåle sammenpressing og sprenging. Aksiell strekkspenning fører til at sammenpressingsstyrken avtar mens sprengningsstyrken øker. Denne effekten har blitt beskrevet av en rekke personer. Holmquist og Nadai kom frem til følgende formel: Psp

1 -0,75^?-0,5 \Y / \Y / stålets evne til å motstå sammenpressing under påvirk­ ning av en aksiell strekkspenning, bar. stålets evne til å motstå sammenpressing uten påvirkning av aksielle strekkspenninger, bar. aksiell strekkspenning, bar. minimum flytegrense for den aktuelle stålkvaliteten, bar.

= Psp\T~(

hvor Psl>

=

Psp

=

SP Y

= =

Denne formelen gjelder stålrors evne til å motstå plastisk (varig) de­ formasjon. Figur 56 viser hvordan formel I kan beskrives grafisk. Kun effekten i sammenpressingsstyrken er tatt med.

For å finne korreksjonen for biaksielle krefter går en frem som folger: 1. Berekn den virkelige strekkspenningen gitt av vekten til rorene un­ der det aktuelle punktet. 2. Finn minimum flytegrense til den aktuelle stålkvaliteten, Y. (Dril­ ling Data Handbook, Cl).

3. Berekn, — • 100% = K(%) Y Bruk denne verdien til å finne den biaksielle korreksjonsfaktoren fra Figur 57. Verdien som fremkommer ved å multiplisere K med Psp vil være stålets nye motstandsevne til å motstå sammenpressing Eksempel: Antall foringsrør: 100 x IOm Foringsrørene er N-80/79.62 kg/m, 95/«" Minimum flytestyrke for N-80 er 5510 bar Tverrsnittsareal av N-80/79,62 kg/m, 9 V»" = 100,30 cm2

Løsning: sp= L013 W[bar] A hvor SP = strekkspenning [bar] W = vekt av rorene [kg] A = tverrsnittsarealet på det aktuelle stedet, [cm2]

SP = 1,013 100 ,-1- 7-9^2 = 804,14 bar 100,30 Y = 5510 bar [Drilling Data Handbook CI]

SP . 100% = 804,14 . 100% = 14,6% Y 5510 Benyttes nå Figur 56 finner en at sammenpressingsstyrken til den aktu­ elle stålkvaliteten blir redusert med 8,0%. 1 de videre berekningene vil de biaksielle kreftene neglisjeres. Dette er fordi at de største biaksielle kreftene oppstår der hvor sammenpressingstrykkene er minst.

Bøying API Bulletin 514 oppgir verdier for strekkstyrken til sammenkoblings­ stykkene til foringsrør med runde gjenger. Her fremgår det at stålets strekkstyrke ikke reduseres selv når hullbanen forandres med opptil 5°/30 m. Selv ved 10°/30 m er det bare noen få stålkvaliteter som får re­ dusert styrke. Under normale boreforhold holdes retningsforandringen under 5°/3O m, slik at boyningskrefter kan neglisjeres for ror med små dimensjoner. APFs tall er nemlig basert på 26 tester på 51/?" foringsrør. Om det er ønskelig kan en eventuelt oke designfaktoren for strekkspen­ ninger, for foringsrør med stor diameter i krokete hull. Boyningskraften er ellers direkte proporsjonal med vinkelforandringen til hullet («dogleg»). 83

Figur 56. Aksielle strekkspenningers innvirkning på stålrørets evne til å motstå sammenpressing.

Dynamiske krefter I motsetning til statiske krefter som oppstår når foringsstrengen er satt, vil de dynamiske kreftene oppstå under innkjøringen av foringsstrengen. De storste dynamiske kreftene oppstår når slipset settes. Denne akselerasjonskraften (retardasjonskraften) kan bli svært stor om oppbremsingen av foringsstrengen skjer for brått. De dynamiske kreftene kan bereknes ved hjelp av følgende formel:

hvor

84

F

= K • V ■ ? • C„ ■ A

F V A

= dynamisk last, kg = innkjoringshastigheten av foringsstrengen, m/s = tverrsnittsareal av foringsrøret, cnf

C,,

=

E

= stålets elastisitetsmodul,

?

= stålets spesifikke egenvekt, kg/m'

K

= 0,000981

(I)

lydens hastighet i stål, m/s ^g

m ■ s-

For å unngå at foringsstrengen skal slites av må innkjoringshastigheten være mindre enn den kritiske hastigheten

v< hvor Fm P V.

=

____ (2) 9 Co • A = minimum rørkroppsstyrke eller minimum sammenkoblingsstyrke til den aktuelle stålkvaliteten, kg = vekten av foringsstrengen under slipset, kg = kritisk innkjøringshastighet, m/s

9. 5. Testspørsmål 1. Kombiner de aktuelle spenningene, trykkene, med riktig opptredelsessted i foringsstrengen 1. Aksielle strekkspenninger 2. Sammenpressing («Col­ lapse») 3. Sprengning (« Burst»)

A. 1 toppen av strengen

B. C.

1 midten av strengen 1 bunnen av strengen

2. Grunnene til at nye foringsrør svikter kan være forårsaket av A. skader påført under fabrikasjonen B. skader ved håndtering C. spenningskonsentrasjons sprekker D. Alle, A, B & C. 3. Størrelsene til foringsstrengene som skal brukes i en spesiell brønn baseres på A. Geologien til overflate formasjonene B. Størrelsene på produksjonsroret C. Størrelsen til forankringsforingen D. Alle A, B & C.

85

10. Kriterier ved konstruksjon av foringsstrenger Foringsstrengene kan konstrueres når følgende hensyn tas for de enkelte foringsstrengene.

10.1. Åpningsrøret (30") Sammenpressingstrykk reknes ikke som noe problem.

Sprengningstrykk: Åpningsrøret konstrueres vanligvis slik at det kan motstå et sprengningstrykk tilsvarende 0,23 bar/meter foringsstreng. Denne verdien kan justeres i henhold til forholdene. Strekkspenninger er vanligvis ikke noe problem og tillegges liten opp­ merksomhet.

10.2. Forankrings- og mellomforingene (20", 13Vs", 95/s") Produksjonstest foretas ikkei 95/s" foringsstrengen. Sammenpressingstrykk: Forankrings- og mellomforingen må konstrueres slik at de tåler det hydrostatiske trykket til borevæsken på utsiden av foringsstrengen på alle dyp, redusert med forventet minimum innvendig trykk på tilsvarende dyp. For forankringsforingen (20") antar en at borevæskenivået har sunket slik at foringsstrengen er 60% fylt med borevæs­ ke, målt fra brønnhodet. 60% antas også for mellomforingen, men her måles lengden fra boredekket.

Berekninger a) Det innvendige trykket er gitt av det hydrostatiske trykket til bore­ væsken som foringsstrengene kjores i. b) Det utvendige trykket på 20" foringsstrengen er lik det hydrostatiske trykket til sjøvann (0,101 bar/m) pluss det hydrostatiske trykket til borevæsken som foringsstrengen kjores i fra havbunnen og nedover.

86

20" foringsstrengen kjores ikke gjennom det marine stigerøret da dia­ meteren til foringsstrengen er for stor. Det utvendige trykket som virker på 13 Vs"og 9 5/s" foringsstrengene, som begge kjores gjennom det marine stigerøret, er lik det hydrosta­ tiske trykket til borevæsken som foringsstrengene kjores i fra bore­ dekket og ned til foringsstrengskoen. Dersom foringsstrengen skal settes gjennom en saltsone skal en bru­ ke en utvendig trykkgradient lik 0.23 bar/m. Grunnen til dette er de plastiske egenskapene til salt når det utsettes for trykk. c) Formler til bruk ved berekning av sammenpressingstrykk. Det innvendige trykket er likt for alle foringsstrengene Pinnvendig — 0 bar fra RK.B til TBV PfNNVENDIG =

STfiY

--- T"by);

D > X > Tbv

(3) (4)

STbv =

spesifikk vekt til borevæsken

Tbv =

dybde fra boredekket (RK.B) og ned til toppen av bore­ væsken, m

D

=

dybde fra boredekket og ned til foringsstrengskoen, m

X

=

dybde fra boredekket, m

Det utvendige trykket som virker på 20" foringsstrengen;

PV„EN1)IO - ST» ■ H + ST»» ' (X-H). D > x > H STsv = H =

(5)

spesifikk vekt til saltvann dybde fra RK.B ned til brønnhodet, m

Spesielt for 133/s" og9s/«" foringsstrengene; _ STbv • X.

p r UTVE-ND1G

------

f0~9--- ’

x < —

d

(6)

Sammenpressingstrykkene kan bereknes ved hjelp av følgende for­ mel: Pc —

PuTVENDIG — PlNNVENDlG

(7)

Maksimum sammenpressingstrykk vil oppstå og være konstant fra T BV til D.

Sprengningstrykk: Følgende antagelser gjores for sprengningstrykk kan bereknes. — Foringsstrengen er fylt med gass som har kommet inn i bronnen fra det åpne hullet. — Borevæsken i foringsstrengen er presset ut i formasjonen under foringsstrengskoen. — Den åpne hullseksjonen under foringsstrengskoene er boret ned til settedypet til neste foringsstreng. — Det marine stigerøret er fjernet og borestrengen er hengt av i utblåsingsventilen på havbunnen. * Gjelder bare ved boring fra flytende plattformer.

87

Berekninger a) Det innvendige trykket er gitt av trykket av gasskolonnen i forings­ strengen: — Gasstrykket ved foringsstrengskoen er lik oppsprekkingstrykket ved skoen. — Gasstrykket ved brønnhodet er lik oppsrekkingstrykket ved skoen minus vekten av gasskolonnen. b) Det utvendige trykket er lik det hydrostatiske trykket av saltvann fra havbunnen og ned til foringsstrengskoen. c) Formler til bruk ved berekning av sprengningstrykket. Oppsprekkingstrykket ved skoen er gitt ved; Poppsp

_ ST0PPSP ■ D 10,2

(8)

Vekten av gasskolonnen er lik

(9)

Wga„ = VGgas, • (D — H)

Vektgradienten til gass kan finnes fra Figur 66 eller antas å være lik 0.012 bar/m som en gjennomsnittsverdi. Det innvendige trykket blir derfor: P|NNVENDIG — PøPPSP

VGgass (D—X);

D < X < H

(10)

D < X DFS (SP, + d:* • EVS?) (29) hvor SPsrvRK1 2 = strekkstyrken til foringsrørene benyttet i seksjon 2 EVS 2 = egenvekten til foringsrørene i seksjon 2 Fra likning 29 får en d,1 < SPsTYRKE. 2 — DF? • SP| (30) DFS ■ EVS 2 Dersom den bereknede verdien d:' er større enn d2, må d2 velges. Sammenpressingstrykket vil da være den kontrollerende faktoren. Generelt kan likning 30 skrives som følger: d|. „ SPS1VRKE , - DFJEV, • d, + EV? • d2 + EV, • d, + osv. DF, • EV,

(31)

= maksimal lengde til seksjon I, m SPstyrke. i = strekkstyrke til foringsrørtypen brukt i seksjon I, kg EV = enhetsvekt til foringsrørene, kg/m DFS = design-faktor for strekk Dersom d,1 er mindre enn d, må d,1 velges. Strekkspenningene er nå de avgjørende. For den påfølgende seksjonen (1 + 1) må en styrkegrad høyere velges.

hvor d/

Kontroll av den sammensatte foringsstrengen med hensyn på sprengningstrykkene Dersom sammenpressings- og sprengningstrykkene, mot dybden, tegnes inn i samme diagram som sammenpressingsstyrken og sprengningsstyrken til de aktuelle rørtypene, vil det være lett å kontrollere om den fore­ slåtte foringsstrengen tåler alle påkjenningene. Dersom foringsstrengen er for svak enkelte steder med hensyn på sprengningstrykkene har en to muligheter: 1. Sjekk om de biaksielle spenningene øker sprengningsstyrkene så mye at foringsstrengen allikevel vil være sterk nok, hvis ikke 2. skiftes de aktuelle seksjonene ut med én, eventuelt flere stålkvalite­ ter høyere

I 10

13.2. Eksempel Ta utgangspunkt i mellomforingen (13 Vg") side 98.

Sammenpressingstrykk: . STY RKE

Pc. styrke

> 1.1 . (L4 - X); 10.2 bar >120 bar

Sprengningstrykk: Pb styrke > 1.1 (334.7 - 0.086

RKB < X < 800 fra 800 til 2000 m

X);

369 < X < 2000

Aksielle * strekkspenninger: SP STYRKE > DFS SP Konstruer nå en sammensatt foringsstreng, idet strengen skal være så billig som mulig.

DYBDE I meter)

Resultatet er inntegnet i Figur 68.

TRYKK (bor)

Figur 68. Konstruksjon av en sammensatt foringsstreng. Strekkspenningene representerer vanligvis ikke noe problem.

1I1

Fremstilling av foringsrør

14.1. Sømløse foringsrør Den sømløse fremstillingsmetoden starter med et råemne av stål. Rå­ emnet går først gjennom en overflatesliper. Denne fjerner alle mindre defekter. Råemnene varmes opp og kjøres gjennom valser inntil de er runde, Figur 69, pkt. 1. De fremkomne stengene kappes i passende leng­ der (2.1 — 2.4 m), Figur 69, pkt. 2 og et hakk lages i midten på begge endeflatene, Figur 69, pkt. 3. Disse hakkene gjør det senere lettere å gjennombore stengene. Etter at den runde stangen er oppvarmet på nytt i en roterende smelte­ ovn, Figur 69, pkt. 4, blir de gjennomboret av en spiss stålstang, Figur 69, pkt. 5. Det fremkomne røret presses deretter over en rund stålkrage mens det passerer gjennom valser, Figur 69, pkt. 6, 7 og 8. Dette gjøres for å oppnå riktig utvendig diameter, en jevn veggtykkelse, samt glatte overflater både innvendig og utvendig. Ikke ødeleggende testemetoder brukes for å oppdage alvorlige skader eller defekter i stålrøret. Figur 69, pkt. 9. Det ferdige røret utsettes for varmebehandling slik at rørets styrke skal økes, Figur 69, pkt. 10. Før røret kan passere sluttkontrollen, må gjengepartiene kuttes til, Figur 69, pkt. 11. Røret er nå klart for den endelige kontrollen. Figur 69, pkt. 12.

14.2. Sveisede foringsrør Sveisede foringsrør brukes bare i svært begrenset utstrekning ved boring til havs. Det er vanligvis åpningsrøret (30") som består av slike rør. Sveisingen av disse foringsrørene foregår bare maskinelt, slik at en skal være sikker på alle foringsrørene blir sveiset likt.

113

u

hu

Figur 69. Fremstilling av sømløse foringsrør (Armo Inc.).

I 14

15. Tabeller

Utvendig diameter mm (inch)

508.00

(20")

Gjenger og SammenInnvendig sammenkoblingsstykker pressingsdiameter styrke mm bar

GRADE

Nominell vekt kg/m

J-55 J-55 J-55 K-55 K-55 K-55

139.89 158.49 197.93 139.89 156.49 197.93

485.75 482.60 475.74 485.75 482.60 475.74

GRADE

Nominell vekt kg/m

Innvendig diameter mm

K-55 K-55 K-55 C-75 ‘C-75 ‘C-75 N-80 ‘N-80 ‘N-80 C-95 •P-110

81.10 90.78 101.20 107.15 114.59 126.49 107.15 114.59 126.49 107.15 107.15

320.42 317.65 315.34 313.61 311.79 306.84 313.61 311.79 306.84 313.61 313.61

460.98 477.93 470.97 480.98 477.83 470.97

533.40 533.40 533.40 533.40 533.40 533.40

35.9 53.1 103.4 35.9 53.1 103.4

Sprengningsstyrke bar

Rorkroppstyrke 1000 kg

145.5 166.2 211.0 145.5 166.2 211.0

671 764 963 671 764 963

Sprengningsstyrke bar

Rorkroppstyrke 1000 kg

188.2 213.0 237.9 347.5 372.3 411.6 370.9 397.1 435.5 440.6 510.2

387 436 485 706 753 829 753 804 885 896 1177

Sammenkoblingsstykke styrke — 1000 kg Buttress Extreme line

636 724 912 671 763 963

—

—

— — — —

Tabell 9

Utvendig diameter mm (inch)

339.73 (133/a")

Gjenger og Sammensammenkoblingstykker pressingsstyrke bar

316.46 313.92 311.38 309.65 307.82 304.68 309.65 307.82 304.88 309.65 309.65

365.13 365.13 365.13 365.13 365.13 365.13 365.13 365.13 365.13 365.13 365.13

77.9 106.2 134.4 178.6 206.2 262.7 184.1 2132.7 266.8 194.4 198.6

Sammenkoblingsstykke styrke — 1000 kg Extreme Buttress line

471 530 590 725 931 1025 768 974 1072 858 1103

— —

— — — — — — — —

—

* Ikke API standard

Tabell 10

115

Utvendig diameter mm (inch)

244.48 (95/a)

GRADE

Nominell vekt kg/m

SammenGjenger og Innvendig sammenkoblingsstykker pressingsstyrke diameter bar mm

222.63 220.45 220.45 218.42 216.54 212.83 220.65 216.42 216.54 212.83 220.45 218.42 216.54 212.83 216.42 216.54 212.83

269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88 269.88

139.3 157.2 205.5 258.6 319.2 439.9 213.0 262.7 327.5 456.4 229.6 284.8 350.3 505.4 305.4 366.1 546.8

K-55 K-55 C-75 C-75 C-75 C-75 N-80 N-80 N-80 N-80 C-95 C-95 C-95 C-95 P-110 P-110 P-110

53.57 59.53 59.53 64.74 69.94 79.62 59.53 64.74 69.94 79.62 59.53 64.74 69.94 79.62 64.74 69.94 79.62

225.59 224.41 224.41 222.38 220.50 216.79 224.41 222.38 228.50 216.79 224.41 222.38 220.50 216.79 222.38 220.58 216.79

GRADE

Nominell vekt kg/m

SammenGjenger og Innvendig sammenkoblingsstykker pressingsstyrke diameter bar mm

Sprengningsstyrke bar

Rørkroppstyrke 1000 kg

242.7 272.3 371.6 408.9 444.0 512.3 396.4 436.4 473.7 546.8 470.2 517.8 561.9 648.8 699.8 650.9 751.5

256 286 389 427 462 529 415 456 492 564 493 541 584 670 626 677 775

Sprengningsstyrke bar

Rørkroppstyrke 1000 kg

437.1 499.2 562.6 583.3 583.3 583.3 519.2 592.9 668.1 692.9 692.9 692.9 686.7 773.6 802.5 802.5 802.5

241 274 307 337 369 398 287 325 364 401 438 472 376 421 465 507 546

Sammenkoblingsstykke styrke — 1000 kg Buttress Extreme line

342 382 420 461 498 570 444 487 526 603 487 534 577 661 629 680 779

— —

— — — — —

— — — — — —

— — — —

Tabell 11

Utvendig diameter mm (inch)

177.80 (7)

N-80

C-95

P-110

34.23 38.69 43.16 47.62 52.09 56.55 34.23 38.69 43.16 47.62 52.09 56.55 38.69 43.16 47.62 52.09 56.55

161.70 159.41 157.07 154.79 152.50 150.37 161.70 159.41 157.07 154.79 152.50 150.37 159.41 157.07 154.79 152.50 150.37

158.52 156.24 153.90 151.61 149.33 147.19 158.52 156.24 153.90 151.61 149.33 147.19 156.24 153.90 151.61 149.33 147.19

194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46 194.46

264.1 373.0 484.0 592.9 701.9 785.3 286.1 404.7 539.2 670.9 802.5 925.3 428.2 586.7 741.9 897.0 1041.8

Tabell 12. Dimensjoner og styrkebetegnelse for endel vanlig benyttede foringsrør.

116

Sammenkoblingsstykke styrke — 1000 kg Extreme Buttress line

2616 2967 3318 3661 3897 3897 2829 3212 3594 3963 4092 4092 3794 4248 4684 4875 4875

2963 3003 3207 3563 3981 4293 3109 3154 3367 3741 4181 4506 3754 4012 4457 4973 5369

117

16. Stikkordregister

Aksielle strekkspenninger 82 API (American Petroleum Institute) API 8 korte/lange gjenger 22,23

Biaksielle krefter 82 BOP-stack 17,18 Broplugger 55 Brønnhode 17 Bunnforing 9 Bunnforingshenger 16 Buttress gjenger 22,23 Casing clearance

Designfaktor 79 Drift 66,67 Driftdiameter 66 Drivror I I Dynamiske krefter

Magnetisk Fluxlekkasjesystem Marint stigerør 1 1 Materialkvalitet 20 Mellomforing 9,14 Minimum flytegrense 20,21 Måling av foringsrør 34

66

Permanent ledefundament Pick-up wire 30 Produksjonsforing 9,14 84

Flertrinns sementeringsverktøy Flytekrage 50 Flytesko 51 Foringsrørklaring 66 Foringsrorverktoy 27 Forankringsforing 9,12,17

Hullrenskere 118

48

Klampon gjengebeskytter 30 Korrelasjonsprofil 71 Krafttang 28 Krageelevator (collar elevator)

30

28,29

Leak-off 72 Ledesko 50

Rabbit 67 Range 22

Elevator slips 29 Enhetsvekt 24 Etterfyllingsrør 31 External Casing Packer 56 Extremeline gjenger 22,23

Gjengebeskyttere Gjengefett 37 Grade 20

20

52

Sammenpressing 81 Sementbeholder 56 Sementeringshode 52 Senterlås krage elevator 29 Sentrere 47 Selvfyilende flytekrage 50 Sikkerhetsklemme 30 Slip elevator 28,29 Slitasjeforing 44 Spider slips 29 Squnch Joint 24 Stabbebord 35,36 Stabbing 35

Tally-bok 32 Tie-back assembly 14,15 Tilbakeforingselement 14,15

17

63,65

Litteraturreferanser

Casing Design Manual Estourgie Forelesningsnotater ved NTH, Universitetet i Trondheim, 1979.

Drilling Practices Manual P. L. Moore, 1978.

API Spee 5A Thirty-sixth Ed. Mars 1982 «Casing, Tubing & Drillpipe» API Bul 5C3 Third Ed. Mars 1982 «Formulas and Calculations for Casing, Tubing & Drillpipe & Line pipe properties» API Bul 5C4 First Ed. April 1972 «Round Thread Casing joint strength with com­ bined internal pressure and bending»

API Bul 5C2 «Performance properties of Casing, tubing & drillpipe» API RT5CI Twelfth Ed. Mars 1981 «Recommended practices for care and use of casing and tubing» API Spee 5AX Twelfth Ed. Mars 1982 «API specifications for hith-strength casing, tu­ bing & drillpipe.»

API Spee 5AC Twelfth Ed. Mars 1982 «API specifications for restricted yield strength casing and tubing.» API Std 5B Tenth Ed. Mars 1979 «Specifications for threading, gaging and thread inspection of casing, tubing, and line pipe threads.» Drillers Manual IA DC, 1980.

119

«Maximum Load Casing Design» C.M. Prentice, Drilling Well Control Inc. SPE 2560, Juli 1970.

«Casing Designs and Programs considered in the Anadarko Basin» Harry J. Calvey Vinson Supply Co SPE 3909 1979. «Casing Burst Design Criteria for Kick Pressure Control.» R.L. Kastor, Shell Oil Co. SPE 4138, 1972.

Casing and Cementing Manual Murchinson Drilling School, 1982 Boremanualer Saga Petroleum A/S, Statoil. Composite Catalog, 1981/82.

Casing Design Prosjektarbeid, SINTEF.

120