DE102004035772A1 - System und Verfahren zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens - Google Patents

System und Verfahren zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens Download PDF

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Abstract

Während-des-Bohrens-System und -Verfahren zum Bestimmen des Ringraumdrucks während des Bohrens. Das System ist in einem Bohrwerkzeug angeordnet, das über einen Bohrstrang an einem Bohrgestell aufgehängt ist. Das System umfasst wenigstens eine Schwerstange, ein Während-des-Bohrens-Werkzeug und wenigstens einen externen Sensor. Die Schwerstange besitzt eine rohrförmige Seitenwand, die einen Durchgang darin für das Hindurchfließen von Bohrschlamm definiert. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug ist in dem Durchgang der wenigstens einen Schwerstange getragen und wahlweise herausholbar. Der externe Sensor ist in der Seitenwand der Schwerstange angeordnet und von dem Durchgang getrennt. Der Sensor ist dem Bohrloch ausgesetzt, um es zu vermessen, und geeignet, mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug drahtlos zu kommunizieren. Das System ist vorzugsweise zur Verwendung in Umgebungen mit hoher Temperatur und hohem Druck geeignet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens.
  • Die Erfindung betrifft somit allgemein Bohrloch- oder Downhole-Werkzeuge, die zur Durchführung von Bohrlochoperationen verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zum Bestimmen von Bohrlochparametern mit einem herausholbaren Während-des-Bohrens-Bohrlochwerkzeug.
  • Das Gewinnen von Kohlenwasserstoffen aus unterirdischen Formationen beinhaltet das Bohren von Bohrlöchern in die Erde. Um das Bohrloch zu erzeugen, wird ein Bohrloch-Bohrwerkzeug an einem Bohrgestell aufgehängt und über einen Bohrstrang in die Erde vorgetrieben. Während des Bohrvorgangs ist es wünschenswert, Informationen über die Bedingungen im Bohrloch zu erlangen. Solche Informationen sind beispielsweise für das Lokalisieren vorteilhafter Formationen, Beseitigen möglicher Probleme und Verbessern des Bohrvorgangs nützlich.
  • Bohrloch-Bohrwerkzeuge sind üblicherweise mit einer unteren Bohrlochvorrichtung (BHA = bottom hole assembly) versehen, die aus einer oder mehreren Schwerstangen mit verschiedenen darin befindlichen Instrumenten besteht. Ein solches Instrument (oder eine Kombination solcher Instrumente), das üblicherweise in der BHA angeordnet ist, ist ein Messen-während-des-Bohrens-(MWD – measurement while drilling)- oder Protokollieren-während-des-Bohrens-(LWD = logging while drilling)-Werkzeug (das hier zusammengefasst als Während-des-Bohrens- oder WD-Werkzeug bezeichnet wird). WD-Werkzeuge umfassen üblicherweise eine Kombination von Sensoren, Telemetrieeinrichtungen, Stromversorgungen und/oder weiteren Instrumenten zur Durchführung verschiedener Funktionen im Bohrloch wie etwa das Erlangen von Messwerten im Bohrloch, das Zusammenstellen von Informationen über den Bohrvorgang und das Kommunizieren mit der Oberfläche. Beispiele vorhandener MWD-Werkzeuge und -Systeme sind in US 5 357 483 (Halliburton), in US 5 517 464 und in der US-Patentanmeldung Nr. 20030080743 (Baker Hughes) beschrieben. Beispiele von LWD-Werkzeugen sind in US 4 899 112 beschrieben. Manche WD-Werkzeuge können außerdem von dem Bohrloch-Bohrwerkzeug aus eingeholt und wieder eingesetzt werden, wie es beispielsweise in US 6 577 244 beschrieben ist. Wenigstens einige dieser WD-Werkzeuge können anfällig für eine Leckage und einen Abdichtungsfehler um Öffnungen, die durch die Schwerstange verlaufen, sein und/oder anderweitig einen Mangel an Zuverlässigkeit oder Leistungsfähigkeiten in verschiedenartigen Bohrlochumgebungen zeigen.
  • Gegenwärtige WD-Werkzeuge und zugehörige Instrumente (WD-Systeme) sind üblicherweise in zylindrischen und hohlen Stahlschwerstangen untergebracht, um sie davor zu schützen, Feuchtigkeit, Wärme, Chemikalien und/oder Druck ausgesetzt zu sein. Jedoch ist es wünschenswert, bestimmte Instrumente wie etwa Sensoren in der Weise zu positionieren, daß sie genauere Messungen durchführen können, ohne die mögliche Gefahr einer Beschädigung und/oder einer ungeschützten Lage für den Rest des WD-Systems zu erhöhen. Die Gefahr eine Leckage und/oder einer Beschädigung kann in Situationen, in denen Öffnungen durch die Schwerstangen hindurch in das WD-System führen, zunehmen. Daher sollte das Bohrloch-Bohrwerkzeug ferner für unter anderem wenigstens eine der folgenden Möglichkeiten geeignet sein: Herausholenbarkeit aus dem Bohrwerkzeug, Wiedereinsetzbarkeit in das Bohrwerkzeug, drahtlose Kommunikation zwischen Instrumenten, Isolation bestimmter Komponenten von den Bohrlochbedingungen, Einholen bestimmter Komponenten an die Oberfläche zwecks Austausch, Wartung und/oder Einstellung und/oder Leckagefestigkeit. Außerdem optimiert ein solches System vorzugsweise die Bohrleistung, verkürzt die Bohrzeit und trägt zu einer höheren Eindringgeschwindigkeit und Genauigkeit der Bohrlochplatzierung in Bohrumgebungen bei.
  • Das Bohrwerkzeug sollte ferner auch unter extrem rauen Bohrlochbedingungen gute Leistungen erbringen können. Das Downhole-Bohren von Bohrlöchern wie etwa Ölbohrungen bringt extreme Betriebsbedingungen wie etwa hohe Temperaturen, hohe Drücke und starke physische Stöße mit sich. Größtenteils wird in extremen Tiefen unter der Erdoberfläche oder tief unter dem Meeresboden gebohrt. Die von Downhole-Erdölsuchwerkzeugen angetroffene Umgebung kann sehr rau sein. Temperaturen von bis zu 200 °C und darüber sowie Drücke von bis zu 1,38 × 108 Pa sind nicht ungewöhnlich. Folglich versuchen Hersteller von Erdölsuchwerkzeugen, robuste Werkzeuge zu entwerfen, die für längere Zeiträume einen Betrieb unter rauen Bedingungen aushalten.
  • Die vielleicht herausforderndste aller Bedingungen besteht darin, eine Elektronik zu entwerten, die unter Hochtemperaturbedingungen zuverlässig arbeiten kann. Standard-Elektronikkomponenten sind gewöhnlich nur für einen Betrieb von bis zu etwa 125 °C ausgelegt. Somit wird es erforderlich, elektrische Komponenten zu schaffen oder durch Versuch herauszufinden, die die hohen Temperaturen, die im Bohrloch vorkommen, überstehen können.
  • Es sind verschiedene Downhole-Instrumente entwickelt worden, die mit bestimmten Hochtemperatur- oder Hochdruckbedingungen umgehen können. Es gibt beispielsweise auf 150 °C spezifizierte MWD-Werkzeuge, die die Neigung und die Gammastrahlung in Echtzeit liefern können. Es gibt ebenso auf 175 °C spezifizierte MWD-Werkzeuge, die unter bestimmten Bedingungen bei bestimmten Anwendungen arbeiten können. Jedoch bieten keine im Handel erhältlichen MWD-Werkzeuge, die für längere Zeiträume bei über 175 °C arbeiten können, die gewünschten Betriebsmerkmale wie etwa Echtzeit-Gammastrahlung, Herausholbarkeit und Wiedereinsetzbarkeit sowie Vibrationserfassung.
  • Es sind Versuche gemacht worden, Downhole-Werkzeuge mit den gewünschten Fähigkeiten zur Verwendung unter Hochtemperaturbedingungen zu entwickeln. Beispielsweise ist ein Downhole-Werkzeug auf 180 °C ausgelegt worden, mit der Möglichkeit 200 °C zu überstehen, jedoch fehlen die kontinuierliche Neigung und die Möglichkeit zum Herausfischen oder Einholen. Die Zuverlässig keit eines solchen Werkzeugs ist bei einem Betrieb in Bohrlöchern mit über 170 °C noch nicht überprüft worden. Ein anderes Werkzeug ist auf 200 °C ausgelegt, jedoch fehlen Gammastrahlung, kontinuierliche Neigung, Ringraumdruck und Herausholbarkeit, wobei gesagt wird, daß es ihm an Zuverlässigkeit mangelt und die Geschwindigkeit der Kommunikation mit der Oberfläche niedrig ist. Außerdem wird die Elektronik üblicherweise weggeworfen, sobald sie 175 °C überschritten hat, und zwar trotz der Verwendung von 225-°C-SOI-(silicon-on-insulator)-Komponenten.
  • Elektronische Komponenten werden als eines der Haupthindernisse für Hochtemperatur-MWD-Werkzeuge betrachtet, da im Handel nur wenige 200-°C-Komponenten erhältlich sind. Jene, die erhältlich sind, fallen typisch in drei Hauptkategorien: (1) Legacy-Keramikkomponenten, die zumeist für den militärischen Mark entwickelt wurden und eventuell bei hohen Temperaturen arbeiten, (2) Multichipmodule, die von Endverbrauchern und anderen unter Anwendung einer Prägeplatte entwickelt wurden (oder entwickelt werden können) und dafür bekannt sind, daß sie bei hohen Temperaturen arbeiten, und (3) einige sehr grundlegende und sehr teure SOI-Komponenten, die speziell für den 200-°C-Markt oder darüber entwickelt wurden.
  • Es sind Versuche gemacht worden, einen Prozess zu entwickeln, der für die Herstellung digitaler und gemischter analoger/digitaler Bausteine für sehr hohe Temperaturen geeignet ist. Obwohl solche Versuche auf lange Sicht sehr interessant sind, bleiben die Produkte für kommerzielle Prozesse unerhältlich. Einzelne Komponenten sind noch zu entwickeln und erfordern hohe Kosten.
  • Ein Bedarf besteht des Weiteren an einem neuen herausholbaren und wieder einsetzbaren WD-Werkzeug. Die Möglichkeit des Herausholens und Wiedereinsetzens stellt eine große Verbesserung gegenüber vorhandenen Techniken dar, da Werkzeuge, die in rauen Umgebungen versagen, durch Seilarbeit entfernt und ersetzt werden können, wodurch sich ein langwieriges und teures Herausfahren aus dem Loch und Wiedereinfahren in das Loch per Rohr erübrigt.
  • Das Werkzeug sollte für Durchführung der Erfassung von kontinuierlicher Neigung und Vibration im Bohrloch und der Erfassung von Ringraumdruck und Gammastrahlung, Ringraum- und/oder Innendruck in Echtzeit während des Bohrens, kontinuierlicher Neigung in Echtzeit und Gammastrahlung in Echtzeit sowie für Vibrationsüberwachung in Echtzeit, Hochgeschwindigkeitsbetrieb, Hochleistungssystemcontroller/Signalverarbeitung, sehr schnelle Datenerfassung, Gam mastrahlungsmessung und -erfassung und/oder Druckmessung und/oder für die Möglichkeit einer Wiederabdichtung nach einer Druckerfassung geeignet sein, und zwar jeweils für längere Zeitperioden und selbst unter Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen. Ein solches Werkzeug und die damit zusammenhängenden Komponenten wie etwa Sensoren, Elektronik, Verpackung, Materialien und Druckgehäuse sollten ferner in Hochtemperaturbereichen von wenigstens etwa 175 °C und vorzugsweise von über wenigstens etwa 200 °C bei Drücken von wenigstens über 20 kpsi (1406,6 kg/cm) betreibbar sein.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher, ein System und ein Verfahren zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens mit einer oder mehreren dieser erweiterten Fähigkeiten zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 bzw. 22 gelöst.
  • In wenigstens einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens. Das System ist in einem Downhole-Bohrwerkzeug angeordnet, das über einen Bohrstrang an einem Bohrgestell aufgehängt ist. Das Downhole-Bohrwerkzeug ist in einem eine unterirdische Formation durchdringenden Bohrloch angeordnet. Das System umfasst wenigstens eine Schwerstange mit einer rohrförmigen Seitenwand, die einen Durchgang darin für das Hindurchfließen von Bohrschlamm definiert, ein Während-des-Bohrens-Werkzeug, das in dem Durchgang der wenigstens einen Schwerstange getragen ist und wahlweise herausholbar ist, und wenigstens einen externen Sensor, der in der Seitenwand der Schwerstange angeordnet und von dem Durchgang getrennt ist. Der wenigstens eine Sensor ist dem Bohrloch ausgesetzt, um dieses zu vermessen, und geeignet, mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug drahtlos zu kommunizieren.
  • In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens. Das Verfahren beinhaltet das Vortreiben eines Downhole-Bohrwerkzeugs in die Erde, um ein Bohrloch zu bilden, das Erfassen von Bohrlochparametern über einen oder mehrere externe Sensoren, die in einer Tasche der rohrförmigen Seitenwand angeordnet sind, das drahtlose Leiten von Signalen zwischen dem WD-Werkzeug und den ein oder mehreren externen Sensoren und das wahlweise Herausholen des WD-Werkzeugs aus dem Downhole-Bohrwerkzeug. In einigen Ausführungsformen verbleibt der externe Sensor nach dem Einholen des WD-Werkzeugs in dem Bohrwerkzeug. In anderen Ausführungsformen wird der externe Sensor zusammen mit dem WD-Werkzeug herausgeholt. Das Downhole-Bohrwerkzeug umfasst wenigstens eine Schwerstange mit einem darin befindlichen WD-Werkzeug. Die Schwerstange besitzt eine rohrförmige Seitenwand, die einen Durchgang darin für das Hindurchfließen von Bohrschlamm definiert. Die ein oder mehreren externen Sensoren sind vorzugsweise von dem Durchgang getrennt.
  • Schließlich bezieht sich die Erfindung in einem nochmals weiteren Aspekt auf ein System zum Messen von Bohrlochparametern. Das System ist in einem Downhole-Bohrwerkzeug angeordnet, das in einem Bohrloch unter einem Bohrgestell aufgehängt ist. Das System ist mit einem einholbaren Während-des-Bohrens-Werkzeug und mit wenigstens einem Sensor versehen. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug ist in dem Downhole-Bohrwerkzeug angeordnet. Das Bohrwerkzeug weist einen inneren Durchgang für den Durchlass von Schlamm auf. Der wenigstens eine Sensor ist in einer Schwerstange des Downhole-Bohrwerkzeugs angeordnet und von dem Durchgang getrennt. Der wenigstens eine Sensor ist für das Messen von Bohrlochparametern geeignet. Der Drucksensor ist für eine Kommunikation mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug geeignet, wobei zwischen diesen Signale übertragen werden.
  • Vorzugsweise arbeitet das System unter Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen wie etwa über etwa 200 °C und etwa 20 kpsi (1406,5 kg/cm). Das System kann mit einem Systemcontroller, einem Signalprozessor, einem Datenerfassungssystem und Sensoren versehen sein. Die Sensoren können beliebige Sensoren wie etwa ein Sensor für die Vibrationserfassung im Bohrloch, ein Richtungs- und Neigungs-Werkzeug, ein Sensor für den Ringraumdruck (während des Bohrens), ein Gammastrahlensensor und ein Sensor für die kontinuierliche Neigung sein.
  • Die Sensoren sind geeignet, entweder Gammastrahlung, Stoß, Vibration, Innen- oder Außendruck, Temperatur, Schallgeschwindigkeit, Ankunftszeit oder Kombinationen davon zu messen. Der Sensor kann innerhalb des Downhole-Bohrwerkzeugs angeordnet und geeignet sein, entweder Gammastrahlung, Stoß, Vibration, Druck, Temperatur oder Kombinationen davon zu messen. Das System kann eine Während-des-Bohrens-Signaleinheit in dem Während-des-Bohrens-Werkzeug und eine Sensorsignaleinheit in dem Sensor für die drahtlose Übertragung von Signalen dazwischen umfassen. Die Signale können entweder Befehlssignale, Kommunikationssignale, Leistungssignale oder andere Signale sein.
  • Die Signal- und Sensoreinheiten sind vorzugsweise entweder mit Legacy-Keramik- oder SOI-Komponenten, Multichipmodulen, FPGA-Komponenten (vom Anwender programmierbaren Gate-Array-Komponenten) oder Kombinationen davon versehen. Das System kann außerdem mit einem Steuersystem versehen sein, das einen Controller, einen Prozessor, ein Datenerfassungsmodul, einen Sender, einen Empfänger und/oder eine Kommunikationsschaltung umfasst. Die Sensoren können einen Sender, einen Empfänger, eine Messvorrichtung und/oder eine Leistungsquelle umfassen. Die Leistungsquelle kann über das Während-des-Bohrens-Werkzeug aufladbar sein. Das System kann außerdem mit einem Verriegelungsmechanismus versehen sein, der geeignet ist, das Während-des-Bohrens-Werkzeug in der Schwerstange auszurichten.
  • Das System umfasst vorzugsweise Fähigkeiten für kontinuierliche Richtung und Neigung. Vorzugsweise führt das System kontinuierliche Messungen in Echtzeit und/oder unter Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen durch.
  • Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen deutlich.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines an einem Bohrgestell aufgehängten und im Bohrloch befindlichen Downhole-Bohrwerkzeugs, das ein WD-System enthält.
  • 2 ist eine Ansicht des WD-Systems von 1 in einem Längsschnitt.
  • 3 ist eine schematische Darstellung der Komponenten des WD-Systems von 2.
  • 4 ist eine Detailansicht des internen Sensors von 2.
  • 5 ist eine Detailansicht des externen Sensors von 2.
  • 6 ist eine Teilansicht in einem Querschnitt einer alternativen Ausführungsform des WD-Systems von 2, die ein drahtloses Kommunikationssystem zeigt.
  • 7 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des drahtlosen Kommunikationssystems von 6.
  • 8 ist ein Ablaufplan eines Verfahrens zum Durchführen von Messungen im Bohrloch mit einem einholbaren Während-des-Bohrens-Werkzeug.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Bohrgestells 10 und eines Bohrstrangs 12. Das Bohrgestell ist auf der Bohrgestellsohle 15 aufgestellt und mit dem Bohrstrang durch ein System aus Seilen und Seilscheiben (nicht gezeigt), mit dem es den Bohrstrang trägt, verbunden. Der Bohrstrang hängt vom Bohrgestell 10 in ein Bohrloch 17 herab, das eine Formation F durchdringt. Der Bohrstrang umfasst Gestängerohre 16 (wovon drei in 1 gezeigt sind), eine untere Bohrlochvorrichtung (BHA) 9 und eine Bohrkrone 5 an seinem unteren Ende. Üblicherweise wird von der Formation stets nur ein Teil des Gewichts des Bohrstrangs getragen. Der übrige Teil wird üblicherweise durch die Aufhängung durch das Bohrgestell, die Seile und Seilscheiben sowie andere tragende Komponenten aufgefangen. Das Bohren des Bohrlochs beginnt, wenn der Bohrer durch verschiedene Mittel, entweder durch Drehen des Drehtisches des Bohrgestellsockels (nicht gezeigt) oder durch einen Bohrmotor (nicht gezeigt), der zwischen die Bohrkrone und den Rest des Bohrstrangs geschaltet ist, in Drehung versetzt wird.
  • Während des Bohrvorgangs wird ein spezielles Fluid, das schlicht als "Schlamm" 3 bezeichnet wird, aus einer Grube über ein Rohr 2 durch den Bohrstrang 12 und die BHA 9 hindurch und aus der Bohrkrone 5 heraus gepumpt. Das Fluid strömt aus der Bohrkrone heraus und wird durch einen Raum oder Ringraum 7 in dem Bohrloch zwischen dem Werkzeug und der Bohrlochwand längs des Bohrlochs nach oben und durch das Rohr 4 zurück gedrückt, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Der Bohrfluidfluss durch das Werkzeug wird verwendet, um Energie zu beschaffen und eine Kommunikation durch Schlammimpuls-Telemetriesysteme zu ermöglichen, wie ein Fachmann auf diesem Gebiet weiß. Die Verwendung solcher Downhole-Bohrwerkzeuge ist beispielsweise in US 5 357 483 (Halliburton) und US 5 517 464 beschrieben. Vorzugsweise ist das verwendete Telemetriesystem mit der vorhandenen Oberflächen-Demodulationseinrichtung kompatibel. Außerdem ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Echtzeit-Bohren mit einem intelligenten Entscheidungsfindungssystem auf dem Bohrgelände gekoppelt ist.
  • Die BHA 9 von 1 umfasst Schwerstangen 18 (wovon eine oder mehrere verwendet werden können), die Bohrlochinstrumente enthalten, die zur Durchführung verschiedenartiger Operationen im Bohrloch verwendet werden. Eine Gruppe solcher Instrumente wird allgemein als Während-des-Bohrens- oder WD-System 19 bezeichnet. Das WD-System umfasst ein Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 wie etwa ein Protokollieren-während-des-Bohrens-(LWD)- oder Messen-während-des-Bohrens-(MWD)-Werkzeug oder ein anderes Während-des-Bohrens-Werkzeug und zugehörige Sensoren (2). Das Während-des-Boh rens-Werkzeug 14 wird zur Erfüllung von Downhole-WD-Funktionen wie unter anderem der Durchführung von Messungen im Bohrloch und der Kommunikation mit der Oberfläche verwendet. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 kommuniziert mit den Sensoren, um Messungen im Bohrloch durchzuführen. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug kann verwendet werden, um beispielsweise Richtung, Neigung, Gammastrahlung, Druck, Stoß, Vibration, Schallgeschwindigkeit, seismische Ankunftszeit und/oder andere natürliche oder vom Menschen verursachte Phänomene zu bestimmen. Außerdem können zur Verarbeitung zusätzlicher Informationen zugeordnete Prozessoren und Computer enthalten sein.
  • Vorzugsweise sind die Sensoren für hohe Temperatur und hohen Druck ausgelegt und können in Echtzeit und/oder im Aufzeichnungsmodus Messwerte erzeugen. Es können verschiedene Sensoren wie etwa langlebige Gammastrahlen-(GR)-Sensoren verwendet werden. Einige dieser Sensoren arbeiten für eine kürzere Zeitspanne bei 200 °C. Solche Sensoren sind vorzugsweise so modifiziert, daß sie bei dieser Hochtemperaturanwendung Messwerte liefern. Sensoren zum Erfassen des Drucks bei hohen Temperaturen können ebenfalls verwendet werden. Solche Sensoren sollten zumindest die Genauigkeits- und Empfindlichkeitsanforderungen für die 200-°C-Bohrumgebung erfüllen.
  • Das WD-Werkzeug 14 kann in die BHA eingesetzt werden, bevor die Schwerstange 18 mit den anderen Schwerstangen, dem Gestängerohr, der Bohrkrone und dem Bohrmotor, falls vorhanden, verbunden wird. Alternativ kann das WD-Werkzeug an einem Seil, das mit einem mechanischen Verbinder, der manchmal als Seilarbeitsverbinder (nicht gezeigt) bezeichnet wird, verbunden ist, in die Tiefe gelassen werden. Das WD-Werkzeug wird durch den Bohrstrang 16 zur Schwerstange 18 abgesenkt, nachdem diese im Bohrloch untergebracht ist. Das WD-System kann über ein Seil entfernt und ein anderes WD-System an seine Stelle gesetzt werden, nachdem die Schwerstange in das Bohrloch hinab gelassen worden ist. Einholsysteme für Während-des-Bohrens-Werkzeuge sind beispielsweise in US 6 577 244 beschrieben. Techniken, die die Anforderungen an Herausholbarkeit und Wiedereinsetzbarkeit des Werkzeugs bei hoher Temperatur und hohem Druck erfüllen, werden bereitgestellt.
  • 2 zeigt ein WD-System, das als WD-System 19 von 1 verwendbar ist. Dieses WD-System umfasst die Schwerstange 18, das Während-des-Bohrens-Werkzeug 14, einen internen 20 und einen externen Sensor 21. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug in diesem Beispiel erlangt Informationen von mehreren Quellen wie etwa dem internen Sensor 20 und dem externen Sensor 21. In dem WD-System können, wie einem Fachmann klar ist, herkömmliche Während-des-Bohrens-Werkzeuge verwendet werden. Beispiele von Während-des-Bohrens-Werkzeugen sind beispielsweise in US 5 677 244 beschrieben.
  • Die Sensoren werden zur Durchführung von Messungen wie etwa des Drucks verwendet. Der Sensor kann irgendein Sensortyp wie etwa ein Dehnungsmessstreifen sein. Diese Sensoren sammeln Informationen und übermitteln diese an das Während-des-Bohrens-Werkzeug. Im Fall der Innendruckmessung überträgt sich der Druck durch den durch die Schwerstange verlaufenden Durchgang 23 hindurch auf den im Während-des-Bohrens-Werkzeug eingebetteten internen Sensor 20. Der interne Sensor 20 ist dem Druck des Bohrschlamms, der durch einen Durchgang 23 zwischen dem Werkzeug und der Schwerstange strömt, ausgesetzt.
  • Im Fall der Außendruckmessung überträgt sich der Druck durch eine seitlich durch die Schwerstange 18 verlaufende Öffnung 26 und die Hülse 24 hindurch auf den im Während-des-Bohrens-Werkzeug eingebetteten externen Sensor 21. Der externe Sensor ist in der Nähe der Hülse 24 zwischen dem Während-des-Bohrens-Werkzeug und der Schwerstange angeordnet. Der externe Sensor ist über die Öffnung 26 Bohrlochfluiden und Drücken außerhalb der Schwerstange ausgesetzt. Um zu verhindern, daß der Außendruck mit dem Innendruck in Verbindung kommt, sind vorzugsweise Druckdichtungen, in diesem Beispiel in Form von O-Ringen, vorgesehen.
  • Das Während-des-Bohrens-Werkzeug ist vorzugsweise mit einem Verriegelungsmechanismus 22 versehen, der geeignet ist, das Werkzeug in einer Schwerstange an Ort und Stelle zu sichern. Der Verriegelungsmechanismus ist vorzugsweise ein mechanisches Anpassteil zwischen der Schwerstange 18 und dem Während-des-Bohrens-Werkzeug 14. Der Verriegelungsmechanismus umfasst eine Keilnut 27 oder Vertiefung in dem Während-des-Bohrens-Werkzeug und einen entsprechenden Keil 25, der an dem Während-des-Bohrens-Werkzeug angeordnet ist. Der Keil und die Aufnahme verbinden sich wirksam, derart, daß das Werkzeug in der Schwerstange sitzt und gesichert ist. Der Keil wird außerdem dazu verwendet, das Während-des-Bohrens-Werkzeug in der Schwerstange auszurichten und das WD-System darauf zu orientieren. Der Sensor 21 ist vorzugsweise an der dem Keil 25 gegenüberliegenden Schwerstange 18 angeschlossen. Andere Ausführungsformen der Erfindung könnten den Sensor in dem Keil auf nehmen, oder es könnte mehrere Orte oder mehrere Sensoren, die sich an anderen Stellen in der Werkzeug/Schwerstange-Anordnung befinden, geben.
  • Der Verriegelungsmechanismus kann aktiviert werden, wenn das Werkzeug an der Oberfläche in die Schwerstange eingesetzt oder aus dieser entfernt wird. Alternativ kann der Verriegelungsmechanismus aktiviert werden, wenn das Während-des-Bohrens-Werkzeug im Bohrloch in die Schwerstange eingesetzt oder aus dieser entfernt wird. Dieses Werkzeug kann mit Hilfe einer Seilarbeits- und Befestigungsvorrichtung entfernt und unter Verwendung derselben Seilarbeits- und Befestigungsvorrichtung durch ein anderes Werkzeug ersetzt werden. Gegenwärtig sind im Handel Verriegelungsmechanismen für das Einsetzen, Entfernen und Wiedereinsetzen von vorhandenen Richtungs- und Neigungswerkzeugen (D&I-Werkzeugen) erhältlich. Ein solcher Verriegelungsmechanismus kann für die Verwendung in Hochtemperatur- und/oder Hochdruck-Umgebungen angepasst werden. Dieses Werkzeug ist vorzugsweise geeignet, diese mechanische Verbindung bei hohen Temperaturen und hohen Drücken herzustellen.
  • 2 zeigt außerdem verschiedene weitere Komponenten, die integral oder in Verbindung mit dem WD-System 19 und/oder dem Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 vorgesehen sein können. Es ist beispielsweise gezeigt, daß das Während-des-Bohrens-Werkzeug eine Leistungsquelle wie etwa Batterien 30 und/oder eine Erzeugung 32 für elektrische Leistung enthält. Die Batterien können speziell entwickelt oder Batterien aus dem Warenregal sein. Es kann ein Generator wie etwa ein handelsüblicher Generator, der den Schlammfluss zur Erzeugung von Elektrizität nutzt, verwendet werden. Vorzugsweise ist jede Leistungsquelle, die verwendet wird, für eine hohe Temperatur und einen hohen Druck ausgelegt. Das System kann beispielsweise mit Hilfe einer Hochtemperatur-Stromversorgung arbeiten.
  • Das Während-des-Bohrens-Werkzeug ist außerdem mit einem Systemcontroller und/oder Signalprozessor 34 und einem Datenerfassungssystem 36 versehen. Das Datenerfassungssystem umfasst vorzugsweise Sensoren wie etwa einen Richtungs- und Neigungssensor, einen Gammastrahlensensor, einen Vibrationssensor und einen Temperatursensor. Daneben können weitere Sensoren vorgesehen sein.
  • Außerdem sind Verbinder 38 und 40 für die Kommunikation mit der Oberfläche (uphole) bzw. für die Kommunikation mit dem Bohrloch (downhole) vorgesehen. Außerdem können zur Unterstützung der Einholung des Während-des- Bohrens-Werkzeugs und/oder der Herstellung einer Kommunikation mit der Oberfläche ein Seilarbeitsverbinder 42 und eine Uphole-Telemetrie 44 verwendet werden. Diese und andere Bohrlochinstrumente können auch vorgesehen sein, um vielfältige Leistungs-, Kommunikations-, Verarbeitungsoperationen und andere Operationen durchzuführen. Vorzugsweise sind die Komponenten für das Downhole-Werkzeug für die Benutzung bei Hochtemperatur, Stoß und Druck ausgelegt.
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die die Funktionsweise des WD-Systems veranschaulicht. Das WD-System umfasst vorzugsweise einen Systemcontroller und einen Signalprozessor 35, ein Datenerfassungssystem 41, einen Verbinder für die Kommunikation mit der Oberfläche (uphole) 33, einen Verbinder für die Kommunikation mit dem Bohrloch (downhole) 37, eine Schlammimpuls-Telemetrie und Stromerzeugung 31, und verschiedene Sensoren (39, 45, 41, 49). Diese Komponenten können in das Während-des-Bohrens-Werkzeug integriert oder wirksam mit diesem verbunden sein. Einige dieser Komponenten sind Teil anderer Instrumente, die in verschiedenen anderen Abschnitten des Downhole-Werkzeugs angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt ist, umfassen die Sensoren einen Gammastrahlensensor 45, einen D&I-Sensor 49, einen Ringraum- und Innendrucksensor 47, einen Temperatursensor und einen Downhole-Vibrations- und -Temperaturdetektor 39. Jedoch kommen auch weitere Instrumente in Betracht.
  • Wie gezeigt ist, sammeln die Sensoren Daten und senden diese an das Datenerfassungssystem 41. Das Datenerfassungssystem kommuniziert mit dem Systemcontroller und dem Signalprozessor. Der Systemcontroller kann Befehle an das Datenerfassungssystem senden, um die Sensoren zu aktivieren und Informationen zu sammeln. Der Signalprozessor sammelt von dem Datenerfassungssystem empfangene Informationen und setzt diese zusammen. Die Informationen können dann über die Uphole- und Downhole-Kommunikationsverbinder an die Oberfläche und/oder den Rest des Werkzeugs gesendet werden. In dem WD-System oder in der Umgebung des WD-Systems können weitere Komponenten angeordnet sein, die ebenfalls betrieben werden können. Das Telemetriesystem und die Erzeugung für elektrische Leistung können verwendet werden, um den Systemcontroller und die Sensoren und/oder Verbinder sowie die anderen Komponenten mit Kommunikation und Energie zu beliefern.
  • Zwecks erhöhter Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen enthält die gesamte Systemelektronik wie unter anderem jene, die in Verbindung mit dem Sys temcontroller und dem Signalprozessor verwendet wird, hauptsächlich hermetisch verschlossene Multichipmodule (MCMs). MCMs dienen außerdem dazu, Zwischenverbindungen zwischen integrierten Schaltungen und Schaltkarten, eine bei Hochtemperaturanwendungen eigentümliche Schwäche, zu erübrigen oder wenigstens zu minimieren. Da sehr hohe Temperaturen dazu führen, die Lebensdauer elektronischer Baugruppen radikal zu verkürzen, ermöglicht diese Erfindung den Austausch von Schaltkarten und anderer Baugruppen mit der Möglichkeit der Wiederverwendung von teuren MCMs und anderen Komponenten.
  • Um die Zuverlässigkeit und Resistenz gegen Umgebungsbedingungen zu erhöhen, sind die elektronischen Komponenten in dem Gehäuse vorzugsweise mit zusätzlichen Schutzmitteln verstärkt. Eine solche Elektronik kann beispielsweise mit Legacy-Keramikkomponenten, die zumeist für den militärischen Markt entwickelt worden sind und eventuell bei hohen Temperaturen arbeiten, Multichipmodulen, die von Endverbrauchern und anderen unter Anwendung einer Prägeplatte entwickelt wurden (oder entwickelt werden können) und dafür bekannt sind, daß sie bei hohen Temperaturen arbeiten, und/oder SOI-(silicon-on-insulator)-Komponenten versehen sein. Solche verstärkten Komponenten sind im Handel erhältlich. Weitere Techniken, die zur Verstärkung von Komponenten verwendet werden können, umfassen FPGA-Bausteine (vom Anwender programmierbare Gate-Array-Bausteine) und gemischte analoge/digitale Bausteine, langlebige Gammastrahlen-(GR)-Sensoren, Hochtemperatur-Stromversorgungen, Telemetriesysteme, die mit vorhandenen Systemen kompatibel sind, Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung, Sensoren zur Erfassung hoher Temperaturen und Echtzeit-Bohrsysteme. Weitere Komponenten des Systems wie etwa die Sensoren, die Elektronik, die Verpackung, die Materialien und die Druckgehäuse sind ebenfalls vorzugsweise für Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen ausgelegt.
  • Hochtemperatur-Elektronikkomponenten sind auch vorgesehen, um für einen zuverlässigen Betrieb dieses Werkzeugs zu sorgen. Vorhandene SOI-Komponenten werden stets dann verwendet, wenn keine zuverlässigen Alternativen verfügbar sind. Außerdem können in Verbindung mit dem vorgeschlagenen Werkzeug FPGA- und Mischsignalprozesse angewandt werden. Diese Prozesse sind für eine sehr schnelle Datenerfassung und Signalverarbeitung besonders geeignet.
  • Die Funktion des Werkzeugs und seiner Komponenten wird vorzugsweise geprüft. Spezifikationen für die Ausführungsumgebung oder das Einsatzprofil für dieses Werkzeug können auf eine maximale Temperatur und einen maximalen Druck bei einer anfänglichen Zwischentemperatur und einem anfänglichen Zwischendruck (von beispielsweise etwa 400 °F (204,44 °C) und etwa 20 kpsi (1406,5 kg/cm) festgelegt werden. Es werden diejenigen in Frage kommenden elektronischen Komponenten, Teilsysteme und mechanischen Gruppen, die bei Temperatur solche Leistungen erbringen können, daß ein Betrieb innerhalb der aufgestellten Spezifikationen gewährleistet ist, verwendet. Der Betrieb des Systems kann durch thermische Analyse mit Hilfe von Wärmebild-Kameras und/oder computergestützter Wärmemodellbildung geprüft werden, wobei der korrekte Wärmefluss und/oder eine ausreichende Wärmeabstrahlung geprüft werden. Die virtuelle Qualifikation, eine CAD-Methodenlehre für die Prüfung der Qualität und Verbesserung der Überlebensfähigkeit elektronischer Gruppen durch Verwendung von validierten Fehlermodellen kann ebenfalls durchgeführt werden.
  • Prüfvorrichtungen und Prüfgehäuse können verwendet werden, um die Hochdruckleistung der mechanischen und elektronischen Gruppen in Hochtemperatur-Hochdruck-Prüfkammern zu verifizieren und zu qualifizieren. Die erschöpfende Umweltprüfung und -qualifikation kann verwendet werden, um die Temperaturobergrenzen vorhandener und in Frage kommender elektronischer und mechanischer Komponenten zu bestimmen.
  • Sobald die in Frage kommenden elektronischen und mechanischen Komponenten die anfängliche Prüfung durchlaufen haben, kann außerdem die Umweltqualifikation durchgeführt werden, um die gewünschte Leistung zu prüfen. Umweltqualifikationen bestehen vorzugsweise aus der Temperatur- und Stoß-Qualifikationsprüfung gemäß einem Einsatzprofil. Fehler können analysiert werden, und Fehlerberichte können angelegt werden. Die Verifizierung von Komponenten kann die Identifizierung, Prüfung und Qualifizierung der gesamten Steuerung, Kommunikation, Leistungselektronik, Systemelektronik und anderen zentralen Elektronik, Sensoren, Gehäuse, Leistungsquellen usw. umfassen.
  • 4 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils des WD-Systems 19 von 2, die den internen Sensor näher zeigt. Diese Figur zeigt, wie der Innendruck oder Druck innerhalb der Schwerstange gemessen wird. Der interne Sensor 20 ist im Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 angeordnet. Eine Öffnung 43 erstreckt sich von dem internen Sensor 20 zum Durchgang 23, um zwischen diesen eine Fluidkommunikation herzustellen. Der Sensor 20 ist mit einem Druckmesser versehen, der dem Durchgang und über die Öffnung dem darin herrschenden Innen druck (PI) ausgesetzt ist.
  • 5 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils des WD-Systems 19 von 2, die den externen Sensor näher zeigt. Diese Figur zeigt, wie der Außendruck oder Ringraumdruck außerhalb der Schwerstange 18 gemessen wird. Der externe Sensor 21 ist innerhalb des Während-des-Bohrens-Werkzeugs 14 in der Nähe der Hülse 24 angeordnet. Eine Öffnung 26 verläuft durch die Schwerstange 18 und die Hülse 24 in die Nähe des externen Sensors 21. Zwischen der Hülse 24 und dem Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 sind eine oder mehrere Dichtungen 28 angeordnet, um die Öffnung und den Sensor von dem Durchgang 23 in der Schwerstange zu trennen. Die Öffnung und die Dichtung ermöglichen eine Fluidkommunikation zwischen dem Sensor und der Umgebung der Schwerstange. Der Außendruck (PE) wird über die Öffnung durch die Schwerstange und die Hülse hindurch auf den externen Sensor 21 übertragen. Der externe Drucksensor 21 enthält einen Druckmesser, der dem Druck im Bohrloch ausgesetzt ist.
  • Eine Druckdichtung 28 verhindert, daß der Außendruck den Innenraum der Schwerstange erreicht. Die Dichtung wird verwendet, um zu verhindern, daß Bohrschlamm durch die Öffnung 26 hindurch gelangt, wodurch der Schlamm in das Werkzeug fließen könnte. Falls Schlamm durch diese Öffnung in das Werkzeug eindringt, kann dies die Druckmessung bei einem oder bei beiden Sensoren verfälschen. Außerdem führt Bohrschlamm, der durch die Öffnung in die Formation gelangt, zu der Gefahr, daß die Schwerstange durch Erosion und die Formation durch Schlammeinbruch beschädigt werden.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform des WD-Systems 19b mit drahtloser Kommunikation. In dieser Ausführungsform ist der externe Sensor 21b ein Drucksensor, der in die Schwerstange 18 eingebettet und von dem Durchgang 23 getrennt ist. Da der Sensor in der Wandung der Schwerstange eingebettet und dem Bohrloch ausgesetzt ist, erübrigen sich die Öffnung 26 und die zugehörigen Dichtungen 28. Der Sensor ist mit einer Messvorrichtung 63, in diesem Fall einem Druckmesser, versehen, der den Ringraumdruck misst. Der Sensor kann außerdem weitere Messvorrichtungen oder Sensoren zur Durchführung verschiedener anderer Messungen enthalten.
  • Der Sensor 21b ist vorzugsweise ein drahtloser Sensor, der über eine Funkverbindung 46 mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 kommunizieren kann. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug 14 ist mit einem drahtlosen oder kontaktlosen Kommunikationssystem 48 versehen, um den externen Sensor anzu regen, die Druckmessung durchzuführen und den Messwert an das Werkzeug zu übertragen. Das Kommunikationssystem 48 umfasst eine Steuerschaltungsanordnung 52, einen Während-des-Bohrens-Sender 54 und einen Während-des-Bohrens-Empfänger 56, die geeignet sind, den externen Sensor 21b zu steuern und mit diesem zu kommunizieren. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug sendet über den Während-des-Bohrens-Sender 54 ein Signal an den Drucksensor. Der Drucksensor enthält einen Sensorsender 58 und einen Sensorempfänger 60 zur Kommunikation mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug. Der Drucksensor empfängt Befehle von dem Während-des-Bohrens-Werkzeug über den Sensorempfänger 60 und sendet über den Sensorsender 58 Sensorablesungen an den Während-des-Bohrens-Empfänger 56.
  • Vorzugsweise werden elektromagnetische Signale zwischen dem Sensor und dem Während-des-Bohrens-Werkzeug drahtlos übertragen. Am Während-des-Bohrens-Sender wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das am Sensorempfänger empfangen wird. Der Sensor erzeugt dann ein Signal, das Informationen an den Während-des-Bohrens-Empfänger sendet. Zur Übertragung der Signale zwischen dem Während-des-Bohrens-Werkzeug und den Sensoren könnten andere Systeme für drahtlose Kommunikation wie unter anderem Magnetfeld-, Schall- oder Ultraschall-Druckwellen-Techniken, Techniken mit sichtbarem, infrarotem oder ultraviolettem Licht und/oder Kombinationen solcher Techniken angewandt werden.
  • Wie in 7 gezeigt ist, kann das Während-des-Bohrens-Werkzeug so beschaffen sein, daß es Leistungs- und/oder Kommunikationssignale an den Sensor sendet. Dies kann dadurch erreicht werden, daß in dem Drucksensor eine Schaltung 62, die einen Teil oder die gesamte Menge der von dem Während-des-Bohrens-Werkzeug gesendeten Energie aufnimmt und speichert, vorgesehen ist. Diese Energie kann dann verwendet werden, um eine Messung durchzuführen und den Messwert an das Werkzeug zurück zu senden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schaltungsanordnung 62 eine Energiespeichervorrichtung wie etwa ein Kondensator oder eine Batterie sein. Alternativ könnte die Schaltungsanordnung das Mittel zur Speisung des Sensors aus irgendeiner externen Quelle wie etwa einem Generator, einer Drehstromlichtmaschine oder einer oder mehreren externen Batterien (nicht gezeigt) bilden. Der Sender und der Empfänger können getrennt oder ein integrierter Sendeempfänger, der Signale senden und empfangen kann, sein.
  • 8 zeigt ein Verfahren 78 zum Durchführen von Messungen im Bohrloch mit Hilfe eines einholbaren Während-des-Bohrens-Werkzeugs wie etwa des in den 1 und 2 gezeigten Während-des-Bohrens-Werkzeugs. Im Betrieb wird das Bohrwerkzeug in das Bohrloch vorwärts bewegt, 80. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug ist in dem Bohrwerkzeug angeordnet, 82. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug kann entweder in der BHA angeordnet sein, wenn das Bohrwerkzeug in das Bohrloch gebracht wird, oder mittels Seilarbeit in das Bohrwerkzeug hinab gelassen werden. Von der Oberfläche wird ein Signal an das WD-System gesendet, damit dieses die gewünschten Operationen ausführt. Das Signal kann von der Oberfläche mittels Schlammimpuls-Telemetrie an den Controller im WD-System geschickt werden. Das Signal kann ein Befehls-, Kalibrierungs- und/oder Leistungssignal zur Aktivierung des WD-Systems sein, 84. Das Signal kann dann vom Controller an die Sensoren weitergeleitet werden, damit diese eine Messung durchführen, 86.
  • Sobald die Messung durchgeführt ist, senden die Sensoren die Daten an den Controller und zur Oberfläche zurück, 88. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug kann aus dem Bohrwerkzeug herausgeholt werden, 90. Das Während-des-Bohrens-Werkzeug kann getrennt vom Bohrwerkzeug eingeholt werden, oder das gesamte Bohrwerkzeug kann zusammen mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug aus dem Bohrloch herausgeholt werden. Das gleiche oder ein anderes Während-des-Bohrens-Werkzeug kann für weitere Messungen in das Bohrloch zurück geschickt werden. Dies kann durch erneutes Einführen und Einsetzen des Während-des-Bohrens-Werkzeugs in das Bohrwerkzeug oder durch Hinabschicken eines gesamten Bohrwerkzeugs mit dem dann befindlichen Während-des-Bohrens-Werkzeug erfolgen.
  • Vorzugsweise schlummert der Sensor, bis ein Messwert erforderlich ist. Wenn das Während-des-Bohrens-Werkzeug ein Sensorsignal erlangen will, erzeugt es Energie und überträgt diese an den Sensor. Der Sensor nimmt diese Energie auf und lädt die Schaltungsanordnung auf. Wenn der Sensor einen Befehl und genügend Energie, um aktiv zu werden, empfangen hat, führt er die gewünschte Messung durch. Der Sensor erlangt die Sensordaten und sendet diesen Messwert an den Controller zurück. Befehls- und Leistungssignale können auf weitere Instrumente in dem Downhole-Werkzeug geleitet werden.
  • Ausführungsformen dieser Erfindung benötigen zur Auslösung einer Messung eventuell nur einen Teil der von dem Werkzeug geschickten Energie. Das Äquivalent der zur Durchführung und Beantwortung einer Messung erforderlichen Energie könnte, wie oben beschrieben worden ist, von externen Leistungsquellen kommen. Andere Ausführungsformen dieser Erfindung könnten erfordern, daß das Werkzeug einen Befehl an den Sensor sendet, wobei die gesamte zum Durchführen der Messung und Zurückschicken des Messwertes erforderliche Energie von Energiespeicherungs- und/oder -erzeugungsmitteln in der Schwerstange stammen könnte.
  • Aus der obigen Beschreibung wird verständlich, daß verschiedene Modifikationen und Änderungen an den bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem Leitgedanken abzuweichen. Beispielsweise ist klar, daß, obwohl der Sensor in wenigstens einigen Aspekten als Drucksensor beschrieben worden ist, jeder beliebige Sensortyp wie etwa für Temperatur, Dichte, Strömungsgeschwindigkeit usw. verwendet werden kann.

Claims (36)

  1. System zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens, wobei das System in einem Downhole-Bohrwerkzeug angeordnet ist, das über einen Bohrstrang an einem Bohrgestell aufgehängt ist, wobei das Downhole-Bohrwerkzeug in einem eine unterirdische Formation durchdringenden Bohrloch angeordnet ist, umfassend: wenigstens eine Schwerstange mit einer rohrförmigen Seitenwand, die einen Durchgang darin für das Hindurchfließen von Bohrschlamm definiert, wobei die Schwerstange mit dem Downhole-Bohrwerkzeug funktionsfähig verbindbar ist; ein Während-des-Bohrens-Werkzeug, das in dem Durchgang der wenigstens einen Schwerstange getragen wird und wahlweise herausholbar ist; und wenigstens einen externen Sensor, der in der Seitenwand der Schwerstange angeordnet und von dem Durchgang getrennt ist, wobei der wenigstens eine Sensor dem Bohrloch zur Messung von diesem ausgesetzt und geeignet ist, mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug drahtlos zu kommunizieren.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine externe Sensor entweder Gammastrahlung, Stoß, Vibration, Druck, Temperatur, Schallgeschwindigkeit, Ankunftszeit oder Kombinationen davon misst.
  3. System nach Anspruch 1, das ferner wenigstens einen Während-des-Bohrens-Sensor umfasst, der innerhalb des Downhole-Bohrwerkzeugs angeordnet und geeignet ist, entweder Gammastrahlung, Stoß, Vibration, Druck, Temperatur oder Kombinationen davon zu messen.
  4. System nach Anspruch 3, wobei der wenigstens eine externe Sensor geeignet ist, den Ringraumdruck zu messen.
  5. System nach Anspruch 1, das ferner wenigstens einen Während-des-Bohrens-Sensor umfasst, der in dem Während-des-Bohrens-Werkzeug angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Sensor geeignet ist, entweder einen Innendruck in der Schwerstange, einen Außendruck außerhalb der Schwerstange oder Kombinationen davon zu messen.
  6. System nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine Während-des-Bohrens-Sensor dem Durchgang zur Messung seiner Parameter ausgesetzt ist.
  7. System nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine Sensor von dem Durchgang getrennt und dem Bohrloch ausgesetzt ist, um Parameter von diesem zu messen.
  8. System nach Anspruch 1, das ferner eine Während-des-Bohrens-Signaleinheit in dem Während-des-Bohrens-Werkzeug und eine Sensorsignaleinheit in dem Sensor für die drahtlose Übertragung von Signalen dazwischen umfasst.
  9. System nach Anspruch 8, wobei die Signal- und Sensoreinheiten entweder mit Legacy-Keramik- oder SOI-Komponenten, Multichipmodulen, vom Anwender programmierbaren Gate-Array-Komponenten oder Kombinationen davon versehen sind.
  10. System nach Anspruch 9, wobei die Signale Kommunikationssignale sind.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die Kommunikationssignale entweder an den Sensor geschickte Befehle, an das Während-des-Bohrens-Werkzeug geschickte Daten oder Kombinationen davon sind.
  12. System nach Anspruch 9, wobei die Signale Leistungssignale zur Versorgung des Sensors mit Energie sind.
  13. System nach Anspruch 1, das ferner ein Steuersystem umfasst, daß geeignet ist, mit dem wenigstens einen externen Sensor zu kommunizieren.
  14. System nach Anspruch 13, wobei das Steuersystem entweder einen Controller, einen Prozessor, ein Datenerfassungsmodul, einen Sender, einen Empfänger, eine Kommunikationsschaltung oder Kombinationen davon umfasst.
  15. System nach Anspruch 13, wobei der wenigstens eine externe Sensor entweder einen Sender, einen Empfänger, eine Messvorrichtung, eine Leistungsquelle oder Kombinationen davon umfasst.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die Leistungsquelle über das Während-des-Bohrens-Werkzeug aufladbar ist.
  17. System nach Anspruch 1, das ferner einen Verriegelungsmechanismus umfasst, der geeignet ist, das Während-des-Bohrens-Werkzeug in der Schwerstange auszurichten.
  18. System nach Anspruch 17, wobei der Verriegelungsmechanismus einen Keil, der in der Schwerstange angeordnet ist, und eine Keilnut, die an dem Während-des-Bohrens-Werkzeug zur Aufnahme des Keils angeordnet ist, umfasst.
  19. System nach Anspruch 1, wobei das Während-des-Bohrens-Werkzeug ein Werkzeug für kontinuierliche Richtung und Neigung umfasst.
  20. System nach Anspruch 1, wobei das Während-des-Bohrens-Werk zeug geeignet ist, kontinuierliche Messungen in Echtzeit durchzuführen.
  21. System nach Anspruch 1, wobei das Während-des-Bohrens-Werkzeug geeignet ist, unter Hochtemperatur-Hochdruck-Bedingungen gute Leistungen zu erbringen.
  22. Verfahren zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens, umfassend: Vortreiben eines Downhole-Bohrwerkzeugs in die Erde, um ein Bohrloch zu bilden, wobei das Downhole-Bohrwerkzeug wenigstens eine Schwerstange mit einem darin befindlichen Während-des-Bohrens-Werkzeug umfasst, wobei die wenigstens eine Schwerstange eine rohrförmige Seitenwand besitzt, die einen Durchgang darin für das Hindurchfließen von Bohrschlamm definiert; Erfassen von Bohrlochparametern über wenigstens einen externen Sensor, der in einer Tasche der rohrförmigen Seitenwand angeordnet ist, wobei der wenigstens eine externe Sensor von dem Durchgang getrennt ist; drahtloses Leiten von Signalen zwischen dem Während-des-Bohrens-Werkzeug und dem wenigstens einen externen Sensor; und wahlweises Herausholen des Während-des-Bohrens-Werkzeugs aus dem Downhole-Bohrwerkzeug.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Erfassen entweder von Bohrlochparametern, internen Parametern oder Kombinationen davon über den wenigstens einen in dem Während-des-Bohrens-Werkzeug angeordneten Während-des-Bohrens-Sensor umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Signale entweder Kommunikationssignale, Befehlssignale, Leistungssignale oder Kombinationen davon sind.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Kommunikationssignale Daten enthalten, die von dem wenigstens einen Sensor abgerufen und zu dem Während-des-Bohrens-Werkzeug geleitet werden.
  26. Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Signale Leistungssignale zur Versorgung des Sensors mit Energie sind.
  27. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Übertragen von Signalen von dem Während-des-Bohrens-Werkzeug an die Oberfläche umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Aufzeichnen von Daten, die von dem wenigstens einen Sensor empfangen werden, umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Übertragen von Signalen von dem Während-des-Bohrens-Werkzeug an wenigstens eine Komponente in dem Downhole-Bohrwerkzeug umfasst.
  30. Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Verarbeiten von Daten, die von dem wenigstens einen Sensor empfangen werden, umfasst.
  31. System zum Messen von Bohrlochparametern während des Bohrens, wobei das System in einem Downhole-Bohrwerkzeug angeordnet, das in einem Bohrloch unter einem Bohrgestell aufgehängt ist, wobei das System umfasst: ein einholbares Während-des-Bohrens-Werkzeug, das in dem Downhole-Bohrwerkzeug angeordnet ist, wobei das Während-des-Bohrens-Werkzeug einen inneren Durchgang für den Durchlass von Schlamm aufweist; und wenigstens einen Sensor, der in einer Schwerstange des Downhole-Bohrwerkzeugs angeordnet und von dem Durchgang getrennt ist, wobei der wenigstens eine Sensor für das Messen von Bohrlochparametern geeignet ist, wobei der Drucksensor für eine drahtlose Kommunikation mit dem Während-des-Bohrens-Werkzeug geeignet ist, wobei zwischen diesen Signale übertragen werden.
  32. System nach Anspruch 31, wobei die Signale entweder Leistungssignale, Kommunikationssignale, Befehlssignale oder Kombinationen davon sind.
  33. System nach Anspruch 32, wobei der wenigstens eine Sensor und das Während-des-Bohrens-Werkzeug für die drahtlose Kommunikation dazwischen jeweils entweder einen Sender, einen Empfänger oder Kombinationen davon umfassen.
  34. System nach Anspruch 31, wobei das Während-des-Bohrens-Werkzeug ein Telemetriesystem für die Kommunikation mit einer Oberflächeneinheit umfasst.
  35. System nach Anspruch 31, wobei der wenigstens eine Sensor entweder Gammastrahlung, Stoß, Vibration, Druck, Temperatur, Schallgeschwindigkeit, Ankunftszeit oder Kombinationen davon misst.
  36. System nach Anspruch 31, das ferner wenigstens einen an dem Während-des-Bohrens-Werkzeug angeordneten Während-des-Bohrens-Sensor umfasst.
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