NL9101441A

NL9101441A - DRILLING BOREHOLES AND TELEMETRY.

Info

Publication number: NL9101441A
Application number: NL9101441A
Authority: NL
Original assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1991-08-26
Publication date: 1992-03-16
Also published as: GB2280463B; FR2666113B1; FR2666113A1; GB2280463A; GB9420816D0; NL194556B; NO913346D0; DE4128287A1; NL194556C; NO304196B1; NO913346L

Description

Titel: Het boren van boorgaten en telemetrieTitle: Drilling boreholes and telemetry

De uitvinding heeft betrekking op het boren van boorgaten en op inspectie en registratietechniéken, die gébruikt worden voor het bepalen van de baan en de lithologie van het geboorde boorgat. Méér in het bijzonder, maar niet exclusief, heeft de uitvinding betrekking op een verbeterd systeem voor het detecteren van de helling van een door een boorkop gevormd boorgat, waarbij de boorkop geroteerd wordt door middel van een motor beneden in het boorgat, voor het doorgeven van de helling van het boorgat en bijbehorende registratiegegevens naar het oppervlak tijdens het boren, en voor het wijzigen van het boortraject in respons op de gemeten en doorgegeven gegevens.The invention relates to drilling boreholes and to inspection and recording techniques used to determine the path and lithology of the drilled borehole. More particularly, but not exclusively, the invention relates to an improved system for detecting the slope of a borehole formed by a drill bit, wherein the drill bit is rotated by a motor downhole to transmit the slope of the borehole and associated recording data to the surface during drilling, and for changing the drilling path in response to the measured and transmitted data.

Boorbedieners, die een boorkop door middel van het roteren van de boorserie aan het oppervlak aandrijven, hébben tot nu toe boongat-parameters gemeten met in de onmiddelijke nabijheid van de boorkop geplaatste sensoren en het boortraject aangepast in respons op de gedetecteerde informatie. Het U.S. octrooi nr. 4.324.297 beschrijft on-middelijk boven de boorkop geplaatste belastingopnemers voor het meten van de grootte en richting van zijdelingse krachten op de boorkop. De gedetecteerde informatie wordt verzonden naar het oppervlak door middel van een electrische lijn en het gewicht van de kop en de draaisnelheid van de boorserie kan gewijzigd worden in respons op de gedetecteerde informatie voor het wijzigen van het boortraject.Drill operators, which drive a drill bit at the surface by rotating the drill string, have so far measured bean hole parameters with sensors located in the immediate vicinity of the drill bit and adjusted the drilling path in response to the detected information. The U.S. U.S. Patent No. 4,324,297 describes load sensors placed immediately above the drill bit for measuring the magnitude and direction of lateral forces on the drill bit. The detected information is sent to the surface by an electrical line and the weight of the drill bit head and rotational speed can be changed in response to the detected drilling path change information.

In het nabije verleden hébben boorbedieners in toenemende mate motoren beneden in het boorgat gébruikt om sterk afwijkende boorgaten te boren. De motor beneden in het boorgat of "boormotor" wordt aangedreven door door middel van pompen aan het oppervlak onder druk gebrachte boorsuspensie, die via de boorserie naar de motor getransporteerd wordt voor het roteren van de boorkop. De gehele boorserie behoeft niet continu geroteerd te worden gedurende het boren van een sterk afwijkend boorgat, hetgeen aanzienlijke voordelen heeft ten opzichte van de eerder beschreven techniek, in het bijzonder bij het boren van sterk afwijkende boorgaten. Een bochtverloopstuk of bocht-béhuizing kan gébruikt worden boven de boormotor voor het verkrijgen van de hoekverplaatsing tussen de rotatie-as van de boorkop en de as van de boorserie en daardoor voor het verkrijgen van de bocht voor het tot stand brengen van het gekramd boren. Als alternatief kan de hoekverplaatsing verkregen worden door gébruik te maken van een bochtbe-huizing binnen de boormotor, door het gébruiken van een aandrijf-schacht met verschoven as voor de boormotor, of door het positioneren van een niet-concentrische stabilisator rond de boormotorbéhuizing. Zoals beschreven in het U.S. octrooi nr. 4.492.276, kan een relatief recht boorgat geboord worden door middel van het gelijktijdig roteren van de boorserie en het aandrijven van de motor beneden in het boorgat, terwijl een gekramde sectie van het boorgat geboord kan worden door middel van het aandrijven van de motor beneden in het boorgat, terwijl de boorserie boven de motor niet geroteerd wordt. Het U.S. octrooi nr. 4.361.192 beschrijft een in de boorpijp boven een boormo-tor en via een draadlijn met oppervlakte-apparatuur verbonden boorgat-pröbe. De probe bevat magnetometers en versnellingsmeters, die de oriëntatie ten opzichte van het aardmagnetische veld meten en de probe is overeenkomstig geconstrueerd van een niet-ferromagnetisch materiaal. Het G.B. octrooi nr. 2.106.562 beschrijft een boorgatprobe, die aan een draadlijn door een door een turbine van ringvormige constructie verlopend gat tot een lokatie tussen de turbine en de boorkop neergelaten kan worden.In the near past, drilling operators have increasingly used motors downhole to drill widely deviated boreholes. The downhole motor or "drill motor" is driven by surface pumped drilling mud which is conveyed to the motor via the drill string to rotate the drill bit. The entire drill string does not need to be continuously rotated during the drilling of a highly deviated borehole, which has significant advantages over the previously described technique, especially when drilling highly deviated boreholes. A bend adapter or bend housing can be used above the drill motor to obtain the angular displacement between the rotary axis of the drill bit and the axis of the drill string and thereby to obtain the bend to accomplish the curved drilling. Alternatively, the angular displacement can be obtained by using a bend housing within the drill motor, by using an offset shaft drive shaft for the drill motor, or by positioning a non-concentric stabilizer around the drill motor housing. As described in U.S. U.S. Patent No. 4,492,276, a relatively straight borehole can be drilled by simultaneously rotating the drill string and driving the motor downhole, while a curved section of the borehole can be drilled by driving the motor downhole, while the drill string above the motor is not rotated. The U.S. U.S. Patent No. 4,361,192 describes a borehole probe connected in the drill pipe above a drill motor and wireline to surface equipment. The probe contains magnetometers and accelerometers, which measure the orientation relative to the Earth's magnetic field, and the probe is accordingly constructed of a non-ferromagnetic material. The G.B. U.S. Patent No. 2,106,562 discloses a borehole probe which can be lowered on a wireline through a hole extending through an annular turbine to a location between the turbine and the drill bit.

Aanzienlijke verbeteringen zijn opgetreden in de meten-geduren-de-boren (MWD) techniek, die het mogelijk maken dat sensoren in het boorgat gewenste parameters kunnen meten en direct de gegevens naar het oppervlak kunnen verzenden, dat wil zeggen nagenoeg instantaan met de metingen. MWD boorsuspensie-pulstelemetriesystemen zenden signalen vanaf het sensorsamenstel naar het oppervlak via de boorsuspensie in de boorpijp. Andere MWD systemen, zoals de in de U.S. octrooien 4.320.473 en 4.562.559 beschreven systemen, gebruiken de boorserie zelf als het medium voor de over te dragen signalen. Het U.S. octrooi nr. 4.577.701 gébruikt een MWD systeem in samenhang met een motor beneden in het boorgat, waarbij de naar het oppervlak doorgegeven informatie omtrent de richting van het boorgat gébruikt wordt voor het bepalen van de duur van de rotatie van de boorserie, vereist voor het teweegbrengen van een verandering in de boorgatkrcmming, zoals eerder beschreven.Significant improvements have been made in the Measure-During-Drill (MWD) technique, which allow downhole sensors to measure desired parameters and directly transmit the data to the surface, i.e., almost instantaneously with the measurements. MWD drilling mud pulse telemetry systems transmit signals from the sensor assembly to the surface through the drilling mud in the drill pipe. Other MWD systems, such as those in the U.S. Patents 4,320,473 and 4,562,559, use the drill string itself as the medium for the signals to be transmitted. The U.S. U.S. Patent No. 4,577,701 employs an MWD system associated with a downhole motor, using the surface direction information of the borehole to determine the duration of rotation of the drill string required for effecting a change in borehole curvature, as previously described.

Een MWD gereedschap voor gébruik beneden in het boorgat bevat typerend een reeks batterijen of turbine, een sensorsamenstel, een boorsuspensie-inpulszender en een interface tussen het sensorsamenstel en de zender. Bij gébruik van een motor beneden in het boorgat, is het MWD gereedschap geplaatst boven de motor. De electronische componenten van het gereedschap zijn op aanzienlijke afstand van de boorkop geplaatst en zijn dienovereenkomstig niet onderhevig aan de sterke trilling en op de boorkop werkende centrifugale krachten. Het sensorsamen- stel bevat typerend één of meer reeksen van magnetometers en versnel-lingsmeters voor het meten van de richting en helling van het geboorde boorgat. Het sensorsamenstel is geplaatst in een niet-magnetische omgeving door gebruik te maken van monel verbindingsstukken in de boor-serie boven en onder het MWD gereedschap. De vereiste lengte van de monel verbindingsstukken zal typerend een functie zijn van de geografische breedte, de richting van het boorgat en plaatselijke onregelmatigheden. Als gevolg van de monel verbindingsstukken en de vereiste lengte van de motor beneden in het boorgat, wordt het sensorsamenstel voor het MWD systeem typerend op een afstand tussen 10 meter en 50 meter vanaf de boorkop geplaatst.A MWD downhole use tool typically includes a battery or turbine array, a sensor assembly, a drilling mud pulse transmitter, and an interface between the sensor assembly and the transmitter. When using a motor downhole, the MWD tool is placed above the motor. The electronic components of the tool are located a considerable distance from the drill bit and accordingly are not subject to the strong vibration and centrifugal forces acting on the drill bit. The sensor assembly typically includes one or more arrays of magnetometers and accelerometers for measuring the direction and slope of the drilled borehole. The sensor assembly is placed in a non-magnetic environment using monel drill series connectors above and below the MWD tool. The required length of the monel connectors will typically be a function of the latitude, the direction of the borehole and local irregularities. Due to the monel connectors and the required motor length downhole, the sensor assembly for the MWD system is typically placed at a distance between 10 meters and 50 meters from the drill bit.

De aanzienlijke tussenruimte tussen het MWD sensorsamenstel en de boorkop veroorzaakt reeds lange tijd aanzienlijke problemen voor de boorbediener, in het bijzonder met betrekking tot de meting van de helling van het boorgat. De bediener tracht vaak een sterk afwijkend of nagenoeg horizontaal boorgat te boren, zodat het boorgat zich over een grotere lengte door de van belang zijnde aardformatie uitstrékt, waarbij de boorgathelling zich kan wijzigen in een mate van 20°/30 meter of meer. De formatie zelf kan relatief dun zijn, bijvoorbeeld slechts drie meter dik, maar toch controleert de bediener boorgatam-standigheden of parameters, zoals bijvoorbeeld de helling, typerend qp 30 meter vanaf de boorkop. Het aanzienlijke voordeel van een direct MWD systeem en de flexibiliteit van een motor beneden in het boorgat voor het boren van sterk afwijkende boorgaten wordt aldus beperkt door het feit, dat de sensoren voor het MWD systeem reageren (¾) omstandigheden die een aanzienlijke afstand verwijderd zijn van de boorkop.The significant spacing between the MWD sensor assembly and the drill bit has long caused significant problems for the drill operator, particularly with regard to the measurement of the borehole slope. The operator often attempts to drill a highly deviated or nearly horizontal borehole so that the borehole extends through a longer length through the earth formation of interest, the borehole slope being able to change by 20 ° / 30 meters or more. The formation itself may be relatively thin, for example only three meters thick, yet the operator checks borehole conditions or parameters such as, for example, the slope, typically qp 30 meters from the drill bit. The significant advantage of a direct MWD system and the flexibility of a downhole motor for drilling highly deviated boreholes is thus limited by the fact that the sensors for the MWD system respond (¾) conditions that are a considerable distance away of the drill chuck.

Het is een doel van de uitvinding een verbeterde techniek te verschaffen voor het nauwkeurig controleren van boorgatomstandigheden of parameters, zoals bijvoorbeeld de boorgathelling, gedurende het door middel van een motor beneden in het boorgat boren van een boorgat.It is an object of the invention to provide an improved technique for accurately checking borehole conditions or parameters, such as, for example, the borehole incline, during engine drilling downhole.

De onderhavige uitvinding wordt gedefinieerd door de bijbehorende conclusies, waarnaar overeenkomstig verwezen wordt.The present invention is defined by the accompanying claims, which are referred to accordingly.

Voor het volledig onderkennen van de uitvinding, zal nu bij wijze van voorbeeld verwezen worden naar de bijbehorende tekeningen, waarin:For full recognition of the invention, reference will now be made, by way of example, to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 een vereenvoudigd aanzicht is van een boorserie volgens de uitvinding; fier. 2 een vereenvoudigd schema is, dat de componenten van een typerend boor- en boorgatinspectiesysteem toont volgens de uitvinding voor het vaststellen van het boorgattrajeot en voor het verzenden van de gedetecteerde gegevens naar het oppervlak voor het wijzigen van het boortraject; fig. 3 een axiale doorsnede is door een onderste gedeelte van een boormotorbehuizing volgens de uitvinding, die schematisch bepaalde componenten binnen een afgedichte holte in de motorbehuizing toont; fig. 4 een eindaanzicht is van twee binnen de afgedichte holte van de motorbehuizing qp te nemen montagedelen; en fig. 5 een axiale doorsnede is door een akoestische zender van één van de montagedelen.Fig. 1 is a simplified view of a drill string according to the invention; proud. 2 is a simplified diagram showing the components of a typical drilling and borehole inspection system according to the invention for determining the borehole sewer and for transmitting the detected data to the surface for changing the drilling path; FIG. 3 is an axial section through a bottom portion of a drill motor housing according to the invention, schematically showing certain components within a sealed cavity in the motor housing; Fig. 4 is an end view of two mounting parts to be taken within the sealed cavity of the motor housing qp; and Fig. 5 is an axial section through an acoustic transmitter of one of the mounting parts.

Fig. 1 toont een vereenvoudigde versie van een systeem 10 voor het boren van een afwijkend boorgat door aardformaties, waarbij gedurende het boren boorgatkarakteristieken of formatie-eigenschappen gecontroleerd worden. Dit systeem bevat een uit lengten van conventionele boorpijp bestaande boorserie 12, die zich vanaf het oppervlak 14 door een aantal aardformaties 16, 18 heen uitstrékt. De boorserie 12 is geplaatst in een boorgat 20 en heeft aan één einde een roterende boorkop 22, die aangedreven wordt door een boorsuspensiemotor 24, met een gebogen behuizing 26. De motor 24 roteert een aandrijfas 28, die aan zijn onderste einde geleid wordt door radiale en druklagers (niet weergegeven) in een aan de behuizing 26 van de motor 24 bevestigd lagerhuis 30. De motor 24 wordt aangedreven door middel van boorsuspen-sie, die door middel van boorsuspensiepompen 32 aan het oppervlak langs de boorserie 12 gepompt wordt. Het grootste deel van de boorserie 12 bevat lengten van metalen boorpijp en verscheidene boorgatge-reedschappen 34, zoals verloopstukken, stabilisatoren, enz. kunnen langs de lengte van de boorserie 12 opgenomen zijn.Fig. 1 shows a simplified version of a system 10 for drilling a deviated borehole through earth formations, wherein borehole characteristics or formation properties are checked during drilling. This system includes a drill string 12, which is a length of conventional drill pipe, which extends from the surface 14 through a number of earth formations 16, 18. The drill string 12 is placed in a borehole 20 and has a rotating drill bit 22 at one end, which is driven by a drilling mud motor 24, with a curved housing 26. The motor 24 rotates a drive shaft 28, which is guided at its lower end by radial and thrust bearings (not shown) in a bearing housing 30 affixed to the housing 26 of the motor 24. The motor 24 is driven by drilling mud, which is pumped to the surface along the drill string 12 by means of drilling mud pumps 32. Most of the drill string 12 includes lengths of metal drill pipe, and various drill hole tools 34, such as reducers, stabilizers, etc., may be included along the length of the drill string 12.

Eén of meer niet-magnetische lengten 36 van de boorserie, waarnaar gewoonlijk verwezen wordt als monel tussenstukken, kunnen voorzien zijn aan het ondereinde van de boorserie 12 boven de boormotor 24. Een conventioneel verloopstuk 38 verbindt bij voorkeur het ondereinde van een monel tussenstuk 36 met een omloop- of afvoerklep tussenstuk 40 en de boorsuspensiemotor 24 is direct met het tussenstuk 40 vast verbonden. Een onderste lager-tussenstuk 42 is vast verbonden met het ondereinde van de lagerbehuizing 30 en bevat een afgedichte holte met electronica. Een draaibaar boorkop-tussenstuk 44 strekt zich uit vanaf het onderste lager-tussenstuk 42 en is draaibaar met de boorkop 22.One or more non-magnetic lengths 36 of the drill string, commonly referred to as monel spacers, may be provided at the lower end of the drill string 12 above the drill motor 24. A conventional adapter 38 preferably connects the lower end of a monel spacer 36 with a bypass or discharge valve intermediate piece 40 and the drilling mud motor 24 is fixedly connected to the intermediate piece 40. A lower bearing spacer 42 is fixedly connected to the lower end of the bearing housing 30 and contains a sealed cavity with electronics. A rotatable chuck spacer 44 extends from the lower bearing spacer 42 and is rotatable with the chuck 22.

Bij het boren volgens een rechte lijn, worden de boorpijp, de motorbehuizing 26, de lagerbehuizing 30 en alle andere aan de motorbe-huizing 26 gekoppelde behuizingen geroteerd door middel van de draaitafel 56 en gelijktijdig drijven de pompen 32 de motor 24 aan cm de as 28 en de boorkop 22 te interen. Tijdens het boren kunnen verscheidene gedetecteerde boorgatparameters verzonden worden naar het oppervlak door middel van een MWD gereedschap 46 in één van de monel tussenstukken in de vorm van drukpulsen in de boorsuspensie, welke drukpulsen ontvangen worden door een aan het oppervlak geplaatste sensor 48. De gedetecteerde gegevens worden dan via lijnen 50 aan een computer 52 doorgegeven, welke computer de gegevens opslaat en bewerkt voor de boorbediener. Desgewenst kunnen de gegevens direct weergegeven worden op een geschikt medium, zoals bijvoorbeeld papier of een beeldscherm 54.When drilling in a straight line, the drill pipe, motor housing 26, bearing housing 30 and all other housings coupled to the motor housing 26 are rotated by means of the turntable 56 and at the same time the pumps 32 drive the motor 24 cm to the shaft 28 and drill the drill bit 22. During drilling, several detected borehole parameters can be sent to the surface by a MWD tool 46 in one of the monel spacers in the form of pressure pulses in the drilling mud, which pressure pulses are received by a surface-mounted sensor 48. The detected data are then transmitted via lines 50 to a computer 52, which computer stores and processes the data for the drill operator. If desired, the data can be directly displayed on a suitable medium, such as, for example, paper or a screen 54.

Wanneer de boorbediener een afwijking of kromme in het boorgat wenst te vormen, blijft de boorsuspensiemotor 24 aangedreven, terwijl de bediener de rotatie van de boorserie 12 door middel van de draaitafel 56 stopzet, met het gevolg dat de boorkop 22 boort bij een dwars-verplaatsing. Tijdens deze boorstap verzendt het MWD gereedschap 46 gewoonlijk geen gegevens naar het oppervlak, maar de gegevens kunnen nog steeds gedetecteerd en kort opgeslagen worden binnen het gereedschap 46. Wanneer de gewenste dwarsverplaatsing geboord is, wordt de draaitafel 56 weer in werking gesteld voor het boren van het boorgat onder de afwijkende hoek, en tijdens deze stap kunnen opgeslagen gegevens verzonden worden naar het oppervlak door middel van het MWD gereedschap 46.If the drill operator wishes to form a borehole deviation or curve, the drilling mud motor 24 remains driven, while the operator stops the rotation of the drill string 12 by means of the turntable 56, with the result that the drill bit 22 drills in a transverse displacement. . During this drilling step, the MWD tool 46 usually does not send data to the surface, but the data can still be detected and stored briefly within the tool 46. When the desired transverse displacement is drilled, the turntable 56 is reactivated to drill the borehole at the different angle, and during this step, stored data can be sent to the surface using the MWD tool 46.

Volgens de uitvinding verschaffen één of meer dicht nabij de boorkop 22 en onder de aandrijf sectie van de boorsuspensiemotor 24 geplaatste sensoren gegevens aan een zender, die de gegevens doorgeeft aan het MWD gereedschap 46, die op zijn beurt de gegevens verzendt naar het oppervlak. Het aanzienlijke voordeel van deze inrichting is, dat gegevens gedetecteerd kunnen worden in de directe nabijheid van de boorkop 22, in plaats van op een afstand van 6 tot 30 meter vanaf de boorkop, op welke plaats het MWD gereedschap 46 typerend aangebracht is. Deze detectie in de onmiddelijke nabijheid van de boorkop maakt het mogelijk cm de juiste gegevens te kunnen verzenden naar het oppervlak, aangezien de bediener de karakteristieken van het boorgat eiyof de aardformatie in de directe omgeving van de boorkop wenst te kennen, in plaats van in een uren daarvoor geboorde locatie.According to the invention, one or more sensors located close to the drill bit 22 and sensors located below the drive section of the drill bit motor 24 provide data to a transmitter, which forwards the data to the MWD tool 46, which in turn transmits the data to the surface. The significant advantage of this device is that data can be detected in the immediate vicinity of the drill bit 22, rather than at a distance of 6 to 30 meters from the drill bit, at which location the MWD tool 46 is typically mounted. This detection in the immediate vicinity of the drill bit makes it possible to send the correct data to the surface, since the operator wishes to know the characteristics of the borehole or the earth formation in the immediate vicinity of the drill bit, rather than in a location drilled hours before.

Eén van de sensoren is bij voorkeur een versnellings- of hel-lingsmeter, aangezien gegevens, die representatief zijn voor de helling van het boorgat in de onmiddelijke omgeving van de boorkop waar-devol zijn voor de boorbediener. Deze gegevens kunnen echter niet eenvoudig vanaf een locatie in de onmiddelijke nabijheid van de boorkop naar het MWD gereedschap overgébracht worden, als gevolg van de aanwezigheid van de tussenliggende boorsuspensiemotor 24. De noodzakelijke gecompliceerdheid en gewenste beweeglijkheid van de boorsuspensiemotor zijn niet zo goed geschikt voor het opnemen van door de motor lopende conventionele gegevenstransmissielijnen. Het verdient daarom de voorkeur, dat de informatie vanaf een locatie in de onmiddelijke nabijheid van de boorkop naar het MWD gereedschap overgedragen wordt door middel van frequentiegemoduleerde akoestische signalen, die de gedetecteerde gegevens representeren. De gegevens kunnen echter bijvoorbeeld ook electramagnetisch of inductief of door middel van boorsuspensiepulsen overgedragen worden en door middel van amplitude of fasemodulatie of door het tij drrrult iplexen in plaats van door middel van frequentiemodu-latie.One of the sensors is preferably an accelerometer or an inclination gauge, since data representative of the slope of the borehole in the immediate vicinity of the drill bit is valuable to the drill operator. However, this data cannot easily be transferred from a location in the immediate vicinity of the drill bit to the MWD tool, due to the presence of the intermediate drilling mud motor 24. The necessary complexity and desired motility of the drilling mud motor are not so well suited for recording engine-driven conventional data transmission lines. It is therefore preferable that the information be transferred from a location in the immediate vicinity of the drill bit to the MWD tool by means of frequency modulated acoustic signals representing the detected data. However, the data can also be transmitted, for example, electromagnetically or inductively or by means of drilling mud pulses and by amplitude or phase modulation or by time-flexing instead of by means of frequency modulation.

Fig. 2 toont in algemene blokschemavorm de primaire componenten van het systeem 10. Het onderste lager-tussenstuk 42 bevat een afgedichte holte, die een versnellingsmeter 60, een akoestische zender 62, een vermogensvoeding 64 en eventueel één of meer andere sensoren 66 behuist. In aanvulling op de helling- of versnellingsmeter 60 kunnen in het tussenstuk 42 voorziene, andere sensoren multi-as versnellings-meters, een gewicht-op-boorkop sensor, een torsiesensor, een buigings-momentsensor, een druksensor, een trillingssensor, een weerstandsver-mogensensor, een neutronerporositeitssensor, een aardformatiedicht-heidssensor, een gammastraling-telsensor, en een tenperatuursensor bevatten. Het uitgangssignaal van de of elke sensor wordt doorgegeven aan een spanning-frequentie-omzetter 63, die de sensorspanningssigna-len omzet in frequentiesignalen, die op hun beurt gébruikt worden voor het moduleren van door de zender 62 uitgezonden akoestische signalen. De signalen van de zender 62 lopen door de metalen buizen tussen het onderste lager-tussenstuk 42 en een MWD ontvanger 70 in het monel verbindingsstuk 36. De uitgezonden signalen zijn akoestische signalen met bij voorkeur een frequentie in het bereik van 500 tot 2000 Hz. Akoestische signalen kunnen efficiënt verzonden worden over een afstand tot 30 meter via ofwel de boorsuspensie of de metalen buizen. Als alternatief kunnen radio-frequentiesiqnalen van 30kHz tot 3000 MHz gébruikt worden. Hoewel de uitgezonden signalen in het algemeen representatief zullen zijn voor de sensoruitgangen, zal het duidelijk zijn, dat de verzonden signalen eenvoudig representatief kunnen zijn voor incremen-tele waarden, die de variatie van de sensoruitgangen in de tijd aangegeven. Ook kunnen verscheidene coderingstechnieken en gegevenscestpri-meringstechnieken toegepast worden voorafgaande aan de transmissie van de signalen.Fig. 2 shows in general block diagram form the primary components of the system 10. The lower bearing spacer 42 includes a sealed cavity housing an accelerometer 60, an acoustic transmitter 62, a power supply 64 and optionally one or more other sensors 66. In addition to the inclinometer or accelerometer 60, other sensors provided in the spacer 42 may include multi-axis accelerometers, a weight-on-chuck sensor, a torque sensor, a bending torque sensor, a pressure sensor, a vibration sensor, a resistance differential power sensor, a neutron porosity sensor, an earth formation density sensor, a gamma ray counting sensor, and a temperature sensor. The output of the or each sensor is passed to a voltage-frequency converter 63, which converts the sensor voltage signals into frequency signals, which in turn are used to modulate acoustic signals emitted by transmitter 62. The signals from the transmitter 62 pass through the metal tubes between the lower bearing spacer 42 and an MWD receiver 70 in the monel connector 36. The emitted signals are acoustic signals preferably having a frequency in the range of 500 to 2000 Hz. Acoustic signals can be efficiently transmitted over a distance of up to 30 meters via either the drilling mud or the metal pipes. Alternatively, radio frequency signals from 30 kHz to 3000 MHz can be used. While the transmitted signals will generally be representative of the sensor outputs, it will be appreciated that the transmitted signals may simply be representative of incremental values indicating the variation of the sensor outputs over time. Also, various encoding techniques and data encryption techniques can be applied prior to the transmission of the signals.

Het MWD gereedschap 46 bevat sensoren 67, omvattende drie ver-snellingsmeters en drie magnetometers. Een gegevensopslaginrichting of computer 68, een MWD akoestische ontvanger 70, een vermogensvoeding 72 en een MWD boorsuspensie-irrpulszender 74. Hoewel het in het algemeen de voorkeur verdient dat, daar waar mogelijk, de boorgat- of aardfor-matiekarakteristiéken gedetecteerd worden in een locatie onder de boormotor 24, zijn tenminste de magnetometers in het algemeen voorzien in het MWD gereedschap 46, zodat zij magnetisch geïsoleerd zullen zijn ten opzichte van de metalen behuizingen binnen een monel tussenstuk voor een aanvaardbare nauwkeurigheid en betrouwbaarheid.The MWD tool 46 includes sensors 67 comprising three accelerometers and three magnetometers. A data storage device or computer 68, a MWD acoustic receiver 70, a power supply 72, and a MWD drilling mud pulse transmitter 74. Although it is generally preferred that, where possible, the borehole or ground characteristics be detected in a location below On the drill motor 24, at least the magnetometers are generally provided in the MWD tool 46 so that they will be magnetically insulated from the metal housings within a monel spacer for acceptable accuracy and reliability.

De computer 68 bevat tijdelijke gegevensopslag- en gegevensver-werkingsmogelijkheden. In het bijzonder kunnen van verschillende sensoren afkomstige gegevens gecodeerd worden voor elke sensor en geschikt gemaakt worden door de computer, zodat soortgelijke signalen verzonden zullen worden naar het oppervlak, met de voor een bepaalde sensor gecodeerde signalen van elke sensor. Porositeitssignalen, mag-netometersignalen, weerstandsvermogenssignalen, hellingssignalen en temperatuursignalen kunnen aldus afwisselend verzonden worden naar het oppervlak door middel van de MWD zender 74. De ontvanger 70, computer 68, zender 74 en alle sensoren binnen het monel tussenstuk worden van energie voorzien door de vermogensvoeding 72, die een turbinegenerator en een reeks reserve batterijen op bekende wijze kan bevatten.The computer 68 includes temporary data storage and data processing capabilities. In particular, data from different sensors can be coded for each sensor and made usable by the computer, so that similar signals will be sent to the surface, with the signals coded for a particular sensor from each sensor. Porosity signals, magnetometer signals, resistive power signals, slope signals and temperature signals can thus be alternately transmitted to the surface by means of the MWD transmitter 74. The receiver 70, computer 68, transmitter 74 and all sensors within the monel adapter are powered by the power supply 72, which may contain a turbine generator and a series of spare batteries in a known manner.

Fig. 3 toont het onderste lager-tussenstuk 42 aan het ondereinde van de lagerbehuizing 30, die op zijn beurt bevestigd is aan het einde van de motorbehuizing 26. Het tussenstuk 42 belichaamt een afgedichte ringvormige holte 76 voor de schematisch in fig. 2 in het tussenstuk 42 weergegeven detectiecomponenten. In niet weergegeven varianten van de uitvinding kan het tussenstuk 42 een integraal deel vormen van een samenstel bestaande uit de boorsuspensiemotor 24 εη/of de lagerbehuizing 30, en kan eventueel ook de gebogen behuizing 26 bevatten, en de afgedichte holte kan gevormd worden door de motorbehuizing of de lagerbehuizing. Als alternatief zou de holte in de boorkop zelf gevormd kunnen zijn.Fig. 3 shows the lower bearing intermediate 42 at the lower end of the bearing housing 30, which in turn is attached to the end of the motor housing 26. The intermediate 42 embodies a sealed annular cavity 76 for the schematic in FIG. 2 in the intermediate 42 displayed detection components. In variants of the invention, not shown, the spacer 42 may form an integral part of an assembly consisting of the drilling mud motor 24 εη / or the bearing housing 30, and may optionally also include the curved housing 26, and the sealed cavity may be formed by the motor housing or the bearing housing. Alternatively, the cavity in the drill bit itself could be formed.

Het onderste lager-tussenstuk 42 bevat een integraal uitgespaard onderste lichaam 80 voor het definiëren van de holte 76 en een buitenste bus 82, die door middel van schroefdraad verbonden is met het lichaam 80, waarbij een vloeistofdichte afdichting gevormd wordt door middel van O-ringen 84 en 86 tussen radiaal buitenste delen van het lichaam 80 en de bus 82. Een wrijvingsbus 92 en een radiaal lager 88 zijn aangebracht in het tussenstuk 42. Het inwendige cilindrische oppervlak van het radiale lager 88 is enigzins kleiner dan de binnendia-meter van het lichaam 80, zodat een busverlenging 90 van een onderste afstandshouderbus gewoonlijk contact maakt met het radiale lager 88 maar niet met het lichaam 80. De afstandshouderbus en dus de verlenging 90 zijn bevestigd aan een kerribuis 94, die geroteerd wordt door de aandrijfas 28, zodat de busverlenging 90 en de kerribuis 94 draaien ten opzichte van het lichaam 80. Een kembuisring 96 is bevestigd aan de kerribuis 94 om het onderste einde van de busverlenging 90 op zijn plaats te houden. De kernhuis 94 definieert een cilindrische volledige boring 98 voor het doorlaten van de boorsuspensie naar de boorkop en het boorkoptussenstuk 44 kan door middel van schroefdraad direct bevestigd zijn aan het ondereinde van de kerribuis 94.The lower bearing spacer 42 includes an integrally recessed lower body 80 for defining the cavity 76 and an outer sleeve 82 threadedly connected to the body 80 forming a liquid tight seal by means of O-rings 84 and 86 between radially outer parts of the body 80 and the sleeve 82. A friction sleeve 92 and a radial bearing 88 are provided in the spacer 42. The inner cylindrical surface of the radial bearing 88 is slightly smaller than the inner diameter of the body 80 so that a bushing extension 90 of a lower spacer bushing usually contacts the radial bearing 88 but not the body 80. The spacer bushing and thus the extension 90 are attached to a core tube 94 which is rotated by the drive shaft 28 so that the sleeve extension 90 and the core tube 94 rotate relative to the body 80. A core tube ring 96 is attached to the core tube 94 about the lower end. to hold the bus extension 90 in place. The core housing 94 defines a cylindrical full bore 98 for passage of the drilling mud to the drill bit, and the drill bit adapter 44 may be threaded directly to the lower end of the core tube 94.

De af gedichte holte 76 behuist de akoestische zender 62, de ver-snellingsmeter 60 voor het meten van de coirponent (Gz) van het aard-gravitatieveld in de axiale richting van de boorkop, de spanning-fre-quentie-amzetter 63 en de vermogensvoeding 64, die kan bestaan uit een bij voorkeur oplaadbare batterij serie. Desgewenst kan in de holte 76 ook een kleine computer voorzien zijn, voor het verschaffen van tijdelijke gegevensopslagmogelijkheden. De computer kan tijdbepalingspro-gramma's of signaalconditioneringsschakel ingen bevatten voor het reguleren van de tijdbepaling voor het uitzenden van frequentiegemoduleer-de akoestische signalen door de zender 62 naar de ontvanger 70 voor de of elke sensor. Ook kan een turbine- of wervelstroomgenerator 65 voorzien zijn voor het genereren van electrisch vermogen cm de batterij -reeks 64 op te laden of cm de sensoren, computer en zender in de holte 76 direct te voeden. De generator 65 is stilstaand ten opzichte van de aangrenzende draaibare kerribuis 94 en kan overeenkomstig aangedreven worden door middel van de door de motor 24 aangedreven kerribuis. Het gebruik van een batterij reeks is echter in het algemeen eveneens vereist, aangezien de motor 24 in het algemeen stopgezet zal worden tijdens het uitvoeren van sensormetingen en dit zal op zijn beurt de ge- nerator 65 stopzetten. In fig. 4 zijn de in de afgedichte holte 76 opgenomen componenten geplaatst in een gedeelde cilindrische potvorm 100, bevattende een batterij vormdeel 101 en een electronicavormdeel 102 voor de andere ccmpenenten. Het batterijvormdeel 101 heeft drie axiaal verlopende boogvormige Joiners 103, die elk een respectieve van siliconerubber gegoten mof 104 bevatten voor het opnemen van vier paren van zij aan zij geplaatste batterijen. Het batterijvormdeel 101 bevat ook bedrading (niet weergegeven), die de batterijen met een electrische connector 105 verbinden, voor aangrijping op een contra-connector (niet weergegeven) aan het electronicavormdeel 102. Het electronicavormdeel 102 heeft een axiale kamer 106 voor de zender 62, drie uitsparingen 107 voor circuitplaten 108 van besturingsschakelin-gen en een axiale kamer 109 voor de versnellingsmeter 60. Desgewenst kan de versnellingsmeter 60 magnetisch afgeschermd worden door middel van een legering met hoge permeabiliteit. Hoewel niet zichtbaar in fig. 4, heeft het electronicavormdeel 102 ook een uitsparing voor een spaninrichting, die een rond de twee vormdelen 101 en 102 lopende vasthoudband spant, voor het in positie houden van de vormdelen binnen de holte 76. De stuurschakelingen bevatten een analoge stuurschakeling voor de versnellingsmeter 60, een signaalbewerkingsschakeling voor het coderen van de sensorgegevens voor transmissie, en een tijdschakeling cm de zender aan te kunnen sturen na een voorafingestelde tijdsvertraging. Bovendien kunnen schakelingen voorzien zijn voor het activeren van de zender, alleen nadat het boren stopgezet is, ofwel in respons op een akoestische opnemer, die detecteert dat het boorgeluid gestopt is of in respons op een akoestisch signaal afkomstig van de MWD ontvanger 70, gedetecteerd door een piëzo-electrische ontvangstinrich-ting. Bovendien heeft het batterijvormdeel 101 afneembare boven- en onderdeksels (niet weergegeven).The sealed cavity 76 houses the acoustic transmitter 62, the accelerometer 60 for measuring the coirponent (Gz) of the earth gravitational field in the axial direction of the drill bit, the voltage frequency converter 63 and the power supply 64, which may consist of a preferably rechargeable battery series. If desired, a small computer may also be provided in the cavity 76 to provide temporary data storage capabilities. The computer may include timing programs or signal conditioning circuitry for controlling timing for the transmission of frequency modulating acoustic signals from transmitter 62 to receiver 70 for the or each sensor. Also, a turbine or eddy current generator 65 may be provided to generate electrical power to charge the battery string 64 or to directly power the sensors, computer and transmitter in the cavity 76. The generator 65 is stationary with respect to the adjacent rotatable cores tube 94 and can be driven accordingly by means of the cores tube driven by the motor 24. However, the use of a battery array is generally also required, since the motor 24 will generally be shut down while sensor measurements are being made and this in turn will shut down generator 65. In Fig. 4, the components contained in the sealed cavity 76 are placed in a divided cylindrical pot mold 100, containing a battery mold 101 and an electronics mold 102 for the other components. The battery molding 101 has three axially extending arcuate Joiners 103, each of which includes a respective silicone rubber molded sleeve 104 for receiving four pairs of batteries placed side by side. The battery mold 101 also includes wiring (not shown) connecting the batteries to an electrical connector 105 for engagement with a counter-connector (not shown) on the electronics mold 102. The electronics mold 102 has an axial chamber 106 for the transmitter 62, three recesses 107 for control circuit board plates 108 and an axial chamber 109 for accelerometer 60. If desired, accelerometer 60 may be magnetically shielded by a high permeability alloy. Although not visible in Fig. 4, the electronics mold 102 also has a recess for a clamping device which tensiones a retaining band running around the two moldings 101 and 102 to hold the moldings in position within the cavity 76. The control circuits include an analog control circuit for the accelerometer 60, a signal processing circuit for encoding the sensor data for transmission, and a time circuit for being able to control the transmitter after a preset time delay. In addition, circuitry may be provided to activate the transmitter only after drilling has stopped, either in response to an acoustic pick-up that detects that the drilling sound has stopped or in response to an acoustic signal from the MWD receiver 70, detected by a piezoelectric receiver. In addition, the battery mold part 101 has removable top and bottom covers (not shown).

Fig. 5 toont een doorsnede door het electronicavormdeel 102 volgens de lijn V-V in fig. 4, waarin de akoestische zender 62 twee coaxiale cilindrische pooldelen 110 en 111, gescheiden door een ringvormige luchtruimte 112 en onderling verbonden door een axiale, van mag-netostrictie vertonend materiaal vervaardigde staaf (niet weergegeven) bevat. De axiale staaf is omringd door een cilindrische spoel (niet weergegeven) in het pooldeel 111 en de levering van een geschikt ingangssignaal aan de spoel resulteert in fysische deformatie van de staaf op een wijze voor het produceren van een akoestisch uitgangssignaal. De luchtruimte 112 is voorzien om de staaf in staat te stellen zonder beperkingen uit te zetten en samen te trekken, en een voorspan-ningssysteem, bevattende een een verbindingsbout 114 omringende druk-veer 113, zorgt voor het samendrukken van de pooldelen 110 en 111 in de axiale richting. Bovendien is een stuurversterker 115 voorzien voor de zender 62.Fig. 5 shows a section through the electronics molded part 102 along the line VV in FIG. 4, in which the acoustic transmitter 62 has two coaxial cylindrical pole parts 110 and 111 separated by an annular air space 112 and interconnected by an axial material showing magnetostriction. bar (not shown). The axial rod is surrounded by a cylindrical coil (not shown) in the pole portion 111 and the supply of a suitable input signal to the coil results in physical deformation of the rod in a manner to produce an acoustic output signal. The air space 112 is provided to allow the rod to expand and contract without restriction, and a biasing system, including a compression spring 113 surrounding a connecting bolt 114, compresses the pole pieces 110 and 111 into the axial direction. In addition, a control amplifier 115 is provided for the transmitter 62.

De vakman is nu in staat tot het onderkennen van de talrijke voordelen van het hierboven met verwijzing naar de tekeningen beschreven systeem. Een snelle, nauwkeurige en goedkope techniek is verschaft voor het betrouwbaar verkrijgen van waardevolle informatie uit de on-middelijke nabijheid van de boorkop en het betrouwbaar langs de boor-motor naar het oppervlak verzenden van deze informatie. In het bijzonder kan de helling van het boorgat gecontroleerd worden in een positie in de onmiddelijke nabijheid van de boorkop, terwijl de boorgatrich-ting betrouwbaar gedetecteerd en verzonden kan worden naar het oppervlak vanaf een positie boven de motor. Complexe en onbetrouwbare be-dradingstechnieken zijn niet vereist om de informatie langs de motor te doen passeren. Hoewel betrouwbare informatie uit de onmiddelijke omgeving van de boorkop verkregen wordt, worden de sensoren niet geroteerd door de motor, zodat de sensoren en electronische componenten binnen de afgedichte holte 76 niet onderhevig zijn aan door de boor-koprotatie in het 50 tot 6000 REM bereik veroorzaakte centrifugale krachten. Desgewenst kunnen ook gegevens verzonden worden naar het oppervlak tijdens het boren, waardoor er geen waardevolle boortijd verloren gaat. Verder is het onderste lager-tussenstuk 42 nagenoeg geïsoleerd ten opzichte van de op de boorkop werkende hoge trillings-krachten, als gevolg van de verscheidene lagersamenstellen binnen de lagerbehuizing 30. De hoekpositie of oriëntatie van de sensoren binnen de afgedichte holte 76 is vastgelegd, en aldus kan de positie van elke sensor ten opzichte van het tussenstuk 42 en dus ten opzichte van de boorserie 12 bepaald en geregistreerd worden.Those skilled in the art are now able to recognize the numerous advantages of the system described above with reference to the drawings. A fast, accurate, and inexpensive technique has been provided for reliably obtaining valuable information from the immediate vicinity of the drill bit and reliably transmitting this information along the drill motor to the surface. In particular, the inclination of the borehole can be controlled in a position in the immediate vicinity of the drill bit, while the borehole direction can be reliably detected and sent to the surface from a position above the motor. Complex and unreliable wiring techniques are not required to pass the information along the engine. Although reliable information is obtained from the immediate environment of the chuck, the sensors are not rotated by the motor, so the sensors and electronic components within the sealed cavity 76 are not subject to the chuck rotation in the 50 to 6000 REM range centrifugal forces. If desired, data can also be sent to the surface during drilling, so that no valuable drilling time is lost. Furthermore, the lower bearing spacer 42 is substantially insulated from the high vibrational forces acting on the drill bit, due to the various bearing assemblies within the bearing housing 30. The angular position or orientation of the sensors within the sealed cavity 76 is fixed, and thus, the position of each sensor relative to the spacer 42 and thus relative to the drill string 12 can be determined and recorded.

Claims

A method of drilling a borehole using a drill string (12) having a drill bit (22) and a drill motor (24) in the drill string downhole in the drill hole at one end thereof for rotating the drill bit, the method comprising detecting a borehole parameter, sending a signal representative of the detected borehole parameter or the variation of the parameter over time to the surface, and modifying the drilling path in response to the transmitted signal, characterized in that the borehole parameter is detected by using a fixed sensor (66) in the portion of the drill string, consisting of the drill bit (22), the drill motor (24) and all components between the drill bit (22) and the drill motor (24).

Method according to claim 1, characterized in that the borehole parameter is a component of the earth gravitation field in a predetermined direction relative to the borehole.

A borehole signaling method during drilling using a drill string (12) with a drill bit (22) at one end and a drill motor (24) in the drill string downhole to rotate the drill bit, wherein the method includes detecting a borehole parameter and transmitting to the surface a signal representative of the detected borehole parameter or of a variation of the parameter, characterized in that the borehole parameter is detected using a sensor ( 66), located in the drill string part consisting of the drill bit (22), the drill motor (24) and all components between the drill bit (22) and the drill motor (24), and the signal is sent from this part of the drill string to a location in the drill string on the opposite axial side of the drill motor (24) from the drill bit (22), receiving the signal at this location and creating the signal representing data den from this place to the surface.

Method according to claim 3, characterized in that the sensor (66) is placed in a cavity (76) in a bearing housing (30) adjacent to the drill bit (22).

Method according to claim 3 or 4, characterized in that the signal representing the detected borehole parameter or the variation of the parameter in time is transmitted acoustically.

A method according to claim 3, 4 or 5, characterized in that the data reproducing the signal are sent to the surface in the form of drilling mud pulses.

Drill signaling device in drilling by using a drill string (12) with a drill bit (22) at one end and a drill motor (24) in the drill string downhole to rotate the drill bit, wherein the device includes a sensor (66) for placement in a portion of the drill string to detect a borehole parameter, a first transmitter (62) for placement in this portion of the drill string cmd the detected borehole parameter or variation of the parameter over time displaying input from the sensor (66) and transmitting a signal representing the input, characterized in that the sensor (66) is placed in the part of the drill string consisting of the drill bit (22), the drill motor (24) and all co-components located between the drill bit (22) and the drill motor (24), a receiver (70) is placed in a portion of the drill string on the side of the drill motor (24 axially facing away from the drill bit (22) ) for receiving it signal sent by the first transmitter (62), and a second transmitter (74) is placed in this portion of the drill string to receive an input from the receiver (70) indicative of the signal and to transmit from an input display signal to the surface.

Device according to claim 7, characterized in that the first transmitter is an acoustic transmitter (62) and the second transmitter is a drilling mud pulse transmitter (74).

Device according to claim 7 or 8, characterized in that a further sensor (67), for detecting a further borehole parameter, is placed in the vicinity of the second transmitter (74) and the second transmitter (74) is arranged for transmitting data to the surface, which data represent the outputs of both sensors (66, 67).

Drill chuck or chuck bearing assembly, to be placed at one end of a drill string (12) during drilling, the assembly having a housing (30), characterized in that a sensor (66) is placed in a sealed cavity (76) in the casing for detecting a borehole parameter, and a transmitter (62) is also placed in the cavity (76) for receiving an input from the sensor (66), containing the detected borehole parameter or variation of the parameter in time and for transmitting a signal representative of the input.

Assembly according to claim 10, characterized in that the transmitter (62) comprises a magnetostriction-possessing element and means (110, 111) for supplying a magnetic field to the element in response to the input, by means of produce the magnetostriction of the element from an acoustic signal representative of the input.