DE69816743T2

DE69816743T2 - Fiberoptische sensoren und ansteuervorrichtungen in bohrloechern

Info

Publication number: DE69816743T2
Application number: DE69816743T
Authority: DE
Inventors: H. Michael JOHNSON; W. John HARRELL; J. Jeffrey LEMBCKE; A. Kurt HICKEY; S. Paulo TUBEL; Glynn Andover WILLIAMS; Nigel Andover LEGGETT
Original assignee: Sensor Highway Ltd
Current assignee: Sensor Highway Ltd
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1998-05-01
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2018-05-02
Also published as: WO1998050680A2; EP1355169B1; CA2524666A1; GB0120433D0; US20020066309A1; GB2362462A; GB2364384A; GB2339902B; CA2524554C; NO991350D0; US6268911B1; EP1357402A3; DE69816743D1; AU7273798A; GB2364383A; EP1357401A3; EP0910725B1; GB2364382A; EA200100863A1; AU753252B2

Description

1. Bereich der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern einer Bohrlochausrüstung mit einer Hydraulikleitung, die sich in ein Bohrloch zum Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids in das Bohrloch erstreckt und an einem Steigrohr gehalten ist, sowie mit einem Lichtleitkabel, das innerhalb der Hydraulikleitung angeordnet ist und Messungen eines Bohrlochparameters längs des Steigrohrs bereitstellen kann.
2. Den Hintergrund bildender Stand der Technik
Zum Überwachen von Bohrlöchern während der Fertigstellung und Förderung von Bohrlöchern und der Bedingungen der Öl führenden Schicht, zum Abschätzen der Kohlenwasserstoffmengen (Öl und Gas), zum Betätigen von Bohrlochvorrichtungen in den Bohrlöchern und zum Bestimmen des physikalischen Zustands des Bohrlochs und von Bohrlochvorrichtungen wurde eine Vielzahl von Techniken eingesetzt.
Zur Überwachung der Öl führenden Schicht gehört gewöhnlich die Bestimmung bestimmter Bohrlochparameter in fördernden Bohrlöchern an verschiedenen Stellen in einem oder mehreren fördernden Bohrlöchern in einem Ölfeld, gewöhnlich über ausgedehnte Zeiträume. Am häufigsten werden drahtgesteuerte Bohrmeißel verwendet, um derartige Messungen zu erhalten, wozu der Transport der drahtgesteuerten Bohrmeißel zur Bohrstelle, das Einbringen der Bohrmeißel in die Bohrlöcher, das Unterbrechen der Förderung und das Vornehmen von Messungen über ausgedehnte Zeiträume sowie das Verarbeiten der erhaltenen Daten über Tage gehören. Zur Herstellung von Karten von Untertagesstrukturen werden seismische Verfahren verwendet, bei denen eine Vielzahl von Sensoren auf der Erdoberfläche und eine Quelle über Tage oder im Bohrloch angeordnet wird. Solche Informationen werden dazu verwendet, ältere seismische Karten auf den neuesten Stand zu bringen, um die Bedingungen der Öl führenden Schicht oder des Feldes zu überwachen. Auf die Aktualisierung von seismischen 3-D-Karten über der Zeit wird in der Industrie als "4-D-Seismik" Bezug genommen. Die oben beschriebenen Verfahren sind sehr aufwändig. Die Verfahren mit Kabelsteuerung werden mit relativ großen Zeitintervallen eingesetzt, wodurch man keine fortlaufenden Informationen über den Bohrlochzustand oder über den der umgebenden Formationen erhält.
Um fortlaufende Bohrloch- und Formationsinformationen zu erhalten, hat man vorgeschlagen, permanente Sensoren in dem Bohrloch zu platzieren, beispielsweise Temperatursensoren, Drucksensoren, Beschleunigungsmesser und Hydrophone. Für jede Art von bestimmendem Parameter wird ein gesonderter Sensor verwendet. Um derartige Messungen von allen nützlichen Segmenten eines jeden Bohrlochs zu erhalten, welches mehrere seitliche Bohrungen aufweisen kann, muss eine große Anzahl von Sensoren verwendet werden, was eine hohe Leistung, eine Datenerfassungsausrüstung und relativ viel Raum in dem Bohrloch erfordert, was unpraktisch oder unerschwinglich teuer sein kann.
Wenn man die Informationen einmal erhalten hat, möchte man bohrlochseitige Vorrichtungen, beispielsweise Komplettierungs- und Förderkolonnen betätigen. Bekannte Verfahren zur Ausführung solcher Funktionen beruhen auf dem Einsatz von elektrisch betätigten Vorrichtungen mit Signalen für ihre Arbeitsweise, die über elektrische Kabel übertragen werden. Wegen der harten Betriebsbedingungen im Bohrloch unterliegen elektrische Kabel einer Funktionsbeeinträchtigung. Aufgrund großer elektrischer Weglängen für Bohrlochvorrichtungen wird der Kabelwiderstand außerdem beträchtlich, es sei denn, es werden große Kabel verwendet. Dies ist in dem beschränkten Raum, der in den Förderkolonnen zur Verfügung steht, schwierig auszuführen. Außerdem werden die Leistungsanforderungen aufgrund des hohen Widerstands hoch.
Eine spezielle Anordnung, bei der ein Betrieb von zahlreichen Bohrlochvorrichtungen erforderlich wird, ist die sekundäre Gewinnung. Für viele Jahre hat man natürlich Einpressbohrlöcher verwendet, um restliches Öl in einer Formation zu einer Förderbohrung zu spülen und die Ausbeute aus diesem Bereich zu steigern. Üblich ist dabei, in einer Einpressbohrung nach unten und in die Formation Dampf zu pumpen, der sowohl das Öl in der Formation erwärmt als auch dieses aufgrund der Dampfflutung zwangsweise bewegt. In manchen Fällen ist das Erhitzen nicht erforderlich, wenn das restliche Öl in einer fließfähigen Form vorliegt, in manchen Fällen ist jedoch das Öl derart viskos, dass, um es fließfähig zu machen, das Erwärmen nötig ist. Durch Verwendung von Dampf erreicht man somit die beiden Ziele der Einpressbohrung, nämlich 1) restliches Öl zwangsweise zur Förderbohrung zu führen und 2) alle hochviskosen Ölabscheidungen zu erwärmen, um dieses Öl derart mobil zu machen, dass es vor der Flutungsfront zu der Förderbohrung hinströmt. Bekanntlich ist einer der häufigsten Nachteile bei Anwendung des obigen, auf Einpressbohrungen Bezug nehmenden Verfahrens ein Vorgang, der üblicherweise als "Durchbruch" bezeichnet wird. Ein Durch bruch tritt ein, wenn ein Teil der Flutungsfront die Förderbohrung erreicht. Das in der Öl führenden Schicht zurückbleibende Flutungswasser möchte insgesamt den Weg des geringsten Widerstands durchlaufen und dem Durchbruchkanal zur Förderbohrung folgen. An diesem Punkt endet die Bewegung des viskosen Öls. Wann und wo genau der Durchbruch auftritt, hängt von dem Mobilitätsverhältnis von Wasser/Öl, der Lithologie, der Porosität und der Durchlässigkeit der Formation sowie von ihrer Tiefe ab. Darüber hinaus beeinträchtigen andere geologische Umstände, wie Verwerfungen und Disharmonien, auch den In-situ-Durchlaufwirkungsgrad.
Obwohl eine sorgfältige Untersuchung der Formation durch erfahrene Geologen zu einem vernünftigen Verständnis ihrer Eigenschaften führen kann und deshalb ein plausibles Bild des Wegs abgeleitet werden kann, auf dem sich die Flutungsfront bewegt, war es bisher nicht bekannt, die Stelle der Flutungsfront als Ganzes oder als Einzelabschnitte genau zu überwachen. Durch Überwachen der Flutungsfront ist es möglich, wie gewünscht einen größeren oder kleineren Strom zu unterschiedlichen Bereichen in der Öl führenden Schicht durch Einstellen des Volumens und der Stelle sowohl des Einpressens als auch der Förderung zu leiten und somit den gesamten Durchlaufwirkungsgrad zu regulieren. Durch sorgfältige Steuerung der Flutungsfront kann sie mit einem regulierten, nicht ausfingernden Profil aufrechterhalten werden. Durch Vermeiden eines vorzeitigen Durchbruchs ist der Flutungsvorgang für einen größeren Teil des gesamten Formationsvolumens wirksam, wodurch der Wirkungsgrad bei der Ölförderung verbessert wird.
Bei Förderbohrungen werden häufig Chemikalien in das Bohrloch eingepresst, um die Förderfluide zu behandeln. Es kann jedoch schwierig sein, ein solches Einpressen von Chemikalien in Realzeit zu überwachen und zu steuern. Ähnlicherweise werden Chemikalien gewöhnlich an der Oberfläche verwendet, um die geförderten Kohlenwasserstoffe zu behandeln (d. h. um Emulsionen aufzubrechen) und um eine Korrosion zu unterbinden. Es kann jedoch schwierig sein, eine solche Behandlung in Realzeit zu überwachen und zu steuern.
Die vorliegende Erfindung spricht die oben beschriebenen Mängel des Standes der Technik an und stellt Vorrichtungen und Verfahren bereit, die Sensoren (beispielsweise faseroptische Sensoren) benutzen, wobei jeder Sensor Informationen über mehr als einen Parameter liefern kann, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen. Die Sensoren werden zum Messen von Parametern verwendet, die sich auf die Chemikalieneinführung in Realzeit beziehen, so dass das chemische Behandlungssystem genau überwacht und gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung spricht die oben beschriebenen Mängel des Standes der Technik an und stellt Vorrichtungen und Verfahren bereit, die faseroptische Sensoren verwenden, wobei jeder Sensor Informationen über mehr als einen Parameter liefert, um eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen. Die Sensoren können auf jeder Länge des Bohrlochs angeordnet werden. Es können Sensorsegmente, von denen jedes einen oder mehrere Sensoren enthält, zusammengekoppelt werden, um einen aktiven Abschnitt zu bilden, der in dem Casing für eine fortlaufende Überwachung des Bohrlochs angeordnet werden kann. Die Sensoren können in einem Bohrloch oder einer Vielzahl von Bohrlöchern zur Bestimmung interessierender Parameter verteilt werden. Hermetisch abgedichtete Lichtleitfasern, die mit hochtemperaturfesten Materialien beschichtet sind, sind im Handel erhältlich. Über der Länge solcher Lichtleitfasern können Einzel- oder Mehrfachmodussensoren hergestellt werden. Zu solchen Sensoren gehören Temperatur-, Druck- und Vibrationssensoren. Solche Sensoren können hohe Temperaturen von über 250°C über ausgedehnte Zeiträume aushalten und haben sich deshalb in Bohrlocheinsätzen als nützlich erwiesen. Eine Lichtleitfaser ist ein spezieller Fall eines optischen Wellenleiters, und bei den meisten Anwendungen kann eine Lichtleitfaser üblicherweise durch andere Arten von optischen Wellenleitern ersetzt werden, zu denen auch diejenigen gehören, die ein Fluid enthalten.
Die WO 96/08635 offenbart einen Einsatz bei der Steuerung eines Ventils, das im Inneren der Hydraulikleitung angeordnet ist, wobei das Ventil als Drucksperre in Öl- oder Gasbohrungen zwischen dem Förderstrang und einer hydraulischen Stahlsteuerleitung verwendet wird, die einen oder mehrere Sensoren enthält.
In der GB 2 284 257 A ist eine Vorrichtung für die Fernmessung von physikalischen Parametern beschrieben, wobei die Vorrichtung ein Lichtleitkabel aufweist, das durch eine hydraulische Kraft über eine Hydraulikleitung zu einer Messstelle gebracht wird.
Wenn zusätzlich in dem Bohrloch eine hydraulisch gesteuerte Vorrichtung zu steuern ist, wird gewöhnlich eine hydraulische Leitung dazu verwendet, das Lichtleitkabel aufzunehmen, während eine zweite Hydraulikleitung zum Steuern der hydraulisch gesteuerten Vorrichtung genutzt wird.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern von Bohrlochgerät bereitzustellen, die zuverlässig ist und die mit relativ geringen Kosten installiert werden kann.
Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung zum Überwachen und Steuern von Bohrlochgerät erreicht, das die Merkmale des Anspruch 1 aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.
Ein Verfahren, nach dem ein Bohrlochparameter überwacht und eine hydraulisch gesteuerte Vorrichtung gesteuert werden kann, ist in Anspruch 6 beansprucht.
Bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können faseroptische Sensoren zur Ausführung von Messungen von Bohrlochzuständen in einem fördernden Bohrloch verwendet werden. Zu den Messungen gehören Temperatur- und Druckmessungen, Durchsatzmessungen, die sich auf das Vorhandensein von Feststoffen und Korrosion, Ablagerungen und Paraffinaufbau beziehen, Messungen von Fluidpegeln, einer Verschiebung, von Vibration, einer Drehung, der Beschleunigung, einer Geschwindigkeit, chemischer Spezies, von Strahlung, pH-Werten, Feuchtigkeit, Dichte und von elektromagnetischen und akustischen Wellenfeldern. Diese Messungen werden zum Aktivieren einer hydraulisch betätigten Vorrichtung im Bohrloch verwendet, wobei eine faseroptische Sensorleitung zum Einsatz kommt und eine gemeinsame Fluidleitung benutzt wird. Auf der Länge eines Komplettierungsstrangs kann eine hydraulische Rückführleitung angeordnet werden. Die hydraulische Leitung ist mit der hydraulisch betätigten Vorrichtung so verbunden, dass, wenn der Leitung Druckfluid zugeführt wird, es die Vorrichtung betätigt. Der Strang ist in dem Bohrloch platziert oder eingebracht. Ein Lichtleitkabel, das eine Anzahl von Sensoren trägt, wird zwangsweise in ein Ende der Leitung eingeführt, bis es mit dem anderen Ende an die Oberfläche zurückkehrt. An der Oberfläche sind eine Lichtquelle und eine Signalverarbeitungseinrichtung installiert. Das Fluid wird mit einem Druck zugeführt, der ausreicht, um die Vorrichtung dann zu aktivieren, wenn es erwünscht ist. Die hydraulisch betätigte Vorrichtung kann ein Packer, eine Drossel, eine Gleithülse, eine Perforiervorrichtung, ein Durchsatzsteuerventil, eine Komplettiervorrichtung, ein Anker oder irgendeine andere Vorrichtung sein. Zu den faseroptischen Sensoren, die von dem Kabel getragen werden, gehören Drucksensoren, Temperatursensoren, Vibrationssensoren und Durchsatzmesssensoren.
Beispiele für die bedeutenderen Merkmale der Erfindung wurden ziemlich breit zusammengefasst, damit die folgende, ins Einzelne gehende Beschreibung besser zu verstehen ist, und damit die Beiträge zum Stand der Technik gewürdigt werden können. Es gibt natürlich zusätzliche Merkmale der Erfindung, die nachstehend beschrieben werden und die den Gegenstand der beiliegenden Ansprüche bilden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende, ins Einzelne gehende Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung Bezug genommen, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen wiedergegeben wird, in denen gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen erhalten haben, wobei
1 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Multilateralbohrlochs und die Anordnung von faseroptischen Sensoren darin zeigt,
1A die Verwendung einer Roboteinrichtung zum Gruppieren der faseroptischen Sensoren zeigt,
2 eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems ist, bei welchem eine Fluidleitung längs eines in dem Bohrloch angeordneten Strangs dazu verwendet wird, eine hydraulisch betätigte Vorrichtung zu aktivieren und eine Lichtleitfaser mit einer Anzahl von Sensoren auf seiner Länge gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung einzusetzen,
3 eine schematische Darstellung eines Förderbohrlochs zeigt, bei welchem ein Lichtleitkabel mit Sensoren zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit von Bohrlochvorrichtungen und zur Durchführung von Messungen im Bohrloch, die sich auf solche Vorrichtungen und andere Bohrlochparameter beziehen, verwendet wird,
4 eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems ist, bei welchem eine permanent installierte, elektrisch betätigte Vorrichtung von einem System auf Lichtleiterbasis betätigt wird,
5 eine schematische Darstellung eines Einpressbohrlochs ist, das eine Vielzahl von darin angeordneten Sensoren aufzeigt,
6 eine schematische Darstellung ist, die sowohl ein Einpressbohrloch als auch ein Förderbohrloch mit Sensoren und einer Flutungsfront zeigt, die sich zwischen den Bohrlöchern bewegt,
7 eine schematische Darstellung ähnlich 6, jedoch den Fluidverlust durch unbeabsichtigte Rissbildung zeigt,
8 eine schematische Darstellung eines Einpress-Förderbohrlochsystems ist, bei dem sich die Bohrlöcher auf jeder Seite einer Verwerfung befinden,
9 eine schematische Darstellung eines Chemikalieneinpress-Überwachungs- und -Steuersystems ist, das eine verteilte Sensoranordnung und ein Chemikalienüberwachungssensorsystem im Bohrloch entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet,
10 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Sensorsystems zur Überwachung von chemischen Eigenschaften von geförderten Fluiden ist,
11 eine schematische Darstellung einer faseroptischen Sol-Gel-Indikatorsonde zur Verwendung mit dem Sensorsystem von 10 ist,
12 eine schematische Darstellung eines Oberflächenbehandlungssystems nach der vorliegenden Erfindung ist,
13 eine schematische Darstellung eines Steuer- und Überwachungssystems für das Oberflächenbehandlungssystem von 12 ist,
14 eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems ist, bei welchem im Bohrloch elektrische Energie unter Verwendung einer Lichtzelle zur Verwendung bei Arbeitssensoren und Vorrichtungen im Bohrloch erzeugt wird,
15A bis 15C den Energieteil der faseroptischen Vorrichtungen zur Verwendung in dem System von 1 zeigen.
16 eine schematische Darstellung eines Bohrlochs mit einem Komplettierstrang ist, der eine faseroptische Energieerzeugungsvorrichtung zur Betätigung einer Reihe von Vorrichtungen im Bohrloch aufweist, und
17A bis 17C bestimmte Ausgestaltungen zur Verwendung der faseroptischen Vorrichtungen zur Erzeugung der gewünschten Energie zeigen.
Ins Einzelne gehende Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen
Die verschiedenen Konzepte der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die 1 bis 17 beschrieben, die schematische Darstellungen von Bohrlöchern unter Verwendung von Sensoren auf Faseroptikbasis und Betätigungsvorrichtungen zeigen.
1 zeigt ein beispielsweises Haupt- oder Primärbohrloch 12, das von der Erdoberfläche 14 aus ausgebildet ist, sowie seitliche Bohrlöcher 16 und 18, die von dem Hauptbohrloch 18 aus ausgebildet sind. Lediglich zur Erläuterung und ohne irgendeine Beschränkung ist das Hauptbohrloch 18 teilweise in einer Förderformation oder Öl liefernden Zone I und teilweise in einer nicht fördernden Formation oder unergiebigen Formation II ausgebildet. Das seitliche Bohrloch 16 erstreckt sich von dem Hauptbohrloch an einer Verbindung 22 aus in die fördernde Formation I, während das seitliche Bohrloch 16 sich von dem Hauptbohrloch 12 an der Verbindung 24 aus in eine zweite fördernde Formation III erstreckt. Nur für die Darstellungen sind hier die Bohrlöcher so gezeigt, als wären sie an Land gebohrt. Die Erfindung ist natürlich gleicherweise auch für Bohrlöcher im Meer anwendbar. Zu vermerken ist, dass alle hier gezeigten und beschriebenen Bohrlochformen die vorliegende Erfindung darstellen sollen und nicht als Begrenzung der hier beanspruchten Erfindung ausgelegt sind.
Bei einer Ausgestaltung ist eine Anzahl von faseroptischen Sensoren 40 in dem Bohrloch 12 angeordnet. Es kann ein einzelner oder eine Vielzahl von Faseroptiksträngen oder -segmenten, von denen jedes eine Vielzahl von im Abstand angeordneten Faseroptiksensoren 40 enthält, zur Installierung der gewünschten Anzahl von faseroptischen Sensoren 40 in dem Bohrloch 12 verwendet werden. Beispielsweise zeigt 1 zwei in Reihe verbundene Segmente 41a und 41b, von denen jedes eine Vielzahl von beabstandeten faseroptischen Sensoren 40 enthält. In dem Bohrloch 12 sind eine Lichtquelle und ein Detektor (LS/D) 46a angeordnet, die mit einem Ende 49 eines Segments 41a verbunden ist, um Lichtenergie zu den Sensoren 40 zu senden und um Signale von den Sensoren 40 zu empfangen. Im Bohrloch ist eine Datenerfassungseinheit (DA) 48a angeordnet, um die Arbeitsweise der Sensoren 40, Bohrlochsignale und Daten zu verarbeiten und um eine Verbindung mit der weiteren Ausrüstung und Vorrichtungen herzustellen, zu denen Vorrichtungen in den Bohrlöchern oder an der Oberfläche gehören, die nachstehend in den 2 bis 17 gezeigt sind.
Alternativ können eine Lichtquelle 46b und die Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit 48b auf der Oberfläche 14 angeordnet werden. In gleicher Weise können faseroptische Sensorstränge 45 in anderen Bohrlöchern in dem System, beispielsweise den Bohrlöchern 16 und dem Bohrloch 18, angeordnet werden. Es kann eine einzelne Lichtquelle, beispielsweise die Lichtquelle 46a oder 46b, für alle faseroptischen Sensoren in den verschiedenen Bohrlöchern verwendet werden, wie es durch die gestrichelte Linie 70 gezeigt ist. Al ternativ können mehrere Quellen und Datenerfassungseinheiten im Bohrloch, an der Oberfläche oder in Kombination zum Einsatz kommen. Da der gleiche Sensor unterschiedliche Arten von Messungen vornehmen kann, ist die Datenerfassungseinheit 48a oder 48b darauf programmiert, die Messungen vielfach auszunutzen. Multiplexverfahren sind bekannt und werden deshalb im Einzelnen hier nicht beschrieben. Die Datenerfassungseinheit 46a kann so programmiert werden, dass sie die Bohrlochsensoren autonom oder nach Empfang von Befehlssignalen von der Oberfläche oder als Kombination dieser Methoden steuert.
Die Sensoren 40 können in den Bohrlöchern 12, 16 und 18 vor oder nach der Installierung der Casings in den Bohrlöchern, beispielsweise der in den Bohrlöchern 12 installiert gezeigten Casings 52, angeordnet werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Stränge 41a und 41b längs der Innenseiten der Casings 52 angeschlossen werden. Bei einem solchen Verfahren sind die Stränge 41a und 41b vorzugsweise Stirnseite mit Stirnseite an der Oberfläche verbunden, um die richtigen Anschlüsse der Kupplungen 42 zu gewährleisten. Die faseroptischen Sensoren und/oder Stränge 41a und 41b können dadurch aktiviert oder installiert werden, dass sie auf einem Wickelsteigrohr oder auf Rohren oder nach anderen bekannten Methoden transportiert werden. Alternativ können die faseroptischen Sensoren durch Robotvorrichtungen eingebracht und installiert werden. Dies ist in 1A gezeigt, wo eine Robotvorrichtung 62 mit einem daran befestigten Strang von Sensoren 64 gezeigt ist. Die Robotvorrichtung bewegt sich nach unten in dem Bohrloch 12, das ein Casing 52 aufweist, bis zu einer mit 62' bezeichneten Position, wobei der Strang von Sensoren in die durch 64' angezeigte Position gebracht wird. Zusätzlich zum Installieren von Sensoren kann die Robotvorrichtung 64 auch andere Funktionen ausüben, beispielsweise das Überwachen der Leistung der Sensoren, sowie das Herstellen einer Verbindung mit anderen Vorrichtungen, wie DA, LS/D und anderen nachstehend beschriebenen Bohrlochvorrichtungen. Die Robotvorrichtungen können auch dazu verwendet werden, einen Sensor auszutauschen, Reparaturen zu leiten und die Sensoren oder Stränge zur Oberfläche zurückzuführen. Alternativ können die faseroptischen Sensoren 40 in dem Casing 52 an der Oberfläche angeordnet werden, während die einzelnen Casing-Abschnitte (die gewöhnlich etwa vierzig Fuß lang sind) vor dem Einbringen der Casing-Abschnitte in das Bohrloch miteinander verbunden werden. Zum Verbinden von Casing- oder Steigrohrabschnitten sind Steckverbindungstechniken bekannt und werden über Drehgelenke bevorzugt, da das Stecken insgesamt eine bessere Ausrichtung der Endkupplungen 42 ergibt, und auch, weil es den Bedienungspersonen dadurch möglich ist, optische Verbindungen zwischen Segmenten auf eine richtige Zweiwege-Übertragung der Lichtenergie durch den gesamten Strang 41 zu prüfen und zu inspizieren.
In dem in 1 gezeigten System ist eine Vielzahl von faseroptischen Sensoren 40 installiert, die in einem oder mehreren Bohrlöchern, beispielsweise den Bohrlöchern 12, 16 und 18 im Abstand angeordnet sind. Gewünschtenfalls kann jeder faseroptische Sensor in mehr als einem Modus arbeiten, um eine Anzahl unterschiedlicher Messungen bereitzustellen. Die Lichtquelle 46a sowie das Datenmess- und -erfassungssystem 48a sind vorzugsweise im Bohrloch angeordnet. Obwohl jeder faseroptische Sensor 40 Messungen für mehrere Parameter bereitstellt, ist er verglichen mit individuellen, üblicherweise verwendeten Einzelmesssensoren, wie Drucksensoren, Spannungsmessern, Temperatursensoren, Durchsatzmessvorrichtungen und akustischen Sensoren relativ klein. Dies lässt es zu, eine große Anzahl unterschiedlicher Arten von Messungen bei Verwendung eines relativ geringen Raums im Bohrloch auszuführen. Die Installierung der Datenerfassungs- und -verarbeitungsvorrichtungen oder -einheiten 48a im Bohrloch ermöglicht die Durchführung einer großen Anzahl von Datenberechnungen und der Verarbeitung im Bohrloch, so dass die Notwendigkeit zur Übertragung großer Datenmengen zur Oberfläche vermieden wird. Die Installierung der Lichtquelle 46a im Bohrloch ermöglicht die Positionierung der Quelle 46a nahe bei den Sensoren 40, wodurch eine Übertragung von Licht über große Entfernungen von der Oberfläche aus vermieden wird. Die Daten von dem im Bohrloch befindlichen Erfassungssystem 48a können zur Oberfläche nach jedem geeigneten Verfahren übertragen werden, wozu Kabelverbinder, die elektromagnetische Telemetrie und akustische Verfahren gehören. Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Lichtquelle 46b und/oder das Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem 46b an der Oberfläche zu positionieren. In einigen Fällen kann es auch vorteilhafter sein, die Daten teilweise unter Tage und teilweise über Tage zu verarbeiten.
Noch unter Bezug auf 1 kann jede Anzahl anderer Sensoren, insbesondere die hier mit dem Bezugszeichen 60 bezeichneten, in jedem der Bohrlöcher 12, 16 und 18 angeordnet werden. Zu solchen Sensoren können Sensoren zum Bestimmen des spezifischen Widerstands von Fluiden und Formationen, Gammastrahlensensoren und Hydrophone gehören. Die Messungen von den faseroptischen Sensoren 40 und den Sensoren 60 werden kombiniert, um die verschiedenen Bedingungen im Bohrloch zu bestimmen. Beispielsweise können Durchsatzmessungen aus den Förderzonen und die Messungen des spezifischen Widerstands kombiniert werden, um die Wassersättigung oder den Öl-, Gas- und Wassergehalt zu bestimmen.
In einem Modus werden die faseroptischen Sensoren permanent in dem Bohrloch an ausgewählten Stellen installiert. In einem liefernden Bohrloch stellen die Sensoren 40 kontinuierlich oder periodisch (je nachdem, wie sie programmiert sind) Druck- und/oder Tempera tur- und/oder Fluiddurchsatzmessungen bereit. Solche Messungen werden vorzugsweise für jede Förderzone in jedem der Bohrlöcher ausgeführt. Zur Durchführung bestimmter Arten von Analysen der Öl fördernden Schicht muss man die Temperatur- und Druckaufbaugeschwindigkeiten in den Bohrlöchern kennen. Dies erfordert ein Messen der Temperatur und des Drucks an ausgewählten Stellen im Bohrloch über ausgedehnte Zeiträume nach dem Stilllegen des Bohrlochs an der Oberfläche. Bei den Verfahren nach dem Stand der Technik wird das Bohrloch stillgelegt, ein kabelgebundenes Messgerät in das Bohrloch eingebracht und an einer Stelle in dem Bohrloch positioniert. Das Gerät misst die Temperatur und den Druck kontinuierlich und kann andere Messungen ausführen, beispielsweise von Durchsätzen. Diese Messungen werden dann dazu verwendet, eine Analyse der Öl führenden Schicht auszuführen, wozu die Bestimmung der in einem Ölfeld verbleibenden Kohlenwasserstoffreserven, Strömungseigenschaften des Fluids aus der Öl liefernden Formation, der Wassergehalt usw. gehören können. Die vorstehend beschriebenen, zum Stand der Technik gehörenden Verfahren liefern keine fortlaufenden Messungen, während das Bohrloch fördert, und erfordern spezielle kabelgebundene Messgeräte, die in das Bohrloch eingebracht werden müssen. Im Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung In-situ-Messungen bereit, während das Bohrloch fördert. Die Fluiddurchsatzinformation aus jeder Zone wird zur Bestimmung der Effektivität jeder fördernden Zone verwendet. Abnehmende Durchsätze über der Zeit zeigen Probleme mit den Durchsatzsteuervorrichtungen, beispielsweise Sieben und Gleithülsen, oder ein Verstopfen der Perforationen und der Felsmatrix in der Nähe des Bohrlochs auf. Diese Informationen werden zur Bestimmung des Aktionsverlaufs verwendet, wozu ein weiteres Öffnen oder Schließen von Schiebehülsen zur Steigerung oder Verringerung der Liefermengen, Abhilfearbeiten, wie Reinigungs- oder Räumoperationen, das Stilllegen einer speziellen Zone usw. gehören. Dies wird nachstehend unter Bezug auf 2 bis 13 erörtert. Die Temperatur- und Druckmessungen werden dazu verwendet, jede Lieferzone kontinuierlich zu überwachen und Modelle der Öl führenden Schicht auf den neuesten Stand zu bringen. Zur Durchführung von Messungen, die die Temperatur- und Druckaufbaugeschwindigkeit bestimmen, werden die Bohrlöcher stillgelegt, während der Prozess der Durchführung von Messungen weiterläuft. Dies macht es nicht erforderlich, kabelgebundene Geräte zu der Stelle zu transportieren, was sehr teuer bei Bohrstellen im Meer und bei Bohrlöchern sein kann, die an entfernt liegenden Stellen gebohrt werden. Außerdem können In-situ-Messungen und berechnete Daten einem Zentralbüro oder Büros von Mess- und Reservoiringenieuren über Satellit übermittelt werden. Diese fortlaufende Überwachung von Bohrlöchern ermöglicht die Durchführung einer relativ schnellen Aktion, was die Kohlenwasserstoffgewinnung und die Lebensdauer des Bohrlochs beträchtlich verbessern kann. Die oben beschriebenen Verfahren können auch für nicht fördernde Zonen verwendet werden, beispielsweise für die Zone II, um zur Modellerfassung der Öl fördernden Schicht beizutragen, damit der Liefereffekt aus verschiedenen Bohrlöchern auf dem Ölfeld bestimmt wird, auf dem die Bohrlöcher gebohrt werden.
2 ist eine schematische Ansicht eines Bohrlochsystems 100 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das System 100 hat ein Bohrloch 102 mit einem Oberflächen-Casing 101, das in einer geringen Entfernung von der Oberfläche 104 installiert ist. Nachdem das Bohrloch 102 auf eine gewünschte Tiefe gebohrt worden ist, wird in das Bohrloch 102 ein Komplettierungs- oder Förderstrang 106 eingebracht. Der Strang 106 hat im Bohrloch wenigstens eine hydraulisch betätigbare Vorrichtung 114, die von einem Steigrohr 108 gehalten wird, das ein Gestängerohr, ein aufgewickeltes Steigrohr oder ein Fördersteigrohr sein kann. Entweder auf der Außenseite des Strangs 106 (wie in 2 gezeigt) oder auf der Innenseite des Strangs (nicht gezeigt) ist ein Fluidleitungsrohr 110 mit einem gewünschten Innendurchmesser 111 angeordnet oder befestigt. Das Leitungsrohr 110 wird an einer gewünschten Stelle an dem Strang 106 über eine U-Verbindung 112 so geführt, dass ein glatter Übergang für die Rückführung der Leitung 110 zur Oberfläche 104 erhalten wird. Von dem Leitungsrohr 110 aus ist eine hydraulische Verbindung 124 mit der Vorrichtung 114 so vorgesehen, dass ein Druckfluid aus dem Leitungsrohr 110 zur Vorrichtung 114 gelangen kann.
Wenn der Strang 106 auf einer gewünschten Tiefe in dem Bohrloch 102 angeordnet oder installiert worden ist, wird ein Lichtwellenleiter 122 in den Einlass 130a durch den Druck von einer Fluidquelle 130 gepumpt.
Der Lichtwellenleiter 122 geht durch die gesamte Längserstreckung des Leitungsrohres 110 zurück und kehrt zur Oberfläche 104 über einen Auslass 130b zurück. Der Leiter 122 wird dann optisch mit einer Lichtquelle und einem Aufzeichnungsgerät (oder Detektor) (LS/REC) 140 gekoppelt. Ein Datenerfassungs-/Signalprozessor (DA/SP) 142 verarbeitet die Daten/Signale, die über den Lichtwellenleiter 122 empfangen werden, und steuert auch den Betrieb der Lichtquelle und des Aufzeichnungsgeräts 140.
Der Lichtwellenleiter 122 hat eine Vielzahl von Sensoren 120, die auf seiner Länge verteilt sind. Zu den Sensoren 120 können Temperatursensoren, Drucksensoren, Vibrationssensoren und andere faseroptische Sensoren gehören, die an dem Lichtleitkabel 122 platziert werden können. Die Sensoren 120 werden während der Fertigung des Kabels 122 in dem Kabel ausgebildet. Die im Bohrloch befindliche Vorrichtung 114 kann irgendeine im Bohrloch befindliche fluidaktivierte Vorrichtung sein, nämlich ein Ventil, eine Gleithülse, eine Perforiervorrichtung, ein Packer oder irgendeine andere hydraulisch betätigte Vorrichtung.
Die im Bohrloch befindliche Vorrichtung wird durch Zuführen eines Druckfluids durch das Leitungsrohr 110 aktiviert. Einzelheiten der Sensoranordnung sind oben unter Bezug auf 1 und 1A beschrieben.
Somit hat das System 100 eine hydraulische Steuerleitung in dem Leitungsrohr 110, das an dem Strang 106 gehalten ist. Die Steuerleitung 110 nimmt das Lichtleitkabel 122 auf seiner ganzen Länge auf und ist mit einer Oberflächeninstrumentierung 140 und 142 für verteilte Messungen von Bohrlochparametern über dessen Länge, wie Temperatur, Druck, usw. verbunden. Das Leitungsrohr 110 transportiert auch Druckfluid von einer Druckfluidquelle 130 zur Aktivierung einer fluidbetätigten Vorrichtung 114, beispielsweise einer mit dem Leitungsrohr 110 verbundenen Gleithülse. Das Leitungsrohr 110 kann im Bohrloch längs des Strangs 106 in einer V- oder einer anderen geeigneten Form angeordnet sein. Die fluidbetätigte Vorrichtung 114 kann ferner eine Drossel, eine Fluiddurchsatzvorrichtung, ein Packer, ein Schussperforator oder eine andere Komplettier- und/oder Fördervorrichtung sein.
Während der Komplettierung des Bohrlochs 102 stellen die Sensoren 120 brauchbare Messungen bezogen auf ihre zugeordneten Bohrlochparameter bereit, und das Leitungsrohr 110 wird dazu benutzt, eine Bohrlochvorrichtung zu aktivieren. Die Sensoren 120 fahren mit der Bereitstellung von Informationen von Bohrlochparametern über der Zeit fort, wie dies oben anhand von 1, 1A erörtert wurde.
Ein weiterer Teil der Erfindung bezieht sich auf die Steuerung von Bohrlochvorrichtungen unter Verwendung von Lichtwellenleitern. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Förderbohrlochs 202, das vorzugsweise mit zwei elektrischen Tauchpumpen ("ESP") 214 versehen ist, eine zum Pumpen von Öl/Gas 206 zur Oberfläche 203 und die andere zum Pumpen von abgetrenntem Wasser zurück in die Formation. Das Formationsfluid 206 strömt aus einer Förderzone 208 in das Bohrloch 202 durch Perforationen 207. Unter und über der ESP 214 angeordnete Packer 210a und 210b lassen das Fluid 206 zwangsweise zur Oberfläche 203 über die Pumpen ESP 214 strömen. Ein Öl-Wasser-Separator 250 trennt das Öl und das Wasser und liefert sie zu ihren entsprechenden Pumpen 214a, 214b. Eine Drossel 252 sorgt für einen gewünschten Gegendruck. In dem Pumpstrang 218 sind ein Instrumentenpaket 260 und ein Drucksensor installiert, um zugehörige Parameter während der Förderung zu messen. Die vorliegende Erfindung verwendet einen Lichtwellenleiter der eingebetteten Sensoren zur Bereitstellung von Messungen von ausgewählten Parametern, beispielsweise der Temperatur, des Drucks, der Vibration, des Durchsatzes, wie nachstehend beschrieben. Die ESPn 214 laufen bei einer sehr hohen Spannung, die von einer Hochspannungsquelle 230 an der Oberfläche über ein Hochspannungskabel 224 angelegt wird. Auf grund der von dem Kabel 224 übermittelten hohen Leistung sollen die elektrischen Sensoren insgesamt nicht an dem Kabel 224 oder an ihm entlang angeordnet werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 4 gezeigt ist, ist ein Sensoren 220 tragendes Lichtleitkabel 222 längs des Stromkabels 224 angeordnet. Das Lichtleitkabel 222 erstreckt sich bis unter die ESPn 214 zu den Sensoren in dem Instrumentenpaket 260 und zur Steuerung der Vorrichtungen, falls dies gewünscht ist. Bei einer anderen Anwendung messen die Sensoren 220 Vibrationen und die Temperatur der ESP 214. Man möchte die ESP mit einer niedrigen Temperatur und ohne übermäßige Vibration betreiben. Die Drehzahl der ESP 214 wird so eingestellt, dass der eine oder dass beide Parameter unter ihrem vorher festgelegten Maximalwert oder innerhalb ihrer entsprechenden vorgegebenen Bereiche gehalten werden. Die faseroptischen Sensoren werden bei dieser Anwendung dazu verwendet, den physikalischen (heilen) Zustand der ESP kontinuierlich oder periodisch zu bestimmen. Das Lichtleitkabel 222 kann bis unter die ESP zum Zeitpunkt der Installierung des Förderstrangs 218 in der bezogen auf 2 beschriebenen Weise verlängert oder erstreckt werden. Eine solche Ausgestaltung kann dazu benutzt werden, Bohrlochparameter kontinuierlich zu messen, den Zustand von Bohrlochvorrichtungen zu überwachen und Bohrlochvorrichtungen zu steuern.
4 zeigt ein Schema eines Bohrlochsystems 400, bei dem eine dauernd installierte elektrisch aktivierte Vorrichtung von einem System auf Faseroptikbasis betrieben wird. Zu dem System 400 gehören ein Bohrloch 402 und eine elektrisch betätigte Vorrichtung 404, die in einer gewünschten Tiefe installiert ist und bei der es sich um eine Gleithülse, eine Drossel, eine Fluiddurchsatzsteuervorrichtung usw. handeln kann. Den Betrieb der Vorrichtung 404 steuert eine elektrische Steuereinheit 406. Ein Fördersteigrohr 410, das über der Vorrichtung 404 installiert ist, ermöglicht, dass Formationsfluid zu der Oberfläche 402 strömt. Während der Herstellung des Strangs 411 mit der Vorrichtung 404 und dem Steigrohr 410 wird ein Leitungsrohr 422 auf der Länge des Steigrohrs 410 mit Klemmen 421 festgeklemmt. An der elektrischen Steuereinheit 406 ist eine optische Kupplung 407 vorgesehen, die mit einer Kupplung zusammenpasst, die durch die Rohrleitung 422 zugeführt wird.
Entweder vor oder nach dem Einbringen des Strangs 410 in das Bohrloch 402 wird in dem Leitungsrohr 422 ein Lichtleitkabel 421 so angeordnet, dass eine Kupplung 422a an dem Ende des Kabels 421 an die Kupplung 407 der Steuereinheit 406 ankuppelt. Eine Lichtquelle 440 stellt die Lichtenergie für den Leiter 422 bereit. Längs des Leiters 422 kann, wie vorher beschrieben, eine Vielzahl von Sensoren 420 vorgesehen werden. Ein vorzugsweise an dem Leiter 422 vorgesehener Sensor bestimmt den Durchsatz von Formationsfluid 414, das durch die Vorrichtung 404 strömt. Zur Aktivierung der Vorrichtung 404 über den Leiter 422 werden von dem DA/SP 442 Steuersignale gesandt. Diese Signale werden von der Steuereinheit 406 erfasst, die ihrerseits die Vorrichtung 404 betätigt. Bei der Ausgestaltung von 4 wird somit die Faseroptik für eine Zweiwege-Kommunikation zwischen Bohrlochvorrichtungen und Sensoren und einer Oberflächeneinheit sowie zur Betätigung von Bohrlochvorrichtungen verwendet.
Eine spezielle Anwendung der Erfindung besteht in der Steuerung von Bohrlochvorrichtungen bei sekundären Rückgewinnungsvorgängen. In 5 sieht der Fachmann eine schematische Darstellung eines Einpressbohrlochs 510. Die Darstellung einer Flutungsfront 520, die von dem Einpressbohrloch ausgeht, ist ebenfalls erkennbar und dient für deren Fortschreiten zu einem Förderbohrloch hin. Dies ist auch in 6 der vorliegenden Anmeldung gut dargestellt. Bei der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Sensor 512 und vorzugsweise eine Vielzahl von Sensoren 412 permanent in der Einpressbohrung installiert und über ein elektrisches Kabel oder ein Lichtleitkabel mit einem Prozessor verbunden, bei dem es sich entweder um einen permanenten Bohrlochprozessor oder um einen Oberflächenprozessor handelt. Das System stellt unmittelbare Realzeitinformationen bezogen auf den Zustand der Fluidfront bereit, die in die Formation durch das Einpressbohrloch eingepresst worden ist. Durch sorgfältiges Überwachen von Parametern, wie der elektrischen Leitfähigkeit, der Fluiddichte, des Drucks an den Einpresskanälen 415 oder an den Pumpen 516 (die, obwohl sie an der Oberfläche dargestellt sind, auch im Bohrloch positioniert sein können), der Akustik und einer Fluoreszenz für biologische Aktivität kann man wesentliche Informationen über das Fortschreiten der Flutungsfront erhalten, beispielsweise ob die Front auf eine Sperre getroffen ist oder ob die Front "ausfingert", was zu einem wahrscheinlichen vorzeitigen Durchbruch führt. Diese Information ist für die Bedienungsperson äußerst wertvoll, um Abhilfemaßnahmen zu ermöglichen, damit Vorgänge unterbunden werden, die für die Effizienz des Flutungsvorgangs nachteilig wären. Zu den Abhilfeaktionen gehören das Öffnen oder Schließen von Drosseln oder anderer Ventile in Schritten oder vollständig, um in speziellen Einpressbereichen die Geschwindigkeit zu verringern oder in speziellen Einpressbereichen zu steigern, um eine äußerst vergleichmäßigte Flutungsfront basierend auf den erfassten Parametern zu erhalten. Diese Abhilfemaßnahmen können entweder von dem Stab an der Oberfläche, der eine solche Aktivität leitet, oder automatisch auf Befehl durch die Oberflächensteuerung/-prozessor an einer Bohrlochverarbeitungseinheit 518 vorgenommen werden. Die dabei betrachteten Sensoren können sich in dem Einpressbohrloch oder sowohl im Einpressbohrloch als auch im Förderbohrloch befinden. Sie werden auf mehrere unterschiedliche Arten eingesetzt, um Informationen zu erhalten, wie sie oben angeführt sind.
Die Steuerung wird weiterhin bei einer alternativen Ausgestaltung verbessert, in dem eine Verbindung zwischen Bohrlochsensoren im Förderschacht mit Bohrlochsensoren im Einpressschacht sowie eine Verbindung mit Durchsatzsteuerungseinrichtungen in beiden Bohrlöchern vorgesehen wird. Durch Bereitstellen der Betriebsverbindungen für alle diese Teile des Systems kann das Bohrloch tatsächlich selbst laufen und die effizienteste Ölrückgewinnung, basierend auf der Erzeugung und Aufrechterhaltung einer gleichförmigen Flutungsfront, bereitstellen. Für den Fachmann wird an dieser Stelle ersichtlich, dass die Flutungsfront von beiden Seiten von 2 aus reguliert werden kann, d. h. von dem Einpressbohrloch und dem Förderbohrloch aus, indem Förderbohrlochventile in Bereichen geöffnet werden, wo sich die Flutungsfront verzögert, während Ventile im Bereichen geschlossen werden, wo die Flutungsfront vorwärts schreitet.
Ergänzend dazu wären die Fluideinpressventile, beispielsweise Gleit- oder Drehhülsen usw., zu drosseln oder zu schließen, wo sich die Flutungsfront schnell vorwärts bewegt, und stärker zu öffnen, wo sich die Flutungsfront langsam vorwärts bewegt. Dieser scheinbar komplexe Satz von Umständen wird leicht durch das System nach der Erfindung gesteuert und hilft schnell allen Anomalitäten in dem beabsichtigten Flutungsprofil ab. Der Mitnahmewirkungsgrad der Dampffront oder einer Front eines anderen Fluids wird durch das System der Erfindung wesentlich verstärkt. Alle im Förderbohrloch oder im Einpressbohrloch in Betracht gezogenen Sensoren sind vorzugsweise permanent installierte Bohrlochsensoren, die mit Prozessoren und/oder anderen Einrichtungen durch elektrische oder faseroptische Verkabelung verbunden sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die schematisch in 7 gezeigt ist, messen Bohrlochsensoren die Dehnung, die in der Formation durch das eingepresste Fluid induziert wird. Die Dehnung ist ein wesentlicher Parameter dafür, einen übermäßigen Formationsteilungsdruck oder Formationsbruchdruck durch das eingepresste Fluid zu verhindern. Durch Vermeiden des Öffnens oder Aufweitens von natürlichen vorhandenen Bruchstellen können große, nicht durchspülte Bereiche der Öl führenden Schicht vermieden werden. Der Grund dafür, dass diese Information bei der Fluiddruckregulierung wesentlich ist, um eine solche Aktivität zu vermeiden, besteht darin, dass, wenn der Druck Bruchstellen öffnet oder neue Bruchstellen erzeugt, sich ein Weg mit viel geringerem Widerstand für den Durchlauf des Fluids ergibt. Da, wie bereits vorher angegeben, das Einpressfluid dem Weg mit dem geringsten Widerstand folgt, wird es insgesamt in den Brüchen und um Bereiche der Öl führenden Schicht herumlaufen, die auszuspülen sind. Dies reduziert offensichtlich den Wirkungsgrad wesentlich. Auf diese. Situation wird insgesamt im Stand der Technik als "künstlicher, hochdurchlässiger Kanal" Bezug genommen. Ein anderer Nachteil eines sol chen Zustands ist der unkontrollierte Verlust von eingepressten Fluiden. Dies ist deutlich ein Verlust aufgrund des reduzierten Wirkungsgrads der Durchspülung und kann sich zusätzlich als ein wirtschaftlicher Nachteil aufgrund des Verlustes von teuren Fluiden auswirken.
7 zeigt schematisch die Ausgestaltung und den oben erwähnten Zustand durch Darstellen eines Einpressbohrlochs 550 und eines Förderbohrlochs 560. Ein Fluid 552 ist so gezeigt, dass es über einen unbeabsichtigten Bruch aus der Formation 554 in das darüber liegende Gaskappenniveau 556 und das darunter liegende Randwasser 561 entweicht, so dass für den Fachmann klar wird, dass an dieser Stelle das Fluid verloren geht. Der Zustand wird durch die Erfindung vermieden, indem Drucksensoren verwendet werden, um den Einpressfluiddruck, wie oben beschrieben, zu begrenzen. Der Rest des Fluids 552 bewegt sich, wie vorgesehen, durch die Formation 554 vorwärts. Um einfach und leicht zu bestimmen, welche Spannungen in der Formation 554 vorhanden sind, sind in dem Einpressbohrloch 550 an verschiedenen Stellen Schallsensoren 556 positioniert. Schallsensoren, die gut für die Aufgabe geeignet sind, die ihnen nach Erfindung gestellt wird, sind von Systems Innovations, Inc., Spectris Corporation and Falmouth Scientific, Inc. im Handel verfügbar. Die Schallsensoren nehmen von den Spannungen in der Formation erzeugte Schallsignale auf, die sich durch die Öl führenden Fluide oder die Öl führende Matrix zum Einpressbohrloch fortpflanzen. Insgesamt zeigen höhere Schallpegel stärkere Spannungen in der Formation an und sollten zu einer Druckreduzierung in dem eingepressten Fluid entweder durch automatische Steuerung oder durch technische Steuerung führen. Ein Datenerfassungssystem 558 wird bevorzugt, um das System extrem zuverlässig zu machen, wobei sich das System 558 an der Oberfläche, wie in der schematischen Zeichnung gezeigt, oder im Bohrloch befinden kann. Basierend auf den von dem System nach der Erfindung empfangenen Schallsignalen wird vorzugsweise automatisch, obwohl auch eine Ausführung von Hand möglich ist, der Druck des Einpressfluids durch Verringern des Pumpdrucks reduziert. Dadurch wird ein maximaler Durchspülwirkungsgrad erreicht.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung, wie sie schematisch in 8 gezeigt ist, werden Schallgeneratoren und -empfänger verwendet, um zu bestimmen, ob eine Formation, die durch eine Verwerfung geteilt ist, längs der Verwerfung abgedichtet oder längs der Verwerfung durchlässig ist. Für den Fachmann ist bekannt, dass verschiedene Schichten in einer Formation, die durch eine Verwerfung geteilt ist, einige Fließzonen und einige Zonen aufweisen, die abgedichtet sind, wie in 8 gezeigt. Gemäß 8 verwendet das Einpressbohrloch 570 eine Vielzahl von Sensoren 472 und Schallgeneratoren 574, die, was besonders bevorzugt ist, sich mit zunehmender Tiefe in dem Bohrloch abwechseln. In dem Förderbohrloch 580 ist eine ähnliche Anordnung von Sensoren 572 und Schallgeneratoren 574 positioniert. Die Sensoren und Generatoren sind vorzugsweise mit Prozessoren verbunden, die sich entweder im Bohrloch oder an der Oberfläche befinden und vorzugsweise auch an das zugeordnete Förder- oder Einpressbohrloch angeschlossen sind. Die Sensoren 572 können Schallsignale empfangen, die in der Formation natürlich aufgrund des durch die Formation von dem Einpressbohrloch zum Förderbohrloch fließenden Fluids erzeugt werden, und können auch Signale empfangen, die von den Signalgeneratoren 574 erzeugt werden. Dort, wo die Signalgeneratoren 574 Signale erzeugen, können die reflektierten Signale, die von den Sensoren 572 über einen Zeitraum empfangen werden, die Entfernung und das akustische Volumen anzeigen, das die Schallsignale durchlaufen haben. Dies ist im Bereich A von 8 dadurch wiedergegeben, dass die Verwerfungslinie 575 zwischen dem Bereich A und dem Bereich B in dieser Figur abgedichtet ist. Es wird lediglich zum Zweck der klaren Darstellung dadurch gezeigt, dass Kreise 576 längs der Verwerfungslinie 575 vorgesehen sind. Die Bereiche der Verwerfungslinie 575, die durchlässig sind, sind durch Quermarkierungen 577 durch die Verwerfungslinie 575 gekennzeichnet. Da die durch Pfeile und Halbkurven wiedergegebenen und mit dem Bezugszeichen 578 versehenen Schallsignale sich nicht durch den Bereich C der Zeichnung fortpflanzen können, der den Bereich A von dem Bereich B auf der linken Seite der Zeichnung trennt, springt das Signal und kann dann von dem Sensor 572 aufgenommen werden. Die Zeitverzögerung, die Anzahl und die Stärke der Reflexionen und die übliche mathematische Interpretation geben eine Anzeige für den Verlust des Druckdurchlässigkeitsgrads zwischen diesen beiden Zonen. Zusätzlich kann dieser Druckdurchlässigkeitsgrad durch die Erfassung von Schallsignalen von den Sensoren 572 in dem Förderbohrloch 580 bestätigt werden. In der Zeichnung ist der direkt unter dem Bereich A befindliche Bereich als Bereich E gekennzeichnet und zum Bereich B durch die Verwerfung 575 hindurch durchlässig, da der Bereich D in diesem Bereich durchlässig ist und einen Durchfluss der Flutungsfront von dem Einpressbohrloch 570 durch die Verwerfungslinie 575 zum Förderbohrloch 580 ermöglicht. Hier können auch Schallsensoren und -generatoren verwendet werden, da das Schallsignal den Bereich D durchläuft und deshalb die Reflexionsstärke zu den Empfängern 572 abnimmt. Die Zeitverzögerung nimmt zu. Da die Sensoren und Generatoren mit einer zentralen Verarbeitungseinheit und miteinander verbunden sind, ist es ein einfacher Vorgang, zu bestimmen, dass sich das Signal tatsächlich von dem einen Bohrloch zum anderen bewegt hat und die Durchlässigkeit durch eine spezielle Zone anzeigt. Durch Verarbeiten der Information, die die Schallgeneratoren und -sensoren bereitstellen können, können die Einpress- und Förderbohrlöcher automatisch dadurch betrieben werden, dass bestimmt wird, wo Fluide strömen können und dadurch Ventile an entsprechenden Stellen an dem Einpressbohrloch und dem Förderbohrloch geöffnet bzw. geschlossen werden, um Förderfluid in eine Richtung zu spülen, die vorteilhaft für den Durchgang durch eine Permeabilitätszone längs der Verwerfung ist.
Durch dieses alternative System der Erfindung können auch andere Informationen erzeugt werden, da die Sensoren 572 in der Lage sind, nicht nur die erzeugten Schallsignale, sondern auch natürlich auftretende akustische Wellenformen zu empfangen, die sowohl durch den Strom der an dem Einpressbohrloch eingepressten Fluide als auch von den Öl führenden Schichten als Folge sowohl der Fluideinpressvorgänge als auch eines gleichzeitigen Abzugs aus der Öl führenden Schicht bei den sich ergebenden Fördervorgängen herrühren können. Der bevorzugte permanente Einsatzstatus der Sensoren und Generatoren nach der Erfindung ermöglicht das Prüfen der Messungen gleichzeitig mit den fortlaufenden Einpressflutungs- und Fördervorgängen. Fortschritte sowohl bei den Schallmessfähigkeiten als auch bei der Signalverarbeitung während der Durchführung der Flutung der Öl führenden Schicht sind ein technologischer Vorteil dadurch, dass der Stand der Technik das Unterbrechen der Einpress-/Fördervorgänge erfordert, um akustische Parameter im Bohrloch zu überwachen. Der Fachmann erkennt, dass die Unterbrechung des Einpressens zu eine natürliche Neuverteilung des aktiven Flutungsprofils hauptsächlich aufgrund einer Schwerkrafttrennung von Fluiden und von entropischen Erscheinungen ergibt, die in starkem Ausmaß während der aktiven Flutungsvorgänge vorhanden sind. Dies verstärkt die Möglichkeit eines vorzeitigen Durchbruchs deutlich, wenn Öl zu der relativen Oberseite der Formation und das eingepresste Fluid, gewöhnlich Wasser, zu der relativen Unterseite der Formation wandert. Es besteht die große Möglichkeit, dass das Wasser tatsächlich das Förderbohrloch erreicht und somit ein weiteres Pumpen von Dampf oder Wasser nur unter der Ölschicht auf der Oberseite der Formation abläuft und das Spülen dieses Bereichs danach extrem schwierig wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Faseroptiken verwendet, (ähnlich denen, wie sie in der US-Anmeldung Ser. No. 60/048,989, eingereicht am 9. Juni 1997, offenbart sind, (worauf hier voll als Referenz Bezug genommen wird), um den Umfang und/oder das Vorhandensein eines Biobewuchses in der Öl führenden Schicht dadurch zu bestimmen, dass in dem Einpress- oder Förderbohrloch eine Kulturkammer vorgesehen wird, der Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge über ein Lichtleitkabel zugeführt werden kann, das eine Probe bestrahlt, wodurch das Ausmaß bestimmt wird, in dem ein Biobewuchs stattgefunden hat. Man weiß, dass verschiedene Biobewuchsorganismen die Fähigkeit zur Fluoreszenz bei einer vorgegebenen Wellenlänge haben und dass, wenn die Wellenlänge einmal bestimmt ist, sie für die oben erwähnten Zwecke nützlich ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Flutungsfront von die "Rückseite" verwendenden Sensoren überwacht, die in dem Einpressbohrloch installiert sind. Die Sensoren, die ausreichend in 5 und 6 dargestellt sind, stellen Schallsignale bereit, die von der Wasser-/Öltrennfläche reflektiert werden und so ein genaues Bild in einem Zeitmoment der dreidimensionalen Flutungsfront geben. Das Erzeugen von Bildern in 4-D, d. h. in drei Dimensionen über der Realzeit, gibt ein genaues Format des Dichteprofils der Formation aufgrund der fortschreitenden Flutungsfront. Somit können ein genaues Profil und das relative Fortschreiten der Front genau durch die Dichteprofiländerungen bestimmt werden. Es ist sicher möglich, die Sensoren und die Schallgeneratoren auf das Einpressbohrloch für ein solches System zu beschränken, es wird jedoch stärker bevorzugt, auch Sensoren und Schallgeneratoren in das Förderbohrloch zu bringen, zu dem sich die Front hin bewegt, wodurch eine sofortige Doppelprüfung des Fluidfrontprofils möglich ist. D. h., dass Schallgeneratoren an dem Förderbohrloch ein Signal von der Öl-/Wassertrennfläche wegreflektieren und einen in gleicher Weise genauen dreidimensionalen Fluidfrontindikator bilden. Diese Indikatoren von beiden Seiten der Front sollten übereinstimmen und somit eine extrem zuverlässige Anzeige von Position und Profil geben.
Die verteilten faseroptischen Sensoren in der oben beschriebenen Bauweise sind gemäß 9 ebenfalls zur Verwendung in einem Förderbohrloch geeignet, in das Chemikalien eingepresst werden, wobei es erforderlich ist, den Chemikalien-Einpressprozess dahingehend zu überwachen, dass Verwendung und Wirkung der eingepressten Chemikalien optimiert sind. Chemikalien müssen häufig in einem Förderbohrloch nach unten gepumpt werden, um Abschilferung, Paraffine und dergleichen zu unterbinden, sowie für andere bekannte Behandlungsanwendungen und zur Vorbehandlung von zu fördernden Fluiden. Häufig werden, wie in 9 gezeigt ist, Chemikalien in einen Ringraum 600 zwischen dem Fördersteigrohr 602 und dem Casing 604 des Bohrlochs 606 eingeführt. Das Einpressen von Chemikalien (schematisch bei 608 gezeigt) kann mit verschiedenen bekannten Verfahren erreicht werden, beispielsweise in Verbindung mit einer Tauchpumpe (gezeigt beispielsweise im US-Patent 4,582,131, übertragen auf den Zessionar des Patents und als Referenz eingeschlossen) oder durch eine Hilfsleitung, die einem Kabel zugeordnet ist, das zusammen mit einer elektrischen Tauchpumpe verwendet wird (wie es beispielsweise in dem US-Patent 5,528,824 gezeigt ist, das auf den Zessionar dieses Patents übertragen und hier als Referenz eingeschlossen ist).
Bei dieser Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung befinden sich eine oder mehrere Sensoren 610 am unteren Bohrloch in der Förderzone zum Erfassen einer Vielzahl von Parametern, die dem Förderfluid und/oder einer Zwischenwirkung von eingepresster Chemikalie und dem Förderfluid zugeordnet sind. Somit erfassen die unteren Sensoren 610 Parameter bezogen auf die chemischen Eigenschaften des geförderten Fluids, beispielsweise den potenziellen Ionengehalt, den kovalenten Gehalt, den pH-Pegel, den Sauerstoffpegel, organische Abscheidungen und ähnliche Messungen. Die Sensoren 610 können auch physikalische Eigenschaften messen, die dem Förderfluid und/oder der Interaktion zwischen den eingepressten Chemikalien und dem Förderfluid, beispielsweise Öl-/Wasseranteil, Viskosität und Prozentfeststoffe, zugeordnet sind. Die Sensoren 610 können auch Informationen bezogen auf Paraffin und Abschilferungsaufbau, H₂S-Gehalt und dergleichen bereitstellen.
Die Bohrlochsohlensensoren 610 stehen vorzugsweise mit einer Vielzahl von verteilten Sensoren 612 in Verbindung und/oder sind diesen zugeordnet, die auf wenigstens einem Teil des Bohrlochs (beispielsweise vorzugsweise innerhalb des Fördersteigrohrs) zum Messen des Drucks, der Temperatur und/oder des Durchsatzes angeordnet sind, wie es vorstehend in Verbindung mit 1 erläutert wurde. Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise auch einem Oberflächensteuer- und -überwachungssystem 614 sowie einem oder mehreren bekannten Oberflächensensoren 615 zum Erfassen von auf das geförderte Fluid bezogenen Parametern, und insbesondere zum Erfassen und Überwachen der Effektivität der Behandlung zugeordnet, die durch die eingepressten Chemikalien erfolgt. Die dem Oberflächensystem 614 zugeordneten Sensoren 615 können Parameter erfassen, die auf den Gehalt und die Menge von beispielsweise Schwefelwasserstoff, Hydraten, Paraffinen, Wasser, Feststoffen und Gas bezogen sind.
Vorzugsweise ist dem in 9 offenbarten Förderbohrloch ein so genanntes "intelligentes" Steuer- und Überwachungssystem im Bohrloch zugeordnet, zu dem eine Rechnersteuerung 618 und/oder das vorstehend erwähnte Steuer- und Überwachungssystem 614 an der Oberfläche gehören. Dieses Steuer- und Überwachungssystem entspricht der in dem Patent 5,597,042 offenbarten Art, das auf den Zessionar dieses Patents übertragen ist und hier voll als Referenz eingeschlossen wird. Wie in dem Patent 5,597,042 offenbart ist, sind den Sensoren in den "intelligenten" Förderbohrlöchern dieser Art im Bohrloch befindliche Rechner und/oder an der Oberfläche befindliche Steuerungen zugeordnet, die Informationen aus den Sensoren empfangen und auf diesen Informationen basierend eine bestimmte Art von Steuerung einleiten, um den Förderwirkungsgrad des Bohrlochs zu steigern oder zu optimieren oder um auf irgendeine Art das Fördern von Fluiden aus der Formation zu bewirken. Bei der vorliegenden Erfindung überwachen die Rechner 614, 618 an der Oberfläche und/oder im Bohrloch die Behandlungseffektivität der eingepressten Chemikalien, während basierend auf der erfassten Information der Steuerrechner eine Änderung der Art und Weise, der Menge oder der einzupressenden Chemikalie einleitet. Bei dem System der vorliegenden Erfindung können die Sensoren 610 und 612 fern- oder in-situ-angeschlossen sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Bohrlochsohlensensoren faseroptische Chemikaliensensoren. Solche faseroptischen Chemikaliensensoren verwenden vorzugsweise faseroptische Sonden, die als eine Sondentrennfläche verwendet werden, die dem Licht aus der Faseroptik eine Interaktion mit der Flüssigkeit oder dem Gasstrom erlaubt und für eine Rückführung zu einem Spektrometer für eine Messung sorgt. Die Sonden sind gewöhnlich aus Sol-Gel-Indikatoren zusammengesetzt. Sol-Gel-Indikatoren ermöglichen eine direkt gekoppelte Realzeitmessung und -steuerung für die Verwendung von Indikatormaterialien, die in einer porösen Sol-Gel-abgeleiteten Glasgrundmasse eingeschlossen sind. Dünne Filme dieses Materials sind auf optische Bauelemente verschiedener Sondenauslegungen als Schicht aufgebracht, um Sensoren für Prozess- und Umgebungsmessungen zu erzeugen. Diese Sonden haben eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber chemischen Spezies basierend auf den Eigenschaften des speziellen Indikators. Beispielsweise können Sol-Gel-Sonden den pH-Wert eines Materials mit größerer Genauigkeit messen, und Sol-Gel-Sonden können auch einen speziellen Chemikaliengehalt messen. Die Sol-Gel-Grundmasse ist porös, und die Größe der Poren wird dadurch bestimmt, wie das Glas präpariert ist. Der Sol-Gel-Prozess kann so gesteuert werden, dass ein Sol-Gel-Indikator im Verbund mit Poren erzeugt wird, die klein genug sind, um einen Indikator in der Grundmasse einzuschließen, jedoch groß genug, um es Ionen einer speziellen interessierenden Chemikalie zu ermöglichen, frei hinein- und hinauszugehen und mit dem Indikator zu reagieren. Ein Beispiel für einen geeigneten Sol-Gel-Indikator für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist in den 10 und 11 gezeigt.
In 10 und 11 ist eine Sonde 616 gezeigt, die mit einem Lichtleitkabel 618 verbunden ist, das seinerseits mit einer Lichtquelle 620 und einem Spektrometer 622 verbunden ist. Wie in 11 gezeigt ist, hat die Sonde 616 ein Sensorgehäuse 624, das mit einer Linse 626 verbunden ist. Die Linse 626 hat eine Sol-Gel-Beschichtung 628 auf ihr, die so zugeschnitten ist, dass sie einen speziellen Bohrlochparameter, beispielsweise pH, misst, oder die so ausgewählt ist, dass sie das Vorhandensein, das Fehlen oder die Menge einer speziellen Chemikalie, beispielsweise Sauerstoff, H₂S oder dergleichen feststellt. An der Linse 626 ist im Abstand von ihr ein Spiegel 630 befestigt. Während des Einsatzes wird Licht von dem Lichtleitkabel 618 durch die Linse 626 parallel gerichtet, wonach das Licht durch die Sol-Gel-Beschichtung 628 und den Probenraum 632 hindurchgeht. Das Licht wird dann von dem Spiegel 630 reflektiert und zu dem Lichtleitkabel zurückgeführt. Das von dem Lichtleitkabel übertragene Licht wird von dem Spektrometer 622 gemessen. Das Spektrometer 622 (sowie die Lichtquelle 620) kann entweder auf der Oberfläche oder an irgendeiner Stelle im Bohrloch angeordnet werden. Basierend auf den Spektrometermessungen analysiert ein Steuerrechner 614, 616 die Messung, und basierend auf dieser Analyse ändert die Chemika lieneinpressvorrichtung 608 die Menge (Dosierung und Konzentration), Geschwindigkeit oder Art der Chemikalie, die in das Bohrloch eingepresst wird. Informationen aus der chemischen Einpressvorrichtung, die sich auf die im Speicher verbliebene Chemikalienmenge, das Qualitätsniveau der Chemikalie und dergleichen beziehen, werden ebenfalls den Steuerrechnern zugeführt. Der Steuerrechner kann auch seine Steuerentscheidung auf Eingaben basieren, die von dem Oberflächensensor 615 bezogen auf die Wirksamkeit der Chemikalienbehandlung bei dem geförderten Fluid, das Vorhandensein und die Konzentration irgendwelcher Verunreinigungen oder unerwünschter Nebenprodukte und dergleichen erhalten werden.
Zusätzlich zu den Bohrlochsohlensensoren 610 in Form von Sensoren in faseroptischer Sol-Gel-Bauweise können zusätzlich die längs des Fördersteigrohrs 602 verteilten Sensoren 612 faseroptische Chemikaliensensoren (Sol-Gel-Indikatoren) der oben erwähnten Bauweise aufweisen. Auf diese Weise kann der Chemikaliengehalt des Förderfluids überwacht werden, wenn es das Fördersteigrohr hochsteigt, falls es erwünscht ist.
Die permanente Anordnung der Sensoren 610, 612 und des Steuersystems 617 im Bohrloch führt zu einem wesentlichen Vorteil auf dem Ölfeld und ermöglicht in Realzeit eine Fernsteuerung von Chemikalieneinpressungen in ein Bohrloch, ohne dass eine kabelgebundene Vorrichtung oder andere Bohrlocheingriffe erforderlich werden.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein neues Steuer- und Überwachungssystem zur Verwendung in Verbindung mit einem Behandlungssystem für geförderte Kohlenwasserstoffe in einem Ölfeld bereitgestellt. In 12 ist ein typisches Oberflächenbehandlungssystem gezeigt, das für die Behandlung von gefördertem Fluid in Ölfeldern verwendet wird. Bekanntlich weist das aus dem Bohrloch geförderte Fluid eine Emulsionskombination aus Öl, Gas und Wasser auf. Nachdem diese Bohrlochfluide zur Oberfläche gefördert sind, sind sie in einer Rohrleitung enthalten, die als "Abflussleitung" bekannt ist. Die Abflussleitung kann in ihrer Länge in einem Bereich von wenigen Fuß bis mehrere tausend Fuß liegen. Gewöhnlich ist die Abflussleitung direkt an eine Reihe von Behältern und Behandlungsvorrichtungen angeschlossen, die für die Trennung des Wassers in der Emulsion von dem Öl und dem Gas sorgen sollen. Zusätzlich sollen Öl und Gas für den Transport zur Raffinerie getrennt werden.
Die geförderten Fluide, die in der Abflussleitung strömen, sowie die verschiedenen Trenntechniken, die auf diese geförderten Fluide einwirken, führen zu ernsthaften Korrosionsproblemen. Gegenwärtig wird die Messung der Korrosionsgeschwindigkeit an den verschiedenen metallischen Bauteilen der Behandlungssysteme, wie der Verrohrung und der Behälter, durch eine Anzahl von Sensortechniken erreicht, zu denen Gewichtsverlustmarken, elektrische Widerstandssonden, elektrochemische lineare Polarisierungsverfahren, elektrochemische Schalttechniken sowie Wechselstromimpedanzverfahren gehören. Obwohl diese Sensoren alle zum Messen der Korrosionsgeschwindigkeit eines Metallbehälters oder einer Verrohrung geeignet sind, geben sie jedoch keine Informationen bezüglich der Chemikalien an sich, d. h. der Konzentration, der Charakterisierung oder anderer Parameter der Chemikalien, die in das Behandlungssystem eingeführt sind. Diese Chemikalien werden aus einer Vielzahl von Gründen eingeführt, zu denen die Korrosionsunterbindung und der Emulsionsaufbruch sowie die Steuerung der Absatz-, Wachs-, Asphalt-, Bakterien- und Hydratausbildung gehören.
Entsprechend einem bedeutenden Merkmal der vorliegenden Erfindung werden Sensoren in chemischen Behandlungssystemen der in 12 beschriebenen Art verwendet, die die Chemikalien als solche im Gegensatz zu den Auswirkungen der Chemikalien (beispielsweise die Korrosionsgeschwindigkeit) überwachen. Solche Sensoren lassen die Bedienungsperson des Behandlungssystems in Realzeit die einzuführende Chemikalienmenge, den Transport der Chemikalien durch das System, die Konzentration der Chemikalie im System und ähnliche Parameter verstehen. Beispiele für geeignete Sensoren, die dazu verwendet werden können, Parameter bezogen auf den Chemikaliendurchgang durch das Behandlungssystem zu erfassen, sind der faseroptische Sensor, wie er vorstehend unter Bezug auf 10 und 11 beschrieben wurde, sowie andere bekannte Sensoren, beispielsweise die Sensoren, die auf einer Vielzahl von Technologien basieren, zu denen die Ultraschallabsorption und -reflexion, die Spektroskopie mit lasererhitztem Hohlraum (LIMS), die Röntgenstrahlen-Fluoreszenzspektroskopie, die Neutronenaktivierungsspektroskopie, eine Druckmessung, Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Radarreflexion oder -absorption sowie andere optische und akustische (d. h. Ultraschall- oder Sonar-)Verfahren gehören. Ein geeigneter Mikrowellensensor zum Erfassen von Feuchte und anderen Bestandteilen in den Zu- und Abströmen mit Feststoff- und Flüssigkeitsphase ist in dem US-Patent 5,455,516 beschrieben, dessen gesamter Inhalt hier als Referenz eingeschlossen ist. Ein Beispiel einer geeigneten Vorrichtung zum LIES verwendenden Erfassen ist in dem US-Patent 5,379,103 offenbart, dessen gesamter Inhalt hier als Referenz eingeschlossen ist. Ein Beispiel für eine geeignete Vorrichtung zum Erfassen von LIMS ist der LASMA-Lasermassenanalysator, den Advanced Power Technologies, Inc., Washington, D.C. zur Verfügung stellt. Ein Beispiel eines geeigneten Ultraschallsensors ist in dem US-Patent 5,148,700 offenbart (dessen gesamter Inhalt hier als Referenz eingeschlossen ist). Ein geeigneter, im Handel verfügbarer Schallsensor wird von Entech Design, Inc., Denton, Texas, unter der Marke MAPS^® verkauft. Vorzugsweise wird der Sensor mit einer Vielzahl von Frequenzen und Signalstärken betrieben. Geeignete Millimeterwellen-Radartechniken, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwen det werden, sind im Kapitel 15 von Principles and Applications of Millimeter Wave Radar , ausgegeben von N. C. Currie and C. E. Brown, Artecn House, Norwood, MA 1987, beschrieben. Die Ultraschalltechnologie, auf die oben Bezug genommen ist, kann sich logischerweise auf Millimeterwellenvorrichtungen erstrecken.
Obwohl die Sensoren in einem System, wie es in 12 gezeigt ist, an einer Vielzahl von Stellen verwendet werden können, zeigen die mit 700 bis 716 bezeichneten Pfeile die Positionen an, wo Informationen bezogen auf die Chemikalieneinführung besonders nützlich sein würden.
Das Behandlungssystem auf der Oberfläche von 12 ist in 13 insgesamt mit 720 bezeichnet. Nach der vorliegenden Erfindung erfassen die Chemikaliensensoren (d. h. 700–716) in Realzeit Parameter (d. h. Konzentration und Klassifizierung) bezogen auf die zugeführten Chemikalien und führen die erfassten Informationen einer Steuerung 722 (vorzugsweise einem Rechner oder einem auf einer Steuerung basierten Mikroprozessor) zu. Basierend auf den erfassten, von der Steuerung 722 überwachten Informationen instruiert die Steuerung eine Pumpe oder andere Dosiervorrichtungen 724, die Chemikalienmenge und/oder die Art der dem Oberflächenbehandlungssystem 720 zuzusetzenden Chemikalien beizubehalten, zu variieren oder auf andere Weise zu ändern. Die von den Behältern 726, 726' und 726'' zugeführten Chemikalien können natürlich irgendeine geeignete Behandlungschemikalie aufweisen, beispielsweise Chemikalien, wie sie für die Behandlung von Korrosion, den Aufbruch von Emulsionen usw. verwendet werden. Beispiele geeigneter Korrosionsinhibitoren sind langkettige Amine oder Aminidiazoline. Zu geeigneten, im Handel erhältlichen Chemikalien gehören CronoxÔ, bei dem es sich um einen Korrosionsinhibitor handelt, der von Baker Petrolite, einer Abteilung von Baker Hughes, Inc., Houston, Texas, verkauft wird.
Entsprechend dem Steuer- und Überwachungssystem von 13 können somit basierend auf von den Chemikaliensensoren 700 bis 716 bereitgestellten Informationen korrektive Maßnahmen vorgesehen werden, um das Einpressen der Chemikalie (Korrosionsinhibitor, Emulsionsaufbrecher, usw.) in das System zu variieren. Der Einpresspunkt dieser Chemikalien kann irgendwo stromauf von der angemessenen Stelle liegen, beispielsweise an der Stelle, wo die Korrosion erfasst wird. Natürlich können zu diesem Einpresspunkt auch Einpressungen im Bohrloch gehören. In Zusammenhang mit einem Korrosionsinhibitor arbeiten Inhibitoren so, dass sie einen Schutzfilm auf dem Metall bilden und dadurch verhindern, dass Wasser und korrosive Gase die Metalloberfläche korrodieren. Andere Oberflächenbehand lungschemikalien sind Emulsionsaufbrecher, welche die Emulsion aufbrechen und das Entfernen von Wasser erleichtern. Zusätzlich zum Entfernen oder Aufbrechen von Emulsionen werden auch Chemikalien eingeführt, um Feststoffe, Wachs usw. aufzubrechen und/oder zu entfernen. Gewöhnlich werden Chemikalien so eingeführt, dass man das erhält, was als Basissediment und Wasser (B.S. und W.) von weniger als 1% bekannt ist.
Zusätzlich zu den sich auf die Chemikalienzuführung beziehenden Parameter, die durch die Chemikaliensensoren 700 bis 716 erfasst werden, kann das Überwachungs- und Steuersystem der vorliegenden Erfindung auch bekannte Korrosionsmessvorrichtungen sowie zugehörige Durchsatz-, Temperatur- und Drucksensoren verwenden. Diese weiteren Sensoren sind schematisch in 13 bei 728 und 730 gezeigt. Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Einrichtung zum Messen von Parametern bezogen auf die Zuführung von Chemikalien in das System in Realzeit und "on-line" bereit. Wie erwähnt, gehören zu diesen Parametern Chemikalienkonzentrationen sowie auch Chemikalieneigenschaften, wie der potenzielle Ionengehalt, der kovalente Gehalt, der pH-Pegel, Sauerstoffpegel, organische Abscheidungen und ähnliche Messungen. In gleicher Weise können eine Öl/Wasser-Anteilsviskosität und Prozentfeststoffe sowie Paraffin- und Abschilfungsaufbau, H₂S-Gehalt und dergleichen gemessen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Fähigkeit, optische Energie ins Bohrloch zu übertragen und in eine andere Form von Energie umzuwandeln, die für den Betrieb von Bohrlochvorrichtungen geeignet ist. 14 zeigt ein Bohrloch 802 mit einem Förderstrang 804, der eine oder mehrere elektrisch betätigte oder optisch betätigte Vorrichtungen, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 850 versehen sind, und eine oder mehrere Bohrlochsensoren 814 aufweist. Der Strang 804 hat Batterien 812, die die Vorrichtungen 850 und die Sensoren 814 mit elektrischer Energie versorgen. Die Batterien werden durch Erzeugung von Strom im Bohrloch durch Turbinen (nicht gezeigt) oder durch Zuführen von Strom an der Oberfläche über ein Kabel (nicht gezeigt) geladen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist in dem Strang 804 eine Lichtzelle 810 vorgesehen, die mit einem Lichtwellenleiter 822 gekoppelt ist, der einen oder mehrere Sensoren 820 aufweist, die ihm zugeordnet sind. Eine Lichtquelle 840 an der Oberfläche stellt Licht für die Lichtzelle 810 bereit, die Elektrizität erzeugt, welche die Bohrlochbatterien 812 lädt. Die Lichtzelle 810 sorgt im Wesentlichen für eine Pufferladung der Batterien. Bei vielen Anwendungen werden die Bohrlochvorrichtungen, wie die Vorrichtung 850, selten aktiviert. Die Pufferladung der Batterien kann ausreichen und kann so die Verwendung von anderen Strom erzeugenden Einrichtungen ausschließen. Bei Anwendungen, die einen größeren Strom verbrauch haben, kann die Lichtzelle in Verbindung mit anderen Stromerzeugungsvorrichtungen verwendet werden.
Wenn die Vorrichtung 850 optisch aktiviert wird, ist alternativ der Leiter 822 mit der Vorrichtung 850 verbunden, wie es durch die gestrichelte Linie 822a gezeigt ist, und wird durch Zuführen optischer Impulse von der Oberflächeneinheit 810 aus aktiviert. Somit wird bei der Ausgestaltung von 14 eine Lichtleitvorrichtung verwendet, um im Bohrloch elektrische Energie zu erzeugen, die dann zum Laden einer Quelle, wie einer Batterie, oder zum Betätigen einer Vorrichtung verwendet wird. Der Leiter 822 wird auch für die Herstellung einer Zweiwegeverbindung zwischen der DA/SP 842 und den Bohrlochsensoren und -vorrichtungen verwendet.
15 ist eine schematische Darstellung eines Bohrlochsystems 900, bei dem faseroptische, Energie erzeugende Vorrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das System 900 hat ein Bohrloch 902 mit einem Oberflächen-Casing 901, das auf einer relativ geringen Tiefe 904a von der Oberfläche 904 aus installiert ist. Nachdem das Bohrloch 902 auf die gewünschte Tiefe gebohrt worden ist, wird ein Komplettierungs- oder Förderstrang 906 in das Bohrloch 902 eingebracht. An dem Strang 906 wird eine faseroptische Energieerzeugungsvorrichtung 920 angeordnet, die mechanische Energie erzeugt. Die Arbeitsweise der faseroptischen Vorrichtung 920 wird unter Bezug auf 15A bis 15C beschrieben.
Die in 15A gezeigte Lichtleitvorrichtung 920A enthält eine abgedichtete Kammer 922a mit einem Gas 923, das sich schnell ausdehnt, wenn optische Energie, wie Laserenergie, auf das Gas 923 einwirkt. Ein in der Vorrichtung 920A angeordneter Kolben 924a bewegt sich nach außen, wenn das Gas 923 expandiert. Wenn keine optische Energie auf das Gas 923 einwirkt, drückt eine Feder 926a oder eine andere geeignete Vorrichtung, die mit einer Kolbenstange 925a verbunden ist, den Kolben 926a in seine Ausgangsstellung zurück. Das Gas 923 wird periodisch mit der optischen Energie beaufschlagt, die zu der Vorrichtung 920a über einen optischen Leiter oder eine Lichtleitfaser 944 befördert wird. 15B zeigt die optische Vorrichtung 920B, bei welcher eine Feder 926b in dem Gehäuse 921 angeordnet ist, um den Kolben 924b in seine Ausgangsstellung zurückzudrücken.
Gemäß 15 führt die Auswärtsbewegung des Elements 925 der Vorrichtung 920 dazu, dass ein Ventil 930 öffnet, so dass das Bohrlochfluid 908 mit dem hydrostatischen Druck durch einen Kanal 932 eintreten kann. Das Ventil 930 ist mit einer hydraulisch betätigten Vorrichtung 935 derart gekoppelt, dass Fluid 908 unter Druck in die Vorrichtung 935 über den Kanal 932 eintreten kann. In der Ausgestaltung von 15 steuert somit die faseroptische Vorrichtung 920 den Strom des Fluids 908 mit dem hydrostatischen Druck zu der hydraulisch betätigten Vorrichtung 935. Die Vorrichtung 935 kann ein Packer, ein Fluidventil, ein Sicherheitsventil, eine Perforiervorrichtung, ein Anker, eine Gleithülse usw. sein. Die Arbeitsweise der Vorrichtung 920 wird vorzugsweise von der Oberfläche 904 aus gesteuert, wobei eine Lichtquelle LS 940 die optische Energie für die Vorrichtung 908 über den Leiter 944 bereitstellt. Zur Erzielung einer Rückkoppelung bezogen auf die Bohrlochvorgänge können ein oder mehrere Sensoren 927 vorgesehen werden. Die Sensoren 927 stellen Messungen bezogen auf den Fluidstrom, die auf das Ventil 930 ausgeübte Kraft, Bohrlochdrucke, Bohrlochtemperaturen usw. bereit. Die Signale aus den Sensoren 927 können im Bohrloch verarbeitet oder zur Datenerfassungs- und Bearbeitungseinheit 942 an der Oberfläche über den Leiter 944 geschickt werden.
In 15C ist eine alternative Ausführungsform eines lichtbetätigten Wandlers zur Verwendung in einer Fluidstromsteuerung gezeigt. Die Vorrichtung 950 hat eine Fotozelle 960 und eine Fluidventilzelle 970 mit einem bimorphen Element. Mittels eines optischen Leiters 946 wird der Fotozelle 960 optische Energie aus einer Lichtleitfaser 944 zugeführt. Die Fotozelle 960 erzeugt nach Erregung durch Licht einen elektrischen Strom, der durch eine Leitung 962 zu einem Bimetallband (bimorphes Element) 964 geführt wird. Der Durchgang des Stroms durch den Bimetallstreifen bewirkt dessen Biegung in eine Position 964' und dessen Bewegen einer Kugel 980, die in einem Ventilsitz 976 ruht. Durch die Bewegung der Kugel 980 weg vom Sitz zu 980' kann ein Fluid 982 durch den Einlasskanal 972 in der Fluidventilzelle 970 mit dem bimorphen Element und die Auslassöffnung 974 strömen. Der Fachmann kennt auch andere Kombinationen von Bimetallstreifen und Ventil. Bekannt sind auch andere Anordnungen einer Bimetallstreifen- und Ventilkombination. Dies zeigt eine Ausrüstung, bei der optische Energie erst in elektrische Energie und dann in mechanische Bewegung umgewandelt wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (nicht gezeigt) wird die optische Energie dazu verwendet, die physikalischen Eigenschaften eines lichtempfindlichen Materials, beispielsweise eines Gels, zu ändern, das in einer Durchsatzsteuervorrichtung eingeschlossen ist. Bei der Öl- und Gasförderung werden gewöhnlich Siebe mit einer Kiespackung verwendet, um teilchenförmiges Material auszusieben. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein lichtempfindliches Gel als Packermaterial in dem Sieb verwendet. Die Aktivierung des Gels durch optische Energie ändert die physikalischen Eigenschaften des Gels derart, dass es teilweise kristallisiert. Dies ermöglicht es, die Größe der Teilchen einzustellen, die durch das Sieb strömen.
16 zeigt ein Bohrlochsystem 1000, bei welchem die faseroptischen Vorrichtungen 1020 zum Betätigen von einer oder mehreren Bohrlochvorrichtungen verwendet werden und bei welchem das Druckfluid durch ein Leitungsrohr zugeführt wird, das auch den Lichtleiter zu den Vorrichtungen 1020 von der Oberfläche 904 aus trägt. In der vorstehend unter Bezug auf 15 beschriebenen Art und Weise wird ein Ventil 1030 durch die faseroptische Vorrichtung 920 betätigt. Zu dem Ventil 1030 wird über ein Leitungsrohr 1010 Fluid 1032 von einer Quelle 1045 zugeführt. In dem Leitungsrohr 1010 wird der Lichtleiter 1044 von der Oberfläche aus gepumpt. Alternativ kann das durch den Leiter 1044 enthaltene Leitungsrohr 1010 an der Oberfläche zusammengefügt und in das Bohrloch mit dem Strang 1006 eingebracht werden. Zur Betätigung der Vorrichtung 1035 wird die optische Vorrichtung 920 aktiviert, und es wird das Fluid 1032 unter Druck kontinuierlich dem Ventil 1030 über das Leitungsrohr 1010 zugeführt, was die Vorrichtung 1035 aktiviert oder setzt. In dem Strang 1006 oder in dem Bohrloch 1002 können andere Bohrlochvorrichtungen 1050b, 1050c usw. angeordnet werden. Jede dieser Vorrichtungen verwendet eine gesonderte faseroptische Vorrichtung 920 und kann ein gemeinsames Leitungsrohr 1010 für den Lichtleiter 1044 und/oder für das Druckfluid 1032 verwenden.
17A zeigt eine Ausgestaltung unter Verwendung mehrerer faseroptischer Vorrichtungen 1120a bis 1120c zur Erzeugung von Drehenergie. Die Vorrichtungen 1120a bis 1120c sind ähnlich den oben beschriebenen Vorrichtungen 920. Für diese Vorrichtungen wird Lichtenergie vorzugsweise über einen gemeinsamen Lichtleiter 1144 bereitgestellt. Die Quelle 940 betätigt die Vorrichtungen 1120a bis 1120c in einer speziellen Reihenfolge mit einer vorgegebenen Phasendifferenz. Zum Ansprechen der Vorrichtungen durch für solche Vorrichtungen erzeugte Signale kann ein Adressensystem (nicht gezeigt) verwendet werden. Die Kolbenarme 1127a bis 1127c sind mit einer Nockenwelle 1125 an Stellen 1125a bis 1125c jeweils verbunden, die in der Richtung 1136 dreht, um die Drehenergie bereitzustellen. Die Drehenergie kann für jeden Zweck verwendet werden, beispielsweise für die Betätigung einer Pumpe oder eines Generators zur Erzeugung von elektrischer Leistung.
17B, 17C zeigen eine Ausgestaltung, bei der faseroptische Vorrichtungen zum Pumpen von Fluiden verwendet werden. Die faseroptischen Vorrichtungen 1182a von 17B enthalten einen Zündzylinder 1184a und einen zweiten Zylinder 1184b. Der zweite oder hydraulische Zylinder enthält einen Auslasskanal 1183b. Dem hydraulischen Zylinder wird über den Einlasskanal 1183a ein geeignetes Fluid zugeführt. Wenn die Vorrichtung 1182a gezündet wird, bewegt sich der Kolben 1186 nach unten, versperrt die Einlassöffnung 1183a und verschiebt gleichzeitig das Fluid 1186 aus dem Zylinder 1184b über den Auslass kanal 1183b. Die Feder 1185 drückt den Kolben 1186 zurück in seine Ausgangsposition und legt dabei den Einlasskanal frei, bis zum nächsten Zünden der Vorrichtung 1182a. Auf diese Weise kann die Vorrichtung 1182a zum Pumpen von Fluid verwendet werden. Der Durchsatz wird durch die Zündfrequenz und die Größe der Fluidkammer 1184b gesteuert.
17C zeigt zwei faseroptische Vorrichtungen 382b und 382c (ähnlich der Vorrichtung 382a), die in Reihe geschaltet sind, um ein Fluid zu pumpen. Wenn bei dieser Ausgestaltung die Vorrichtung 382b gezündet wird, wird Fluid 390 aus den Kanälen 391 der Vorrichtung 382 in die Kammer 391b der Vorrichtung 382c über die Leitung 392 abgeführt. Ein Einwege-Rückschlagventil ermöglicht den Fluidstrom nur in Richtung der Vorrichtung 382c. Das Zünden der Vorrichtung 382c führt das Fluid aus der Kammer 391b über die Leitung 394 zur nächsten Stufe ab.
Obwohl sich die vorstehende Offenbarung auf bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung richtet, sind verschiedene Modifizierungen für den Fachmann offensichtlich. Alle Variationen innerhalb des Rahmens und des Umfangs der beiliegenden Ansprüche sollen von der vorstehenden Offenbarung umfasst sein.

Claims

Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Bohrlochausrüstung, mit einer Hydraulikleitung (110, 1010), die sich in ein Bohrloch erstreckt, um Fluid unter Druck nach unten ins Bohrloch zuzuführen, und an einem Steigrohr (108, 1006) gehalten ist, und mit einem Faseroptikkabel (122, 1044), das innerhalb der Hydraulikleitung (110, 1010) angeordnet ist und Messungen eines Bohrlochparameters entlang des Steigrohrs (108, 1006) durchführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass – an dem Steigrohr (108, 1006) eine hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) vorgesehen ist und mit der Hydraulikleitung (110, 1010) in Fluidverbindung steht, wobei die hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) außerhalb der Hydraulikleitung (110, 1010) angeordnet ist, und – dieselbe Hydraulikleitung (110, 1010) das Faseroptikkabel (122, 1044) unterbringt und die hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Hydraulikleitung (110, 1010) eine Rückführleitung ist, die sich von einem Oberflächenort zu der hydraulisch gesteuerten Vorrichtung (114, 1035) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Strömungssteuervorrichtung, einem Packer, einer Drossel, einer Perforiervorrichtung, einem Anker, einer Komplettiervorrichtung und einer Produktionsvorrichtung besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Bohrlochparameter die Temperatur, der Druck, die Vibration, ein akustischer Meßwert, eine Fluidströmung, oder eine Fluideigenschaft ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Faseroptikkabel (122, 1044) wenigstens einen Temperatursensor, einen Drucksensor, einen Akustiksensor, einen Strömungsmeßwertsensor, oder einen Vibrationssensor umfasst.
Verfahren zur Überwachung eines Bohrlochparameters und zur Steuerung einer hydraulisch gesteuerten Vorrichtung (114, 1035), wobei das Verfahren das Zuführen einer hydraulischen Leitung (110, 1010) nach unten in das Bohrloch und eine Platzierung eines Faseroptikkabels (122, 1044) für eine Messung eines Bohrlochparameters in der Hydraulikleitung (110, 1010) umfasst und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass eine hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) außerhalb der Hydraulikleitung (110, 1010) bereitgestellt wird, wobei die Hydraulikleitung Fluid unter Druck zu der hydraulisch gesteuerten Vorrichtung (114, 1035) führt, um die Funktion der hydraulisch gesteuerten Vorrichtung (114, 1035) zu steuern, so dass dieselbe Hydraulikleitung (110, 1010) das Faseroptikkabel (122, 1044) unterbringt und die hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) steuert.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die hydraulisch gesteuerte Vorrichtung (114, 1035) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Strömungssteuervorrichtung, einem Packer, einer Drossel, einer Perforiervorrichtung, einem Anker, einer Komplettiervorrichtung und einer Produktionsvorrichtung besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Bohrlochparameter die Temperatur, der Druck, die Vibration, ein akustischer Meßwert, eine Fluidströmung, oder eine Fluideigenschaft ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Faseroptikkabel (122, 1044) wenigstens einen Temperatursensor, einen Drucksensor, einen Akustiksensor, einen Strömungsmeßwertsensor, oder einen Vibrationssensor umfasst.