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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bohren von Erdformationen
in einer Ausgestaltung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie auf Verfahren zum Bohren von Erdformationen.
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Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Kombinationssystem des Kernbohrens
und des normalen Rohrens mittels einer unter Verwendung eines Seilstranges
aus dem Bohrstrang herausziehbaren Kernbohrinnenrohreinheit und
einer Verschlußeinheit
zum Vorwärtsbohren,
wobei letztere wahlweise mit Meßeinrichtungen
zur Bewertung von Bohrlochparametern ausgestattet ist. Speziell
bietet das System die Möglichkeit,
gleichzeitig eine Formation, in der eine Kernbohrung ausgeführt wird,
wie auch die aus der Formation erbohrte Kernprobe datenmäßig zu erfassen.
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Das
Kernbohren mit einem Seilstrang ist seit vielen Jahren bekannt.
Das Grundkonzept besteht hierbei darin, ein Kernrohr mit einer Außenrohreinheit zu
verwenden, die am Ende des Bohrstrangs angeordnet ist und an ihrem
unteren Ende eine Kernbohrkrone aufweist. Eine Innenrohreinheit
zur Aufnahme eines von der Kernbohrkrone erbohrten Kerns ist lösbar in
der Außenrohreinheit
verriegelt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Plazierung der
Innenrohreinheit in der Außenrohreinheit
mittels eines Seilstranges, mittels der Schwerkraft oder einer hydraulischen Strömung und
ihre Rückgewinnung
aus der Außenrohreinheit
mittels des Seilstranges. Beispiele solcher Seilstrang-Kernbohrsysteme
sind in den Schriften
US 3 127
943 und
US 5 020 612 beschrieben.
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Ein
Problem bei zahlreichen vorbekannten Systemen ist die Notwendigkeit,
daß ein
spezieller Bohrstrang mit einem vergrößerten Durchmesser verwendet
werden muß,
um das Einlassen und Zurückholen
der Innenrohreinheit zu ermöglichen,
die zum Erbohren verhältnismäßig großer Kerne über 5 cm
(2'') Durchmesser verwendet
wird.
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Obschon
Kernbohrsysteme, die kleine bzw. schlanke Kerne von etwa 4,5 cm
(1 3/4'') Durchmesser oder
weniger erbohren, bekannt sind, versteht sich, daß solche
Kerne sehr zerbrechlich sind, so daß die herkömmlichen Kernbohrsysteme in
der Länge auf
solche Kerne begrenzt sind, die vernünftigerweise, ohne zu zerbrechen,
gebohrt werden können. Diese
Beschränkung
scheint in erster Linie der Instabilität des gesamten Kernrohres zuzuschreiben
zu sein, die durch seitliche und vertikale Bohrkronenbewegungen
im Bohrloch, die Vibrationen erzeugen, hervorgerufen wird. Ein Hauptphänomen, das
aus solchen Bohrkronenbewegungen und -schwingungen resultiert, ist
das sog. Bohrkronenschleudern, obgleich eine Vibration ohne Schleudern
ebenfalls schädlich
ist. Das Phänomen
des Bohrkronenschleuderns äußert sich
in Bohrkronen mit unausgeglichenen Seitenkräften der Schneidglieder, welche
Kräfte dazu
führen,
daß die
Bohrkrone im Bohrloch um einen Mittelpunkt rotiert bzw. schleudert,
der von der geometrischen Mitte der Bohrkrone versetzt ist, derart,
daß die
Krone dazu neigt, rückwärts im Bohrloch zu
schleudern. Es wurde beobachtet, daß das Schleuderphänomen durch
das Vorhandensein von Kalibrier- bzw. Trimmschneidgliedern an bestimmten Stellen
im äußeren Kalibrierbereich
der Bohrkrone verstärkt
wird, wobei derartige Schneidglieder auch Reibkräfte beim Bohren erzeugen. Das
Schleudern ist ein dynamisches eigenständiges Phänomen und wirkt sich in vielen
Fällen
im hohen Maße
zerstörend auf
die Schneidglieder der Bohrkrone aus. Das Schleuderphänomen erzeugt
dabei eine Spiralgestalt des Bohrloches während des Rohrens, was bei
Kernbohrkronen zu einem nicht-zylindrischen, spiraligen Kern führt, der
noch empfindlicher gegenüber
Brüchen
ist und leicht im inneren Kernrohr verklemmt.
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Angesichts
der verhältnismäßig kleinen
Freiräume
zwischen dem Kern und dem Pilotschuh, dem Kernfänger und den Innenrohrkomponenten
des Innenrohrs führen
leichte seitliche und vertikale Bewegungen des Kernrohres leicht
zu einem Bruch von Kernen mit kleinem Durchmesser mit einer daraus
resultierenden Kernblockierung und Zerstörung der Kernprobe. Als Folge
hiervon werden Kernrohre mit kleinem Durchmesser üblicherweise
in ihrer Länge aufgrund
der kurzen Kernproben (z. B. etwa 3 bis 4 m (10 bis 13 Fuß)), die
ohne Kernbruch, -blockierung und -zerstörung erbohrt werden können, begrenzt. Es
sind Versuche unternommen worden, längere Kerne, von etwa 8 m (26
Fuß) zu
schneiden, jedoch haben die verwendeten Geräte aufgrund der oben erwähnten Probleme
nicht zum Erfolg geführt.
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Es
ist erkannt worden, daß bestimmte
Verbesserungen in der Bohrkronenausbildung, einschl., jedoch nicht
ausschließlich
der sog. schleuderfreien Bohrkronen mit Polykristallin-Diamant-Compakt-(PDC)-Schneidgliedern,
eingeleitet durch Amoco und verbessert durch den Anmelder, auf Kernbohrkronen übertragen
werden können,
um die Sicherheit eines Kernbohrvorgangs und die Qualität der Kerne
zu erhöhen.
Patente, die schleuderfreie Bohrkronen beschreiben, sind beispielsweise
die
US-PSen 4 982 802 ,
5 010 789 ,
5 042 596 ,
5 099 934 ,
5 109 935 ,
5 111 892 ,
5 119 892 ,
5 131 478 ,
5 165 494 und
5 178 222 . Das SPE-(Society of Petroleum
Engineers)-Papier Nr. 24587 von L. A. Sinor u. a. der Amoco Production
Co. mit dem Titel "Development
of an Anti-Whirl-Core Bit" diskutiert
Verbesserungen und mögliche
Verbesserungen in den Kernbohrmöglichkeiten,
die sich angenommenermaßen durch
die Verwendung schleuderfreier Kernbohrkronen ergeben.
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Andere
Lösungsansätze zu einer
Bohrkronenstabilisierung sind von Amoco u. a. unternommen worden.
Ein Vorschlag besteht darin, den Versuch zu unternehmen, eine Bohrkrone
perfekt auszubalancieren, wie es in der
US-PS 4 815 342 beschrieben ist. Ein
weiterer Lösungsvorschlag
besteht darin, die Vorsprünge
auf der Bohrkronenfläche
in kreisförmigen
Nuten mechanisch zu verriegeln, die von den Schneidgliedern auf
der Fläche
geschnitten werden, wie es in der
US-PS
5 090 492 beschrieben ist.
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Sämtliche
der vorstehenden Entwicklungen bei der Bohrkronenstabilisierung
haben sich auf einzelne Elemente des Bohrvorgangs konzentriert,
entweder das Bohren eines Bohrloches mit vollem Durchmesser oder
auf das Kernbohren.
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Vor
einigen Jahren wurde von der Eastman Christensen Company, einem
Vorgänger
des Anmelders, eine Kombination eines Vollbohr- und Kernbohrsystems
mit der Wahlmöglichkeit
zwischen Vollbohren und Kernbohren entwickelt. Dieses System ermöglichte
wechselweise Kernbohr- und Vollbohrvorgänge, ohne den Bohrstrang zu
ziehen. Bei diesem System waren sowohl die Innenrohreinheit zum Kernbohren
als auch eine ersatzweise mittlere Verschlußeinheit mit einem Brechfuß und Schneidgliedern
zum Umwandeln der Kernbohrkrone in einen Vollbohrmeißel über einen
Seilstrang einsetzbar und aufholbar, die Innenrohreinheit konnte
also wieder an die Erdoberfläche
zurückbefördert werden.
Dieses Kombinationssystem verwendete Kernbohrkronen mit natürlichen
Diamanten und war aus mehreren Gründen nur in seltenen Fällen erfolgreich.
Zunächst betrug
die maximale Kernlänge,
die auf einmal erbohrt werden konnte, nur etwa 4 m (13 Fuß), was
ein außerordentlich
kurzes Intervall zur Analyse ohne mehrfache Einsätze der Innenrohreinheit bedeutete und
eine Kombination mit Sonderlängen
von Rohren zum Abwärtsbohren
des Mitnehmergestänges
zum Drehtisch wie eine Rohrverbindung erforderte. Zusätzlich brachte
das Aufkommen genauerer elektrischer Bohrlochmessungen und Analysetechniken zur
Datenaufnahme eine Verringerung des Bedarfs für Kernanalysen. Schließlich akzeptierte
die Industrie nicht die Kerne mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser (5
cm), die das System erbrachte, das zum Einsetzen und Rückholen
der Innenrohreinheit und der mittleren Verschlußeinheit Standardrohrteile erforderte.
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In
jüngerer
Zeit hat jedoch die Entwicklung und die industrielle Akzeptanz von
Loch- und Rotationskernbohrtechniken,
die dazu führen,
daß Kerne von
etwa 2,5 cm (1 Zoll) Durchmesser aus dem Bohrloch erbohrt werden
können,
als auch die vermehrte Anwendung von Bohrlöchern kleinen Durchmessers für Versuchs-
bzw. Forschungsbohrungen den früheren
Widerstand, auf Kerne kleinen Durchmessers zurückzugreifen behoben. Diese
Veränderungen
in der industriellen Praxis haben zu einem erneuten Interesse am
Kernbohren geführt,
jedoch haben bislang die bekannten Kernbohrsysteme keine Möglichkeit für ein System
zum Vollbohren und Kernbohren mit kleinem Durchmesser geführt, das
ursprüngliche,
unbeschädigte
Kerne von gewünschter
Länge (z.
B. etwa 9 m (30 Fuß))
unter Vermeidung von Kernblockierungen schneiden kann und außerdem die
Möglichkeit
bietet, zwischen den Intervallen des Kernbohrens weiter vollzubohren,
ohne den Bohrstrang zu ziehen. Außerdem bietet kein Kernbohrsystem
des Standes der Technik die Leistungsmöglichkeiten und Betriebsmerkmale,
wie sie mit PDC-Bohrkronen erreicht werden können.
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Ein
weiterer Nachteil der bekannten Kernbohrsysteme liegt in der Tendenz,
daß das
Erbohren des Kerns und die Bewertung der Bohrlochparameter als separate,
nur peripher miteinander in Beziehung stehende Vorgänge anstatt
miteinander verknüpfte Segmente
eines Gesamtprozesses der Formationsbewertung behandelt werden.
Obschon die
US-PS 4 955 438 der
Anmelderin das Aufnehmen von Meßwerten
der Bohrlochmerkmale während
eines Kernbohrvorgangs und das Aufholen solcher Daten von der Kernbohrvorrichtung
auf physischem Wege, durch Seilstrang oder Spülungsimpulstelemetrie, beschreibt,
ist das Vorhandensein irgendeines derartigen Systems zur Verwendung
bei Öl-
und Gasforschungsbohrungen nicht bekannt.
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Aus
der Schrift
GB 2 293 395 ist
es bekannt, einen Bohrköper
so zu gestalten, dass er entweder eine Öffnung zur Aufnahme einer Kernbohrung
aufweist oder in die Öff nung
ein Verschluss eingesetzt ist, so dass keine Kernbohrung mehr möglich ist.
Der Verschluss ist mit Messvorrichtungen versehen, so dass bei normalen
Bohrungen Messungen mit dem Bohrkörper vorgenommen werden können.
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Außerdem ist
aus der Schrift
DE
38 13 508 C1 bekannt, einen Bohrkörper zur Aufnahme einer Kernbohrung
an seinem Ende mit einer Messvorrichtung zu versehen, um das erbohrte
Material zu untersuchen. Der Bohrkörper ist jedoch ausschließlich für Kernbohrungen
verwendbar, und die durchführbaren Messungen
führen
nur zu eingeschränkt
nutzbaren Messergebnissen, da die Messvorrichtung an der Rückseite
des Bohrkörpers
angebracht ist.
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Der
Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Bohren von Erdformationen zu schaffen, mit der es möglich ist, gleichzeitig
mit dem Erbohren eines Kerns Bohrlochdaten aufzunehmen.
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Diese
Aufgabe wird für
eine gattungsgemäße Vorrichtung
gemäß Anspruch
1 nach der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis
16 verwiesen.
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Im
Hinblick auf die gattungsgemäßen Verfahren
wird die Aufgabe anhand der kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 17 und
18 gelöst.
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Die
Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines einfachen Verfahrens
zum Bohren einer Erdformation mit der Möglichkeit der Aufnahme von
Bohrlochdaten und löst
diese Aufgabe in Verfahrensformen gemäß den Ansprüchen 20 bis 22.
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Die
Erfindung bietet die Möglichkeit
abwechselnd einen Kernbohrvorgang und einen Vollbohrvorgang durchzuführen, ohne
den Bohrstrang zu ziehen, wobei langgestreckte Kerne kleinen Durchmessers entnommen
werden können.
Das Kernrohr nach der Erfindung weist eine Außenrohreinheit mit einer Kernbohrkrone,
vorzugsweise PDC-Kernbohrkrone, auf, die am unteren Ende der Außenrohreinheit
angebracht ist. Unmittelbar oberhalb der Kernbohrkrone befindet
sich eine Lageranordnung für
das Bohrkronenende im Kernrohr, die wechselweise das Ende einer
Innenrohreinheit oder einer mittleren Verschlußeinheit aufnimmt. Eine Rastkupplung
ist oben an der Innenseite der Außenrohreinheit angebracht.
Die Innenrohreinheit weist ein Fangkupplungsglied am oberen Ende
auf, darunter eine Verriegelungseinheit für einen Eingriff mit der Rastkupplung
des Außenrohrs
und eine Lagereinheit unter der Verriegelungseinheit zur Ermöglichung
einer Drehung zwischen der Außenrohreinheit
und dem Innenrohr. Das untere Ende der Innenrohreinheit, das mit
der Bohrkronenlagereinheit in Eingriff steht, weist einen herkömmlichen
Kernfänger
auf.
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Die
nach der Erfindung bevorzugte PDC-Kernbohrkrone hat vorzugsweise
eine schleuderfreie Ausgestaltung, obwohl andere stabilisierte Bohrkronenausgestaltungen,
wie sie oben besprochen wurden, ebenfalls geeignet sind. Die Verwendung
einer schleuderfreien Kernbohrkrone im Rahmen der Erfindung führt zu der
erwiesenen Fähigkeit, Kerne
von zumindest etwa 9 m (30 Fuß)
von hoher Qualität
und mit stark erhöhter
Gewinnungsrate zu schneiden und zu ziehen. Außerdem bietet die Verwendung
einer PDC-Kernbohrkrone mit wahlweisem mittleren Verschluß eine Eindringungsrate ähnlich der
von PDC-Bohrmeißeln
und Gewicht-auf-Krone, Drehgeschwindigkeit und hydraulische Strömungsraten ähnlich denen
von PDC-Bohrmeißeln. Somit
können
große
Mengen hochqualitativer Kerne kosteneffektiv gewonnen werden, und
die Gesamteindringungs- bzw. Bohrfortschrittsrate während des
Bohrvorgangs ist im Vergleich mit einem Bohren ohne Kernentnahme
nicht wesentlich reduziert, so daß der Betreiber Vorteile aus
Zeit- und Kostenersparungen wie auch aus den durch die hochqualitativen
Kerne zur Verfügung
stehenden Informationen zieht.
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Die
Verwendung der Lagereinheit für
das Bohrkronenende erbringt eine präzsise Ausrichtung des Innenrohrs
zur Aufnahme des im Erbohren befindlichen Kerns sowie einen Sitz
für das
untere Ende der mittleren Verschlußeinheit, die eine Mehrzahl
von Schneidgliedern, vorzugsweise PDC-Schneidgliedern, und Spülungsauslässe für die Spülflüssigkeit enthält.
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Ein
wahlweises, jedoch bedeutsames Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist die Anordnung eines geeigneten Meßwerkzeugs, wie eines Gammastrahlen-
oder Richtungsmeßwerkzeugs,
in der mittleren Verschlußeinheit
zur Ermöglichung
einer Bohrlochdatenaufnahme während
eins Vollbohrvorgangs. Die Daten können im Meßwerkzeug während des Rohrens gespeichert
und periodisch durch Seilstrangübertragung
oder wenn die mittlere Verschlußeinheit
zur Oberfläche
zurückgeholt
wird, aufgenommen werden. Es kann auch ein Bohrspülungsimpuls-
oder anderes geeignetes Datenübertragungssystem
als Teil der mittleren Verschlußeinheit
angebaut werden, um eine Echtzeitübertragung von Daten zu ermöglichen.
Eine odere mehrere Meßmöglichkeiten
können in
das Meßwerkzeug
bzw. die Instrumentenausrüstung
einbezogen sein, wobei solche Möglichkeiten eine
Druck- und Temperaturmessung zusätzlich
zu den anderen oben erwähnten
Messungen umfassen können,
ohne hierauf beschränkt
zu sein. Vorteilhaft ist auch, daß die Meßwerkzeugsensoren und insbesondere
die Sensoren zum Erfassen von Formationsmerkmalen unmittelbar angrenzend
an das untere bzw. vorauslaufende Ende der mittleren Verschlußeinheit,
buchstäblich
im Hals der Kernbohrkrone, angeordnet sein können, um eine äußerst enge Nähe zur Bohrkronenstirnfläche und
damit zu der gebohrten Formation zu erhalten.
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Es
ist ferner vorgesehen, daß Sensoren
zum Messen von Richtungsparametern sowie der oben erwähnten Bohrlochparameter
und ferner von anderen Parametern wie etwa (lediglich als Beispiel)
des Formationswiderstands und der nuklearen magnetischen Resonanz,
wie auch eine Stromversorgung, eine Datenverarbeitungs- und Speichereinheit
und eine Bohrlochdatenübertragung
oder Telemetriemöglichkeit
in eine oder mehrere Kernbohrinnenrohreinheiten, in die Wand des
Kernrohrs zwischen dessen Außenseite
und der Längsbohrung
oder oberhalb des Kernrohres in einem gesonderten Rohrabschnitt oder
Gehäuse
mit einer axialen Bohrung, die mit der Bohrung des Kernrohres fluchtet,
eingebaut werden können.
Sensoren zum Messen von Bohrparametern wie etwa (wiederum lediglich
als Beispiel) Drehmoment, Drehgeschwindigkeit, Gewicht auf der Bohrkrone,
Vibration und Bohrlochdruck können
ebenfalls in eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung, vorzugsweise
nahe der Bohrkrone, etwa in der Wand des Kernrohres, eingebaut werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein gleichzeitiges bzw. zumindest
gleichlaufendes Messen von Bohrlochparametern der Formation außerhalb
des Kernrohres vor, während
der gleiche oder ein anderer Bohrlochparameter des im Erbohren befindlichen
Kerns bei seinem Eintreten in die Kerninnenrohreinheit gemessen
wird. Z. B. können
Gammastrahlen-, Widerstands-, Dichte-, Porositäts-, Schall- und/oder Messungen
der nuklearen magnetischen Resonanz vorgenommen werden. Es ist vorteilhaft,
solche Messungen zu Vergleichszwecken mit Blick auf die Eigenschaften
vorzunehmen, die von der äußeren Formation
dargeboten werden, im Gegensatz zu denjenigen, die von dem Kern
unter der kontrollierteren Umgebung des Kernrohrinnenraums und in
einem extrem engen Bereich dargeboten werden. Außerdem ist es wünschenswert,
solche Kernmessungen unmittelbar nach dem Kerndurchgang durch den
Hals der Kernbohrkrone vorzunehmen, wenn sich der Kern in seinem
ursprünglichsten
Zustand befindet und es am wenigsten wahrscheinlich ist, daß er durch
Spülungsflüssigkeit
zu sehr verunreinigt ist oder seine physikalische Integrität verloren hat.
Des weiteren ist vorgesehen, daß die
Ausrichtung des Kerns bestimmt wird, sowohl in einem absoluten Sinn
als auch mit Bezug auf die Umgebungsformation, aus der er ausgeschnitten
wird, wobei die Richtungsinstrumentierung der Vorrichtung verwendet
wird.
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Außerdem ist
vorgesehen, daß ein
Kurzetappen-Funktelemetriesystem verwendet werden kann, um Daten über eine
kurze Distanz von einer Stelle in der Kernrohrwand zur Innenrohreinheit
oder umgekehrt zu übertragen;
dies für
eine anschließende Rückübertragung
durch ein Ferntelemetriesystem in einer anderen Komponente der Vorrichtung
oder von einer dieser Stellen an ein Ferntelemetriemodul, das in
kurzem Abstand oberhalb des Kernrohres im Bohrloch angeordnet ist.
Die Daten können
rückübertragen
werden durch Bohrspülungsimpuls,
akustische oder elektromagnetische Telemetrie oder durch einen zur
Oberfläche
laufenden Seilstrang. Des weiteren können Daten in einem elektronischen
Speicher gespeichert werden, der in der Innenrohreinheit oder der
oben erwähnten
mittleren Verschlußeinheit
angeordnet ist und physisch zur Oberfläche anstatt einer Übertragung
in im wesentlichen Echtzeit zurückgeholt
werden kann. Selbstverständlich
werden Daten vorzugsweise in einer Innenrohreinheit, mittleren Verschlußeinheit,
einem Kernrohr oder gesonderten Gehäuse gespeichert, das der Kernbohrvorrichtung zugeordnet
ist, selbst bei einer Übertragung
zur Oberfläche
in Echtzeit, um einen Datenverlust aufgrund schlechter Übertragung
oder eines Senderausfalls zu vermeiden.
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Der
Verfahrensaspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Bohren,
bei dem gleichzeitig Richtungs-, Formations- und wahlweise Bohrparameterdaten
aufgenommen werden, bevor ein Kernbohrvorgang unternommen wird,
um eine Zone oder eine Schicht von potentiellem Interesse, wie etwa
eine kohlenwasserstoffproduzierende Zone, zu lokalisieren, bevor
die Innenrohreinheit zur Aufnahme des Kernbohrens in Betrieb genommen
wird. In gleicher Weise ist vorgesehen, daß durch die Aufnahme solcher
Daten während
des Kernbohrvorgangs dem Bedienungspersonal die Möglichkeit
der Feststellung gegeben wird, wann das Kernbohren zu beenden ist, so
daß nicht
Kernproben in einem Gestein im wesentlichen über eine Zone von potentiellem
Interesse hinaus aufgenommen werden. Bei der Praktizierung dieses
Aspektes der Erfindung ist es natürlich wünschenswert, die aufgenommenen
Daten an die Oberfläche
auf Echtzeitbasis zu übertragen,
insbesondere wenn in einer potentiellen Produktionszone gebohrt wird.
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Beim
Kernbohren kann es ausreichen, die Daten für jeden kerngebohrten Abschnitt
beziehungsweise für
jedes kerngebohrte Intervall zu dem Zeitpunkt zu entnehmen, an dem
die Innenrohreinheit mit der darin enthaltenen Kernprobe zur Oberfläche geholt
wird; jedoch ist es offensichtlich vorzuziehen, den Beendigungspunkt
der Zone von Interesse so genau wie möglich zu lokalisieren, was
bedeutet, daß eine
Echtzeitdatenübertragung
auch in dieser Situation vorteilhaft sein kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung
schematisch veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Kernrohr nach der Erfindung,
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2 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
das untere Ende des Kernrohres nach der Erfindung, wobei sich ein
Innenrohreinheit in ihrer Stellung zum Kernbohren befindet,
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3 einen
vergrößerten Längsschnitt durch
das untere Ende des Kernrohres nach der Erfindung, wobei sich eine
mittlere Verschlußeinrichtung
in ihrer Stellung zum Ausbohren befindet,
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4 eine
Ansicht der Bohrkrone unter Veranschaulichung der Schneidgliedplazierung
mit Blick nach unten durch die Bohrkronenfläche,
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5 einen
vergrößerten Vertikalschnitt durch
ein Ausführungsbeispiel
einer Innenmaßschneideinrichtung
einer Bohrkrone mit schwachem Eindringungswinkel und einer damit
zusammenwirkenden Kernschuheinrichtung,
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6 einen
Längsschnitt
durch eine bevorzugte Ausführungsform
einer Kernbohrvorrichtung mit einer Innenrohreinheit in einer Ausgestaltung zum
gleichzeitigen Kernbohren und Aufzeichnen von Bohrlochparametern
und Übertragen
der erhaltenen Bohrlochdaten zur Erdoberfläche,
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7 bis 9 je
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Kernbohrvorrichtung in Darstellungen entsprechend 6 und
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10 eine
Darstellung des unteren Endes einer bevorzugten mit Instrumenten
versehenen mittleren Verschlußeinrichtung
nach der Erfindung im Längsschnitt.
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Wie
sich zunächst
aus 1 ergibt, ragt ein Kernrohr 10 nach unten
in ein Bohrloch 12 von einer Schwerstange 14 am
unteren Ende eines sich zur Oberfläche erstreckenden Bohrstrangs.
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Das
Kernrohr
10 umfaßt
eine Außenrohreinheit
16 mit
einem Außenrohr
18,
an dessen oberem Ende sich eine Gewindemuffenverbindung
20 zur
Befestigung des Kernrohres
10 an einem Gewindebolzen
22 der
Schwerstange
14 befindet. Am unteren Ende des Außenrohres
18 ist
eine PDC-Kernbohrkrone
24 in einer schleudersicheren oder
dgl. stabilisierten Ausführung,
wie oben beschrieben, befestigt. PDC-Schneidglieder
26 auf der Kernbohrkrone
24 schneiden
die Formation beim Drehen des Bohrstranges, wobei auch ein Kern
28 aus
der gebohrten Formation ausgeschnitten wird. Der Kern
28 erstreckt
sich nach oben in den Hals
30 der Kernbohrkrone
24 beim
Vortrieb der Bohrkrone in die Formation. Ggf. kann die Bohrkrone
24 eine
Ausführung
mit schwachem Eindringprofil entsprechend der
US-PS 4 981 183 des Anmelders aufweisen.
Auf der Innenseite des Außenrohres
18 befinden
sich eine Rastkupplung
32 und darunter eine Mehrzahl axial
beabstandeter Gruppen von Tragrippen
34, die sich in Umfangsrichtung
um die Innenseite des Außenrohrs
18 herumerstrecken.
Im Inneren der Kernbohrkrone
24 befindet sich eine Drehlagereinheit
36 für das Bohrkronenende.
Strömungsmittelkanäle
38 erstrecken
sich vom Bohrkroneninneren zur Bohrkronenstirnfläche.
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Eine
Innenrohreinheit 40 ist im Kernrohr 10 so gezeigt,
wie es bei einem Kernbohrvorgang der Fall ist. Die Innenrohreinheit 40 umfaßt an ihrem
unteren Ende ein in der Lagereinheit 36 aufgenommenes Innenrohr 42.
Das Innenrohr 42 erstreckt sich aufwärts innerhalb des Außenrohrs 18 durch
die Gruppen von Tragrippen 34, die eine Abstützung gegen
ein Verbiegen des Innenrohrs 42 bieten. Am oberen Ende
des Innenrohrs 42 befindet sich eine Innenrohrlagereinheit 44,
die eine Drehung des oberen und unteren Bereichs der Innenrohr 40 zueinander
ermöglicht
und damit, in Verbindung mit der Lagereinheit 36 für das innere
Bohrkronenende, die Möglichkeit
schafft, daß sich
die Außenrohreinheit 16 dreht, während die
Innenrohreinheit 40 stationär bleibt. Oberhalb der Lagereinheit 44 steht
eine Verriegelungseinheit 46 in lösbarem Eingriff mit der Rastkupplung 32 auf
der Innenseite des Außenrohrs 18.
Am oberen Ende der Innenrohreinheit 40 ist eine Fangkupplung 50 für einen
wahl weisen Eingriff der Innenrohreinheit mit einer Seilfangglocke
und dessen Lösen
angeordnet.
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Es
sei nun auf die 2 und 3 verwiesen,
in denen die bereits oben anhand der 1 beschriebenen
Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Wie
aus
2 ersichtlich ist, umfaßt die Drehlagereinheit
36 für das Bohrkronenende
ein Außengehäuse
60,
Lagerkörper
62 und
ein Innengehäuse
64,
das in bezug auf das Außengehäuse
60 aufgrund
der Lagerkörper
62 frei
rotiert. Rippen
66 mit Schrägschultern
68 an ihren
unteren Enden erstrecken sich radial nach innen vom Innengehäuse
64.
Die Rippen
66 und die Schultern
68 stützen das untere
Ende der Innenrohreinheit
40 seitlich und axial ab. Der
Raum zwischen den Rippen
66 ermöglicht es, daß Bohrspülung in
den Hals
30 der Bohrkrone
24 und um die Bohrkrone
28 herum
beim Kernbohren strömt.
Falls diese Strömung
nicht gewünscht
ist, kann eine Bohrkrone mit schwachem Eindringprofil und damit
zusammenwirkendem Schuh nach der o. a.
US-PS 4 981 183 , und wie in
5 gezeigt,
verwendet werden, um den Bohrspülungskontakt
mit dem Kern zu minimieren. Am unteren Ende des Innenrohrs
42 kann
entweder ein keilförmiger
Kernfänger
70,
wie auf der linken Seite der
2 gezeigt, oder
ein korbförmiger
Kernfänger
72,
wie auf der rechten Seite der
2 gezeigt,
(jeweils in an sich bekannter Ausführung) verwendet werden. Die PDC-Schneidglieder
26 sind
in
2 fortgelassen, sie sind jedoch, wie in
1 gezeigt,
auf der Kernbohrkrone
24 in der Weise angeordnet, daß ein Kern mit
einer solchen Bemessung ausgeschnitten wird, daß er sich nach oben in den
Hals
30 der Kernbohrkrone
24 und in die Bohrung
74 des
Innenrohrs
42 hineinbewegt.
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Es
sei nun auf 3 Bezug genommen, in der anstelle
der Innenrohreinheit 40 eine mittlere Verschlußeinheit 80 in
der Außenrohreinheit 16 gezeigt ist.
Die mittlere Verschlußeinheit 80 umfaßt an ihrem oberen
Ende eine Verriegelungseinheit (nicht gezeigt), ähnlich derjenigen der Innenrohreinheit 40,
für einen
Eingriff mit der Rastkupplung 32 des Außenrohrs 18 sowie
eine Fangkupplung 50 zum Anbringen und Rückholen
der mittleren Verschlußeinheit 80.
Die Verschlußeinheit 80 weist
kein Drehlager auf, da ihre Drehung in bezug auf die Außenrohreinheit 16 nicht erforderlich
bzw. gewünscht
ist. Ein Bohrkronenverschlußstück 82 ist
am unteren Ende der Verschlußeinheit 80 angeordnet
und von der Lagereinheit 36 in der gleichen Weise wie die
Innenrohreinheit 40 abgestützt. Das Bohrkronenverschlußstück 82 umfaßt einen
Stopfen 84 mit sich durch diesen erstreckenden Kanälen 86 zur
Hindurchführung
von Bohrspülung zur
Stopfenfläche 88,
auf der PDC-Schneidglieder 90 ange ordnet sind. Der Stopfen 84 hat
eine solche Größe, daß er von
den Rippen 66 mit den Schultern 68 des Innengehäuse 64 der
Lagereinheit 36 aufgenommen sowie seitlich und axial abgestützt ist.
Die Räume
zwischen den Rippen 66 ermöglichen das Einströmen der
Bohrspülung
in die Kanäle 86,
wie dies 3 zeigt.
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Wenn
die Absicht besteht, mit der Vorrichtung einen Kernbohrvorgang auszuführen, wird
die Innenrohreinheit 40 an einem Seil in den Bohrstrang gelassen
und in der Außenrohreinheit 16 verriegelt. Bohrspülung wird
dann nach unten in den Bohrstrang und in den Ringraum 100 zwischen
der Innenrohreinheit 40 und der Außenrohreinheit 16 zum
Zirkulieren gebracht, wo er von der Stirnfläche der Kernbohrkrone 24 durch übliche Spülungskanäle und -düsen (nicht
gezeigt) austritt, um die Schneidglieder zu säubern und zu kühlen und
auch die Stirnfläche
der Bohrkrone zu reinigen, während
der Bohrstrang rotiert und die Formation bzw. der Kern geschnitten wird.
Wenn die maximale Kernlänge
erreicht ist, wird die Innenrohreinheit aus dem Bohrloch mit einem
Seil mit einem Fanggerät
an seinem Ende für
einen Eingriff mit der Rastkupplung 50 gezogen, und eine
andere Innenrohreinheit wird in den Bohrstrang gefahren, sofern
ein weiteres Kernbohren beabsichtigt ist.
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Falls
anstelle eines Kernbohrens ein Ausbohren beabsichtigt ist, wird
die mittlere Verschlußeinheit 80 in
das Bohrloch am Seil über
ein Fanggerät eingelassen,
das mit der Kupplung 50 am oberen Ende der Einheit in Eingriff
kommt. Die Verschlußeinheit 80 kommt
dann im Außenrohr 18 zur
Verriegelung, woraufhin Bohrspülung
nach unten im Bohrstrang in den Ringraum 100 zwischen der
Verschlußeinheit 80 und
dem Außenrohr 18 und
durch die Kanäle 86 im
Stopfen 84 zur Stopfenfläche 88 gepumpt wird,
um die PDC-Schneidglieder 90 zu kühlen und zu säubern sowie
Bohrklein während
des Drehens des Kernbohrrohres 10 und des Fortschreitens
des Ausbohrens zu entfernen.
-
Falls
gewünscht,
kann die Verschlußeinheit 80 mit
einem Druckrohr bzw. -gehäuse 110 versehen sein,
in dem ein Aufzeichnungswerkzeug 12 wie ein Gammastrahlenwerkzeug
oder ein Richtungswerkzeug zur Erfassung des Bohrlochweges zwecks Meßdurchführung beim
Bohren untergebracht sein kann. Dabei kann ferner eine Datenübertragungseinheit 114 im
Druckgehäuse 110 angeordnet
sein, wobei diese eine elektronische Übertragungseinheit oder eine
Spülungsimpulseinheit
(in welchem Fall ein Teil davon selbstverständlich zum Druckgehäuse 110 außen liegen
würde)
zur Echtzeitübertragung
von Aufzeichnungsdaten an die Oberfläche über Draht bzw. Seil oder Spülungsimpuls
umfassen kann. Statt dessen können
die Da ten periodisch mittels Seil, oder wenn die Verschlußeinheit 80 aus
dem Loch gezogen wird, aufgeholt werden.
-
Es
versteht sich ferner, daß Druck-
und Temperatursensoren im Druckgehäuse 110 enthalten sein
können.
Erstere sind besonders erwünscht,
um den dynamischen Druckverlust und damit die Strömungsrate
zur Bestimmung derjenigen Strömungsraten
zu messen, die zum Kernbohren geeignet sind, wenn die zentrale Verschlußeinheit 80 durch
die Innenrohreinheit 40 ersetzt ist. Durch Berechnung oder Messung
des hydrostatischen Drucks im Bohrlochringraum und Messung des Gesamtdrucks
nahe der Bohrkrone vom Druckgehäuse 110 können der dynamische
Druckverlust und damit die Strömungsraten
bestimmt werden, um eine Kernerosion bzw. -auswaschung zu reduzieren
oder vorzugsweise auszuschalten.
-
Eine
Temperaturmessung ist besonders erwünscht und vorteilhaft, wenn
ein Gelkernbohrvorgang durchgeführt
wird, wobei ein nicht-invasives Gel zum Einkapseln der Kernprobe
in das Innenrohr 42 vorplaziert wird, bevor es in den Bohrstrang
gelassen wird. Die temperaturempfindliche Beschaffenheit derartiger
Gele und ihre Fähigkeit,
die Viskosität
zu erhöhen
und sich sogar erheblich zu verfestigen bei einem Temperaturabfall
in einem verhältnismäßig engen
Bereich macht die Möglichkeit,
die kernrohrtiefe Temperatur zu messen, zu einer außerordentlich
erwünschten
Maßnahme,
um so die Formulierung bzw. Wahl eines Gels zu ermöglichen,
das in der gewünschten
Tiefe viskos wird und nicht vorzeitig. Eine ausführlichere Erläuterung
der Formulierung und Verwendung nicht-invasiver Gele zur Kernprobeneinkapselung
ist in der z. Zt. anhängigen
US-Patentanmeldung Serial No. 08/051,093 vom 21.4.1993 des Anmelders
enthalten. Die Beschreibung dieser Anmeldung wird durch den gegebenen
Hinweis in die vorliegende Beschreibung einbezogen.
-
Es
sein nun auf 4 Bezug genommen, in der ein
Beispiel einer schleuderfreien Kernbohrkrone 24 mit Blick
nach unten durch die Bohrkronenstirnfläche 200 veranschaulicht
ist, wie sie im Bohrloch ausgerichtet zu sein pflegt. Die Plazierungen
der PDC-Schneidglieder 26 sind schematisch auf der Bohrkronenstirnfläche 200 gezeigt.
Einige Schneidglieder 26 erstrecken sich radial nach innen
vom inneren Kalibrierbereich 200, der den Hals 30 der
Kernbohrkrone 24 bildet, wodurch ein Kern von kleinerem Durchmesser
als dem des Halses 30 geschnitten werden kann. Kanäle 204 sind über den
inneren Kalibrierbereich 202 plaziert, damit die Bohrspülungsflüssigkeit,
falls gewünscht,
an der Außenseite
des Kerns vorbeiströmen
kann. Weitere Spülungskanäle 220 erstrecken
sich durch die Bohrkronenstirnfläche 200.
Obgleich schleuderfreie Bohrkronen derzeit allgemein bekannt sind,
sollte festgehalten werden, daß Flügel 206 und 208 der
Kernbohrkrone 24 von Schneidgliedern am äußeren Kalibrierbereich 210 freigehalten
sind und daß Kalibrierstege 212 und 214 an
den Flügeln 206 und 208 als
Stützflächen für die Kernbohrkrone 24 verwendet
werden, um an der Wand des Bohrlochs zu laufen. Die ausgewählte Größe, Plazierung
und Ausrichtung der Schneidglieder 26 auf der Bohrkronenstirnfläche 200 führt zu einem
kumulativen gerichteten Seitenkraftvektor mit einer Orientierung
in einer Richtung senkrecht zur Bohrkronenachse und zwischen den
Flügeln 206 und 208 mit
der Wirkung, daß die
Kalibrierstege 212 und 214 im wesentlichen konstant
gegen die bzw. an der Bohrlochwand laufen und so Vibrationen und
die Tendenz eines Bohrkronenschleuderns unterbinden.
-
5 zeigt
eine Schneidgliedanordnung für den
inneren Kalibrierbereich an einer Kernbohrkrone
248 mit
flachem Eindringprofil im Zusammenwirken mit einem Kernschuh
246,
wie er in der oben erwähnten
US-PS 4,981,183 veranschaulicht
ist. Die Kernbohrkrone
248 kann eine Vielfalt von Formen
aufweisen, hat jedoch vorzugsweise ein parabolisches Grundprofil,
wie allgemein bei
251 angegeben. Statt dessen können andere
Profile mit Vorteil verwendet werden. Beispielsweise können im
allgemeinen flache Seiten verwendet werden, die der Bohrkrone eine
konische Grundform vermitteln. Der Rumpfteil
256 der Kernbohrkrone
248 weist
eine Mehrzahl von Kanälen
252 auf,
die eine Strömungsverbindung
zwischen dem Ringraum
100 im Kernrohr
10 und Auslaßöffnungen
240 in
der Stirnfläche
der Kernbohrkrone
248 bilden. Eine Mehrzahl von Schneidgliedern
26,
vorzugsweise PDC-Schneidgliedern, ist vorzugsweise entlang dem Profil
der Kernbohrkrone
248 verteilt.
-
Der
Rumpfteil 256 weist vorzugsweise eine untere Bohrung 257 auf.
Zumindest ein Innenmaßschneidglied 226,
und vorzugsweise zwei oder drei solcher in Umfangsrichtung beabstandeter
Schneidglieder 226 erstrecken sich nach innen von der die untere
Bohrung 257 der Kernbohrkrone 248 begrenzenden
Fläche,
um ein Innenmaß zu
schneiden, d. h. den Außendurchmesser
eines Kerns 28. Jedes einzelne Maßschneidglied 226 ist
vorzugsweise mit einer Abflachung 264 am Kalibriermaß ausgebildet, das
kleiner ist als die Bohrung 257. Somit kann sich ein ringförmiger Schürzen- bzw.
Pilotabschnitt 262 des Kernbohrschuhs 246 nach
unten in eine solche Position erstrecken, daß seine Spitze 266 unmittelbar
am oberen Rand 268 der Schneidglieder 226 in dem
Ringraum angrenzt, der von den Schneidgliedern 226 zwischen
den verschiedenen von den Abflachungen 246 und der unteren
Bohrung 257 begrenzten Durchmessern gebildet ist. Die Kernbohrkrone 248 weist
an ihrer inneren Oberfläche über der unteren
Bohrung 257 eine Anlage 258 auf, die von der Stützfläche 260 kontaktiert
wird und dadurch eine Einschnürung
und idealerweise im wesentlichen eine Flüssigkeitsdichtung zwischen
der rotierenden Bohrkrone und dem stationären Kernrohr bildet. Mit dieser Ausgestaltung
wird die Kernaußenseite
präzise
geschnitten und der Kern 28 tritt in den Kernbohrschuh 246 unmittelbar
beim Verlassen der oberen Ränder der
Schneidgliedabflachungen 246 ein. Das bevorzugte Profil 251 in
Verbindung mit der Ausrichtung und Anordnung der Ausgänge der
Kanäle 252 abseits
des inneren Kalibrierbereichs der Kernbohrkrone 248 fördert eine
verbesserte Spülung
des Bohrkleins und minimiert das Einwirken der Spülflüssigkeit
auf den Kern, wodurch sowohl die mechanische als auch die chemische
Unversehrtheit der Kernprobe erhöht
wird. Es versteht sich für
den Fachmann, daß die
Ausgestaltung gemäß 2 zu
einer Konstruktion mit flachem Eindringprofil dadurch abgewandelt
werden kann, daß der
innere Kalibrierbereich der Kernbohrkrone 24 anders gestaltet
und ein verlängerter
Schuh mit einem Pilotbereich verwendet wird, wie es in 5 gezeigt
ist. Das Innengehäuse 64 der
Lagereinheit 36 kann mit in der Weise angeordneten und
ausgerichteten Kanälen
ausgeführt sein,
daß das
Spülmedium
zu Kanälen
geführt
wird, die die Spülflüssigkeit
zur Bohrkronenstirnfläche
anstatt zum Hals bzw. inneren Kalibrierbereich leiten. Selbstverständlich würden die
Kanäle 204 am
inneren Kalibrierbereich, wie in 4 gezeigt,
entfallen.
-
6 veranschaulicht
eine erste bevorzugte Ausführungsform
einer Kernbohrvorrichtung 300 mit der Fähigkeit, verschiedene Daten,
die sich auf verschiedene Bohrlochparameter beziehen (Bohrlochdaten)
während
des Kernbohrvorgangs zu gewinnen. Die Vorrichtung 300 umfaßt ein Kernrohr 302 mit
einer an dessen unterem Ende angebrachten Kernbohrkrone 304 und
eine Innenrohreinheit 306, die in der Längsbohrung 308 des
Kernrohres 302 fluchtend mit dem Hals 310 der
Kernbohrkrone angeordnet ist. Wie ausgeführt, ist es vorzuziehen, daß die Kernbohrkrone 304 von
einer PDC-Kernbohrkrone gebildet ist, und zwar in besonders bevorzugter
Weise von einer stabilisierten Kernbohrkrone. Die Kernbohrvorrichtung 300 ist
in einem Bohrloch von einer Schwerstange 312 durch eine
typische API-Gewindeverbindung 314 nach unten weisend abgestützt.
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Das
Kernrohr 302 weist eine Rastkupplung 320 oben
an seiner Innenseite auf, mit der die Verriegelungseinheit 322 der
Innenrohreinheit lösbar
in Eingriff gebracht werden kann, um die Innenrohreinheit 306 über eine
Fangkupplung 324 oder dgl. Fangteil zurückzuholen, das von einem Rückholmechanismus
wie etwa einer Fang glocke 326 oder dgl. Fanggerät am Ende
eines Seils 328 zu erfassen ist. Der Hauptteil der Innenrohreinheit 306 ist
drehbar nach unten weisend von dem oberen verriegelten Teil durch
eine an sich bekannte Drehlagereinheit 330 abgestützt. Ggf.
kann auch eine Lagereinheit (nicht gezeigt) am Bohrkronenende, wie
oben beschrieben, zur Stabilisierung des unteren Endes der Innenrohreinheit 306 verwendet
werden. Die Lagereinheit 330 und die wahlweise anwendbare
Lagereinheit am Bohrkronenende ermöglichen eine Drehung des Kernrohres 302 um
die Innenrohreinheit 306 unterhalb der Lagereinheit 330,
um einen Kern aus Formationsmaterial ohne dessen rotationsbedingte
Beanspruchung zu schneiden, wie es dem Fachmann allgemein bekannt
ist.
-
Das
Kernbohrrohr 332 mit offener Mündung 333 an seinem
unteren Ende ist so positioniert, daß ein durch den Bohrkronenhals 310 hindurchgehender
Formationskern aufgenommen wird. Eine Instrumentenausströmung in
Form eines Instrumenten- und
Datenübertragungsmoduls 334 ist
oberhalb des Kernrohrs 332 und unterhalb der Lagereinheit 330 angeordnet,
wobei der Modul 334 ein Druckgehäuse aufweist, in dem eine elektronische
Instrumentierung zur Gewinnung von Bohrlochdaten und zumindest ein
Teil der Datenübertragungseinrichtung
enthalten sein können.
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Lediglich
als Beispiel kann der Modul 334 eine Instrumentierung 336 zur
Bestimmung der Bohrlochposition und -ausrichtung (Azimuth, Neigung usw.),
im nachfolgenden allgemein als Richtungsinstrumentierung bezeichnet,
sowie eine Instrumentierung 338 zur Gewinnung von Daten
bezüglich
der Formationsbeschaffenheit umfassen, wie etwa (lediglich als Beispiel)
Bohrlochtemperatur, Bohrlochdruck, Formationswiderstand, Formationsgammastrahlung,
nukleare Magnetresonanz, Dichte und Porosität, im nachfolgenden als Formationsbewertungsinstrumentierung
bezeichnet. Die genannten Instrumentierungen sind typischerweise
mit zumindest einer gewissen Prozessormöglichkeit sowie mit einem elektronischen
maschinenlesbaren Speicher, beide mit 340 bezeichnet, zum
Speichern der erhaltenen Daten ausgerüstet und stehen in Verbindung
mit einer Datenübertragungseinrichtung 342 zum Übertragen
von Echtzeitdaten an die Erdoberfläche.
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In
der Vorrichtung 300 kann die Datenübertragungseinrichtung 342 eine
Spülungsimpuls-Telemetrieeinheit,
eine akustische Telemetrieeinheit oder auch einen Kurzetappen-Funksender
zum Übertragen
von Daten an einen anderen Datenfernsender 344 oberhab
der Kernbohrvorrichtung 300 für eine Rückübertragung zur Erdoberfläche umfassen,
wobei die Fernsendeeinrichtungen Bohrspülungsimpuls-, akustische und
elektromagnetische Telemetrie umfassen. Schließlich kann die Datenübertragungseinrichtung 342 einen
Transmitter zum Senden von Daten an die Erdoberfläche über die
Seilverbindung 328 durch eine Naßverbindung oder eine andere physikalische
oder elektromagnetische Verbindung, wie dem Fachmann bekannt, umfassen.
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Es
ist offensichtlich notwendig, daß eine gewisse Form einer Stromversorgung 346 in
der Innenrohreinheit angebracht ist, um die Bohrlochdateninstrumentierung
und die Datenübertragungseinrichtung mit
Strom zu versorgen, und diese kann durch von Batterien (ggf. in
wiederaufladbarer Ausführung)
sowie von einer Bohrspülungsturbine,
oder einer Kombination hiervon, wie im Stand der Technik bekannt, gebildet
sein. Statt dessen kann der Strom durch den Seilstrang 328 zugeführt werden,
jedoch ist eine solche Ausbildung weniger bevorzugt, da sie das
ständige
Vorhandensein des Seilstrangs 328 im Bohrstrang während des
Kernbohrens verlangt.
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Es
versteht sich für
den Fachmann, daß die Richtungsinstrumentierung
ebenso wie zur Verwendung zum Steuern des Bohrlochverlaufes auch
zum Entwickeln und Erhalten einer Aufzeichnung der Ausrichtung des
Kerns während
seines Schneidens benutzt werden kann (und wünschenswerterweise benutzt
wird), so daß die
Kerndaten mit den Daten in Beziehung gesetzt werden können, die
aus der die Kernbohrvorrichtung 300 umgebenden Formation gewonnen
werden, aus der die Kernprobe ausgeschnitten wird.
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7 veranschaulicht
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
einer Kernbohrvorrichtung 300a, bei der die zuvor mit Bezug
auf 6 beschriebenen Bauteile und Merkmale mit den
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Demgemäß werden
nur bedeutsame Unterschiede zwischen den beiden Kernbohrvorrichtungen
bei der Beschreibung der Vorrichtung 300a angeführt. In
der Vorrichtung 300a ist die Formationsbewertungsinstierung 338 in
der Wand des Kernrohrs 302 untergebracht und kann eine
Reihe von in Umfangsrichtung um das Rohr 302 verteilten
Druckgehäusen
oder ein ununterbrochenes ringförmiges
Druckgehäuse
umfassen. Wie durch nach innen und außen von der Instrumentierung 338 gerichtete
Pfeile gezeigt, erleichtert eine solche Ausgestaltung das gleichzeitige
Aufnehmen von Formationsbewertungsdaten von der Umgebungsformation
und von einem Kern 350, wenn er in die Mündung 333 des
Kernbohrrohres 332 eintritt und sich in diesem realtiv
nach oben bewegt (aufgrund der Vorwärts- bzw. Abwärtsbewegung
der Kernbohreinheit). Beliebige oder sämtliche der oben erwähnten Arten
von Formationsbewertungs instrumentierungen können verwendet werden, wobei
sich versteht, daß Gammastrahlenemission,
Porosität,
Dichte, Widerstand, nukleare Magnetresonanz und Schallmessungen
als besonders geeignet in bezug auf die Eigenschaften des Kerns 350 gelten.
Das Kernrohr 302 und die Wand und deren Äußeres können demgemäß als transparent
für einfallende
und (in einigen Fällen)
ausgehende Felder, Wellen, subatomare Partikel und andere bei der
Vornahme solcher Messungen verwendete Signale gestaltet werden.
Es versteht sich, daß die
verschiedenen Stellen, die für Sensoren
zum Messen der verschiedenen Bohrlochparameter dargestellt und beschrieben
sind, je nach der logischen Stelle für die jeweils am besten zu
erhaltenden Daten variiert werden können und somit sich die Einheiten
entsprechend ändern.
-
Wie
oben angeführt,
ist es in hohem Maße wünschenswert,
wenn nicht sogar wesentlich, die Ausrichtung des Kerns (Azimuth,
Winkel in bezug auf die Vertikale) sowohl in einem absoluten Sinn
als auch für
eine Korrelation mit der meßuntersuchten Umgebungsformation
zu bestimmen. Andere Abweichungen der Vorrichtung 300a von
der Vorrichtung 300 umfassen die Anordnung eines Prozessors
oder von Prozessoren und eines elektrischen Speichers 340a sowie
eine Stromquelle 346 im Kernrohr 302 und die Verwendung
des Telemetriefunksenders 354 um Übertragen von Daten an einen
Empfänger 356 in der
Innenrohreinheit 306 zur Rückübertragung zur Oberfläche über die
Datenübertragungs-
bzw. Telemetrievorrichtung 342, die ein Spülungsimpulsgeber oder
eine andere oben angegebene Systemart sein kann. Des weiteren ist
in der Innenrohreinheit 306 eine weitere Stromquelle 346 zur
Stromversorgung nicht nur der Datenübertragungseinrichtung 342, sondern
auch der zusätzlichen
Prozessoren und des Speichers 340b sowie der Richtungselemente 336 untergebracht.
Somit können
sowohl Formations- als auch Richtungsdaten zur Oberfläche in Echtzeit
gesendet werden, und die einen oder beide Daten können, wie
gewünscht,
im Speicher 340b für
eine periodische Entnahme mit der Innenrohreinheit 306 zur Abgabe
an der Oberfläche
gespeichert werden. Es ist ferner zu bemerken, daß die Anordnung
der Formationsbewertungsinstrumentierung 338 unmittelbar
an der Kernbohrkrone 304 eine äußerst vorteilhafte Stelle für die Bohrungsparameterinstrumente 360 ist,
um solche Merkmale wie Drehmoment, Rotationsgeschwindigkeit, Gewicht
auf der Bohrkrone, Vibration und Druck sowie Richtungsparameter,
wie oben erläutert,
zu überwachen,
wobei die letzteren für
eine Gesamtsteuerung des Bohrlochweges wie auch zum genauen Ermitteln
der Stelle und Ausrichtung potentieller Zonen oder Schichten von
Interesse von Vorteil sind. Wie gezeigt, kann die Richtungsinstrumentierung 336 wahlweise
im Kernrohr 302 untergebracht sein, anstatt von der Innenrohreinheit 306 abgestützt zu werden.
-
8 zeigt
eine dritte bevorzugte Ausführungsform 300b einer
Kernbohrvorrichtung nach der Erfindung. Wie bei der Ausführungsform 300a sind die
zuvor beschriebenen Merkmale und Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet, und nur die Unterschiede zwischen der Vorrichtung 300b und
den früher
beschriebenen werden im einzelnen behandelt. Wie gezeigt, umfaßt die Vorrichtung 300b einen
Instrumentenrohrabschnitt 370 oberhalb der Kernrohres 302,
der eine oder mehrere Einrichtungen der Richtungs-, Formationsbewertungs-
und Bohrparameterinstrumentierungen 336, 338 und 360 darbietet.
Der Rohrabschnitt 370 kann ein modifiziertes Reservoirnavigationswerkzeug
umfassen, das von der INTEQ-Betriebseinheit
des Anmelders erhältlich
ist. Der Rohrabschnitt 370 enthält eine Stromquelle 346 sowie
eine Datenverarbeitungs- und Speicherelektronik 340a. Daten
aus dem Rohrabschnitt 370 werden über eine Kurzetappen-Sender/Empfänger-Kombination 354 und 356 an
eine Datenübertragungseinheit 342 in
der Innenrohreinheit 306 übertragen, die ebenfalls eine
Stromquelle 346 und vorzugsweise zumindest einen Speicher 340b enthält, falls die
Verarbeitungsfähigkeit
nicht andersweitig in der aufholbaren Einheit verlangt wird. Ferner
kann, wie gezeigt, die Richtungsinstrumentierung 336 in
der Innenrohreinheit 306 anstatt im Rohrabschnitt 370 enthalten
sein, und eine zusätzliche
Stromquelle 346 kann die Richtungsinstrumentierung 336 speisen. Eine Übertragungsverbindung 362,
die von der Richtungsinstrumentierung 336 und dem Speicher 340b ausgeht,
kann eine festverdrahtete Verbindung umfassen, die eine Schleifringkupplung
verwendet, um die Lagereinheit 360 zu durchqueren, oder
eine elektromagnetische Kurzetappen-Funkverbindung. Eine weitere
Wahlmöglichkeit
besteht darin, eine Telemetrieeinheit 342 im Rohrabschnitt 370 zu
verwenden und zur Oberfläche
von dieser Daten von den Instrumenten in der Innnenrohreinheit 306 übertragen,
die in Kurzetappen-Verbindung mit dem Rohrabschnitt 370 in
einer Anordnung umgekehrt zu der gezeigten stehen.
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9 beschreibt
eine vierte bevorzugte Ausführungsform 300c der
Kernbohrvorrichtung nach der Erfindung. Wie bei den früheren Figuren
werden die Merkmale und Elemente, wenn möglich, mit schon verwendeten
Bezugszeichen bezeichnet, und nur bedeutsame Unterschiede in der
Vorrichtung nach 9 werden im einzelnen beschrieben.
Die Vorrichtung 300c verwendet einen Telemetrierohrabschnitt 380 oberhalb
des Kernrohres 302, wobei im Rohrabschnitt 380 vorzugsweise
eine akus tische oder elektromagnetische Telemetrie- oder Datenübertragungseinrichtung 342 untergebracht
ist. Die Formationsbewertungsinstrumentierung 338 und die Bohrparameterinstrumentierung 360 sind
im Kernrohr 302 untergebracht und, wie bei der Ausführungsform
gemäß 7,
kann die Formationsbewertungsinstrumentierung die Fähigkeit
haben, eine Einblicksmessung einer Kernprobe 350 vorzunehmen,
wenn sie sich in das Kernrohr 332 bewegt. Eine festverdrahtete
Telemetrieverbindung 382 kann verwendet werden, um Daten
von den kernrohrabgestützten
Instrumenten an den Telemetrierohrabschnitt 380 über Kupplungen
zwischen dem Kernrohr und dem Rohrabschnitt 380 zu übertragen,
wie es an sich bekannt ist, oder es kann eine Kurzetappen-Funkeinrichtung verwendet
werden. In gleicher Weise kann die Richtungsinstrumentierung 336,
(wahlweise entweder in der Innenrohreinheit 306 oder im
Kernrohr 302 untergebracht) in Kurzetappen an den Telemetrierohrabschnitt 380 Übertragungen
ausführen,
wobei eine solche Einrichtung vorzugsweise bei einer festverdrahteten
Verbindung zwischen der Innenrohreinheit 306 und dem Kernrohr 302 oder
dem Telemetrierohrabschnitt 380 erfolgt.
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Es
versteht sich, daß,
wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben, ein zentraler
Stopfen zum Bohren des vollen Bohrlochdurchmessers gegen die Innenrohreinheit 306 ausgetauscht
werden kann, bis das zu kernende Intervall erreicht ist. Ferner
kann ein solcher zentraler Stopfen mit einer Datenübertragungseinrichtung,
einem elektronischen Speicher und einem Kurzetappenempfänger verwendet
werden, um Daten zur Oberfläche
von der Formationsbewertungsinstrumentierung 338, der Bohrparameterinstrumentierung 360 oder
selbst von der im Kernrohr 302 enthaltenen Richtungsinstrumentierung 336,
wie oben bei den Ausführungsformen
nach den 6 bis 9 beschrieben,
zu übertragen.
Somit kann durch Echtzeitbewertung der Formationseigenschaften beim
Bohren des Bohrloches eine geeignete Stelle für den Beginn des Kernbohrens
in einer potentiellen Zone oder Schicht von Interesse virtuell unmittelbar und
mit verhältnismäßig großer Präzision im
Vergleich zu den vorbekannten Techniken identifiziert werden. An
einem solchen Punkt wird der zentrale Stopfen zurückgeholt
und eine Innenrohreinheit 306 in das Kernrohr 302 an
seinem Platz eingesetzt. In gleicher Weise, und mit einer entsprechenden Formationsbewertungsinstrumentierung
während des
Kernbohrvorgangs, kann eine verhältnismäßig präzise Beendigung
des Intervalls bzw. der Zone von Interesse bestimmt werden. An einem
solchen Punkt kann das Kernbohren beendet, der letzte Kern herausgeholt
und ein mittlerer Stopfen wieder in das Kernrohr eingesetzt werden,
um ohne Kernentnahme vorwärts
zu bohren. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Zonen von Interesse
lokalisiert und unter Kernbildung gebohrt werden, während die
Intervalle zwischen den Zonen von Interesse lediglich gemessen und
ohne eine Kernentnahme gebohrt werden.
-
Wie
in 10 gezeigt, kann es wünschenswert sein, die Kernbohrvorrichtung
nach der Erfindung in einer Ausführung 400,
hier mit einem zentralen Stopfen 402 an seinem Platz gezeigt,
so zu gestalten, daß die
Formationsbewertungsinstrumentierung 338 innerhalb des
eigentlichen Halses 310 der Bohrkrone 304 selbst
und unmittelbar angrenzend an die vorauslaufende Fläche 404 des
Stopfens 402, in dem Schneidglieder 406 angeordnet
sind, vorgesehen ist. Eine derartige Sensornähe zur Formation vor der Kernbohrvorrichtung
kann eine Umgestaltung der inneren Spülungskanäle 408 der Kernbohrkrone 304, wie
gezeigt, erfordern, da es evtl. nicht mehr möglich ist (vgl. den zentralen
Stopfen 80 und den Kanal 86 nach 3),
derartige Kanäle
durch das Ende des zentralen Stopfens zu führen. Die Kanäle 408 sind nur
bei einem zentralen Stopfen 402 in Betrieb, der durch eine
entsprechende Gestaltung der Innenrohreinheit abgesperrt ist, um
so eine Verunreinigung des Kerns zu vermeiden. Selbstverständlich kann, wie
oben ausgeführt,
die Richtungs- und/oder Bohrparameterinstrumentierung auch in einen
zentralen Stopfen wie etwa die Verschlußeinrichtung 80 oder 402 einbezogen
sein.
-
Obschon
Kurzetappen- und Ferntelemetriesysteme oben mit Blick auf einen
einzigen Sender und Empfänger
aus Gründen
der Einfachheit beschrieben worden sind, versteht sich ohne weiteres, daß eine Zweiwegübertragung
in vielen Fällen
wünschenswert
sein kann, wie etwa, um die Instrumentierung zu aktivieren oder
zu entaktivieren, die Instrumentierung auf eine andere Betriebsart
umzuschalten oder die Instrumentierung für Kalibrierungs- oder Testzwecke
zu befragen. Obschon ferner die oben beschriebene Instrumentierung
sämtlich
im Bohrloch als Teil der erfindungsgemäßen Kernbohrvorrichtung angeordnet
ist, ist für
den Fachmann offensichtlich, daß eine
Oberflächeninstrumentierung
auf oder unter der Bohrplattform vorgenommen werden kann, um bohrungsbezogene
Parameter zu überwachen,
die mit den aus der Bohrlochinstrumentierung empfangenen Daten in
Beziehung gesetzt und in Verbindung mit diesen verwendet werden
können.
Somit kann eine Oberflächeninstrumentierung 500,
wie in 6 gezeigt, in Verbindung mit einem Computer 502 und mit
Daten verwendet werden, die aus dem Bohrloch durch einen Empfänger 504 empfangen
werden, um dem Bedienungspersonal Daten durch ein Display 506 darzubieten.
Das Display kann ein digitales oder graphisches Display in transienter
Form (wie auf einem Videoschirm) oder permanenter Form (Papier, Film,
elektronischer Speicher einschl. magnetischer oder optischer Speicher
usw.) sein und ggf. über Landleitungen,
Radiotelemetrie oder Satellitenverbindung an einen anderen Ort zur
weiteren Bewertung wieder übertragen
werden.
-
Da
Seilstränge
bzw. -leitungen, Fanggeräte, Rastkupplungen
und Verriegelungseinrichtungen, Kernfänger, Lagereinheiten und andere
Kernrohrkomponenten in einer großen Konstruktionsvielfalt im Stand
der Technik bekannt sind, sind diese Elemente nicht im einzelnen
beschrieben worden. In gleicher Weise können verschiene Bypassventileinheiten
verschiedener Konstruktionen mit Kernrohren nach der Erfindung verwendet
werden, um abwechselnd Bohrspülung
durch oder um die Innenrohreinheiten zu leiten und die Verdrängung der
Spülung
durch den Kern zu ermöglichen.
Da jedoch derartige Einrichtungen ihrerseits in jeder Beziehung
herkömmlicher
Art sind, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind, sind sie
hier ebenfalls weder dargestellt noch bechrieben. Schließlich sind
die verschiedenen Arten der Richtungs- und Bohr- sowie Formationsparameterinstrumentierung,
die vorstehend erwähnt
sind, im Stand der Technik bekannt, ebenso wie die zugehörigen Datenübertragungs-
und dgl. Elektronikeinrichtungen (Prozessoren, Speicher, Stromquellen
usw.), für
die daher ebenfalls keine detaillierte Beschreibung erforderlich
ist.
-
Obgleich
die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden
ist, ist sie nicht auf diese beschränkt, und zahlreiche Veränderungen
der dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen können durchgeführt werden,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er durch die Ansprüche defininiert
ist.