DE60118803T2

DE60118803T2 - Kreiselvorrichtungen verwendende Anordnung für Messungen während des Bohrens und Verfahren zur Nullpunktfehlerentfernung

Info

Publication number: DE60118803T2
Application number: DE60118803T
Authority: DE
Inventors: John B. Kahn; Robert A. Estes
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: DE60117110D1; US6712159B2; GB0120933D0; CA2356025A1; US20030236627A1; GB2370645A; US6842699B2; NO20014170D0; EP1184539A3; CA2356025C; DE60117877T2; NO20014170L; US20020116130A1; DE60118803D1; EP1184539A2; US6529834B1; NO321998B1; DE60117877D1; DE60117110T2; GB2370645B

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Bohrlochanordnungen zum Bohren von Ölfeld-Bohrlöchern und insbesondere die Verwendung von Gyroskopsensoren und anderen Sensoren zum Bestimmen der Bohrlochrichtung während des Bohrens der Bohrlöcher und zur Korrektur von Daten von derartigen Sensoren.
Um Kohlenwasserstoffe, wie Öl und Gas zu erhalten, werden Förderlöcher (die auch als Bohrlöcher bezeichnet werden) gebohrt, indem eine Bohrkrone gedreht wird, die am Ende einer Bohranordnung befestigt ist, die allgemein als "Bohrlochanordnung" oder "Bohranordnung" bezeichnet wird. Ein großer Teil der gegenwärtigen Bohraktivitäten betrifft das Bohren von stark abgelenkten und im wesentlichen horizontalen Bohrlöchern, um die Produktion von Kohlenwasserstoffen zu erhöhen und/oder um zusätzliche Kohlenwasserstoffe aus den Erdformationen abzuführen. Der Bohrweg derartiger Quellen wird vor dem Bohren dieser Bohrlöcher sorgfältig geplant, wobei seismische Karten des Erduntergrunds und Bohrlochdaten von früher gebohrten Bohrlöchern in entsprechenden Ölfeldern verwendet werden. Infolge der sehr hohen Kosten zum Bohren derartiger Bohrlöcher und der Notwendigkeit, derartige Bohrlöcher in den Lagerstätten präzise zu plazieren, ist es wichtig, die Position und Richtung der Bohranordnung und somit der Bohrkrone während des Bohrens der Bohrlöcher ständig zu bestimmen. Diese Informationen werden u.a. verwendet, um die Bohrrichtung der Bohrlöcher zu vermessen und einzustellen.
Bei den gewöhnlich verwendeten Bohranordnungen umfasst die Richtungseinheit eine Gruppe von Beschleunigungsmessern und eine Gruppe von Magnetometern, die die Erdanziehungskraft bzw. das Magnetfeld der Erde messen. Die Bohranordnung wird angehalten, während die Messungen von den Beschleunigungsmessern und Magnetometern vorgenommen werden. Die Werkzeugfläche und der Neigungswinkel werden aus den Messungen der Beschleunigungsmesser bestimmt. Der Azimutwinkel wird dann aus den Messungen der Magnetometer zusammen mit der Werkzeugfläche und dem Neigungswinkel bestimmt.
Das Magnetfeld der Erde verändert sich täglich, wodurch entsprechende Änderungen an dem magnetischen Azimutwinkel bewirkt werden. Der veränderliche magnetische Azimutwinkel beeinträchtigt die Genauigkeit der Positionsmessungen, wenn Magnetometer verwendet werden. Es ist außerdem nicht möglich, das Magnetfeld der Erde bei Anwesenheit von Eisenwerkstoffen, wie etwa Gehäuse und Bohrgestänge, zu messen. Gyroskope messen die Rate der Erddrehung, die sich zeitlich nicht ändert, außerdem werden Gyroskope durch die Anwesenheit von Eisenwerkstoffen nicht nachteilig beeinflusst. Deswegen können gyroskopische Messungen beim Vorhandensein von Eisenwerkstoffen genauere Messungen des Azimutwinkels als Messungen der Magnetometer liefern.
Das US-Patent 5.432.699 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Bewegungssignalen von Gyroskopen in Bohrlochinstrumenten, die verwendet werden, um die Vortriebsrichtung eines Bohrlochs zu bestimmen. Daten von Beschleunigungsmessern und Magnetometern werden gemeinsam mit drei orthogonalen Achsen einer Mess-Untereinheit verwendet, um Einheitsvektoren der Gravitation und des Magnetfelds zu erhalten. Die Gyroskopmessungen werden verwendet, um die Magnetfeld- und Gravitationsmessungen zu korrigieren, die mit dem Magnetometer bzw. dem Beschleunigungsmesser vorgenommen werden. Die Berechnungen, die dabei in dem Korrekturprozess ausgeführt werden, sowie weitere Optimierungsschemen des Standes der Technik, die auf Verfahren des kleinsten quadratischen Fehlers basieren, sind gültig, wenn die Messungen durch zufälliges additives Rauschen beeinträchtigt werden. Wie einem Fachmann bekannt ist, sind derartige Optimierungsverfahren des kleinsten quadratischen Fehlers beim Vorhandensein von systematischen Messfehlern unzuverlässig.
Kommerziell verfügbare Gyroskope umfassen systematische Fehler oder systematische Messabweichungen, die die Genauigkeit von Gyroskopmessungen und dadurch den Azimutwinkel stark verschlechtern. Gyroskope sind bei leitungsgestützten Vermessungsanwendungen verwendet worden, haben jedoch bei Werkzeugen zum Messen während des Bohrens (MWD-Werkzeuge), wie etwa Bohrlochanordnungen, keine kommerzielle Akzeptanz gefunden.
Bei leitungsgestützten Anwendungen wird das Vermessungswerkzeug in das Bohrloch transportiert, nachdem das Bohrloch gebohrt wurde, im Gegensatz zu MWD-Werkzeugen, bei denen die Messungen während des Bohrens der Bohrlöcher vorgenommen werden. Leitungsgestützte Verfahren sind beim Bestimmen der Position und Richtung der Bohranordnung während des Bohrens der Bohrlöcher nicht möglich. Bei leitungsgestützten Anwendungen werden die Gyroskope entweder in einer ununterbrochenen Betriebsart oder bei diskreten Vermessungsintervallen verwendet. Bei leitungsgestützten Vermessungsverfahren ist es häufig nicht erforderlich, den Sollwert der systematischen Fehler des Gyroskops zu kompensieren. Bei leitungsgestützten Anwendungen kann das Gyroskop an der Erdoberfläche eingeschaltet werden und es wird ermöglicht, dass es sich für eine verhältnismäßig lange Zeitperiode (thermisch und dynamisch) stabilisiert. Eine Aufwärmperiode dauert typischerweise zehn (10) Minuten oder länger. Die Energie wird an der Erdoberfläche dem Gyroskop von Anfang an, während der eigentlichen Bohrlochvermessung und während der abschließenden Prüfung des Vermessungswerkzeugs an der Erdoberfläche am Ende der Vermessung ununterbrochen zugeführt. Deswegen können an der Erdoberfläche vor dem Beginn der Bohrlochvermessung Referenzabgleiche ausgeführt werden, um die Ausrichtungsgenauigkeit des die Nordrichtung suchenden Gyroskops einzustellen oder zu bestätigen. Der anfängliche unabhängige Referenzwert kann dann am Ende der leitungsgestützten Vermessung verwendet werden. Ein systematischer Fehler in dem in einem leitungsgestützten Werkzeug befindlichen Gyroskop kann an der Erdoberfläche gemessen werden, indem der Unterschied der Abgleichvorgänge am Beginn und am Ende der Vermessungsdurchläufe aufgenommen wird. Außerdem kann das leitungsgestützte Werkzeug, das das Gyroskop trägt, an der Erdoberfläche leicht in unterschiedliche Positionen der Werkzeugfläche (Wankwinkel) gedreht werden, um den systematischen Fehler, der an einem der zueinander quer ausgerichteten Gyroskope (d.h. längs der x-Achse und der y-Achse des Werkzeuges) vorhanden ist, zu bestimmen. Dieser systematische Fehler kann verwendet werden, um die Genauigkeit der Gyroskop-Messungen zu bestätigen oder zu korrigieren.
Auf dem MWD-Gebiet sind die oben erwähnten Vorteile der leitungsgestützten Systeme nicht vorhanden. Die MWD-Vermessungen erfolgen gewöhnlich während des Bohrens des Bohrlochs während der Zeiten zum Verbinden des Bohrgestänges, wobei diese Intervalle verhältnismäßig kurz sind und im allgemeinen eine oder zwei Minuten betragen. Die Energie bzw. der Strom wird in den MWD-Werkzeugen im Bohrloch erzeugt und/oder durch Batterien bereitgestellt. Um Energie zu sparen, ist es erwünscht, die Gyroskope abzuschalten, wenn sie nicht im Gebrauch sind, da die Gyroskope eine beträchtliche Leistung verbrauchen. Für MWD-Werkzeuge, die einen Turbinen-Wechselrichter verwenden, wird der Strom durch die Strömung des Bohrfluids ("Schlamm") erzeugt, die bei jedem Rohranschluss unterbrochen wird. Selbst wenn die Energie bzw. der Strom ununterbrochen bereitgestellt werden könnte, kann der Unterschied des systematischen Fehlers, der an der Erdoberfläche vor und nach dem Bohren gemessen wird, infolge der sehr langen Zeit zwischen Arbeitszyklen der Bohranordnung, die typischerweise zwischen 30 und 300 Stunden dauern, nicht als genaues Maß betrachtet werden.
Die Stabilität des systematischen Fehlers vom Einschalten bis zum Ausschalten ist eine Hauptfehlerkomponente für die gegenwärtig zur Verfügung stehenden taktischen Gyroskope. Das Beseitigen des systematischen Fehlers durch Drehen der Gyroskope um eine vertikale Achse (lange Achse) ist bei Anwendungsmöglichkeiten, die nicht das Bohren betreffen, verwendet worden. Die Positionierung einer Werkzeugflächenausrichtung einer Bohrlochanordnung während des Bohrens eines Bohrlochs ist häufig keine Steuerunqsvariable, die wunschgemäß geändert werden kann. Die Tiefe, der Lochwinkel, die Werkzeugablenkung und der Bohrlochzustand begrenzen häufig die Möglichkeit, Sensordaten bei verschiedenen Wankwinkeln der Bohrlochanordnung in dem Bohrloch zu erfassen. Es ist deshalb wichtig sicherzustellen, dass Gyroskope, die für MWD-Messungen verwendet werden, intern in Echtzeit in Bezug auf systematische Fehler kompensiert werden, bevor Messungen bei jedem Intervall ausgeführt werden. Das kann durch das Bestimmen und Beseitigen der systematischen Fehler in dem Gyroskop in der transversalen Ebene unter Verwendung eines internen Indexierungsmechanismus in dem Prozess der Ausführung von Messungen im Bohrloch bei jedem Bohrintervall erreicht werden. Systematische Fehler können außerdem bei den anderen Messungen, d. h. die Messungen, die durch Magnetometer und Beschleunigungsmesser ausgeführt werden, aus den gleichen Gründen vorhanden sein, die oben unter Bezugnahme auf die Gyroskope erläutert wurden. Diese systematischen Fehler sollten ebenfalls beseitigt werden, um genaue Vermessungsinformationen zu erhalten.
Die internationale Patentanmeldung mit Aktenzeichen WO-A-9928594 von Estes u.a. offenbart ein Verfahren zum Abschätzen und Eliminieren des systematischen Fehlers in einer Bohrloch-MWD-Vorrichtung. Die darin offenbarte Bohrlochanordnung umfasst wenigstens ein Gyroskop, das in einem Werkzeuggehäuse drehbar angebracht ist, um Signale bereitzustellen, die einen Bezug auf die Erddrehung haben. Eine Vorrichtung in dem Werkzeug kann das in dem Werkzeug befindliche Gyroskop um jeden gewünschten Betrag drehen.
Die Bohrlochanordnung von Estes ist während des Bohrvorgangs einer harten Drehdynamik ausgesetzt. Es sollte möglich sein, die Bohrlochsensoren für Messungen zur Korrektur des systematischen Fehlers intern zu drehen und sie anschließend zwischen den Korrekturmessungen in Bezug auf eine Drehbewegung mechanisch zu blockieren, wenn sich das Werkzeug beim Bohren des Bohrlochs bewegt. Während der Zeitperiode der Werkzeugbewegung könnten Messungen des Beschleunigungsmessers und des Magnetometers vorzugsweise ausgeführt werden, um eine ununterbrochene Überwachung der Ausrichtung der Bohrlochanordnung (Bottom Hole Assembly BHA) zu gewährleisten. Herkömmliche Vorrichtungen verwenden einen Motor, um eine Instrumentenbaugruppe drehbar anzutreiben, oder einen Elektromagneten, um einen Verriegelungsmechanismus zu betätigen. Diese Anordnung erfordert einen beträchtlichen Raum und eine beträchtliche Leistung in der Bohrlochanordnung. Eine Vorrichtung wäre wünschenswert, die weniger Raum und eine geringere Leistung erfordert und die es ermöglicht, den systematischen Fehler bei feststehender BHA zu bestimmen.
Ein Gyroskop-MWD-Modul wäre außerdem wünschenswert, das zurückgewinnbar bzw. wiedergewinnbar ist und in Verbindung mit einem Bohrfuttersystem verwendet werden kann. Bei einer derartigen Anordnung wäre das Gyroskop-MWD-Modul den harten Bohrlochbedingungen nicht während einer ausgedehnten Zeitperiode ausgesetzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum drehbaren Positionieren und Verriegeln einer Antriebswelle in einer Bohrlochanordnung zum Messen während des Bohrens (MWD-Bohrlochanordnung) nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Eine interne Vorrichtung zum Positionieren in der Drehrichtung und Verriegeln einer Bohrloch-Instrumentenbau gruppe, um genauere Richtungsmessungen in einer Bohrlochanordnung zum Messen während des Bohrens (MWD-Bohrlochanordnung) wird außerdem bereitgestellt. Ein einzelner Motor wird verwendet, sowohl um die Instrumentenbaugruppe für Messungen des systematischen Fehlers zu drehen als auch um einen Verriegelungsstift in eine Verriegelungsscheibe axial voranzutreiben, um eine Drehung zu verhindern, wenn beim Bohren des Bohrlochs keine Messungen des systematischen Fehlers vorgenommen werden. Die Verwendung eines Antriebs aus einem einzelnen Motor spart sowohl Raum als auch Leistung, die beide bei Bohrlochanwendungen nicht unbeschränkt vorhanden sind. Des weiteren wird ein kraftschlüssiger Anschlag bereitgestellt, um Beschädigungen an elektrischen Leitungen während der Drehung verhindern. Außerdem wird ein elektrischer Stromkreis geschlossen, um zu signalisieren, wann die Vorrichtung in der verriegelten Position ist. Messungen mit dem Beschleunigungsmesser, dem Magnetometer und dem Gyroskop können vorgenommen werden, während sich die BHA bewegt, und unter Verwendung eines systematischen Fehlers, der vor dem Verriegeln der Instrumentenbaugruppe bestimmt wurde, können aktualisierte Werte von Position und Ausrichtung der BHA bestimmt werden.
Es wird des weiteren ein Verfahren zum Indexieren einer Verriegelungsscheibe offenbart, um sicherzustellen, dass der Verriegelungsstift in die Mitte eines Verriegelungslochs hineinragt. Das Verfahren umfasst das Gleiten einer Antriebswelle über eine Rutschkupplung um einen festen Betrag, um eine geeignete Lochausrichtung sicherzustellen, wenn der Verriegelungsstift in die verriegelte Position zurückgeführt wird.
Durch die Verwendung des Verriegelungsmotors können die Indexierungsmessungen in einer einzigen Tiefe vorgenommen werden, während die Bohroperation vorübergehend angehalten ist. Nachdem die systematischen Fehler bestimmt worden sind, wird die Gehäuseanordnung in der Position verriegelt und die Bohroperation wird wiederaufgenommen. Messungen, die während ununterbrochenen Bohroperationen vorgenommen werden, können dann unter Verwendung des zuvor bestimmten systematischen Fehlers korrigiert werden. Der Verriegelungsmechanismus verringert die Möglichkeit von Beschädigungen an den empfindlichen Instrumenten während der ununterbrochenen Bohroperationen.
Eine Bohrlochanordnung zum Messen während des Bohrens (MWD-Bohrlochanordnung) für die Verwendung beim Bohren eines Bohrlochs kann die Gyroskope und Beschleunigungsmesser verwenden, um während des Bohrens des Bohrlochs die Bohrlochneigung und den Azimutwinkel zu bestimmen. Die Bohrlochanordnung kann mindestens ein Gyroskop umfassen, das in einem Werkzeuggehäuse drehbar angebracht ist, um Signale bereitzustellen, die sich auf die Erddrehung beziehen. Eine in dem Werkzeug befindliche Vorrichtung kann das Gyroskop in dem Werkzeug um jeden gewünschten Betrag drehen. Ein in dem Werkzeug befindlicher Prozessor kann Messungen von dem Gyroskop kombinieren, die an mehreren Drehpositionen in der gleichen Tiefe vorgenommen wurden, um den systematischen Fehler in dem Gyroskop vor der Weiterverarbeitung der Signale zu bestimmen. Das Werkzeug kann Magnetometer und Beschleunigungsmesser umfassen, so dass systematische Fehler, die durch diese Instrumente bewirkt werden, ebenfalls bestimmt werden können. Zusätzlich kann unter Verwendung einer Mehrzahl von axial beabstandeten Magnetometern außerdem der magnetische Gradient bestimmt werden, wodurch es ermöglicht wird, eine Korrektur in Bezug auf lokale magnetische Quellen durchzuführen. Der Prozessor kann Messungen kombinieren, die von Beschleunigungsmessern in dem MWD-Werkzeug vorgenommen werden, um Gravitationsmessungen bereitzustellen, aus denen die Werkzeugfläche und die Neigung bestimmt werden. Die gyroskopischen Messungen ohne systematischen Fehler werden in Verbindung mit Messungen der Werkzeugfläche und der Neigung verwendet, um den Azimutwinkel und die wahre Nordrichtung der Werkzeugfläche zu bestimmen.
Es wird ebenfalls ein Verfahren zum Eliminieren eines sy stematischen Fehlers offenbart, der in einem Vermessungsinstrument vorhanden ist, das in dem Werkzeug zum Messen während des Bohrens eines Bohrlochs verwendet wird. Das Verfahren umfasst das Bohren eines Bohrlochs unter Verwendung des MWD-Werkzeugs bis zu einer Tiefe, woraufhin das Drehen des Instruments über mehrere Winkel folgt, während mit dem Instrument Messungen an jeder Position ausgeführt werden und der systematische Fehler aus diesen mehreren Messungen abgeschätzt wird.
Das Bohren kann durch ein Bohrfutter ausgeführt werden und die Gyro-MWD-Vorrichtung ist an dem Bohrfutter zurückgewinnbar angebracht, um Bestimmungen der Ausrichtung des Bohrlochs auszuführen.
Die Gyroskop-MWD-Vorrichtung kann verwendet werden, um die Ausrichtung einer Injektionsbohrung zu steuern, die bei sekundären Wiedergewinnungsoperationen zum Injizieren eines Fluids, wie etwa Dampf, CO₂, Wasser oder ein Polymer, in ein Produktionsbohrloch mit perforierter Ummantelung verwendet wird. Infolge des Vorhandenseins der Ummantelung, können keine Magnetometer verwendet werden, um die gewünschte relative Position zwischen der Injektionsbohrung und der Produktionsbohrung einzuhalten. Mit der Gyroskop-MWD-Vorrichtung kann eine Positionsgenauigkeit von drei Metern oder weniger während des Bohrens des Bohrlochs aufrechterhalten werden.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Darstellung eines Bohrsystems zeigt, bei dem die Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform in einer Anordnung zum Messen während des Bohrens verwendet wird,
2A eine schematische Darstellung eines Abschnitts der Bohrlochanordnung mit einer Gruppe von Gyroskopen und einer entsprechenden Gruppe von Beschleunigungsmessern zeigt,
2B eine schematische Darstellung ist, die die Verwendung eines zweiachsigen Gyroskops in der Bohrlochanordnung der 2A zeigt,
die 2C und 2D Darstellungen sind, die einen sinusförmigen Ausgang eines zweiachsigen Gyroskops zeigen,
2E ein Indexierungsverfahren zur Verwendung bei der Bestimmung des systematischen Fehlers zeigt,
3 einen Blockschaltplan der wesentlichen Bohrlochelemente der Bohrlochanordnung zeigt,
4 zeigt einen Sensorabschnitt, der zwei Motoren zum Antreiben von zwei Gyroskopen verwendet werden, wovon jeweils ein Gyroskop mit den Magnetometern bzw. den Beschleunigungsmessern gekoppelt ist,
5 zeigt einen weiteren Sensorabschnitt, bei dem ein einzelner Motor zum Antreiben von zwei Gyroskopen verwendet wird, wovon jeweils ein Gyroskop mit den Magnetometern bzw. den Beschleunigungsmessern gekoppelt ist,
6A eine Ausführungsform der Erfindung zeigt, die einen Abschnitt des Sensorsystems mit einem Motorantrieb und einer in der verriegelten Position befindlichen Verriegelungsvorrichtung zeigt,
6B die Ausführungsform der 6A zeigt, wobei die Vorrichtung in der entriegelten Position ist,
6C eine Schnittansicht der Anordnung aus Kerbschulter und Anschlagstift der 6A zeigt,
6D eine Schnittansicht der Anordnung aus Verriege lungsscheibe und Verriegelungsstift der 6A zeigt,
6E eine Draufsicht der Anordnung aus Verstellschraubenspindel und Wälzlager, die in 6A gezeigt ist, zeigt,
7A eine alternative Ausführungsform der Verriegelungsscheibe und des Verriegelungsstifts zeigt,
7B eine Ausführungsform eines teleskopförmigen Verriegelungsstifts zeigt,
7C eine zweite Ausführungsform eines teleskopförmigen Verriegelungsstifts zeigt,
7D eine Ausführungsform der Verriegelungsscheibe und des Verriegelungsstifts zeigt, die für einen Reibeingriff angepasst sind,
8 die schematische Anordnung der Gyroskop-MWD-Vorrichtung zeigt, wenn diese mit einem Bohrfutter verwendet wird, und
9 die Verwendung der Erfindung zum Bohren eines zweiten Bohrlochs in exakter und enger Nähe zu einem Produktionsbohrloch mit Ummantelung zeigt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bohrsystems 10 mit einer Bohrlochanordnung (BHA) oder einer Bohranordnung 90, die ein oder mehr Gyroskope umfasst. Die BHA 90 wird in ein Bohrloch 26 transportiert. Das Bohrsystem 10 umfasst einen Bohrturm 11, der auf einem Untergrund 12 errichtet ist, der einen Drehtisch 14 trägt, der durch einen Antriebsmotor, wie etwa ein (nicht dargestellter) Elektromotor, bei einer gewünschten Drehzahl gedreht wird. Der Bohrstrang 20 umfasst ein Rohr (Bohrrohr oder Rohrwendel) 22, das sich von der Erdoberfläche in das Bohrloch 26 erstreckt. Eine am Ende des Bohrstrangs 20 befestigte Bohr krone 50 zerteilt die geologischen Formationen, wenn sie gedreht wird, um das Bohrloch 26 zu bohren. Der Bohrstrang 20 ist über ein Mitnehmerstangengelenk 21, ein Drehlager 28 und eine Leitung 29 durch eine (nicht dargestellte) Rolle mit einem Rotary-Hebewerk 30 gekoppelt. Das Rotary-Hebewerk 30 wird so betrieben, dass der Druck auf die Bohrkrone (weight on bit WOB) gesteuert wird, der ein wichtiger Parameter ist und die Rate der Durchdringung (rate of penetration ROP) beeinflusst. Ein Rohrleitungsinjektor 14a und eine (nicht dargestellte) Haspel werden an Stelle des Drehtisches 14 verwendet, um die BHA in das Bohrloch zu injizieren, wenn eine Rohrwendel als Transportelement 22 verwendet wird. Die Funktionsweisen von Rotary-Hebewerk 30 und Rohrleitungsinjektor 14a sind in der Technik bekannt und werden deswegen an dieser Stelle nicht genau beschrieben.
Während des Bohrens wird ein geeignetes Bohrfluid 31 von einem Bohrschlammschacht (Quelle) 32 unter Druck durch den Bohrstrang 20 durch eine Bohrschlammpumpe 34 in Zirkulation versetzt. Das Bohrfluid verläuft von der Bohrschlammpumpe 34 über eine Fluidstoß-Dämpungseinrichtung (Desurger) 36 und die Fluidleitung 38 in den Bohrstrang 20. Das Bohrfluid 31 wird am Bohrlochboden 51 durch Öffnungen in der Bohrkrone 50 entladen. Das Bohrfluid 31 zirkuliert durch den ringförmigen Raum 27 zwischen dem Bohrstrang 20 und dem Bohrloch 26 im Bohrloch nach oben und wird über eine Rückführungsleitung 35 und ein Bohrabfallsieb 85, das die Bohrabfälle 86 aus dem zurückkehrenden Bohrfluid 31b entfernt, in das Bohrschlammbecken 32 zurückgeleitet. Ein Sensor S₁ in der Leitung 38 liefert Informationen über die Fluidströmungsmenge. Ein Erdoberflächen-Drehmomentsensor S₂ und ein Sensor S₃, der dem Bohrstrang 20 zugeordnet ist, liefern Informationen über das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Bohrstrangs 20. Die Rohrleitungseinführungsgeschwindigkeit wird aus dem Sensor S₅ bestimmt, während der Sensor S₆ die Hakenlast des Bohrstrangs 20 liefert.
Bei einigen Anwendungen wird die Bohrkrone 50 lediglich durch Drehen des Bohrrohrs 22 gedreht. Bei vielen anderen Anwendungen ist jedoch ein Bohrlochmotor 55 (Schlammmotor) in der Bohranordnung 90 vorgesehen, um die Bohrkrone 50 zu drehen, und das Bohrrohr 22 wird gewöhnlich gedreht, um bei Bedarf die Drehleistung zu ergänzen und um Änderungen der Bohrrichtung zu bewirken. In jedem Fall hängt die ROP für eine vorgegebene BHA stark von dem WOB oder der Druckkraft auf die Bohrkrone 50 und ihrer ursprünglichen Drehzahl ab.
Der Schlammmotor 55 ist über einen Antrieb, der in einer Lageranordnung 57 angeordnet ist, mit der Bohrkrone 50 gekoppelt. Der Schlammmotor 55 dreht die Bohrkrone 50, wenn das Bohrfluid 31 sich unter Druckbeaufschlagung durch den Schlammmotor 55 bewegt. Die Lageranordnung 57 nimmt die radialen und axialen Kräfte der Bohrkrone 50, den Abwärtsdruck des Schlammmotors 55 und die nach oben gerichtete Reaktionslast von dem auf die Krone ausgeübten Gewicht auf. Ein unterer Stabilisator 58a, der mit der Lageranordnung 57 gekoppelt ist, wirkt als Zentrierungseinrichtung für den untersten Abschnitt des Bohrstrangs 20.
Eine Erdoberflächen-Steuereinheit oder ein Erdoberflächen-Prozessor 40 empfängt Signale von den Bohrlochsensoren und Vorrichtungen über einen Sensor 43, der in der Fluidleitung 38 angeordnet ist, und Signale von den Sensoren S₁ bis S₆ sowie von weiteren Sensoren, die in dem System 10 verwendet werden, und verarbeitet diese Signale gemäß programmierten Befehlen, die für die Erdoberflächen-Steuereinheit 40 bereitgestellt werden. Die Erdoberflächen-Steuereinheit 40 zeigt gewünschte Bohrparameter und andere Informationen an einer Anzeige/Monitor 42 an, die von einer Bedienperson verwendet wird, um die Bohroperationen zu steuern. Die Erdoberflächen-Steuereinheit 40 umfasst einen Computer, Speicher zum Speichern von Daten, eine Aufzeichnungseinrichtung zum Aufzeichnen von Daten sowie weitere periphere Einrichtungen. Die Erdoberflächen-Steuereinheit 40 umfasst außerdem ein Simulationsmodell und verarbeitet Daten gemäß programmierten Befehlen. Die Steuereinheit 40 ist vorzugsweise so beschaffen, dass sie Alarmeinrichtungen 44 aktiviert, wenn bestimmte unsichere oder unerwünschte Betriebsbedingungen auftreten.
Die BHA kann außerdem Sensoren oder Vorrichtungen zur Formationsbewertung umfassen, um den spezifischen Widerstand, die Dichte und die Porosität der Formationen, die die BHA umgeben, zu bestimmen. Eine Gammastrahlvorrichtung zum Messen der Intensität von Gammastrahlen sowie weitere nukleartechnische und nicht-nukleartechnische Vorrichtungen, die als Vorrichtungen zum Messen während des Bohrens verwendet werden, sind vorteilhaft in der BHA 90 umfassen. Als Beispiel zeigt 1A eine Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands. Sie liefert Signale, aus denen der spezifische Widerstand der Formation nahe an der Bohrkrone 50 oder vor dieser bestimmt wird. Die Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands besitzt Sendeantennen 66a und 66b, die von den Empfangsantennen 68a und 68b beabstandet sind. Im Betrieb werden die gesendeten elektromagnetischen Wellen gestört, wenn sie sich durch die Formation, die die Vorrichtung 64 des spezifischen Widerstands umgibt, ausbreiten. Die Empfangsantennen 68a und 68b erfassen die gestörten Wellen. Der spezifische Widerstand der Formation wird aus der Phase und der Amplitude der erfassten Signale abgeleitet. Die erfassten Signale werden durch einen Bohrlochcomputer 70 verarbeitet, um den spezifischen Widerstand und dielektrische Werte zu bestimmen.
Eine Neigungsmesseinrichtung 74 und eine Gammastrahlvorrichtung 76 sind vorteilhaft erweisen längs der Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands angeordnet, um die Neigung des Abschnitts des Bohrstrangs nahe an der Bohrkrone 50 bzw. die Intensität der Gammastrahlen der Formation zu bestimmen. Alle geeigneten Neigungsmesseinrichtungen und Gammastrahlvorrichtungen können jedoch verwendet werden. Außerdem können Positionssensoren, wie etwa Beschleunigungsmesser, Magnetometer und gyroskopische Vorrichtungen in der BHA angeordnet sein, um den Azimutwinkel des Bohrstrangs, wahre Koordinaten und die Richtung in dem Bohrloch 26 zu bestimmen. Derartige Vorrichtungen sind in der Technik bekannt und werden an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben.
In der oben beschriebenen Konfiguration überträgt der Schlammmotor 55 Energie bzw. Strom an die Bohrkrone 50 über eine oder mehrere Hohlwellen, die durch die Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands verlaufen. Die Hohlwellen ermöglichen, dass sich das Bohrfluid von dem Schlammmotor 55 zu der Bohrkrone 50 bewegt. Bei einem alternativen Bohrstrang 20 kann der Schlammmotor 55 unter der Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands oder an jeder anderen geeigneten Stelle angekoppelt sein. Die oben beschriebene Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands, die Gammastrahlvorrichtung und die Neigungsmesseinrichtung sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, das mit dem Motor gekoppelt ist. Die Vorrichtungen zum Messen der Porosität, der Permeabilität und der Dichte der Formation (die gemeinsam mit dem Bezugszeichen 78 angegeben sind) sind vorzugsweise über dem Schlammmotor 55 angeordnet. Derartige Vorrichtungen sind in der Technik bekannt und werden deswegen nicht in jedem Detail beschrieben.
Wie oben angemerkt wurde, werden bei einem großen Anteil der gegenwärtigen Bohrsysteme, insbesondere zum Bohren von stark abgelenkten und horizontalen Bohrlöchern, Rohrwendeln zum Transportieren der Bohranordnung im Bohrloch nach unten verwendet. Bei derartigen Anwendungen wird ein Druckerzeuger 71 in dem Bohrstrang 90 verwendet, um die erforderliche Kraft an der Bohrkrone 50 bereitzustellen. Für den Zweck dieser Erfindung wird der Ausdruck Gewicht an der Krone verwendet, um die Kraft an der Krone zu bezeichnen, die während der Bohroperation an der Bohrkrone ausgeübt wird, wobei diese Kraft entweder durch Einstellen des Gewichts des Bohrstrangs oder durch den Druckerzeuger ausgeübt wird. Außerdem wird dann, wenn eine Bohrwendel verwendet werden, das Rohr nicht durch den Drehtisch gedreht, sondern es wird in das Bohrloch durch einen geeigneten Injektor 14a eingeführt, während der Bohrlochmotor 55 die Bohrkrone 50 dreht.
Mehrere Sensoren sind außerdem in den verschiedenen einzelnen Vorrichtungen in der Bohranordnung angeordnet. Eine Vielzahl von Sensoren ist z.B. in dem Stromversorgungsabschnitt des Schlammmotors, in der Lageranordnung, in der Bohrwelle, den Rohrleitungen und der Bohrkrone angeordnet, um den Zustand dieser Elemente während des Bohrens und die Bohrlochparameter zu bestimmen. Die bevorzugte Art der Verwendung bestimmter Sensoren im Bohrstrang 90 wird nun beschrieben. Die eigentliche BHA, die für eine bestimmte Anwendung verwendet wird, kann einige oder alle der oben beschriebenen Sensoren umfassen. Jede derartige BHA kann ein oder mehr Gyroskope und eine Gruppe von Beschleunigungsmessern (die hier gemeinsam mit dem Bezugszeichen 88 angegeben sind) an einer geeigneten Stelle in der BHA umfassen.
2A ist eine schematische Darstellung, die einen Sensorabschnitt 200 zeigt, der ein Gyroskop 202 und eine Gruppe von drei Beschleunigungsmessern 204x, 204y und 204z umfasst, die an einer geeigneten Stelle in der Bohrlochanordnung (Bezugszeichen 90 in 1) angeordnet sind. Das Gyroskop 202 kann ein einachsiges Gyroskop oder ein zweiachsiges Gyroskop sein. Bei vertikalen Bohrlöchern und Bohrlöchern mit geringer Neigung werden ein Gyroskop der x-Achse und ein Gyroskop der y-Achse für die Bestimmung des Azimutwinkels und der Werkzeugfläche in Bezug auf die wahre Nordrichtung als ausreichend erachtet. Die in 2A gezeigte Konfiguration verwendet ein einzelnes zweiachsiges Gyroskop (x-Achse und y-Achse), das Ausgangssignale bereitstellt, die der Rate der Erddrehung in den zwei Achsen (x-Achse und y-Achse) senkrecht zur Bohrlochachse oder der Längsachse der Bohrlochanordnung, die hier als z-Achse bezeichnet ist, entspricht. Der Sensor 202 misst somit die Komponente der Erddrehung in der x-Achse und der y-Achse. Die Beschleuni gungsmesser 204x, 204y und 204z messen die Komponenten der Erdanziehung längs der x-, y- bzw. z-Achse der Bohrlochanordnung 90.
Das Gyroskop 202 und die Beschleunigungsmesser 204x bis 204z sind in einem Drehgestell 210 angeordnet, das sich in einem feststehenden oder drehfesten Gehäuse 214 um die radialen Lager 212a–212b dreht. Ein Antriebsmotor 216 für die Indexierung, der über eine Welle 218 mit dem Drehgestell 210 gekoppelt ist, kann das Gestell 210 in der Bohrlochanordnung 90 um die z-Achse drehen, wodurch das Gyroskop 202 von einer mechanischen Position um einen gewünschten Drehwinkel in eine andere Position gedreht wird. Als Antriebsmotor 216 für die Indexierung ist ein Schrittmotor bevorzugt, da Schrittmotoren Präzisionsvorrichtungen sind und eine positive Rückkopplung über den Betrag der Drehung bereitstellen. Jeder andere Mechanismus, unabhängig davon, ob er elektrisch, hydraulisch oder auf andere gewünschte Weise betätigt wird, kann verwendet werden, um die Gyroskope in der Bohrlochanordnung 90 zu drehen. Das Gyroskop 202 kann von einer anfänglichen willkürlichen Position zu einem (nicht gezeigten) mechanischen Anschlag in dem Werkzeug oder zwischen zwei mechanischen Anschlägen oder von einer anfänglichen Spitzenwertmessung zu einer zweiten Position gedreht werden, wie später beschrieben wird. Der Drehwinkel in Bezug auf eine bestimmte Achse ist wählbar.
Obwohl in 2A ein einzelnes zweiachsiges Gyroskop gezeigt ist, kann für jede Achse ein separates Gyroskop verwendet werden. Ein Kabelbaum 226 liefert Leistung an das Gyroskop 202 und die Beschleunigungsmesser 204x, 204y und 204z. Der Kabelbaum 226 überträgt Signale von dem Gyroskop und den Beschleunigungsmessern an den Prozessor in der Bohrlochanordnung. In ähnlicher Weise stellt ein geeigneter Kabelbaum 220 schafft eine Leistungs- und Signalverbindung mit dem Schrittmotor 216 und der weiteren Bohrlochausrüstung bereit. Ein federbelasteter Drehmomentbegrenzer kann verwendet werden, um eine Beschädigung des Ge triebes des Schrittmotors 216 durch eine Gewichtsbelastung, die durch die Drehung des Bohrstrangs bewirkt wird, zu verhindern.
Außerdem kann ein zweites zweiachsiges Gyroskop 230 (x-Achse und z-Achse) in der Bohrlochanordnung 90 in einem Drehgestell drehbar oder auf andere Weise angebracht werden, um die Rate der Drehung in der z-Achse und der x-Achse zu messen, wie in 2B gezeigt ist. Der Sensor 230 könnte unter Verwendung eines Kegelradgetriebes 242 und einer Wellenverbindung 244 mit dem Drehgestell 210 um die y-Achse gedreht werden, wodurch die Notwendigkeit eines zusätzlichen Motors eliminiert wird. Der Kabelbaum 244 für das Gyroskop 230 der y-Achse muss um das Gyroskop gewickelt werden, um den Raum, der in einem Gehäuse mit kleinem Durchmesser verfügbar ist, auszunutzen.
Wie oben angemerkt wurde, ist bei einem MWD-Gyroskop eine Optimierung und/oder Kompensation für mehrere Parameter erforderlich, um die geforderte Leistungsfähigkeit von typischen gyroskopischen Sensoren, die gegenwärtig zur Verfügung stehen, zu gewährleisten.
Einer der Fehlerparameter, der in einigen Fällen für einen ausreichend genauen Betrieb bei einer typischen Anpassung eines MWD-Gyroskops zu groß ist, ist der systematische Fehler am Ausgang des Gyroskops. Einige Gyroskope besitzen kleine Fehlerwerte für den Ausdruck "systematischer Fehler der Zufallsbewegung" und verhältnismäßig stabile Werte des systematischen Fehlers nach einer anfänglichen Aufwärmperiode, weisen jedoch eine große Instabilität des systematischen Fehlers zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten auf. Der systematische Fehler und der systematische Fehler der Zufallsbewegung bestimmen zum großen Teil die Genauigkeit eines Gyroskopsensors, der in der Betriebsart Kreiselkompass (Suchen der Nordrichtung) verwendet wird. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Korrigieren des systematischen Fehlers, der während des Bohrens nach dem Einschalten des Stroms auftritt, sind erwünscht.
Die Kompensation für systematische Fehler kann in einem Gyroskop in einem MWD-Werkzeug durch das Indexieren des Gyroskops auf zwei um 180° beabstandete Positionen und durch Verwenden der Daten von diesen Positionen zum Bestimmen des systematischen Fehlers realisiert werden. Die zusätzlichen beiden Messungen ergeben eine Auslöschung der positiven und negativen Signalflanken und eine Verdoppelung des systematischen Fehlers. Wenn alle anderen Parameter durch einen Kalibrierungsvorgang kompensiert werden, der vor dem Betrieb der Bohrlochanordnung ausgeführt wird, wird der restliche Fehler in dem Gyroskop (der systematische Fehler) nach der folgenden Berechnung eliminiert: systematischer Fehler = ½ ((Messwert bei "Null") + (Messwert bei "180")) (1)
Mechanische Anschläge können verwendet werden, um das Gyroskop zu einer willkürlichen Position "Null" und anschließend zu der Position "180" zu drehen. Für ein einachsiges Gyroskop kann mit dieser Technik der systematische Fehler bestimmt werden, der dann zusätzlich mit den zuvor ermittelten Kalibrierungsparametern verwendet wird, um spätere Messungen des Gyroskops zu kompensieren. Für ein zweiachsiges Gyroskop kann diese Technik der Indexierung von der Position "Null" zu der Position "180" eine Messung des systematischen Fehlers für jedes der zwei Gyroskope mit in Querrichtung verlaufenden Achsen (X und Y) bereitstellen. Alternativ kann ein Schrittmotor oder ein Antriebsmotor mit einer Winkelauflösungseinrichtung verwendet werden, um eine Indexierung um 180° aus einer willkürlichen Ausgangsposition auf der Drehachse auszuführen.
Diese Technik wird in der in dem 2C gezeigten Graph durch die Symbole in Form von kleinen Quadraten, die mit "ursprünglicher Messpunkt" bezeichnet sind, veranschaulicht. Diese Position ist bei 62 Grad auf der hori zontalen Achse des Diagramms gezeigt, die einem relativen Rollwinkel (oder einem Werkzeugflächenwinkel) von 62 Grad entspricht. Eine zweite Messung könnte dann bei 62 + 180 oder 242 Grad erhalten werden, wobei der systematische Fehler für das Gyroskop X oder das Gyroskop Y oder für beide aus den Messungen an diesen beiden Positionen berechnet wird.
Diese Technik, bei der die erste Messung an einer Position eines willkürlichen Rollwinkels auf der graphischen Darstellung vorgenommen wird, könnte jedoch zur Folge haben, dass ein Ausgangssignal des Gyroskops von nahezu Null (Null auf der vertikalen Achse) auftritt. In diesem Fall hat das Ausgangssignal des Gyroskops einen steilen Anstieg und ist sehr empfindlich auf Positionsänderungen längs der horizontalen Achse. Um gute Ergebnisse zu erhalten, sollte die Indexierung vom Punkt "Null" zum Punkt "180" mit großer Präzision ausgeführt werden, wobei eine enge Toleranz bei der Bewegung um 180 Grad eingehalten werden muss. Infolge der rauben Umgebung und der Notwendigkeit, eine schwingungs- und stoßdämpfende Anbringung der empfindlichen Teile zu gewährleisten, kann es schwierig sein, diese enge Toleranz an einer mechanischen Indexierungsvorrichtung in einer MWD-Vorrichtung zu erreichen. Eine elastische Anbringung ist häufig mit einem ausreichenden Raum für eine Durchbiegung bei dynamischen Belastungen erforderlich, wobei mechanische Anschläge durch ununterbrochene Stöße beschädigt werden können.
Weiterhin in 2C ist ein Verfahren zum Herstellen der anfänglichen Referenzposition "Null" bereitgestellt, um den Messfehler des systematischen Fehlers zu minimieren, wobei eine weniger genaue mechanische Indexierungsvorrichtung zulässig ist. In 2C wird klar, dass das Ausgangssignal des Gyroskops nahe an den positiven (250) und negativen (252) Spitzenabschnitten der sinusförmigen Welle 255 auf Fehler der Winkelpositionierung weniger empfindlich ist. Die kreisförmigen Punkte 254a und 254b, die in der Nähe des Nullwertes der Sinuswelle bei 85 und 90 Grad gezeichnet sind, besitzen eine wesentlich größere vertikale Verschiebung als die dreieckigen Punkte 250a und 250b, die in der Nähe des Spitzenwertes der Sinuswelle 255 gezeichnet sind. In einer Anordnung wird die Position "Null" in der Nähe der positiven oder negativen Spitzenwerte hergestellt. Das kann durch Überwachen des Ausgangssignals des Gyroskops während der Drehung realisiert werden. Das Finden des Spitzenwertes kann erfolgen, indem die Position gesucht wird, an der sich der Richtungskoeffizient des Ausgangssignals bei anwachsender Winkelposition von ansteigend zu abfallend (oder umgekehrt) ändert. Die ursprüngliche Messung der Position "Null" kann an dieser Position ausgeführt und für spätere Berechnungen gespeichert werden. Die Vorrichtung des Antriebsmotors kann dann angewiesen werden, Messungen an weiteren Positionen relativ zu der ursprünglichen Position vorzunehmen. Eine Messung bei +180° liefert den minimalen Wert für die X-Achse. Messungen bei ±90° liefern den maximalen bzw. minimalen Wert für die Y-Achse. Ein Anwenden der Gleichung (1) auf diese Messungen liefert systematische Fehler für X und Y, die optimiert sind, um Fehler in Bezug auf den Indexierungsfehler zu verringern.
Nachdem der systematische Fehler in den beiden Achsen durch diese Technik der Bohrlochkalibrierung bestimmt wurde, können die Ausgangssignale der X- und Y-Achse dann für diesen systematischen Fehler in jeder Position auf der (horizontalen) Winkelskala korrigiert werden. Winkelparameter, die für die Bohrloch-MWD-Anordnung von Interesse sind (Azimutwinkel und Werkzeugfläche), können dann unter Verwendung von Werten an allen vier oder an jeder der zuvor aufgezeichneten oder der später indexierten Positionen berechnet werden.
Zusammenfassend werden die dreieckigen Punkte, die in der Nähe der Spitzenwerte der Sinusform gezeichnet sind, zur Berechnung der systematischen Fehler verwendet und anschließend werden diese Messungen nach einer Kompensierung zusammen mit Messungen, die an den kreisförmigen Punkten, die in der Nähe der Nullwerte der Sinusform gezeichnet sind, ausgeführt werden, für die Berechnung der interessierenden Winkelparameter verwendet.
Nochmals in 2A wird im Betrieb das Bohren unterbrochen oder angehalten, um die Werkzeugfläche, den Neigungswinkel und den Azimutwinkel der Bohrlochanordnung 90 zu bestimmen. Das Gyroskop wird mit Energie bzw. Strom versorgt und die Messungen der Rate der Erddrehung vom Gyroskop 202 und die Schwerkraftmessungen werden von allen Beschleunigungsmessern 204x bis 204z vorgenommen. Wie oben angemerkt wurde, umfassen die Ratenmessungen des Gyroskops systematische Fehler. Um diese systematischen Fehler zu eliminieren, wird eine zweite Gruppe von Ratenmessungen vorgenommen, nachdem das Gyroskop 202 in der gleichen Bohrlochtiefe und der gleichen Position der Bohrlochanordnung um 180 Grad gedreht wurde, ohne die Stromversorgung des Gyroskops 202 auszuschalten.
Die Messungen, die alle Achsen des Gyroskops betreffen und die an allen Positionen vorgenommen wurden, werden dann differenziert, um die entsprechenden systematischen Fehler zu bestimmen. Der systematische Fehler, der jeder Achse entspricht, wird vorzugsweise in einem geeigneten Speicher in dem Prozessor für eine spätere Verwendung gespeichert. Die systematischen Fehler werden verwendet, um die gyroskopischen Messungen zu korrigieren, bevor der Azimutwinkel oder die Werkzeugfläche in Bezug auf die wahre Nordrichtung auf die oben beschriebenen Arten bestimmt wird. Diese Verfahren eliminieren zum großen Teil die unabhängigen systematischen Fehler der Werkzeugfläche. Die restlichen Fehler werden durch die Verwendung von im Voraus festgelegten Modellen eliminiert, die aus an der Erdoberfläche ausgeführten Labormessungen abgeleitet werden.
2D veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Korrigieren des Gyroskop-Ausgangssignals. Das Werkzeug wird nacheinander um die Winkel 261a, 261b, ... gedreht und bei jedem Winkel wird das Gyroskop-Ausgangssignal der X-Achse und der Y-Achse des Gyroskops aufgenommen. Wenn Ux_i die Messung der X-Achse des Gyroskops unter einem Winkel von θ₁ bezeichnet, können die Messungen beim Vorhandensein von willkürlichen Messfehlern ε_i und eines systematischen Fehlers b_x in der folgenden Weise dargestellt werden: Uxi = A sin (θi + ϕ) + bx + εi (3)wobei ϕ der Phasenwinkel ist und A die Amplitude der Sinuskurve ist. Diese Gleichung besitzt drei Parameter, die abzuschätzen sind, und zwar A, ϕ und b_x. Wenn Messungen bei drei Drehwinkeln vorgenommen werden, werden diese Parameter eindeutig bestimmt. Wenn zusätzliche Messungen vorgenommen werden, sind die Gleichungen überbestimmt und eine Lösung kann unter Verwendung von Verfahren, die in der Technik bekannt sind, im Sinne des Verfahrens der kleinsten Quadrate erhalten werden. Die gleiche Prozedur kann auch für die Messungen verwendet werden, die von dem Gyroskop der Y-Achse vorgenommen werden. Wenn die Gyroskop-Messungen sowohl von der X-Achse als auch von der Y-Achse verwendet werden, gibt es die zusätzliche Forderung, dass sich der Phasenausdruck für die x- und y-Richtungen um 90° unterscheidet. Das kann ebenfalls zum Teil der Prozedur des Verfahrens der kleinsten Quadrate gemacht werden.
Die Verwendung eines Präzisionsschrittmotors zum Indexieren des drehbaren Sensorgehäuses hat den Vorteil, dass eine genaue und willkürliche Vergrößerung der Drehung realisiert werden kann. Unabhängig davon, welchen Wert der ursprüngliche Drehwinkel (z.B. θ₁ oder 261₁ in 2D) hat, kann der Sensor von dieser ursprünglichen Position um mehrere im Voraus definierte Schrittweiten gedreht werden. Durch dieses Verfahren können z. B. Messungen bei einem Winkel ±30° und ±60° von der ursprünglichen Position (θ₁) erfasst werden. Die Verwendung von kleinen Schrittweiten von der ursprünglichen Position macht die Zeit minimal, die erforderlich ist, um zu diesen Positionen zu indexieren. Sie mini miert außerdem den zulässigen Grad der Drehungsfreiheit, der für den Kabelbaum berücksichtigt werden muss. Die gemessenen Werte und die bekannten zugehörigen Phasenwinkel werden in Verwendung mit Gleichung (3) verwendet, um die beste sinusförmige Lösung zu finden. Der systematische Fehler wird dann als der Term "b" dieser Gleichung optimal bestimmt.
Diese Prozedur ist in 2E dargestellt, wobei ein realistischerer Fall mit einem großen systematischen Fehler angegeben ist. In der Praxis kann der systematische Fehler mehrere Volt betragen, wobei die Amplitude der Sinuswelle in der Größenordnung von wenigen Millivolt liegt. Das Ausgangssignal 275 von einem Gyroskop ist dargestellt und beginnend von einer willkürlichen ursprunglichen Drehposition 270a werden Messungen bei ±30° (170b, 270d) und bei ±60° (270c, 270e) vorgenommen.
Die oben beschriebenen Verfahren zum Eliminieren des systematischen Fehlers in Echtzeit-Bohrlöchern während des Bohrens von Bohrlöchern, die hier als "mechanische Indexierungsverfahren" bezeichnet werden, ermöglichen für Gyroskope eine sehr flexible Anwendung und machen die Vermessungszeit und den Leistungsverbrauch minimal. Sie ermöglichen die Bestimmung des systematischen Fehlers, der in kommerziell verfügbaren Gyroskopen typischerweise vorhanden ist, und basieren nicht auf der Stabilität des systematischen Fehlers für derartige Gyroskope. Das ermöglicht des weiteren die Verwendung von Gyroskopen, die ansonsten infolge ihrer geringen Stabilität oder einer großen Instabilität des systematischen Fehlers bei langen Zeitdauern zwischen Einschalten und Ausschalten für eine Verwendung in der Betriebsart Kreiselkompass im MWD-Bereich ungeeignet sind. Der andere Term, der die Genauigkeit von gyroskopischen Messungen beeinflusst, und zwar die Zufallsbewegung, wird minimal gemacht durch (a) das Auswählen von Gyroskopen mit einem verhältnismäßig kleinen Wert der Zufallsbewegung durch das Ausführen von Prüfungen an der Erdoberfläche vor ihrer Verwendung in der Bohrlochanordnung und (b) Mittelwertbildung der Messungen der Gyroskope für ausreichend lange Zeitperioden, um die statistischen Schwankungen derartiger Fehler zu beseitigen.
3 zeigt einen Blockschaltplan der wesentlichen Elemente der Bohrlochanordnung 90 und veranschaulicht des weiteren mit Pfeilen die Wege der Zusammenwirkung zwischen diesen Elementen. Es sollte klar sein, dass 3 lediglich eine Anordnung der Elemente und ein System für die Zusammenwirkung zwischen diesen Elementen veranschaulicht. Andere in gleicher Weise wirkungsvolle Anordnungen können verwendet werden. Eine vorgegebene Anzahl von Ausgangssignalen von Sensoren 252 (S₁ bis S_j) an diskreten Datenpunkten werden in einem Puffer gespeichert, der in 3 als Partition der Speicherkapazität eines Computers 350 umfassen ist. Der Computer 350 umfasst vorzugsweise kommerziell verfügbare stabile Vorrichtungen, die in der Bohrlochumgebung verwendet werden können. Alternativ können die Pufferspeichermittel ein separates Speicherelement (nicht gezeigt) umfassen. Die interaktiven Modelle werden in dem Speicher 348 gespeichert. Außerdem werden andere Referenzdaten, wie etwa Modelle der Kalibrierungskompensation und des vorgegebenen Bohrwegs, in dem Speicher 348 gespeichert. Eine zweiseitige Kommunikationsverbindung ist zwischen dem Speicher 348 und dem Computer 250 vorhanden. Die Reaktionen von den Sensoren 352 werden an den Computer 350 oder an den an der Erdoberfläche befindlichen Computer 40 übertragen, wo sie unter Verwendung von Verfahren, die hier im folgenden Abschnitt genau erläutert werden, in Parameter, die von Interesse sind, umgewandelt werden.
Der Computer 350 ist außerdem mit bestimmten steuerbaren Bohrlochvorrichtungen d1 bis dm betriebsfähig gekoppelt, wie etwa einer Schuberzeugungseinrichtung, einstellbaren Stabilisatoren und eine Anlaß- bzw. Start-Unteranordnung zur Geosteuerung, sowie mit einer Strömungssteuereinrichtung zur Steuerung der Fluidströmung durch den Bohr motor zur Steuerung der Drehzahl der Bohrkrone.
Die Leistungsquellen 344 liefern Leistung bzw. Strom an das Telemetrieelement 342, den Computer 350, die Speichermodule 346 und 348 und zugehörige Steuerschaltungen (die nicht dargestellt sind) und die Sensoren 352 und zugehörige Steuerschaltungen (die nicht dargestellt sind). Informationen von der Erdoberfläche werden über den Telemetrieweg der Abwärtsverbindung, der durch die unterbrochene Linie 329 dargestellt ist, an das Bohrloch-Empfangselement der Bohrloch-Telemetrieeinheit 342 und anschließend an die Speichervorrichtung 348 übertragen. Die Parameter, die von Interesse sind, wie etwa die Werkzeugfläche, die Neigung und den Azimutwinkel, werden vorzugsweise im Bohrloch berechnet und lediglich die Antworten werden an die Erdoberfläche übertragen.
4 zeigt einen Sensorabschnitt 400, der Gyroskope 404, 412 und eine Gruppe von drei Beschleunigungsmessern 414x, 414y und 414z, die an einer geeigneten Stelle in der Bohrlochanordnung 90 angeordnet sind, umfasst. Der Sensorabschnitt umfasst außerdem drei dreiachsige Magnetometer 426a, 426b und 426c. Die Instrumente sind in einem Gehäuse 430 mit einem Bohrlochverbinder 432 und einem Verbinder 402 zum Bohrlochausgang eingeschlossen. Ein Schrittmotor 408b steuert die Sensoren 404, 412, 414x, 414y, 414z, 426a, 426b und 426c, die im Bohrloch unterhalb des Schrittmotors 408b angeordnet sind, über einen flexiblen Verbinder 410 an, so dass die Sensoren über eine Reihe von Azimutpositionen in Bezug auf die Werkzeugachse schrittweise bewegt werden können. Die magnetischen Sensoren 426a, 426b und 426c und die Magnetometertafel 420 werden an einem Gestell 420 durch nicht magnetische Lager 424 getragen. Bei dieser Anordnung wird das Gyroskop 412 schrittweise über mehrere Winkel bewegt, um seinen systematischen Fehler zu bestimmen, wobei die Magnetometer und die Beschleunigungsmesser gemeinsam mit dem Gyroskop schrittweise bewegt werden. Unter Verwendung der oben unter Bezugnahme auf das Gyroskop beschriebe nen Verfahren kann der systematische Fehler in den Beschleunigungsmessern 414x und 414y und den Magnetometern 426a, 426b und 426c bestimmt werden und anschließend können Vermessungsmessungen in Bezug auf diesen systematischen Fehler kompensiert werden.
Beim Fehlen von örtlichen magnetischen Störungen, wie etwa jene, die durch Stahlgegenstände in der Sensoranordnung oder in der Nähe der Sensoranordnung bewirkt werden, sollte in dem Magnetfeld kein z-Gradient vorhanden sein, d. h. alle Komponenten der Längsachse der magnetischen Sensoren 426a, 426b und 426c sollten den gleichen Wert haben. Wenn die tatsächliche Messung diese Bedingung nicht erfüllt, ist das eine Anzeige einer örtlichen magnetischen Störung. Die Störung des Magnetfelds, die durch einen magnetischen Gegenstand in dem Bohrloch oder in der Nähe des Bohrlochs bewirkt wird, folgt dem Gesetz mit reziprok quadratischer Abhängigkeit und durch die Verwendung von bekannten Modellierungstechniken kann der Ort und die Stärke der Störung aus einer Vielzahl von magnetischen Messungen ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, die Magnetometermessungen in Bezug auf die Störung zu korrigieren und eine axiale Strecke längs des Bohrlochs zu bestimmen, wo der z-Gradient im wesentlichen Null und das Magnetfeld im wesentlichen ungestört ist.
Unter weiterer Bezugnahme auf 4 umfasst die Sensoranordnung außerdem ein zweites Gyroskop 404, das durch einen zweiten Schrittmotor 408a über ein Kegelradgetriebe 406 angetrieben wird. Unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahrensweise kann der systematische Fehler dieses Gyroskops außerdem während Protokollierungsoperationen bestimmt werden kann, wobei der Unterschied darin besteht, dass in diesem Fall die y- und z-Komponenten des systematischen Fehlers bestimmt werden, indem das Gyroskop 412 über mehrere verschiedene Winkel gedreht wird und bei jedem Winkel Messungen vorgenommen werden.
Nachdem die Messwerte in Bezug auf den systematischen Fehler korrigiert wurde, können die drei Gruppen von Messungen, die auf den drei Typen von Sensoren basieren, verwendet werden, um einen verbesserten Schätzwert der Werkzeugausrichtung zu erhalten. Wie in dem US-Patent 5.432.699 erläutert ist, ist die Winkelgeschwindigkeit Ω^g, die durch die Gyroskope gemessen wird, die Summe aus dem Winkelgeschwindigkeitsvektor Ω^e der Erde und der Winkelgeschwindigkeit Ω^p des Werkzeugs relativ zur Erde Ωg = Ωe + Ωp. (4)
Die Messungen der Magnetometer und der Beschleunigungsmesser ergeben jeweils unabhängige Messungen der Bewegung des Werkzeugs relativ zur Erde. Die mit (4) bezeichneten Gleichungen sind überbestimmt und können gelöst werden, um einen verbesserten Schätzwert der tatsächlichen Ausrichtung des Werkzeugs in Bezug auf die Erde unter Verwendung von Verfahren des Standes der Technik zu erhalten. Da das Magnetometer eine Ausrichtung in Bezug auf das Magnetfeld der Erde angibt, liefert das Verfahren in einfacher Weise eine Messung der magnetischen Neigung (Winkel zwischen der geographischen und der magnetischen Nordrichtung).
5 zeigt einen weiteren, die Gyroskope 504, 512 umfassenden Sensorabschnitt 500 und eine Gruppe von drei Beschleunigungsmessern 514x, 514y und 514z, die an geeigneten Stellen in der Bohrlochanordnung angeordnet sind. Die Gyroskope 504, 512 sind vorzugsweise zweiachsige Gyroskope. Der Sensorabschnitt umfasst außerdem drei dreiachsige Magnetometer 526a, 526b und 526c. Die Instrumente sind in ein Gehäuse 530 mit einem Bohrlochverbinder 532 und einem Verbinder 502 zum Bohrlochausgang eingeschlossen. Ein Schrittmotor 508 treibt das Gyroskop 504 für die Querrichtung über ein Kegelradgetriebe 506a an, wobei die Bewegung des Schrittmotors über das Kegelradgetriebe 506b an eine Welle 518 weitergeleitet wird. Die Sensoren 512, 514x, 514y, 514z, 526a, 526b und 526c werden synchron mit dem gyroskopischen Sensor 540 angetrieben. Die magnetischen Sensoren 526a, 526b und 526c und die Magnetometerplatte 520 werden an einem Gestell 522 durch nicht-magnetische Lager 524 getragen. Unter Verwendung der oben unter Bezugnahme auf das Gyroskop beschriebenen Verfahren kann der systematische Fehler in den Gyroskopen 504, 512, den Beschleunigungsmessern 514x, 514y und 514z und den Magnetometern 526a, 526b und 526c bestimmt werden und anschließend können Vermessungsmessungen in Bezug auf diesen systematischen Fehler kompensiert werden. Die in Bezug auf den systematischen Fehler korrigierten Messungen werden dann verwendet, um einen verbesserten Schätzwert von Position und Ausrichtung des Werkzeugs unter Verwendung des oben unter Bezugnahme auf 4 erläuterten Verfahrens zu erhalten.
6A ist ein Prinzipschaltplan einer Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Verriegelungsmotors. Es ist ein Instrumentengestell 610 gezeigt, das in der oben beschriebenen Weise Sensoren umfasst und sich in einem feststehenden oder drehfesten Gehäuse 614 dreht. Ein umkehrbarer Antriebsmotor 616 für die Indexierung, der über eine Antriebswelle 618 durch eine Rutschkupplung 665 mit dem drehbaren Instrumentengestell 610 gekoppelt ist, kann das Gestell 610 in der Bohrlochanordnung 90 um die z-Achse drehen, wodurch das Gyroskop 602 und die Beschleunigungsmesser 604x bis 604z von einer mechanischen Position um einen gewünschten Drehwinkel zu einer anderen mechanischen Position gedreht werden. Ein Schrittmotor ist als der umkehrbare Antriebsmotor 616 für die Indexierung bevorzugt, da Schrittmotoren Präzisionsvorrichtungen sind und eine positive Rückkopplung über den Betrag der Drehung bereitstellen können. Jeder andere Mechanismus, unabhängig davon, ob er elektrisch, hydraulisch oder auf andere gewünschte Weise betätigt wird, kann verwendet werden, um die Gyroskope in der Bohrlochanordnung 90 zu drehen. Der Antriebsmotor 616 kann direkt oder über ein geeignetes Getriebe 625 mit der Rutschkupplung 665 gekoppelt sein.
Ein Stirnradgetriebe 670 ist an der Motorwelle 695 fest an gebracht. Eine Verstellschraubenspindel 680 ist in einem Schlitz in dem Motorgestell 675 angebracht und verläuft versetzt und im wesentlichen parallel zu der Drehachse der Antriebswelle 618. Die Verstellschraubenspindel 680 weist an einem Ende ein Zahnprofil auf, um mit dem Stirnradgetriebe 670 radial richtig zu kämmen. Die Verstellschraubenspindel 680 weist an dem anderen Ende ein Gewindeprofil auf, um mit einem Wälzlager 865 in Eingriff zu gelangen, das darauf durch die Drehung der Verstellschraubenspindel 680 axial angetrieben wird. Ein Verriegelungsstift 690 ist an dem Wälzlager 685 angebracht. Das Wälzlager 685 ist auf ein Gleiten in einer Wälzlagerführung 715 beschränkt, wie in den 6D und 6E dargestellt ist. Wenn sich die Motorwelle 695 dreht, gelangt das Stirnradgetriebe 670, das sich mit der Motorwelle 695 dreht, mit der Verstellschraubenspindel 680 in Eingriff und bewirkt eine Drehung der Verstellschraubenspindel 680. Wenn sich die Verstellschraubenspindel 680 dreht, ist sie mit dem Wälzlager 685 in Eingriff und treibt es durch die Wirkung der in die Verstellschraubenspindel 680 und in das Wälzlager 685 geschnittenen Schraubengewinde an. Die Drehrichtung des umkehrbaren Motors 616 bestimmt dabei die Richtung der axialen Bewegung des Wälzlagers 685 und des daran befindlichen Verriegelungsstifts 690. Eine Verriegelungsscheibe 660 ist an der Antriebswelle 618 angebracht und weist wenigstens ein Verriegelungsloch 700 auf, das in Umfangsrichtung in die Verriegelungsscheibe 660 gebohrt ist. Die Verriegelungsscheibe 660 ist axial an der Welle 618 in einer Position angebracht, damit sie den Verriegelungsstift 690 vollständig aufnimmt, wenn sich das Wälzlager 685 in der verriegelten Position befindet, wie in 6A gezeigt ist. Zwei federbelastete elektrische Kontaktstifte 720a und 720b sind an der Wälzlagerführung 715 in der Weise angebracht, dass sie das Wälzlager 685 berühren, wenn sich das Wälzlager 685 in der verriegelten Position befindet. Wenn zwischen dem Wälzlager 685 und den Stiften 720a und 720b ein Kontakt hergestellt wird, wird ein elektrischer Stromkreis gebildet.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das Instrumentengestell 610 typischerweise um einen Winkel im Bereich von 0 bis 360 Grad gedreht, wobei die Drehung durch das Aufwickeln der elektrischen Leitungen an den Sensoren eingeschränkt ist. Um ein Überdrehen zu verhindern, ist ein Drehanschlagstift 650 in dem Motorgestell 675 angebracht und gelangt an einer Kerbschulter 705 an der Antriebswelle 618 an der Drehgrenze in Eingriff, wie in den 6A und 6C dargestellt ist. Sowohl der Anschlagstift 650 als auch die Kerbschulter 705 sind so verdrahtet, dass bei einem gegenseitigen Kontakt ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird.
Die Funktionsweise des Motors wird am besten verstanden, wenn von der verriegelten Position ausgegangen wird, die in 6A gezeigt ist. Der Antriebsmotor 61 wird in eine Richtung gedreht, so dass das Wälzlager 685 nach rechts oder zur entriegelten Position gleitet. Während der Verriegelungsstift 690 noch mit dem Verriegelungsloch 700 in Eingriff ist, ist die Drehung der Antriebswelle 618 gesperrt und sie gleitet in Bezug auf die Motorwelle 695 durch die Rutschkupplung 665. Das Drehmoment der Rutschkupplung 665 zwingt den Rand des Verriegelungslochs 700, gegen den Verriegelungsstift 690 zu drücken, wenn der Verriegelungsstift 690 aus dem Verriegelungsloch 700 herausgezogen wird. Deswegen hat der Verriegelungsstift 690 ein minimales Winkelspiel zur Wand des Verriegelungslochs 700 beim Lösen des Eingriffs. Wie in 6B dargestellt ist, beginnt die Antriebswelle 618 dann, wenn der Verriegelungsstift 690 das Verriegelungsloch 700 verlässt, das Instrumentengestell 610 für Sensormessungen zu vorgegebenen Positionen zu drehen.
Am Ende der Messfolge soll das Instrumentengestell 610 zu der gleichen Winkelausrichtung zurückgeführt werden, die es vor dem Beginn der Messfolge hatte. Wenn das Wälzlager 685 und der Verriegelungsstift 690 wieder in Richtung der ver riegelten Position angetrieben werden, wird der Verriegelungsstift 690 am Rand des Verriegelungslochs 700 ankommen, an dem er zuletzt den Kontakt mit der Verriegelungsscheibe 660 getrennt hatte. Infolge von Getriebespiel und einer Akkumulierung von Fertigungstoleranzen ist es jedoch möglich, dass eine Fehlausrichtung zwischen Verriegelungsstift 690 und Verriegelungsloch 700 auftritt und der Verriegelungsstift 690 nicht das Verriegelungsloch 700 trifft, sondern statt dessen die Fläche der Verriegelungsscheibe 660 berührt. Die folgende Technik wird verwendet, um dieses Störungsproblem zu eliminieren.
Am Beginn oder am Ende der oben beschriebenen Messfolge wird der Motor 616 in der Entriegelungsrichtung geringfügig über den Punkt hinausbewegt, an dem die an der Antriebswelle 618 befindliche Kerbschulter 705 den Drehanschlagstift 650 berührt. Damit wird beabsichtigt, dass die Rutschkupplung 665 in ausreichenden Maße zur Rückseite des Wälzlagers 685 gleitet und der Verriegelungsstift 690 um einen Betrag, der wenigstens gleich einer Winkelverlagerung um den halben Durchmesser des Verriegelungslochs 700 ist, weg von der Verriegelungsscheibe 660 gleitet. Deswegen berührt dann, wenn das Wälzlager 685 in Richtung der Verriegelungsscheibe 660 angetrieben wird, die Kerbschulter 705 den Anschlagstift 650 nach der entgegengesetzten Drehung von Antriebswelle 618 und der Verriegelungsscheibe 660 bis zum Anschlag. Die Rutschkupplung 665 beginnt zu rutschen und das Wälzlager 685 wird mit dem Verriegelungsstift 690 vorgeschoben, so dass der Verriegelungsstift 690 am Zentrum des Verriegelungslochs 700 in Eingriff gelangt.
In einer alternativen Ausführungsform, bei der eine Drehung um mehr als 360 Grad erforderlich ist, gibt es keinen Anschlag für eine positive Drehung. Die Mehrzahl von Verriegelungslöchern 700 sind ausreichend eng beabstandet, so dass der Verriegelungsstift 690 in nahezu jeder Drehposition automatisch in eines der Verriegelungslöcher 700 einsticht. Der Schrittmotor 616 wird für eine bekannte An zahl von Schritten in der Verriegelungsrichtung betätigt, was zur Folge haben sollte, dass der Verriegelungsstift 690 vollständig in ein Verriegelungsloch 700 eingeführt wird. Wenn der Verriegelungsstift 690 vollständig eingeführt ist, berühren die Kontaktstifte 720a bis b das Wälzlager 685 und schließen einen elektrischen Stromkreis, wodurch der Motorsteuereinheit signalisiert wird, die Betätigung des Schrittmotors 61 zu beenden. Wenn die Motorsteuereinheit das Schließen des Stromkreises nicht erfasst, nachdem der Schrittmotor 616 die bekannte Anzahl von Schritten ausgeführt hat, kehrt die Motorsteuereinheit die Drehrichtung des Motors 616 um, treibt den Verriegelungsstift 690 in eine vollständig geöffnete Position an und löst die Verriegelungsfolge erneut aus, bis eine erfolgreiche Verriegelung durch das Schließen des Stromkreises angegeben wird.
Die 7A bis 7D zeigen alternative Ausführungsformen, um die Welle 618 drehfest zu verriegeln. 7A zeigt eine Verriegelungsscheibe 730 mit mehreren Stiften 735, die von der Oberfläche vorstehen. Diese Stifte sind in einem Umfangsmuster auf der Scheibe 730 angeordnet und sind so beschaffen, dass sie in die Innenseite des Verriegelungsstifts 740 passen, der an dem Wälzlager 685 angebracht ist. Der Verriegelungsstift 740 weist ein hohles Ende auf, das so beschaffen ist, dass es enganliegend über die Stifte 735 passt, die von der Verriegelungsscheibe 730 vorstehen. Weitere Aspekte der Operationen zum Verriegeln und Entriegeln wurden oben beschrieben.
7B zeigt einen teleskopartigen Verriegelungsstift 745, der über Innengewinde auf ein Ende der Verstellschraubenspindel 680 geschraubt ist und durch diese angetrieben wird. Das gewindelose Ende des Stifts 645 ist so beschaffen, dass es in eines der Verriegelungslöcher 700 auf der Verriegelungsscheibe 660 eingesteckt werden kann.
7C zeigt einen teleskopartigen Verriegelungsstift 745, der über Innengewinde auf ein Ende der Verstell schraubenspindel 680 geschraubt ist und durch diese angetrieben wird. Das gewindelose Ende des Stifts 645 ist so beschaffen, dass es über einen der Verriegelungsstifte 735 auf der Verriegelungsscheibe 730 passt.
7D zeigt einen Verriegelungsstift 760, der so beschaffen ist, dass er an der Verriegelungsscheibe 755 mit einer ausreichenden axialen Kraft in einen Reibungseingriff gelangt, um eine ausreichende Reibungskraft zwischen dem Stift 760 und der Scheibe 755 zu erzeugen, damit eine Drehung der Scheibe 755 verhindert wird.
Die Indexierungsprozedur kann geringfügig modifiziert sein, indem eine erste Messung bei einer willkürlichen Ausrichtung des Gehäuses erfolgt. Nachfolgende Messungen erfolgen bei ±30° und ±60°.
In einer Betriebsart des Werkzeugs wird das Bohren vorübergehend unterbrochen und durch Verwendung der oben erläuterten Indexierungsprozedur wird der systematische Fehler der Instrumente bestimmt und zum Korrigieren der Messungen verwendet. Aus den korrigierten Messungen werden Position und Ausrichtung der BHA bestimmt. Durch Verwendung der Verriegelungsanordnung wird das Gestell 210 an der Verwendungsstelle verriegelt und das Bohren wird fortgesetzt. Während des Bohrvorgangs werden die Messungen, die mit dem Gyroskop, dem Beschleunigungsmesser und/oder dem Magnetometer auszuführen sind, fortgesetzt und periodische Aktualisierungen von Position und Ausrichtung der BHA erfolgen unter Verwendung des ermittelten systematischen Fehlers. Bei der nächsten Unterbrechung des Bohrens wird die Indexierungsprozedur wiederholt und neue systematische Fehler in dem Gyroskop, den Beschleunigungsmessern und Magnetometern bestimmt.
Wenn die offenbarten Werkzeuge in Verbindung mit einer BHA verwendet werden, die einen Schlammmotor umfassen, können sie zum Lenken der Bohrrichtung verwendet werden. Die Gyro skop-MWD-Vorrichtung ist auf einem drehfesten Teil der BHA (nicht dargestellt) angebracht und das Bohren wird unter Verwendung des Schlammmotors fortgesetzt. Die Gyroskop-MWD-Vorrichtung wird für die Bestimmung von Ausrichtung und Azimutwinkel des Bohrlochs verwendet und die BHA und diese Informationen werden zur Steuerung der Bohrrichtung verwendet.
Das US-Patent 5.845.722 von Makohl u.a. und die US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 09/206.969 offenbaren ein Bohrfuttersystem zur Verwendung beim Bohren durch Formationen, in denen sich der Druck von dem Druck in den benachbarten Formationen wesentlich unterscheidet, und/oder in instabilen Formationen, bei denen es schwierig ist, die Formation mit einem Futter oder einer Ummantelung in dem Bohrloch zu schützen. Das Bohrfuttersystem umfasst einen inneren Strang, der eine innere Anordnung mit einer Pilotkrone und eine äußere Anordnung mit einer Kernkrone trägt. Das Gyroskop-MWD-Werkzeug kann an einer zurückgewinnbaren Anordnung, die in dem Bohrfutter angebracht ist, transportiert werden.
In 8 ist eine Bohrkrone 782 am Ende eines Bohrfutters 780 gezeigt. In dem Bohrfutter 780 befindet sich ein Adapterrohr zum Tragen der Sensoranordnung. Die Sensoranordnung umfasst die Gyroskop-MWD-Sensoren 790, die oben erläutert wurden, den Gammastrahlsensor 792, die Anordnung 794 des digitalen Lagesensors (DAS), die Speicheranordnung 796, die Batterieanordnung 798 und den Impulsgenerator 800. Um die Darstellung einfachzuhalten, sind die Träger für das Adapterrohr und die Sensoreinheiten nicht angegeben. Die Sensoranordnung kann unter Verwendung einer Drahtleitung 788 und einer Angelanordnung 786 bis 790 zurückgewonnen werden.
Die Funktionsweise der in 8 dargestellten Vorrichtung ist der oben beschriebenen Funktionsweise ähnlich. Das zurückgewinnbare Modul wird in dem Bohrfutter transportiert und Messungen werden vorgenommen, während das Bohren fort schreitet, wobei das Bohren bei einer ersten Tiefe unterbrochen wird, bei der die Indexierungsoperation ausgeführt wird. Nachdem die Neigung und der Azimutwinkel des Bohrlochs in der oben erläuterten Weise bestimmt wurden, wird das Bohren wieder aufgenommen, wobei die Anordnung des Gyroskop-MWD-Sensors an der Verwendungsstelle verriegelt ist und Messungen mit den Sensoren vorgenommen werden, während das Bohren wieder aufgenommen wird. Das Bohren kann bei anderen Tiefen unterbrochen werden und der Vorgang wird wiederholt.
Nachdem das Bohren mit dem Bohrfutter die gewünschte Tiefe erreicht hat, wird die Sensoranordnung zurückgeholt, während das Adapterrohr und das Futter an der Verwendungsstelle zurückbleiben. Ein späterer Wiedereintritt in das Bohrloch mit einer kleineren Bohrkrone oder einem kleineren Bohrfutter würde das Aufbohren des Bohrfutters erforderlich machen. Auf diesem Grund ist das Adapterrohr aus einem Verbundwerkstoff hergestellt, der leicht durchbohrt werden kann. Alternativ kann der Adapter ein kurzes Rohr sein, das eine Länge aufweist, die sich lediglich zu einem Abschnitt, wie etwa dem Abschnitt 799, erstreckt, so dass die Menge des Werkstoffs, die während des Wiedereintritts durchbohrt werden muss, klein ist.
Die zusätzlich zu den Gyroskop-MWD-Sensoren dargestellten Sensoren dienen lediglich Erläuterungszwecken und sollen keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen.
Das oben beschriebene Gyroskop-MWD-Werkzeug kann zum Ausführen von Messungen während des Aufholens (MWT) verwendet werden. Dazu wird während einer Zeitspanne, in der ein Bohrstrang aufgeholt werden soll, um die Bohrkrone zu ersetzen, das Messinstrument verwendet, um Messungen vorzunehmen, während der Bohrstrang aufgeholt wird. Der Bohrstrang 20 ist typischerweise aus Bohrrohrabschnitten mit einer Länge von 30 Fuß (9,14 m) hergestellt, und die an der Erdoberfläche befindliche Anordnung 10 kann bis zu drei Ab schnitten des Bohrrohrs (die als eine "Säule" (stand) bezeichnet werden) nach oben ziehen. Das Aufholen erfordert deswegen, dass sich die im Bohrloch befindliche Bohranordnung in einer festen Tiefe bleibt, während die Säule entfernt wird. Die oben beschriebene Indexierungsprozedur wird an einer oder an mehreren dieser stationären Positionen während des Aufholens ausgeführt. Das hat im wesentlichen gleichmäßig beabstandete Messungen (in einer Bohrlochtiefe, wobei sie nicht notwendigerweise die wahre vertikale Tiefe ist) zur Folge, die verwendet werden, um die Neigung und den Azimutwinkel des Bohrlochs zu erhalten. Wenn sie mit der bekannten Bohrlochtiefe (die aus der Anzahl der wiedergewonnenen Bohrrohrsegmente ermittelt wird) kombiniert werden, kann eine Vermessung des Bohrlochs an diskreten Stellen erhalten werden.
Ein Fachmann wird erkennen, dass die Zirkulation des Schlamms während Aufholoperationen unterbrochen wird. Deswegen müssen die Messungen, die während des Aufholens vorgenommen werden, im Speicher des Bohrlochwerkzeugs gespeichert werden, es sei denn, die Zirkulation wird ausdrücklich wiederaufgenommen.
Ein besonderer Vorteil der Ausführung von MWT besteht darin, dass die oberflächlichen Abschnitte des Bohrlochs häufiger vermessen werden als die tieferen Abschnitte des Bohrlochs, da in den oberflächlichen Abschnitten häufiger aufgeholt wird. Das Gewinnen von mehreren Datensätzen für die oberflächlichen Abschnitte ergibt eine verbesserte statistische Genauigkeit von Neigung und Azimutwinkel des Bohrlochs, wodurch sich eine bessere Vermessung an diskreten Stellen ergibt.
9 veranschaulicht eine Anordnung bei sekundären Wiedergewinnungsoperationen. Ein Förderbohrloch 820 wurde in einen Lagerstättenzwischenraum 801, der Kohlenwasserstoffe umfasst, gebohrt. Aus verschiedenen Gründen, wie etwa geringer Formationsdruck oder hohe Viskosität der Kohlenwas serstoffe in der Lagerstätte, kann die Förderung unter den natürlichen Bedingungen der Kohlenwasserstoffe nur bei unwirtschaftlich geringen Raten erfolgen. In diesen Fällen wird ein zweites Bohrloch 822 typischerweise als eine Seitenbohrung vom Bohrloch 820 im wesentlichen parallel zu dem Hauptbohrloch in die Lagerstätte gebohrt. Das Förderbohrloch ist typischerweise mit einer Ummantelung 830, die Perforationen 834 aufweist, ummantelt. Fluid, wie etwa Wasser, CO₂ oder Dampf, wird dann durch das sekundäre Bohrloch 822 in die Formation eingespritzt und das eingespritzte Fluid befördert dann die in der Formation befindlichen Kohlenwasserstoffe zum Förderbohrloch 820, wo sie gewonnen werden können. Es ist außerdem wichtig, das sekundäre Bohrloch im gleichen Azimutwinkel wie das Förderbohrloch zu halten. Auf Grund der Tatsache, dass das Förderbohrloch ummantelt ist, können herkömmliche magnetische Techniken nicht verwendet werden, um die Neigung und den Azimutwinkel des sekundären Bohrlochs zu bestimmen. Demzufolge wird die Position des Förderbohrlochs in einem geeigneten Speicher gespeichert und die Informationen von dem Gyroskop-MWD-Werkzeug werden verwendet, um die Bohrrichtung des sekundären Bohrlochs zu steuern.
Während die vorhergehende Offenbarung auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gerichtet ist, werden einem Fachmann verschiedene Modifikationen erscheinen. Es ist beabsichtigt, dass alle Änderungen, die im Umfang der beigefügten Ansprüche vorgenommen werden, in der vorhergehenden Offenbarung eingeschlossen sind.

Claims

Vorrichtung zum drehbaren Positionieren und Verriegeln einer Antriebswelle in einer Bohrlochanordnung zum Messen während des Bohrens (MWD-Bohrlochanordnung) an einer von einer Mehrzahl von Winkelpositionen mit: einem einzigen umkehrbaren Motor (616), der die Antriebswelle (618) über eine Rutschkupplung (665) antreibt, einer Verstellschraubenspindel (680), die so beschaffen ist, dass sie sich dreht, wenn der Motor (616) betätigt wird, und einem durch die Verstellschraubenspindel (680) betätigten Verriegelungsmechanismus, der eine verriegelte Position aufweist, in der er mit der Antriebswelle (618) in Eingriff ist, und eine entriegelte Position aufweist, in der er von der Antriebswelle (618) funktional getrennt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Antriebswelle (618) eine ringförmige eingekerbte Schulter (705) an einem distalen Ende der Rutschkupplung (665) aufweist, wobei die Schulter (705) dazu ausgelegt ist, mit einem Drehanschlagstift (650) einzugreifen und dadurch die Drehung der Antriebswelle (618) auf weniger als 360° zu beschränken.
Vorrichtung nach Anspruch 2, in der der Drehanschlagstift (650) und die Schulter (705) dazu ausgelegt sind, bei einem gegenseitigen Kontakt einen elektrischen Stromkreis zu bilden.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der ein Stirnradgetriebe (670) fest an einer Motorwelle (695) angebracht und funktional mit der Verstellschraubenspindel (680) eingreift, wobei das Stirnradgetriebe (670) dazu ausgelegt ist, zu rotieren, wenn der Motor (616) in Betrieb ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, in der eine Verriegelungsscheibe (660) fest an der Antriebswelle (618) angebracht ist, wobei die Scheibe (660) eine Mehrzahl von Verriegelungslöchern (700) umfasst, die in Umfangsrichtung um eine Mitte der Scheibe (660) verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Verriegelungsmechanismus des weiteren folgendes umfasst: ein Wälzlager (685), das in Eingriff mit der Verstellschraubenspindel (680) ist und gleitend auf dieser angeordnet ist, und einen Verriegelungsstift ((690), der auf dem Wälzlager (685) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, mit einem beliebigen der Mehrzahl von Verriegelungslöchern (700) auf der Verriegelungsscheibe (660) in Eingriff zu gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, die des weiteren ein Paar von elektrischen Kontakten (720a, 720b) umfasst, die dazu ausgelegt sind, das Verriegelungsstiftwälzlager (685) zu berühren, wenn der Verriegelungsstift (690) vollständig mit der Verriegelungsscheibe (660) ineinandergreift, wobei die Kontakte (720a, 720b) und das Verriegelungsstiftwälzlager (685) dadurch einen elektrischen Stromkreis bilden, der anzeigt, dass der Verriegelungsstift (690) einen korrekten Sitz hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5, in der der Verriegelungsmechanismus des weiteren einen an einem Ende hohlen Verriegelungsstift (745) umfasst, wobei das hohle Ende mit einem Innengewinde dazu ausgebildet ist, mit der Verstellschraubenspindel (680) einzugreifen und in einer teleskopartigen Weise über die Verstellschraubenspindel zu gleiten, wenn die Verstellschraubenspindel (680) gedreht wird, wobei das zu dem hohlen Ende distale Ende dazu ausgebildet ist, mit einem beliebigen der Mehrzahl von Verriegelungslöchern auf der Verriegelungsscheibe (760) in Eingriff zu gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, in der eine Verriegelungsscheibe (730) fest auf der Antriebswelle (618) angeordnet ist, wobei die Scheibe (730) eine Mehrzahl von Verriegelungsstiften (735) aufweist, die in Umfangsrichtung um eine Mitte der Scheibe (730) verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, in der der Verriegelungsmechanismus des weiteren ein Wälzlager (750) umfasst, das in Eingriff mit der Verstellschraubenspindel (680) ist und gleitend auf dieser angeordnet ist, wobei das Wälzlager (750) eine Vertiefung bzw. Ausnehmung aufweist, die dazu ausgelegt ist, mit einem beliebigen der Mehrzahl von Verriegelungsstiften (735) auf der Verriegelungsscheibe in Eingriff zu gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die des weiteren ein Paar von elektrischen Kontakten umfasst, die dazu ausgelegt sind, das Verriegelungsstiftwälzlager (750) zu berühren, wenn der Verriegelungsstift (735) vollständig mit der Verriegelungsscheibe (730) ineinandergreift, wobei die Kontakte und das Verriegelungsstiftwälzlager (750) dadurch einen elektrischen Stromkreis schließen, der anzeigt, dass der Verriegelungsstift (735) einen korrekten Sitz hat.
Vorrichtung nach Anspruch 9, in der der Verriegelungsmechanismus des weiteren einen an einem Ende hohlen Verriegelungsstift (735) umfasst, wobei das hohle Ende mit einem Innengewinde dazu ausgebildet ist, mit der Verstellschraubenspindel (680) einzugreifen und in einer teleskopartigen Weise über die Verstellschraubenspindel zu gleiten, wenn die Verstellschraubenspindel (680) gedreht wird, wobei das zu dem hohlen Ende distale Ende dazu ausgebildet ist, mit einem beliebigen der Mehrzahl von Verriegelungsstiften (735) auf der Verriegelungsscheibe (730) in Eingriff zu gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, in der eine Verriegelungsscheibe (730) fest auf der Antriebswelle (618) angeordnet ist, wobei die Scheibe (730) eine Mehrzahl von Verriegelungsstiften (735) aufweist, die in Umfangsrichtung um eine Mitte der Scheibe (730) verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, in der der Verriegelungsmechanismus des weiteren ein Wälzlager umfasst, das in Eingriff mit der Verstellschraubenspindel ist und auf dieser gleitend angeordnet ist, wobei das Wälzlager dazu ausgelegt ist, mit einer Reibfläche auf der Verriegelungsscheibe in Eingriff zu gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, in der der Verriegelungsmechanismus des weiteren folgendes umfasst: einen Verriegelungsstift (760), der auf dem Wälzlager angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, mit der Reibfläche der Verriegelungsscheibe in Eingriff zu gelangen.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der der Motor (616) ein umkehrbarer Schrittmotor ist.