DE69800636T2

DE69800636T2 - Gerät und System für Bohrlochmessungen nahe dem Bohrer während des Bohrens

Info

Publication number: DE69800636T2
Application number: DE69800636T
Authority: DE
Inventors: Alain Dorel; Stuart Schaaf; Jean Seydoux; Walter Thain; Marcus Wernig
Original assignee: Services Petroliers Schlumberger SA; Anadrill International SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA; Anadrill International SA
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: CA2246315A1; EP0900917B1; US6057784A; NO983996D0; NO983996L; EP0900917A1; CA2246315C; DE69800636D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein System zum Ausführen von Messungen im Bohrloch während des Bohrens eines Bohrlochs. Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein System zum Ausführen von Messungen im Bohrloch an oder in der Nähe der Bohrkrone während des richtungsabhängigen Bohrens eines Bohrlochs.

Beschreibung der verwandten Technik

Beim Bohren eines richtungsabhängigen Bohrlochs ist es üblich, eine am Bohrgrund arbeitende Baueinheit (BHA) zu verwenden, die als Teil des Bohrstrangs an einem Bohrkranz angebracht ist. Diese BHA enthält typischerweise (von oben nach unten) eine Bohrmotorbaueinheit, ein Antriebswellensystem, das eine Kronenaufnahme enthält, und eine Bohrkrone. Die Bohrmotorbaueinheit enthält zusätzlich zum Motor eine Umlenkgehäusebaueinheit, die im unteren Abschnitt der BHA einen kleinen Umlenkwinkel aufweist. Dieser Winkel bewirkt, daß das Bohrloch gekrümmt gebohrt werden kann und allmählich eine neue Bohrlochrichtung und/oder einen neuen Azimut einnimmt. Da der Bohrstrang während des Bohrens eines Bohrlochs nicht gedreht wird, sondern nur abwärts gleitet, weil lediglich die Bohrkrone durch den Motor angetrieben wird, wird sich während des Bohrens eines Bohrlochs die Neigung und/oder der Azimut des Bohrlochs infolge des Umlenkwinkels allmählich ändern. In Abhängigkeit vom Winkel der "Werkzeugfläche", d. h. von dem Winkel, den die Krone in bezug auf die hohe Seite des Bohrlochs aufweist, kann das Bohrloch so gestaltet werden, daß es sich bei einem vorgegebenen Azimut oder einer vorgegebenen Neigung krümmt. Wenn jedoch die Drehung des Bohrstrangs der Drehung der Abtriebswelle des Motors überlagert wird, wird der Umlenkpunkt einfach um die Achse des Bohrlochs umlaufen, so daß die Krone normalerweise mit derjenigen Neigung und mit demjenigen Azimut geradeaus weiterbohrt, die zuvor eingestellt waren. Der Typ des Bohrmotors, der mit einem Umlenkgehäuse versehen ist, wird als ein "lenkbares System" bezeichnet. Somit können verschiedene Kombinationen von Gleit- und Dreh-Bohroperationen verwendet werden, um die Bohrlochbahn derart zu steuern, daß das Bohren eines Bohrlochs schließlich zu einer angezielten Formation voranschreitet. Stabilisatoren, eine Umlenk-Unterbaueinheit und ein "Stoßkissen" können außerdem verwendet werden, um im Gleitbohrmodus die Bildungsrate des Winkels zu steuern oder um im Drehmodus die Stabilität der Lochbahn sicherzustellen.
Unter Bezugnahme auf die Konfiguration von Fig. 1 enthält ein Bohrstrang 10 im allgemeinen Abschnitte des Bohrgestänges 11 und Bohrkränze 12, die so dargestellt sind, daß sie in ein Bohrloch 13 eingelassen sind, das durch eine Erdformation 9 gebohrt wird. Eine Bohrkrone 14 am unteren Ende des Bohrstrangs wird durch die Antriebswelle 15 gedreht, die mit der Bohrmotorbaueinheit 16 verbunden ist. Dieser Motor wird durch den Bohrschlamm mit Leistung versorgt, der durch die Bohrung des Bohrstrangs 10 nach unten und über den Bohrlochringraum 13a zurück zur Oberfläche zirkuliert. Die Motorbaueinheit 16 enthält eine Leistungssektion (Rotor/Stator oder Turbine), die die Bohrkrone und ein Umlenkgehäuse 17 antreibt, das an seinem Umlenkpunkt einen kleinen Umlenkwinkel aufweist, der bewirkt, daß sich das Bohrloch 13 in der Ebene des Umlenkwinkels krümmt und allmählich eine neue Bohrlochneigung annimmt. Wie oben angemerkt wurde, wenn die Drehung des Bohrstrangs 10 der Drehung der Antriebswelle 15 überlagert wird, wird das Bohrloch geradeaus gebohrt, da der Umlenkpunkt lediglich um die Achse des Bohrlochs umläuft. Das Umlenkgehäuse kann eine Vorrichtung mit festem Winkel sein, oder es kann eine Baueinheit sein, die von der Oberfläche aus eingestellt werden kann. Das Umlenkgehäuse kann außerdem eine in bezug auf das Bohrloch unten einstellbare Baueinheit sein, die im US-Patent 5.117.927 offenbart ist. Alternativ kann die Motorbaueinheit 16 ein gerades Gehäuse enthalten und kann in Verbindung mit einer Umlenk-Unterbaueinheit verwendet werden, die in der Technik wohlbekannt ist und im Bohrstrang oberhalb der Motorbaueinheit 16 angeordnet ist, um den Umlenkwinkel zu schaffen.
Über dem Motor befindet sich in diesem Bohrstrang ein herkömmliches Werkzeug 18 zum Messen während des Bohrens (MWD), das Sensoren aufweist, die verschiedene Parameter im Bohrloch messen. Bohr-, Bohrkronen- und Erdformationsparameter sind die Typen von Parametern, die durch das MWD-System gemessen werden. Die Bohrparameter enthalten die Richtung und die Neigung (D&I) der BHA. Die Bohrkronenparameter enthalten Messungen wie die Last an der Krone, das Drehmoment an der Krone und die Drehzahl der Antriebswelle. Die Formationsparameter enthalten Messungen wie die natürliche Emission von Gammastrahlen, den spezifischen elektrischen Widerstand sowie weitere Parameter, die die Formation kennzeichnen. Meßsignale, die diese Bohrlochparameter und Eigenschaften repräsentieren und durch das MWD-System aufgenommen werden, werden durch Sender in Echtzeit telemetrisch zur Oberfläche übertragen oder in einem Speicher aufgezeichnet, um dann verwendet zu werden, wenn die BHA zur Oberfläche zurückgebracht wird.
Wenn ein MWD-Werkzeug 18 wie jenes, das in dem übertragenen US- Patent 5.375.098 offenbart ist, in Kombination mit einem Bohrmotor 16 verwendet wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist das MWD-Werkzeug 18 oberhalb des Motors und in einer bedeutenden Entfernung von der Bohrkrone angeordnet. Einschließlich der Länge eines unmagnetischen Abstandskranzes und weiterer Komponenten, die typischerweise zwischen das MWD-Werkzeug und den Motor geschaltet sind, kann das MWD-Werkzeug etwa 20 bis 40 Fuß (6,1 bis 12,2 Meter) über der Bohrkrone positioniert sein. Diese bedeutenden Abstände zwischen den MWD-Sensoren im MWD-Werkzeug und der Bohrkrone bedeuten, daß die Messung des MWD-Werkzeugs der Bohrlochbedingungen, die sich auf das Bohren und auf die Bohrkrone bei einer bestimmten Bohrkronenstellung beziehen, zu einem Zeitpunkt erfolgen, der wesentlich nach dem Zeitpunkt liegt, an dem die Bohrkrone diese Stelle passierte. Wenn die Notwendigkeit besteht, basierend auf Informationen von den MWD-Sensoren die Bohrlochbahn zu justieren, wird sich die Bohrkrone deswegen bereits um eine zusätzliche Entfernung bewegt haben, bevor die Notwendigkeit zum Einstellen offensichtlich wird. Das Justieren einer Bohrlochbahn kann unter diesen Umständen eine schwierige und teure Aufgabe sein. Obwohl bei einigen Bohranwendungen solche großen Entfernungen zwischen der Bohrkrone und den Meßsensoren toleriert werden können, besteht der wachsende Wunsch, daß die Messungen so nahe wie möglich an der Bohrkrone erfolgen, insbesondere wenn richtungsabhängige Bohrlöcher gebohrt werden.
Zwei wesentliche Bohrparameter, die Richtung und die Neigung der Bohrkrone, werden typischerweise durch Extrapolation der Messungen der Richtung und Neigung vom MWD-Werkzeug auf die Kronenposition unter der Annahme eines starren Systems aus BHA und Bohrgestänge berechnet. Dieses Extrapolationsverfahren hat einen wesentlichen Fehler der Bohrlochneigung an der Krone zur Folge, insbesondere wenn Löcher mit kleinerem Durchmesser gebohrt werden, d. h. weniger als 6 Zoll (weniger als etwa 15,2 cm) und wenn Bohrlöcher mit kleinem Radius und Bohrlöcher mit Wiedereinführung gebohrt werden.
Ein weiterer Bereich des richtungsabhängigen Bohrens, der eine sehr genaue Steuerung der Bohrlochbahn erfordert, sind "weitreichende" Bohranwendungen. Diese Anwendungen erfordern ein sorgfältiges Überwachen und Steuern, um sicherzustellen, daß ein Bohrloch an der geplanten Stelle in eine Zielformation eintritt. Zusätzlich zum Eintritt in eine Formation an einer gewünschten Stelle ist es oftmals notwendig, in der Formation das horizontale Bohren des Bohrlochs fortzusetzen. Es ist außerdem für ein Bohrloch erwünscht, daß es sich längs eines Weges ersteckt, der die Produktion von Öl an Stelle von Wasser, das in unteren Abschnitten einer Formation gefunden wird, oder an Stelle von Gas, das im oberen Abschnitt einer Formation gefunden wird, optimiert.
Zusätzlich zur Ausführung von Messungen im Bohrloch, die eine genaue Steuerung der Bohrlochbahn ermöglichen, wie etwa die Neigung des Bohrlochs in der Nähe der Krone, ist es sehr erwünscht, Messungen bestimmter Eigenschaften der Erdformationen, durch die das Bohrloch verläuft, auszuführen. Diese Messungen sind insbesondere dann erwünscht, wenn solche Eigenschaften in Verbindung mit der Steuerung der Bohrlochbahn verwendet werden können. Zum Beispiel kann das Identifizieren einer speziellen Schicht der Formation, wie etwa eine Schieferschicht, die Eigenschaften aufweist, die von den Aufzeichnungen früher gebohrter Bohrungen bekannt sind, und von der bekannt ist, daß sie in einer bestimmten Entfernung über der Zielformation liegt, bei der Wahl, wo die Krümmung des Bohrlochs beginnen soll, verwendet werden, um sicherzustellen, daß ein bestimmter Krümmungsradius das Bohrloch tatsächlich in der angezielten Formation plazieren wird. Ein Anzeichen einer Schieferformation kann z. B. im allgemeinen durch seinen relativ hohen Pegel der natürlichen Radioaktivität erfaßt werden, während ein Anzeichen einer Sandsteinformation mit einer hohen Salzwassersättigung durch seinen relativ geringen spezifischen elektrischen Widerstand erfaßt werden kann. Wenn das Bohrloch so gekrümmt wurde, daß es sich im allgemeinen horizontal in der Zielformation erstreckt, können die gleichen Messungen verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Bohrloch in der Formation zu hoch oder zu tief gebohrt wird. Diese Bestimmung kann auf Grundlage der Tatsache erfolgen, daß eine Messung starker Gammastrahlung so interpretiert werden kann, daß sie bedeutet, daß das Loch sich der Oberseite der Formation nähert, wo Schiefer liegt, und eine Messung eines geringen spezifischen elektrischen Widerstands kann so interpretiert werden, daß sie bedeutet, daß das Bohrloch nahe an der Unterseite der Formation verläuft, wo die Porenabstände typischerweise mit Wasser gefüllt sind. Wie bei den D&I-Messungen befinden sich jedoch Sensoren, die die Formationseigenschaften messen, weit entfernt von der Bohrkrone.
Eine Lösung, die die Probleme vermindern kann, die mit dem Abstand der D&I-Messungen, der Messungen der Bohrlochbahn und weiterer Werkzeugmessungen von der Bohrkrone verbunden sind, besteht darin, die Meßsensoren näher zur Bohrkrone zu bringen, indem die Sensoren im Bohrstrangabschnitt unter dem Bohrmotor angeordnet werden. Da der untere Abschnitt des Bohrstrangs jedoch typischerweise mit einer großen Anzahl von Komponenten belegt ist, wie etwa eine Leistungssektion des Bohrmotors, das Umlenkgehäuse, Lagerbaueinheiten sowie ein oder mehrerer Stabilisatoren, würde das Anbringen der Meßinstrumente in der Nähe der Krone erfordern, daß man sich mehreren wesentlichen Problemen widmet, die entstehen würden, wenn die Meßinstrumente in der Nähe der Bohrkrone positioniert werden. Zum Beispiel gibt es das wesentliche Problem der telemetrischen Übertragung von Signalen, die solche Bohrlochmessungen repräsentieren, durch die Motorbaueinheit oder um diese herum in bezug auf das Bohrloch nach oben.
Ein Konzept für das Verlegen der Sensoren näher an die Bohrkrone wurde im US-Patent 5.448.227 an Orban u. a. implementiert. Dieses Patent betrifft eine Sensor-Unterbaueinheit oder auf eine Sensorbaueinheit, die im Bohrstrang an der Unterseite der Motorbaueinheit angeordnet ist und verschiedene Meßwandler und weitere Einrichtungen zum Messen von Parametern wie die Neigung des Bohrlochs, der natürlichen Emission von Gammastrahlen und des spezifischen elektrischen Widerstands der Formation und von Variablen, die sich auf die Leistungsfähigkeit des Bohrmotors beziehen, enthält. Signale, die solche Messungen repräsentieren, werden durch die Wand des Bohrstrangs oder durch die Formation eine relativ kurze Entfernung telemetrisch in bezug auf das Bohrloch nach oben zu einem Empfängersystem übertragen, das entsprechende Signale an das über dem Bohrmotor angeordnete MWD-Werkzeug liefert. Das Empfängersystem kann entweder an dem MWD-Werkzeug angeschlossen sein oder ein Teil des MWD- Werkzeugs sein. Das MWD-Werkzeug leitet dann die Informationen zur Oberfläche, wo sie im wesentlichen in Echtzeit erfaßt und verarbeitet werden. Obwohl die Technik dieses Patents einen wesentlichen Fortschritt darstellt, indem die Sensoren näher zur Bohrkrone versetzt und einige der telemetrischen Haupthindernisse beseitigt werden, sind die Sensoren trotzdem noch etwa 6 bis 10 Fuß (etwa 1,8 bis 3 Meter) von der Bohrkrone entfernt. Außerdem sind die Sensoren immer noch in der Motorbaueinheit angeordnet und die Integration dieser Sensoren in die Motorbaueinheit kann ein komplizierter Vorgang sein.
Eine Technik, die versucht, sich dem Problem der telemetrischen Übertragung der gemessenen Signale in bezug auf das Bohrloch nach oben um den Bohrmotor herum zum MWD-Werkzeug zu widmen, verwendet ein elektromagnetisches Übertragungsschema, um Meßwerte von einer Stelle zu übertragen, die hinter der Bohrkrone liegt. Bei diesem System wird ein Stromsignal mit fester Frequenz von einem Ringspulensender durch den Bohrkranz induziert. Im Ergebnis fließt der Strom durch den Bohrstrang zum Empfänger mit einem Rückweg durch die Formation. Der Ausbreitungsmodus ist als Transversaler Magnetischer Modus (TM-Modus) bekannt. Bei diesem Ausbreitungsmodus ist die Übertragung in Formationen mit extrem hohen Widerstand, in Formation mit Schichten mit großem Widerstand, die sich mit leitfähigen Schichten abwechseln, und bei öligem Schlamm mit einem schlechten Kronenkontakt zur Formation sehr unzuverlässig.
Deswegen besteht weiterhin die Notwendigkeit an einem System, das die Genauigkeit der Bohrkronenmessungen verbessert, indem die Sensoren an der Bohrkrone angeordnet werden, und die Signale in bezug auf das Bohrloch nach oben zur MWD-Ausrüstung für die Übertragung zur Erdoberfläche zuverlässig überträgt.
Wie früher festgestellt wurde, kann ein wesentlicher Abstand zwischen dem Bohrmotor und der Bohrkrone vorhanden sein. Dieser Abstand wird durch verschiedene Ausrüstungsgegenstände verursacht, die für den Bohrbetrieb notwendig sind. Ein Teil der Ausrüstung ist die Bohrwelle, die verwendet wird, um den Motorrotor mit der Bohrkrone zu verbinden. Die Bohrkrone ist über eine Kronenaufnahme mit der Welle verbunden. Die Kronenaufnahme ist eine metallische Haltevorrichtung, die in den Mantel eines Drehtisches eingesetzt ist und verwendet wird, um die Krone am Bohrstrang festzuschrauben (anzubringen) oder von diesem abzuschrauben (zu entfernen), indem der Bohrstrang gedreht wird. Die Kronenaufnahme ist entsprechend der Größe der Bohrkrone bemessen. Außerdem besitzt die Kronenaufnahme einen inneren Raum, um Ausrüstung aufzunehmen.
Fig. 2 erläutert ein herkömmliches Bohrmotorsystem. Eine Kronenaufnahme 19 am unteren Abschnitt der Antriebswelle 15 verbindet eine Bohrkrone 14 mit der Antriebswelle 15. Die Antriebswelle 15 ist außerdem über die Getriebebaueinheit 16a und den Lagersektion 20 mit der Antriebssektion 16 des Bohrmotors verbunden. Der Kanal 15a der Welle ist die Einrichtung, durch die während des Bohrvorgangs Fluid zur Bohrkrone strömt. Das Fluid trägt außerdem Formationsbruchstücke von der Bohrkrone zur Oberfläche. Im Bohrsystem von Fig. 2 befindet sich keine Instrumentenanordnung in der Nähe der Kronenaufnahme 19 oder der Bohrkrone 14. Die geringste Entfernung der Instrumente zur Bohrkrone ist dann vorhanden, wenn sie im unteren Abschnitt der Motorantriebssektion 16, wie in US-Patent 5.448.227 beschrieben ist, oder im MWD-Werkzeug angeordnet sind. Wie früher festgestellt wurde, ist die Sensoranordnung trotzdem noch etwa 6 bis 10 Fuß (etwa 1,8 bis 3 Meter) von der Bohrkrone entfernt. Die Positionierung der Meßinstrumentenanordnung in der Kronenaufnahme würde die Entfernung von der Bohrkrone zur Meßinstrumentenanordnung bedeutend reduzieren. Dieser reduzierte Abstand würde eine frühere Messung der Bohrbedingungen an einer bestimmten Bohrstelle gewährleisten. Die frühere Messung wird ein früheres Reagieren durch das Bohrpersonal auf die empfangenen Meßinformationen zur Folge haben, wenn eine Reaktion notwendig oder erwünscht ist.
Aus der Sicht des Obenstehenden besteht eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine genauere Bestimmung der erfaßten Bohr-, Bohrkronen- und Erdformationsparameter und Eigenschaften zu schaffen, um diese während des Bohrens eines Bohrlochs zu einer in bezug auf das Bohrloch oben befindlichen Ausrüstung zu übertragen
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Steuerung der Bohrlochbahn während des Bohrens von Förderbohrungen zu schaffen (insbesondere bei Förderbohrungen mit geringem Radius, bei Förderbohrungen mit Wiedereinführung und bei horizontalen Förderbohrungen).
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zum Ausführen von Messungen im Bohrloch am aktuellen Punkt der Bohrung in der Formation zu schaffen.
Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mit Instrumenten versehene Bohrkrone zu schaffen, die Messungen der Bohrung, der Bohrkrone und der Formation am Ort der Bohrkrone während des Bohrens einer Bohrung ausführen kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung und ein System zum Ausführen von Messungen an der Bohrkrone unter Verwendung von Sensoren in der Kronenaufnahme, die direkt an der Krone angebracht ist. Die Sensormeßwerte werden über drahtlose Telemetrie zu einem Empfänger übertragen, der in einem herkömmlichen MWD-Werkzeug angeordnet ist.
Die Kronenaufnahme der vorliegenden Erfindung ist eine verlängerte Version einer Standard-Kronenaufnahme, die die Unterbringung von Instrumenten (z. B. ein Einachsen-Beschleunigungsmesser) in der Kronenaufnahme ermöglicht, damit Messungen während des Bohrens ausgeführt werden können. Eine in der Kronenaufnahme angeordnete Senderantenne bewirkt die drahtlose Telemetrie von der Kronenaufnahme zu einem Empfänger, der oberhalb des Bohrmotors und gewöhnlich im MWD-Werkzeug angeordnet ist. Die beiden hier erwähnten Sender und Empfänger können Daten senden und empfangen. Die Senderantenne ist abgeschirmt, um die Antenne von Bohrlochelementen und Bohrlochbedingungen zu schützen. Die Instrumentenanordnung der Kronenaufnahme wird durch Batterien in der Kronenaufnahme mit Leistung versorgt und durch elektronische Komponenten gesteuert. Alle Systemkomponenten mit Ausnahme des Beschleunigungsmessers sind ringförmig am Umfang der Kronenaufnahme angeordnet und durch eine Druckabschirmung geschützt.
Eine weitere Implementierung der Erfindung packt die gleichen Meßinstrumente in eine separate Unterbaueinheit, die an der Kronenaufnahme angebracht ist. Wegen der Hinzufügung der verlängerten Kronenaufnahme oder der verlängerten Unterbaueinheit ist der Verschleiß an den Lagern erhöht. Um diesen Verschleiß zu reduzieren, können beide Implementierungen einen Stabilisator in der Nähe der Bohrkrone enthalten. Ein Stabilisator in der Nähe der Bohrkrone reduziert den Verschleiß an den Lagern, indem der Unterstützungspunkt näher zur Bohrkrone verschoben wird. Mit Ausnahme der Vorrichtung der verlängerten Unterbaueinheit ist die Implementierung der zweiten Ausführungsform die gleiche wie die der ersten Ausführungsform. Obwohl die Ausführungsform mit verlängerter Unterbaueinheit etwas länger sein kann als die Ausführungsform mit verlängerter Kronenaufnahme, kann es mehr erwünscht sein, die verlängerte Unterbaueinheit zu implementieren, da die verlängerte Unterbaueinheit keine wesentlichen Änderungen an der vorhandenen Ausrüstung wie jene erfordert, die notwendig sind, damit die in Fig. 3 gezeigte Kronenaufnahme verwendet werden kann. Die verlängerte Kronenaufnahme muß an ihrem in bezug auf das Bohrloch oberen Ende modifiziert werden, damit sie mit der Bohrausrüstung verbunden werden kann. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, können die verlängerte Unterbaueinheit an einer Standard-Kronenaufnahme und die Bohrkrone an der verlängerten Unterbaueinheit angebracht werden.
Bei einer dritten Implementierung der vorliegenden Erfindung ist die Meßinstrumentenanordnung in der Bohrkrone plaziert. Bei dieser Ausführungsform ist der obere Abschnitt der Bohrkrone ein Gehäuse, das die Meßinstrumente, die Telemetrieeinrichtung und Vorrichtungen zur Leistungsversorgung und Steuerung enthält. Das Bohrkronengehäuse ist mit der Kronenaufnahme verbunden.
Die durch die vorliegende Erfindung ausgeführten Messungen können über elektromagnetische Impulse oder über Impulse im Schallfrequenzbereich übertragen werden. Diese Impulse werden durch die Empfängerspule demoduliert. Diese Daten werden typischerweise in Echtzeit decodiert und anschließend über Schlammimpulse zur Oberfläche übertragen. Die Daten, die übertragen werden, enthalten Bohrdaten (wie etwa Daten der Kronenneigung und der Kronenrichtung), Bohrkronendaten (wie etwa die Last auf der Krone) und Meßwerte der Formation.
Die vorliegende Erfindung schafft verschiedene Verbesserungen gegenüber anderen Systemen. Wenn sie bei MWD-D&I-Messungen verwendet wird, ermöglicht die Messung der Neigung der Krone (nicht notwendigerweise die Bohrlochneigung, wenn die Umlenk-Unterbaueinheit vorhanden ist) die genauere Berechnung der Bohrlochneigung. Die Messung der Neigung an der Krone schafft eine verbesserte Steuerung beim Bohren von Förderbohrungen, wie etwa Förderbohrungen mit geringem Radius, Förderbohrungen mit Wiedereinführung und horizontale Förderbohrungen. Die erste Ausführungsform, die eine verlängerte Kronenaufnahme enthält, ist besonders wirkungsvoll bei Anwendungen mit geringem Radius und mit Wiedereinführung, da sie einen Umlenkwinkel ermöglicht. Die zweite Ausführungsform, die eine verlängerte Unterbaueinheit enthält, ist besonders wirkungsvoll bei Anwendungen mit weitreichenden Bohrungen oder dort, wo ein mittlerer Umlenkwinkel benötigt wird. Ein Vorteil der Ausführungsform mit verlängerter Unterbaueinheit besteht darin, daß es keine Anforderungen nach Modifikationen am vorhandenen Bohrmotor gibt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen speziellen Sensor beschränkt. Ein Dreiachsen-Beschleunigungsmesser kann verwendet werden, um Messungen der vollen Neigung zu ermöglichen. Es können außerdem weitere Messungen von Parametern während des Bohrens ausgeführt werden. Die drahtlose Telemetrie kann elektromagnetisch oder akustisch erfolgen. Weitere bekannte Telemetriesysteme können verwendet werden, um die gemessenen Daten zu übertragen. Außerdem ist die Datenübertragung dieser Erfindung nicht nur auf eine Anwendung der drahtlosen Übertragung beschränkt oder darauf, daß die Senderantenne in der Kronenaufnahme angeordnet ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein gekrümmtes weitreichendes Bohrloch mit einer Folge von darin angeordneten Meß- und Bohrwerkzeugen einschließlich jener der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Querschnitt des unteren Abschnitts einer Bohrbaueinheit ohne die Realisierung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform mit verlängerter Kronenaufnahme der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform mit verlängerter Unterbaueinheit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des unteren Abschnitts einer Bohrbaueinheit, die die Ausführungsform mit verlängerter Kronenaufnahme der vorliegenden Erfindung enthält;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht der Ausführungsform mit verlängerter Kronenaufnahme der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform mit verlängerter Kronenaufnahme der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht der Batterien und der Abtast-Instrumentenanordnung, die im Kanal der Antriebswelle angebracht sind;
Fig. 9 ist eine Schnittansicht der Sender- und Steuerungs- Schaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht des unteren Abschnitts eines Bohrstrangs mit einer mit Instrumenten versehenen Bohrkrone.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit verlängerter Kronenaufnahme gezeigt. Diese verlängerte Kronenaufnahme 21 verbindet die Bohrkrone über die Antriebswelle 15, die durch eine Lagersektion 20 verläuft, mit dem Bohrmotor 16. Die Kronenaufnahme enthält die Instrumentenanordnung 25, um Messungen während des Bohrens eines Bohrlochs auszuführen.
Die Instrumentenanordnung kann jede Anordnung von Instrumenten sein, einschließlich Beschleunigungsmessern, Magnetometern und Instrumenten zur Bewertung von Formationen. Die Kronenaufnahme enthält außerdem eine Telemetrieeinrichtung 22 zum Übertragen der gesammelten Daten über die Erdformation zu einem Empfänger 23 im MWD-Werkzeug 18. Sowohl Sender 22 als auch Empfänger 23 sind durch Abschirmungen 26 geschützt. Daten werden um den Bohrmotor 16 herum zum Empfänger übertragen.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit verlängerter Unterbaueinheit gezeigt. Die verlängerte Unterbaueinheit 24 ist mit einer Standard-Kronenaufnahme 19 verbunden. Die Verwendung einer verlängerten Unterbaueinheit erfordert keine Modifikationen an der gegenwärtig verwendeten Kronenaufnahme 19, die in Fig. 2 beschrieben ist. Die verlängerte Unterbaueinheit enthält die Meßinstrumentenanordnung 25 und eine Telemetrieeinrichtung 22. (Für den Zweck dieser Beschreibung soll die Meßinstrumentenanordnung 25 als Beschleunigungsmesser 25a bezeichnet werden.) Diese und weitere Komponenten sind angeordnet und arbeiten in ähnlicher Weise wie die Ausführungsform mit der verlängerten Kronenaufnahme.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der vorliegenden Erfindung, die gegenüber Fig. 2 modifiziert ist. Wie gezeigt ist, ist die Kronenaufnahme 19 von Fig. 2 verlängert worden, um die verlängerte Kronenaufnahme 21 zu bilden. Der Sender 22 ist nun in der Kronenaufnahme angeordnet. Es besteht nun die Möglichkeit, daß die Kronenaufnahme die Meßausrüstung enthält, die bei früheren Werkzeugen nicht in der Kronenaufnahme angeordnet war.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit verlängerter Kronenaufnahme ist in der Schnittansicht von Fig. 6 genauer gezeigt. Ein Beschleunigungsmesser 25a zum Messen der Neigung ist in einem Gehäuse 27 angeordnet, das aus einem leichten und haltbaren Metall hergestellt ist. Das Gehäuse ist an der inneren Wand der Antriebswelle 15 durch einen Bolzen 28 und einen Bolzen 29 mit Durchgangsloch angebracht. Eine Leitung, die durch den Bolzen 29 verläuft, stellt eine elektrische Kommunikation zwischen dem Beschleunigungsmesser 25a und der Steuerungs-Schaltungsanordnung auf den elektronischen Leiterplatten 36 her. Das Gehäuse, das den Beschleunigungsmesser enthält, ist im Kanal 15a der Antriebswelle angeordnet. Da der Bohrschlamm durch den Kanal der Antriebswelle strömt, ist das Gehäuse 27 dem Schlamm ausgesetzt. Dieses Aussetzen könnte schließlich zur Erosion des Gehäuses führen sowie dazu, daß der Beschleunigungsmesser dem Schlamm ausgesetzt wird. Deswegen ist am oberen Ende des Gehäuse 27 des Beschleunigungsmessers ein Strömungsablenker 30 angeschraubt und lenkt die Strömung des Schlamms um das Gehäuse des Beschleunigungsmessers herum. Am Bohrkronenende des Gehäuse ist über im Gehäuse befindliche Gewinde eine konische Kappe 31 am Gehäuse angebracht. Diese Kappe dichtet dieses Ende des Gehäuses ab, damit der Beschleunigungsmesser vollkommen eingeschlossen und gegenüber den Bohrlochelementen abgedichtet ist. Im Gehäuse 27 des Beschleunigungsmessers ist eine Filterschaltung 32 enthalten, die zum Filtern der erfaßten Daten dient. Dieser Filtervorgang ist erwünscht, um die Güte eines Signals zu verbessern, das zu einem Empfänger im MWD-Werkzeug telemetrisch zu übertragen ist. Ringförmige Batterien werden verwendet, um den Beschleunigungsmesser 25a, die Filterschaltung 32 und die elektronischen Leiterplatten 36 mit Leistung zu versorgen. Ein Standard-API-Gelenk 34 wird verwendet, um verschiedene Bohrkronen 14 an der verlängerten Kronenaufnahme anzubringen. Eine Druckabschirmung 35 umschließt die verschiedenen Komponenten der Erfindung, um sie vor den Bohrlochdrücken zu schützen. Diese Abschirmung kann außerdem als eine Stabilisierungseinrichtung dienen. Die elektronischen Leiterplatten 36, die sich zwischen der Antriebswelle 15 und dem Sender 22 befinden, steuern die Erfassung und die Übertragung der Sensormessungen. Diese Leiterplatten enthalten einen Mikroprozessor, ein Erfassungssystem für Daten des Beschleunigungsmessers, ein Leistungsversorgungssystem für die Übertragung und einen Stoßsensor. Diese elektronische Schaltungsanordnung ist bei der Ausrüstung zum Bohren von Bohrlöchern und zur Datenerfassung üblich. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Elektronik auf drei Leiterplatten angeordnet und in eine Ausnehmung in die äußere Wand der Antriebswelle 15 eingesetzt, um die Stärke und die Integrität der Wellenwand beizubehalten. Leitungen verbinden die Leiterplatten, um die Kommunikation zwischen den Leiterplatten zu ermöglichen.
Ein Stoßsensor 37, der ein Beschleunigungsmesser sein kann und neben einer der elektronischen Leiterplatten 236 angeordnet ist, liefert Informationen über den Stoßpegel während des Bohrvorgangs. Die Stoßmessung hilft bei der Bestimmung, ob ein Bohren ausgeführt wird. Radiallager 38 dienen der Drehung der Welle 15, wenn sie durch den Bohrmotor angetrieben wird. Ein Ausleseanschluß 39 ist vorgesehen, um Werkzeugbedienern einen Zugriff auf die elektronischen Leiterplatten 36 zu ermöglichen.
Wie zuvor erläutert wurde, besitzt ein Sender 22 eine Antenne, die Signale von der Kronenaufnahme 21 durch die Formation zu einem Empfänger überträgt, der im oder in der Nähe des MWD-Werkzeugs im Bohrstrang angeordnet ist. Dieser Sender 22 besitzt eine schützende Abschirmung 26, die ihn überdeckt, um ihn von den Bohrlochbedingungen zu schützen. Die Antenne und die Abschirmung werden später erläutert.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht der vorliegenden Erfindung und schafft eine bessere Ansicht auf einige der Komponenten. Wie gezeigt ist, überdeckt ein Einrichtwerkzeug 40 einen Abschnitt der Kronenaufnahme. Die Öffnungen 40a in der Antriebswelle 15 dienen zum Verankern des Einrichtwerkzeuges 40 an der Antriebswelle. Dieses Einrichtwerkzeug wird verwendet, wenn die Bohrkrone 14 mit der Kronenaufnahme verbunden wird. Außerdem ist die schützende Abschirmung 26 um den Sender 22 gezeigt. Die Abschirmung weist Schlitze 41 auf, die dazu dienen, die elektromagnetische Übertragung des Signals zu ermöglichen.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht der Batterien und der Abtastinstrumentenanordnung, die in der Antriebswelle der vorliegenden Erfindung angebracht sind. Wie gezeigt ist, sind die Abtastinstrumente im Kanal 15a der Antriebswelle 15 angeordnet. Die ringförmigen Batterien 33 umgeben die Antriebswelle und liefern Leistung an den Beschleunigungsmesser 25a. Das Gehäuse 27 umgibt den Beschleunigungsmesser. Das Gehäuse ist an der Antriebswelle durch einen Bolzen 29 befestigt. Der Beschleunigungsmesser 25a ist über einen Verbinder 42 am Gehäuse 27 angebracht. Eine Halterung 43 hält den Bolzen 29. Die Druckabschirmung 35 umgibt die ringförmigen Batterien 33.
Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht des Senders 22 bei einer Implementierung mit verlängerter Kronenaufnahme. Eine schützende Abschirmung 26 schließt die Antenne 22a ein. Diese Abschirmung weist Schlitze 41 auf, die der elektromagnetischen Übertragung der Signale dienen. In dieser Ausführungsform enthält die Antenne 22a eine druckdichte Spindel 44. Ferritstäbe 45 sind in dieser Spindel 44 longitudinal eingebettet. Um diese Ferritstäbe herum befindet sich Draht in Form einer Spule 47. Die Spule ist vom VITON®-Gummiring 46 zum Schutz gegen Bohrlochfluids umgeben ("VITON" ist eine geschützte US-Handelsmarke der Firma DuPont Dow Elastmers).
Ein Epoxid-Ring 48 befindet sich neben der Spule und den Ferritkernen. Zwischen der Abschirmung 26 und dem VITON®-Gummiring 46 ist ein leichter Hohlraum 49 vorhanden, um eine Ausdehnung des Rings 46 während des Betriebs zu ermöglichen. In der Spindel 44 befindet sich die Antriebswelle 15. Die elektronischen Leiterplatten 36 sind zwischen der Spindel 44 und der Antriebswelle 15 angeordnet. Außerdem ist der Kanal 15a gezeigt, durch den der Bohrschlamm zur Bohrkrone strömt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Instrumentenanordnung zum Messen der Bohr- und Bohrwerkzeugparameter und der Formationseigenschaften direkt in der Bohrkrone plaziert. Dieses System aus einer mit Instrumenten versehenen Bohrkrone ist in Fig. 10 schematisch dargestellt. Die Bohrkrone 14 enthält eine Verlängerung 51, die die Bohrkrone mit der Kronenaufnahme und mit dem Bohrstrang verbindet. Wie gezeigt ist, enthält die Verlängerung 51 den oberen Abschnitt der Bohrkrone. Der Beschleunigungsmesser 25a und der Sender 22 sind in einer ähnlichen Weise wie in den Ausführungsformen mit der verlängerten Kronenaufnahme und mit der verlängerte Unterbaueinheit in der Verlängerung positioniert. Diese mit Instrumenten versehene Bohrkrone würde in ein Werkzeug wie das in Fig. 1 beschriebene passen. Die mit Instrumenten versehene Bohrkrone 14 ist mit der Kronenaufnahme 19 verbunden. Wie in den anderen Ausführungsformen ist die Kronenaufnahme 19 an einer Antriebswelle 15 angebracht, die über die Lagersektion 20 mit dem Bohrmotor 16 verbunden ist. Das Bohrfluid strömt durch den Kanal 15a der Antriebswelle zur Bohrkrone. Ein Empfänger 23 befindet sich oberhalb des Bohrmotors und gewöhnlich in einem MWD-Werkzeug 18. Es sollte erwähnt werden, daß der Bohrmotor für die Funktionsweise dieser Ausführungsform nicht wesentlich ist. Wie zuvor erwähnt wurde, enthalten die durch die Instrumentenanordnung gemessenen Erdformationseigenschaften die natürliche Radioaktivität (insbesondere Gammastrahlung) und den spezifischen elektrischen Widerstand (die spezifische elektrische Leitfähigkeit) der Formationen, die das Bohrloch umgeben. Wie bei anderen Werkzeugen zur Bewertung der Formation müssen die Meßinstrumente in der Kronenaufnahme in einer solchen Weise angeordnet sein, die die geeignete Funktion der Instrumente ermöglicht und zuverlässige Meßdaten gewährleistet.
Nunmehr ist erkennbar, daß neue und verbesserte Verfahren und Vorrichtungen offenbart wurden, die alle Aufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllen sowie deren Merkmale und Vorteile aufweisen.

Claims

1. System zum Ausführen von Messungen im Bohrloch während des Bohrens eines Bohrlochs (13) unter Verwendung einer Bohrkrone (14) am unteren Ende eines Bohrstrangs (10), wobei das System in Kombination umfaßt:

a) eine Bohrkronen-Verbindungseinrichtung (21) zum Verbinden der Bohrkrone mit dem Bohrstrang, wobei die Bohrkronen-Verbindungseinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein oder mehrere Instrumente (25) zum Ausführen von Messungen im Bohrloch in der Nähe der Bohrkrone enthält;

b) eine erste Telemetrie-Einrichtung (22), die sich in der Verbindungseinrichtung befindet und Signale an eine in bezug auf das Bohrloch obere Stelle senden und hiervon Signale empfangen kann; und

c) eine zweite Telemetrie-Einrichtung (23), die sich in bezug auf das Bohrloch über der ersten Telemetrieeinrichtung befindet, um mit der ersten Telemetrieeinrichtung zu kommunizieren.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die erste Telemetrieeinrichtung (22) Signale, die von den Instrumenten (25) ausgeführte Messungen im Bohrloch repräsentieren, im Bohrloch aufwärts zur zweiten Telemetrieeinrichtung (23) sendet.

3. System nach Anspruch 1, bei dem die zweite Telemetrieeinrichtung (23) sich in einem Werkzeug (18) zum Messen während des Bohrens befindet, das sich seinerseits im Bohrstrang (10) befindet.

4. System nach Anspruch 1, ferner mit einer Antriebswelle (15), die an der Bohrkronen-Verbindungseinrichtung befestigt ist.

5. System nach Anspruch 4, bei dem wenigstens eines des einen oder der mehreren Instrumente ein Beschleunigungsmesser (25a) ist, der eine Bohrlochneigung messen kann.

6. System nach Anspruch 5, bei dem sich das eine oder die mehreren Instrumente (25) in der Antriebswelle (15) befinden, die die Bohrkrone (14) dreht und die als ein Kanal (15a) dient, durch den Bohrfluid strömt.

7. System nach Anspruch 6, ferner mit einem Instrumentengehäuse (27) in der Welle (15), das den Beschleunigungsmesser (25a) enthält, einem Ablenker (30), der an dem in bezug auf das Bohrloch oberen Ende des Gehäuses befestigt ist, um Bohrfluid abzulenken, und einer Kappe (31), die an dem in bezug auf das Bohrloch unteren Ende des Gehäuses befestigt ist, um den Beschleunigungsmesser von Bohrlochelementen abzudichten.

8. System nach Anspruch 1, bei dem das eine oder die mehreren Instrumente (25) ein oder mehrere Instrumente zum Messen von Bohrkronenparametern umfassen.

9. System nach Anspruch 4, ferner mit einer Einrichtung (33, 36), die an der Antriebswelle befestigt ist, um die Instrumente mit Leistung zu versorgen und um sie zu steuern.

10. System nach Anspruch 1, bei dem das eine oder die mehreren Instrumente (25) Messungen der Gammastrahlen, die in natürlicher Weise aus den Formationen austreten, und/oder des spezifischen elektrischen Widerstandes der Formationen und/oder der Neigung des Bohrlochs und/oder der Richtung des Bohrlochs und/oder des Gewichts der Bohrkrone und/oder des Drehmoments der Bohrkrone und/oder der Antriebswellendrehzahl ausführen können.

11. Vorrichtung zum Verbinden einer Bohrkrone (14) mit einer anderen im Bohrloch befindlichen Bohrausrüstung (19) in einem Bohrstrang (10), wobei die Verbindungsvorrichtung gekennzeichnet ist durch

a) eine Sensoreinrichtung (25) zum Ausführen von Bohrbedingungs- und/oder Formationsmessungen während des Bohrens;

b) ein Gehäuse (24), wovon ein Ende mit der Bohrkrone verbunden ist und das zweite Ende mit dem in bezug auf die im Bohrloch befindliche Bohrausüstung verbunden ist, wobei das Gehäuse die Sensoreinrichtung enthält; und

c) eine Telemetrieeinrichtung (22), die im Gehäuse enthalten ist, um Daten an einen in bezug auf das Bohrloch oberen Ort zu senden und hiervon Daten zu empfangen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, die ferner umfaßt:

d) eine Einrichtung (33), die an die Sensoreinrichtung und an die Telemetrieeinrichtung Leistung liefert; und

e) eine Steuereinrichtung (36), die Komponenten im Sensor und in der Telemetrieeinrichtung steuert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Telemetrieeinrichtung (22) eine Sende- und Empfangsantenne (22a) sowie eine Abschirmung (26) umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Sensoreinrichtung einen Beschleunigungsmesser (25a), ein den Beschleunigungsmesser enthaltendes Gehäuse (27), einen an dem in bezug auf das Bohrloch oberen Ende des Gehäuses befestigten Ablenker (30) zum Ablenken von durch die Vorrichtung und um das Gehäuse sich bewegendem Bohrfluid sowie eine Kappe (31), die an dem in bezug auf das Bohrloch unteren Ende des Gehäuses befestigt ist, um den Beschleunigungsmesser von Bohrlochelementen abzudichten, umfaßt.

15. System zur Verwendung bei der Ausführung von Messungen im Bohrloch während des Bohrens eines Bohrlochs, wobei das System in Kombination umfaßt:

a) eine Bohrkrone (14) am unteren Ende eines Bohrstrangs (10), wobei das System gekennzeichnet ist durch

b) eine Instrumentenanordnung (25), die in der Bohrkrone (14) enthalten ist, um Bohr- und/oder Bohrkronenparameter und/oder Erdformationseigenschaften zu messen;

c) eine erste Telemetrieeinrichtung (22), die sich in der Bohrkrone befindet, um mit dem in bezug auf das Bohrloch oberen Telemetriegerät zu kommunizieren; und

d) eine zweite Telemetrieeinrichtung (23), die sich im Bohrstrang und in bezug auf das Bohrloch über der ersten Telemetrieeinrichtung befindet, um mit der ersten Telemetrieeinrichtung zu kommunizieren.

16. System nach Anspruch 15, bei dem die erste Telemetrieeinrichtung (22) Signale, die im Bohrloch ausgeführte Messungen repräsentieren, die von der Instrumentenanordnung (25) ausgeführt werden, nach oben zur zweiten Telemetrieeinrichtung sendet.

17. System nach Anspruch 15, bei dem sich die zweite Telemetrieeinrichtung (23) in einem Werkzeug (18) zum Messen während des Bohrens befindet, das sich seinerseits im Bohrstrang befindet.

18. System nach Anspruch 15, bei dem die Bohrkrone (14) eine Verlängerung (51) aufweist, um die Bohrkrone mit dem Strang zu verbinden, wobei die Verlängerung die Instrumentenanordnung (25) und die erste Telemetrieeinrichtung (22) enthält, und bei dem die Telemetrieeinrichtung (22) eine Abschirmung (26) umfaßt.

19. Mit Instrumenten versehene Bohrkrone zum Bohren eines Bohrlochs und zum Ausführen von Messungen während des Bohrens, umfassend:

a) eine Bohrkrone (14), die gekennzeichnet ist durch eine Verlängerung (51) zum Verbinden der Bohrkrone mit einem in bezug auf das Bohrloch unteren Bohrstrang (10);

b) eine Instrumentenanordnung (25), die in der Verlängerung enthalten ist und Bohr- und/oder Bohrkronen- und/oder Erdformations-Eigenschaften mißt; und

c) eine Telemetrieeinrichtung (22), die in der Verlängerung enthalten ist und Signale an eine in bezug auf das Bohrloch obere Telemetrieeinrichtung (23) sendet und von dieser empfängt.

20. Mit Instrumenten versehene Bohrkrone nach Anspruch 19, bei dem die Verlängerung (51) ein röhrenförmiges Gehäuse ist.

21. Mit Instrumenten versehene Bohrkrone nach Anspruch 19, ferner umfassend:

d) eine Leistungsversorgungseinrichtung (33) zum Versorgen der Instrumentenanordnung und der Telemetrieeinrichtung mit Leistung; und

e) eine Steuereinrichtung (36) zum Betreiben der Komponenten in der Instrumentenanordnung und in der Telemetrieeinrichtung.