DE112006002137T5

DE112006002137T5 - Verfahren und Systeme zum Konstruieren und/oder Auswählen von Bohrausrüstung mit einer gewünschten Bohrmeißellenkbarkeit

Info

Publication number: DE112006002137T5
Application number: DE112006002137T
Authority: DE
Inventors: Shilin The Woodlands Chen
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2008-06-26
Also published as: CA2625009A1; GB2443127B; CA2625012A1; CA2624106C; EP2281996A2; EP1929117A1; GB201120833D0; US7778777B2; GB2483022B; GB2482851B; WO2007019471A1; GB2483022A; NO20081185L; CA2625009C; GB201121671D0; GB2443126B; NO20081187L; US8352221B2; US8606552B2; GB0802300D0

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen der Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels, umfassend:
(a) Anwenden eines Satzes von Bohrbedingungen auf den Meißel, umfassend zumindest die Meißelrotationsgeschwindigkeit, die Penetrationsrate entlang einer Meißelachse und zumindest eine Charakteristik einer Erdformation;
(b) Aufbringen einer Lenkrate auf den Meißel;
(c) Simulieren, für ein Zeitintervall, das Bohren der Erdformation durch den Meißel unter dem Satz der Bohrbedingungen, umfassend das Berechnen einer Lenkkraft, welche auf den Meißel aufgebracht wird;
(d) Stimulieren des Rohrens der Erdformation für ein weiteres Zeitintervall und erneutes Berechnen der Lenkkraft;
(e) Aufeinanderfolgendes Wiederholen des Simulierens des Rohrens der Erdformation für eine vorbestimmte Anzahl von Zeitintervallen;
(f) Berechnen einer durchschnittlichen Lenkkraft, welche auf den Meißel über die simulierten Zeitintervalle hinweg aufgebracht wird;
(g) Speichern der aufgebrachten Lenkrate und der berechneten durchschnittlichen Lenkkraft;
(h) Wiederholen, innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Lenkraten, der Schritte (b) bis (g) durch ein inkrementelles Erhöhen der...

Description

IN VERBINDUNG STEHENDE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt den Nutzen der provisorischen Patentanmeldung, welche mit "Verfahren und Systeme der Vorhersage der Drehbohrmeißellenkbarkeit, Drehbohrmeißelkonstruktion und Betrieb" bezeichnet ist, Anmeldungs-Serien Nr. 60/706,321, welche am 8. August 2005 eingereicht wurde, in Anspruch.
Diese Anmeldung nimmt den Nutzen der provisorischen Patentanmeldung, welche mit "Verfahren und Systeme der Vorhersage des Drehbohrmeißelgangs, Drehbohrmeißelkonstruktion und Betrieb" bezeichnet ist, Anmeldungs-Serien Nr. 60/738,431, welche am 21. November 2005 eingereicht wurde, in Anspruch.
Diese Anmeldung nimmt den Nutzen der provisorischen Patentanmeldung, welche mit "Verfahren und Systeme der Vorhersage des Drehbohrmeißelgangs, Drehbohrmeißelkonstruktion und Betrieb" bezeichnet ist, Anmeldungs-Serien Nr. 60/706,323, welche am 8. August 2005 eingereicht wurde, in Ansprach.
Diese Anmeldung nimmt den Nutzen der provisorischen Patentanmeldung, welche mit "Verfahren und Systeme der Vorhersage der Drehbohrmeißellenkbarkeit, Drehbohrmeißelkonstruktion und Betrieb" bezeichnet ist, Anmeldungs-Serien Nr. 60/738,453, welche am 21. November 2005 eingereicht wurde, in Anspruch.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Bohrlochbohrausrüstung und genauer auf das Konstruieren von Drehbohrmeißeln (engl. rotarg drill bits) und/oder Grundlochanordnungen (engl. bottom hole assemblies) mit einer gewünschten Lenkbarkeit (engl. steerability) oder auf das Auswählen eines Drehbohrmeißels und/oder von Komponenten für eine damit verbundene Grundlochanordnung mit einer gewünschten Lenkbarkeit aus bereits existierenden Konstruktionen.
HINTERGRUND
Verschiedene Typen von Drehbohrmeißeln wurden verwendet, um Bohrlöcher (engl. wellbores) oder Kernbohrungen (engl. boreholes) in Abwärtsformationen (engl. downhole formations) auszuformen. Solche Bohrlöcher werden häufig unter Verwendung eines Drehbohrmeißels ausgeformt, welcher an dem Ende eines im Allgemeinen hohlen, röhrenförmigen Bohrstranges angebracht ist, welcher sich von einer damit verbundenen Bohrlochoberfläche aus erstreckt. Die Drehung eines Drehbohrmeißels fräst nach und nach angrenzende Abschnitte einer Abwärtsformation unter Verwendung von Fräselementen und Frässtrukturen, welche an den äußeren Abschnitten des Drehbohrmeißels angeordnet sind, fort. Beispiele von Drehbohrmeißeln umfassen Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern (engl. fixed cutter drill bits) oder rotierende Bohrmeißel (engl. drag drill bits), imprägnierte Diamantmeißel (engl. impregnated diamond bits) und Matrixbohrmeißel (engl. matrix drill bits). Unterschiedliche Typen von Bohrfluiden werden im Allgemeinen mit Drehbohrmeißeln verwendet, um die Bohrlöcher oder Kernbohrungen auszuformen, welche sich von einer Bohrlochoberfläche aus durch eine oder mehrere Abwärtsformationen hindurch erstrecken.
Unterschiedliche Typen Computer basierter Systeme, Softwareanwendungen und/oder Computerprogramme wurden bisher verwendet, um das Ausformen von Bohrlöchern zu simulieren, umfassend, aber nicht beschränkt auf, gerichtete Bohrlöcher (engl. directional wellbores), und um die Leistung einer weiten Variation von Bohrausrüstungen zu simulieren umfassend, aber nicht beschränkt auf, Drehbohrmeißel, welche verwendet werden können, um solche Bohrlöcher auszuformen. Solche Beispiele von Computer basierten Systemen, Softwareanwendungen und/oder Computerprogrammen werden in unterschiedlichen Patenten und anderen Referenzen diskutiert, welche in den Information Disclosure Statements aufgelistet sind, welche während des Erteilungsverfahrens dieser Patentanmeldung eingereicht wurden.
ÜBERSICHT
In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung können Drehbohrmeißel, umfassend Bohrmeißel mit feststehenden Fäsern, mit einer Lenkbarkeit und/oder einer Steuerbarkeit (engl. controllability) konstruiert werden, welche für ein gewünschtes Bohrlochprofil und/oder vorhergesehene Abwärtsbohrungsbedingungen optimiert sind. Alternativ kann ein Drehbohrmeißel umfassend einen Bohrmeißel mit festen Fräselementen mit einer gewünschten Lenkbarkeit und/oder Steuerbarkeit aus bereits existierenden Bohrmeißelkonstruktionen ausgewählt werden.
Drehbohrmeißel, welche so konstruiert oder ausgewählt sind, dass sie ein gerades Loch oder ein vertikales Bohrloch ausformen, können einen nahe bei Null liegende oder neutrale Lenkbarkeit erfordern. Drehbohrmeißel, die zur Verwendung mit einem gerichteten Bohrsystem konstruiert oder ausgewählt sind, können eine optimale Lenkbarkeit für ein gewünschtes Bohrlochprofil und/oder für vorhergesehene Abwärtsbohrungsbedingungen aufweisen.
Verfahren und Systeme, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen, können verwendet werden, um die Interaktion zwischen einem Drehbohrmeißel und angrenzenden Abschnitten einer Grundlochformation zu simulieren. Solche Verfahren und Systeme können unterschiedliche Typen von Grundlochbohrbedingungen berücksichtigen, umfassend, aber nicht beschränkt auf, Meißelneigungsbewegung, Felsschrägstellung, Formationsfestigkeit und Übergangsbohren durch nichtvertikale Abschnitte eines Bohrloches.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein dreidimensionales (3D) Modell umfassen, welches die Meißelneigungsbewegung, die Meißelgangrate und/oder die Meißelsteuerbarkeit berücksichtigt zur Verwendung bei der Konstruktion oder der Auswahl von Drehbohrmeißeln. Die Meißellenkbarkeit kann als eine Funktion der Meißelseitenkräfte und der Meißelneigungsrate für einen gegebenen Satz von Bohrausrüstungskonstruktionsdaten und Grundlochbohrbedingungen dargestellt sein. Die Meißellenkbarkeit kann zusammen mit der Meißelsteuerbarkeit bewertet werden, welche durch die Größe von Fluktuationen der Meißelseitenkräfte, des Meißeldrehmoments und des Meißelbiegemomentes repräsentiert ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann das Bestimmen einer Meißelgangrate und/oder Meißelsteuerbarkeit in unterschiedlichen Abschnitten eines Bohrloches umfassen, basierend zumindest teilweise auf einer Veränderungsrate in Grad (Neigungsrate) des Bohrloches von der Vertikalen, der Steuerkräfte und/oder der Grundlochformationsanschrägung. Mehrere Anfangssektionen, ansteigende Sektionen, Haltesektionen und/oder abfallende Sektionen können Abschnitte eines komplexen gerichteten Bohrloches ausformen. Systeme und Verfahren, welche die Lehren der vorliegenden Offenbarung umfassen, können verwendet werden, um das Bohren unterschiedlicher Typen von Bohrlöchern und Segmenten von Bohrlöcher zu simulieren unter Verwendung sowohl gerichteter Bohrsysteme mit Meißelvorschub (engl. push-the-bit) als auch gerichteter Bohrsysteme mit Meißelausrichtung (engl. point-the-bit).
Systeme und Verfahren, welche die Lehren der vorliegenden Offenbarung umfassen, können verwendet werden, um Drehbohrmeißel und/oder Grundlochanordnungen mit optimalen Lenkbarkeitscharakteristika zum Bohren eines Bohrlochprofils zu konstruieren. Solche Systeme und Verfahren können ebenso verwendet werden, um einen Drehbohrmeißel und/oder Komponenten einer damit verbundenen Grundlochanordnung aus bereits existierenden Konstruktionen mit optimalen Lenkbarkeitscharakteristika zum Bohren eines Bohrlochprofils auszuwählen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres und gründlicheres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile kann erworben werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in welchen gleiche Referenzzeichen gleiche Merkmale bezeichnen, und in welchen:
1A ist eine schematische Zeichnung im Schnitt und in der Draufsicht, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein Beispiel eines gerichteten Bohrloches zeigt, welches durch einen Bohrmeißel ausgeformt werden kann, welcher in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist oder welcher in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung aus bereits existierenden Bohrmeißelkonstruktionen ausgewählt ist;
1B ist eine schematische Zeichnung, welche eine grafische Darstellung eines gerichteten Bohrloches zeigt, welches einen konstanten Biegungsradius (engl. bend radius) zwischen einer im Allgemeinen vertikalen Sektion und einer im Allgemeinen horizontalen Sektion aufweist, welche durch einen Bohrmeißel geformt sein können, welcher in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist oder in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung aus bereits existierenden Bohrmeißelkonstruktionen ausgewählt ist;
1C ist eine schematische Zeichnung, welche ein Beispiel eines Systems und einer damit verbundenen Vorrichtung zeigt, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung betrieben werden kann, um das Bohren eines komplexen, gerichteten Bohrlochs zu simulieren;
2A ist eine schematische Zeichnung, welche eine isometrische Ansicht zeigt, wobei Teile fortgebrochen sind, eines Drehbohrmeißels mit sechs (6) Freiheitsgraden, welche verwendet werden können, um die Bewegung des Drehbohrmeißels in drei Dimensionen in einem Meißelkoordinatensystem zu beschreiben;
2B ist eine schematische Zeichnung, welche Kräfte zeigt, die auf einen Drehbohrmeißel aufgebracht werden während des Ausformens eines im Wesentlichen vertikalen Bohrloches;
3A ist eine schematische Zeichnung, welche eine Seitenkraft in einem zweidimensionalen kartesischen Meißelkoordinatensystem zeigt, welche zu einem Zeitpunkt auf einen Drehbohrmeißel aufgebracht wird.
3B ist eine schematische Darstellung, welche eine Trajektorie eines gerichteten Bohrloches und einen Drehbohrmeißel in einem dreidimensionalen kartesischen Lochkoordinatensystem zeigt, welcher zu einem Zeitpunkt in einer Neigungsebene angeordnet ist;
3C ist eine schematische Darstellung, welche den Drehbohrmeißel in 3B zum gleichen Zeitpunkt in einem zweidimensionalen kartesischen Lochkoordinatensystem zeigt;
4A ist eine schematische Zeichnung im Schnitt und in der Draufsicht, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein Beispiel eines Richtbohrsystems mit Meißelvorschub angrenzend an das Ende eines Bohrloches zeigt;
4B ist eine grafische Darstellung, welche Abschnitte eines Richtbohrsystems mit Meißelvorschub zeigt, welches ein gerichtetes Bohrloch ausformt;
4C ist eine schematische Zeichnung, welche eine isometrische Ansicht eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher einige Konstruktionsmerkmale aufweist, welche optimiert werden können zur Verwendung mit einem gerichteten Bohrsystem mit Meißelvorschub in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung;
5A ist eine schematische Zeichnung im Schnitt und in der Draufsicht, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein Beispiel eines Richtbohrsystems mit Meißelausrichtung angrenzend an das Ende eines Bohrloches zeigt;
5B ist eine grafische Darstellung, welche Abschnitte eines Richtbohrsystems mit Meißelausrichtung zeigt, welches ein gerichtetes Bohrloch ausformt;
5C ist eine schematische Zeichnung, welche eine isometrische Ansicht eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher einige Konstruktionsmerkmale aufweist, welche optimiert werden können zur Verwendung mit einem gerichteten Bohrsystem mit Meißelausrichtung in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung;
5D ist eine schematische Zeichnung, welche eine isometrische Ansicht eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher einige Konstruktionsmerkmale aufweist, welche optimiert werden können für die Verwendung mit einem gerichteten Bohrsystem mit Meißelausrichtung in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung;
6A ist eine schematische Zeichnung im Schnitt, wobei Teile fortgebrochen sind, welche eine Simulation des Ausformens eines gerichteten Bohrloches unter Verwendung eines Simulationsmodells, welches die Lehre der vorliegenden Offenbarung beinhaltet, zeigt;
6B ist eine schematische Zeichnung im Schnitt, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein Beispiel von Parametern zeigt, welche verwendet werden, um das Bohren eines gerichteten Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu simulieren;
6C ist eine schematische Zeichnung im Schnitt, wobei Teile fortgebrochen sind, welche eine Simulation des Ausformens eines gerichteten Bohrloches unter Verwendung eines bisherigen Simulationsmodells zeigt;
6D ist eine schematische Zeichnung im Schnitt, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein Beispiel von Kräften zeigt, welche verwendet werden, um das Bohren in einem gerichteten Bohrloch mit einem Drehbohrmeißel in Übereinstimmung mit dem bisherigen Simulationsmodell zu simulieren;
7A ist eine schematische Zeichnung im Schnitt, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein weiteres Beispiel eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher innerhalb eines Bohrloches angeordnet ist;
7B ist eine schematische Zeichnung, welche unterschiedliche Merkmale einer aktiven Spur (engl. active gage) und einer passiven Spur (engl. passive gage), welche an äußeren Abschnitten des Drehbohrmeißels der 7A angeordnet sind, zeigt;
8A ist eine schematische Zeichnung in Draufsicht, wobei Teile fortgebrochen sind, welche ein Beispiel der Interaktion zwischen einem aktiven Spurelement und angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches zeigt;
8B ist eine schematische Zeichnung entlang der Linien 8B-8B in 8A;
8C ist eine schematische Zeichnung in Draufsicht mit fortgebrochenen Abschnitten, welche ein Beispiel der Interaktion zwischen einem passiven Spurelement und angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches zeigt;
8D ist eine schematische Zeichnung entlang der Linie 8D-8D der 8C;
9 ist eine grafische Darstellung von Kräften, welche verwendet werden, um einen Gangwinkel eines Drehbohrmeißels an einem Ort des Grundlochs innerhalb eines Bohrloches zu berechnen;
10 ist eine grafische Darstellung von Kräften, welche verwendet werden, um einen Gangwinkel eines Drehbohrmeißels an einem jeweiligen Ort des Grundlochs in einem Bohrloch zu berechnen;
11 ist eine schematische Zeichnung im Schnitt mit fortgebrochenen Abschnitten eines Drehbohrmeißels, welche die Veränderungen des Knickgrades (engl. dogleg severity) bezüglich der Seitenkräfte, welche auf einen Drehbohrmeißel während des Rohrens eines gerichteten Bohrloches aufgebracht werden, zeigen;
12 ist eine schematische Zeichnung im Schnitt mit fortgebrochenen Abschnitten eines Drehbohrmeißels, welche Veränderungen im Drehmoment auf den Meißel (TOB) bezüglich der Umdrehungen eines Drehbohrmeißels während des Rohrens eines gerichteten Bohrloches zeigt;
13A ist eine grafische Darstellung unterschiedlicher Dimensionen, welche mit einem gerichteten Bohrsystem mit Meißelvorschub verbunden sind;
13B ist eine grafische Darstellung unterschiedlicher Dimensionen, welche mit einem gerichteten Bohrsystem mit Meißelausrichtung verbunden sind;
14A ist eine schematische Zeichnung im Schnitt mit fortgebrochenen Abschnitten, welche die Interaktion zwischen einem Drehbohrmeißel und zwei schräg stehenden Formationen während eines im Allgemeinen vertikalen Rohrens relativ zu der Formation zeigt;
14B ist eine schematische Zeichnung im Schnitt mit fortgebrochenen Abschnitten, welche eine grafische Darstellung eines Drehbohrmeißels ist, welcher mit zwei schräg stehenden Formationen während eines gerichteten Rohrens relativ zu den Formationen interagiert;
14C ist eine schematische Zeichnung im Schnitt mit fortgebrochenen Abschnitten, welche eine grafische Darstellung eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher mit zwei schräg stehenden Formationen während des gerichteten Rohrens der Formationen interagiert;
14D zeigt ein Beispiel einer dreidimensionalen grafischen Simulation, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst, eines Drehbohrmeißels, welcher eine erste Felslage und eine zweite Felslage durchdringt;
15A ist eine schematische Zeichnung, welche eine grafische Darstellung eines sphärischen Koordinatensystems zeigt, welches verwendet werden kann um die Bewegung eines Drehbohrmeißels zu beschreiben und auch den Boden eines Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben;
15B ist eine schematische Zeichnung, welche die Kräfte zeigt, welche auf einen Drehbohrmeißel gegen den Boden und/oder die Seitenwand eines Bohrungsloches in einem sphärischen Koordinatensystem wirken;
15C ist eine schematische Zeichnung, welche die Kräfte zeigt, welche auf einen Fräser eines Drehbohrmeißels in einem lokalen Koordinatensystem des Fräsers wirken;
16 ist eine grafische Darstellung eines Beispiels von Berechnungen, welche verwendet werden um die Frästiefe eines Fräsers, welcher an einem Drehbohrmeißel angeordnet ist, in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung abzuschätzen;
17A–17G sind ein Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines Verfahrens zum Simulieren oder Modellieren des Rohrens eines gerichteten Bohrloches, unter Verwendung eines Drehbohrmeißels darstellt in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung; und
18 ist eine grafische Darstellung, welche Beispiele der Resultate mehrfacher Simulationen, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen, des Verwendens eines Drehbohrmeißels und der damit verbundenen Grundlochausrüstung zeigt, um ein Bohrloch auszuformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile können unter Bezugnahme auf die 1A–17G der Zeichnungen verstanden werden, wobei gleiche Bezugszeichen für miteinander korrespondierende Teile der unterschiedlichen Zeichnungen verwendet werden können.
Der Begriff "Grundlochanordnung" (engl. bottom hole assembly) oder "BHA" kann in dieser Anmeldung verwendet werden, um unterschiedliche Komponenten und Anordnungen zu beschreiben, welche in der Nähe eines Drehbohrmeißels an dem Grundlochende eines Bohrstranges angeordnet sind. Beispiele von Komponenten und Anordnungen (nicht ausdrücklich gezeigt), welche in einer Grundlochanordnung oder BHA umfasst sein können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Biegungsuntergruppe (engl. bent sub), einen Grundlochbohrmotor, einen Räumer in der Nähe des Meißels, Stabilisatoren und Grundlochinstrumente. Eine Bodenlochanordnung kann auch zwei unterschiedliche Typen von Bohrlochmesswerkzeugen (nicht ausdrücklich gezeigt) und anderen Grundlochinstrumenten, welche mit dem gerichteten Bohren eines Bohrloches verbunden sind, umfassen. Beispiele solcher Bohrlochmesswerkzeuge und/oder gerichteter Bohrausrüstung können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, akustische, Neutronen, Gammastrahlen, Dichte, Photoelektrische, Kernmagnetresonanz und/oder andere kommerziell erhältliche Messinstrumente.
Der Begriff "Fräser" (engl. cutter) kann in dieser Anmeldung verwendet werden, um unterschiedliche Typen von Formteilen, Einsätzen, gewalzten Zähnen, geschweißten Einsätzen und Spurfräser zu umfassen, welche befriedigend sind zur Verwendung mit einer großen Vielzahl von Drehbohrmeißeln. Stoßableiter (engl. impact arrestors), welche als ein Teil der Frässtruktur an einigen Typen von Drehbohrmeißeln umfasst sein können, dienen manchmal als Fräselemente, um Formationsmaterialien aus den angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches zu entfernen. Stoßableiter oder jegliche Abschnitte der Frässtruktur eines Drehbohrmeißels können analysiert und evaluiert werden unter Verwendung unterschiedlicher Techniken und Prozeduren, wie sie hierin bezüglich der Fräselemente diskutiert werden. Polykristalline Diamantformteile (PDC) und Wolframkarbideinsätze werden häufig verwendet, um Fräser für Drehbohrmeißel auszuformen. Eine große Vielzahl anderer Typen von harten, abrasiven Materialien können ebenso befriedigend verwendet werden, um solche Fräser auszuformen.
Die Begriffe "Fräselement" und "kleiner Fräser" (engl. cutlet) können verwendet werden, um einen kleinen Abschnitt oder ein Segment eines damit verbundenen Fräsers zu beschreiben, welcher mit angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches interagiert und kann verwendet werden, um die Interaktion zwischen dem Fräser und den angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches zu simulieren. Wie nachfolgend detaillierter diskutiert werden wird, können Fräser und andere Abschnitte des Drehbohrmeißels auch in kleine Segmente oder Abschnitte vermascht werden, welche manchmal zum Zwecke des Analysierens der Interaktion zwischen jedem kleinen Abschnitt oder Segment und angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches als "Mascheneinheiten" bezeichnet werden.
Der Begriff "Frässtruktur" kann in dieser Anmeldung verwendet werden, um unterschiedliche Kombinationen und Anordnungen von Fräsern, Stirnfräsern, Stoßableitern und/oder Spurfräsern (engl. gage cutter), welche an äußeren Abschnitten eines Drehbohrmeißels eingeformt sind, zu umfassen. Einige Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern können eine oder mehrere Blätter (engl. blades) umfassen, welche sich von einem damit verbundenen Meißelkörper aus erstrecken, wobei sich die Fräser von den Blättern aus erstrecken. Unterschiedliche Konfigurationen von Blättern und Fräsern können verwendet werden, um die Frässtrukturen für einen Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern zu formen.
Der Begriff "Drehbohrmeißel" (engl. rotarg drill bit) kann in dieser Anmeldung verwendet werden, um unterschiedliche Typen von Bohrmeißeln mit festen Fräsern zu umfassen, Bohrmeißel und Matrixbohrköpfe, welche dazu anwendbar sind, ein Bohrloch auszuformen, welches sich durch eine oder mehrere Grundlochformationen hindurch erstreckt. Drehbohrmeißel und damit verbundene Komponenten, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung geformt sind, können unterschiedliche Konstruktionen und Konfigurationen aufweisen.
Das Simulieren des Rohrens eines Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung kann verwendet werden, um die Konstruktion unterschiedlicher Merkmale eines Drehbohrmeißels zu optimieren, umfassend, aber nicht beschränkt auf, die Anzahl der Blätter oder Fräsblätter, die Dimensionen und Konfigurationen eines jeden Fräsblattes, die Konfigurationen und Dimensionen von Abraumschlitzen (engl. junk slots), welche zwischen nebeneinander liegenden Fräsblättern angeordnet sind, die Anzahl, der Ort, die Orientierung und der Typ der Fräser und Spuren (aktiv oder passiv) und die Länge der damit verbundenen Spuren. Der Ort der Düsen und die damit verbundenen Düsenauslässe können ebenso optimiert werden.
Unterschiedliche Lehren der vorliegenden Offenbarung können auch mit anderen Typen von Drehbohrmeißeln verwendet werden, welche aktive oder passive Spuren aufweisen, ähnlich zu aktiven oder passiven Spuren, welche mit Bohrmeißeln mit feststehenden Fräsern verbunden sind. Zum Beispiel kann ein Stabilisator (nicht ausdrücklich gezeigt), welcher relativ nahe zu einem Walzenkonusbohrmeißel (nicht ausdrücklich gezeigt) angeordnet ist, ähnlich funktionieren wie ein passiver Spurabschnitt eines Bohrmeißels mit feststehenden Fräsern. Ein nahe dem Bohrmeißel angeordneter Räumer (nicht ausdrücklich gezeigt), welcher relativ nahe zu einem Walzenkonusbohrmeißel angeordnet ist, kann ähnlich einem aktiven Spurabschnitt eines Bohrmeißels mit feststehendem Fräser funktionieren.
Für Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern ist eine der Unterschiede zwischen einer "passiven Spur" und einer "aktiven Spur", dass eine passive Spur Formationsmaterialien von der Seitenwand eines Bohrloches oder einer Kernbohrung im allgemeinen nicht entfernen wird, wohingegen eine aktive Spur zumindest teilweise in die Seitenwand eines Bohrloches oder einer Kernbohrung während des Richtungsbohrens fräsen kann.
Eine passive Spur kann eine Seitenwand plastisch oder elastisch während des gerichteten Rohrens deformieren. Mathematisch, wenn wir die Aggressivität eines typischen Stirnfräsers als eins (1,0) definieren, dann ist die Aggressivität einer passiven Spur nahezu Null (0) und die Aggressivität einer aktiven Spur kann zwischen 0 und 1,0 liegen, abhängig von der Konfiguration der jeweiligen Spurelemente.
Die Aggressivität unterschiedlicher Typen von aktiven Spurelementen kann durch Testen bestimmt werden und kann in ein Simulationsprogramm eingegeben werden, so wie es durch die 17A–17G repräsentiert ist. Ähnliche Anmerkungen sind anwendbar bezüglich Stabilisatoren in der Nähe des Meißels und nahe des Meißels gelegener Räumer, welche angrenzende Abschnitte eines Bohrloches kontaktieren. Unterschiedliche Charakteristika von aktiven und passiven Spuren werden detaillierter bezüglich der 7A–8D diskutiert werden.
Der Begriff "gerades Loch" kann in dieser Anmeldung verwendet werden, um ein Bohrloch oder Abschnitte eines Bohrloches zu beschreiben, welche sich in einem im Allgemeinen konstanten Winkel relativ zu der Vertikalen erstrecken. Vertikale Bohrlöcher und horizontale Bohrlöcher sind Beispiele gerader Löcher.
Die Begriffe "schräg stehendes Loch" und "schräg stehendes Lochsegment" können in dieser Anmeldung dazu verwendet werden, ein gerades Loch zu beschreiben, welches in einem im Wesentlichen gleich bleibenden Winkel relativ zu der Vertikalen verläuft. Der gleich bleibende Winkel eines schräg stehendes Loches ist typischerweise weniger als neunzig (90) Grad und größer als Null (0) Grad.
Die meisten geraden Löcher, wie beispielsweise vertikale Bohrlöcher und horizontale Bohrlöcher, mit einer signifikanten Länge werden einige Variationen von der Vertikalen oder Horizontalen aufweisen, basierend teilweise auf den Charakteristika der damit verbundenen Bohrausrüstung, welche dazu verwendet wird, solche Bohrlöcher auszuformen. Ein schräg stehendes Loch kann ähnliche Variationen aufweisen abhängig von der Länge und der damit verbundenen Bohrausrüstung, welche verwendet wird, um das schräg stehende Loch zu formen.
Der Begriff "gerichtetes Bohrloch" (engl. directional wellbore) kann in dieser Anmeldung verwendet werden, um ein Bohrloch oder Abschnitte eines Bohrloches zu beschreiben, welche sich in einem gewünschten Winkel oder Winkeln relativ zu der Vertikalen erstrecken. Solche Winkel sind größer als die normalen Variationen, welche mit geraden Löchern verbunden sind. Ein gerichtetes Bohrloch kann manchmal als ein Bohrloch beschrieben werden, welches von der Vertikalen abweicht.
Sektionen, Segmente und/oder Abschnitte eines gerichteten Bohrloches können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine vertikale Sektion, eine Anfangssektion (engl. kick off section), eine ansteigende Sektion, eine Haltesektion und/oder eine abfallende Sektion. Eine vertikale Sektion kann im Wesentlichen keine Veränderung in den Graden von der Vertikalen aufweisen. Haltesektionen, wie beispielsweise schräg stehende Lochsegmente und horizontale Segmente können sich im jeweiligen fest stehenden Winkeln relativ zu der Vertikalen erstrecken und können im Wesentlichen eine Veränderungsrate in Grad von Null von der Vertikalen aufweisen. Überleitungssektionen, welche zwischen den geraden Lochabschnitten eines Bohrloches geformt sind, können umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Anfangssegmente, ansteigende Segmente und abfallende Segmente. Solche Überleitungssektionen haben üblicherweise eine Veränderungsrate in Grad, die größer als Null ist. Ansteigende Segmente haben im Allgemeinen eine positive Veränderungsrate in Grad. Abfallende Segmente haben im Allgemeinen eine negative Veränderungsrate in Grad. Die Veränderungsrate in Grad kann sich entlang der Länge der gesamten oder von Abschnitten einer Überleitungssektion verändern oder kann im Wesentlichen konstant sein entlang der Länge der gesamten oder von Abschnitten der Überleitungssektion.
Der Begriff "Anfangssegment" (engl. kick off segment) kann verwendet werden, um einen Abschnitt oder eine Sektion eines Bohrlochs zu beschreiben, welcher eine Überleitung zwischen dem Endpunkt eines geraden Lochsegments und dem ersten Punkt ausformt, in dem ein gewünschtes DLS oder eine Neigungsrate erreicht wird. Ein Anfangssegment kann mit einer konstanten Kurvung oder Anstiegsrate als eine Überleitung von einem vertikalen Bohrloch zu einem Gleichgewichtsbohrloch geformt sein. Ein Anfangssegment eines Bohrloches kann eine variable Kurvung und eine variable Veränderungsrate in Grad von der Vertikalen aufweisen (variable Neigungsrate).
Ein ansteigendes Segment, welches einen relativ konstanten Radius und eine relativ konstante Veränderung in Grad von der Vertikalen (konstante Neigungsrate) aufweist, kann verwendet werden, um eine Überleitung von vertikalen Segmenten zu einem schräg stehenden Lochsegment oder einem horizontalen Segment eines Bohrloches auszuformen. Ein abfallendes Segment kann einen relativ konstanten Radius aufweisen und eine relativ konstante Veränderung in Grad von der Vertikalen (konstante Neigungsrate) kann verwendet werden, um eine Überleitung von einem schräg stehenden Lochsegment oder einem horizontalen Segment zu einem vertikalen Segment eines Bohrloches auszuformen. Siehe 1A. Für einige Anwendungen kann eine Überleitung zwischen einem vertikalen Segment und einem horizontalen Segment nur ein ansteigendes Segment sein, welches einen relativ konstanten Radius und eine relativ konstante Veränderung in Grad von der Vertikalen aufweist. Siehe 1B. Ansteigende Segmente und abfallende Segmente können auch als "Gleichgewichts"-Segmente beschrieben werden.
Die Begriffe "Knickgrad" oder "DLS" können verwendet werden, um die Rate der Veränderung in Grad eines Bohrloches von der Vertikalen während des Rohrens des Bohrloches zu beschreiben. DLS wird oft in Grad pro hundert Fuß (°/100 ft) gemessen. Ein gerades Loch, vertikales Loch, schräg stehendes Loch oder horizontales Loch wird im Allgemeinen einen Wert für DLS von ungefähr Null aufweisen. DLS kann positiv, negativ oder Null sein.
Der Anschrägungswinkel (TA) kann definiert sein als der Winkel eines Segmentes oder eines Abschnittes eines Bohrloches in Grad von der Vertikalen. Ein vertikales Bohrloch hat einen im Allgemeinen konstanten Anschrägungswinkel (TA), nahezu gleich Null. Ein horizontales Bohrloch hat einen im Allgemeinen konstanten Anschrägungswinkel (TA), nahezu gleich zu neunzig Grad (90°).
Die Neigungsrate (TR) kann definiert werden als die Rate der Veränderung eines Bohrloches in Grad (TA) von der Vertikalen pro Stunde des Rohrens. Die Neigungsrate kann ebenso als "Lenkrate" bezeichnet werden.
Wobei

t: = Bohrzeit in Stunden

Die Anschrägungsgrade (TR) eines Drehbohrmeißels kann ebenso als DLS mal der Penetrationsrate (ROP) definiert werden. TR = DLS × ROP/100 = (Grad/Stunde)
Die Meißelneigungsbewegung ist häufig ein kritischer Parameter zum genauen Simulieren des Rohrens von gerichteten Bohrlöchern und des Bewertens von Charakteristika von Drehbohrmeißeln und anderen Grundlochwerkzeugen, welche mit gerichteten Bohrsystemen verwendet werden. Frühere zweidimensionale (2D) und frühere dreidimensionale (3D) Meißelmodelle und Lochmodelle sind häufig nicht dazu in der Lage, die Meißelneigungsbewegung aufgrund von Beschränkungen des kartesischen Koordinatensystems oder des zylindrischen Koordinatensystems zu berücksichtigen, welches verwendet wird um die Meißelbewegung relativ zu einem Bohrloch zu beschreiben. Die Verwendung eines sphärischen Koordinatensystems um das Bohren eines gerichteten Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu simulieren, erlaubt die Verwendung einer Meißelneigungsbewegung und der damit verbundenen Parameter, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit solcher Simulationen zu verbessern.
Unterschiedliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung können unter Bezugnahme auf das Modellieren oder Simulieren des Rohrens eines Bohrloches oder Abschnittes eines Bohrloches beschrieben werden. Der Knickgrad (DLS) der jeweiligen Segmente, Abschnitte oder Sektionen eines Bohrloches und die dazu korrespondierende Neigungsrate (TR) können verwendet werden, um solche Simulationen durchzuführen. Der Anhang A listet einige Beispiele von Daten auf, umfassend Parameter wie beispielsweise die Simulationsprogrammlaufzeit und die Simulationsmaschengröße, welche verwendet werden können, um solche Simulationen durchzuführen.
Unterschiedliche Merkmale der vorliegenden Offenbarung können auch beschrieben werden unter Bezugnahme auf das Modellieren oder Simulieren des Rohrens eines Bohrloches, basierend auf zumindest einem der drei möglichen Bohrmodi. Siehe zum Beispiel 17A. Ein erster Bohrmodus (Bohren eines geraden Loches) kann verwendet werden, um das Ausformen von Segmenten eines Bohrloches, welches einen Wert von DLS nahezu gleich Null aufweist, zu simulieren. Ein zweiter Bohrmodus (Anfangsbohren) kann verwendet werden, um das Ausformen von Segmenten eines Bohrloches zu simulieren, welche einen Wert von DLS größer als Null aufweisen und einen Wert von DLS, welcher entlang der Abschnitte einer damit verbundenen Sektion oder eines Segmentes des Bohrloches variiert. Ein dritter Bohrmodus (ansteigend oder abfallend) kann verwendet werden, um das Bohren von Segmenten eines Bohrloches zu simulieren, welche einen relativ konstanten Wert von DLS (positiv oder negativ) aufweisen, der von Null verschieden ist.
Die Begriffe "Grundlochdaten" und "Grundlochbohrbedingungen" können umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, Bohrlochdaten und Formationsdaten, so wie sie beispielsweise im Anhang A aufgelistet sind. Die Begriffe "Grundlochdaten" und "Grundlochbohrbedingungen" können ebenso umfassen, aber sind nicht beschränkt auf, Bohrausrüstungsbetriebsdaten, so wie sie beispielsweise im Anhang A aufgelistet sind.
Die Begriffe "Konstruktionsparameter", "Betriebsparameter", "Bohrlochparameter" und "Formationsparameter" können manchmal verwendet werden, um auf die jeweiligen Typen von Daten, so wie sie beispielsweise im Anhang A aufgelistet sind, Bezug zu nehmen. Die Begriffe "der Parameter" und "die Parameter" können verwendet werden, um einen Bereich von Daten oder mehrere Bereiche von Daten zu beschreiben. Die Begriffe "betrieben" und "betriebsmäßig" können manchmal synonym verwendet werden.
Richtbohrausrüstung kann verwendet werden, um Bohrlöcher auszuformen, welche eine große Variation von Profilen oder Trajektorien aufweisen. Das Richtbohrsystem 20 und das Bohrloch 60, so wie sie in 1A gezeigt sind, können verwendet werden, um unterschiedliche Merkmale der vorliegenden Offenbarung bezüglich des Simulierens des Rohrens des gesamten oder von Abschnitten eines Bohrloches und bezüglich des Konstruierens und Auswählens von Bohrausrüstung, so wie beispielsweise eines Drehbohrmeißels, zumindest teilweise basierend auf solchen Simulationen zu beschreiben.
Das Richtbohrsystem 20 kann einen Landbohrturm 22 umfassen. Die Lehre der vorliegenden Offenbarung kann jedoch befriedigend verwendet werden, um das Bohren von Bohrlöchern zu simulieren unter Verwendung von Bohrsystemen, welche mit Offshore-Plattformen, Halb-tauchenden, Bohrschiffen und jeglichen anderen Bohrsystemen verbunden sind, welche geeignet sind zum Ausformen eines Bohrloches, welches sich durch eine oder mehrere Grundlochformationen hindurch erstreckt. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf Richtbohrsysteme oder Landbohrtürme.
Der Bohrturm 22 und die damit verbundene Richtbohrausrüstung 50 können in der Nähe des Bohrlochkopfes 24 angeordnet sein. Der Bohrturm 22 umfasst auch einen Drehtisch 38, einen Drehantriebsmotor 40 und andere Ausrüstung, welche mit der Rotation des Bohrstranges 32 innerhalb des Bohrloches 60 verbunden ist. Ein Ring 66 kann zwischen der Außenseite des Bohrstranges 32 und dem Innendurchmesser des Bohrloches 60 ausgeformt sein.
Für einige Anwendungen kann der Bohrturm 22 ebenso einen Spitzenantriebsmotor oder eine Spitzenantriebseinheit 42 umfassen. Bohrlochausbruchverhinderer (engl. blow out preventors) (nicht ausdrücklich gezeigt) und andere Ausrüstung, die verbunden ist mit dem Bohren von Bohrlöchern, kann ebenso an dem Bohrlochkopf 24 vorgesehen sein. Eine oder mehrere Pumpen 26 können verwendet werden, um die Bohrflüssigkeit 28 von einem Fluidreservoir oder einer Grube zu einem Ende des Bohrstranges 32, welcher sich von dem Bohrlochkopf 24 aus erstreckt, zu pumpen. Eine Leitung 34 kann verwendet werden, um Bohrschlamm von der Pumpe 26 zu einem Ende des Bohrstranges 32, der sich von dem Bohrlochkopf 24 aus erstreckt, zu pumpen. Eine Leitung 36 kann verwendet werden, um die Bohrflüssigkeit, die Formationsschnitte und/oder den Grundlochschutt von dem Boden oder dem Ende 32 des Bohrloches 60 zu dem Fluidreservoir oder der Grube 30 zurück zu führen. Unterschiedliche Typen von Rohren, Röhren und/oder Leitungen können verwendet werden, um die Leitungen 34 und 36 auszuformen.
Der Bohrstrang 32 kann sich von dem Bohrlochkopf 24 aus erstrecken und kann mit einer Zufuhr von Bohrflüssigkeit, so wie beispielsweise einer Grube oder einem Reservoir 30, gekoppelt sein. Das gegenüberliegende Ende des Bohrstranges 32 kann eine Grundlochanordnung 90 und einen Drehbohrmeißel 100 umfassen, welcher angrenzend an das Ende 62 des Bohrloches 60 angeordnet ist. Wie nachfolgend detaillierter diskutiert werden wird, kann der Drehbohrmeißel 100 eine oder mehrere Fluidflussdurchgänge umfassen, wobei die jeweiligen Düsen darin eingesetzt sind. Unterschiedliche Typen von Bohrflüssigkeiten können von dem Reservoir 30 durch die Pumpe 26 und die Leitung 34 zu dem Ende des Bohrstranges 32, welcher sich von dem Bohrlochkopf 24 aus erstreckt, gepumpt werden. Die Bohrflüssigkeit kann durch eine Längsbohrung (nicht ausdrücklich gezeigt) des Bohrstranges 32 hindurchfließen und aus Düsen, welche in dem Drehbohrmeißel 100 eingeformt sind, austreten.
An dem Ende 62 des Bohrloches 60 kann sich Bohrflüssigkeit mit den Formationsschnitten und anderem Grundlochschutt in der Nähe des Bohrmeißels 100 mischen. Die Bohrflüssigkeit wird dann aufwärts durch den Ring 66 fließen, um die Formationsschnitte und anderen Grundlochschutt zu dem Bohrlochkopf 24 zurückzufördern. Die Leitung 36 kann die Bohrflüssigkeit zu dem Reservoir 30 zurückbringen. Unterschiedliche Typen von Rechen, Filtern und/oder Zentrifugen (nicht ausdrücklich gezeigt) können vorgesehen sein, um die Formationsschnitte und anderen Grundlochschutt vor dem Zurückführen der Bohrflüssigkeit zu der Grube 30 zu entfernen.
Die Grundlochanordnung 90 kann unterschiedliche Komponenten umfassen, welche mit einem System zum Messen während des Bohrens (MWD) verbunden sind, welches ein Erfassen von Daten und anderen Informationen von dem Boden des Bohrloches 60 zu der gerichteten Bohrausrüstung 50 bereitstellt. Die Erfassungsdaten und andere Informationen können von dem Ende 62 des Bohrloches 60 durch den Bohrstrang 32 unter Verwendung von MWD-Techniken kommuniziert werden und an der Bohrlochoberfläche 24 in elektrische Signale umgewandelt werden. Elektrische Leitungen oder Drähte 52 können die elektrischen Signale zu einer Eingangsvorrichtung 54 kommunizieren. Die Erfassungsdaten, welche von der Eingangsvorrichtung 54 bereitgestellt werden, können dann auf ein Datenverarbeitungssystem 56 gerichtet werden. Unterschiedliche Anzeigen 58 können als ein Teil der gerichteten Bohrausrüstung 50 vorgesehen sein.
Für einige Anwendungen können auch Drucker 59 und die damit verbundene Ausdrucke 59a verwendet werden, um die Leistung des Bohrstranges 32, der Grundlochanordnung 90 und dem damit verbundenen Drehbohrmeißel 100 zu überwachen. Die Ausgänge 57 können an unterschiedliche Komponenten kommuniziert werden, welche mit dem betriebenen Bohrturm 22 verbunden sind und können auch an unterschiedliche, entfernt liegende Orte kommuniziert werden, um die Leistung des Richtbohrsystems 20 zu überwachen.
Das Bohrloch 60 kann im Allgemeinen als ein gerichtetes Bohrloch beschrieben werden oder als ein abweichendes Bohrloch, welches mehrere Segmente oder Sektionen aufweist. Die Sektion 60a des Bohrloches 60 kann durch die Verkleidung 64 definiert werden, welche sich von dem Bohrlochkopf 24 aus zu einem ausgewählten Ort des Grundlochs erstreckt. Die verbleibenden Abschnitte des Bohrloches 60, so wie sie in 1A gezeigt sind, können im Allgemeinen als ein "offenes Loch" oder "unverkleidet" beschrieben werden.
Die Lehre der vorliegenden Offenbarung kann verwendet werden, um das Bohren einer großen Vielzahl von vertikalen, gerichteten, abgewichenen, schräg stehenden und/oder horizontalen Bohrlöchern zu simulieren. Die Lehre der vorliegenden Offenbarung ist nicht beschränkt auf das Simulieren des Rohrens von Bohrlöchern 60, des Konstruierens von Bohrmeißeln zur Verwendung beim Bohren von Bohrlöchern 60 oder des Auswählens von Bohrmeißeln aus existierenden Konstruktionen für die Verwendung im Bohren eines Bohrloches 60.
Das Bohrloch 60, so wie es in 1A gezeigt ist, kann im Allgemeinen beschrieben werden als Mehrfachsektionen, Segmente oder Abschnitte aufweisend mit den jeweiligen Werten von DLS. Die Neigungsrate des Drehbohrmeißels 100 während des Ausformen des Bohrloches 60 wird für jedes Segment, jede Sektion oder jeden Abschnitt des Bohrloches 60 eine Funktion von DLS mal der Penetrationsrate für den Drehbohrmeißel 100 während der Ausformung des jeweiligen Segments, der Sektion oder des Abschnittes. Die Neigungsrate des Drehbohrmeißels 100 während der Ausformung einer geraden Lochsektion oder einer vertikalen Sektion 80a und einer horizontalen Sektion 80c wird näherungsweise gleich Null sein.
Die Sektion 60a, welche sich von dem Bohrlochkopf 24 aus erstreckt, kann im Allgemeinen beschrieben werden als eine vertikale, gerade Lochsektion mit einem Wert von DLS von nahezu gleich Null. Wenn der Wert von DLS Null ist, wird der Drehbohrmeißel 100 während des Ausformens der dazu korrespondierenden Sektion des Bohrloches 60 eine Neigungsrate von nahezu Null aufweisen.
Eine erste Überleitung von der vertikalen Sektion 60a kann beschrieben werden als eine Anfangssektion 60b. Für einige Anwendungen kann der Wert von DLS für die Anfangssektion 60b größer als Null sein und kann von dem Ende der vertikalen Sektion 60a zum Beginn des zweiten Überleitungssegmentes oder einer ansteigenden Sektion 60c variieren. Die ansteigende Sektion 60c kann mit einem relativ konstanten Radius 70c und einen im Wesentlichen konstanten Wert von DLS ausgeformt sein. Die ansteigende Sektion 60c kann ebenso als eine dritte Sektion 60c des Bohrloches 60 bezeichnet werden.
Die vierte Sektion 60d kann sich von der ansteigenden Sektion 60c gegenüberliegend zu der zweiten Sektion 60b erstrecken. Die vierte Sektion 60b kann beschrieben werden als ein schräg stehender Lochabschnitt des Bohrloches 60. Die Sektion 60d kann ein DLS von nahezu Null haben. Die vierte Sektion 60d kann auch als eine "haltende" Sektion bezeichnet werden.
Die fünfte Sektion 60e kann an dem Ende der haltenden Sektion 60d beginnen. Die fünfte Sektion 60e kann beschrieben werden als eine "abfallende" Sektion, welche ein im Allgemeinen abwärts zeigendes Profil aufweist. Die abfallende Sektion 60e kann einen relativ konstanten Radius 70e aufweisen.
Die sechste Sektion 60f kann auch als eine Haltesektion oder eine schräg stehende Lochsektion mit einem DLS von nahezu Null beschrieben werden. Die Sektion 60f, so wie sie in 1A gezeigt ist, ist durch den Drehbohrmeißel 100, den Bohrstrang 32 und die damit verbundenen Komponenten des Bohrsystems 20 geformt.
1B ist eine grafische Darstellung eines spezifischen Typus eines gerichteten Bohrloches, welches durch das Bohrloch 80 repräsentiert ist. Dieses beispielhafte Bohrloch 80 kann drei Segmente oder drei Sektionen umfassen – eine vertikale Sektion 80a, eine ansteigende Sektion 80b und eine horizontale Sektion 80c. Die vertikale Sektion 80a und die horizontale Sektion 80c können gerade Löcher sein mit einem Wert von DLS von nahezu gleich Null. Die ansteigende Sektion 80b kann einen konstanten Radius aufweisen korrespondierend zu einer konstanten Veränderungsrate in Grad von der Vertikalen und einem konstanten Wert von DLS. Die Anstiegsrate der ansteigenden Sektion 80b kann konstant sein, wenn das ROP eines Bohrmeißels, welcher die ansteigende Sektion 80b ausformt, konstant bleibt.
Der Lauf oder die Bewegung eines Drehbohrmeißels und der damit verbundenen Bohrausrüstung in drei Dimensionen (3D), während des Ausformens eines Segments, einer Sektion oder eines Abschnitts eines Bohrloches kann durch ein kartesisches Koordinatensystem (X, Y und Z Achsen) und/oder ein sphärisches Koordinatensystem (zwei Winkel φ und θ und ein einzelner Radius ρ) in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung definiert sein. Beispiele von kartesischen Koordinatensystemen sind in 2A und 3A–3C gezeigt. Beispiele von sphärischen Koordinatensystemen sind in den 15A und 16 gezeigt. Unterschiedliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung können das Übertragen des Ortes der Grundlochbohrausrüstung und der daran angrenzenden Abschnitte eines Bohrloches von einem kartesischen Koordinatensystem in ein sphärisches Koordinatensystem umfassen. 15A zeigt ein Beispiel des Übertragens des Ortes eines einfachen Punktes zwischen einem kartesischen Koordinatensystem und einem sphärischen Koordinatensystem.
1C zeigt ein Beispiel eines Systems, welches dazu betrieben werden kann, die Bohrung eines komplexen, gerichteten Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre dieser vorliegenden Offenbarung zu simulieren. Das System 300 kann eine oder mehrere Bearbeitungsressourcen 310 umfassen, welche dazu in der Lage sind, Software und Computerprogramme ablaufen zu lassen, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen. Ein Universalcomputer kann als eine Bearbeitungsressource verwendet werden. Die gesamte oder Abschnitte der Software und der Computerprogramme, welche durch die Bearbeitungsressource 310 verwendet werden, können in einer oder mehreren Speicherressourcen 320 gespeichert werden. Eine oder mehrere Eingangsvorrichtungen 330 können betrieben werden, um Daten und andere Informationen zu den Bearbeitungsressourcen 310 und/oder Speicherressourcen 320 zuzuführen. Eine Tastatur, ein Tastenfeld, ein berührungsempfindlicher Bildschirm und andere digitale Eingangsmechanismen können als Eingabegerät verwendet werden. Beispiele solcher Daten sind in der Anlage A gezeigt.
Die Bearbeitungsressourcen 310 können betreibbar sein, um das Bohren eines gerichteten Bohrlochs in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu simulieren. Die Bearbeitungsressourcen 310 können betrieben werden, um unterschiedliche Algorithmen zu verwenden, um Berechnungen oder Abschätzungen basiert auf solchen Simulationen zu verwenden.
Anzeigenressourcen 340 können betreibbar sein, um sowohl die in die Bearbeitungsressourcen 310 eingegebenen Daten anzuzeigen, als auch die Resultate der Simulationen und/oder Berechnungen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden. Eine Kopie der eingegebenen Daten und Resultate solcher Simulationen und Berechnungen können auch auf einen Drucker 350 ausgegeben werden.
Für einige Anwendungen können die Bearbeitungsressourcen 310 verbunden mit einem Kommunikationsnetzwerk 360 betreibbar sein, um Eingaben von entfernt liegenden Orten zu akzeptieren und um die Resultate der Simulation und der damit verbundenen Berechnungen an entfernt liegenden Orten bereitzustellen und/oder an Einrichtungen, wie beispielsweise die Richtbohrausrüstung 50, welche in 1A gezeigt ist.
Ein kartesisches Koordinatensystem umfasst im Allgemeinen eine Z-Achse und eine X-Achse und eine Y-Achse, welche sich senkrecht zueinander und senkrecht zu der Z-Achse erstrecken. Siehe zum Beispiel 2A. Ein kartesisches Meißelkoordinatensystem kann durch eine Z-Achse definiert sein, welche sich entlang einer Rotationsachse oder einer Meißelrotationsachse des Drehbohrmeißels erstreckt. Siehe 2A. Ein kartesisches Lochkoordinatensystem (manchmal als ein "Grundlochkoordinatensystem" oder als ein "Bohrlochkoordinatensystem" bezeichnet) kann durch eine Z-Achse definiert sein, welche sich entlang einer Rotationsachse des Bohrloches erstreckt. Siehe 3B. In 2A umfassen die X-, Y- und Z-Achsen die tiefgestellte Bezeichnung _(b), um ein "Meißelkoordinatensystem" anzudeuten. In den 3A, 3B und 3C umfassen die X-, Y- und Z-Achsen eine tiefgestellte Bezeichnung _(h), um ein "Lochkoordinatensystem" anzuzeigen.
2A ist eine schematische Zeichnung, welche einen Drehbohrmeißel 100 zeigt. Der Drehbohrmeißel 100 kann einen Meißelkörper 120 umfassen, welcher eine Mehrzahl von Blättern 128 mit jeweiligen Abfallschlitzen oder Fluidflusspfaden 140, welche dazwischen eingeformt sind, aufweist. Eine Mehrzahl von Fräselementen 130 kann an den äußeren Abschnitten eines jeden Blattes 128 angeordnet sein. Unterschiedliche Parameter, welche mit dem Drehbohrmeißel 100 verbunden sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, den Ort und die Konfiguration der Blätter 128, der Abfallschlitze 140 und der Fräselemente 130. Solche Parameter können in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung für eine optimale Leistung des Drehbohrmeißels 100 beim Ausformen von Abschnitten eines Bohrloches konstruiert sein.
Jedes Blatt 128 kann eine jeweilige Spuroberfläche (engl. gage surface) oder einen Spurabschnitt 154 (engl. gage portion) umfassen. Die Spuroberfläche 154 kann eine aktive Spur oder eine passive Spur sein. Der jeweilige Spurmeißel 130g (engl. gage cutter) kann an jedem Blatt 128 angeordnet sein. Auch eine Mehrzahl von Stoßableitern 142 kann an jedem Blatt 128 angeordnet sein. Zusätzliche Informationen bezüglich der Stoßableiter kann in den U.S. Patenten 6,003,623 , 5,595,252 und 4,889,017 gefunden werden.
Der Drehbohrmeißel 100 kann sich linear relativ zu den X, Y- und Z-Achsen, wie in 2A gezeigt, verschieben (drei (3) Freiheitsgrade). Der Drehbohrmeißel 100 kann auch relativ zu den X-, Y- und Z-Achsen rotieren (drei (3) zusätzliche Freiheitsgrade). Als ein Resultat kann die Bewegung des Drehbohrmeißels 100 relativ zu den X-, Y- und Z-Achsen wie in den 2A und 2B gezeigt, so beschrieben werden, dass der Drehbohrmeißel 100 sechs (6) Freiheitsgrade aufweist.
Der Lauf oder die Bewegung eines Drehbohrmeißels während des Ausformens eines Bohrloches kann vollständig bestimmt oder definiert werden durch sechs (6) Parameter korrespondierend zu den vorhergehend genannten sechs Freiheitsgraden. Die sechs Parameter, wie sie in 2A gezeigt sind, umfassen die Rate der linearen Bewegung oder der Verschiebung des Drehbohrmeißels 100 relativ jeweils zu den X-, Y- und Z-Achsen und der Drehbewegung relativ zu den gleichen X-, Y- und Z-Achsen. Diese sechs Parameter sind unabhängig voneinander.
Für das Bohren eines geraden Loches können diese sechs Parameter reduziert werden auf die Umdrehungen pro Minute (RPM) und die Penetrationsrate (ROP). Für das Bohren des Anfangssegmentes können diese sechs Parameter reduziert werden auf RPM, ROP, Knickgrad (DLS), Kurvenlänge (B_L) und Azimuthwinkel einer damit verbundenen Neigungsebene. Siehe Neigungsebene 170 in der 3B. Für das Gleichgewichtsbohren können diese sechs Parameter reduziert werden auf RPM, ROP und DLS, basierend auf der Annahme, dass sich die Rotationsachse des damit verbundenen Drehbohrmeißels in der gleichen vertikalen Ebene oder angeschrägten Ebene bewegen wird.
Für Berechnungen, die sich auf die Lenkbarkeit beziehen, werden nur Kräfte, welche in einer damit verbundenen Neigungsebene wirken, berücksichtigt. Daher kann ein willkürlicher Azimuthwinkel typischerweise als gleich Null ausgewählt werden. Denn Berechnungen, welche sich auf die Meißelgangkräfte in der damit verbundenen Neigungsebene und auf Kräfte in einer Ebene senkrecht zu der Neigungsebene beziehen, werden berücksichtigt.
In einem Meißelkoordinatensystem korrespondiert die Rotationsachse oder die Meißelrotationsachse 104a eines Drehbohrmeißels 100 im Allgemeinen mit der Z-Achse 104 des damit verbundenen Meißelkoordinatensystems. Wenn hinreichend große Kräfte von der Bohrstange 32 auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht wurden, werden die Fräser 130 in Eingriff kommen und die angrenzenden Abschnitte einer Grundlochformation an dem Bodenloch oder dem Ende 62 des Bohrloches 60 entfernen. Das Entfernen eines solchen Formationsmaterials wird es der Grundlochbohrausrüstung umfassend den Drehbohrmeißel 100 und dem damit verbundenen Bohrstrang 32 ermöglichen, geneigt zu werden oder linear relativ zu den angrenzenden Abschnitten des Bohrloches 60 bewegt zu werden.
Unterschiedliche kinematische Parameter, welche mit dem Ausformen eines Bohrloches unter Verwendung eines Drehbohrmeißels verbunden sind, können basiert werden auf die Umdrehungszahl pro Minute (RPM) und die Penetrationsrate (ROP) des Drehbohrmeißels in angrenzenden Abschnitten einer Grundlochformation. Der Pfeil 110 kann verwendet werden, um die Kräfte zu repräsentieren, welche den Drehbohrmeißel 100 linear relativ zu der Rotationsachse 104a bewegen. Solche linearen Kräfte resultieren typischerweise aus dem Gewicht, welches durch den Bohrstrang 82 auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht wird und werden als "Gewicht auf dem Meißel" oder WOB bezeichnet wird.
Eine Rotationskraft 112 kann durch die Rotation des Bohrstranges 32 auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht werden. Die Umdrehungen pro Minute (RPM) des Drehbohrmeißels 100 können eine Funktion der Rotationskraft 112 sein. Die Drehgeschwindigkeit (RPM) des Bohrmeißels 100 ist im Allgemeinen relativ zu der Rotationsachse des Drehbohrmeißels 100 definiert, welche zu der Z-Achse 104 korrespondiert.
Der Pfeil 116 zeigt die Rotationskräfte an, welche auf den Drehbohrmeißel 100 relativ zu der X-Achse 106 aufgebracht werden können. Der Pfeil 118 zeigt die Rotationskräfte an, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 relativ zu der Y-Achse 108 aufgebracht werden können. Die Rotationskräfte 116 und 118 können aus einer Interaktion zwischen den Fräsern 130 resultieren, welche an den äußeren Abschnitten des Bohrmeißels 100 und den angrenzenden Abschnitten des Bodenloches 62 während des Ausformens des Bohrloches 60 angeordnet sind. Die Rotationskräfte, die auf den Drehbohrmeißel 100 entlang der X-Achse 106 und der Y-Achse 108 aufgebracht werden, können in einem Schrägstellen des Drehbohrkopfes 100 relativ zu den angrenzenden Abschnitten des Bohrstranges 32 und des Bohrloches 60 resultieren.
2B ist eine schematische Zeichnung, welche einen Drehbohrmeißel 100 zeigt, welcher innerhalb einer vertikalen Sektion oder einer geraden Lochsektion 60a des Bohrloches 60 angeordnet ist. Während des Rohrens einer vertikalen Sektion oder jeglicher anderer gerader Lochsektionen eines Bohrloches wird die Meißelrotationsachse des Drehbohrmeißels 100 im Allgemeinen mit einer dazu korrespondierenden Rotationsachse der geraden Lochsektion ausgerichtet sein. Die inkrementelle Veränderung oder die inkrementelle Bewegung des Drehbohrmeißels 100 in einer linearen Richtung während einer einzigen Umdrehung kann in 2B durch ΔZ repräsentiert werden.
Die Penetrationsrate (ROP) eines Drehbohrmeißels ist typischerweise eine Funktion sowohl des Gewichtes auf dem Meißel (WOB) als auch der Umdrehungen pro Minute (RPM). Für einige Anwendungen kann ein Grundlochmotor (nicht ausdrücklich gezeigt) als ein Teil der Bodenlochanordnung 90 vorgesehen sein, um auch den Drehbohrmeißel 100 zu drehen.
Die Penetrationsrate eines Drehbohrmeißels wird im Allgemeinen in Fuß pro Stunde angegeben.
Die axiale Penetration eines Drehbohrmeißels 100 kann relativ zu der Meißelrotationsachse 104 in einem damit verbundenen Meißelkoordinatensystem definiert sein. Eine Seitenpenetrationsrate oder eine laterale Penetrationsrate eines Drehbohrmeißels 100 kann relativ zu einem damit verbundenen Lochkoordinatensystem definiert sein. Beispiele eines Lochkoordinatensystems sind in 3A, 3B und 3C gezeigt. 3A ist eine schematische Darstellung eines Modells, welches eine Seitenkraft 114 aufweist, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 relativ zu der X-Achse 106 und der Y-Achse 108 aufgebracht wird. Ein Winkel 72, welcher zwischen dem Kraftvektor 114 und der X-Achse 106 ausgeformt ist, kann näherungsweise zu dem Winkel 172 korrespondieren, welcher mit der Neigungsebene 170, so wie sie in 3B gezeigt ist, verbunden ist. Eine Neigungsebene kann als eine Ebene definiert sein, welche sich von einer damit verbundenen Z-Achse oder einer vertikalen Achse erstreckt, in welcher ein Knickgrad (DLS) oder ein Neigen des Drehbohrmeißels auftritt.
Unterschiedliche Kräfte können auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht werden, um eine Bewegung relativ zu der X-Achse 106 und der Y-Achse 108 hervorzurufen. Solche Kräfte können auf den Drehbohrmeißel 100 durch eine oder mehrere Komponenten eines Richtbohrsystems aufgebracht werden, welches in der Bodenlochanordnung 90 umfasst ist. Siehe 4A, 4B, 5A und 5B. Unterschiedliche Kräfte können auch auf einen Drehbohrmeißel 100 relativ zur X-Achse 106 und zur Y-Achse 108 in Antwort auf ein Eingreifen zwischen den Fräsern 130 und den angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches aufgebracht werden.
Während des Rohrens von geraden Lochsegmenten des Bohrloches 60 können Seitenkräfte, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 aufgebracht werden, im Wesentlichen minimiert werden (nahezu Null Seitenkräfte) oder können so balanciert werden, dass der resultierende Wert einer jeden Seitenkraft nahezu Null werden wird. Gerade Lochsegmente des Bohrloches 60, so wie sie in 1A gezeigt sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine vertikale Sektion 60a, eine Haltesektion oder eine Schräglochsektion 60d, und eine Haltesektion oder eine Schräglochsektion 60f.
Einer der Vorteile der vorliegenden Offenbarung kann die Möglichkeit umfassen, einen Drehbohrmeißel zu konstruieren, welcher während des Rohrens eines geraden Lochsegmentes eines Bohrloches entweder im Wesentlichen Null Seitenkräfte oder balancierte Seitenkräfte aufweist. Als ein Resultat können jegliche Seitenkräfte, welche auf einen Drehbohrmeißel durch die damit verbundenen Fräser aufgebracht werden, im Wesentlichen balanciert und/oder auf einen geringen Wert reduziert sein, so dass der Drehbohrmeißel 100 entweder eine Null-Tendenz zum Gang oder eine neutrale Tendenz zum Gang relativ zu der vertikalen Achse aufweist.
Während der Formation von geraden Lochsegmenten des Bohrloches 60 wird die primäre Richtung der Bewegung oder der Verschiebung des Drehbohrmeißels 100 im Allgemeinen linear sein relativ zu einer damit verbundenen Längsachse des jeweiligen Bohrlochsegmentes und relativ zu der damit verbundenen Meißelrotationsachse 104a. Siehe 2B. Während des Rohrens von Abschnitten des Bohrloches 60, welche ein DLS mit einem Wert größer als Null oder kleiner als Null aufweisen, kann eine Seitenkraft (F_s) oder eine äquivalente Seitenkraft auf den Drehbohrmeißel aufgebracht werden, um das Ausformen der damit korrespondierenden Bohrlochsegmente 60b, 60c und 60e hervorzurufen.
Für einige Anwendungen, beispielsweise wenn ein Richtbohrsystem mit Meißelvorschub mit einem Drehbohrmeißel verwendet wird, kann eine aufgebrachte Seitenkraft in einer Kombination von Meißelneigung und Seitenfräsen oder lateraler Penetration der angrenzenden Abschnitte eines Bohrloches resultieren. Für andere Anwendungen, beispielsweise wenn ein Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung mit einem damit verbundenen Drehbohrmeißel verwendet wird, kann ein Seitenfräsen oder eine laterale Penetration im Allgemeinen sehr gering sein oder sogar nicht einmal auftreten. Wenn ein Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung mit einem Drehbohrmeißel verwendet wird, können gerichtete Abschnitte eines Bohrloches zunächst als ein Resultat der Meißelpenetration entlang einer damit verbundenen Meißelrotationsachse und eines Neigens des Drehbohrmeißels relativ zu einer vertikalen Achse geformt sein.
3A, 3B und 3C sind grafische Darstellungen unterschiedlicher kinematischer Parameter, welche befriedigend verwendet werden können, um Bohrsegmente oder Abschnitte eines Bohrloches, welches einen Wert von DLS größer als Null aufweist, zu modellieren oder zu simulieren. 3A zeigt einen schematischen Querschnitt eines Drehbohrmeißels 100 in zwei Dimensionen relativ zu einem kartesischen Meißelkoordinatensystem. Das Meißelkoordinatensystem ist teilweise durch die X-Achse 106 und die Y-Achse 108 definiert, welche sich von der Meißelrotationsachse 104 aus erstrecken. 3B und 3C zeigen grafische Darstellungen des Drehbohrmeißels 100 während des Rohrens eines Überleitungssegmentes wie beispielsweise eines Anfangssegmentes 60b des Bohrloches 60 in einem kartesischen Lochkoordinatensystem, welches teilweise durch die Z-Achse 74, X-Achse 76 und Y-Achse 78 definiert ist.
Eine Seitenkraft wird im Allgemeinen auf einen Drehbohrmeißel aufgebracht durch ein damit verbundenes Richtbohrsystem zur Ausformung eines Bohrlochs, welches unter Verwendung des Drehbohrmeißels ein gewünschtes Profil oder eine Trajektorie aufweist ausgeformt. Für einen gegebenen Satz von Bohrausrüstungskonstruktionsparametern und einen gegebenen Satz von Grundlochbohrbedingungen muss eine jeweilige Seitenkraft auf einen damit verbundenen Drehbohrmeißel aufgebracht werden, um ein gewünschtes DLS oder eine Neigungsrate zu erreichen. Daher kann, durch das Ausformen eines gerichteten Bohrlochs unter Verwendung eines Richtbohrsystems mit Meißelausrichtung, ein Richtbohrsystem mit Meißelvorschub oder ein jegliches anderes Richtbohrsystem unter Verwendung im Wesentlichen des gleichen Modells, welches die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst, durch das Bestimmen einer erforderlichen Meißelseitenkraft simuliert werden, um ein erwartetes DLS oder eine Neigungsrate für jedes Segment eines gerichteten Bohrloches zu erreichen.
3A zeigt die Seitenkraft 114, welche sich in einem Winkel 72 relativ zu der X-Achse 106 erstreckt. Die Seitenkraft 114 kann auf einen Drehbohrmeißel 100 durch ein Richtbohrsystem 20 aufgebracht werden. Der Winkel 72, (manchmal als "Azimuth"-Winkel bezeichnet) erstreckt sich von der Rotationsachse 104 eines Drehbohrmeißels 100 aus und repräsentiert den Winkel, unter welchem die Seitenkraft 114 auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht wird. Für einige Anwendungen kann die Seitenkraft 114 auf einen Drehbohrmeißel 100 bei einem relativ konstanten Azimuth-Winkel aufgebracht werden.
Die Seitenkraft 114 wird typischerweise in einer seitlichen Bewegung des Drehbohrmeißels 100 relativ zu den angrenzenden Abschnitten des Bohrloches 60 resultieren. Richtbohrsysteme, wie beispielsweise Drehbohrmeißellenkeinheiten, welche in den 4A und 5A gezeigt sind, können verwendet werden, um entweder den Betrag der Seitenkraft 114 zu variieren oder um einen relativ konstanten Betrag an Seitenkraft 114 aufrecht zu erhalten, welche auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht wird. Richtbohrsysteme können auch in dem Azimuth-Winkel variieren, bei welchem eine Seitenkraft so aufgebracht wird, dass sie zu einer gewünschten Bohrlochtrajektorie korrespondiert.
Die Seitenkraft 114 kann angepasst oder variiert werden, um die damit verbundenen Fräser 130 dazu zu bringen, mit den angrenzenden Abschnitten einer Grundlochformation so zu interagieren, dass der Drehbohrmeißel 100 dem Profil oder der Trajektorie 68b, so wie sie in 3B gezeigt ist, oder jeglichem anderen gewünschten Profil folgt. Das Profil 68b kann näherungsweise mit einer Längsachse korrespondieren, welche sich durch das Anfangssegment 60b hindurch erstreckt. Der Drehbohrmeißel 100 wird sich während der Formation des Anfangssegmentes 60b im Allgemeinen nur in einer Neigungsebene 170 bewegen, wenn der Drehbohrmeißel 100 eine Null-Gang-Tendenz oder neutrale Gang-Tendenz aufweist. Die Neigungsebene 170 kann auch als eine "Azimuth-Ebene" bezeichnet werden.
Die jeweiligen Neigungswinkel (nicht ausdrücklich gezeigt) des Drehbohrmeißels 100 werden entlang der Länge der Trajektorie 68b variieren. Jeder Neigungswinkel des Drehbohrmeißels 100, so wie er in einem Lochkoordinatensystem (Z_h, X_h, Y_h) definiert ist, wird im Allgemeinen in der Neigungsebene 170 liegen. Wie vorher festgehalten wurde, wird während der Formation eines Anfangssegmentes eines Bohrloches, der Neigungswinkel in Grad pro Stunde, so wie durch den Pfeil 174 angedeutet, auch entlang der Trajektorie 68b ansteigen. Zur Verwendung in der Simulation des Ausformens des Anfangssegmentes 60b können die Seitenpenetrationsrate, der Seitenpenetrations-Azimuth-Winkel, die Neigungsrate und der Neigungsebenen-Azimuth-Winkel in einem Lochkoordinatensystem definiert sein, welches die Z-Achse 74, die X-Achse 76 und die Y-Achse 78 umfasst.
Der Pfeil 174 korrespondiert zu der variablen Neigungsrate des Drehbohrmeißels 100 relativ zu der Vertikalen an jedem Ort entlang der Trajektorie 68b. Während der Bewegung des Drehbohrmeißels 100 entlang des Profils oder der Trajektorie 68a wird der jeweilige Neigungswinkel an jedem Ort der Trajektorie 68a im Allgemeinen relativ zu der Z-Achse 74 des Lochkoordinatensystems ansteigen, welches in 3B gezeigt ist. Für die Ausführungsbeispiele, so wie sie in 3B gezeigt sind, wird der Neigungswinkel an jedem Punkt der Trajektorie 68b nahezu gleich zu einem Winkel, welcher durch eine jeweilige Tangente geformt ist, welche sich von dem fraglichen Punkt aus erstreckt und die Z-Achse 74 schneidet. Daher wird die Neigungsrate auch entlang der Länge der Trajektorie 168 variieren.
Während der Formation des Anfangssegmentes 60b und eines jeglichen anderen Abschnittes eines Bohrloches, in welchem der Wert von DLS entweder größer als oder kleiner als Null und nicht konstant ist, kann der Drehbohrmeißel 100 eine Seitenfräsbewegung, eine Meißelneigungsbewegung und eine axiale Penetration in einer Richtung erfahren, welche mit dem Fräsen oder Entfernen des Formationsmaterials von dem Ende oder Boden eines Bohrloches verbunden ist.
Für die Ausführungsbeispiele, so wie sie in den 3A, 3B und 3C gezeigt sind, kann ein Richtbohrsystem 20 den Drehbohrmeißel 100 dazu bringen, sich während der Formation des Anfangssegmentes 60b in der gleichen Azimuth-Ebene 170 zu bewegen. 3B und 3C zeigen relativ konstante Azimuth-Ebenen-Winkel 172 relativ zu der X-Achse 76 und der Y-Achse 78. Der Pfeil 114, wie er in 3B gezeigt ist, repräsentiert eine Seitenkraft, welche durch das Richtbohrsystem 20 auf einen Drehbohrmeißel 100 aufgebracht wird. Der Pfeil 114 wird sich im Allgemeinen senkrecht zu der Rotationsachse 104a des Drehbohrmeißels 100 erstrecken. Der Pfeil 114 wird auch in einer Neigungsebene 170 angeordnet sein. Eine Seitenkraft, welche auf einen Drehbohrmeißel in einer Neigungsebene durch eine damit verbundene Drehbohrmeißellenkeinheit oder ein gerichtetes Bohrungssystem aufgebracht wird, kann auch als eine "Lenkkraft" (engl. steer force) bezeichnet werden.
Während der Formation eines gerichteten Bohrloches, so wie es in 3B gezeigt ist, kann, ohne Berücksichtigung des Meißelgangs, die Rotationsachse 104a eines Drehbohrmeißels 100 und eine Längsachse der Bodenlochanordnung 90 im Allgemeinen in der Neigungsebene 170 liegen. Der Drehbohrmeißel 100 wird eine Neigungsbewegung in der Neigungsebene 170 erfahren, während er sich relativ zu der Rotationsachse 104a dreht. Die Neigungsbewegung kann aus einer Seitenkraft oder Lenkkraft, welche auf den Drehbohrmeißel 100 aufgebracht wird, durch eine Richtungssteuerungseinheit resultieren, so wie sie in 4A und 4B oder 5A und 5B eines damit verbundenen Richtbohrsystems gezeigt ist. Die Neigungsbewegung resultiert aus einer Kombination von Seitenkräften und/oder axialen Kräften, welche durch ein gerichtetes Bohrsystem 20 auf einen Drehbohrmeißel 100 aufgebracht werden.
Wenn der Drehbohrmeißel 100 einen Gang aufweist, entweder nach links oder nach rechts, wird sich der Meißel 100 während der Ausbildung des Anfangssegmentes 60b im Allgemeinen nicht in der gleichen Azimuth-Neigungsebene 170 bewegen. Wie nachfolgend detaillierter unter Bezugnahme auf die 9 und 10 diskutiert werden wird, wird der Drehbohrmeißel 100 auch eine Gangkraft (F), wie sie durch den Pfeil 177 angedeutet ist, erfahren. Der Pfeil 177, so wie er in den 3B und 3C gezeigt ist, repräsentiert eine Gangkraft, welche den Drehbohrmeißel 100 dazu bringen wird, relativ zu der Neigungsebene 170 nach links zu "gehen". Simulationen des Ausformens eines Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung können verwendet werden um die Fräser, Meißelstirnflächenprofile, Spurelemente und andere Charakteristika eines Drehbohrmeißels zu modifizieren, um im Wesentlichen die Gangkraft zu reduzieren oder zu minimieren, welche durch den Pfeil 177 repräsentiert ist, oder um eine gewünschte Rechtsgangrate oder Linksgangrate bereitzustellen.
Unterschiedliche Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die Richtbohrausrüstung diskutiert werden, umfassend Drehbohrer, so wie sie in den 4A, 4B, 5A und 5B gezeigt sind. Diese Merkmale können unter Bezugnahme auf die vertikale Achse 74 oder die Z-Achse 74 eines kartesischen Lochkoordinatensystems, so wie es in 3B gezeigt ist, beschrieben werden. Während des Rohrens eines vertikalen Segmentes oder anderer Typen gerader Lochsegmente ist die vertikale Achse 74 im Allgemeinen ausgerichtet mit und korrespondierend zu einer damit verbundenen Längsachse des vertikalen Segmentes oder des geraden Lochsegmentes. Die vertikale Achse 74 wird auch im Allgemeinen ausgerichtet sein mit und korrespondierend zu einer damit verbundenen Meißelrotationsachse während eines solchen Rohrens eines geraden Loches.
4A zeigt Abschnitte einer Bodenlochanordnung 90a, welche in einem im Allgemeinen vertikalen Abschnitt 60a eines Bohrloches 60 angeordnet ist, wenn ein Drehbohrmeißel 100a beginnt das Anfangssegment 60b auszuformen. Die Bodenlochanordnung 90a kann eine Drehbohrmeißellenkeinheit 92a umfassen, welche betreibbar ist, um eine Seitenkraft 114 auf den Drehbohrmeißel 100a aufzubringen. Die Steuereinheit 92a kann eine Steuereinheit eines Richtbohrsystems mit Meißelvorschub sein.
Richtbohrsysteme mit Meißelvorschub erfordern im Allgemeinen eine simultane axiale Penetration und eine seitliche Penetration, um gerichtet zu bohren. Die Meißelbewegung, welche mit den Richtbohrsystemen mit Meißelvorschub verbunden ist, ist häufig eine Kombination aus axialer Meißelpenetration, Meißelrotation, Meißelseitenfräsen und Meißelneigung. Die Simulation des Ausformens eines Bohrloches unter Verwendung eines Richtbohrsystems mit Meißelvorschub basierend auf einem 3D-Modell, welches betreibbar ist, um die Meißelneigungsbewegung zu berücksichtigen, kann in einer genaueren Simulation resultieren. Einige der Vorteile des Verwendens einer 3D-Modells, welches betreibbar ist, um die Meißelneigungsbewegung in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu berücksichtigen wird unter Bezugnahme auf die 6A–6D diskutiert werden.
Eine Steuereinheit 92a kann den Arm 94a ausstrecken, um eine Kraft 114a auf die angrenzenden Abschnitte eines Bohrloches 60 aufzubringen und um den gewünschten Kontakt zwischen der Steuereinheit 92a und den angrenzenden Abschnitten des Bohrloches 60 aufrecht zu erhalten. Die Seitenkräfte 114 und 114a können nahezu gleich zueinander sein. Wenn kein Gewicht auf dem Drehbohrmeißel 100a liegt, wird am Ende oder an dem Bodenloch 62 des Bohrloches 60 keine axiale Penetration auftreten. Ein Seitenfräsen wird im Allgemeinen stattfinden, wenn Abschnitte des Drehbohrmeißels 100a in angrenzende Abschnitte des Bohrloches 60a eingreifen und sie entfernen.
4B zeigt unterschiedliche Parameter, welche mit einem Richtbohrsystem mit Meißelvorschub verbunden sind. Die Steuereinheit 92a wird im Allgemeinen eine gebogene Unteranordnung 96a umfassen. Eine breite Vielfalt von gebogenen Unteranordnungen (manchmal als "Biegungsuntergruppen" bezeichnet) kann befriedigend verwendet werden, um es dem Bohrstrang 32 zu ermöglichen, den Drehbohrmeißel 100 zu drehen, während die Steuereinheit 92a die erforderliche Kraft vorschiebt oder aufbringt, um den Drehbohrmeißel 100a in einer gewünschten Neigungsrate relativ zu der vertikalen Achse 74 zu bewegen. Der Pfeil 200 repräsentiert die Penetrationsrate relativ zu der Rotationsachse des Drehbohrmeißels 100a (ROP_a). Der Pfeil 202 repräsentiert die Rate der Seitenpenetration des Drehbohrmeißels 200 (ROP_s), wenn die Steuereinheit 92a den Drehbohrmeißel 100a entlang einer gewünschten Trajektorie oder einem Pfad schiebt oder leitet.
Die Neigungsrate 174 und der damit verbundene Neigungswinkel können für einige Abschnitte eines gerichteten Bohrloches relativ konstant bleiben, so wie beispielsweise für ein schräg stehendes Lochsegment oder ein horizontales Lochsegment. Für andere Abschnitte eines gerichteten Bohrloches kann die Neigungsrate 174 während der jeweiligen Abschnitte des Bohrloches ansteigen, wie beispielsweise für ein Anfangssegment. Die Biegungslänge 203a kann eine Funktion des Abstandes zwischen den den Arm 94a kontaktierenden angrenzenden Abschnitten des Bohrloches 60 und dem Ende des Drehbohrmeißels 100a sein.
Die Biegungslänge (L_Bend) kann als eine der Eingaben verwendet werden, um das Ausformen von Abschnitten eines Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu simulieren. Die Biegungslänge oder die Neigungslänge können im Allgemeinen als der Abstand von einem Drehachsenpunkt (engl. fulcrum point) einer damit verbundenen gebogene Unteranordnung bis zu einem am weitesten entfernten Ort an einer "Meißelstirnfläche" oder einem "Meißelstirnflächenprofil" eines damit verbundenen Drehbohrmeißels beschrieben werden. Der am weitesten entfernte Ort kann auch als das extreme Ende des damit verbundenen Drehbohrmeißels bezeichnet werden.
Einige Richtbohrtechniken und Systeme können keine gebogene Unteranordnung umfassen. Für solche Anwendungen kann die gebogene Länge als der Abstand von dem ersten Kontaktpunkt zwischen einer damit verbundenen Bodenlochanordnung mit den angrenzenden Abschnitten des Bohrloches bis zu einem extremen Ende einer Meißelstirnfläche an einem damit verbundenen Drehbohrmeißel angesehen werden.
Während des Ausformens einer Anfangssektion oder jeglichen anderen Abschnittes eines abgelenkten Bohrloches wird die axiale Penetration eines damit verbundenen Bohrmeißels in Antwort auf das Gewicht auf den Meißel (WOB) und/oder der axialen Kräfte, welche durch einen Grundlochbohrmotor auf den Bohrmeißel aufgebracht werden, auftreten. Auch wird die Meißelneigungsbewegung relativ zu einer gebogenen Unteranordnung, nicht Seitenfräsen oder lateraler Penetration, typischerweise in einer Seitenkraft oder einer lateralen Kraft resultieren, welche auf den Bohrmeißel als eine Komponente des WOB und/oder der axialen Kräfte aufgebracht wird, welche durch einen Grundlochbohrmotor aufgebracht werden. Daher ist die Meißelbewegung typischerweise eine Kombination von dem axialer Meißelpenetration und Meißelneigungsbewegung.
Wenn die axiale Meißelpenetrationsrate sehr klein ist (nahezu Null) und der Abstand von dem Meißel zu der gebogenen Untergruppe oder der Biegungslänge sehr klein ist, kann die seitliche Penetration oder das Seitenfräsen eine dominierende Bewegung des Bohrmeißels sein. Die resultierende Meißelbewegung kann oder kann nicht kontinuierlich sein, wenn ein Richtbohrsystem mit Meißelvorschub verwendet wird, abhängig von dem Gewicht auf dem Meißel, den Umdrehungen pro Minute, der aufgebrachten Seitenkraft und anderen Parametern, welche mit dem Drehbohrmeißel 100a verbunden sind.
4C ist eine schematische Zeichnung, welche ein Beispiel eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung für eine optimale Leistung in einem Richtbohrsystem mit Meißelvorschub konstruiert ist. Zum Beispiel kann ein dreidimensionales Modell, so wie es in den 17A–17G gezeigt ist, verwendet werden, um einen Drehbohrmeißel mit einer optimalen aktiven und/oder passiven Spurlänge (engl. gage length) zur Verwendung mit einem Richtbohrsystem mit Meißelvorschub zu konstruieren. Der Drehbohrmeißel 100a kann im Allgemeinen als ein Bohrmeißel mit festem Fräser beschrieben werden. Für einige Anwendungen kann der Drehbohrmeißel 100a auch als ein Matrixbohrmeißel, ein Stahlkörperbohrmeißel und/oder ein PDC-Bohrmeißel beschrieben werden.
Der Drehbohrmeißel 100a kann einen Meißelkörper 120a mit einem einsteckende 122a (engl. shank) umfassen. Die Dimensionen und Konfiguration des Meißelkörpers 120a und des Einsteckendes 122a können im Wesentlichen so wie es angemessen für jeden Drehbohrmeißel ist, modifiziert werden. Siehe 5C und 5D.
Das Einsteckende 122a kann Meißelbrechschlitze 124a (engl. bit breaker slots), welche an deren Außenseite eingeformt sind, aufweisen. Ein Bolzen 126a kann als ein integraler Teil des Einsteckendes 122a ausgeformt sein, welcher sich von dem Meißelkörper 120a aus fort erstreckt. Unterschiedliche Typen von mit einem Gewinde versehener Verbindungen, umfassend, aber nicht beschränkt auf API-Verbindungen und Premiumgewinde-Verbindungen, können auf der Außenseite des Bolzens 126a ausgeformt sein.
Eine Längsbohrung (nicht ausdrücklich gezeigt) kann sich von dem Ende 121a des Bolzens 126a durch das Einsteckende 122a hindurch und in den Meißelkörper 120a herein erstrecken. Die Längsbohrung kann verwendet werden, um Bohrflüssigkeiten von dem Bohrstrang 32 an eine oder mehrere Düsen (nicht ausdrücklich gezeigt), welche in dem Meißelkörper 120a angeordnet sind, zu kommunizieren. Ein Düsenausgang 150a ist in 4C gezeigt.
Eine Mehrzahl von Fräsblättern 128a kann auf der Außenseite des Meißelkörpers 120a angeordnet sein. Entsprechende Abraumschlitze oder Fluidflussschlitze 148a können zwischen angrenzenden Blättern 128a eingeformt sein. Jedes Blatt 128 kann eine Mehrzahl von Fräsern 130 aufweisen, welche aus sehr harten Materialien ausgeformt sind, welche mit dem Ausformen eines Bohrloches in einer Grundlochformation verbunden sind.
Für einige Anwendungen können die Fräser 130 auch als "Stirnfräser" beschrieben werden.
Jeweilige Spurfräser 130g können an jedem Blatt 128a angeordnet sein. In den Ausführungsbeispielen, so wie sie in 4C gezeigt sind, kann der Drehbohrmeißel 100a als aktive Spurelemente umfassend beschrieben werden, welche auf einem äußeren Abschnitt eines jeden Blattes 128a angeordnet sind. Die Spuroberfläche 154 jedes Blattes 128a kann auch eine Mehrzahl von aktiven Spurelementen 156 umfassen. Aktive Spurelemente 156 können aus unterschiedlichen Typen von harten abrasiven Materialien geformt sein, welche manchmal als "Hartstirnflächen" (engl. hardfacing) bezeichnet werden. Aktive Elemente 156 können auch als "Knöpfe" oder "Spureinsätze" bezeichnet werden. Wie später detaillierter unter Bezugnahme auf die 7A, 8A und 8B diskutiert werden wird, können aktive Spurelemente angrenzende Abschnitte eines Bohrloches kontaktieren und als ein Resultat eines solchen Kontakts einiges des Formationsmaterials entfernen.
Äußere Abschnitte des Meißelkörpers 120a gegenüberliegend des Einsteckendes 122a können im Allgemeinen als eine "Meißelstirnfläche" oder ein "Meißelstirnflächenprofil" beschrieben werden. Wie später detaillierter unter Bezugnahme auf den Drehbohrmeißel 100e beschrieben werden wird, wie er in 7A gezeigt ist, kann ein Meißelstirnflächenprofil eine im Allgemeinen konusförmige Ausnehmung oder Eindrückung umfassen, welche eine Mehrzahl innerer Fräser und eine Mehrzahl von Schulterfräsern umfasst, welche an den äußeren Abschnitten eines jeden Blattes 128a angeordnet sind. Einer der Vorteile der vorliegenden Offenbarung umfasst die Möglichkeit, einen Drehbohrmeißel zu konstruieren, welcher eine optimale Anzahl von inneren Fräsern, Schulterfräsern und Spurfräsern aufweist, um die gewünschte Gangrate, Meißellenkbarkeit und Meißelkontrollierbarkeit bereitzustellen.
5A zeigt Abschnitte einer Grundlochanordnung 90b, welche in einer im Allgemeinen vertikalen Sektion eines Bohrloches 60a angeordnet sind, wenn der Drehbohrmeißel 100b beginnt, das Anfangssegment 60b auszuformen. Die Grundlochanordnung 90b umfasst eine Drehbohrmeißellenkeinheit 92b, welche einen Abschnitt eines Richtbohrsystems mit Meißelausrichtung bereitstellen kann.
Richtbohrsysteme mit Meißelausrichtung formen typischerweise ein gerichtetes Bohrloch unter Verwendung einer Kombination der axialen Meißelpenetration, Meißelrotation und Meißelneigung aus. Richtbohrsysteme mit Meißelausrichtung können keine Seitenpenetration herstellen, so wie sie unter Bezugnahme auf die Lenkeinheit 92b in 5A beschrieben ist. Daher wird eine Meißelseitenpenetration im Allgemeinen nicht durch Richtbohrsysteme mit Meißelausrichtung erzeugt, um ein gerichtetes Bohrloch zu formen. Es ist besonders vorteilhaft, das Ausformen eines Bohrloches unter Verwendung eines Richtbohrsystems mit Meißelausrichtung unter Verwendung eines dreidimensionalen Modells zu simulieren, welches betreibbar ist um die Meißelneigungsbewegung in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu berücksichtigen. Ein Beispiel eines Richtbohrsystems mit Meißelausrichtung ist das Geo-Pilot^®-dreh-steuerbare System, welches von Sperrt Drilling Services der Halliburton Company erhältlich ist.
5B ist eine grafische Darstellung, welche unterschiedliche Parameter, die mit einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung verbunden sind, zeigt. Eine Lenkeinheit 92b wird die gebogene Unteranordnung 96b umfassen. Eine große Variation von gebogenen Unteranordnungen kann befriedigenderweise verwendet werden, um es dem Bohrstrang 32 zu ermöglichen, den Drehbohrmeißel 100c zu drehen, während die gebogene Unteranordnung 96b den Bohrmeißel 100c in einem Winkel fort von der vertikalen Achse 194 führt oder richtet. Einige gebogene Unteranordnungen weisen einen konstanten "Biegungswinkel" auf. Andere gebogene Unteranordnungen haben einen variablen oder einstellbaren "Biegungswinkel". Die gebogene Länge 204b ist eine Funktion der Dimensionen und Konfigurationen der damit verbundenen gebogenen Unteranordnung 96b.
Wie vorhergehend festgehalten wurde, wird eine Seitenpenetration des Drehbohrmeißels im Allgemeinen in einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung nicht auftreten. Der Pfeil 200 repräsentiert die Penetrationsrate entlang der Rotationsachse eines Drehbohrmeißels 100c. Zusätzliche Merkmale eines Modells, welches verwendet wird um das Bohren eines gerichteten Bohrloches für Richtbohrsysteme mit Meißelvorschub und Richtbohrsysteme mit Meißelausrichtung zu simulieren, wird bezüglich der 9–13B diskutiert werden.
5C ist eine schematische Zeichnung, welche ein Beispiel eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher in Überreinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung für eine optimale Leistung in einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung konstruiert sein kann. Zum Beispiel kann ein dreidimensionales Modell, so wie es in den 17A–17F gezeigt ist, verwendet werden, um einen Drehbohrmeißel mit einem optimalen Verhältnis innerer Fräser, Schulterfräser und Spurfräser zu konstruieren zur Verwendung mit einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung beim Ausformen eines gerichteten Bohrloches. Der Drehbohrmeißel 100c kann im Allgemeinen als ein Bohrmeißel mit festen Fräsern beschrieben werden. Für einige Anwendungen kann der Drehbohrmeißel 110c auch als ein Matrixdrehbohrmeißel, Stahlkörperdrehbohrmeißel und/oder PDC-Bohrmeißel beschrieben werden. Der Drehbohrmeißel 100c kann einen Meißelkörper 120c mit einem Einsteckende 122c umfassen.
Das Einsteckende 122c kann Meißelbrechschlitze 124c umfassen, welche auf einer äußeren Seite dessen ausgeformt sind. Das Einsteckende 122c kann auch eine Erweiterung der damit verbundenen Blätter 128c umfassen. Wie in 5C gezeigt, können sich die Blätter 128c in einer besonders großen Spirale oder einem Winkel relativ zu der damit verbundenen Meißelrotationsachse erstrecken.
Eines der Charakteristika der Drehbohrmeißel, welche mit gerichteten Drehbohrsystemen mit Meißelausrichtung verwendet werden, kann die vergrößerte Länge der damit verbundenen Spuroberflächen im Vergleich zu den Richtbohrsystemen mit Meißelvorschub sein.
Ein mit einem Gewinde versehener Verbindungsbolzen (nicht ausdrücklich gezeigt) kann als ein Teil des Einsteckendes 122c ausgeformt sein, welches sich von dem Meißelkörper 120c aus erstreckt. Unterschiedliche Typen von mit Gewinde versehenen Verbindungen umfassend, aber nicht beschränkt auf, API-Verbindungen und Premiumgewinde-Verbindungen, können verwendet werden, um den Drehbohrmeißel 100c lösbar mit einem Bohrstrang zu verbinden.
Eine Längsbohrung (nicht ausdrücklich gezeigt) kann sich durch das Einsteckende 122c hindurch und in den Meißelkörper 120c herein erstrecken. Die Längsbohrung kann verwendet werden, um Bohrflüssigkeiten von einem damit verbundenen Bohrstrang zu einer oder mehreren Düsen 152, welche in dem Meißelkörper 120c angeordnet sind, zu kommunizieren.
Eine Mehrzahl von Fräsblättern 128c können an der Außenseite des Meißelkörpers 120c angeordnet sein. Entsprechende Abraumschlitze oder Fluidflussschlitze 148c können zwischen angrenzenden Blättern 128a geformt sein. Jedes Fräsblatt 128c kann eine Mehrzahl von Fräsern 130d umfassen. Für einige Anwendungen können die Fräser 130d auch als "Fräseinsätze" beschrieben werden. Die Fräser 130d können aus sehr harten Materialien geformt sein, welche mit dem Ausformen eines Bohrloches in einer Grundlochformation verbunden sind. Die äußeren Abschnitte des Meißelkörpers 120c gegenüberliegend des Einsteckendes 122c können im Allgemeinen beschrieben werden als ein "Meißelstirnflächenprofil" aufweisend, so wie es unter Bezugnahme auf den Drehbohrmeißel 100a beschrieben wurde.
5D ist eine schematische Zeichnung, welche ein Beispiel eines Drehbohrmeißels zeigt, welcher in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung für eine optimale Leistung in einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung konstruiert sein kann. Der Drehbohrmeißel 100d kann im Allgemeinen als ein Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern beschrieben werden. Für einige Anwendungen kann der Drehbohrmeißel 100d auch als ein Matrixbohrmeißel und/oder ein PDC-Bohrmeißel beschrieben werden. Der Drehbohrmeißel 100d kann einen Meißelkörper 120d mit einem Einsteckende 122d umfassen.
Das Einsteckende 122d kann Meißelbrechschlitze 124d umfassen, welche auf dessen Außenseite geformt sind. Eine mit einem Gewinde versehene Bolzenverbindung 126d kann als ein integraler Teil des Einsteckendes 122d ausgeformt sein, welche sich von dem Meißelkörper 120d aus erstreckt. Unterschiedliche Typen von Gewindeverbindungen umfassend, aber nicht beschränkt auf, API-Vebindungen und Premium-Gewinde-Verbindungen können an der Außenseite des Bolzens 126d ausgeformt sein.
Eine Längsbohrung (nicht ausdrücklich gezeigt) kann sich von dem Ende 121d des Bolzens 126d durch das Einsteckende 122c und in den Meißelkörper 120d herein erstrecken. Die Längsbohrung kann verwendet werden, um Bohrflüssigkeiten von dem Bohrstrang 32 an eine oder mehrere Düsen 152, welche in dem Meißelkörper 120d angeordnet sind, zu kommunizieren.
Eine Mehrzahl von Fräsblättern 128d kann auf der Außenseite des Meißelkörpers 120d angeordnet sein. Jeweilige Abschlussschlitze oder Fluidflussschlitze 148d können zwischen angrenzenden Blättern 128d ausgeformt sein. Jedes Fräsblatt 128d kann eine Mehrzahl von Fräsern 130f umfassen. Jeweilige Spurfräser 130g können auch an jedem der Blätter 128d angeordnet sein. Für einige Anwendungen können die Fräser 130f und 130g auch als "Fräseinsätze" beschrieben werden, welche aus sehr harten Materialien geformt sind, welche mit dem Ausformen eines Bohrloches in einer Grundlochformation verbunden sind. Die äußeren Abschnitte des Meißelkörpers 120d gegenüberliegend dem Einsteckende 122d können im Allgemeinen beschrieben werden als ein "Meißelstirnflächenprofil" aufweisend, so wie es unter Bezugnahme auf den Drehbohrmeißel 100a beschrieben wurde.
Die Blätter 128 und 128d können auch spiralförmig sein oder sich in einem Winkel relativ zu der damit verbundenen Meißelrotationsachse erstrecken. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung umfasst das Simulieren von Bohrabschnitten eines gerichteten Bohrloches um eine optimale Blattlänge, Blattbreite und Blattspirale für einen Drehbohrmeißel zu bestimmen, welcher verwendet werden soll um das gesamte, oder Teile des Bohrloches auszuformen. Für Ausführungsbeispiele, welche durch Drehbohrmeißel 100a, 100c und 100d repräsentiert sind, können damit verbundene Spuroberflächen in der Nähe eines Endes der Blätter 128a, 128c und 128d gegenüberliegend eines damit verbundenen Meißelstirnflächenprofils eingeformt sein.
Für einige Anwendungen können die Meißelkörper 120a, 120c und 120d teilweise aus einer Matrix sehr harter Materialien geformt sein, welche mit Drehbohrmeißel verbunden sind. Für andere Anwendungen kann der Meißelkörper 120a, 120c und 120d aus unterschiedlichen Metalllegierungen gefräst sein, welche befriedigend sind zur Verwendung beim Bohren von Bohrlöchern in Grundlochformationen. Beispiele von Matrix-Typ-Bohrmeißeln sind in US-Patenten 4696354 und 5099929 gezeigt.
6A ist eine schematische Zeichnung, welche ein Beispiel einer Simulation des Ausformens eines gerichteten Bohrloches unter Verwendung eines Richtbohrsystems, so wie es in den 4A und 4B oder 5A und 5B gezeigt ist, zeigt. Die Simulation, welche in 6A gezeigt ist, kann im Allgemeinen zum Ausformen eines Überganges von einem vertikalen Segment 60a zu einem Anfangssegment 60b eines Bohrloches 60, so wie es in den 4A und 5B gezeigt ist, korrespondieren. Diese Simulation kann auf einigen Parametern basieren umfassend, aber nicht beschränkt auf die Meißelneigungsbewegung, welche auf einen Drehbohrmeißel während des Ausformens eines Anfangssegmentes 60b aufgebracht wird. Die resultierende Simulation stellt einen relativ glatten oder gleichmäßigen Innendurchmesser im Vergleich mit der Schrittlochsimulation bereit, wie sie in 6D gezeigt ist.
Ein Drehbohrmeißel kann im Allgemeinen beschrieben werden als drei Komponenten oder drei Abschnitte aufweisend zum Zwecke des Simulierens eines Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung. Die erste Komponente oder der erste Abschnitt kann beschrieben werden als "Stirnflächenfräser" oder "Stirnflächenfräselemente", welche primär verantwortlich sind für die Bohraktion, welche mit dem Entfernen des Formationsmaterials verbunden ist, um das damit verbundene Bohrloch auszuformen. Für einige Typen von Drehbohrmeißeln können die "Stirnflächenfräser" weiter aufgeteilt sein in drei Segmente, wie beispielsweise "innere Fräser", "Schulterfräser" und/oder "Spurfräser". Siehe zum Beispiel 6B und 7A. Die Penetrationskraft (F_P) ist häufig die hauptsächliche oder primäre Kraft, welche auf die Stirnflächenfräser wirkt.
Der zweite Abschnitt eines Drehbohrmeißels kann eine aktive Spur oder Spuren aufweisen, welche verantwortlich sind zum Schützen der Stirnflächenfräser und zum Aufrechterhalten eines relativ gleichmäßigen Innendurchmessers eines damit verbundenen Bohrloches durch das Entfernen von Formationsmaterialien in angrenzenden Abschnitten des Bohrloches. Aktive Spurfräser kontaktieren im Allgemeinen und entfernen teilweise die Seitenwandabschnitte eines Bohrloches.
Die dritte Komponente eines Drehbohrmeißels kann beschrieben werden als eine passive Spur oder Spuren, welche verantwortlich sein kann für das Aufrechterhalten einer Gleichmäßigkeit der angrenzenden Abschnitte des Bohrloches (typischerweise der Seitenwand oder des Innendurchmessers) durch das Deformieren von Formationsmaterialien in angrenzenden Abschnitten des Bohrloches. Für aktive und passive Spuren ist die primäre Kraft im Allgemeinen eine Normalkraft, welche sich im Allgemeinen senkrecht zu der damit verbundenen Spuroberfläche erstreckt, sei sie aktiv oder passiv.
Spurfräser können benachbart zu aktiven und/oder passiven Spurelementen angeordnet sein. Spurfräser werden nicht als ein Teil einer aktiven Spur oder passiven Spur zum Zwecke des Simulierens des Ausformens eines Bohrloches, wie es in dieser Anmeldung beschrieben ist, erachtet. Die Lehre der vorliegenden Offenbarung kann jedoch verwendet werden um Simulationen durchzuführen, welche Spurfräser als einen Teil einer angrenzenden aktiven Spur oder passiven Spur umfassen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die vorhergehend beschriebenen drei Komponenten oder Abschnitte eines Drehbohrmeißels.
Für einige Anwendungen kann ein dreidimensionales (3D) Modell, welches die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst, betreibbar sein, um die jeweiligen Beiträge unterschiedlicher Komponenten eines Drehbohrmeißels auf die Kräfte zu bewerten, welche auf den Drehbohrmeißel wirken. Das 3D-Modell kann betreibbar sein, um den Effekt einer jeden Komponente auf die Meißelgangrate, die Meißellenkbarkeit und/oder die Meißelsteuerbarkeit für einen gegebenen Satz von Grundlochbohrparametern separat zu berechnen oder abzuschätzen. Als ein Resultat kann ein Modell, so wie es beispielsweise in 17A–17G gezeigt ist, verwendet werden, um unterschiedliche Abschnitte eines Drehbohrmeißels zu konstruieren und/oder um einen Drehbohrmeißel auszuwählen aus bereits existierenden Meißelkonstruktionen zur Verwendung beim Ausformen eines Bohrloches, basierend auf den Richtungsverhaltenscharakteristika, welche verbunden sind mit dem Verändern der Stirnflächenfräserparameter, der aktiven Spurparameter und/oder der passiven Spurparameter. Ähnliche Techniken können verwendet werden, um Komponenten einer Grundlochanordnung oder anderer Abschnitte eines Richtbohrsystems in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu konstruieren oder auszuwählen.
6B zeigt einige der Parameter, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 während der Ausformung eines Bohrloches angewendet werden würden. Der Drehbohrmeißel 100 ist während der Formation eines vertikalen Segmentes oder eines geraden Lochsegmentes eines Bohrloches mittels durchgezogener Linien in 8B gezeichnet. Die Meißelrotationsachse 100a des Drehbohrmeißels 100 wird im Allgemeinen mit der Längsachse des damit verbundenen Bohrloches und einer vertikalen Achse, welche mit einem korrespondierenden Meißellochkoordinatensystem verbunden ist, ausgerichtet sein.
Der Drehbohrmeißel 100 ist auch in durchbrochenen Linien in 6B gezeigt, um unterschiedliche Parameter darzustellen, welche beim Simulieren des Rohrens des Anfangssegments 60b in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Anstelle des Verwendens der Meißelseitenpenetration oder Meißelseitenfräsbewegung basiert die Simulation, welche in 6A gezeigt ist, auf dem Neigen des Drehbohrmeißels 100, wie es beispielsweise mittels der durchbrochenen Linien relativ zu der vertikalen Achse gezeigt ist.
6C ist eine schematische Zeichnung, welche eine typische frühere Simulation zeigt, welche die Seitenfräspenetration als eine Schrittfunktion verwendet hat, um das Ausformen eines gerichteten Bohrloches darzustellen. Für die Simulation, welche in 6C gezeigt ist, ist die Formation eines Bohrloches 260 als eine Serie von Schrittlöchern 260a, 260b, 260c, 260d und 260e gezeigt. Wie in 6D gezeigt, war es eine Annahme, welche während dieser Simulation durchgeführt wurde, dass die Rotationsachse 104a des Drehbohrmeißels 100 während der Formation eines jeden der Schrittlöcher 260a, 260b, 260c, etc. im Allgemeinen mit einer vertikalen Achse ausgerichtet verblieb.
Simulationen des Ausformens von gerichteten Bohrlöchern in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung haben den Einfluss der Spurlänge auf die Meißelgangrate, die Meißellenkbarkeit und die Meißelsteuerbarkeit nahegelegt. Der Drehbohrmeißel 100e, so wie er in den 7A und 7B gezeigt ist, kann beschrieben werden als sowohl eine aktive Spur als auch eine passive Spur aufweisend, welche an jedem Blatt 128e angeordnet sind. Aktive Spurabschnitte des Drehbohrmeißels 100e können aktive Elemente umfassen, welche aus Hartstirnflächen oder abrasiven Materialien ausgeformt sind, welche Formationsmaterial aus den angrenzenden Abschnitten einer Seitenwand oder des Innendurchmessers 63 eines Bohrlochsegmentes 60 entfernen. Siehe zum Beispiel die aktiven Spurelemente 156, die in 4C gezeigt sind.
Der Drehbohrmeißel 100e, so wie er in den 7A und 7B gezeigt ist, kann beschrieben werden als eine Mehrzahl von Blättern 128a mit einer Mehrzahl von Fräsern 130 aufweisend, welche an den äußeren Abschnitten eines jeden Blattes 128e angeordnet sind. Für einige Anwendungen können die Fräser 130 im Wesentlichen die gleiche Konfiguration und Konstruktion aufweisen. Für andere Anwendungen können unterschiedliche Typen von Fräsern und Stoßableitern (nicht ausdrücklich gezeigt) auch an den äußeren Abschnitten der Blätter 128e angeordnet werden. Äußere Abschnitte des Drehbohrmeißels 100e können als ein "Meißelstirnflächenprofil" ausformend beschrieben werden.
Das Meißelstirnflächenprofil für den Drehbohrmeißel 100e, so wie er in 7A und 7B gezeigt ist, kann einen ausgenommenen Abschnitt oder eine konusförmige Sektion 132e umfassen, welche an dem Ende des Drehbohrmeißels 100e gegenüberliegend von dem Einsteckende 122e eingeformt ist. Jedes Blatt 128e kann eine jeweilige Nase 134e umfassen, welche teilweise ein extremes Ende des Drehbohrmeißels 100e gegenüberliegend des Einsteckendes 122e definiert. Die Konussektion 132e kann sich einwärts von den jeweiligen Nasen 134e in Richtung einer Meißelrotationsachse 104e erstrecken. Eine Mehrzahl von Fräsern 130e kann an Abschnitten eines jeden Blattes 128e zwischen der jeweiligen Nase 134e und der Rotationsachse 104e angeordnet sein. Die Fräser 130i können als "innere Fräser" bezeichnet werden.
Jedes Blatt 128e kann auch als eine jeweilige Schulter 136e aufweisend beschrieben werden, welche sich von der jeweiligen Nase 134e aus auswärts erstrecken. Eine Mehrzahl von Fräsern 130s kann an jeder Schulter 136e angeordnet sein. Die Fräser 130s können manchmal als „Schulterfräser" bezeichnet werden. Die Schulter 136e und die damit verbundenen Schulterfräser 130s kooperieren miteinander, um Abschnitte des Meißelstirnflächenprofils des Drehbohrmeißels 100e auszuformen, welches sich von dem konusförmigen Abschnitt 132e aus auswärts erstreckt.
Eine Mehrzahl von Spurfräsern 130g kann auch an Außenabschnitten eines jeden Blattes 128e angeordnet sein. Die Spurfräser 130g können verwendet werden, um den Innendurchmesser oder die Seitenwand 63 des Bohrlochsegmentes 60 abzugleichen oder zu definieren. Die Spurfräser 130g und die damit verbundenen Abschnitte eines jeden Blattes 128e formen Abschnitte des Meißelstirnflächenprofils des Drehbohrmeißels 100e, welches sich von den Schulterfräsen 130s aus erstreckt, aus.
Für die Ausführungsbeispiele, wie sie in 7A und 7B gezeigt sind, kann jedes Blatt 128 einen aktiven Spurabschnitt 138 und einen passiven Spurabschnitt 139 aufweisen. Unterschiedliche Typen von Hartoberflächen und/oder anderen harten Materialien (nicht ausdrücklich gezeigt) können an jedem aktiven Spurabschnitt 138 angeordnet sein. Jeder aktive Spurabschnitt 138 kann einen positiven Verjüngungswinkel 158 umfassen, so wie in 7B gezeigt. Jeder passive Spurabschnitt kann einen entsprechenden positiven Verjüngungswinkel 159a umfassen, so wie in 7B gezeigt. Aktive und passive Spuren an herkömmlichen Drehbohrmeißeln haben häufig positive Verjüngungswinkel.
Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden, können verwendet werden, um die Seitenkräfte zu berechnen, welche auf den Drehbohrmeißel 100e durch jedes Segment oder jede Komponente eines Meißelstirnflächenprofils aufgebracht werden. Zum Beispiel können innere Fräser 130e, Schulterfräser 130s und Spurfräser 130g während der Formation eines gerichteten Bohrloches jeweilige Seitenkräfte auf den Drehbohrmeißel 100e aufbringen. Aktive Spurabschnitte 138 und passive Spurabschnitte 139 können auch während der Formation eines gerichteten Bohrloches jeweilige Seitenkräfte auf den Drehbohrmeißel 100e aufbringen. Ein Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex (engl. steering difficulty index) kann für jedes Segment oder jede Komponente eines Meißelstirnflächenprofils berechnet werden, um zu ermitteln, ob Konstruktionsveränderungen auf die jeweilige Komponente angewendet werden sollten.
Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, haben nahe gelegt, dass das Ausformen einer passiven Spur mit einem negativen Verjüngungswinkel, so wie beispielsweise dem Winkel 159b, wie er in 7B gezeigt ist, eine verbesserte oder vergrößerte Lenkbarkeit (engl. steerability) bereitstellen, wenn ein gerichtetes Bohrloch ausgeformt wird. Die Größe des negativen Verjüngungswinkels 159b kann beschränkt sein auf das Verhindern eines ungewünschten Kontakts zwischen einer damit verbundenen passiven Spur und angrenzenden Abschnitten einer Seitenwand während des Rohrens eines vertikalen Bohrloches oder gerader Lochsegmente eines Bohrloches.
Da die Biegungslänge, welche mit einem Richtbohrsystem mit Meißelvorschub verbunden ist, typischerweise relativ groß ist (größer als 20 Mal der damit verbundenen Meißelgröße), kann das Meiste des Fräsbetriebes, welches mit dem Ausformen eines gerichteten Bohrloches verbunden ist, eine Kombination aus der axialen Meißelpenetration, der Meißeldrehung, dem Meißelseitenfräsen und dem Meißelneigen sein. Siehe 4A, 4B und 13A. Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, haben nahe gelegt, dass eine aktive Spur mit einem Spurspalt, so wie beispielsweise dem Spurspalt 162, der in 7A und 7B gezeigt ist, den Betrag der Meißelseitenkraft signifikant reduzieren, welche erforderlich ist, um ein gerichtetes Bohrloch unter Verwendung eines Richtbohrsystems mit Meißelvorschub auszuformen. Eine passive Spur mit einem Spurspalt, so wie beispielsweise dem Spurspalt 164, welcher in 7A und 7B gezeigt ist, kann auch die erforderlichen Beträge einer Meißelseitenkraft reduzieren, aber der Effekt ist wesentlich geringer als der einer aktiven Spur mit einem Spurspalt.
Da die Biegungslänge, welche mit einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung verbunden ist, typischerweise relativ klein ist (weniger als 12 Mal der damit verbundenen Meißelgröße), kann das Meiste des Fräsbetriebes, welcher mit dem Ausformen eines gerichteten Bohrloches verbunden ist, eine Kombination einer axialen Meißelpenetration, einer Meißelrotation und eines Meißelneigens sein. Siehe 5A, 5B und 13B. Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass Drehbohrmeißel mit positiv verjüngten Spuren und/oder Spurspalten mit Richtbohrsystem mit Meißelausrichtungen befriedigend verwendet werden können. Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, haben weiter gezeigt, dass es einen optimalen Satz von verjüngten Spurwinkeln und den damit verbundenen Spurspalten gibt, abhängig von der jeweiligen Biegungslänge eines jeden Richtbohrsystems und des erforderlichen DLS für jedes Segment eines gerichteten Bohrloches.
Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass das Ausformen einer passiven Spur 139 mit einem optimalen negativen Verjüngungswinkel 159b im Kontakt zwischen Abschnitten der passiven Spur 139 und den angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches darin resultieren kann, einen Drehpunkt bereitzustellen, um den Drehbohrmeißel 100e während der Formation eines gerichteten Bohrloches zu leiten oder zu führen. Die Größe des negativen Verjüngungswinkels 159b kann begrenzt sein, um einen ungewünschten Kontakt zwischen der passiven Führung 139 und angrenzenden Abschnitten einer Seitenwand 63 während des Rohrens eines vertikalen oder geraden Lochsegmentes eines Bohrloches zu verhindern. Solche Simulationen haben auch potentielle Verbesserungen in der Lenkbarkeit und Kontrollierbarkeit durch das Optimieren der Länge der passiven Spuren mit negativen Verjüngungswinkeln nahe gelegt. Zum Beispiel kann das Ausformen einer passiven Spur mit einem negativen Verjüngungswinkel an einem Drehbohrmeißel in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung es ermöglichen, die Biegungslänge der damit verbundenen Drehbohrmeißellenkeinheit zu reduzieren. Die Länge einer gebogenen Unteranordnung, welche als ein Teil der Richtungssteuerungseinheit umfasst ist, kann als ein Resultat des Aufweisens eines Drehbohrmeißels mit einer vergrößerten Länge in Kombination mit einer passiven Spur, welche einen negativen Verjüngungswinkel aufweist, reduziert werden.
Simulationen, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen, haben nahe gelegt, dass eine passive Führung, welche einen negativen Verjüngungswinkel aufweist, das Neigen eines damit verbundenen Drehbohrmeißels während des Anfangsbohrens erleichtern kann. Solche Simulationen haben auch Vorteile des Installierens eines oder mehrer Führungsfräser an optimalen Orten eines aktiven Führungsabschnitts und/oder passiven Führungsabschnitts eines Drehbohrmeißels nahe gelegt, um Formationsmaterialien von dem Innendurchmesser eines damit verbundenen Bohrloches während der Richtungsbohrphase zu entfernen. Diese Spurfräser werden typischerweise die Seitenwand oder den Innendurchmesser eines Bohrloches während des Rohrens eines vertikalen Segmentes oder eines geraden Lochsegmentes in dem gerichteten Bohrloch nicht kontaktieren.
Eine passive Spur 139 mit einem angemessenen negativen Verjüngungswinkel 159b und einer optimalen Länge kann die Seitenwand 63 während der Formation eines Gleichgewichtsabschnittes und/oder eines Anfangsabschnittes eines Bohrloches kontaktieren. Ein solcher Kontakt kann wesentlich die Lenkbarkeit und Kontrollierbarkeit eines Drehbohrmeißels und des damit verbundenen Lenkbarkeitsschwierigkeitsindexes (SD_index) verbessern.
Solche Simulationen haben auch angedeutet, dass mehrfache, sich verjüngende Steuerabschnitte und/oder variable, sich verjüngende Steuerabschnitte befriedigend verwendet werden können, sowohl mit Meißelausrichtung auch mit Richtbohrsystemen mit Meißelvorschub.
8A und 8B zeigen eine Interaktion zwischen dem aktiven Spurelement 156 und den angrenzenden Abschnitten der Seitenwand 63 des Bohrlochsegments 60a. 8C und 8D zeigen eine Interaktion zwischen dem passiven Spurelement 157 und angrenzenden Abschnitten der Seitenwand 63 des Bohrlochsegments 60a. Das aktive Spurelement 156 und das passive Spurelement 157 können relativ kleine Segmente oder Abschnitte der jeweiligen aktiven Spur 138 und der passiven Spur 139 sein, welche angrenzende Abschnitte der Seitenwand 63 kontaktiert. Aktive und passive Spurelemente können in Simulationen ähnlich zu den vorhergehend beschriebenen kleinen Fräsern verwendet werden.
Der Pfeil 180a repräsentiert eine Axialkraft (F_a), welche auf ein aktives Spurelement 156 aufgebracht werden kann, wenn das aktive Spurelement in Formationsmaterialien eingreift und sie von angrenzenden Abschnitten einer Seitenwand 63 des Bohrlochsegments 60a entfernt. Der Pfeil 180p, so wie er in 8C gezeigt ist, repräsentiert eine axiale Kraft (F_a), welche auf einen passiven Spurfräser 130p während des Kontakts mit der Seitenwand 63 aufgebracht wird. Axiale Kräfte, welche auf eine aktive Spur 130g und passive Spur 130p aufgebracht werden, können eine Funktion der damit verbundenen Penetrationsrate des Drehbohrmeißels 100e sein.
Der Pfeil 182a, welcher mit einem aktiven Spurelement verbunden ist, repräsentiert eine Zugkraft (F_d) (engl. drag force), welche mit dem aktiven Spurelement 156 verbunden ist, welches Formationsmaterialien durchdringt und von den angrenzenden Abschnitten der Seitenwand 63 entfernt. Eine Zugkraft (F_d) kann manchmal auch als eine Tangentenkraft (F_t) bezeichnet werden, welche ein Drehmoment an dem damit verbundenen Spurelement, kleinen Fräser oder Mascheneinheit erzeugt. Der Betrag der Penetration in Inch wird durch Δ repräsentiert, so wie in 8B gezeigt.
Der Pfeil 182p repräsentiert den Betrag der Zugkraft (F_d), welche während einer plastischen und/oder elastischen Deformation des Formationsmaterials in der Seitenwand 63 auf das passive Spurelement 130p aufgebracht wird, wenn sie durch die passive Spur 157 kontaktiert wird. Der Betrag der Zugkraft, welche mit einem aktiven Spurelement 156 verbunden ist, ist im Allgemeinen eine Funktion der Penetrationsrate des damit verbundenen Drehbohrmeißels 100e und der Tiefe der Penetration des jeweiligen Spurelementes 156 in die angrenzenden Abschnitte der Seitenwand 63. Der Betrag der Zugkraft, welche mit dem passiven Spurelement 157 verbunden ist, ist im Allgemeinen eine Funktion der Penetrationsrate des damit verbundenen Drehbohrmeißels 100e und der elastischen und/oder plastischen Deformation des Formationsmaterials in angrenzenden Abschnitten der Seitenwand 63.
Der Pfeil 184a, so wie er in 8B gezeigt ist, repräsentiert eine Normalkraft (F_n), welche auf ein aktives Spurelement 156 aufgebracht wird, wenn das aktive Spurelement 156 Formationsmaterial penetriert und aus der Seitenwand 63 des Bohrlochsegmentes 60a entfernt. Der Pfeil 184p, so wie er in 8D gezeigt ist, repräsentiert eine Normalkraft (F_n), welche auf das passive Spurelement 157 aufgebracht wird, wenn das passive Spurelement 157 das Formationsmaterial plastisch oder elastisch in angrenzenden Abschnitten der Seitenwand 63 deformiert. Die Normalkraft (F_n) ist direkt bezogen auf die Frästiefe des aktiven Spurelementes in angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches oder der Deformation von angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches durch ein passives Spurelement. Die Normalkraft (F_n) ist auch direkt abhängig von der Frästiefe eines Fräsers in angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches.
Die folgenden Algorithmen können verwendet werden, um die Kräfte abzuschätzen oder zu berechnen, welche mit dem Kontakt zwischen einer aktiven und passiven Spur und angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches verbunden sind. Die Algorithmen sind teilweise basiert auf den folgenden Annahmen:
Eine aktive Spur kann einiges Formationsmaterial von angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches, so wie beispielsweise einer Seitenwand 63, entfernen. Eine passive Spur kann angrenzende Abschnitte eines Bohrloches, wie beispielsweise eine Seitenwand 63, deformieren. Formationsmaterialien unmittelbar benachbart zu den Abschnitten eines Bohrloches, so wie beispielsweise einer Seitenwand 63, können befriedigend als plastisches/elastisches Material modelliert werden.
Für jeden kleinen Fräser oder jedes kleine Element einer aktiven Spur, welches Formationsmaterial entfernt, gilt: Fn = ka1·Δ1 + ka2·Δ2 Fa = ka3·Fr Fd = ka4·Fr
Wobei Δ₁ die Frästiefe eines entsprechenden kleinen Fräsers (Spurelements) ist, welcher sich in angrenzende Abschnitte eines Bohrloches herein erstreckt, und Δ₂ die Deformationstiefe einer Lochwand durch einen entsprechenden kleinen Fräser ist.
ka₁, ka₂, ka₃ und ka₄ sind Koeffizienten, welche sich auf die Felseigenschaften und die Fluideigenschaften beziehen, welche häufig durch das Testen eines erwarteten Grundlochformationsmaterials bestimmt werden.
Für jeden kleinen Fräser oder jedes kleine Element einer passiven Spur, welches Formationsmaterial deformiert, gilt: Fn = kp1·Δp Fa = kp2·Fr Fd = kp3·Fr
Wobei Δp die Tiefe der Deformation des Formationsmaterials angrenzender Abschnitte des Bohrloches durch einen entsprechenden kleinen Fräser ist.
kp₁, kp₂, kp₃ sind Koeffizienten, welche sich auf die Felseigenschaften und die Fluideigenschaften beziehen und durch das Testen von erwarteten Grundlochformationsmaterialien bestimmt werden können.
Viele Drehbohrmeißel haben eine Tendenz zum „Gang" oder zum seitlichen Bewegen relativ zu einer Längsachse eines Bohrloches, während sie das Bohrloch ausformen. Die Tendenz eines Drehbohrmeißels zu gehen oder sich seitlich zu bewegen kann besonders deutlich sein, wenn gerichtete Bohrlöcher ausgeformt werden und/oder wenn der Drehbohrmeißel angrenzende Lagen unterschiedlichen Formationsmaterials und/oder durch schräg stehende Formationslagen hindurch penetriert. Eine Bewertung der Meißelgangrate erfordert die Berücksichtigung aller Kräfte, welche auf den Drehbohrmeißel 100 wirken, welche sich in einem Winkel relativ zu der Neigungsebene 170 erstrecken. Solche Kräfte umfassen die Interaktionen zwischen dem Meißelstirnflächenprofil, aktiven und/oder passiven Spuren, welche verbunden sind mit dem Drehbohrmeißel 100 und angrenzende Abschnitte des Bodenloches können bewertet werden.
9 ist eine schematische Zeichnung, welche Abschnitte des Drehbohrmeißels 100 im Schnitt in einem zweidimensionalen Lochkoordinatensystem zeigt, welches durch die X-Achse 76 und die Y-Achse 78 repräsentiert ist. Der Pfeil 114 repräsentiert eine Seitenkraft, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 von einem gerichteten Bohrsystem 20 in der Neigungsebene 170 aufgebracht wird. Diese Seitenkraft wirkt im Allgemeinen entlang der Normalen auf die Meißelrotationsachse 104a des Drehbohrmeißels 100. Der Pfeil 176 repräsentiert ein Seitenfräsen oder eine Seitenverschiebung (D_s) des Drehbohrmeißels 100, welcher in das Lochkoordinatensystem projiziert ist, in Antwort auf die Interaktionen zwischen äußeren Abschnitten des Drehbohrmeißels 100 und angrenzenden Abschnitten einer Grundlochformation. Der Meißelgangwinkel 186 wird von F_s bis D_s gemessen.
Wenn der Winkel 186 kleiner als Null ist (entgegengesetzt zu der Meißeldrehrichtung, welche durch den Pfeil 178 repräsentiert ist), wird der Drehbohrmeißel 100 eine Tendenz zum Gehen nach links von der aufgebrachten Seitenkraft 114 und der Neigungsebene 170 aufweisen. Wenn der Winkel 186 größer als Null ist (die gleiche Meißelrotationsrichtung wird durch den Pfeil 178 repräsentiert), wird der Drehbohrmeißel 100 eine Tendenz aufweisen, nach rechts relativ zu der aufgebrachten Seitenkraft 114 und der Neigungsebene 170 zu gehen. Wenn der Meißelgangwinkel 186 näherungsweise gleich Null (0) ist, wird der Drehbohrmeißel 100 nahezu eine Null (0) Gangrate oder neutrale Gangtendenz aufweisen.
10 ist eine schematische Zeichnung, welche eine alternative Definition des Meißelgangwinkels zeigt, wenn eine Seitenverschiebung (D_s) oder eine Seitenfräsbewegung, welche durch den Pfeil 176a repräsentiert ist, während der Simulation des Ausformens eines gerichteten Bohrloches auf den Meißel 100 aufgebracht wird. Eine damit verbundene Kraft, welche durch den Pfeil 114c repräsentiert ist, welche erforderlich ist, um auf den Drehbohrmeißel 100 zu wirken um die aufgebrachte Seitenverschiebung (D_s) herzustellen, kann in dem gleichen Lochkoordinatensystem berechnet und projiziert werden. Die aufgebrachte Seitenverschiebung (D_s), welche durch den Pfeil 176a repräsentiert ist, und die berechnete Kraft (F_c), welche durch den Pfeil 114c repräsentiert ist, formen den Meißelgangwinkel 186 aus. Der Meißelgangwinkel 186 wird von F_c bis D_s gemessen.
Wenn der Winkel 186 kleiner als Null ist (entgegengesetzt der Meißelrotationsrichtung, welche durch den Pfeil 178 repräsentiert ist) wird der Drehbohrmeißel 100 eine Tendenz aufweisen, nach links bezüglich der berechneten Seitenkraft 176 und der Neigungsebene 170 zu gehen. Wenn der Winkel 186 größer als Null ist (die gleiche Meißelrotationsrichtung, welche durch den Pfeil 178 repräsentiert ist) wird der Drehbohrmeißel 100 eine Tendenz aufweisen, nach rechts bezüglich zu der berechneten Seitenkraft 176 und der Neigungsebene 170 zu gehen. Wenn der Meißelgangwinkel 186 nahezu gleich Null (0) ist, wird der Drehbohrmeißel 100 eine nahezu Null (0) Gangrate oder neutrale Gangtendenz aufweisen.
Wie nachfolgend in dieser Anmeldung diskutiert werden wird, können sowohl die Gangkraft (F_w) als auch das Gangmoment oder das Biegemoment (M_w) mit einer damit verbundenen Meißellenkrate und Lenkkraft verwendet werden, um eine daraus resultierende Meißelgangrate zu berechnen. Der Wert der Gangkraft und des Gangmomentes sind jedoch im Allgemeinen klein verglichen mit einer damit verbundenen Lenkkraft und daher müssen sie genau berechnet werden. Die Meißelgangrate kann eine Funktion der Meißelgeometrie und der Grundlochbohrbedingungen sein, so wie beispielsweise der Penetrationsrate, der Umdrehungen pro Minute, der lateralen Penetrationsrate, der Meißelneigungsrate oder der Lenkrate und der Grundlochformationscharakteristika.
Simulationen des Ausformens eines gerichteten Bohrloches basierend auf einem 3D-Modell, welches die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasst, legen nahe, dass es für eine vorgegebene axiale Penetrationsrate und vorgegebene Umdrehungen pro Minute und eine vorgegebene Grundlochanordnungskonfiguration eine kritische Neigungsrate gibt. Wenn die Neigungsrate größer als die kritische Neigungsrate ist, kann der damit verbundene Drehmeißel beginnen, entweder nach rechts oder nach links relativ des damit verbundenen Bohrloches zu gehen. Simulationen, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen, legen nahe, dass ein Überleitungsbohren durch eine schräg stehende Formation, so wie sie in den 14A, 14B und 14C gezeigt ist, eine Meißelgangtendenz von einem Meißelgang nach rechts zu einem Meißelgang nach links ändern können.
Für einige Anwendungen kann die Größe der Meißelseitenkräfte, welche erforderlich sind, um ein gewünschtes DLS oder eine Neigungsrate zu erreichen, für einen gegebenen Satz von Bohrausrüstungsparametern und Grundlochbohrbedingungen als eine Indikation der damit verbundenen Meißellenkbarkeit oder Kontrollierbarkeit verwendet werden. Siehe 11 als ein Beispiel. Die Fluktuation in dem Betrag der Meißelseitenkraft, des Drehmoments auf den Meißel (TOB) und/oder des Meißelbiegemoments können auch verwendet werden, um eine Bewertung der Meißelsteuerbarkeit oder Meißelstabilität während des Ausformens unterschiedlicher Abschnitte eines gerichteten Bohrloches bereitzustellen. Siehe 12 als ein Beispiel.
11 ist eine schematische Zeichnung, welche einen Drehbohrmeißel 100 in durchgezogenen Linien in einer ersten Position zeigt, welche mit dem Ausformen einer im Allgemeinen vertikalen Sektion eines Bohrloches verbunden ist. Der Drehbohrmeißel 100 ist auch in durchbrochenen Linien in 11 gezeigt, welche einen gerichteten Abschnitt eines Bohrloches, so wie beispielsweise eines Anfangssegments 60a, zeigt. Der Graph, welcher in 11 gezeigt ist, legt nahe, dass der Betrag der Meißelseitenkraft, welche dazu erforderlich ist, eine Neigungsrate korrespondierend zu der damit verbundenen Knickschwere (DLS) herzustellen, im Allgemeinen ansteigen wird, wenn der Knickgrad des abgelenkten Bohrloches ansteigt. Die Form der Kurve 194, so wie sie in 11 gezeigt ist, kann eine Funktion sowohl der Konstruktionsparameter als auch der damit verbundenen Grundlochbohrbedingungen sein.
Wie vorhergehend festgestellt, können Fluktuationen in den Bohrparametern, so wie beispielsweise einer Meißelseitenkraft, eines Drehmoments auf den Meißel und/oder eines Meißelbiegemoments auch verwendet werden, um eine Bewertung der Meißelsteuerbarkeit oder Meißelstabilität bereitzustellen.
12 ist eine grafische Darstellung, welche Variationen im Drehmoment auf den Meißel bezüglich der Umdrehungen pro Minute während des Neigens eines Drehbohrmeißels 100, so wie er in 12 gezeigt ist, zeigt. Der Betrag der Variation oder des ΔTOB, wie es in 12 gezeigt ist, kann verwendet werden, um die Stabilität unterschiedlicher Drehbohrmeißel für den gleichen gegebenen Satz von Grundlochbohrbedingungen zu bewerten. Der Graph, welcher in 11 gezeigt ist, basiert auf einer Penetrationsrate, einem gegebenen RPM und einem gegeben Satz von Grundlochformationsdaten.
Für einige Anwendungen kann die Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels unter Verwendung der folgenden Schritte evaluiert werden. Die Konstruktionsdaten für die damit verbundene Bohrausrüstung können in ein dreidimensionales Modell eingegeben werden, welches die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfasse. Zum Beispiel können Konstruktionsparameter, welche mit einem Drehmeißel verbunden sind, in ein Computersystem eingegeben werden (siehe zum Beispiel 1C), welches eine Softwareanwendung aufweist, so wie sie in den 17A–17G gezeigt und beschrieben ist. Alternativ können die Drehbohrmeißelkonstruktionsparameter einer Meißelkonstruktionsdatei in ein Computerprogramm eingelesen werden, oder Drehmeißelkonstruktionsparameter wie beispielsweise Daten der International Association of Drilling Contractcrs (IADC) können in das Computerprogramm eingelesen werden.
Bohrausrüstungsbetriebsdaten, so wie beispielsweise RPM, ROP und die Neigungsrate für einen damit verbundenen Drehbohrmeißel können für jede Simulation ausgewählt oder definiert werden. Eine Neigungsrate oder DLS kann definiert werden für eine oder mehrere Formationslagen und einen damit verbundenen Schrägstellungswinkel für angrenzende Formationslagen. Formationsdaten, wie beispielsweise eine Felskompressionsfestigkeit, Überleitungslagen und Anschrägungswinkel jeder Überleitungslage können auch definiert oder ausgewählt werden.
Die gesamte Laufzeit, die gesamte Anzahl der Meißelumdrehungen und/oder die jeweiligen Zeitintervalle pro Simulation können auch für jede Simulation definiert oder ausgewählt werden. 3D-Simulationen oder Modellierungen, welche ein Computersystem, so wie es in 10 gezeigt ist, verwenden und/oder Software und Computerprogramme, so wie sie in den 17A–17G angeführt sind, können dann durchgeführt werden, um die unterschiedlichen Kräfte zu berechnen oder abzuschätzen, umfassend die Seitenkräfte, welche auf einen damit verbundenen Drehbohrmeißel oder die hiermit verbundene Grundlochbohrausrüstung wirken.
Die vorhergehenden Schritte können durch das Verändern von DLS oder der Neigungsrate durchgeführt und wiederholt werden, um eine Kurve der Meißelseitenkräfte zu entwickeln, welche zu jedem Wert von DLS korrespondieren. Eine Kurve der Seitenkräfte versus DLS kann dann gedruckt werden (siehe 11) und die Meißellenkbarkeit berechnet werden. Ein weiterer Satz von Drehbohrmeißelbetriebsparametern kann dann in den Computer eingegeben werden und die Schritte 3 bis 7 können wiederholt werden, um zusätzliche Kurven der Seitenkraft (Fs) gegenüber dem Knickgrad (DLS) bereitzustellen. Die Meißellenkbarkeit kann dann durch den Satz von Kurven definiert werden, welche die Seitenkräfte versus DLS zeigen.
13A kann beschrieben werden als eine grafische Darstellung, welche Abschnitte einer Grundlochanordnung und eines Drehbohrmeißels 100a zeigt, welche mit einem Richtbohrsystem mit Meißelvorschub verbunden sind. Ein Richtbohrsystem mit Meißelvorschub kann manchmal eine Biegungslänge größer als 20 bis 35 Mal der damit verbundenen Meißelgröße oder des dazu korrespondierenden Meißeldurchmessers in Inch aufweisen. Die Biegungslänge 203a, welche mit einem Richtbohrsystem mit Meißelvorschub verbunden ist, ist im Allgemeinen wesentlich größer als die Länge 206a eines Drehbohrmeißels 100a. Die Biegungslänge 204a kann auch wesentlich größer oder gleich dem Durchmesser D_B1 des Drehbohrmeißels 100a sein.
13B kann im Allgemeinen als eine grafische Darstellung beschrieben werden, welche Abschnitte einer Bodenlochanordnung und eines Drehbohrmeißels 110 zeigt, welcher mit einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung verbunden ist. Ein Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung kann manchmal eine Biegungslänge aufweisen, die kleiner oder gleich 12 Mal der Meißelgröße ist. In dem Beispiel, welches in 13B gezeigt ist, kann die Biegungslänge 204c, welche mit einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung verbunden ist, nahezu zwei oder drei Mal größer sein als die Länge 206c des Drehbohrmeißels 100c. Die Länge 206c des Drehbohrmeißels 100c kann signifikant größer sein als der Durchmesser D_B2 des Drehbohrmeißels 100c. Die Länge eines Drehbohrmeißels, welcher mit einem Bohrsystem mit Meißelvorschub verwendet wird, wird im Allgemeinen kleiner sein als die Länge eines Drehbohrmeißels, welcher mit einem Richtbohrsystem mit Meißelausrichtung verbunden ist.
Aufgrund der Kombination des Neigens und der axialen Penetration können Drehbohrmeißel eine Seitwärtsbewegung aufweisen. Dies ist besonders der Fall während des Anfangsbohrens. Die Rate des Seitenfräsens ist im Allgemeinen keine Konstante für einen Drehmeißel und wird entlang der Drehmeißelachse verändert. Die Rate der Seitenpenetration von Drehbohrmeißeln 100a und 100c wird durch den Pfeil 202 repräsentiert. Die Rate der Seitenpenetration ist im Allgemeinen eine Funktion der Neigungsrate und der damit verbundenen Biegungslänge 204a und 204d. Für Drehbohrmeißel, welche eine relativ lange Meißellänge aufweisen und insbesondere eine relativ lange Spurlänge, so wie es in 5C gezeigt ist, kann die Rate der Seitenpenetration am Punkt 208 wesentlich geringer sein als die Rate der Seitenpenetration am Punkt 210. Wenn die Länge eines Drehbohrmeißels ansteigt, nimmt die Seitenpenetrationsrate ab, verglichen mit dem extremen Ende des Drehbohrmeißels. Der Unterschied in der Rate der Seitenpenetration zwischen dem Punkt 208 und dem Punkt 210 kann klein sein, aber die Effekte auf die Meißellenkbarkeit können sehr groß sein.
Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, können verwendet werden, um die Meißelgangrate zu berechnen. Die Gangkraft (F_W) kann erhalten werden durch das Simulieren des Ausformens eines gerichteten Bohrloches als eine Funktion der Bohrzeit. Die Gangkraft (F_W) korrespondiert zu dem Betrag der Kraft, welche auf einen Drehbohrmeißel in einer Ebene aufgebrecht wird, welche sich im Allgemeinen senkrecht zu einer damit verbundenen Azimuth-Ebene oder Neigungsebene erstreckt. Ein Modell, so wie es in den 17A–17G gezeigt ist, kann dann verwendet werden, um die gesamte Meißelquerkraft (F_lat) als eine Funktion der Zeit zu erhalten.
14A, 14B und 14C sind schematische Zeichnungen, welche Darstellungen unterschiedlicher Interaktionen zwischen dem Drehbohrmeißel 100 und angrenzenden Abschnitten einer ersten Formation 221 und einer zweiten Formationslage 222 zeigen. Die Software oder Computerprogramme, so wie sie in den 17A–17G dargestellt sind, können verwendet werden, um Interaktionen mit mehrfachen oder laminierten Felslagen, welche ein Bohrloch ausformen, zu simulieren oder zu modellieren.
Für einige Anwendungen können erste Formationslagen eine Felskompressibilitätsfestigkeit aufweisen, welche im Wesentlichen größer ist als die Felskompressibilitätsfestigkeit der zweiten Lage 222. Für die Ausführungsbeispiele, wie sie in den 14A, 14B und 14C gezeigt sind, können die erste Lage 221 und die zweite Lage 222 schräg gestellt sein oder in einem Schrägstellungswinkel 224 relativ zueinander und relativ zur Vertikalen angeordnet sein (manchmal als ein „Überleitungswinkel" bezeichnet). Der Schrägstellungswinkel 224 kann im Allgemeinen als ein positiver Winkel relativ zu der damit verbundenen vertikalen Achse 74 beschrieben werden.
Dreidimensionale Simulationen können durchgeführt werden, um die Kräfte zu evaluieren, welche für den Drehbohrmeißel 100 erforderlich sind, um ein im Wesentlich vertikales Bohrloch auszuformen, welches sich durch die erste Lage 221 und die zweite Lage 222 erstreckt. Siehe 14A. Dreidimensionale Simulationen können auch durchgeführt werden, um die Kräfte zu evaluieren, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 aufgebracht werden müssen, um ein gerichtetes Bohrloch auszuformen, welches sich durch eine erste Lage 221 und zweite Lage 222 in unterschiedlichen Winkeln, so wie sie in den 14B und 14C gezeigt sind, hindurch erstreckt. Eine Simulation, welche Software oder ein Computerprogramm verwendet, so wie es in 17A–17G angedeutet ist, kann verwendet werden, um die Seitenkräfte zu berechnen, welche auf einen Drehbohrmeißel 100 aufgebracht werden müssen, um ein Bohrloch auszuformen, um den Drehbohrmeißel 100 in einem Winkel relativ zu der vertikalen Achse 74 zu neigen.
14D ist eine schematische Zeichnung, welche eine dreidimensionale Maschenrepräsentation des Bodenloches oder des Endes des Bodenlochsegmentes 60a korrespondierend zu einem Drehbohrmeißel 100 zeigt, welcher ein im Allgemeinen vertikales oder horizontales Bohrloch ausformt, welches sich durch dieses hindurch erstreckt, so wie in 14A gezeigt. Die Überleitungsebene 226, so wie sie in 14D gezeigt ist, repräsentiert eine Teilungslinie oder eine Grenze zwischen der Felsformationslage und der Felsformationslage 222. Die Überleitungsebene 226 kann sich entlang eines Anschrägungswinkels 224 relativ zur Vertikalen erstrecken.
Die Begriffe „vernetzt" und „Netzanalyse" können analytische Prozeduren beschreiben, welche verwendet werden, um komplexe Strukturen, so wie beispielsweise Fräser, aktive und passive Spuren, andere Abschnitte eines Drehbohrmeißels, andere Grundlochwerkzeuge, welche mit dem Bohren eines Bohrloches verbunden sind, Bodenlochkonfigurationen eines Bohrloches und/oder andere Abschnitte eines Bohrloches zu evaluieren. Die innere Oberfläche eines Endes 62 eines Bohrloches 60a kann letztendlich in viele kleine Segmente oder „Mascheneinheiten" vermascht werden, um beim Bestimmen der Interaktionen zwischen Fräsern und anderen Abschnitten eines Drehbohrmeißels angrenzenden Formationsmaterialien zu unterstützen, wenn der Drehbohrmeißel Formationsmaterialien aus dem Ende 62 entfernt, um das Bohrloch 60 auszuformen. Siehe 14D. Die Verwendung von Mascheneinheiten kann besonders hilfreich sein, um die verteilten Kräfte und die Variationen in der Frästiefe der jeweiligen Mascheneinheiten oder kleinen Fräsern zu analysieren, wenn ein damit verbundener Fräser mit angrenzenden Formationsmaterialien interagiert.
Dreidimensionale Maschendarstellungen des Bodens eines Bohrloches und/oder unterschiedliche Abschnitte eines Drehbohrmeißels und/oder anderer Grundlochwerkzeuge können verwendet werden, um Interaktionen zwischen dem Drehbohrmeißel und angrenzenden Abschnitten des Bohrloches zu simulieren. Zum Beispiel kann die Frästiefe und die Fräsfläche eines Fräsers oder kleinen Fräselementes während einer Umdrehung des damit verbundenen Drehbohrmeißels verwendet werden, um Kräfte zu berechnen, welche auf jeden Fräser wirken. Die Simulation kann dann die Konfiguration oder das Muster des damit verbundenen Bodenloches und der Kräfte, welche auf jeden Fräser wirken, auf den neuesten Stand bringen. Für einige Anwendungen kann die nominale Konfiguration und Größe einer Einheit, so wie sie in 14D gezeigt ist, ungefähr 0,5 mm pro Seite sein. Die tatsächliche Konfigurationsgröße jeder Mascheneinheit kann jedoch deutlich variieren aufgrund der Komplexitäten der damit verbundenen Bodenlochgeometrie und der jeweiligen Fräser, welche verwendet werden, um die Formationsmaterialien zu entfernen.
Systeme und Verfahren, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen, können auch verwendet werden, um ein gerichtetes Bohrloch zu simulieren oder zu modellieren, welches sich durch unterschiedliche Kombinationen von weichen und mittelharten Formationen mit mehrfachen harten Strängen hindurch erstreckt, welche innerhalb der weichen und/oder der mittelharten Formationen angeordnet sind. Diese Formationen können manchmal als „eingebettete" Formationen bezeichnet werden. Simulationen und die damit verbundenen Berechnungen können ähnlich zu den Simulationen und Berechnungen, wie sie bezüglich der 14A–14d beschrieben wurden, sein.
Sphärische Koordinatensysteme, so wie sie in 15A–15c gezeigt sind, können verwendet werden, um den Ort der jeweiligen kleinen Fräser, Spurelemente und/oder Mascheneinheiten eines Drehbohrmeißels und der angrenzenden Abschnitte eines Bohrloches zu definieren. Der Ort einer jeden Mascheneinheit eines Drehbohrmeißels und des damit verbundenen Bohrloches können durch eine einzige Wertfunktion eines Winkels phi (φ), Winkels theta (θ) und Radius rho (ρ) in drei Dimensionen (3D) relativ zur Z-Achse 74 repräsentiert werden. Die gleiche Z-Achse 74 kann in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem oder einem dreidimensionalen sphärischen Koordinatensystem verwendet werden.
Der Ort eines einzigen Punktes, so wie beispielsweise der Mitte 198 des Fräsers 130, kann in dem dreidimensionalen sphärischen Koordinatensystem der 15A durch den Winkel φ und den Radius ρ definiert werden. Dieser gleiche Ort kann in ein kartesisches Lochkoordinatensystem von X_h, Y_h, Z_h konvertiert werden unter Verwendung des Radius r und des Winkels theta (θ), welcher zu der Winkelorientierung des Radius r zur X-Achse 76 korrespondiert. Der Radius r schneidet die Z-Achse 74 an dem gleichen Punkt, an dem der Radius ρ die Z-Achse 74 schneidet. Der Radius r ist in der gleichen Ebene wie die Z-Achse 74 und der Radius ρ angeordnet. Unterschiedliche Beispiele von Algorithmen und/oder Matrizen, welche verwendet werden können, um Daten in einem kartesischen Koordinatensystem in ein sphärisches Koordinatensystem zu transformieren und Daten in einem sphärischen Koordinatensystem in ein kartesisches Koordinatensystem zu transferieren, werden später in dieser Anmeldung diskutiert werden.
Wie vorhergehend festgehalten kann ein Drehbohrmeißel im Allgemeinen so beschrieben werden, dass er ein „Meißelstirnflächenprofil" aufweist, welches eine Mehrzahl von Fräsern aufweist, die dazu betrieben werden können, mit angrenzenden Abschnitten eines Bohrlochs zu interagieren um von diesem Formationsmaterial zu entfernen. Beispiele eines Meißelstirnflächenprofils und der damit verbundenen Fräser sind in 2A, 2B, 4C, 5C, 5D, 7A und 7B gezeigt. Die Fräskante eines jeden Fräsers in einem Drehbohrmeißel kann in drei Dimensionen unter Verwendung entweder eines kartesischen Koordinatensystems oder eines sphärischen Koordinatensystems repräsentiert werden.
15B und 15C zeigen grafische Darstellungen unterschiedlicher Kräfte, welche mit den Abschnitten eines Fräsers 130 verbunden sind, welcher mit den angrenzenden Abschnitten eines Bodenloches 62 des Bohrloches 60 interagieren. Zum Beispiel kann, so wie in 15B gezeigt, der Fräser 130 an der Schulter eines damit verbundenen Drehbohrmeißels angeordnet sein.
15B und 15C zeigen auch ein Beispiel eines lokalen Fräserkoordinatensystems, welches in einem jeweiligen Zeitschritt oder Intervall verwendet wird, um die Interaktion zwischen einem Fräser und angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches zu evaluieren oder zu interpolieren. Ein lokales Fräserkoordinatensystem kann genauer eine komplexe Bodenlochgeometrie und eine Meißelbewegung interpolieren, welche verwendet wird, um eine 3D-Simulation einer Bodenlochgeometrie auf den neuesten Stand zu bringen, so wie sie in 14D gezeigt ist, basierend auf den simulierten Interaktionen zwischen einem Drehbohrmeißel und den angrenzenden Formationsmaterialien. Numerische Algorithmen und Interpolationen, welche die Lehre der vorliegenden Offenbarung umfassen, können genauer die geschätzte Frästiefe und die Fräsfläche eines jeden Fräsers berechnen.
In einem lokalen Fräserkoordinatensystem gibt es zwei Kräfte, nämlich eine Zugkraft (F_d) und eine Penetrationskraft (F_p), welche auf den Fräser 130 während der Interaktion mit angrenzenden Abschnitten des Bohrloches 60 wirken. Wenn die Kräfte, welche auf jeden Fräser 130 wirken, in ein Meißelkoordinatensystem projiziert werden, gibt es drei Kräfte, nämlich die Axialkraft (F_a), die Zugkraft (F_d) und die Penetrationskraft (F_p). Die vorhergehend beschriebenen Kräfte können auch auf Stoßableiter und Spurfräser wirken.
Für die Zwecke des Simulierens des Fräsens oder des Entfernens von Formationsmaterialien benachbart zu dem Ende 62 des Bohrloches 60, so wie in 15B gezeigt, kann der Fräser 130 in kleine Elemente oder kleine Fräser 131a, 131b, 131c und 131d aufgeteilt werden. Die Kräfte, welche durch die Pfeile F_e repräsentiert werden, können so simuliert werden, dass sie auf die kleinen Fräser 131a–131d an den jeweiligen Punkten, so wie beispielsweise 191 und 200, wirken. Zum Beispiel können die jeweiligen Zugkräfte für jeden kleinen Fräser 131a–131d berechnet werden, welche an den entsprechenden Punkten, wie beispielsweise 191 und 200 wirken. Die jeweiligen Zugkräfte können summiert werden oder insgesamt genommen werden, um die gesamte Zugkraft (F_d), welche auf den Fräser 130 wirkt, zu bestimmen. Auf die gleiche Weise können die entsprechenden Penetrationskräfte für jeden kleinen Fräser 131a–131d auch berechnet werden, welche an den jeweiligen Punkten, wie beispielsweise 191 und 200 wirken. Die jeweiligen Penetrationskräfte können summiert werden oder insgesamt genommen werden, um die gesamte Penetrationskraft (F_p), welche auf den Fräser 130 wirkt, zu bestimmen.
15C zeigt den Fräser 130 in einem lokalen Fräserkoordinatensystem, welches teilweise durch die Fräserachse 198 definiert ist. Die Zugkraft (F_d), welche durch den Pfeil 196 dargestellt ist, korrespondiert zu der Summierung der jeweiligen Zugkräfte, welche für einen jeden kleinen Fräser 131a–131d berechnet wird. Die Penetrationskraft (F_p), welche durch den Pfeil 192 repräsentiert ist, korrespondiert zu der Summierung der jeweiligen Penetrationskräfte, welche für jeden kleinen Fräser 131a–131d berechnet ist.
16 zeigt Abschnitte des Bodenloches 62 in einem sphärischen Lochkoordinatensystem, welches teilweise durch die Z-Achse 74 und den Radius R_h definiert ist. Die Konfiguration eines Bodenloches korrespondiert im Allgemeinen mit der Konfiguration eines damit verbundenen Meißelstirnflächenprofils, welches verwendet wird, um das Bodenloch auszuformen. Zum Beispiel kann der Abschnitt 62i des Bodenloches 62 durch die inneren Fräser 130i geformt werden. Der Abschnitt 62s des Bodenloches 62 kann durch die Schulterfräser 130s geformt sein. Die Seitenwand 63 kann durch die Spurfräser 130g geformt sein.
Ein einziger Punkt 200, so wie er in 16 gezeigt ist, ist an der Innenseite des Fräsers 130s angeordnet. In dem Lochkoordinatensystem ist der Ort eines Punktes 200 eine Funktion eines Winkels φ_h und eines Radius ρ_h. 16 zeigt auch den gleichen einzelnen Punkt 200 an der Außenseite des Fräsers 130s in einem lokalen Fräserkoordinatensystem, welches durch die vertikale Achse Z_c und den Radius R_c definiert ist. In dem lokalen Fräserkoordinatensystem ist der Ort des Punktes 200 eine Funktion des Winkels φ_c und des Radius ρ_c. Die Frästiefe 212, welche mit dem einzigen Punkt 200 und mit dem Entfernen des Formationsmaterials von dem Bodenloch 62 verbunden ist, korrespondiert zu dem kürzesten Abstand zwischen dem Punkt 200 und dem Abschnitt 62s des Bodenloches 62.
Simulieren des Rohrens eines geraden Loches (Pfad B, Algorithmus A)
Die folgenden Algorithmen können verwendet werden, um die Interaktion zwischen Abschnitten eines Fräsers und angrenzender Abschnitte eines Bohrloches während des Entfernens von Formationsmaterial in der Nähe des Endes eines geraden Lochsegmentes zu simulieren. Die jeweiligen Abschnitte eines jeden Fräsers, welcher in benachbartes Formationsmaterial eingreift, können als Fräser oder kleine Fräser bezeichnet werden. Es ist zu beachten, dass in den folgenden Schritten die Y-Achse die Rotationsachse repräsentiert. Die X- und Z-Achsen werden unter Verwendung der Rechtshandregel bestimmt. Die Drehbohrmeißelkinematik beim Bohren eines geraden Loches ist vollständig definiert durch ROP und RPM.
Gegeben sind ROP, RPM, die gegenwärtige Zeit t, dt, die gegenwärtige Position der kleinen Fräser (x_i, y_i, z_i) oder (θ_i, φ_i, ρ_i).

(1) Die Position des kleinen Fräsers aufgrund der Penetration entlang der Meißelachse Y kann erhalten werden durch xp = xi; yp = yi + rop·dt; zp = zi
(2) Die Position der kleinen Fräser aufgrund der Meißelrotation um die Meißelachse kann erhalten werden wie folgt: N_rot = (0 1 0) Begleitende Matrix:
Die Transformationsmatrix ist: R_rot = cosωt I + (1 – cosωt) N_rot N_rot' + Sin ωt M_rot, Wobei I eine 3×3 Einheitsmatrix ist und ω die Meißelrotationsgeschwindigkeit.

Die neue Position der kleinen Fräser nach der Rotation des Meißels ist:

X₍₊₎ X_p

Y₍₊₎ = R_rot Y_p

Z₍₊₎ Z_p

(3) Berechne die Frästiefe für jedes kleine Fräselement durch das Vergleichen von (X_i+1, Y_i+1, Z_i+1 für diesen kleinen Fräser mit dem Lochkoordinaten (X_h, Y_h, Z_h), wobei X_h = x_i+1 & z_h = z_i+h und d_p = y_i+1 – y_h;
(4) Berechne die Fläche dieses kleinen Fräselementes A kleines Fräselement = d_p·d_r Wobei d_r die Breite dieses kleinen Fräselementes ist.
(5) Bestimme, welche Formationslage durch diesen kleinen Fräser gefräst wird durch das Vergleichen von y_i+1 mit den Lochkoordinaten y_h, wenn y_i+1 < y_h, dann ist die Lage A durchfräst. Y_h kann gelöst werden aus der Gleichung der Überleitungsebene in kartesischen Koordinaten: l(xh – x1) + m(yh – y1) + n(zh – z1) = 0wobei (x₁, y₁, z₁) jeglicher Punkt in der Ebene ist und {l, m, n} die Normalrichtung der Überleitungsebene ist.
(6) Speichere die Lageninformation, Frästiefe und Fräsfläche in einer 3D-Matrix zu jedem Zeitschritt für jeden kleinen Fräser für die Kraftberechnung.
(7) Bringe die damit verbundene Bodenlochmatrix, welche durch die jeweiligen kleinen Fräser oder Fräser entfernt ist, auf den neuesten Stand.

Simulieren des Anfangsbohrens (Pfad C)
Die folgenden Algorithmen können verwendet werden, um die Interaktion zwischen Abschnitten eines Fräsers und den angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches während des Entfernens von Formationsmaterialien in der Nähe des Endes eines Anfangssegmentes zu simulieren. Die jeweiligen Abschnitte eines jeden Fräsers, welcher in angrenzende Formationsmaterialien eingreift, kann bezeichnet werden als Fräser oder kleiner Fräser. Es ist zu beachten, dass in den folgenden Schritten die Y-Achse die Meißelachse ist, wobei X und Z unter Verwendung der Rechtshandregel bestimmt werden. Die Drehmeißelkinematik beim Anfangsbohren wird durch zumindest vier Parameter definiert: ROP, RPM, DLS und Biegungslänge.
Gegeben sind ROP, RPM, DLS und die Biegungslänge, L_bend, die derzeitige Zeit t, dt, die derzeitige Position der kleinen Fräser (x_i, y_i, z_i) oder (θ_i, φ_i, ρ_i).

(1) Transformiere die derzeitige Position der kleinen Fräser in das Biegungszentrum: xi = xi; yi = yi – Lbend zi = zi;
(2) Die neue Position der kleinen Fräser aufgrund der Neigung kann erhalten werden durch das Neigen des Meißels um den Vektor N_tilt um einen Winkel γ: N_tilt = {sinα 0.0 cosα} Begleitende Matrix:
Die Transformationsmatrix ist: R_tilt = cosγ I + (1 – cosγ)N_tilt N_tilt' + siny M_tiltwobei I die 3×3 Einheitsmatrix ist.

Die neue Position des kleinen Fräsers nach dem Neigen ist:

^Xt x₁

y_t = R_Tilt y_t

z_t z_t

(3) Die Position der kleinen Fräser aufgrund der Meißeldrehung um die neue Meißelachse kann erhalten werden wie folgt: N_rot = {sinγcosθ cosγsinγsinθ} Begleitende Matrix:
Die Transformationsmatrix ist: R_rot = cosωt I + (1 – cosωt)N_rot N_rot' + sinωt M_rot,wobei I die 3×3 Einheitsmatrix ist und ω die Meißeldrehgeschwindigkeit.

Die neue Position der kleinen Fräser nach dem Neigen ist:

x_r x_t

y_r = R_rot y_t

z_t z_t

(4) Die Position der kleinen Fräser aufgrund der Penetration entlang der neuen Meißelachse kann erhalten werden durch dp = rop × dt; xi+1 = xr + dp-X yi+1 = yr + dp-y ui+1 = zr + dp-z Wobei d_p-x, d_p-y und d_p-z eine Projektion von d_p auf X, Y und Z ist.
(5) Übertrage die berechnete Position der kleinen Fräser nach dem Neigen, der Rotation und der Penetration in sphärische Koordinaten und erhalte (θ_i+1, φ_i+1, ρ_i+1)
(6) Bestimme welche Formationslage gefräst wird durch diesen kleinen Fräser durch das Vergleichen von Y_i+1 mit den Lochkoordinaten y_h, wenn y_i+1 < y_h dann ist die erste Lage geschnitten (dieser Schritt ist der Gleiche wie im Algorithmus A).
(7) Berechne die Frästiefe eines jeden kleinen Fräsers durch das Vergleichen von (θ_i+1, φ_i+1, ρ_i+1) des kleinen Fräsers und (θ_h, φ_h, ρ_h) des Loches, wobei θ_h = θ_i+1 & φ_h =, φ_i+1. Daher ist d_ρ = ρ_i+1 – ρ_h. Es ist typischerweise schwierig einen Punkt in dem Loch (θ_h, φ_h, ρ_h) zu finden, daher wird eine Interpretation verwendet, um einen angenäherten ρ_h zu erreichen: ρh = interp2(θh, φh, ρh, θi+1, φi+1)wobei θ_h, φ_h, ρ_h eine Submatrix ist, welche eine Zone des Loches um den kleinen Fräser herum repräsentiert. Die Funktion interp2 ist eine MATLAB-Funktion, die lineare und nichtlineare Interpolationsverfahren verwendet.
(8) Berechne die Fräsfläche eines jeden kleinen Fräsers unter Verwendung von dφ, dρ in der Ebene, welche durch ρ_i, ρ_i+1 definiert ist. Die kleine Fräselementfräsfläche ist A = 0,5·dφ·(pi+1∧2 – (ρi+1 – dρ)∧2)
(9) Speichere die Lageninformation, Frästiefe und Fräsfläche in eine 3D-Matrix in jedem Zeitschritt für jeden kleinen Fräser für die Kraftberechnung.
(10) Bringe die damit verbundene Bodenlochmatrix, welche durch die jeweiligen kleinen Fräser oder Fräser entfernt ist, auf den neuesten Stand.

Simulation des Gleichgewichtsbohrens (Pfad D)
Die folgenden Algorithmen können verwendet werden, um die Interaktion zwischen Abschnitten eines Fräsers und angrenzenden Abschnitten eines Bohrloches während der Entfernung von Formationsmaterialien in einem Gleichgewichtssegment zu simulieren. Jeweilige Abschnitte eines jeden Fräsers, welcher in angrenzende Formationsmaterialien eingreifen kann, werden als Fräser oder kleine Fräser bezeichnet. Es ist in den folgenden Schritten zu beachten, dass Y die Meißelrotationsachse repräsentiert. Die Drehmeißelkinematik beim Gleichgewichtsbohren ist definiert durch zumindest drei Parameter: ROP, RPM und DLS.
Gegeben sind ROP, RPM, DLS, die derzeitige Zeit t, das ausgewählte Zeitintervall dt, die derzeitige Position der kleinen Fräser (x_i, y_i, z_i) oder (θ_i, φ_i, ρ_i).

(1) Der Meißel als Ganzes dreht sich um einen festen Punkt O_w, wobei der Radius des Bohrlochpfades berechnet wird durch R = 5730·12/DLS (Inch)und Winkel y = DLS·rop/100.0/3600 (Grad/Sec)
(2) Die neue Position der kleinen Fräser aufgrund der Rotation y kann erhalten werden wie folgt: Achse: N_1 = {0 0 0–1} Begleitende Matrix:
Die Transformationsmatrix ist: R_1 = cosγ I + (1 – cosγ)N_1 N_1' + sinγ M1wobei I die 3×3 Einheitsmatrix ist.

Die neue Position der kleinen Fräser nach der Rotation um O_w ist:

x_t x_i

y_t = R_iy_i

z_t z_i

(3) Die Position der kleinen Fräser aufgrund der Meißelrotation um die neue Meißelachse herum kann erhalten werden wie folgt: N_rot = {sinγcosα cos γ sinγsinα}wobei α der Azimuth-Winkel des Bohrlochpfades ist Begleitende Matrix:
Die Transformationsmatrix ist: R_rot = cos θ I + (1 – cos θ)N_rot N_rot' + sin θ M_rot,wobei I die 3×3 Einheitsmatrix ist.

Die neue Position des kleinen Fräsers nach der Meißelrotation ist:

X_i+1 x_t

Y_i+1 = R_roty_t

^Zi+1 z_t

(4) Übertrage die berechnete Position der kleinen Fräser in sphärische Koordinaten und erhalte (θ_i+1, φ_i+1, ρ_i+1).
(5) Bestimme, welche Formationslage geschnitten wird durch dieses kleine Fräselement durch das Vergleichen von y_i+1 mit den Lochkoordinaten y_h, wenn y_i+1 < y_h, dann ist die erste Lage geschnitten (dieser Schritt ist der Gleiche wie im Algorithmus A).
(6) Berechne die Frästiefe eines jeden kleinen Fräsers durch das Vergleichen von (θ_i+1, φ_i+1, ρ_i+1) des kleinen Fräsers und (θ_h, φ_h, ρ_h) des Loches, wobei θ_h = θ_i+1 & φ_h = φ_i+1. Daher ist d_p = ρ_i+1 – ρ_h. Es ist typischerweise schwierig einen Punkt in dem Loch (θ_h, φ_h, ρ_h) zu finden, daher wird eine Interpretation verwendet, um ein angenähertes ρ_h zu erreichen: ρh = interp2(θh, φh, ρh, θi+1, φi+1)wobei θ_h, φ_h, ρ_h Submatrizen sind, welche eine Zone eines Loches um den kleinen Fräser herum repräsentieren. Die Funktion interp2 ist eine MATLAB-Funktion, welche lineare und nichtlineare Interpolationsverfahren verwendet.
(7) Berechne die Fräsfläche eines jeden kleinen Fräsers unter Verwendung von dφ, dρ in der Ebene, welche durch ρ_i, ρ_i+1 definiert ist. Die Fräsfläche des kleinen Fräsers ist: A = 0.5·dφ·(ρi+1∧2 – (ρi+1 – dρ)∧2)
(8) Speichere die Lageninformation, Frästiefe und Fräsfläche in eine 3D-Matrix zu jedem Zeitpunkt des kleinen Fräsers für die Kraftberechnung.
(9) Bringe die damit verbundene Bodenlochmatrix für die Abschnitte, welche durch die jeweiligen kleinen Fräser oder Fräser entfernt wurden, auf den neuesten Stand.

Ein alternativer Algorithmus, um die Fräsfläche eines Fräser zu berechnen
Die folgenden Schritte können auch verwendet werden, um die Fräsfläche eines damit verbundenen Fräsers zu berechnen oder abzuschätzen. Siehe 15C und 16.

(1) Bestimme den Ort eines Fräserzentrums O_c zum derzeitigen Zeitpunkt in einem sphärischen Lochkoordinatensystem. Siehe 16.
(2) Transformiere drei Matrizen φ_H, θ_H und ρ_H in kartesische Koordinaten im Lochkoordinatensystem und erhalte X_h, Y_h und Z_h;
(3) Bewege den Ursprung von X_h, Y_h und Z_h in das Zentrum des Fräsers O_c, welches bei (φ_c, θ_c und ρ_c) angeordnet ist;
(4) Bestimme eine mögliche Fräszone in Abschnitten eines Bodenloches, welche mit einem jeweiligen kleinen Fräser interagiert haben, für diesen Fräser und ziehe die dreidimensionalen Matrizen von X_h, Y_h und Z_h ab, um x_h, y_h und z_h zu erhalten;
(5) Transformiere x_h, y_h und z_h in sphärische Koordinaten zurück und erhalte φ_h, θ_h und ρ_h für diese jeweilige Unterzone an dem Bodenloch;
(6) Berechne sphärische Koordinaten des kleinen Fräsers B: φ_B, θ_B und ρ_B in lokalen Fräserkoordinaten;
(7) Finde den dazu korrespondierenden Punkt C in den Matrizen φ_h, θ_h und ρ_h unter der Bedingung φ_c = φ_B und θ_c = θ_B;
(8) Wenn ρ_B > ρ_c, Ersetze ρ_c mit ρ_B und Matrix ρ_h und das Fräserkoordinatensystem wird auf den neuesten Stand gebracht;
(9) Wiederhole die Schritte für alle kleinen Fräser an diesem Fräser;
(10) Berechne die Fräsfläche für diesen Fräser;
(11) Wiederhole die Schritte 1–10 für alle Fräser;
(12) Transformiere die Lochmatrizen in den lokalen Fräserkoordinaten zurück in das Lochkoordinatensystem und wiederhole Schritte 1–12 für das nächste Zeitintervall.

Kraftberechnungen in unterschiedlichen Bohrmodi
Die folgenden Algorithmen können verwendet werden, um die Kräfte, welche auf alle Stirnflächenfräser eines Drehbohrmeißels wirken, abzuschätzen oder zu berechnen.

(1) Summiere alle Fräsflächen der kleinen Fräser für jeden Fräser und projiziere die Fläche auf die Fräserstirnfläche, um die Fräsfläche A_c zu erhalten
(2) Berechne die Penetrationskraft (F_p) und die Zugkraft (F_d) für jeden Fräser unter Verwendung, zum Beispiel, eines AMOCO- Modells (oder anderen Modelle, wie beispielsweise SDBS-Modell, Shell-Modell, Sandia-Modell, können verwendet werden). Fp = σ·Ac·(0.16·abs(βe) – 1.15)) Fd = Fd·Fp + σ·Ac·(0.04·abs(βe) + 0.8)) Wobei σ die Felsfestigkeit, βe der effektive Rückwärtsrichtungswinkel und F_d ein Zugkoeffizient ist (typischerweise F_d = 0.3)
(3) Die Kraft, welche auf den Punkt M für diesen Fräser wirkt wird entweder dadurch, wo der kleine Fräser die maximale Tiefe aufweist oder wo der mittlere kleine Fräser von allen kleinen Fräsern dieses Fräsers, welche im Fräsen mit der Formation stehen. Die Richtung von F_p liegt von dem Punkt M zum Zentrum der Fräserstirnfläche O_c. F_d ist parallel zu der Fräserachse. Siehe zum Beispiel 15B und 15C.

Ein Beispiel eines Computerprogramms oder von Software und den verbundenen Verfahrensschritten, welche verwendet werden können um das Ausformen unterschiedlicher Abschnitte eines Bohrloches in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung zu simulieren, ist in 17A–17G gezeigt. Eine dreidimensionale (3D) Simulation oder das Modellieren des Formens eines Bohrlochs kann beim Schritt 800 beginnen. Beim Schritt 802 kann der Bohrmodus, welcher verwendet werden wird, um das Ausformen eines jeweiligen Segments des simulierten Bohrloches zu simulieren, aus einer Gruppe ausgewählt werden, welche das Bohren eines geraden Loches, ein Anfangsbohren oder ein Gleichgewichtsbohren umfasst. Zusätzliche Bohrmodi können auch verwendet werden, abhängig von den Charakteristika der damit verbundenen Grundlochformationen und den Möglichkeiten eines damit verbundenen Bohrsystems.
Im Schritt 804a können die Fräsparameter, wie beispielsweise eine Penetrationsrate und die Umdrehungen pro Minute in die Simulation eingegeben werden, wenn ein Bohren eines geraden Loches ausgewählt war. Wenn das Anfangsbohren ausgewählt war, können Daten so wie beispielsweise die Penetrationsrate, die Umdrehungen pro Minute, der Knickgrad, die Biegungslänge und andere Charakteristika einer damit verbundenen Bodenlochanordnung in die Simulation beim Schritt 804b eingegeben werden. Wenn Gleichgewichtsbohren ausgewählt wurde, werden Parameter wie beispielsweise die Penetrationsrate, die Umdrehungen pro Minute und der Knickgrad beim Schritt 804c in die Simulation eingegeben werden.
In den Schritten 806, 808 und 810 können unterschiedliche Parameter, welche mit der Konfiguration und den Dimensionen der ersten Drehbohrmeißelkonstruktion und den Grundlochbohrbedingungen verbunden sind, in die Simulation eingegeben werden. Anhang A stellt beispielsweise solche Daten dar.
Im Schritt 812 können Parameter, welche mit jeder Simulation verbunden sind, wie beispielsweise die gesamte Simulationszeit, die Schrittzeit, die Maschengröße der Fräser, Spuren, Blätter und die Maschengröße der angrenzenden Abschnitte des Bohrloches in einem sphärischen Koordinatensystem, in das Modell eingegeben werden. Im Schritt 814 kann das Modell eine Umdrehung eines damit verbundenen Drehbohrmeißels um eine damit verbundene Meißelachse simulieren, ohne eine Penetration des Drehbohrmeißels in die angrenzenden Abschnitte des Bohrloches um die initialen (korrespondierend zu der Zeit Null) sphärischen Lochkoordinaten aller interessierender Punkte während der Simulation zu berechnen. Der Ort eines jeden Punktes in einem sphärischen Lochkoordinatensystem kann in ein dazu korrespondierendes kartesisches Koordinatensystem transferiert werden für die Zwecke des Bereitstellens einer visuellen Darstellung auf einem Monitor und/oder eines Ausdruckes.
Im Schritt 816 kann das gleiche sphärische Koordinatensystem verwendet werden, um die initialen sphärischen Koordinaten für einen jeden kleinen Fräser eines jeden Fräsers und eines jeden Spurabschnittes zu berechnen, welche während der Simulation verwendet werden.
Im Schritt 818 wird die Simulation entlang eines der drei Pfade auf dem vorher ausgewählten Bohrmodus fortschreiten. Im Schritt 820a wird die Simulation entlang des Pfades A für ein gerades Lochbohren fortschreiten. Im Schritt 820b wird die Simulation entlang des Pfades B für ein Anfangslochbohren fortschreiten. Im Schritt 820c wird die Simulation entlang des Pfades C für das Gleichgewichtslochbohren fortschreiten.
Die Schritte 822, 824, 828, 832 und 834 sind im Wesentlichen gleich für das Bohren eines geraden Loches (Pfad A), das Anfangslochbohren (Pfad B) und das Gleichgewichtslochbohren (Pfad C). Daher werden nur die Schritte 822a, 824a, 828a, 830a, 832a und 834a detaillierter diskutiert werden.
Im Schritt 822a wird eine Bestimmung durchgeführt werden bezüglich der aktuellen Betriebszeit, des ΔT jeden Betriebs und des gesamten maximalen Betrags der Betriebszeit oder der Simulation, welche durchgeführt werden wird. Im Schritt 824a wird ein Durchlauf für jeden kleinen Fräser durchgeführt und eine Zählung wird durchgeführt für die gesamte Anzahl der kleinen Fräser, welche verwendet werden, um die Simulation auszuführen.
Im Schritt 826a werden Berechnungen durchgeführt, damit der jeweilige kleine Fräser während des derzeitigen Durchlaufes evaluiert wird bezüglich der Penetration entlang der damit verbundenen Meißelachse als Resultat der Meißelrotation während des jeweiligen Zeitintervalls. Der Ort des jeweiligen kleinen Fräsers wird in dem kartesischen Koordinatensystem korrespondierend zu der Zeit bestimmt, in welcher der Betrag der Penetration berechnet wurde. Die Information wird von einem dazu korrespondierenden Lochkoordinatensystem in ein sphärisches Koordinatensystem übertragen werden.
Im Schritt 828a wird das Modell bestimmen, welche Lage des Formationsmaterials durch das jeweilige kleine Fräser durchfräst wurde. Eine Berechnung der Frästiefe, der Fräsfläche des jeweiligen kleinen Fräsers wird durchgeführt und in die jeweiligen Matrizen für die Felslage, Tiefe und Fläche zur Verwendung bei Kraftberechnungen gespeichert.
Im Schritt 830a werden die Lochmatrizen in dem sphärischen Lochkoordinatensystem auf den neuesten Stand gebracht, basierend auf den gerade berechneten Positionen des kleinen Fräsers und der dazu korrespondierenden Zeit. Im Schritt 832a wird eine Bestimmung durchgeführt werden, um zu bestimmen ob der derzeitige Fräser weniger als, oder gleich zu der Gesamtzahl der kleinen Fräser ist, welche simuliert werden sollen. Wenn die Anzahl der aktuellen Fräser geringer ist als die gesamte Anzahl, wird die Simulation zum Schritt 824a zurückkehren und die Schritte 824a–832a wiederholt.
Wenn der Zähler der kleinen Fräser im Schritt 832a gleich der Gesamtzahl der kleinen Fräser ist, wird die Simulation zum Schritt 834a fortschreiten. Wenn die aktuelle Zeit kleiner ist als die gesamte Maximalzeit, die ausgewählt ist, wird die Simulation zum Schritt 822a zurückkehren und die Schritte 822a–834a werden wiederholt. Wenn die Gesamtzeit gleich dem vorher gewählten Maximalbetrag der Zeit ist, wird die Simulation zu den Schritten 840 und 860 weiterschreiten.
Wie vorhergehend festgehalten, wenn eine Simulation entlang dem Pfad C fortschreitet, so wie in 17D gezeigt, korrespondierend zu einem Anfangslochbohren, werden die gleichen Schritte, wie die bezüglich dem Pfad B beschrieben sind, für das Bohren eines geraden Loches außer dem Schritt 826b durchgeführt. Wie in 17D gezeigt, werden die Berechnungen im Schritt 826b durchgeführt korrespondierend zum Ort und der Orientierung der neuen Meißelachse nach dem Neigen, welches während des jeweiligen Zeitintervalls dt auftrat.
Eine Berechnung wird für das neue kartesische Koordinatensystem ausgeführt werden, basierend auf dem Neigen des Meißels und aufgrund der Meißelrotation um den Ort der neuen Meißelachse. Eine Berechnung wird auch durchgeführt werden für das neue kartesische Koordinatensystem aufgrund der Meißelpenetration entlang der neuen Meißelachse. Nachdem das neue kartesische Koordinatensystem berechnet wurde, wird der Ort des kleinen Fräsers in dem kartesischen Koordinatensystem für das damit verbundene Zeitintervall bestimmt werden. Die Information in dem Zeitintervall des kartesischen Koordinatensystems wird dann in das korrespondierende sphärische Koordinatensystem zur gleichen Zeit übertragen werden. Der Pfad C wird dann durch die Schritte 828b, 830b, 832b und 834b weitergeführt, so wie vorhergehend unter Bezugnahme auf den Pfad B beschrieben.
Wenn ein Gleichgewichtsbohren simuliert werden soll, werden die gleichen Funktionen in den Schritten 822c und 824c, wie sie vorhergehend beschrieben wurden, unter Bezugnahme auf den Pfad B auftreten. Für den Pfad D, so wie er in 17E gezeigt ist, wird die Simulation durch die Schritte 822c und 824c, so wie sie vorhergehend beschrieben wurden, unter Bezugnahme auf die Schritte 822a und 824a des Pfades B fortschreiten. Beim Schritt 826a wird eine Berechnung durchgeführt werden für die jeweiligen kleinen Fräser während des jeweiligen Zeitintervalls, basierend auf dem Radius des dazu korrespondierenden Bohrlochsegmentes. Eine Bestimmung wird durchgeführt werden, basierend auf dem Mittelpunkt des Pfades in einem Lochkoordinatensystem. Ein neues kartesisches Koordinatensystem wird berechnet werden, nachdem die Meißelrotation eingegeben wurde, basierend auf dem Betrag von DLS und der Penetrationsrate entlang der Z-Achse, welche sich durch das Lochkoordinatensystem hindurch zieht. Eine Berechnung des neuen kartesischen Koordinatensystems wird durchgeführt werden aufgrund der Meißelrotation entlang der damit verbundenen Meißelachse. Nachdem die obigen drei Berechnungen durchgeführt wurden, wird der Ort eines kleinen Fräsers in dem neuen kartesischen Koordinatensystem bestimmt werden für das angemessene Zeitintervall und in das dazu korrespondierende sphärische Koordinatensystem für das gleiche Zeitintervall übertragen werden. Der Pfad D wird dann das Gleichgewichtsbohren simulieren unter den gleichen Funktionen, wie für die Schritte 828b, 830b, 832b und 834b, wie vorhergehend beschrieben unter Bezugnahme auf den Pfad B des Rohrens eines geraden Loches.
Wenn der ausgewählte Pfad B, C oder D an dem jeweiligen Schritt 834a, 834b oder 934c abgeschlossen ist, wird die Simulation dann fortschreiten, um die Fräserkräfte zu berechnen, umfassend die Stoßableiter, für alle Schrittzeiten im Schritt 840 und wird die damit verbundenen Spurkräfte berechnen für alle Schrittzeiten im Schritt 860. Im Schritt 842 wird eine jeweilige Berechnung der Kräfte für einen jeweiligen Fräser gestartet werden.
Im Schritt 844 wird die Fräsfläche des entsprechenden Fräsers berechnet. Die Gesamtkräfte, welche auf den jeweiligen Fräser wirken, und der Wirkungspunkt werden berechnet werden.
Im Schritt 846 wird die Summe aller Fräskräfte in einem Meißelkoordinatensystem für die inneren Fräser und die Schulterfräser summiert. Die Fräskräfte für alle aktiven Spurfräser können summiert werden. Im Schritt 848 werden die vorhergehend berechneten Kräfte in ein Lochkoordinatensystem projiziert zur Verwendung beim Berechnen der damit verbundenen Meißelgangrate und Lenkbarkeit des damit verbundenen Drehbohrmeißels.
Im Schritt 850 wird die Simulation feststellen, ob alle Fräser berechnet wurden. Wenn die Antwort NEIN ist, dann wird das Modell zum Schritt 842 zurückkehren. Wenn die Antwort JA ist, wird das Modell zum Schritt 880 zurückkehren.
Im Schritt 880 sind alle Fräskräfte und alle Spurblattkräfte in einem dreidimensionalen Meißelkoordinatensystem summiert. Im Schritt 882 sind alle Kräfte in ein Lochkoordinatensystem summiert.
Im Schritt 884 wird eine Bestimmung durchgeführt werden bezüglich des Verwendens nur der Meißelgangberechnung oder nur der Meißellenkbarkeitsberechnung. Wenn die Meißelgangratenberechnungen verwendet werden, wird die Simulation in den Schritt 886b weitergehen und die Meißelsteuerkräfte, die Meißelgangkräfte und die Meißelgangrate für den gesamten Meißelberechnen. Im Schritt 888b wird die berechnete Meißelgangrate verglichen werden mit einer gewünschten Meißelgangrate. Wenn die Meißelgangrate im Schritt 890b befriedigend ist, wird die Simulation enden und die zuletzt eingegebene Drehbohrmeißelkonstruktion wird ausgewählt werden. Wenn die berechnete Meißelgangrate nicht befriedigend ist, wird die Simulation zum Schritt 806 zurückkehren.
Wenn die Antwort auf die Fragen im Schritt 884 NEIN ist, wird die Simulation im Schritt 886a weiter gehen und die Meißellenkbarkeit unter Verwendung der damit verbundenen Meißelkräfte in dem Lochkoordinatensystem berechnen. Im Schritt 888a wird ein Vergleich durchgeführt werden zwischen der berechneten Lenkbarkeit und der gewünschten Meißellenkbarkeit. Im Schritt 890a wird eine Entscheidung getroffen, um zu bestimmen, ob die berechnete Meißellenkbarkeit befriedigend ist. Wenn die Antwort JA ist, dann wird die Simulation enden und die zuletzt eingegebene Drehbohrmeißelkonstruktion im Schritt 806 wird ausgewählt werden. Wenn die Meißellenkbarkeit, welche berechnet wurde, nicht befriedigend ist, wird die Simulation zum Schritt 806 zurückkehren.
18 ist eine schematische Zeichnung, welche einen Vergleich der Meißellenkbarkeit gegenüber der Neigungsrate für einen Drehbohrmeißel zeigt, wenn er jeweils mit einem Bohrsystem mit Meißelausrichtung und einem Bohrsystem mit Meißelvorschub verwendet wird. Die Kurven, welche in 18 gezeigt sind, basieren auf einer konstanten Penetrationsrate von dreißig Fuß pro Stunde, einer konstanten RPM von 120 Umdrehungen pro Minute und einer gleichmäßigen Felsfestigkeit von 18000 PSI. Die Simulationen, welche verwendet werden, um die Graphen, die in 18 gezeigt sind auszubilden, zusammen mit anderen Simulationen, welche in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung durchgeführt wurden, legen nahe, dass die Meißellenkbarkeit oder die erforderliche Lenkkraft im Allgemeinen eine nichtlineare Funktion des DLS oder der Neigungsrate ist. Der Bohrmeißel, wenn er in einem Bohrsystem mit Meißelausrichtung verwendet wird, erfordert wesentlich geringere Steuerkräfte als mit einem Bohrsystem mit Meißelvorschub. Die Graphen, welche in 18 gezeigt sind, stellen ein ähnliches Ergebnis bezüglich der Lenkbarkeit bereit, wie die Berechnungen, in welchen die Meißellenkkraft als eine Funktion der Meißelneigungsrate repräsentiert ist. Der Effekt der Grundlochbohrbedingungen auf das Variieren der Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels war bisher im Stand der Technik im Allgemeinen nicht bekannt.
Meißellenkbarkeitsbewertung
Die Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels kann bewertet werden unter Verwendung der folgenden Schritte.

(1) Gebe die Geometrieparameter des Meißels oder eine Meißeldatei aus einer Meißelkonstruktionssoftware, so wie beispielsweise UniGraphics oder Pro-E, ein;
(2) Definiere die Meißelbewegung: Eine Rotationsgeschwindigkeit (RPM) um die Meißelachse, eine axiale Penetrationsrate (ROP, ft/hr), DLS oder Neigungsrate (deg/100 ft) bei einem Azimuth-Winkel (um die Meißelneigungsebene zu definieren);
(3) Definiere Formationseigenschaften: Felskompressionsfestigkeit, Felsübergangslage, Anschrägungswinkel;
(4) Definiere die Simulationszeit oder die gesamte Anzahl der Meißelumdrehungen und das Zeitintervall;
(5) Lasse einen 3D PDC Meißelbohrsimulator laufen und berechne die Meißelkräfte, umfassend die Seitenkräfte;
(6) Verändere DLS und wiederhole Schritt 5, um die Seitenkräfte korrespondierend zu den vorgegebenen DLS zu erhalten;
(7) Drucke eine Kurve unter Verwendung von (DLS, Fs) und berechnete die Meißellenkbarkeit; die Lenkbarkeit kann repräsentiert werden durch die Steigung der Kurve, wenn eine Kurve nahe einer Geraden ist, oder die Lenkbarkeit kann repräsentiert werden durch die erste Ableitung der nichtlinearen Kurve.
(8) Gebe einen weiteren Satz von Meißelbetriebsparametern (ROP, RPM) ein und wiederhole Schritte 3 bis 7 um mehr Kurven zu erhalten;
(9) Die Meißellenkbarkeit ist definiert durch einen Satz von Kurven oder deren erster Ableitung oder Steigung.

Die Lenkbarkeit unterschiedlicher Drehbohrmeißelkonstruktionen kann verglichen werden und bewertet werden durch das Berechnen einer Lenkbarkeitsschwierigkeit für jeden Drehbohrmeißel.
Der Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex kann definiert werden unter Verwendung einer Lenkkraft, wie folgt: SDindex = Fsteer/Neigungsrate
Der Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex kann auch definiert werden unter Verwendung des Lenkmomentes, wie folgt: SDindex = Msteer/Lenkrate Lenkrate = Neigungsrate
Ein Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex kann auch berechnet werden für jegliche Zone des Drehmeißels. Zum Beispiel, wenn die Lenkkraft F_steer nur von den Schulterfräsern beigetragen wird, dann repräsentiert der damit verbundene SD_index die Schwierigkeit des Niveaus der Schulterfräser. In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung kann der Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex einer jeden Zone des Drehmeißels evaluiert werden. Durch das Vergleichen des Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für jede Zone kann ein Meißelkonstrukteur einfacher identifizieren, welche Zone oder welche Zonen schwieriger sind und Konstruktionsmodifikationen können auf diese schwierige Zone oder Zonen fokussiert werden.
Die Berechnung des Lenkbarkeitsindex für jede Zone kann wiederholt werden und die Konstruktionsveränderungen können durchgeführt werden, bis die Berechnung der Lenkbarkeit für jede Zone befriedigend ist und/oder Lenkbarkeitsindex für die gesamte Drehmeißelkonstruktion befriedigend ist.
Meißelgangratenbewertung
Die Meißelgangrate kann berechnet werden unter Verwendung der Meißellenkkraft, Neigungsrate und Gangkraft: Gangrate = (Lenkrate/Fsteer)·Fwalk
Die Meißelgangrate kann auch berechnet werden unter Verwendung eines Meißellenkmomentes, einer Neigungsrate und einem Gangmoment: Gangrate = (Lenkrate/Msteer)·Mwalk
Die Gangrate kann auf jegliche Zone eines Teiles eines Drehmeißels angewendet werden. Zum Beispiel, wenn die Lenkkraft F_steer und die Gangkraft F_walk nur von den Schulterfräsern beigetragen werden, dann repräsentiert die damit verbundene Gangrate die Gangrate der Schulterfräser. In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Offenbarung kann die Gangrate für jede Zone des Bohrmeißels evaluiert werden. Durch das Vergleichen der Gangrate einer jeglichen Zone kann der Meißelkonstrukteur einfach identifizieren, welche Zone die am einfachsten gehende Zone ist und Modifikationen können auf diese Zone fokussiert werden.

Obwohl die vorliegende Offenbarung und deren Vorteile detailliert beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass unterschiedliche Veränderungen, Substitutionen und Veränderungen durchgeführt werden können, ohne vom Geist und dem Umfang der Offenbarung, so wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. ANHANG A

Beispiele von Bohrausrüstungsdaten		Beispiele von Bohrlochdaten	Beispiele von Formationsdaten
Konstruktionsdaten	Betriebsdaten
Aktive Spur	Axiale	Azimuth-Winkel	Kompressions-
	Meißelpenetrationsrate		Festigkeit
Biegungs(Neigungs)-Länge	Meißel ROP	Bodenlochkonfiguration	Abwärts-Abfallwinkel
Meißelstirnflächen	Meißelrotations	Bodenlochdruck	Erste Lage
profil	geschwindigkeit
Meißelgeometrie	Meißel RPM	Bodenloch	Formations
		temperatur	plastizität
Blätter (Länge,	Meißelneigungsrate	Gerichtetes	Formations
Anzahl, Spirale, Breite)		Bohrloch	festigkeit
Bodenlochanordnung	Gleichgewichtsbohren	Knickgrad	Schrägstellung
		(DLS)
Fräser (Typus, Größe, Anzahl)	Anfangsbohren	Gleichgewichtssektion	Lithologie
Fräserdichte	Laterale	Horizontale	Anzahl von Lagen
	Penetrationsrate	Sektion
Fräserort (innerer,	Penetrationsrate	Innendurchmesser	Porosität
äußerer, Schulter)	(ROP)
Fräserorientierung	Umdrehung pro Minute	Anfangssektion	Felsdruck
(Rückwärtsneigung, Seitenneigung)	(RPM)
Fräsfläche	Seitenpenetrations-	Profil	Festfestigkeit
	Azimuth
Frästiefe	Seitenpenetrationsrate	Kurvenradius	Zweite Lage
Frässtrukturen	Lenkkraft	Seitenazimuth	Schieferplastizität
Bohrstrang	Lenkrate	Seitenkräfte	Aufwärtsneigungswinkel

ANHANG A – weitergeführt

Beispiele von Bohrausrüstungsdaten		Beispiele von Bohrlochdaten	Beispiele von Formationsdaten
Konstruktionsdaten	Betriebsdaten
Drehpunkt	Bohren eines	Schräg stehendes
	geraden Loches	Loch
Spurspalt	Neigungsrate	Gerades Loch
Spurlänge	Neigungsebene	Neigungsrate
Spurradius	Neigungsazimuth-	Neigungsbewegung
	Ebene
Spurverjüngung	Drehmoment auf den	Neigungsebenen-
	Meißel (TOB)	Azimuth-Winkel
IADC Meißelmodell	Gangwinkel	Trajektorie
Stoßaufnahme (Typ,	Gangrate	Vertikale Sektion
Größe, Anzahl)
Passive Spur	Gewicht auf dem
	Meißel (WOB)
Abnutzungs(Stumpfheits)
Meißeldaten

Beispiele von Modellparametern zum Simulieren des Rohrens eines
gerichteten Bohrloches

Maschengröße für Abschnitte von Grundlochausrüstung, welche mit benachbarten Abschnitten eines Bohrloches interagiert.
Maschengröße für Abschnitte eines Bohrloches.
Betriebszeit für jeden Simulationsschritt.
Gesamte Simulationsbetriebszeit.
Gesamte Anzahl von Umdrehungen eines Drehbohrmeißels pro Simulation.

Zusammenfassung
Verfahren und Systeme können bereitgestellt werden zum Simulieren des Ausformens einer großen Vielzahl gerichteter Bohrlöcher umfassend Bohrlöcher mit variablen Neigungsraten und/oder relativ konstanten Neigungsraten. Die Verfahren und Systeme können ebenso verwendet werden um das Ausformen eines Bohrloches in Untergrundformationen zu simulieren, welche eine Kombination von weichen, mittleren und harten Formationsmaterialien umfassen, mehrere Lagen von Formationsmaterialien und relativ harte Stränge, welche durch eine oder mehrere Lagen der Formationsmaterialien hindurch angeordnet sind. Werte der Meißellenkbarkeit und Steuerbarkeit, welche aus solchen Simulationen berechnet sind, können verwendet werden um die Bohrausrüstung zu konstruieren und/oder auszuwählen, zur Verwendung beim Ausformen eines gerichteten Bohrloches.

Claims

Ein Verfahren zum Bestimmen der Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels, umfassend: (a) Anwenden eines Satzes von Bohrbedingungen auf den Meißel, umfassend zumindest die Meißelrotationsgeschwindigkeit, die Penetrationsrate entlang einer Meißelachse und zumindest eine Charakteristik einer Erdformation; (b) Aufbringen einer Lenkrate auf den Meißel; (c) Simulieren, für ein Zeitintervall, das Bohren der Erdformation durch den Meißel unter dem Satz der Bohrbedingungen, umfassend das Berechnen einer Lenkkraft, welche auf den Meißel aufgebracht wird; (d) Stimulieren des Rohrens der Erdformation für ein weiteres Zeitintervall und erneutes Berechnen der Lenkkraft; (e) Aufeinanderfolgendes Wiederholen des Simulierens des Rohrens der Erdformation für eine vorbestimmte Anzahl von Zeitintervallen; (f) Berechnen einer durchschnittlichen Lenkkraft, welche auf den Meißel über die simulierten Zeitintervalle hinweg aufgebracht wird; (g) Speichern der aufgebrachten Lenkrate und der berechneten durchschnittlichen Lenkkraft; (h) Wiederholen, innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Lenkraten, der Schritte (b) bis (g) durch ein inkrementelles Erhöhen der Meißellenkrate; und (i) mathematisches Analysieren der Steuerkräfte als eine Funktion der Lenkrate.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Aufbringen der Lenkrate weiter das Aufbringen der Lenkrate in einer vertikalen Ebene, welche durch die Meißelachse hindurchtritt, umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Berechnen der Lenkkraft weiterhin umfasst: Bestimmen der jeweiligen dreidimensionalen Orte aller Fräskanten aller Fräser und aller Spurabschnitte in einem Lochkoordinatensystem; Bestimmen der jeweiligen Interaktion aller Fräskanten aller Fräser und aller Spuren mit dem Bodenloch der Formation; Berechnen der Frästiefe für jede Fräskante und einer Fräsfläche für jedes Fräselement; Berechnen der jeweiligen dreidimensionalen Kräfte der Fräser und Projizieren der Kräfte in ein Lochkoordinatensystem; Aufsummieren aller Fräskräfte, welche in das Lochkoordinatensystem projiziert sind; Projizieren der aufsummierten Kräfte in eine vertikale Neigungsebene; und Berechnen der Lenkkraft durch ein weiteres Projizieren der in der Ebene liegenden Kraft auf eine Linie senkrecht zu der Meißelachse.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das mathematische Analysieren der Lenkkraft weiterhin umfasst: Anpassen der Datenpunkte der Lenkkraft und der Lenkrate, um die Meißellenkkraft als eine lineare Funktion der Meißellenkrate auszudrücken; und Berechnen der Meißellenkbarkeit als eine Steigung der linearen Funktion.
Verfahren, wie es in Anspruch 1 definiert ist, wobei das mathematische Analysieren der Lenkkraft weiter umfasst: Anpassen der Datenpunkte der Lenkkraft und der Lenkrate, um die Meißellenkkraft als eine nichtlineare Funktion der Meißellenkrate auszudrücken; und Berechnen der Meißellenkbarkeit als die erste Ableitung der nichtlinearen Funktion.
Verfahren zum Bestimmen der Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels umfassend: (a) Auswählen eines Satzes von Bohrbedingungen für den Meißel umfassend zumindest die Meißelrotationsgeschwindigkeit, die Penetrationsrate entlang einer Meißelachse und zumindest eine Charakteristik einer Erdformation; (b) Auswählen einer ersten Lenkrate für den Meißel; (c) Simulieren des Rohrens der Erdformation für ein Zeitintervall unter Verwendung des Meißels mit dem Satz von Bohrbedingungen und Berechnen eines Lenkmoments, welches für den Meißel erforderlich ist, um die erste Lenkrate zu erreichen; (d) Simulieren des Rohrens der Erdformation für ein weiteres Zeitintervall und erneutes Berechnen des Lenkmoments; (e) Aufeinanderfolgendes Wiederholen des Simulierens des Rohrens der Erdformation für eine vorbestimmte Anzahl von Zeitintervallen; und (f) Berechnen eines mittleren Lenkmoments des simulierten Zeitintervalls; (g) Speichern der aufgebrachten Lenkrate und des berechneten Lenkmoments; (h) Wiederholen, innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Lenkraten, der Schritte (b) bis (g) durch inkrementelles Erhöhen der Meißellenkrate; und (i) mathematisches Analysieren der Lenkmomente als eine Funktion der Lenkraten.
Verfahren gemäß Anspruch 6, umfassend das Berechnen eines optimalen negativen Verjüngungswinkels für einen Spurabschnitt des Drehbohrmeißels.
Verfahren gemäß Anspruch 6, weiterhin umfassend das Berechnen eines Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für den Drehbohrmeißel.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Berechnen des Lenkmoments weiter umfasst: Bestimmen jeweiliger dreidimensionaler Orte aller Fräserkanten von allen Fräsern und aller Spurblätter in einem Lochkoordinatensystem; Bestimmen der Interaktion aller Fräskanten des Fräsers und der Spurblätter mit dem Bodenloch der Formation; Berechnen der Frästiefe einer jeden Fräskante und der Fräsfläche eines jeden Fräselementes; Berechnen der dreidimensionalen Kräfte der Fräselemente; Berechnen der dreidimensionalen Momente der Fräselemente um einen vorbestimmten Punkt auf der Meißelachse herum; Projizieren der drei Momente in das Lochkoordinatensystem; Aufsummieren aller Fräselementmomente, welche in das Lochkoordinatensystem projiziert sind; und Projizieren der aufsummierten Lenkmomente in die Ebene senkrecht zu der vertikalen Ebene, um das Lenkmoment des Meißels zu erhalten.
Verfahren wie es in Anspruch 6 definiert ist, wobei das mathematische Analysieren des Lenkmoments umfasst: Lineares Anpassen der Datenpunkte des Lenkmoments und der Lenkrate entlang einer Geraden, um das Lenkmoment als eine lineare Funktion der Lenkrate auszudrücken; und Berechnen der Meißellenkbarkeit als eine Funktion einer Steigung der Geraden.
Verfahren wie es in Anspruch 6 definiert ist, wobei das mathematische Analysieren des Lenkmoments umfasst: Anpassen der Datenpunkte des Lenkmoments und der Lenkrate, um das Meißellenkmoment als eine nichtlineare Funktion einer Meißellenkrate auszudrücken; und Berechnen der Meißellenkbarkeit als eine erste Ableitung der nichtlinearen Funktion.
Verfahren zum Bestimmen eines Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex unter einem gegebenen Satz von Bohrbedingungen für einen Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern, welche eine Meißelachse umfasst, umfassend: Aufteilen des Meißelkörpers in Zonen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind umfassend eine innere Zone, eine Schulterzone, eine Spurfräserzone, eine aktive Spurzone und eine passive Spurzone; Anwenden eines Satzes von Bohrbedingungen auf den Meißel umfassend zumindest die Bohrrotationsgeschwindigkeit, die Penetrationsrate entlang der Meißelachse und zumindest eine Charakteristik einer Erdformation, welche durch den Meißel gebohrt wird; Aufbringen einer Lenkrate in einer vertikalen Ebene, welche durch die Meißelachse hindurchtritt; Simulieren, für ein Zeitintervall, des Rohrens der Erdformation durch den Meißel unter den gegebenen Bohrbedingungen; Berechnen einer Lenkkraft für jede Zone, um einen vorbestimmten Punkt auf der Meißelachse herum; und Berechnen eines Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für jede Zone durch das Teilen der Lenkkraft einer jeden Zone durch die Lenkrate.
Verfahren gemäß Anspruch 12, weiterhin umfassend das Aufsummieren aller Lenkbarkeitsschwierigkeitsindices für alle Zonen, um den Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 12, weiterhin umfassend: Vergleichen des Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex einer jeden ausgewählten Zone mit dem Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex der anderen ausgewählten Zonen; Identifizieren zumindest einer Zone mit einem nicht befriedigenden Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex; und Modifizieren der Konstruktionsmerkmale einer jeden Zone, welche einen nicht befriedigenden Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex aufweist, und Wiederholen der Berechnung des Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex bis der Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für jede Zone befriedigend ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex unter einem gegebenen Satz von Bohrbedingungen für einen Bohrmeißel mit feststehenden Fräsern, welche eine Meißelachse aufweist, umfassend: Aufteilen des Meißelkörpers in Zonen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind umfassend eine innere Zone, eine Schulterzone, eine Spurfräserzone, eine aktive Spurzone und eine passive Spurzone; Anwenden eines Satzes von Bohrbedingungen auf den Meißel umfassend zumindest die Meißelrotationsgeschwindigkeit, eine Penetrationsrate entlang der Meißelachse und zumindest eine Charakteristik einer Erdformation, welche durch den Meißel gebohrt wird; Aufbringen einer Lenkrate in einer vertikalen Ebene, welche sich durch die Meißelachse hindurch erstreckt; Simulieren, für ein Zeitintervall, des Rohrens der Erdformation durch den Meißel unter den gegebenen Bohrbedingungen; Berechnen eines Lenkmoments für jede Zone um einen vorbestimmten Punkt auf der Meißelachse; und Berechnen eines Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für jede Zone durch das Teilen des Lenkmoments jeder Zone durch die Lenkrate.
Verfahren gemäß Anspruch 15, weiterhin umfassend das Aufsummieren aller Lenkbarkeitsschwierigkeitsindices für alle Zonen, um den Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 15, weiterhin umfassend: Vergleichen der Lenkbarkeitsschwierigkeitsindices für jede ausgewählte Zone mit dem Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex der anderen ausgewählten Zonen; Identifizieren zumindest einer Zone mit einem nicht befriedigenden Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex; und Modifizieren der Konstruktionsmerkmale einer jeden Zone, welche einen nicht befriedigenden Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex aufweist, und Wiederholen des Berechnens des Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex bis der Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für jede Zone befriedigend ist.
Verfahren zum Konstruieren eines Drehbohrmeißels mit einem gewünschten Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex umfassend: (a) Bestimmen der Bohrbedingungen und der Formationscharakteristika, welche durch den Meißel gebohrt werden sollen; (b) Simulieren des Rohrens zumindest eines Abschnittes eines Bohrloches unter Verwendung der Bohrbedingungen; (c) Berechnen eines Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex; (d) Vergleichen des berechneten Meißelsteuerungsschwierigkeitsindex mit dem gewünschten Meißelsteuerungsschwierigkeitsindex; (e) wenn der berechnete Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex nicht nahezu gleich dem gewünschten Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex ist, Durchführen der folgenden Schritte: (f) Aufteilen des Meißelkörpers in Zonen, welche aus der Gruppe bestehend aus einer inneren Zone, Schulterzone, Spurfräserzone, aktiven Spurzone und passiven Spurzone ausgewählt sind; (g) Berechnen des Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex für jede Zone; (h) Addieren des Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex der inneren Zone und der Schulterzone, um einen Stirnflächenfräserlenkindex zu erhalten; (i) Addieren des Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex der aktiven Spurzone und der passiven Spurzone, um einen Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex für die Spur zu erhalten; (j) Vergleichen des Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex einer jeden Zone; (k) Modifizieren der Struktur innerhalb einer ausgewählten Zone, beginnend mit der Zone, welche den größten Lenkbarkeitsschwierigkeitsindex aufweist; und (l) Wiederholen der Schritte (b) bis (k) bis der berechnete Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex nahezu dem gewünschten Meißellenkbarkeitsschwierigkeitsindex gleicht.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Modifizieren der Struktur innerhalb der inneren Zone umfassend zumindest den Konuswinkel, die Anzahl der Blätter, die Anzahl der Fräser, die Orte der Fräser, die Größe der Fräser und den Rückwärtsneigungs- und Seitenneigungswinkel eines jeden Fräsers umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Modifizieren der Struktur innerhalb der Schulterzone zumindest eine Anzahl der Blätter, die Anzahl der Fräser, den Ort der Fräser, die Größe der Fräser und den Rückwärtsneigungs- und Seitenneigungswinkel eines jeden Fräsers umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Modifizieren der Struktur innerhalb der Spurfräserzone umfassend zumindest die Anzahl der Spurfräser, den Ort der Spurfräser, die Größe der Fräser und den Rückwärtsneigungs- und Seitenneigungswinkel eines jeden Spurfräser umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Modifizieren der Struktur innerhalb der aktiven Spurzone umfassend zumindest die Länge der aktiven Spur, die Anzahl der Blätter, die Breite eines jeden Blattes, den Spiralwinkel eines jeden Blattes, den Durchmesser der aktiven Spur und der Aggressivität der aktiven Spur umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Modifizieren der Struktur innerhalb der passiven Spurzone umfassend zumindest die Länge der passiven Spur, die Anzahl der Blätter, die Breite eines jeden Blattes, den Spiralwinkel eines jeden Blattes, den Durchmesser der passiven Spur, die Anzahl der Schritte der passiven Spur und den Verjüngungswinkel der passiven Spur umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 18, weiterhin umfassend das Konstruieren des Drehbohrmeißels zur Verwendung mit einem gerichteten Bohrsystem, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem steuerbaren Bohrsystem mit Meißelvorschub oder einem steuerbaren Bohrsystem mit Meißelausrichtung.
Verfahren zum Auffinden und Optimieren von Meißelbetriebsparametern, um die Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels während des Bohrens zumindest eines Abschnittes eines Bohrloches zu steuern, umfassend: Auswählen einer gewünschten Meißelpfadabweichung und einer gewünschten Meißellenkrate zum Bohren des zumindest einen Abschnittes des Bohrloches; Bestimmen von Formationseigenschaften in dem zumindest einen Abschnitt des Bohrloches an einem ersten Ort und zumindest einem zweiten Ort, der vor dem ersten Ort liegt; Auswählen eines ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern aus der Gruppe bestehend aus einer Penetrationsrate, den Umdrehungen pro Minute, dem Gewicht auf dem Meißel und der gewünschten Meißellenkrate; Simulieren des Rohrens des zumindest einen Abschnittes des Bohrloches mit dem Drehbohrmeißel unter Verwendung des ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern; Berechnen einer damit verbundenen Meißellenkkraft (F_sbit) unter Verwendung eines Meißel/Formationsinteraktionsmodells basierend auf den Seitenkräften, welche erforderlich sind, um den Drehbohrmeißel unter dem ersten Satz von Meißelbetriebsparametern zu neigen; Berechnen, unter Verwendung eines BHA Mechanikmodells, der verfügbaren Seitenkraft (F_sbha), welche durch die Bodenlochanordnung, welche mit dem Drehbohrmeißel verbunden ist, bereitgestellt wird; Vergleichen von F_sbit mit F_sbha; Wenn F_sbha kleiner ist als F_sbit, Modifizieren der Bodenlochanordnung um F_sbha zu erhöhen oder Modifizieren des ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern um F_sbit herabzusetzen, oder Modifizieren sowohl der Bodenlochanordnung als auch des ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern, um F_sbha zu erhöhen und F_sbit zu erniedrigen; und Weiterführen des Simulierens des Rohrens mit dem modifizierten Satz von Meißelbetriebsparametern und/oder der modifizierten Grundlochanordnung.
Verfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin umfassend das Bestimmen optimaler Meißelbetriebsparameter, um die Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels mit feststehenden Fräsern zu steuern.
Verfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin umfassend das wiederholte simulierte Bohren von zusätzlichen Abschnitten des Bohrloches und Vergleichen von F_sbit mit F_sbha, um optimale Meißelbetriebsparameter zu bestimmen, um die Lenkbarkeit des Drehbohrmeißels in jedem Abschnitt des Bohrloches zu steuern.
Verfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin umfassend das Berechnen der Neigungsrate für unterschiedliche Abschnitte des Bohrloches unter Verwendung der allgemeinen Formel: Neigungsrate = DLS × ROP/100 (Grad/Stunde)wobei DLS = Veränderung in Grad von der Vertikalen pro 100 Fuß der Bohrlochlänge; und ROP = Penetrationsrate während des Ausformens des Bohrloches in Fuß/Stunde.
Verfahren zum Auswählen eines Drehbohrmeißels, um ein Bohrloch zu bohren, welches zumindest eine Gewünschte Trajektorie aufweist, umfassend: (a) Auswählen eines ersten Drehbohrmeißels mit einer vorhergehenden Geschichte eines befriedigenden Rohrens von Bohrlöchern mit der gewünschten Trajektorie zur Verwendung beim Simulieren des Rohrens des Bohrloches; (b) Bestimmen von Formationseigenschaften, welche mit dem Bohrloch verbunden sind; (c) Berechnen der Lenkbarkeit des ersten Drehbohrmeißels aus einem dreidimensionalen Meißel/Felsinteraktionsmodell unter einem Satz von Meißelbetriebsparametern; (d) Auswählen eines zweiten Drehbohrmeißels mit einer gewünschten Meißellenkrate unter dem Satz von Meißelbetriebsparametern; (e) Berechnen der Lenkbarkeit des zweiten Drehbohrmeißels unter Verwendung des Satzes der Meißelbetriebsparameter; (f) Vergleichen der Lenkbarkeit des ersten Drehbohrmeißels mit der Lenkbarkeit des zweiten Drehbohrmeißels; und (g) wenn die Lenkbarkeit des zweiten Drehbohrmeißels nicht besser ist als die Lenkbarkeit des ersten Drehbohrmeißels, Auswählen eines weiteren Drehbohrmeißels und Wiederholen der Schritte (d) bis (g) bis ein endgültiger Drehbohrmeißel gefunden ist mit einer Lenkbarkeit, die besser ist als die Lenkbarkeit des ersten Drehbohrmeißels.
Verfahren gemäß Anspruch 29, weiterhin umfassend: Überwachen der Trajektorie des endgültigen Drehbohrmeißels während des simulierten Rohrens des Bohrloches; und wenn die simulierte Trajektorie des endgültigen Drehbohrmeißels nicht nahezu mit der gewünschten Trajektorie korrespondiert, Modifizieren zumindest eines Abschnittes des Satzes Meißelbetriebsparameter, bis die simulierte Trajektorie nahezu mit der gewünschten Trajektorie korrespondiert.
Verfahren gemäß Anspruch 29, weiterhin umfassend das Auswählen eines Drehbohrmeißels mit feststehenden Fräsern, um das Bohrloch zu bohren.
Verfahren gemäß Anspruch 29, weiterhin umfassend das Auswählen zumindest einer Komponente einer Bodenlochanordnung zur Verwendung mit dem Drehbohrmeißel mit den feststehenden Fräsern.
Verfahren, um einen Drehbohrmeißel mit einer gewünschten Lenkbarkeit zu konstruieren, umfassend: (a) Auswählen einer bereits existierenden Drehbohrmeißelkonstruktion (Konstruktion A), welche in einem steuerbaren Bohrsystem vorhergehend verwendet wurde; (b) Simulieren des Aufbringens einer Neigungsbewegung, einer axialen Penetration und Rotationskräften auf die Konstruktion A für ausgewählte Formationseigenschaften einer Übergangslagenfestigkeit und eines Schrägstellungswinkels; (c) Berechnen der Lenkbarkeit für die Konstruktion A; (d) Konstruieren eines neuen Drehbohrmeißels (Konstruktion B), so dass er besser steuerbar ist als die Konstruktion A unter dem gleichen Satz von Bohrbedingungen; (e) Simulieren des Aufbringens der gleichen Neigungsbewegung, axialen Penetration von Rotationskräften auf die Konstruktion B für die ausgewählte Formationseigenschaften der Übergangslagenfestigkeit und des Anschrägungswinkels; (f) Berechnen der Lenkbarkeit für die Konstruktion B; (g) wenn die Konstruktion B einen Wert der Lenkbarkeit aufweist, der niedriger ist als der Wert der Lenkbarkeit der Konstruktion A, Modifizieren der Konstruktion B durch das Anpassen zumindest eines Merkmales, welches mit den inneren und äußeren Frässtrukturen der Konstruktion B verbunden ist; und (h) Wiederholen der Schritte (e) bis (g) bis die berechnete Lenkbarkeit der Konstruktion B größer ist als die berechnete Lenkbarkeit der Konstruktion A.
Verfahren gemäß Anspruch 33, wobei das Modifizieren der Konstruktion B das Einstellen zumindest eines Merkmals umfasst, welches aus der Gruppe, bestehend aus einem Meißelstirnflächenprofil, einer Fräsergröße, eines Fräserortes, einer Fräserorientierung (Rückwärtsneigung und Seitenneigung), der Anzahl der Blätter und der Anzahl der Fräser, ausgewählt ist oder eine Veränderung der geometrischen Parameter einer damit verbundenen aktiven oder passiven Spur, so wie beispielsweise der Spurlänge, des Spurradius, des Spurverjüngungswinkels und des Spurblattspiralwinkels.
Drehbohrmeißel mit gewünschten Lenkbarkeitscharakteristika umfassend: ein Meißelstirnflächenprofil, welches zur Verwendung in einem gerichteten Bohrsystem konstruiert ist; wobei das Meißelstirnflächenprofil teilweise durch eine Mehrzahl von Blättern definiert ist, mit einer Mehrzahl von Fräsern an jedem Blatt; wobei das Meißelstirnflächenprofil weiterhin definiert ist durch einen ausgenommenen Abschnitt, welcher an einem Ende des Drehbohrmeißels angeordnet ist; eine Nase, welche benachbart zu dem ausgenommenen Abschnitt mit einem Schulterabschnitt angeordnet ist, welcher sich radial auswärts von der Schulter von dem Nasenabschnitt aus erstreckt; eine Mehrzahl innerer Fräser, welche innerhalb des ausgenommenen Abschnittes angeordnet sind und eine Mehrzahl von Fräsern, welche an dem Schulterabschnitt des Drehbohrmeißels angeordnet sind; und das Verhältnis zwischen der Anzahl der inneren Fräser und der Anzahl der äußeren Fräser basiert auf den Berechnungen der Lenkbarkeit des Drehbohrmeißels mit unterschiedlichen Verhältnissen der inneren Fräser und Schulterfräser.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 35, weiterhin umfassend: einen Spurabschnitt, welcher an der Außenseite des Drehbohrmeißels angeordnet ist, benachbart zu dem Schulterabschnitt; eine Mehrzahl von Spurfräsern, welche an den Blättern benachbart zu dem Spurabschnitt angeordnet sind; und die Anzahl der Orte und der Typen der Spurfräser basierend auf dem Vergleichen der Resultate eines oder mehrere Simulationen des Ausformens eines gerichteten Bohrloches unter Verwendung des Drehbohrmeißels.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 35, weiterhin umfassend einen passiven Spurabschnitt, welcher einen negativen Verjüngungswinkel aufweist, welcher optimiert ist zur Verwendung im Ausformen eines gerichteten Bohrloches.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 35, weiterhin umfassend das Meißelstirnflächenprofil welches Mittel zum Optimieren der Verwendung des Bohrmeißels mit einem Bohrsystem bereitstellt, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem steuerbaren Bohrsystem mit Meißelvorschub und einem steuerbaren Bohrsystem mit Meißelausrichtung.
Verfahren zum Auffinden und zum Optimieren von Parametern, welche mit einer Bodenlochanordnung verbunden sind, um die Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels während des Rohrens zumindest eines Abschnittes eines gerichteten Bohrloches zu steuern, umfassend: Auswählen einer gewünschten Meißelpfadabweichung und einer gewünschten Meißellenkrate zum Bohren des zumindest einen Abschnittes des Bohrloches; Bestimmen von Formationseigenschaften in dem zumindest einem Abschnitt des Bohrloches an einem ersten Ort und zumindest einem zweiten Ort, der vor dem ersten Ort liegt; Auswählen eines ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern aus der Gruppe bestehend aus einer Penetrationsrate, den Umdrehungen pro Minute, dem Gewicht auf den Meißel und der gewünschten Meißellenkrate; Simulieren des Rohrens zumindest eines Abschnittes des Bohrloches mit dem Drehbohrmeißel unter Verwendung des ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern; Berechnen einer damit verbundenen Meißellenkkraft (F_sbit), unter Verwendung eines Meißel/Formationsinteraktionsmodells basierend auf den Steuerkräften, welche dazu benötigt werden, den Drehbohrmeißel unter dem ersten Satz von Meißelbetriebsparametern zu steuern; Berechnen unter Verwendung eines BHA Mechanikmodells, der verfügbaren Seitenkraft (F_sbha), welche durch die Bodenlochanordnung bereitgestellt wird, welche mit dem Drehbohrmeißel verbunden ist; Vergleichen von F_sbit mit F_sbha; wenn F_sbha kleiner ist als F_sbit, Modifizieren der Bodenlochanordnung, um F_sbha zu erhöhen oder Modifizieren des ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern, um F_sbit zu erniedrigen oder Modifizieren sowohl der Bodenlochanordnung und des ersten Satzes von Meißelbetriebsparametern, um F_sbha zu erhöhen und F_sbit zu erniedrigen; und Weiterführen des Simulierens des Rohrens mit dem modifizierten Satz von Meißelbetriebsparametern und/oder modifizierten Bodenlochanordnung.
Bodenlochanordnung gemäß Anspruch 39, weiterhin umfassend das Simulieren des Rohrens eines weiteren Abschnitts des Bohrloches.
Bodenlochanordnung gemäß Anspruch 39, weiterhin umfassend das Bestimmen optimaler Meißelbetriebsparameter, um die Lenkbarkeit eines Drehbohrmeißels mit feststehenden Fräsern zu steuern.
Bodenlochanordnung gemäß Anspruch 39, weiterhin umfassend das Wiederholen des simulierten Rohrens von zusätzlichen Abschnitten des Bohrloches und Vergleichen von F_sbit mit F_sbha, um optimale Meißelbetriebsparameter zu bestimmen, um die Lenkbarkeit des Drehbohrmeißels in jedem Abschnitt des Bohrloches zu steuern.
Meißel mit feststehenden Fräsern, welcher Lenkbarkeitscharakteristika aufweist, welche optimiert sind, um ein gerichtetes Bohrloch zu bohren, umfassend: einen Meißelkörper, welcher eine Mehrzahl von Fräsern aufweist, die daran angeordnet sind; wobei die Fräser betreibbar sind, um mit benachbarten Abschnitten einer Grundlochformation einzugreifen, um ein gerichtetes Bohrloch auszuformen; zumindest eine passive Spur, welche an dem Meißelkörper angeordnet ist; wobei die zumindest eine passive Spur einen negativen Verjüngungswinkel aufweist; und wobei der negative Verjüngungswinkel so ausgewählt ist, dass er einen unerwünschten Kontakt zwischen der zumindest einen passiven Spur und benachbarten Abschnitten eines geraden Lochsegmentes eines Bohrloches verhindert.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 43, weiterhin umfassend Blätter und damit verbundene Fräser, welche optimiert sind zum Bohren des gerichteten Bohrloches.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 43, weiterhin umfassend eine aktive Spur, welche an einem Ort an dem Meißelkörper angeordnet ist, um das Bohren des gerichteten Bohrloches zu optimieren.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 43, weiterhin umfassend Mittel zum Reduzieren des Steuerungsschwierigkeitsindex des Drehbohrmeißels.
Drehbohrmeißel mit einer gewünschten Lenkbarkeit, umfassend: einen Meißelkörper, welcher eine Mehrzahl von Blättern aufweist, welche sich von diesen aus erstrecken; wobei jedes Blatt eine Mehrzahl von Fräsern aufweist, welche daran angeordnet sind; und wobei der Ort, die Anzahl, die Größe und der Typus der Fräser, welche an jedem Blatt angeordnet sind, Mittel zum Optimieren eines Steuerungsschwierigkeitsindex des Drehbohrers bereitstellt.
Bohrmeißel gemäß Anspruch 47, weiterhin umfassend zumindest ein Merkmal, welches aus der Gruppe bestehend aus einem Meißelstirnflächenprofil, Fräsergröße, einem Fräserort, einer Fräserorientierung (Rückwärtsneigung und Seitenneigung), einer Anzahl von Blättern und der Anzahl von Fräsern, geometrischer Parameter einer damit verbundenen aktiven oder passiven Spur, umfassend der Spurlänge, des Spurverjüngungswinkels und des Spurspiralwinkels besteht, welche Mittel zum Optimieren des Steuerungsschwierigkeitsindex des Drehbohrmeißels bereitstellt.