DE3704077A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern der gerichteten bohrung einer bohrkrone - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum steuern der gerichteten bohrung einer bohrkroneInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der
gerichteten Bohrung einer Bohrkrone am unteren Ende eines
Bohrstranges, bei dem insbesondere Biegemomentmessungen
nahe an der Bohrkrone dazu verwandt werden, die Richtung
der Bohrkrone zu steuern.
Wenn bei der Suche nach Erdöl ein Bohrloch gebohrt wird,
ist es notwendig, die Richtung der Bohrkrone zu steuern,
um die Zielformation an der richtigen Stelle zu durchstoßen.
Es ist im wesentlichen unmöglich, ein gerades
Bohrloch mit einem der beiden Standardverfahren, nämlich
dadurch, daß der gesamte Bohrstrang über eine Gestängestange
und die zugehörige Ausrüstung gedreht wird, oder
dadurch zu bohren, daß ein unten im Bohrloch befindlicher
Motor die Bohrkrone antreibt. Viele Einflußfaktoren, wie
beispielsweise Einflüsse der Schwerkraft, Biegungen der
Schwerstangen, das Drehmoment des Bohrvorganges und die
Anisotropie der Fels- oder Gesteinsfehler tragen dazu bei,
daß Abweichungen in der Richtung der Bohrkrone auftreten.
Eine Möglichkeit der Steuerung der Richtung der Bohrkrone
bestand bisher darin, den Bohrvorgang zu beenden und in
das Bohrloch ein Instrument abzusenken, um Richtungsmessungen
auzuführen. Diese Messungen wurden dann mit
einem Nacharbeitsdiagramm zusammengestellt. Es wurde ein
Modell für den gewünschten Weg des Bohrloches aufgestellt
und die gewünschten Korrekturen erfolgten durch eine
Einstellung des Gewichtes an der Bohrkrone, der Drehgeschwindigkeit
usw., um die gewünschte Änderung in der
Richtung der Bohrkrone zu erzielen. Wenn es sich jedoch
herausstellte, daß diese Änderung nicht geeignet sind,
die Bohrkrone in die gewünschte Richtung umzulenken, war
es notwendig, den Bohrstrang vom Loch zurückzuziehen und
den Aufbau der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung
des Bohrstranges zu ändern. Es versteht sich, daß ein
derartiger Arbeitsvorgang, der den Bohrbetrieb unterbricht,
mit Kosten verbunden und zeitraubend ist.
Eine weitere jüngste Entwicklung besteht in einer Meßvorrichtung,
die während des Bohrvorganges arbeitet und
Richtungsmessungen und Korrekturen erlaubt, ohne den
Bohrbetrieb zu unterbrechen. Mit der während des Bohrvorganges
arbeitenden Meßvorrichtung muß das Bohrloch jedoch
gebohrt und vermessen werden, bevor das Ergebnis bestimmt
werden kann. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens, bei
dem Dehnungsmessungen unmittelbar neben der Bohrkrone
ausgeführt werden, ist in der US-PS 43 24 297 beschrieben.
Die Neigung und die Ausrichtung der Bohrkrone werden
zusammen mit dem Gewicht an der Bohrkrone gemessen und
alle diese Messungen werden zur Oberfläche vorzugsweise
mit einem drahtgebundenen elektronischen System mit hoher
Datenübertragungsgeschwindigkeit übertragen, wo sie mit
einem Modell verglichen werden, das aus vorhergehenden
Messungen entwickelt wurde, um die Abweichung der Bohrkrone
von einem gewünschten Verlauf zu bestimmen. Das Gewicht
an der Bohrkrone und die Drehgeschwindigkeit werden dann
so gesteuert, daß eine Korrektur erzielt wird, um die
Bohrkrone auf den gewünschten Weg zurückzuführen. Obwohl
das gegenüber der Unterbrechung des Bohrbetriebes zu
Meßzwecken eine Verbesserung darstellt, wie es früher
beschrieben wurde, hat dieses Verfahren weiterhin eine
Anzahl von Nachteilen. Diese schließen die Datenmenge, die
zur Oberfläche übertragen werden muß, wobei nur ein Teil
der Daten anschließend benutzt wird, und die Kosten und
die Schwierigkeit der Entwicklung eines drahtgebundenen
Systems ein.
Gemäß der Erfindung werden ein Sensor in der Nähe der
Bohrkronenmechanik und ein Positionsüberwachungssensor
eines während des Bohrvorganges messenden Teils einer
unten im Bohrloch befindlichen Anordnung dazu benutzt, die
Größe von Biegemomenten in zwei zueinander senkrechten
Ebenen und die Ausrichtung dieser Momente zu messen, um
die Abweichung der Bohrkrone von der gewünschten Bahn
anzugeben. Die Größe und die Richtung der Biegemomente
zusammen mit der Bohrkroneneindringgeschwindigkeit erlauben
im Vergleich mit einem Bohrstrangmodell und einem
Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell die Ausführung
einer Korrektur, um die Richtung des Bohrloches zu ändern,
während es gerade gebohrt wird. Gemäß der Erfindung wird
die Echtzeitinformation von Faktoren unten im Bohrloch,
die die Bohrkronenrichtung beeinflussen, dazu benutzt, an
Informationen heranzukommen, die notwendig sind, die
gewünschten Korrekturen auszuführen. Das erfindungsgemäße
Verfahren arbeitet nicht nur mit einem Bohrstrangmodell,
sondern auch mit einem Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell,
wobei alle Daten gesammelt und über einen unten im
Bohrloch befindlichen Mikroprozessor berechnet werden, um
die Abweichungen und die Korrekturzeit so klein wie
möglich zu halten.
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein
besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bohrturms
zum Bohren eines Bohrloches,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht der unten im
Bohrloch befindlichen Anordnung,
Fig. 3 das schematische Blockschaltbild des Steuerteils
gemäß der Erfindung und
Fig. 4 in einem Diagramm die Arbeitsweise gemäß der
Erfindung.
Eine Standardbohrvorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt
ist, umfaßt einen Bohrturm 10 mit einem Bohrgestänge
12, das davon durch ein Bohrloch 14 in einer
Formation 16 nach unten verläuft. Am unteren Ende des
Bohrgestänges befindet sich eine Bohrlochanordnung 18, die
eine Bohrkrone 20, eine Sensorgruppe 22 und einen
Datenprozessor und Speicher 24 umfaßt. Die Sensorgruppe 22
weist einen ersten Teil zum Durchführen von Biegemomentmessungen,
beispielsweise nicht dargestellte Dehnungsmeßstreifen
in wenigstens zwei orthogonalen Ebenen und einen
zweiten Teil zum Bestimmen der Ausrichtung dieser Momente,
beispielsweise mit gleichfalls nicht dargestellten Magnetometern
auf. Wenn die Ausbildung der unteren Bohrlochanordnung
und das Biegemoment im Bohrgestänge nahe der
Bohrkrone bekannt sind, kann eine Angabe der Kräfte, die
zwischen der Bohrkrone und der Formation wirken, nämlich
der Bohrkronengesteinswechselwirkungskräfte, bestimmt werden.
Die Biegemomentmessungen liefern zusammen mit den
Eindringmessungen eine Echtzeitangabe jeder Änderung in
der Richtung des Bohrloches, während dieses laufend
gebohrt wird. Diese Anzeige gibt die Möglichkeit der
Überwachung und Steuerung der Änderung in der Bohrlochrichtung
zwischen statisch bestimmten Vermessungspunkten,
die normalerweise dann genommen werden, wenn der Bohrvorgang
während des Anschlusses zusätzlicher Rohrstücke an
das Bohrgestänge unterbrochen ist.
Normalerweise gibt es viele Biegemomente, die im Verlauf
eines Bohrvorganges gemessen werden. Diese Biegemomente
sind für viele Dinge, wie beispielsweise die Bohrgestängemechanik,
die Bohrgestängeformationswechselwirkung, die
Art und den Zustand der Bohrkrone, Einflüsse der Schwerkraft
usw. charakteristisch. Die Momente können so
gekennzeichnet werden, daß sie einen dynamischen Anteil
aufweisen, der einem sich eher langsam ändernden Anteil
überlagert ist. Die dynamischen Momente können mit
mechanischen Vibrationsstörungen oder einem elektrischen
Hintergrundrauschen verglichen werden und durch Filtern
vermieden werden. Die sich langsam ändernden Momente, die
einen ununterbrochenen Pegel haben können, und die
zunehmenden und abnehmenden Momente stehen gewöhnlich mit
den Verhältnissen in Beziehung, die dazu führen, daß die
Bohrkrone von ihrem gewünschten Verlauf abweicht. In
diesem Fall muß eine geeignete Korrektur bewirkt werden,
um die Bohrkrone auf den gewünschten Weg zurückzuführen
und dadurch sicherzustellen, daß die Zielformation innerhalb
von Toleranzgrenzen getroffen wird, und Bohrzeitverschwendungen
zu vermeiden.
Zusätzlich zur Überwachung und Steuerung der Bohrkrone
kann das erfindungsgemäße Verfahren als Lernmethode zur
Modelländerung in der Bohrkronengesteinswechselwirkungscharakteristik
mit der Zeit verwandt werden. Das kann
dadurch erfolgen, daß die vorausgesagte Änderung im
Bohrlochwinkel mit der Echtzeitrichtung, die aus den
Biegemomenten abgeleitet wird, und mit den statischen
Ergebnissen verglichen wird, die an jedem Vermessungspunkt
genommen werden. Der Unterschied zwischen der statischen
Anzeige, der vorausgesagten Anzeige und der Echtzeitmessung
liefert eine Fehlersignal, das dazu benutzt werden
kann, die Abschätzungen der Bohrkronengesteinswechselwirkungscharakteristik
des mit einer bestimmten Bohrkrone
gebohrten bestimmten Gesteins zu verbessern. Die Verwendung
dieses Fehlersignals zum Fortschreiten der Bohrkronengesteinswechselwirkungscharakteristik
erlaubt es, Änderungen
in den Eigenschaften der Formation und der
Bohrkrone während des fortschreitenden Bohrvorganges mit
zu berücksichtigen.
Beim normalen Bohrbetrieb, wenn entweder ein unten im Loch
befindlicher Motor zum Antreiben der Bohrkrone benutzt
wird oder eine Gestängestange und die zugehörige Ausrüstung
dazu verwandt wird, das gesamte Bohrgestänge von der
Oberfläche aus zu drehen, ist das Bohrgestänge vielen
Kräften und Momenten ausgesetzt, die aus der Bohrgestängemechanik,
aus der Wechselwirkung zwischen dem Bohrgestänge
und der Formation, aus Kräften der Schwerkraft, aus der
Art der Bohrkrone und ihrem Verschleiß und ähnlichem
resultieren. Diese haben einen Einfluß auf die Bohrkronenrichtung,
so daß es möglich ist, die Größe und Richtung
der Biegemomente in der Nähe der Bohrkrone aufgrund dieser
Kräfte zu messen und die Messungen zur Bohrkronenrichtungskorrektur
zu benutzen. Vorzugsweise werden diese
Messungen mit einem Mikroprozessor ausgeführt, der unten
im Bohrloch in der nächstgelegenen Anordnung vorgesehen
ist, um das Erfordernis einer Datenübertragung mit hoher
Geschwindigkeit zu verringern oder die Ansprechzeit zu
verkürzen.
Im folgenden wird die Arbeitsweise gemäß der Erfindung
anhand von Fig. 3 beschrieben. Eingangsdaten entstehen an
der Oberfläche und enthalten eine Information, die von
vorhergehenden seismischen Prüfungen usw. hinsichtlich der
gewünschten Richtung und des Winkels für das Bohrloch
abgeleitet sind, um von der Erdoberfläche die Oberfläche
der Zielformation zu erreichen. Diese Eingangsinformation
dient dazu, ein Bohrstrangmodell zu bilden, das seinerseits
die Eingangsdaten für ein Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
liefert, das vorzugsweise von Mikroprozessor
und Speicher 24 gebildet wird, die unten im Loch
angeordnet sind. Das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
empfängt auch Eingangsdaten
über die Eigenschaften der Bohrkrone, die angenommenen
Eigenschaften des Gesteins und Fehlersignale von einem
ersten Komperator, der die gewünschten und die gemessenen
Biegemomente vergleicht, und von einem zweiten Komperator,
der die tatsächlichen und die angenommenen Eigenschaften
der Bohrkrone und des Gesteins vergleicht. Am zweiten
Komperator liegen auch Eingangsdaten von einem dritten
Komperator, der das Gewicht an der Bohrkrone unten im Loch
und an der Oberfläche und Oberflächenbohrgeschwindigkeitsmessungen
vergleicht. Die Ausgangsdaten
des Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodells liegen
an einer Oberflächenbohrsteuerungsanzeige, um die Einstellungen
des an der Bohrkrone liegenden Gewichtes und der
Drehzahl des Bohrstranges anzuzeigen, die vorgenommen
werden müssen, um die Bohrkrone auf ihrem Weg zu halten
oder auf den gewünschten Weg zurückzuführen.
Das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell nimmt die
Information über die Eigenschaften der Bohrkrone, die
angenommenen Eigenschaften des Gesteins und die von
Bohrstrangmodell kommenden Vortriebsdaten von einem gewünschten
Vortrieb, der von der seismischen Vermessung
erreicht wird, auf und bestimmt ein erwartetes oder
ideales Biegemoment, das mit den tatsächlichen Biegemomenten
verglichen wird, die in der Nähe der Bohrkrone
gemessen werden. Der Unterschied zwischen den tatsächlichen
und den erwarteten oder idealen Biegemomenten dient
als Fehlersignal zum Korrigieren des Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodells
und der Parametereigenschaften der
Bohrkrone und des Gesteins. Diese können weiter durch
Messungen der Eigenschaften des Gesteins, wie beispielsweise
γ-Messungen, die unten im Bohrloch von einer
bekannten während des Bohrvorganges arbeitenden Meßanordnung
gemacht werden, und Korrekturen hinsichtlich der
tatsächlichen Bohrgeschwindigkeit unten im Bohrloch korrigiert
werden, um die Gesteinseigenschaften für das
Bohrlochgesteinswechselwirkungsmodell zu überarbeiten. Das
fragliche Verfahren korrigiert daher fortlaufend nach
Maßgabe der tatsächlichen Verhältnisse in Echtzeit, wie
sie angetroffen werden.
Ein Beispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Der beabsichtigte
Weg der Bohrung verläuft von A bis B. Aus irgendeinem
Grunde weicht jedoch die Bohrkrone ab, was zu einer
Versetzung D führt, anstatt den Punkt B zu erreichen. Das
macht es notwendig, daß eine Winkelfehlerkorrektur an das
Bohrgestänge gelegt wird, um die Bohrkrone auf die
beabsichtigte Bohrlinie ABC zurückzuführen.
Claims (10)
1. Verfahren zum Steuern der gerichteten Bohrung einer
Bohrkrone am unteren Ende eines Bohrstranges, dadurch
gekennzeichnet, daß Biegemomente an einem Teil des
Bohrstranges nahe an der Bohrkrone gemessen werden,
die Neigung und Ausrichtung der Bohrkrone während der
Biegemomentmessungen gemessen werden, die Eindringgeschwindigkeit
der Bohrkrone in eine Gesteinsformation
gemessen wird, ein Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
entwickelt wird und die
gemessenen Momente und Vortriebe mit dem Modell
verglichen werden, um Fehlersignale abzuleiten, und
die Bohrkronenrichtung auf die Fehlersignale ansprechend
gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fehlersignal dazu benutzt wird, das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
umzugestalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die während des Bohrvorganges erhaltene Vermessungsinformation
dazu benutzt wird, das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
umzugestalten.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Unterschied zwischen den Messungen des Gewichtes
an der Bohrkrone an der Oberfläche und unten im Loch
dazu benutzt wird, das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
umzugestalten.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Information über die Eigenschaften der Bohrkrone
und die angenommenen Eigenschaften des Gesteins dazu
benutzt wird, das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
zu entwickeln.
6. Vorrichtung zum Steuern der gerichteten Bohrung einer
Bohrkrone am unteren Ende eines Bohrstranges, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung zum Messen der Größe
und Richtung von Biegemomenten an einem Teil des
Bohrstranges nahe an der Bohrkrone, eine Einrichtung
zum Messen der Neigung und Ausrichtung der Bohrkrone
während der Biegemomentmessungen, eine Einrichtung zum
Messen der Eindringgeschwindigkeit der Bohrkrone in
eine Gesteinsformation, eine Einrichtung zum Entwickeln
eines Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
und zum Vergleichen der gemessenen Momente und
Vortriebe mit dem Modell, um ein Fehlersignal zu
entwickeln, und eine Einrichtung, die auf das Fehlersignal
anspricht, um die Richtung der Bohrkrone zu
steuern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Entwickeln eines Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodells
ein Mikroprozessor und
ein Speicher ist, die unten im Bohrloch am Bohrstrang
angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Entwickeln eines Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodells
eine Information über
eine während des Bohrvorganges erhaltene Messung
empfängt und diese dazu benutzt, das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
nach Maßgabe der
Formation zu modifizieren, auf die die Bohrkrone
gerade trifft.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine
Einrichtung zum Vergleichen der tatsächlichen Biegemomentmessungen
mit Biegemomentmessungen, die von dem
Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell abgeleitet
werden, und zum Erzeugen eines Fehlersignals, das dazu
benutzt wird, das Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodell
umzugestalten.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine
Einrichtung zum Eingeben der Daten über die Eigenschaften
der Bohrkrone und die angenommenen Eigenschaften
des Gesteins in die Einrichtung zum Entwickeln
des Bohrkronengesteinswechselwirkungsmodells.
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