DE102004055995A1

DE102004055995A1 - Vorrichtung, Verfahren und Sensor zum Bestimmen einer auf ein Bohrwerkzeug wirkenden Belastung

Info

Publication number: DE102004055995A1
Application number: DE102004055995A
Authority: DE
Inventors: Christopher C. Cheltenham Bogath; Kimi M. Houston Ceridon; Kate I. Sugar Land Gabler; Minh Trang Sugar Land Chau
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2005-06-23
Also published as: CA2487222A1; GB2409043B; MXPA04010930A; CA2487222C; US20050109097A1; GB0423987D0; FR2863651B1; RU2004133861A; US7775099B2; CN1619098B; FR2862696A1; RU2377404C2; US20090013775A1; US7757552B2; GB2409043A; CN1619098A; FR2862696B1; FR2863651A1

Abstract

Verfahren zum Messen einer Belastung eines Bohrwerkzeugs, das über einen Bohrstrang in ein Bohrloch eingebracht ist, wobei der Bohrstrang eine Schwerstange mit einem Sensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerstange zum Verstärken einer Verformung infolge von Kräften, die auf sie wirken, ausgestaltet und der Sensor zum Messen der Verformung der Schwerstange ausgestaltet ist, um auf das Bohrwerkzeug wirkende Kräfte zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und einen Sensor zum Bestimmen einer auf ein Bohrwerkzeug wirkenden Belastung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 11 bzw. 21.
1 zeigt einen bekannten Bohrturm 101, der zum Bohren eines Bohrlochs 102 in einer Erdformation 103 verwendet wird. Ein Bohrstrang 104 mit einer Bohrspitze 105, die am unteren Ende des Bohrstrangs 104 angeordnet ist, erstreckt sich vom Bohrturm 101 nach unten. Der Bohrstrang 104 weist ein Werkzeug 106 zum Messen während des Bohrens (measurement-while-drilling, MWD) sowie eine Schwerstange 107 auf, die oberhalb der Bohrspitze 105 angeordnet ist.
Die Bohrspitze 105 bildet zusammen mit zugeordneten Sensoren und weiteren Einrichtungen, die beim Bohren in der Nähe des Bodens des Bohrlochs 102 angeordnet sind, eine Bohrloch-Bodenanordnung (Bottom Hole Assembly, BHA). Eine am Boden eines Bohrlochs 102 angeordnete BHA 200 ist in 2 gezeigt. Die Bohrspitze 105 ist am Ende des Bohrstrangs 104 angeordnet. Ein MWD-Werkzeug 106 ist benachbart zur Bohrspitze 105 am Bohrstrang 104 angeordnet, wobei eine Schwerstange 107 benachbart zum MWD-Werkzeug 106 positioniert ist. 2 zeigt ferner einen Sensor 202, der um das dargestellte Bohrwerkzeug herum angeordnet ist, um verschiedenartige Messungen im Bohrloch durchzuführen.

Das Bohren von Öl- und Gasbohrlöchern erfordert eine vorsichtige Handhabung des Bohrwerkzeugs, um entlang eines gewünschten Weges zu bohren. Durch Bestimmen und Analysieren der auf das Bohrwerkzeug wirkenden Kräfte können Entscheidungen getroffen werden, um den Bohrvorgang zu vereinfachen und/oder zu verbessern. Die Kräfte gestatten es einem Bohrführer ferner, die Bohrbedingungen zu optimieren, so daß ein Bohrloch ökonomischer gebohrt werden kann. Das Bestimmen der auf die Bohrspitze 105 wirkenden Kräfte ist wichtig, da es dem Bohrführer die Möglichkeit gibt, beispielsweise den Beginn von Bohrproblemen zu erkennen und unerwünschte Situationen zu korrigieren, bevor ein Teil des Systems, wie etwa die Bohrspitze 105 oder der Bohrstrang 104, Schaden nimmt. Einige der Probleme, die durch Messen der Kräfte im Bohrloch erfaßt werden können, umfassen beispielsweise ein Abwürgen des Motors, ein feststeckendes Rohr, eine Neigung der BHA und so weiter. In den Fällen eines feststeckenden Rohres kann es erforderlich sein, ein Werkzeug zum Herausfischen des feststeckenden Rohres in das Bohrloch herabzulassen. Zum Lösen einer in einem Bohrloch feststeckenden BHA sind Techniken entwickelt worden, die beispielsweise den in US 5 033 557 beschriebenen "Bohrkopf', der auch als Bohrschlagvorrichtung oder Drilling-Jar bekannt ist, zum Lösen einer BHA verwenden.

Die auf das Bohrwerkzeug wirkenden Kräfte können die Bohrarbeiten beeinflussen. Abhängig von der sich ergebenden Position umfassen die Kräfte beispielsweise ein auf die Bohrspitze wirkendes Gewicht (weight-on-bit, WOB) und ein auf die Bohrspitze wirkendes Drehmoment (torque-on-bit, TOB). Ein WOB beschreibt die nach unten wirkende Kraft, die die Bohrspitze auf den Boden des Bohrlochs ausübt. Ein TOB beschreibt das Drehmoment, das auf die Bohrspitze wirkt, um sie im Bohrloch in Rotation zu versetzen. Ein erhebliches Problem beim Bohren ist das Biegen, d.h. das Biegen des Bohrstrangs oder Biegekräfte, die auf den Bohrstrang und/oder die Schwerstange wirken. Biegen kann durch WOB, TOB oder andere Kräfte im Bohrloch hervorgerufen werden.

Es sind Techniken bekannt, um das WOB und das TOB an der Erdoberfläche zu messen. Eine derartige Technik verwendet Dehnungsmesser, um auf den Bohrstrang in der Nähe der Bohrspitze wirkende Kräfte zu messen. Ein Dehnungsmesser ist eine kleine Vorrichtung mit einem Widerstand, die an einem Material befestigt wird, dessen Verformung gemessen werden soll. Der Dehnungsmesser wird so befestigt, daß er sich zusammen mit dem Material, an dem er befestigt ist, verformt. Der elektrische Widerstand des Dehnungsmessers verändert sich, während der Dehnungsmesser verformt wird. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an den Dehnungsmesser und Messen der Differenzspannung über dem Dehnungsmesser kann der Widerstand und damit die Verformung des Dehnungsmessers gemessen werden.

Ein Beispiel einer ein Dehnungsmesser verwendeten Technik ist aus US 5 386 724 bekannt. Dort wird eine Belastungszelle beschrieben, die aus einem gestuften Zylinder hergestellt ist. Dehnungsmesser sind an der Belastungszelle angeordnet, die wiederum in einer radialen Tasche im Bohrstrang untergebracht ist. Wenn sich der Bohrstrang infolge von Kräften im Bohrloch verformt, verformt sich auch die Belastungszelle. Die Dehnungsmesser an der Belastungszelle messen die Verformung der Belastungszelle, die mit der Verformung der Schwerstange in Verbindung steht. Die Belastungszelle kann in die Schwerstange eingefügt werden, so daß die Belastungszelle sich zusammen mit der Schwerstange verformt.

Eine aus dem US 5 386 724 bekannte Belastungszelle 300 ist in 3A und 3B gezeigt. Die Belastungszelle weist acht Dehnungsmesser auf, die an einer ringförmigen Oberfläche 301 angeordnet sind. Die Dehnungsmesser umfassen vier Dehnungsmesser 311, 312, 313, 314 für ein Gewicht und vier Dehnungs messer 321, 322, 323, 324 für ein Drehmoment. Die Gewichtdehnungsmesser 311, 312, 313, 314 sind entlang der vertikalen und horizontalen Achse angeordnet, während die Drehmomentdehnungsmesser 321, 322, 323, 324 zwischen den Gewichtdehnungsmessern 311, 312, 313, 314 angeordnet sind. 3B zeigt die in eine Schwerstange 331 eingesetzte Belastungszelle 300. Wenn die Schwerstange 331 infolge von Kräften im Bohrloch verformt wird, wird auch die in die Schwerstange 331 eingesetzte Belastungszelle 300 verformt, wodurch es ermöglicht wird, die Verformung mit den Dehnungsmessern zu messen.

Weitere Belastungszellen und/oder Dehnungsmesser sind aus US 5 386 724 und der US-Patentanmeldung Nr. 10/064 438 bekannt. Belastungszellen können üblicherweise aus einem Material gebildet sein, das eine sehr geringe Eigenspannung aufweist und für Dehnungsmesser-Messungen geeigneter ist. Viele derartige Materialien können beispielsweise INCONEL X-750, INCONEL 718 oder andere bekannte Materialien umfassen.

Trotz der Fortschritte bei Dehnungsmessern besteht ein Bedarf an Techniken, die in der Lage sind, genaue Messungen unter den extremen Bedingungen im Bohrloch beim Bohren durchzuführen. Herkömmliche Sensoren sind häufig anfällig auf eine Biegung um die Achse der Schwerstange. Zudem sind übliche Sensoren häufig anfällig auf Temperaturänderungen, die in einem Bohrloch sehr häufig auftreten, beispielsweise Gradienten durch die Wand der Schwerstange an der Stelle des Sensors und gleichmäßige Temperaturanstiege durch die Umgebungstemperatur.

Es ist daher wünschenswert, ein System zu schaffen, das in der Lage ist, Wechselwirkungen zu eliminieren, die durch Kräfte erzeugt werden, die auf den Bohrstrang zwischen der Bohrspitze und der Erdoberfläche wirken. Es ist ferner wünschenswert, daß eine derartige Technik die auftretenden Verformungen verstärkt, um eine Messung und/oder Handhabung zu vereinfachen. Vorzugsweise sollte ein derartiges System in der Lage sein, trotz der im Bohrloch beim Bohren auftretenden Temperaturfluktuationen mit ausreichender Genauigkeit zu arbeiten und zudem den Effekt hydrostatischer Drücke auf die Meßergebnisse zu eliminieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung, ein Verfahren und einen Sensor zum Bestimmen einer auf ein Bohrwerkzeug wirkenden Belastung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 11 bzw. 21 zu schaffen, bei denen die Zuverlässigkeit der Messung bei langer Lebenszeit der Vorrichtung bzw. des Sensors verbessert und durch die Arbeitsbedingungen im Bohrloch, insbesondere Wechselwirkung mit dem Bohrloch, Anordnungsprobleme und/oder Temperaturänderungen unbeeinflußt ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1, 11 bzw. 21 gelöst.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die folgenden Vorteile aufweisen. Erfindungsgemäße kapazitive und induktive Einrichtungen sind nicht anfällig für Meßfehler, die infolge von Temperaturänderungen auftreten können. Ferner wirkt sich auch der Umgebungsdruck nicht auf den Betrieb einiger Ausführungsformen aus. Ferner sind erfindungsgemäß keine kontaktierenden Teile vorgesehen, die sich abnutzen könnten oder ersetzt werden müßten.

In einigen Ausführungsformen ist die WOB-Messung ohne Empfindlichkeit für eine Verdrehung oder Verbiegung möglich. Zudem ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung die Messung wenigstens zweier Belastungen, die auf ein Bohrwerkzeug oder einen Bohrstrang wirken.

In einigen Ausführungsformen wird ein Signal bereitgestellt, das ohne die Notwendigkeit einer mechanischen Verstärkung einer Verformung genaue und präzise Ergebnisse liefert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäße Sensor sind direkt in eine Schwerstange installierbar ohne die Notwendigkeit, eine separate Belastungszelle vorzusehen. Somit wird nur wenig Platz in der Schwerstange benötigt.

Ferner sind einige Ausführungsformen der Erfindung im Inneren einer Schwerstange montiert. Diese Ausführungsformen sind nicht anfällig für Wechselwirkungen mit dem Bohrloch oder andere Probleme, die mit dem Schlammfluß in Bezug stehen.

Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind durch Temperaturänderungen weniger stark beeinflußbar als bekannte Sensoren. Zudem ist in einigen Ausführungsformen vorgesehen, eine Dehnung und/oder Stauchung infolge von Temperatur- bzw. Druckänderungen im Bohrloch zu kompensieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1 zeigt einen Schnitt durch eine Bohreinrichtung mit einem Bohrwerkzeug mit einer BHA.
2 zeigt die BHA der 1.
3A zeigt eine bekannte Belastungszelle.
3B zeigt die Belastungszelle der 3A in einer Schwerstange.
4A ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Sensoreinrichtung für die Messung der WOB.
4B zeigt die Sensoreinrichtung der 4A mit einer darauf wirkenden Kraft.
5A ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zur Messung der TOB.
5B zeigt einen radialen Schnitt durch die Sensoreinrichtung der 5A.
5C zeigt die Sensoreinrichtung der 5A mit einer darauf wirkenden Kraft.
6A zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Sensors zur Messung einer axialen Biegung.
6B zeigt die Sensoreinrichtung der 6A mit einer darauf wirkenden Kraft.
6C zeigt einen Schnitt durch eine weitere Sensoreinrichtung zur Messung der TOB.
7A zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Sensors zur Messung einer radialen Biegung.
7B zeigt die Sensoreinrichtung der 7A mit einer darauf wirkenden Kraft.
7C zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zur Messung einer radialen Biegung mit an der Schwerstange befestigten Plattformen zum Tragen dielektrischer Platten.
7D zeigt die Sensoreinrichtung der 7C mit einer darauf wirkenden Kraft.
8A zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zur Messung der WOB unter Verwendung von Platten, die parallel zur Achse der Kraft sind.
8B zeigt die Sensoreinrichtung aus 8A mit einer darauf wirkenden Kraft.
9A zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zur Messung der TOB mit leitenden Platten, die gegeneinander beweglich sind.
9B zeigt einen Längsschnitt durch die Sensoreinrichtung der 9A mit einer darauf wirkenden Kraft.
10A zeigt einen Längsschnitt durch eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Biegung mit leitenden Platten, die sich relativ zueinander drehen.
10B zeigt die Sensoreinrichtung aus 10A mit einer darauf wirkenden Kraft.
11A zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einem Dehnungsmesser mit einem helixförmigen Ausschnitt.
11B zeigt die Sensoreinrichtung der 11A.
11C ist ein Schnitt durch einen Abschnitt der Sensoreinrichtung der 11A.
11D ist ein Längsschnitt durch die Sensoreinrichtung der 11A.
12A zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einem Dehnungsmesser mit einem mittleren Element.
12B zeigt einen Teil der Sensoreinrichtung aus 12A im Schnitt.
12C zeigt eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einem Dehnungsmesser mit einer Belastungszelle.
12D zeigt einen Längsschnitt der Sensoreinrichtung der 12C.
13A ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Sensor einrichtung, die einen Bohrtopf verwendet.
13B zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt der Sensoreinrichtung der 13A.
13C zeigt einen Längsschnitt durch die Sensoreinrichtung der 13A.
14A ist eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung, die einen Bohrtopf mit einer Flüssigkeitskammer verwendet.
14B zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt an der Sensoreinrichtung der 14A.
14C zeigt einen Längsschnitt durch die Sensoreinrichtung der 14A.
15 zeigt ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
16A zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung, die LVDT verwendet.
16B zeigt einen Querschnitt durch die Sensoreinrichtung der 16A.
17 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung, die LVDT mit einer Spule und einem Kern verwendet.
18A zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung, die in einer Nabe einer Schwerstange angeordnet ist.
18B zeigt einen Längsschnitt durch die Sensoreinrichtung der 18A.
18C zeigt die Sensoreinrichtung der 18B mit einer darauf wirkenden Kraft.
18D zeigt die Sensoreinrichtung der 18A mit ausgerichteten Kondensatorplatten.
18E zeigt die Sensoreinrichtung der 18D mit einer darauf wirkenden Kraft.
19 zeigt ein Flußdiagramm zum Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft eines Sensors.
20 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung zum Bestimmen der Auswirkungen der thermischen Ausdehnung und des Drucks.
21 zeigt einen Querschnitt durch eine Schwerstange eines Bohrwerkzeugs mit einer thermischen Beschichtung.
22 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Sensoreinrichtung mit einem nicht-kapazitiven Sensor.
1 und 2 zeigen ein bekanntes Bohrwerkzeug mitsamt der Bohrlochumgebung. Wie vorstehend beschrieben, umfaßt das Bohrwerkzeug einen Bohrstrang 104, der von einem Bohrturm 101 herabgelassen ist. Der Bohrstrang 104 besteht aus mehreren Schwerstangen, die auch als Bohrrohre bezeichnet werden und miteinander verschraubt sind, um den Bohrstrang 104 zu bilden. Jede der Schwerstangen weist einen nicht dargestellten Durchgang zum Durchfluß von Bohrschlamm von der Oberfläche zur Bohrspitze 105 auf. Einige der Schwerstangen, beispielsweise die BHA 200 und/oder die Schwerstange 107, sind mit einer Schaltung, Motoren oder anderen Einrichtungen zum Durchführen von Arbeiten im Bohrloch versehen. Die Einrichtungen können Einrichtungen zum Durchführen von Messungen im Bohrloch, wie beispielsweise WOB oder TOB und Biege-Meßeinrichtungen, umfassen. Ferner können zusätzliche Parameter bestimmt werden, die mit dem Bohrwerkzeug und/oder der Umgebung im Bohrloch in Bezug stehen.
KRAFTMESSEINRICHTUNGEN
4A bis 14C und 16A bis 18E betreffen verschiedene Kraftmeßeinrichtungen, die in wenigstens einer Schwerstange angeordnet werden können, um Kräfte, die auf das Bohrwerkzeug wirken, beispielsweise WOB-, TOB- und Biegekräfte, zu messen. In jeder dieser Ausführungsformen sind die Einrichtungen auf, in oder um eine Schwerstange angeordnet, um die gewünschten Parameter zu messen.
4A bis 10B illustrieren verschiedene Ausführungsformen einer kapazitiven Einrichtung mit leitenden Platten, die einander zugewandt sind. Die dargestellte kapazitive Einrichtung wird verwendet, um auf das Bohrwerkzeug wirkende Kräfte wie WOB-, TOB- und Biegekräfte zu messen. Die Oberflächen der Platten sind vorzugsweise parallel zueinander und senkrecht zur Richtung der Belastung durch die Kraft.
4A und 4B zeigen eine kapazitive Einrichtung 400. Die dargestellte kapazitive Einrichtung ist in einer Schwerstange 402 angeordnet, die operativ mit einem üblichen Bohrstrang, beispielsweise dem Bohrstrang 104, verbindbar ist und in einer üblichen Bohrumgebung, beispielsweise der in 1 und/oder 2 dargestellten, verwendbar ist. Die kapazitive Einrichtung 400 wird verwendet, um eine Verformung infolge von WOB-Kräften, die auf einen Bohrstrang wirken, zu messen.
Die kapazitive Einrichtung 400 umfaßt zwei Platten 404 und ein Dielektrikum 406. Vorzugsweise sind die Platten 404 und das Dielektrikum 406, wie in den 4A und 4B dargestellt, in einem Durchgang 408 angeordnet, der sich durch die Schwerstange 402 erstreckt. Der Durchgang 408, der für den Fluß von Bohrschlamm dadurch verwendet wird, ist durch die Innenfläche 412 der Schwerstange 402 definiert. Die Innenfläche 412 definiert eine Plattform 407, die in der Lage ist, die Platten 404 und das Dielektrikum 406 zu tragen. Die Platten 404 und das Dielektrikum 406 sind wie dargestellt kolinear mit den auf die Schwerstange 402 wirkenden WOB-Kräften angeordnet. Die Platten 404 können in der Schwerstange 402 so angeordnet sein, daß sie parallel zueinander sind, oder einander in der vorgegebenen Entfernung L₄ zugewandt sind.
In anderen Ausführungsformen sind verschiedene Platten in der Schwerstange auf verschiedenen Unterstützungseinrichtungen oder Trägern dargestellt. Die Art und Ausgestaltung der Unterstützungseinrichtung ist jedoch nicht wesentlich.
Die Platten 404 sind vorzugsweise aus leitendem Material wie etwa Stahl oder anderen leitenden Metallen gebildet. Die Platten 404 sind vorzugsweise einander entgegengesetzt um einen Abstand L₄ voneinander beabstandet. Das Dielektrikum 406 kann ein beliebiges übliches Dielektrikum sein und ist zwischen den Platten 404 angeordnet. Die Platten 404 sind so angeordnet, daß sie eine elektrische Kapazität bilden.
Die Kapazität beschreibt die Fähigkeit einer Einrichtung aus Leitern und einem Dielektrikum, elektrische Energie zu speichern, wenn eine Potentialdifferenz existiert. In einer einfachen Einrichtung steht die Kapazität C in Bezug zur Fläche A der beiden Platten, der Entfernung L zwischen den beiden Platten und der dielektrischen Konstante ε_r des Materials zwischen den beiden Platten wie folgt:
wobei ε₀ die dielektrische Konstante von Vakuum ist. Die dielektrische Konstante steht in Beziehung mit der Fähigkeit eines Materials, ein elektrisches Feld aufrecht zu erhalten. Üblicherweise ist die dielektrische Konstante eine Konstante oder vorhersagbar. Daher kann die Kapazität dieser Einrichtung dadurch geändert werden, daß die Fläche der Platten oder die Entfernung zwischen den Platten geändert wird.
Die Kapazität wird gemessen, indem ein veränderlicher Strom an eine der Platten angelegt und die sich zwischen den Platten ergebende Potentialdifferenz gemessen wird. Dies ist durch die Impedanz Z der Einrichtung gekennzeichnet, die wie folgt definiert ist:
wobei f die Frequenz des veränderlichen Stroms ist. Hier wird dieses Konzept auf die Messung der auf den Bohrstrang wirkenden Kräfte angewandt. Auf einen Bohrstrang wirkende Kräfte verursachen eine Verformung des Bohrstrangs. Diese Verformung kann übertragen und eingefangen werden, indem die sich ändernde Kapazität zwischen zwei leitenden Platten innerhalb des Werkzeugstrangs gemessen wird.
Die kapazitive Einrichtung kann verwendet werden, um auf das Bohrwerkzeug wirkende Kräfte, wie beispielsweise WOB-, TOB- und Biege-Kräfte, zu erfassen. Die Verformung wird durch ein Last- oder Lagerelement für die verformende Belastung auf die Meßeinrichtung übertragen. Die Länge des Lagerelements wird durch den veränderlichen Abstand zwischen den beiden Platten oder durch Änderung von L eingestellt.
Einige der bekannten Sensoren, beispielsweise der Belastungszelle des US 5 386 724 , verwenden Dehnungsmesser zum Messen der Verformung einer Schwerstange unter Belastung. Die Dehnungsmesser verformen sich zusammen mit der Schwerstange, und der Grad der Verformung kann bestimmt werden aus der Änderung des Widerstands des Dehnungsmessers. Erfindungsgemäß werden jedoch andere elektrische Prinzipien, wie Kapazität, Induktivität und Impedanz, verwendet, um die Kräfte zu bestimmen, die auf eine Schwerstange wirken, basierend auf dem Grad der Verformung der Schwerstange unter einer Belastung.
In dieser Beschreibung wird der Begriff "Kraft" generisch für jede Art von Belastung, beispielsweise Kräfte, Drücke, Drehmomente und Momente, verwendet, die auf eine Bohrspitze oder einen Bohrstrang wirken können. Insbesondere sollte der Begriff "Kraft" nicht so ausgelegt werden, daß er eine Drehkraft oder ein Moment ausschließt. Alle Belastungen verursachen eine entsprechende Verformung, die unter Verwendung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung meßbar ist.
Die Kapazität der Einrichtung 400 wird durch ihre Ausgestaltung definiert. Bezugnehmend auf 4A weist jede Platte 404 eine Oberfläche auf, die derjenigen der anderen Platte entgegengesetzt ist. Hierdurch wird die kapazitive Fläche der Einrichtung 400 vorgegeben. Zudem sind die Platten 404 um einen Abstand L₄ voneinander beabstandet. Ein Dielektrikum 406 zwischen den Platten 404 weist eine bestimmte elektrische Permeabilität ε₄ auf. Diese Parameter definieren zusammen die bestimmte Kapazität des Sensors, die entsprechend vorgenannter Gleichung (1) quantifizierbar ist.
4B zeigt die Einrichtung 400 unter der Belastung einer WOB. Die Schwerstange 402 verformt sich – wird zusammengedrückt – und der Grad der Verformung ist proportional zur Größe der WOB. Die Verformung der Schwerstange 402 bewegt die Platten 404 näher aneinander heran, so daß sie durch einen Abstand L'₄ voneinander beabstandet sind. Der Abstand L'₄ in 4B ist kürzer als der Abstand L₄ in 4A infolge der zusammendrückenden Verformung.
Die Platten 404 bewegen sich relativ zueinander, da sie an verschiedenen Punkten entlang der Achse der Schwerstange 402 mit der Schwerstange 402 verbunden sind. Eine Verformung der Schwerstange 402 verursacht eine entsprechende Veränderung des Abstands L₄ zwischen den Platten 404.
Vorgenannte Gleichung (1) zeigt, daß eine Verringerung des Abstands zwischen den Platten 404, d.h. von L₄ zu L'₄, eine Erhöhung der Kapazität C der Einrichtung 400 hervorruft. Eine Erfassung der Erhöhung der Kapazität gestattet die Bestimmung der Verformung, die wiederum eine Bestimmung der WOB ermöglicht. In einigen Fällen, beispielsweise, wenn ein Computer zum Berechnen der WOB verwendet wird, kann die WOB auf der Änderung der Kapazität ohne eine spezifische Bestimmung der Verformung bestimmt werden. Derartige Ausführungsformen fallen in den Schutzbereich der Erfindung.
In 4A und 4B sind die Platten 404 im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. In anderen Ausführungsformen können die Platten auch nicht parallel zueinander angeordnet sein. Es ist klar, daß die Platten auch anders angeordnet sein können.
In 4B sind die Platten 404 im wesentlichen senkrecht zur Richtung angeordnet, in der die WOB wirkt, d.h. die Platten 404 sind im wesentlichen horizontal angeordnet und die WOB wirkt im wesentlichen vertikal. In dieser Ausführungsform ist die Bewegung der Platten 404 maximal für die Verformung des Bohrstrangs 402 infolge der WOB. Obwohl diese Anordnung vorteilhaft ist, ist sie nicht für alle Ausführungsformen der Erfindung erforderlich.
Es ist klar, daß die Beschreibung der relativen Position der Platten zueinander, beispielsweise im wesentlichen parallel, und die Position der Platten relativ zur Richtung der zu messenden Belastung, beispielsweise senkrecht, auch auf andere Ausführungsformen der Erfindung zutrifft. Wie nachfolgendbeschrieben, können andere Sensoren Platten aufweisen, die zueinander parallel und zur Richtung der zu messenden Belastung senkrecht sind. Ferner sind solche Anordnungen vorteilhaft, jedoch nicht erforderlich.
In einigen Fällen wird die Kapazität der Einrichtung bestimmt, indem die Einrichtung an einen Schaltkreis angeschlossen wird, der eine Konstantstrom-Wechselstromquelle aufweist. Die Änderungen der Spannung über den Sensor ermöglichen die Bestimmung der Kapazität auf Basis des bekannten Werts der Wechselstromquelle.
In einigen Fällen wird die Änderung der Spannung über den Platten des Sensors verwendet, um die Änderung der Impedanz des Sensors zu bestimmen. Die Impedanz, die üblicherweise als Z bezeichnet wird, ist der Widerstand, den ein Schaltkreiselement einem elektrischen Strom entgegensetzt. Die Impedanz eines Kondensators ist in der vorstehenden Gleichung (2) definiert. Die Änderung der Impedanz wirkt sich entsprechend der nachfolgenden Gleichung (3) auf die Spannung aus: V = IZCAP Gleichung (3)wobei Z_CAP die Impedanz des Kondensators (beispielsweise der Einrichtung 400) ist. Die Änderung der Spannung über die Einrichtung 400 zeigt somit eine Änderung der Impedanz an, die wiederum eine Änderung der Kapazität anzeigt. Die Größe der Änderung der Kapazität steht in Bezug zur Verformung, die zur WOB in Bezug steht.
Eine Einrichtung 400 kann in einer MWD-Schwerstange, beispielsweise der Schwerstange 106 aus 2, in einer BHA, beispielsweise der BHA 200 der 2, angeordnet sein. Die Einrichtung 400 kann auch in einer separaten Schwerstange, beispielsweise der Schwerstange 107 der 1 und 2, angeordnet sein. Die genaue Anordnung des Sensors in einer Bohreinrichtung ist unerheblich.
Ein anderer Begriff, der verwendet wird, um Messungen zu beschreiben, die während eines Bohrvorgangs durchgeführt werden, ist die Datenerfassung während des Bohrens ("logging-while-drilling", LWD). Bekanntermaßen betrifft die LWD üblicherweise Messungen betreffend die Eigenschaften der Formation und der Flüssigkeiten in der Formation. Dem gegenüber betrifft MWD üblicherweise Messungen, die die Bohrspitze betreffen, beispielsweise die Temperatur und der Druck im Bohrloch, WOB, TOB und der Weg der Bohrspitze. Da wenigstens eine Ausführungsform der Erfindung die Messung von Kräften auf eine Bohrspitze betreffen, wird hier der Begriff "MWD" verwendet. Allerdings wird angemerkt, daß dies nur beispielhaft geschieht und die Verwendung von MWD nicht die Verwen dung von Ausführungsformen der Erfindung mit LWD-Bohrwerkzeugen ausschließt.
Die Kapazität ist ein Beispiel einer Technik im Zusammenhang mit der Einrichtung zur Messung im Bohrloch. Andere Einrichtungen zum kontaktlosen Messen eines Ersatzes können anstelle der Kapazität verwendet werden, beispielsweise lineare veränderliche Differentialtransformatoren, Impedanz, veränderliche Reluktanzen, Wirbelströme oder induktive Sensoren. Derartige Techniken können unter Verwendung zweier Spulen in einem Gehäuse implementiert sein, um Meß- und Kompensationselemente zu bilden. Wenn die Oberfläche eines Meßwandlers in die Nähe eines eisenhaltigen oder stark leitfähigen Materials gebracht wird, ändert sich der Widerstand der Meßspule, während die Kompensationsspule als Referenz wirkt. Die Spulen werden durch eine hochfrequente Sinuswellen-Anregung betrieben und ihre differentielle Reluktanz wird unter Verwendung eines empfindlichen Demodulators gemessen. Das Bilden der Differenz zwischen den Ausgängen der beiden Spulen stellt ein empfindliches Maß für das Positionssignal bereit, während Variationen, die durch die Temperatur hervorgerufen werden, einander auslöschen. Eisenhaltige Ziele verändern die Reluktanz der Meßspule, indem die Permeabilität des magnetischen Schaltkreises verändert wird; leitende Ziele (beispielsweise Aluminium) arbeiten mittels der Wechselwirkung von Wirbelströmen, die in die "Hautschicht" des Ziels induziert wird, mit dem Feld um die Meßspule. Eine beispielhafte Erklärung von Formeln und Theorien, die diese Technik betreffen, ist unter der folgenden Internetadresse verfügbar.
http://web.ask.com/redir?bpg=http%3a%2f%2fweb.ask.com%2fweb%3fq%3deddy%2bcurrent%2bdisplacement%2bmeasurement%26o%3d0%26page%3d1&q=eddy+current+displacement+measurement&u=http%3a%2f%2ftm.wc.ask.com2fr%3ft%3dan%26s%3da%26uid%3d071D59039D9B069F3%26sid%3d16C2569912E850AF3%26gid%3d2AE57B684BFE7F46ABCD174420281ABA%26io%3d826sv%3dza5cb0d89%26ask%3deddy%2bcurrent%2bdisplacement%2bmeasurement%26uip%3dd8886712%26en%3dte%26eo%3d-100%26pt%3dSensors%2b%2bSeptember%2b1998%2b %2bDesigning%2band%2bBuilding%2ban%2bEddy%2bCurrent%26ac%3d24%26qs%3d1%26pg%3d1%26ep%3d1%26te_par%3d204%26u%3dhttp%3a%2f%2fwww.sensorsmag.com%2farticles%2f0998%2fedd0998%2fmain.shtml&s=a&bu=http%3a%2f%2fwww.sensorsmag.com%2farticles%2f0998%2fedd0998%2fmain.shtml
Diese Internetseite beschreibt einen auf Wirbelströmen basierenden Sensor und seine Verwendung für eine kontaktlose Positions- und Auslenkungsmessung. Ein Wirbelstrom-Sensor kann basierend auf dem Prinzip der magnetischen Induktion die Position eines metallischen Ziels selbst durch zwischenliegende nichtmetallische Materialien, wie etwa Plastik, Flüssigkeiten und Schmutz, bestimmen. Wirbelstrom-Sensoren sind unempfindlich und können über weite Temperaturbereiche in verschmutzten Umgebungen arbeiten.
Ein Auslenkungssensor auf Basis von Wirbelströmen umfaßt normalerweise vier Komponenten: (1) eine Sensorspule, (2) ein Ziel, (3) Steuerelektronik und (4) eine Signalverarbeitungseinrichtung. Wenn die Sensorspule von einem Wechselstrom gespeist wird, erzeugt sie ein oszillierendes Magnetfeld, das Wirbelströme in jedem in der Nähe befindlichen metallischen Objekt, insbesondere dem Ziel, induziert. Die Wirbelströme fließen in einer Richtung, die derjenigen der Spule entgegengesetzt ist, wodurch der Magnetfluß in der Spule und damit ihre Induktivität verringert werden. Die Wirbelströme dissipieren ferner Energie, wodurch der Widerstand der Spule erhöht wird. Diese elektrischen Prinzipien können verwendet werden, um die Auslenkung des Ziels relativ zur Spule zu bestimmen.
Ein Beispiel der Theorie betreffend LVDT-Sensoren und ihren Betrieb ist unter der folgenden Internetseite verfügbar:
httpa/www.macrosensors.com/primerframe.htm
In den relevanten Abschnitten beschreibt die Internetseite, daß ein linear veränderlicher Differentialtransformator ("linear variable differential transformer", LVDT) ein elektromechanischer Meßwandler ist, der eine geradlinige Bewegung in ein elektrisches Signal umsetzen kann. Abhängig von der Ausgestaltung kann ein LVDT auf Bewegungen reagieren, die nur wenige Millionstel eines Millimeters groß sind.
Ein typischer LVDT umfaßt eine Spulenanordnung und eine Kern anordnung. Die Spulenanordnung besteht aus einer Primärwindung in der Mitte der Spulenanordnung und zwei Sekundärwindungen auf jeder Seite der Primärwindung. Typischerweise werden die Windungen auf thermisch stabilem Glas gebildet und in einem Schild mit hoher magnetischer Permeabilität eingebettet. Die Spulenanordnung ist üblicherweise der stationäre Abschnitt eines LVDT.
Der bewegliche Abschnitt eines LVDT ist die Kernanordnung, die üblicherweise ein zylindrisches Element ist, das in der Spulenanordnung unter Belassung eines radialen Spiels beweglich ist. Die Kernanordnung ist üblicherweise aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität gebildet.
Im Betrieb wird die Primärwindung mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt, der als Primäranregung bekannt ist. Der elektrische Ausgang des LVDT ist eine Differenzspannung zwischen den beiden Sekundärwindungen, die sich abhängig von der axialen Position der Kernanordnung in der Spulenanordnung ändert.
Die Primärwindung wird durch eine Wechselstromquelle konstanter Amplitude mit Energie versorgt. Der entstehende magnetische Fluß ist durch den Kern an die Sekundärwindungen gekoppelt. Wenn der Kern näher an die erste Sekundärwindung heranbewegt wird, steigt die in der ersten Sekundärwindung induzierte Spannung, während die in der anderen Sekundärwindung induzierte Spannung sinkt. Dies führt zu einer Differenzspannung.
5A und 5C illustrieren eine Anwendung auf Basis der Kapazität für eine Meßvorrichtung vom TOB-Typ. 5A bis 5C zeigen eine alternative Ausführungsform einer kapazitiven Einrichtung 500. Diese Einrichtung 500 gleicht der Einrichtung 400 mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 500 leitende Platten 504 und ein Dielektrikum 506 in einer anderen Konfiguration aufweist, die Drehkräften-TOB ausgesetzt ist. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 502 und die TOB-Kraft wird durch die Achse der Schwerstange übertragen.
In der in 5A bis 5C dargestellten kapazitiven Einrichtung 500 sind die Platten 504 entlang der Innenfläche der Schwerstange 502 auf einem Träger oder einer Montierung, die nicht dargestellt sind, befestigt. Jede Platte 504 ist an einer anderen radialen Position befestigt. Die Platten 504 erstrecken sich radial einwärts in Richtung auf die Mitte der Schwerstange 502. Die Platten 504 sind so angeordnet, daß, wenn das Werkzeug sich dreht, sich die Platten 504 entlang der Achse der Schwerstange bewegen. Mit anderen Worten vergrößert bzw. verkleinert sich der Abstand L₅ zwischen den Platten 504 infolge der auftretenden TOB-Kräfte, wenn sich das Werkzeug dreht. 5B ist ein Schnitt entlang der Linie 5B-5B der 5A. 5B zeigt den Abstand L₅ zwischen den Platten 504 in ihrer Ausgangsposition. 5C zeigt den Abstand L'₅ zwischen den Platten 504, nachdem die Drehkraft TOB angewandt worden ist. In diesem Fall ist L'₅ größer als L₅.
6A und 6B zeigen die Anwendung auf Basis der Kapazität für eine Meßeinrichtung vom Biegetyp. 6A und 6B zeigen eine alternative Ausführungsform einer kapazitiven Einrichtung 600. Diese Einrichtung 600 gleicht der Einrichtung 400 mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 600 Platten 604 und ein Dielektrikum 606 in einer Ausführungsform umfaßt, die auf eine axiale Biegung reagieren. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 602, und die Biegung wird als ein Moment entlang der Achse der Schwerstange 602 übertragen.
In der in 6A dargestellten kapazitiven Einrichtung 400 sind die Platten 604 an der Innenfläche der Schwerstange 602 unter einem Abstand L₆ entlang der Mittelachse der Schwerstange 602 voneinander beabstandet befestigt. Die Platten 604 sind senkrecht zur Achse der Schwerstange 602 derart angeordnet, daß die Platten 604 sich dann, wenn sich das Werkzeug biegt, wie in 6B dargestellt bewegen. Wenn sich das Werkzeug biegt, verlängert bzw. verkürzt sich der Abstand L₆ zwischen den Platten 604 in Reaktion auf die auftretenden Biegekräfte. 6B zeigt die Einrichtung 600 und die sich ergebende Entfernung L'₆ zwischen den Platten 604, nachdem die Biegekraft angewendet worden ist.
Wenigstens eine der vorstehend beschriebenen Einrichtungen ist entlang der Achse einer Schwerstange angeordnet. An dieser Stelle reagieren die Einrichtungen auf Verformungen, die vom WOB stammen. In einigen Fällen können sie den zusätzlichen Vorteil aufweisen, nicht auf Biegungen anzusprechen. Mit der Einrichtung aus 4A besteht der Effekt der WOB darin, alle Teile der Platten 404 näher aneinander heranzuführen. Wenn die Schwerstange 402 gebogen wird, besteht der Effekt darin, die Platten 404 an einer Hälfte der Einrichtung 400 näher aneinander heranzuführen, während sie an der anderen Hälfte der Einrichtung 400 weiter voneinander beabstandet sind. Dieser Effekt löscht den Effekt infolge des Biegens aus, so daß die Einrichtung 400 im wesentlichen unempfindlich auf Verbiegen reagiert.
Die vorstehend beschriebenen 6A und 6B zeigen eine Einrichtung 600, die beabstandet von der Achse der Schwerstange 602 angeordnet ist. Stattdessen ist die Einrichtung 600 an einer Stelle angeordnet, die es ihr erlaubt, die Biegung eines Bohrstrangs zu erfassen.
6C zeigt einen Schnitt durch eine andere Schwerstange 602a. Die Schwerstange 602a ist die gleiche wie in 6A und 6B mit dem Unterschied, daß die Schwerstange 602a drei Schwerstangensysteme 610, 620, 630 umfaßt. Jedes Schwerstangensystem 610, 620, 630 in 6C ist in einer Rippe 603a, 603b, 603c der Schwerstange 602a angeordnet und in der Lage, im Bohrloch auftretende Belastungen zu erfassen. Ein Mittelabschnitt oder eine Nabe 607 der Schwerstange 602a kann weitere Sensoren oder weitere Einrichtungen aufnehmen. Wenn die Schwerstange 602a einer zusammendrückenden Verformung ausgesetzt ist, beispielsweise infolge WOB, weisen die Einrichtungen 610, 620, 630 jeweils eine ähnliche Änderung ihrer Kapazität auf. Wenn die Schwerstange 602a sich jedoch biegt, weist wenigstens eine der Einrichtungen 610, 620, 630 eine Erhöhung des Abstands zwischen den Platten und damit eine Verringerung der Kapazität auf und zumindest eine der Einrichtungen 610, 620, 630 weist eine Verringerung des Abstands zwischen den Platten und damit eine Erhöhung der Kapazität auf. Abhängig von der Richtung der Biegung weist die dritte Einrichtung entweder eine Stauchung oder eine Dehnung infolge der Biegung auf. Unter Verwendung aller drei Einrichtungen 610, 620, 630 in einer Schwerstange 602a ist die gleichzeitige Bestimmung sowohl von WOB als auch einer Biegung möglich.
7A bis 7D zeigen die Anwendung der Kapazität für eine Meßeinrichtung für einen anderen Biegetyp. 7A und 7B zeigen eine alternative Ausfüh rungsform einer kapazitiven Einrichtung 700. Diese Einrichtung 700 gleicht der Einrichtung 600 mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 700 leitende Platten 704 und ein Dielektrikum 706 in einer alternativen Konfiguration für radiale Biegekräfte aufweist. Zudem ist eine Plattform 710 in der Schwerstange angeordnet, um die Platten 704 zu unterstützen. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 702 und die Biegung wird als ein Moment entlang der Achse der Schwerstange übertragen.
In der in 7A dargestellten Einrichtung 700 sind die Platten 704 an der Plattform 710 befestigt, die im Durchgang 708 angeordnet ist. Die Plattform 710 weist einen Basisabschnitt 716, der an der Innenfläche 712 der Schwerstange 702 befestigt ist, sowie einen Wellenabschnitt 714 auf, der sich vom Basisabschnitt 716 entlang der Mittelachse der Schwerstange 702 erstreckt. Eine der Platten 704 ist am Wellenabschnitt 714 angeordnet, während eine andere Platte 704 an der Innenfläche 712 in einem Abstand L₇ zur ersten Platte 704 angeordnet ist. Die Platten 704 sind parallel zur Achse der Schwerstange derart angeordnet, daß, wenn sich das Werkzeug biegt, die Platten 704 in Reaktion darauf wie in 7B dargestellt sich bewegen. Mit anderen Worten verlängert bzw. verkürzt sich der Abstand L₇ zwischen den Platten 704, wenn sich das Werkzeug biegt, in Reaktion auf die anliegenden Biegekräfte. Wie in 7B dargestellt, verschiebt eine Biegekraft, die auf die Schwerstange 702 wirkt, die Position der Schwerstange 702 und der Plattform 710 zusammen mit den entsprechenden Platten 704, die daran befestigt sind. Der Abstand L'₇ resultiert aus der Bewegung der Einrichtung 700.
7C und 7D zeigen eine weitere Ausführungsform einer kapazitiven Einrichtung 700a. Diese Einrichtung 700a gleicht der Einrichtung 700' mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 700a leitende Platten 704a und ein Dielektrikum 706a in einer anderen Konfiguration aufweist, die auf radiale Biegung reagiert. Zudem sind in der Schwerstange eine Plattform 710a und ein Träger 720a vorgesehen, um die Platten 704a zu unterstützen. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 702a.
In der in 7C dargestellten kapazitiven Einrichtung 700a sind die Platten 704 an der Plattform 710a, die im Durchgang 708a angeordnet ist, befestigt. Die Plattform 710a weist einen Basisabschnitt 716a, der an der Innenfläche 712a der Schwerstange befestigt ist, sowie einen Wellenabschnitt 710a auf, der sich von dem Basisabschnitt 716a entlang der Mittelachse der Schwerstange erstreckt. Eine der Platten 704a ist am Wellenabschnitt 710a befestigt, während eine andere Platte am Basisabschnitt 720a befestigt ist, der an der Innenfläche 712a um einen Abstand L_7A von der ersten Platte beabstandet angeordnet ist, die eine zwischen beiden Platten projizierte Fläche A_7A aufweist. Die Platten 704a sind senkrecht zur Achse der Schwerstange derart angeordnet, daß, wenn sich das Werkzeug biegt, sich die Platten 704a parallel zueinander in Reaktion darauf wie in 7D gezeigt bewegen. Mit anderen Worten vergrößert und verringert sich der Abstand L_7A zwischen den Platten 704 in Reaktion auf die radiale Biegung, die anliegt, wenn sich das Werkzeug biegt. Zudem verändert die parallele Bewegung der Platten die Fläche zwischen den Platten auf A'_7A. Wie in 7D dargestellt, verschiebt eine auf die Schwerstange 702a angewandte Biegung die Position der Schwerstange 702a und der Plattform zusammen mit den entsprechenden Platten, die daran befestigt sind. Der Abstand L'_7A und die Fläche A'_7A resultieren aus der Bewegung der Einrichtung.
In 8A und 8B ist eine Ausführungsform einer kapazitiven Einrichtung mit leitenden Platten dargestellt, die parallel zueinander und parallel zur Achse der Belastung angeordnet sind. Die Verformung wird durch die sich ändernde Fläche in Projektion zwischen den beiden Platten dargestellt, während sie sich relativ zueinander bewegen. Diese Figuren zeigen eine Anwendung auf Kapazitätsbasis für eine Meßeinrichtung vom WOB-Typ. 8A und 8B zeigen alternative Ausführungsformen einer kapazitiven Einrichtung 800. Diese Einrichtung 800 gleicht der Einrichtung 400 mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 800 leitende Platten 804 und ein Dielektrikum 806 in einer anderen Konfiguration aufweist. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 802 und die WOB-Kraft wird durch die Achse der Schwerstange übertragen.
In der kapazitiven Einrichtung der 8A sind die Platten 804 auf einer Plattform 810 befestigt, die in einem Durchgang 808 angeordnet ist, der durch die Innenfläche 812 der Schwerstange 802 gebildet wird. Die Plattform 802 trägt die Platten 804 mit einer Fläche A₈ dazwischen. Die Platten 804 sind derart angeordnet, daß, wenn an dem Werkzeug eine WOB-Kraft wirkt, sich die Platten 804 in Reaktion darauf entlang der Achse der Schwerstange verformen. Mit anderen Worten ändert sich die Fläche A₈ zwischen den Platten 804 in Reaktion auf anliegende WOB-Kräfte, wenn das Werkzeug zusammengedrückt (gestaucht) oder auseinandergezogen (gedehnt) wird. Die Verformung wird durch die leitenden Platten 804 eingefangen, die sich proportional zur Verformung des Lagerelements für die Belastung verformen. Die Platten werden dann, wie in 8B gezeigt, entsprechend der Verformung des Lagerelements für die Belastung verformt, wodurch eine veränderte Fläche A'₈ entsteht.
In 9A bis 10B ist eine Ausführungsform einer kapazitiven Einrichtung mit leitenden Platten dargestellt, die parallel zueinander angeordnet und relativ zueinander in einander entgegengesetzten Richtungen sich bewegen. Die Verformung wird durch die sich ändernde Projektionsfläche zwischen den beiden Platten dargestellt, während sie sich aneinander vorbei bewegen. 9A und 9B zeigen diese Anwendung für eine Meßvorrichtung vom TOB-Typ. 9 zeigt eine alternative Ausführungsform einer kapazitiven Einrichtung 900. Diese kapazitive Einrichtung 900 gleicht der kapazitiven Einrichtung 400 mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 900 leitende Platten 904 und ein Dielektrikum 906 in einer anderen Konfiguration aufweist. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 902 und die TOB-Kraft wird durch die Achse der Schwerstange übertragen.
Bei der in 9A und 9B dargestellten kapazitiven Einrichtung 900 ist eine Plattform 910 in einem Durchgang 908 angeordnet, der durch die Innenfläche 912 der Schwerstange 902 gebildet wird. Die Plattform 910 ist an der Innenfläche 912 befestigt und erstreckt sich durch den Durchgang 908 der Schwerstange 902. Eine erste Platte ist an der Plattform 910 angeordnet und die zweite Platte ist benachbart zur ersten Platte an der Innenfläche 912 der Schwerstange 902 angeordnet. Die Platten 904 sind vorzugsweise parallel mit einer Fläche A9 dazwischen angeordnet. Die Platten 904 sind derart angeordnet, daß, wenn eine TOB-Kraft auf das Werkzeug wirkt, die Schwerstange 902 sich radial verformt und die Platten relativ zur Verformung in Reaktion darauf sich bewegen. Mit anderen Worten drehen sich die Platten 904 relativ zueinander um die Achse der Schwerstange in Reaktion auf auftretende TOB-Kräfte, wenn Kräfte auf die Schwerstange 902 wirken. Die Verformung der Schwerstange 902 wird dann durch die Änderung der Überlappung der projizierten Fläche des Sensors eingefangen. Die überlappende Fläche ändert sich in Reaktion auf die Verformung der Schwerstange. 9A zeigt die Stellung der Platten und der Fläche A₉ zwischen den Platten 904, bevor die TOB-Kraft angelegt wird. 9B zeigt die Stellung der Platten und der Fläche A'₉ zwischen den Platten 904, bevor die TOB-Kraft angelegt wird.
10A und 10B zeigen die Anwendung der Kapazität für eine Meßvorrichtung vom Biegetyp. 10 zeigt eine alternative Ausführungsform der kapazitiven Einrichtung 1000. Diese Einrichtung 1000 gleicht der Einrichtung 400 mit dem Unterschied, daß die Einrichtung 1000 leitende Platten 1004 und ein Dielektrikum 1006 in einer anderen Konfiguration aufweist. In dieser Ausführungsform ist das Lagerelement für die Belastung die Schwerstange 1002 und die Biegung wird als Moment entlang der Achse der Schwerstange übertragen.
In der in 10A und 10B dargestellten kapazitiven Einrichtung 1000 sind die Platten 1004 auf einer Plattform 1010 befestigt, die in einem Durchgang 1008 angeordnet ist, der durch die Innenfläche 1012 der Schwerstange 1002 gebildet ist. Die Plattform 1010 trägt die Platten 1004 mit einer Fläche A₁₀ dazwischen. Die Platten 1004 sind derart angeordnet, daß, wenn eine Biegung auf das Werkzeug wirkt, die Platten 1004 sich radial zur Achse der Schwerstange in Reaktion darauf verformen. Mit anderen Worten drehen sich die Platten 1004 relativ zueinander um das Biegemoment, wenn das Werkzeug gebogen wird, und die Fläche A₁₀ ändert sich in Reaktion auf die anliegenden Biegekräfte. Die Verformung der Schwerstange 1002 wird dann durch die Änderung der überlappenden projizierten Fläche des Sensors eingefangen. Die überlappende Fläche ändert sich in Reaktion auf die Verformung der Schwerstange 1002.
Die kapazitive Einrichtung ist, wie in 4A bis 10B gezeigt, in einer einzigen Schwerstange enthalten. Jedoch kann die Einrichtung auch an anderen Stellen im Bohrwerkzeug oder über mehrere Schwerstangen verteilt angeordnet sein. Zudem können in einer einzigen Schwerstange mehrere Einrichtungen vorgesehen und/oder angeordnet sein, um Messungen für mehr als einen Krafttyp bereitzustellen. Andere Sensoren können mit einer Einrichtung oder mehreren Einrichtungen kombiniert werden, um Messungen bereitzustellen, die beispielsweise umfassen: Druck, Temperatur, Dichte, Meßdruck, Differentialdruck, Quererschütterung, Rollerschütterung, Vibration, Wirbel, umgekehrte Wirbel, Rutschen, Sprünge, Beschleunigung, Tiefe und so weiter. Sender, Computer oder andere Vorrichtungen können mit den Sensoren verbunden sein, um eine Mitteilung der Messungen an die Oberfläche, vorzugsweise bei hohen Datenraten, eine Auswertung, eine Komprimierung oder andere Verarbeitungen bereitzustellen, um Daten zu erzeugen und eine Reaktion darauf zu ermöglichen.
DEHNUNGSMESSER
11A bis 12B zeigen verschiedene Einrichtungen auf Basis von Dehnungsmessern, die in einem Bohrwerkzeug verwendbar sind. Jede dieser Ausführungsformen umfaßt eine Schwerstange, die mit einem Bohrstrang verbindbar ist, beispielsweise dem Bohrstrang der 1 und 2, zum Messen von Kräften im Bohrloch, wie etwa WOB-, TOB- und Biege-Kräften, die auf ein Bohrwerkzeug wirken.
11A bis 11D zeigen eine Dehnungsmesser-Einrichtung 1100 mit einer Schwerstange 1102, die einen helixförmigen Ausschnitt oder eine helixförmige Lücke 1106 aufweist, sowie einem Dehnungsmesser 1104. Die Schwerstange 1102 kann mit nicht dargestellten, mit Gewinden ausgestatteten Enden versehen sein, damit sie operativ mit einem Bohrstrang, beispielsweise dem Bohrstrang der 1 und 2, verbindbar ist.
Der helixförmige Ausschnitt 1106 in der Schwerstange wird verwendet, um die auf die Schwerstange wirkenden Kräfte zu verstärken und/oder den Effekt des hydrostatischen Drucks auf die Meßwerte zu verringern. Die axiale Kraft, die infolge des WOB in der Schwerstange vorhanden ist, kann in ein Torsionsmoment umgesetzt werden. Die infolge des Torsionsmoments auftretende Scherdehnung kann gemessen werden und ist eine lineare Funktion des Gewichts, das in Richtung der Achse der Schwerstange angelegt wird.
Der Ausschnitt 1106 erstreckt sich vorzugsweise um einen mittleren Abschnitt der Schwerstange, um die Schwerstange teilweise in einen oberen Abschnitt 1108, einen unteren Abschnitt 1110 und einen mittleren Abschnitt 1111 dazwischen zu teilen. Der Ausschnitt 1106 erstreckt sich durch die Wand der Schwerstange, um eine größere Verformung der Schwerstange in Reaktion auf Kräfte zu ermöglichen, wodurch sich eine federähnliche Bewegung ergibt. Vorzugsweise bleibt ein Abschnitt der Schwerstange, wie durch die gestrichelten Linien in 11A angedeutet ist, an Abschnitten 1120 und 1122 verbunden, um die Abschnitte der Schwerstange aneinander zu befestigen. Der Ausschnitt 1106 ist, wie in 11B gezeigt, helixartig um einen mittleren Abschnitt der Schwerstange angeordnet. Weitere Geometrien oder Konfigurationen sind ebenfalls möglich.
Infolge des Ausschnitts 1106 kann die Fähigkeit der Schwerstange, das zum Bohren erforderliche Drehmoment zu übertragen, verringert sein. Um dennoch das erforderliche Drehmoment bereitzustellen, kann eine belastbare Hülse mit dem Bohrstrang verbunden sein. Wie in 11C und 11D dargestellt, ist eine Hülse 1112 vorzugsweise um den Bohrstrang entlang des Ausschnitts 1116 angeordnet. Die Hülse 1112 umfaßt einen Außenabschnitt 1114, einen Innenabschnitt 1116, Gewinderinge 1118 und einen drehmomentübertragenden Schlüssel 1120. Ferner kann eine Sicherungsmutter 1115 vorgesehen sein, um die Hülse an der Schwerstange zu sichern. Ferner sind Dichtungen 1123 vorgesehen, um einen Flüssigkeitsfluß durch die Hülse zu unterbinden. Die Hülse 1116 ist vorzugsweise an der Innenseite der Schwerstange entlang des Ausschnitts 1106 montiert.
Der Außenabschnitt 1114 ist um die Außenfläche der Schwerstange angeordnet, um beim Sichern der Abschnitte der Schwerstange aneinander mitzuwirken. Der Außenabschnitt 1114 überträgt ein Drehmoment, welches an der Schwerstange anliegt, und verringert axiale Kräfte. Der Außenabschnitt 1114 kann zudem verhindern, daß Schlamm durch den Ausschnitt 1106 in die Schwerstange fließt. Der Innenabschnitt 1116 ist entlang der Innenfläche der Schwerstange angeordnet, um die Schwerstange von Bohrschlamm zu isolieren. Der Innenabschnitt 1116 isoliert zudem die Schwerstange gegenüber Temperaturänderungen. Die Gewinderinge 1118 und die Sicherungsmutter 1115 oder ein anderes geeignetes Sicherungselement sind an den Innen- und Außenflächen der Schwerstange benachbart zu den Abschnitten der Hülse angeordnet, um die Hülse um die Schwerstange herum zu sichern.
Um die Außenfläche der Schwerstange benachbart zum Außenabschnitt sind vorzugsweise drehmomentübertragende Schlüssel 1120 angeordnet. Ein erster Schlüssel 1120 überträgt ein Drehmoment vom oberen Abschnitt der Schwerstange zur Hülse. Ein zweiter Schlüssel überträgt das Drehmoment von der Hülse zur unteren Schwerstange. Die Schlüssel ermöglichen vorzugsweise eine axiale Bewegung und/oder trennen den internen und den externen Schlammfluß.
Ein Dehnungsmesser 1104, wie beispielsweise ein Metallfolien-Dehnungsmesser, ist vorzugsweise bei 45 Grad relativ zur Schwerstangenachse angeordnet, um Scherdehnungen zu messen, die eine Funktion der WOB-, TOB- und Biege-Kräfte sind, die gemessen werden sollen.
12A und 12B zeigen eine weitere Dehnungsmeß-Einrichtung 1200 mit einer Schwerstange 1202, einem mittleren Element 1208 und einer Belastungshülse 1203. In dieser Ausführungsform werden die Kräfte, die normalerweise während der Bohrarbeiten an die Schwerstange angelegt werden, an das mittlere Element 1208 angelegt. Das mittlere Element 1208 ist mit einem ersten Abschnitt 1214 und einem zweiten Abschnitt 1216 der Schwerstange verbunden. Das mittlere Element 1208 weist vorzugsweise einen Querschnitt auf, der kleiner ist als die Schwerstange, um die Verformungen zu verstärken, die auftreten, wenn eine Kraft an die Schwerstange und/oder das mittlere Element angelegt wird.
Das mittlere Element 1208 umfaßt eine Außenhülle 1206, eine Innenhülle 1204, Dichtungen 1212, ein Sicherungselement hier in Form einer Sicherungsmutter 1219 und Dehnungsmesser 1211. Das mittlere Element 1208 ist zwischen einem ersten Abschnitt 1214 und einem zweiten Abschnitt 1216 der Schwerstange 1202 befestigt. Die Verbindung ist vorzugsweise unlöslich, so daß der erste Abschnitt 1214, das mittlere Element 1208 und der zweite Abschnitt 1216 eine einzelne Komponente bilden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Abschnitt der Schwerstange zusammen mit dem mittleren Element in einem Stück herzustellen und den zweiten Abschnitt der Schwerstange mit einer nicht dargestellten Verriegelungsnut daran anzuschließen. Obwohl die Belastungshülse und ihre Komponenten als separate Komponenten dargestellt sind, können die Komponenten auch einstückig ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist ein Durchgang 1218 im mittleren Element vorgesehen, um zu ermöglichen, daß Flüssigkeit in der Schwerstange in den Bereich benachbart zu den Dehnungsmessern fließen kann. Dieser Flüssigkeitsfluß verformt den Abschnitt des mittleren Elements, der die Dehnungsmesser trägt, derart, daß eine Verformung infolge hydrostatischen Drucks im wesentlichen eliminiert wird. Der Durchgang kann eine beliebige Geometrie aufweisen und die Fläche, auf der die Dehnungsmesser angeordnet werden, kann ebenfalls eine beliebige Geometrie aufweisen, so daß die Verformung der Fläche infolge hydrostatischen Drucks im wesentlichen null ist.
Die Belastungshülse ist am oberen Abschnitt der Schwerstange befestigt und in Bezug auf den unteren Abschnitt der Schwerstange verschiebbar und/oder drehbar beweglich. Dichtungen 1220 sind zwischen den Abschnitten der Schwerstange und der Belastungshülse vorgesehen.
Die Funktion der Schwerstange ist in eine Belastungs-Aufnahmefunktion und einer Druck- und/oder Schlamm-Trennfunktion einteilbar. Die Belastungsfunktion wird durch das mittlere Element 1208 verwirklicht. Die Druck- und/oder Schlamm-Trennfunktion wird durch die Druckhülse 1203 verwirklicht.
Das mittlere Element ist zwischen den Abschnitten der Schwerstange fest befestigt. Das mittlere Element überträgt die axialen und Drehmoment-Belastungen, die auf die Schwerstange einwirken. Die Druckhülse absorbiert einen inneren und einen äußeren Druck, der auf die Schwerstange wirkt, und dichtet beide Abschnitte der Schwerstange ab. Diese Hülse trägt vorzugsweise nicht zur Steifheit der Anordnung gegenüber einem Verbiegen bei.
Die Verformungen der Schwerstange infolge hydrostatischen Drucks werden durch den Durchgang 1218 verringert. Der Bereich für die Dehnungsmesser ist so ausgestaltet, daß Zugdehnungen infolge hydrostatischen Drucks im Durchgang 1218 den zusammendrückenden (stauchenden) und den Umfangsdehnungen überlagert sind, die durch das Vorhandensein hydrostatischen Drucks am Außendurchmesser des mittleren Elements sowie die Kopfflächen des mittleren Elements hervorgerufen werden. Beispielsweise kann unter den Dehnungsmessern eine gewölbeartige Verformung realisiert werden.
Die Auswirkungen von Temperaturgradienten auf die Schwerstange und die Auswirkung einer stationären Temperaturänderung von einer dehnungsfreien Referenztemperatur der Schwerstange können ebenfalls verringert und/oder es kann eine Wärmeübertragung zum mittleren Element verhindert werden. Während das mittlere Element selbst eine Verformung infolge einer Temperaturänderung erfährt, kann eine Wheatstone-Brücke auf dem mittleren Element angebracht werden, um das Ausgangssignal des Sensors infolge der Temperaturänderung zu reduzieren. Die Verformung des mittleren Elements infolge einer Biegung um die Achsen der Schwerstange sind wegen der Tatsache, daß der Radius des Meßelements im Vergleich zum Radius der Schwerstange klein ist, gering.
12C und 12D zeigen eine weitere Ausführungsform einer Dehnmesser-Einrichtung 1200a. Die Einrichtung umfaßt eine Schwerstange 1202a mit einem Durchgang 1276 sowie eine Belastungszellen-Einrichtung 1278, die im Durchgang 1276 angeordnet ist. Flußabschnitte 1279 sind zwischen der Belastungszellen-Einrichtung und der Schwerstange vorgesehen, um einen Fluß von Schlamm zu ermöglichen. Die Durchgänge und/oder Flußabschnitte können verschiedene Geometrien aufweisen, insbesondere rund oder unregelmäßig sein.
Die Belastungszellen-Einrichtung 1278 umfaßt ein Belastungszellen-Gehäuse 1284, das im Durchgang 1276 unterstützt wird, eine Belastungszelle 1280, einen Kolben 1281 und eine Sicherungsmutter 1282. Das Gehäuse 1284 weist einen ersten Hohlraum 1286 auf, in dem die Belastungszelle 1280 angeordnet ist, sowie einen zweiten Hohlraum 1288, in dem der Kolben untergebracht ist. Der Kolben 1281 bewegt sich durch den zweiten Hohlraum 1288, um einen hydrostatischen Druck vom ersten Hohlraum 1286 mit der Belastungszelle zu übertragen. Die Belastungszelle 1280 besteht vorzugsweise aus einer Schwächung einer Dehnungsmeßfläche 1290, zwei starken Flächen 1292 und einem mittleren zylindrischen Hohlraum 1294.
Die Sicherungsmutter 1282 hält die Belastungszelle 1280 während der Arbeiten fest und verbindet die Belastungszelle 1280 fest mit der Schwerstange derart, daß die axialen, umfänglichen und radialen Verformungen sowie die Verformungen infolge eines Drehmoments auf der Schwerstange auf die Belastungszelle übertragen werden. Die Sicherungsmutter 1282 kann einen kreisförmigen zylindrischen Hohlraum 1296 aufweisen, um die Steifheit der Sicherungsmutter 1282 in Richtung der Achse der Schwerstange zu verändern.
Die Geometrie der Sicherungsmutter 1282 und der Belastungszelle 1280 sind vorzugsweise so gewählt, daß die Verformung der Schwerstange über die gesamte Länge der Anordnung im schwächeren Bereich 1290 der Sicherungsmutter 1282 konzentriert und somit von den Dehnungsmessern erfaßt wird. Zudem ist die Geometrie des zylindrischen Hohlraums 1296 in der Belastungszelle 1280 so gewählt, daß die infolge einer hydrostatischen Druckbelastung auf der Schwerstange von der Belastungszelle erfahrenen Dehnungen ausgeglichen und somit durch die Dehnungen ausgelöscht sind, die von der Belastungszelle infolge einer Druckbelastung auf den zylindrischen Hohlraum erfahren werden.
BOHRTOPF
13 bis 14C zeigen in einem Bohrstrang verwendbare Bohrtopf-Einrichtungen. Jede der dargestellten Ausführungsformen umfaßt einen Bohrtopf, der mit einem Bohrstrang verbindbar ist, beispielsweise dem Bohrstrang der 1 und 2, um Kräfte im Bohrloch, wie etwa WOB-, TOB- und Biege-Kräfte, zu messen, die auf ein Bohrwerkzeug wirken. Bohrtöpfe sind Vorrichtungen, die üblicherweise in Verbindung mit Werkzeugen zum "Herausfischen" eines festsitzenden Rohrs aus einem Bohrloch verwendet werden. Ein Beispiel eines derartigen Bohrtopfs ist in US 5 033 557 beschrieben. Die hier verwendeten Bohrtöpfe sind zum Durchführen verschiedener Messungen im Bohrloch ausge staltet.
Der in 13A bis 13C dargestellte Bohrtopf 1300 umfaßt eine Schwerstange 1302 mit einem oberen Abschnitt 1316 und einem unteren Abschnitt 1318, die verschieblich miteinander verbunden sind. Der Bohrtopf 1300 umfaßt ferner eine Sicherungsmutter 1304, einen drehmomentübertragenden Schlüssel 1306, einen Kolben 1308, Auslenkungssensoren 1310, 1312 und eine Feder 1314. Der Bohrtopf 1300 kann ferner mit einem Chassis und Dichtungen versehen sein.
Die Bewegung des ersten und des zweiten Abschnitts 1316, 1318 des Bohrtopfs 1300 wird durch die Feder 1314 gesteuert, die ein beliebiges elastisches Element sein kann. Die Sicherungsmutter 1304 verhindert, daß sich der Bohrtopf 1300 teilt. Die Auslenkungssensoren 1310, 1312 sind in der Schwerstange 1302 befestigt, um den Abstand zu messen, der zwischen Schwerstangenabschnitten durchfahren wird. Dieser Abstand ist eine Funktion der WOB-Kraft, die auf die Schwerstange wirkt. Der Kolben 1308 ist vorzugsweise vorgesehen, um Druck auszugleichen und eine Auslenkung zwischen den Schwerstangenabschnitten infolge hydrostatischen Drucks zu verhindern. Der drehmomentübertragende Schlüssel 1306 ist ebenfalls vorzugsweise vorgesehen, um eine Drehung des entsprechenden Schwerstangenabschnitts an die Bohrspitze zu übertragen.
Die Abschnitte 1316, 1318 der Schwerstange 1302 sind zum Übertragen eines Drehmoments (mittels des Schlüssels 1306) miteinander verbunden. Zwischen den Abschnitten 1316, 1318 ist ein elastisches Element, wie beispielsweise die Feder 1314, oder ein Festkörper mit einer im Vergleich zu Stahl erheblich höheren Elastizität eingefügt. Der Ort, an dem das elastische Element angeordnet ist, liegt vorzugsweise auf hydrostatischem Druck. Wenn die Schwerstange 1302 zusammengedrückt wird, verformt sich das elastische Element, wenn die Abschnitte 1316, 1318 aufeinander zu bewegt werden. Der Abstand wird gemessen.
Verformungen der Schwerstange 1302, die von Faktoren mit Ausnahme des Gewichts abhängen, beispielsweise von der Wärmeausdehnung, von Wärmegradienten und Wärmeübergängen, sind im Vergleich zur Verformung des elastischen Elements infolge des Gewichts klein. Deshalb darf die Kompensation hierfür weniger genau sein als für Lösungen, bei denen die Verformung der Schwerstange 1302 selbst gemessen wird, die für WOB eine Größenordnung geringer ist, als für andere Belastungen.
13A bis 14C zeigen eine weitere Ausführungsform des Bohrtopfs 1400 der 13A bis 13C. Der dargestellte Bohrtopf 1400 verwendet eine Flüssigkeitskammer-Konfiguration anstelle der Feder-Konfiguration, die in 13A bis 13C dargestellt ist. Der Bohrtopf 1400 umfaßt eine Schwerstange 1402 mit einem oberen Abschnitt 1416, einem mittleren Abschnitt 1404 und einem unteren Abschnitt 1418. Der Bohrtopf 1400 umfaßt ferner einen drehmomentübertragenden Schlüssel 1406, ein elektronisches Chassis 1408, einen Drucksensor 1410, eine elektronische Leiterplatte 1412 und eine Sicherungsmutter 1405.
Das elektronische Chassis 1408 ist um die Innenfläche der Schwerstange 1402 benachbart zur der Stelle, an der die Abschnitte aufeinandertreffen, angeordnet. Das elektronische Chassis 1408 ist vorzugsweise zum Tragen von Elektronikeinrichtungen zum Messen von Druck vom Sensor vorgesehen. Die Elektronikeinrichtungen können verwendet werden, um gesammelte Daten zur BHA zu übertragen.
Die Abschnitte der Schwerstange sind relativ zueinander verschieblich bewegbar und aneinander über die Sicherungsmutter 1405 gesichert. Die Abschnitte der Schwerstange sind miteinander verbunden, um eine druckabgedichtete zylindrische Kammer 1424 um den Umfang der Schwerstange herum zu bilden. Die Kammer 1424 ist mit hydraulischer Flüssigkeit gefüllt. Der Druck der Flüssigkeit erhöht sich mit steigendem hydrostatischem Druck und steigender axialer Stauchung. Ein nicht dargestellter mechanischer Begrenzer kann verwendet werden, um die Kammer 1424 vor einem zu hohen Druck zu schützen. Der Druck der Flüssigkeit fällt, wenn der hydrostatische Druck fällt und die axialen Zugbelastungen fallen. Ein weiterer, nicht dargestellter mechanischer Begrenzer kann ebenfalls verwendet werden, um zu verhindern, daß die Schwerstangenabschnitte infolge eines zu starken Zugs auseinandergezogen werden.
Zum Messen des Flüssigkeitsdrucks in der Kammer kann ein Drucksensor vorgesehen sein. Der Druck in der Flüssigkeitskammer ist eine Funktion der auf die Schwerstange wirkenden WOB-Kraft. Der Druck und die Temperatur der Flüssigkeit werden überwacht und im Verhältnis zur Änderung des Volumens der Kammer 1424 eingestellt. Diese Änderung des Volumens ist eine Funktion der auf die Schwerstange wirkenden axialen Kraft. Der Schlammdruck kann ebenfalls gemessen und zum Kompensieren der Messung der axialen Verformung verwendet werden. Diese Messungen können verwendet werden, um ferner die Kräfte im Bohrloch zu definieren und zu analysieren.
15 zeigt ein Flußdiagramm mit optionalen Schritten zur Verwendung beim Aufnehmen von Meßwerten. Kräfte im Bohrloch können bestimmt werden, sobald sich der Bohrstrang und das Bohnwerkzeug im Bohrloch befinden. Die auf das Bohrwerkzeug wirkenden Kräfte werden über die Sensoren, beispielsweise einen der in den 4A bis 14C gezeigten, gemessen. Die Messungen können über bekannte Telemetrie-Einrichtungen an die Oberfläche übertragen werden. Die Messungen werden analysiert, um die Kräfte zu bestimmen. Prozessoren oder andere Vorrichtungen können im Bohrloch oder an der Erdoberfläche vorgesehen sein, um die gemessenen Daten zu verarbeiten. Basierend auf den Daten und den daraus erzeugten Informationen können Entscheidungen betreffend die Bohrarbeiten getroffen werden.
Das Verfahren umfaßt das Positionieren eines Bohrstrangs mit einem Bohrwerkzeug in einem Bohrloch, Schritt 1501. Das Verfahren umfaßt als nächsten Schritt das Messen der Kräfte, die auf das Bohrwerkzeug wirken, unter Verwendung von Sensoren, Schritt 1502. Hierbei kann eine elektrische Eigenschaft des Sensors gemessen werden. Die gemessenen Daten stehen in Bezug zu einer Verformung des Bohrwerkzeugs, die wiederum in Bezug steht zu einer Belastung des Bohrwerkzeugs.
Das Verfahren kann anschließend verschiedene alternative Schritte umfassen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Meßwerte auszuwerten, um die Wirkung der Kräfte auf das Bohrwerkzeug oder die Bewegung des Bohrwerkzeugs zu bestimmen, Schritte 1511 und 1503. In einigen Fällen umfaßt das Bestimmen der Kräfte ein Bestimmen der Verformung des Bohrwerkzeugs unter der Belastung. Alternativ hierzu kann die Belastung bestimmt werden, ohne die Verformung des Bohrwerkzeugs zu bestimmen.
Fortfahrend mit den dem Schritt 1502 nachfolgenden alternativen Schritten kann das Verfahren als nächstes das Übertragen der Meßwerte an die Erdoberfläche umfassen, Schritt 1504. Hierzu kann ein beliebiges bekanntes Telemetrieverfahren verwendet werden, beispielsweise die Schlammimpuls-Telemetrie. Schließlich kann vorgesehen sein, Bohrparameter basierend auf Meßwerten der Kräfte, Belastungen und Bewegungen im Bohrloch anzupassen, Schritt 1505.
In einem alternativen Zweig kann das Verfahren das Speichern der Meßwerte oder ausgewerteten Meßwerte in einem Speicher umfassen, Schritt 1521. Dies kann unter Verwendung der Meßwerte, aus Schritt 1502, oder der ausgewerteten Meßwerte, Schritt 1511, erfolgen.
In einem alternativen Verfahren können die Meßwerte zur Erdoberfläche übertragen werden, Schritt 1531, wo sie ausgewertet werden können, um die Kräfte und Belastungen, die auf das Bohrwerkzeug wirken, auszuwerten, Schritt 1532. Die Bohrparameter können dann basierend auf den Messungen der Belastungen im Bohrloch angepaßt werden.
Die vom Bohrwerkzeug durchgeführten Messungen können Beschleunigungsmesser, Magnetometer, Gyroskope und/oder andere Sensoren umfassen. Beispielsweise kann eine Kombination aus einem dreiachsigen Magnetometer, einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser und einem Winkelbeschleunigungsmesser verwendet werden, um die Winkelstellung, die den Azimutwinkel, die Neigung, WOB, TOB, den Außendruck, den Innendruck, die Schlammtemperatur, die Schwerstangentemperatur, eine Übergangstemperatur, den Temperaturgradienten der Schwerstange und so weiter zu messen. Die Messungen erfolgen vorzugsweise mit einer hohen Abtastrate, beispielsweise bei etwa 1 kHz.
16A zeigt eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung 1600, die einen LVDT zum Bestimmen der stauchenden Verformung verwendet. Die Einrichtung 1600 ist in einer Schwerstange 1602 untergebracht und umfaßt eine ringförmige "Spule" 1611 und einen zylindrischen "Kern" 1612. Der Kern 1612 ist in der Spule 1611 beweglich. 16B ist ein Schnitt entlang der Linie 16B-16B in 16A. Der Kern 1612 ist innerhalb der Spule 1611 angeordnet und der Sensor ist entlang der Achse der Schwerstange angeordnet.
Die Spule 1611 ist ein Hohlzylinder mit einer Primärwindung in der Mitte und zwei Sekundärwindungen nahe den Enden des Zylinders. Die Windungen sind nicht dargestellt. Der Kern 1612 kann aus einem magnetisch durchlässigen Material hergestellt und so bemessen sein, daß er axial in der Spule 1611 beweglich ist, ohne daß beide einander berühren. Die Primärwindung wird durch einen Wechselstrom mit Energie versorgt und das Ausgangssignal, eine Differenzspannung zwischen den beiden Sekundärwindungen, steht in Bezug zur Stellung des Kerns 1612 in der Spule 1611. Durch Koppeln der Spule 1611 und des Kerns 1612 an verschiedenen axialen Punkten in der Schwerstange 1602 bewegen sich der Kern 1612 und die Spule 1611 relativ zueinander, wenn die Schwerstange 1602 eine Verformung infolge einer Belastung, wie beispielsweise WOB, erfährt. Die Größe der Bewegung steht in Bezug zur Größe der WOB, die dann bestimmt werden kann.
Die Ausführungsform der 16A und 16B verwendet ein ähnliches Prinzip auf Basis der Induktion, um die Verformung zu bestimmen. Mit einer Wechselstrom-Energiequelle mit konstantem Strom zeigen die Änderungen der gemessenen Differenzspannung eine Änderung der Induktivität des Sensors an. Das Verhältnis zwischen der Impedanz und der Induktivität ist in Gleichung (4) dargestellt: Z = 2πL Gleichung (4)wobei L die Induktivität des Sensors ist. Da die Änderung der Induktivität durch die Bewegung des Kerns 1612 in der Spule 1611 hervorgerufen wird, steht die Änderung der Impedanz in Bezug zur Größe der Verformung und der WOB.
17 zeigt eine alternative Ausführungsform eines LVDT-Bohrsensors 1700. Die dargestellte Einrichtung 1700 ist ähnlich zur Einrichtung 500 der 16A bis 16B mit dem Unterschied, daß die Spule 1711 und der Kern 1712 gewölbt oder gebogen sind, so daß sie relativ zueinander beweglich sind, wenn sich die Schwerstange 1702 einer TOB ausgesetzt sieht. In einigen Ausführungsformen sind die Spule 1711 und der Kern 1712 mit der Schwerstange 1702 an verschiedenen axialen Stellungen gekoppelt, so daß die Verformung der Schwerstange 1702 infolge TOB eine Relativbewegung zwischen der Spule 1711 und dem Kern 1712 hervorruft. Beispielsweise kann ein Träger 1721 mit der Schwerstange 1702 an einer axialen Position gekoppelt sein, die sich von der axialen Position des Trägers 1722 unterscheidet.
18A zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform. Die dargestellte Einrichtung 1800 ist in einer mittleren Kammer, einem Hohlraum oder einer mittleren Nabe 1801 einer Schwerstange 1802 entlang der Achse der Schwerstange 1802 angeordnet. Die Einrichtung 1800 umfaßt vier Kondensatorplatten 1811, 1812, 1821, 1822. Die Platte 1811 und die Platte 1821 sind an einer Innenwand 1809 um 180 Grad voneinander beabstandet angeordnet. Eine Säule 1805 oder ein Rohrabschnitt ist in der Mitte der Schwerstange 1802 vorgesehen. Die Platte 1812 und die Platte 1822 sind an der Säule derart angeordnet, daß sie um 180 Grad voneinander beabstandet und gegenüber der Platte 1811 bzw. der Platte 1821 angeordnet sind. Drei Stege 1803a, 1803b, 1803c der Schwerstange 1802 erstrecken sich radial einwärts, wobei ein Schlammfluß durch Durchgänge 1808 möglich ist.
18B zeigt einen Schnitt entlang der Linie 18B-18B der 18A. Die Platten 1811, 1812 sind um einen Abstand L_18-A voneinander beabstandet. Die Platten 1821, 1822 sind um einen Abstand L_18-B voneinander beabstandet. In einigen Ausführungsformen sind die Abstände L_18-A, L_18-B in einem entspannten oder nicht gebogenen Zustand ungefähr gleich, obwohl die Abstände L_18-A, L_18-B im entspannten Zustand nicht gleich sein müssen.
18C zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung 1800, wenn sie gebogen wird. Die Säule 1805 ist so ausgeführt, daß sie sich nicht biegt, selbst wenn die Schwerstange gebogen wird. Infolge dieser Konfiguration ist der Abstand L'_18-A zwischen der Platte 1811 und der Platte 1812 kürzer als der Abstand L_18-A im entspannten Zustand, der in 18B dargestellt ist. Der kürzere Abstand L'_18-A verringert die Kapazität zwischen den Platten 1811, 1812 entsprechend Gleichung (1).
Im in 18C dargestellten gebogenen Zustand ist der Abstand L'_18-B zwischen den Platten 1821, 1822 größer als der Abstand L_18-B zwischen den Platten 1821 und 1822 in einem entspannten Zustand, der in 18B dargestellt ist. Dieser Zuwachs an Abstand führt zu einer Verringerung der Kapazität zwischen den Platten 1821, 1822 entsprechend Gleichung (1).
Bei Verwendung des in 18A bis 18C dargestellten Sensors kann die Biegung der Schwerstange 1802 aus der Änderung der Kapazität von Plattenpaaren bestimmt werden. Eine Änderung in der Kapazität zwischen den Platten 1811, 1812 zeigt eine Biegung in der Schwerstange 1802 an. Gleichfalls zeigt eine Änderung der Kapazität zwischen den Platten 1821, 1822 eine Biegung der Schwerstange 1802 an. Die Änderung der Kapazität steht in Beziehung zur Verformung der Biegung. Die beiden Plattenpaare, d.h. 1811 und 1812 bzw. 1821 und 1822, sind für die Messung einer Biegung redundant. Im einfachsten Fall könnte die Biegung mit nur einem Plattenpaar bestimmt werden.
Der in 18A bis 18C dargestellte Sensor ermöglicht ferner die Bestimmung der TOB. 18D zeigt einen Schnitt entlang der Linie 18D-18D der 18B, wobei die Platten 1811, 1821 mit der Innenfläche 1809 an einem axialen Punkt gekoppelt sind. Die Platten 1812 und 1822 sind mit der Säule 1806 gekoppelt, die an einem axialen Punkt mit der Schwerstange 1802 gekoppelt ist, der sich vom Kopplungspunkt der Platten 1811, 1821 unterscheidet. Wenn die Schwerstange (1802 in 18A) einer TOB ausgesetzt wird, führen die daraus resultierende Verformung und die verschiedenen axialen Positionen, an denen die Platten mit der Schwerstange 1802 gekoppelt sind, dazu, daß die Platten 1811, 1821 sich relativ zu den Platten 1812 bzw. 1822 bewegen.
Im entspannten oder nicht verdrehten Zustand, der in 18D dargestellt ist, weisen die Platten 1811, 1812 eine kapazitive Fläche A_18-A und die Platten 1821, 1822 eine kapazitive Fläche A_18-B auf. 18E zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung 1800 der 18D mit einem auf die Schwerstange 1802 wirkenden Drehmoment, beispielsweise einem TOB. Die Platte 1811 ist relativ zur Platte 1812 gedreht. Die relative Bewegung verursacht eine Verringerung der kapazitiven Fläche von A_18-A (in 18E) auf A'_18-A. Gleichfalls verursacht das angelegte Drehmoment eine Bewegung der Platte 1821 relativ zur Platte 1822. Die relative Bewegung führt zu einer Verringerung der kapazitiven Fläche von A_18B (in 18E) zu A'_18-B.
1 zeigt, daß eine Verringerung der kapazitiven Fläche zwischen zwei Platten eines Kondensators zu einer Verringerung der Kapazität zwischen den Platten führt. Wenn also ein Drehmoment an der Schwerstange angreift, kann die daraus resultierende Verformung aus der Änderung der Kapazität zwischen zwei Platten eines Kondensators bestimmt werden, beispielsweise den Platten 1811, 1812.
Die in 18A bis 18E dargestellte Ausführungsform ermöglicht die Bestimmung der TOB und der Biegung der Schwerstange. Die Biegung in der Schwerstange verursacht eine Erhöhung der Kapazität eines der Paare der Kondensatorplatten und eine Verringerung der Kapazität im anderen Paar. Die TOB verursacht eine Verringerung der Kapazität der beiden Paare der Platten. Infolge dieser Differenz kann jede Änderung der Kapazität der Paare der Platten der Kondensatoren zur Bestimmung der TOB und der Biegung einer Schwerstange verwendet werden.
Der in 18A bis 18E dargestellte Sensor umfaßt zwei Paare von Kondensatorplatten. Andere Ausführungsformen können lediglich ein Paar oder mehr als zwei Paare aufweisen. Mit nur einem Paar ist der Sensor nicht in der Lage, sowohl TOB als auch eine Biegung aufzulösen. Ferner ist es nicht erforderlich, daß die Platten um 180 Grad voneinander beabstandet sind. Dieser Abstand ist lediglich beispielhaft angegeben. Die Platten 1011, 1021 sind in 10D mit der größten kapazitiven Fläche im entspannten Zustand gezeigt. Andere Ausführungsformen können andere Anordnungen der Platten aufweisen.
19 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren. Hierbei wird eine elektrische Eigenschaft eines Sensors bestimmt, wenn der Bohrstrang in einem belasteten Zustand ist, Schritt 1901. Das Verfahren umfaßt ferner das Bestimmen der Größe der Belastung und des Bohrstrangs basierend auf der Differenz zwischen der elektrischen Eigenschaft des Sensors, wenn der Bohrstrang im belasteten Zustand ist, und der elektrischen Eigenschaft des Sensors, wenn der Bohrstrang in einem entspannten Zustand ist, Schritt 1905.
Die Belastung kann bestimmt werden, da die Differenz der elektrischen Eigenschaft des Sensors zwischen dem entspannten Zustand und dem belasteten Zustand mit der Verformung der Schwerstange in Bezug steht. Die Verformung steht wiederum in Bezug zur Belastung.
Das Verfahren kann ferner ein Bestimmen der Größe der Verformung der Schwerstange umfassen, Schritt 1903. Dies kann deshalb vorteilhaft sein, da hierdurch die Bestimmung der Dehnung und der Stauchung der Schwerstange ermöglicht wird.
Eine Schwerstange oder eine BHA können eine beliebige Anzahl erfindungsgemäßer Sensoren aufweisen. Die Verwendung verschiedener Ausführungsformen von Sensoren kann die gleichzeitige Bestimmung von WOB, TOB, einer Biegung sowie anderer Kräfte, die beim Bohren auf einen Bohrstrang wirken, ermöglichen. Beispielsweise kann eine Schwerstange eine Ausführungsform eines Sensors aufweisen, der ähnlich ist zum in 4A dargestellten Sensor, sowie eine Ausführungsform eines Sensors, der ähnlich ist zu dem in 18A dargestellten.
Temperatur- und Druckänderungen können erhebliche Auswirkungen auf die Verformung des Bohrstrangs haben. Beispielsweise kann die Temperatur im Bohrloch zwischen 50°C und 200°C variieren und der hydrostatische Druck, der mit zunehmender Tiefe steigt, kann bis zu 30.000 psi (etwa 2.000 bar) in tiefen Bohrlöchern erreichen. Die thermisch bedingte Ausdehnung und die Stauchung infolge des hydrostatischen Drucks können zu Verformungen führen, die die durch WOB verursachten Verformungen um mehrere Größenordnungen übersteigen. So kann beispielsweise der Abstand zwischen den Platten 404 der 4 die Summe der Wirkungen von WOB, einer thermischen Ausdehnung und einer Stauchung infolge des Drucks sein. Eine Kompensation der thermischen Ausdehnung und der Druckeffekte ermöglicht eine genauere Messung der Kräfte im Bohrloch.
20 zeigt eine Sensoreinrichtung 2000 zum Bestimmen der Auswirkungen der thermischen Ausdehnung und des Drucks. Zwei Platten 2004 eines Kondensators sind in einer Schwerstange 2002 angeordnet. Die Platten 2004 sind vertikal ausgerichtet und in radialer Richtung voneinander beabstandet. Ein Träger 2015 ist hinter der äußersten Platte 2004 angeordnet, während ein Dielektrikum 2006 zwischen den Platten 2004 vorgesehen ist. Wenn der hydrostatische Druck steigt, führen der Träger 2015 sowie der Rest der Schwerstange 2002 dazu, daß sich die Platten 2004 näher aneinander heranbewegen. Die Verformung führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Kapazität der Einrichtung 2000.
Die Einrichtung 2000 reagiert auch auf Temperaturänderungen, die eine thermische Ausdehnung in der Schwerstange 2002 verursachen. Da die Einrichtung 2000 in der Schwerstange 2002 angeordnet ist, dehnt sie sich zusammen mit der Schwerstange 2002 in Reaktion auf Temperatur- und Druckänderungen aus bzw. wird zusammen mit ihr gestaucht.
Wegen der vertikalen Anordnung der Platten 2004 und da sie mit der Schwerstange an im wesentlichen derselben axialen Stelle gekoppelt sind, ist die Einrichtung 2000 im wesentlichen unempfindlich gegenüber Verformungen infolge von WOB, TOB und Biegemomenten. Die Einrichtung 2000 reagiert hauptsächlich auf eine thermische Ausdehnung und auf Druckeffekte. Hierdurch ist eine genauere Bestimmung der Kräfte im Bohrloch möglich unter Verwendung der Daten, die die thermische Ausdehnung und Druckeffekte betreffen, wenn WOB, TOB und/oder Biegemomente auf der Basis anderer Sensoren in der Schwerstange 2002 bestimmt werden.
21 zeigt eine Schwerstange 2102 mit einer thermischen Beschichtung 2101. Die Schwerstange 2102 kann in Verbindung mit den verschiedenen hier beschriebenen Sensoren verwendet werden. Da die Schwerstange 2102 Metall umfaßt, leitet sie Wärme sehr gut. Wenn erhebliche Temperaturgradienten zwischen den Strukturen im Inneren der Schwerstange und dem umgebenden Bohrloch bestehen, überträgt die thermisch leitende Schwerstange 2102 die thermische Energie. Dies hilft in Bezug auf die Wirkungen der thermischen Ausdehnung.
Eine thermische Beschichtung 2101 isoliert die Schwerstange 2102 gegenüber Temperaturgradienten. Der Temperaturabfall erfolgt über das Isolier material und nicht über die Schwerstange 2102 selbst. Es sind mehrere Materialien bekannt, die dafür geeignet sind. Beispielsweise isolieren verschiedene Arten von Gummi und Elastomeren die Schwerstange 2102 und halten der widrigen Umgebung im Bohrloch stand. Andere Materialien, wie beispielsweise Glasfaser, können ebenfalls verwendet werden.
22 zeigt eine weitere Sensoreinrichtung 2200. Eine Schwerstange 2202 weist zwei Sensorelemente 2204a, 2204b auf. Die Konfiguration in 22 ist ähnlich zur Konfiguration in 4 mit dem Unterschied, daß die Sensoreinrichtung in 22 keinen Kondensator zum Bestimmen der Verformung, d.h. der Änderung in L₂₂ unter Belastung, verwendet. Stattdessen umfaßt der Sensor in 22 beispielsweise einen Wirbelstromsensor, einen Infrarotsensor oder einen Ultraschallsensor.
Die in 22 dargestellte Sensoreinrichtung 2200 kann einen Wirbelstromsensor mit einer Spule im Sensorelement 2204a und einem Ziel im Sensorelement 2204b umfassen. Ein derartiger Sensor 2200 erfordert kein Dielektrikum zwischen den Sensorelementen 2204a, 2204b, solange keine metallischen Materialien vorhanden sind. Nicht dargestellt in 22 sind eine Steuerelektronik und ein Signalverarbeitungsblock, die jedoch vorhanden sein können.
Anstelle eines Wirbelstromsensors kann die Sensoreinrichtung 2200 einen Ultraschallsensor oder einen Infrarotsensor aufweisen. Beispielsweise kann ein Ultraschallsensor eine Ultraschallquelle 2204a und einen Ultraschallempfänger bei 2204b aufweisen. Ein Infrarotsensor kann eine Infrarotquelle 2204a und einen Infrarotdetektor 2204b aufweisen.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer auf ein Bohrwerkzeug wirkenden Belastung, die über einen Bohrstrang in ein Bohrloch eingebracht ist, wobei der Bohrstrang eine Schwerstange mit einem Sensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerstange zum Verstärken einer Verformung infolge von Kräften, die auf sie wirken, und der Sensor zum Messen der Verformung der Schwerstange ausgestaltet sind, um auf das Bohrwerkzeug wirkende Kräfte zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Paar voneinander beabstandeter Platten mit einem Dielektrikum dazwischen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Kapazitätssensor, ein Sensor mit einem linearen variablen Differentialtransformator, ein Impedanzsensor, ein Sensor mit einer variablen Differentialreluktanz, ein Wirbelstrom- und/oder ein Induktionssensor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein an der Schwerstange angeordneter Dehnungsmesser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß um die Schwerstange eine Hülse angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerstange teilweise aufgeschnitten ist und als Feder wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse Abschnitte der Schwerstange miteinander verbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dehnungsmesser an einem in der Schwerstange angeordneten Gehäuse angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerstange einen ersten und einen zweiten Abschnitt sowie ein elastisches Element dazwischen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerstange einen ersten und einen zweiten Abschnitt sowie eine Hülse aufweist, die die beiden Abschnitte verbindet und einen Hohlraum dazwischen bildet, und daß der Sensor zum Messen einer Druckänderung im Hohlraum ausgestaltet ist.
Verfahren zum Bestimmen einer auf ein Bohrwerkzeug wirkenden Belastung, gekennzeichnet durch: Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft eines im Bohrlochwerkzeug angeordneten Sensors, wenn das Bohrlochwerkzeug einer Belastung ausgesetzt wird, und Bestimmen der Größe der Belastung basierend auf einer Differenz zwischen der elektrischen Eigenschaft des Sensors, wenn die Schwerstange in einem belasteten Zustand ist, und der elektrischen Eigenschaft des Sensors, wenn die Schwerstange in einem entspannten Zustand ist, wobei die Belastung eine Änderung einer relativen Stellung zwischen zwei Elementen des Sensors oder einer Fläche zwischen den beiden Elementen derart verursacht, daß die elektrische Eigenschaft des Sensors sich ändert.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Übertragen der Messungen von dem Sensor zur Oberfläche, Auswerten der Messungen zum Bestimmen der auf das Bohrlochwerkzeug wirkenden Kräfte und Treffen von Bohrentscheidungen basierend auf den ausgewerteten Messungen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bestimmen der Größe der Belastung das Bestimmen eines Betrags der Verformung des Bohrlochwerkzeugs basierend auf der Differenz der elektrischen Eigenschaft des Sensors, wenn sich das Bohrlochwerkzeug im belasteten Zustand befindet, und der elektrischen Eigenschaft des Sensors, wenn sich das Bohrlochwerkzeug in einem entspannten Zustand befindet, und ein Bestimmen der Größe der Belastung basierend auf der Größe der Verformung umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine stauchende Verformung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Torsionsverformung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Biegeverformung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Eigenschaft des Sensors eine Impedanz gemessen wird, und daß beim Bestimmen der Impedanz des Sensors, wenn das Bohrlochwerkzeug sich im belasteten Zustand befindet, eine Differenzspannung zwischen zwei Platten eines Kondensators gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Impedanz durch eine Änderung des Abstands zwischen den Platten des Kondensators verursacht wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Impedanz durch eine Änderung der kapazitiven Fläche zwischen den Platten des Kondensators verursacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, gekennzeichnet durch Kompensieren einer Temperatur- und/oder Druckänderung unter Verwendung einer Messung eines im ßohrlochwerkzeug angeordneten zweiten Sensors.
Sensor zum Bestimmen einer auf ein Bohrlochwerkzeug wirkenden Belastung, das über einen Bohrstrang in ein Bohrloch einbringbar ist, gekennzeichnet durch ein erstes im Bohrlochwerkzeug angeordnetes Sensorelement sowie ein zweites im Bohrlochwerkzeug angeordnetes Sensorelement, die derart mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt sind, daß die relative Position der beiden Elemente zueinander oder eine Fläche zwischen den beiden Elementen sich ändert, wenn das Bohrlochwerkzeug der Belastung ausgesetzt ist.
Sensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sensorelement eine erste Platte des Kondensators aufweist, das zweite Sensorelement eine zweite Platte eines Kondensators aufweist, die benachbart zur ersten Platte des Kondensators angeordnet ist, und ein Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte im wesentlichen parallel zur zweiten Platte ist.
Sensor nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten im wesentlichen senkrecht zur Richtung der zu messenden Belastung angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten im wesentlichen senkrecht zu einer Achse des Bohrlochwerkzeugs angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten im wesentlichen parallel zu einer Achse des Bohrlochwerkzeugs angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten in der Mitte des Bohrlochwerkzeugs angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten im wesentlichen außermittig im Bohrlochwerkzeug angeordnet sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten einen ersten Kondensatorsatz bilden, der in einer ersten Rippe des Bohrlochwerkzeugs angeordnet ist, und daß in einer zweiten und einer dritten Rippe der Schwerstange ein zweiter bzw. dritter Kondensatorsatz angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte entlang eines ersten Radius des Bohrlochwerkzeugs und die zweite Platte entlang eines zweiten Radius des Bohrlochwerkzeugs angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte an einer ersten radialen Position mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist, während die zweite Platte an einer zweiten radialen Position mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Bohrlochwerkzeugs ein Pfosten angeordnet und an einer ersten axialen Position mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist, eine dritte Kondensatorplatte etwa 180 Grad beabstandet von der ersten Kondensatorplatte mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist, und eine vierte Kondensatorplatte am Pfosten benachbart zur dritten Kondensatorplatte gekoppelt ist, wobei die zweite Kondensatorplatte etwa 180 Grad entfernt von der vierten Kondensatorplatte und benachbart zur ersten Kondensatorplatte am Pfosten angekoppelt ist, wobei die erste, zweite, dritte und vierte Kondensatorplatte derart angeordnet sind, daß die erste und die zweite Kondensatorplatte einen ersten Kondensator und die dritte und vierte Kondensatorplatte einen zweiten Kondensator bilden.
Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß um das Bohrwerkzeug eine thermische Beschichtung angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Beschichtung ein Elastomer umfaßt.
Sensor nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Beschichtung Glasfaser umfaßt.
Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationseinrichtung für Temperatur und Druck vorgesehen ist, die umfaßt: eine erste Platte des Kompensationskondensators, die in der Schwerstange angeordnet ist, eine zweite Platte eines Kompensationskondensators, die benachbart zur ersten Platte in der Schwerstange angeordnet ist, ein zweites Dielektrikum zwischen der ersten und der zweiten Platte des Kompensationskondensators, wobei die erste und die zweite Platte des Kompensationskondensators von der Mitte der Schwerstange beabstandet parallel zur Achse der Schwerstange angeordnet und an im wesentlichen derselben axialen Stelle mit der Schwerstange gekoppelt sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sensorelement eine Spule mit einer Primärwindung und einer ersten und einer zweiten Sekundärwindung umfaßt, und das zweite Sensorelement einen in der Spule angeordneten und relativ zur Spule beweglichen Kern umfaßt.
Sensor nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule und der Kern im wesentlichen parallel zu einer Achse des Bohrwerkzeugs angeordnet sind, und die Spule mit dem Bohrwerkzeug an einer ersten axialen Position gekoppelt ist, während der Kern an einer zweiten axialen Position mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule und der Kern gebogen und im wesentlichen senkrecht zur Achse des Bohrwerkzeugs angeordnet sind, und die Spule an einer ersten radialen Position mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist, während der Kern an einer zweiten radialen Position mit dem Bohrlochwerkzeug gekoppelt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Sensorelement ein Quellenelement aufweist, und das zweite Sensorelement ein benachbart zum Quellenelement angeordnetes Empfangselement aufweist, wobei der Sensor ein Wirbelstromsensor, ein Ultraschallsensor, ein Infrarotsensor, ein Induktionssensor oder ein variabler Reluktanzdifferenzsensor ist.