DE102004057165A1

DE102004057165A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation

Info

Publication number: DE102004057165A1
Application number: DE102004057165A
Authority: DE
Inventors: Reinhart Katy Ciglenec; Paal Housten Kibsgaard; Steven G. Housten Villareal
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2005-06-30
Also published as: US20050115716A1; CN1624295B; FR2863003A1; US7124819B2; RU2354827C2; CA2488475C; MXPA04011360A; GB2408760A; GB2408760B; CA2488475A1; GB0424895D0; CN1624295A; RU2004135026A; FR2863003B1

Abstract

Vorrichtung (601) zum Untersuchen einer unterirdischen Formation, wobei die Vorrichtung (601) in einem Bohrloch benachbrt zur Formation positionierbar ist und ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten Flüssigkeitseinlaß sowie eine Flüssigkeitspumpe (301) aufweist, die in Flüssigkeitsverbindung mit dem Flüssigkeitseinlaß steht, wobei die Flüssigkeitspumpe (301) eine Pumpenkammer (404) und einen in der Pumpenkammer (404) angeordneten ersten Kolben (406) aufweist und der Kolben (406) zum Bewegen in einem Ladehub oder einem Entladehub ausgestaltet ist, wenn er einem internen Rohrdruck (P¶I¶) ausgesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9.
Bohrlöcher werden im allgemeinen in den Erdboden gebohrt, um natürliche Vorkommen von Öl und Gas sowie andere Materialien, die in geologischen Formationen in der Erdkruste eingeschlossen sind, zu fördern. Üblicherweise wird beim Bohren eine an einem unteren Ende eines Bohrstrangs befestigte Bohrspitze verwendet. Bohrflüssigkeit, im allgemeinen Bohrschlamm, wird üblicherweise durch den Bohrstrang nach unten zur Bohrspitze gepumpt. Die Bohrflüssigkeit schmiert und kühlt die Bohrspitze und trägt Bohrmehl im Ringraum zwischen dem Bohrstrang und der Wand des Bohrlochs zurück an die Oberfläche.
Häufig ist es wünschenswert, Informationen über die unterirdischen Formationen zu erhalten, durch die sich ein Bohrloch erstreckt. Beispielsweise betrifft eine Standarduntersuchung für eine Formation die Messung des Formations drucks und der Durchlässigkeit der Formation. Diese Messungen sind wesentlich zum Bestimmen der Förderkapazität und der Förderlebenszeit einer unterirdischen Formation.

Eine Technik zum Messen von Formationseigenschaften umfaßt das Herablassen eines drahtleitungsbasierten Werkzeugs in ein Bohrloch, um Formationseigenschaften zu messen. Ein drahtleitungsbasiertes Werkzeug ist ein Meßinstrument, das an einem Draht aufgehängt ist, während es in ein Bohrloch herabgelassen wird, so daß es Formationseigenschaften bei gewünschten Tiefen messen kann. Ein typisches drahtleitungsgebundenes Werkzeug kann einen Meßkopf umfassen, der gegen die Wand des Bohrlochs drückbar ist, um eine Flüssigkeitsverbindung mit der Formation herzustellen. Diese Art eines drahtleitungsgebundenen Werkzeugs wird häufig als Formationsprüfer bezeichnet. Durch die Verwendung eines Meßkopfs kann ein Formationsprüfer den Druck der Formationsflüssigkeiten messen, einen Druckimpuls erzeugen, um die Durchlässigkeit der Formation zu bestimmen, und eine Probe der Formationsflüssigkeit für eine spätere Auswertung nehmen.

Um ein drahtleitungsgebundenes Werkzeug verwenden zu können, muß der Bohrstrang zunächst aus dem Bohrloch entfernt werden, so daß das Werkzeug in das Bohrloch herabgelassen werden kann. Dies wird als eine „Fahrt" bezeichnet. Wegen der für eine Fahrt des Bohrstrangs erforderliche Zeit und den damit verbundenen Kosten werden drahtleitungsgebundene Werkzeuge im allgemeinen nur dann verwendet, wenn die Information unbedingt erforderlich ist oder wenn der Bohrstrang aus anderen Gründen herausgefahren wird, beispielsweise um die Bohrspitze zu wechseln. Beispiele für drahtleitungsgebundene Formationsprüfer sind beispielsweise in US 3 934 468 , US 4 860 581 , US 4 893 505 , US 4 936 139 und US 5 622 223 beschrieben.

Eine weitere Technik zum Messen von Formationseigenschaften verwendet Meßwerkzeuge und -vorrichtungen, die in der Nähe eines Bohrkopfs in einem Bohrstrang angeordnet sind. Die Messungen werden während eines Bohrvorgangs durchgeführt. Hierzu sind eine Vielzahl von Werkzeugen, beispielsweise Werkzeuge zum Datenerfassen beim Bohren (logging-while-drilling, LWD) und Werkzeuge zum Messen beim Bohren (measurement-while-drilling, MWD) kommerziell erhältlich. Der Begriff „LWD" beschreibt eine Messung von Formationseigenschaften während des Bohrvorgangs. Echtzeitdaten wie etwa der Formationsdruck ermöglichen es dem Bohrführer, Entscheidungen über die Zusammensetzung und das Gewicht des Bohrschlamms zu treffen sowie die Bohrgeschwindigkeit und das Gewicht auf dem Bohrkopf einzustellen, und zwar während des Bohrvorgangs. LWD und MWD unterscheiden sich dabei dadurch, daß MWD üblicherweise die Messung des Wegs der Bohrspitze sowie die Messung der Temperatur und des Drucks im Bohrloch betrifft, während LWD die Messung von Formationsparametern wie Widerstand, Porosität, Durchlässigkeit, Schallgeschwindigkeit u. dgl. betrifft. Da der Unterschied zwischen LWD und MWD nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, wird hier zwischen diesen beiden Begriffen nicht weiter unterschieden.

Vorrichtungen zum Untersuchen einer Formation beim Bohren, die in der Lage sind, im Bohrloch verschiedene Formationsprüfungen durchzuführen, umfassen üblicherweise einen kleinen Meßkopf oder ein Paar von Dichtungen, die aus einer Schwerstange ausfahrbar sind, um eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Formation und den Drucksensoren in der Vorrichtung zu schaffen, so daß der Flüssigkeitsdruck der Formation gemessen werden kann. Einige bekannte Werkzeuge verwenden eine Pumpe, um aktiv Flüssigkeitsproben aus der Formation zu entnehmen, so daß diese in einer Probenkammer in der Vorrichtung für eine spätere Auswertung gelagert werden können. Eine derartige Pumpe wird üblicherweise von einer Batterie oder einem Generator im Bohrstrang betrieben, der durch den Schlammfluß angetrieben wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9 zu schaffen, die zuverlässiger und effizienter sind und zudem sparsamer mit dem Platz in einer Schwerstange umgehen.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 9 gelöst.

Hierdurch werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation mit den folgenden Vorteilen geschaffen.

Durch Verwendung einer Flüssigkeitspumpe, die durch einen Differenzdruck angetrieben wird, ist es nicht erforderlich, eine Batterie oder einen elektrischen Generator in der Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation vorzusehen. Hierdurch verringert sich der für die Vorrichtung erforderliche Platz. Ein typischer Generator verwendet den Schlammfluß zum Erzeugen elektrischer Energie. Die elektrische Energie wird anschließend an einen Motor übertragen, der die Pumpe antreibt. Eine durch eine Druckdifferenz angetriebene Pumpe hingegen verwendet den Schlammdruck, um die Pumpe anzutreiben, wodurch die Notwendigkeit, einen Generator, elektrische Energie und einen Motor vorzusehen, entfällt.

Vorzugsweise ist ein Faltenbalg vorgesehen. Hierdurch wird verhindert, daß der aggressive und scheuernde Schlamm in Kontakt mit der Pumpe gerät. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Abnutzung der Pumpe.

Vorzugsweise ist in der Pumpe ein Kolben vorgesehen, der Kolbenenden mit unterschiedlichen Oberflächen aufweist. Hierdurch ergibt sich ein Verhältnis der Pumpflächen, das einen mechanischen Vorteil oder Arbeitsgewinn für die Pumpe schafft, der einen effizienteren Betrieb basierend auf der Druckdifferenz ermöglicht.

In wenigstens einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine in einer Bohrlochumgebung verwendbare Pumpe für eine Flüssigkeit. In einigen Ausführungsformen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verwenden einer Pumpe für eine Flüssigkeit. In wenigstens einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation mit einer Pumpe für eine Flüssigkeit. In anderen Ausführungsformen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation während des Bohrens.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1 zeigt einen Bohrturm, bei dem die vorliegende Erfindung verwendbar ist.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Bohrstrangs mit einer Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation.
3 illustriert eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation.
4 illustriert eine Pumpe.
5 illustriert eine weitere Ausführungsform einer Pumpe.
6 zeigt einen Schnitt durch ein Meßkopfmodul.
6B zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Meßkopfmoduls.
7 zeigt einen Schnitt durch eine Schwerstange mit einem Meßkopfmodul.
8A illustriert ein Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation.
8B illustriert eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Untersuchen einer unterirdischen Formation.
In dieser Beschreibung betrifft „Untersuchung einer Formation beim Bohren" verschiedene Probenahme- und/oder Prüfvorgänge, die während einer Bohrung durchgeführt werden können, beispielsweise Einsammeln von Proben, ein Herauspumpen von Flüssigkeiten, Vorprüfungen, Druckprüfungen, Flüssigkeitsanalysen, Widerstandsfähigkeitsprüfungen und dergleichen mehr. Es ist nicht erforderlich, jedoch möglich, daß Messungen durchgeführt werden, während die Bohrspitze sich durch eine Formation bohrt. Beispielsweise werden eine Probenahme und ein Auspumpen üblicherweise während kurzer Unterbrechungen des Bohrvorgangs durchgeführt. Hierzu wird die Umdrehung des Bohrkopfs kurz unterbrochen, so daß die Messungen durchgeführt werden können. Sobald die Messungen durchgeführt worden sind, kann der Bohrvorgang fortgesetzt werden. Selbst in Ausführungsformen, bei denen Messungen erst dann durchgeführt werden, wenn der Bohrvorgang unterbrochen wird, können diese Messungen durchgeführt werden, ohne den Bohrstrang verfahren zu müssen.
Ferner wird in dieser Beschreibung der Begriff „hydraulisch gekoppelt" verwendet, um Körper zu beschreiben, die derart miteinander verbunden sind, daß zwischen und unter den verbundenen Körpern ein Flüssigkeitsdruck übertragbar ist. Der Begriff „in Flüssigkeitsverbindung" wird hier verwendet, um Körper zu beschreiben, die derart miteinander verbunden sind, daß zwischen und unter den verbundenen Körpern eine Flüssigkeit fließen kann. „Hydraulisch gekoppelt" kann Anordnungen umfassen, in denen zwar keine Flüssigkeit zwischen den Körpern fließen kann, jedoch trotzdem ein Druck übertragbar ist. Eine Flüssigkeitsverbindung ist somit eine Untermenge einer hydraulischen Kopplung.
1 zeigt eine Bohranordnung 100 zum Bohren eines Bohrlochs durch unterirdische Formationen. Ein Bohrturm 103 an der Oberfläche wird verwendet, um einen Bohrstrang 105 zu drehen, der an seinem unteren Ende einen Bohrkopf 107 aufweist. Wenn der Bohrkopf 107 gedreht wird, wird eine Pumpe 121 verwendet, um Bohrflüssigkeit, die auch als Schlamm oder Bohrschlamm bezeichnet wird, wie durch den Pfeil 104 gezeigt, nach unten durch den Bohrstrang 105 zum Bohrkopf 107 zu pumpen. Der Bohrschlamm wird zum Kühlen und Schmieren des Bohrkopfs 107 verwendet und tritt durch nicht dargestellte Öffnungen im Bohrkopf 107 aus dem Bohrstrang aus. Der Bohrschlamm trägt dann Bohrmehl und abgeschnittene Gesteinsteile vom Boden des Bohrlochs ab, wenn er, wie durch Pfeile 106 angedeutet, durch einen zwischen dem Bohrstrang 105 und der Formation 102 gebildeten Ringraum zurück zur Oberfläche fließt. An der Oberfläche wird der zurückgeführte Bohrschlamm gefiltert und für eine erneute Verwendung zurück zu einer Grube 122 geleitet.
Das untere Ende des Bohrstrangs 105 umfaßt eine Bohrlochbodenanordnung 110 (bottom-hole-assembly, BHA), die neben dem Bohrkopf 107 einige Schwerstangen, beispielsweise die Schwerstangen 112, 114 umfaßt, die verschiedene Instrumente, beispielsweise Sensoren zur Datenerfassung beim Bohren (logging-while-drilling, LWD) oder zum Messen beim Bohren (measurement-while-drilling, MWD) sowie Telemetrieeinrichtungen aufweisen können. Eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren kann beispielsweise in einem Stabilisator 114 vorgesehen sein. Der Stabilisator 114 weist Blätter 115 auf, die in Kontakt mit der Wand des Bohrlochs stehen und ein „Taumeln" der Bohrspitze 107 verringern. Taumeln bezeichnet die Tendenz des Bohrstrangs 105, von der vertikalen Achse des Bohrlochs beim Drehen abzuweichen und eine Änderung der Richtung der Bohrspitze 107 zu bewirken. Vorzugsweise befindet sich ein Stabilisator 114 bereits in Kontakt mit der Wand des Bohrlochs, wodurch ein weniger starkes Ausfahren eines Meßkopfs erforderlich ist, um eine Flüssigkeitsverbindung mit den Flüssigkeiten der Formation herzustellen. Eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren kann auch an anderen Orten als am oder im Stabilisator 114 angeordnet sein.
Die in 2 dargestellte Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren ist in einem Bohrloch 603 angeordnet. Der ringförmige Raum zwischen der Vorrichtung 601 und dem Bohrloch 603 wird als Ringraum 605 bezeichnet. Die Vorrichtung 601 weist ein oberes Ende 631 sowie ein unteres Ende 632 auf, die zur Verbindung mit einem Bohrstrang, beispielsweise dem Bohrstrang 101 der 1, auf bekannte Weise ausgestaltet sind.
Die Vorrichtung 601 weist Unterabschnitte oder Module auf, die Instrumente zum Durchführen von Arbeiten im Bohrloch aufnehmen. Beispielsweise ist der Unterabschnitt 602 ein Batteriemodul, das eine Batterie zur Stromversorgung der Elektronik in einem Steuersystem aufweist. Der Unterabschnitt 604 ist beispielsweise ein insbesondere dornförmiges Chassis, in dem das elektronische Steuersystem und die Telemetrieeinrichtungen untergebracht sein können. Der Unterabschnitt 606 ist hier ein Hydraulikmodul, das die Verteilung der hydraulischen Leistung durch die Vorrichtung 601 steuert. Andere oder weitere Unterabschnitte können vorgesehen sein. Die Vorrichtung 601 kann ferner einstückig ausgeführt sein anstelle der separaten Module.
Die Vorrichtung 601 weist ferner einen Einlaß-Unterabschnitt 608, einen Pumpen-Unterabschnitt 610 und einen Probenkammer-Unterabschnitt 612 auf. Der Einlaß-Unterabschnitt 608 ist in der Nähe der Mitte der Vorrichtung 601 angeordnet. Der dargestellte Einlaß-Unterabschnitt 608 weist Meßköpfe 621, 622 auf. Die Meßköpfe 621, 622 können sich zum Kontakt mit der Seitenwand eines Bohrlochs und Herstellen einer Flüssigkeitsverbindung in einer Formation erstrecken. Weitere Vorrichtung, wie beispielsweise als Packer bekannte Dichtungen, insbesondere in Form von Doppeldichtungen oder Kombinationen aus Dichtungen und Meßköpfen können, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschrieben, ebenfalls verwendet werden.
Zumindest einer der Meßköpfe 621, 622 ist zum Durchführen einer Untersuchung einer Formation wie beispielsweise einer Probenahme und einer Druckprüfung selektiv aktivierbar. In 2 steht der Meßkopf 622 in einer Flüssigkeitsverbindung mit einer Flußleitung 624, die einen Fluß der Formationsflüssigkeit aus der Formation in die Vorrichtung 601 ermöglicht. Der Einlaßabschnitt wird nachstehend unter Bezugnahme auf 6A und 6B detailliert beschrieben. Zur Bestimmung von Eigenschaften der Formationsflüssigkeit können verschiedene Sensoren oder andere Instrumente operativ mit der Flußleitung 624 verbunden sein.
Die Vorrichtung 601 weist einen Durchgang 640 auf, der einen nach unten gerichteten Fluß von Schlamm durch die Vorrichtung 601 ermöglicht. Vorzugsweise sind Instrumente so in den Unterabschnitten angeordnet, daß der Durchgang 640 einen Schlammfluß durch den Durchgang 640 in die Vorrichtung 601 ermöglicht. Die Anordnung und Reihenfolge der Unterabschnitte oder Module in der Vorrichtung 601 kann abhängig von den jeweiligen Gegebenheiten geändert werden. Die dargestellte Anordnung ist lediglich beispielhaft.
Das in 3 dargestellte System 300 zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren kann Teil einer Vorrichtung zur Untersuchung einer unterirdischen Formation beim Bohren sein, beispielsweise der Vorrichtung 601 der 2 (d.h. der Einlaß-Unterabschnitt 608, der Pumpen-Unterabschnitt 610 und der Probenkammer-Unterabschnitt 612). In dieser Beschreibung wird der Begriff „Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren" verwendet, um die gesamte Vorrichtung wie beispielsweise die in 2 gezeigte zu bezeichnen. Ein „System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren" betrifft hingegen nur einen Satz von Instrumenten und Einrichtungen, die einen bestimmten Typ einer Untersuchung einer Formation durchführen, in einer Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren. Eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren kann mehr als ein System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren umfassen.
Das in 3 dargestellte System 300 umfaßt einen Meßkopf 211, eine Pumpe 301 sowie Probenkammern 306a, 306b, 306c. Die Pumpe 301 steht in Flüssigkeitsverbindung mit einem Einlaß für eine Flüssigkeit (z.B. dem Meßkopf 211) durch eine Einströmleitung 302. Der Einlaß für die Flüssigkeit steht in Flüssigkeitsverbindung mit einer Formation F. Die Pumpe 301 steht ferner in Flüssigkeitsverbindung mit einer Abströmleitung 303. Im dargestellten Ausführungsbeispiel führt die Abströmleitung 303 zum Auslaß 311 zum Bohrloch und zu mehreren Probenkammern 306a, 306b, 306c zum Lagern von Proben der Flüssigkeit der Formation. Die Einströmleitung 302 und Abströmleitung 303 können im wesentlichen derselbe, durch ein Dreiwegeventil 309 getrennte Flußweg sein. Das Dreiwegeventil 309 kann derart angeordnet sein, daß die Pumpe 301 in Flüssigkeitsverbindung mit der Einströmleitung 302 steht, während sie von der Abströmleitung 303 getrennt ist, oder so, daß die Pumpe 301 in Flüssigkeitsverbindung mit der Abströmleitung 303 steht, während sie von der Einströmleitung 302 getrennt ist.
Die Abströmleitung 303 weist ein Ventil 307 auf, das selektiv betätigbar ist, um die Pumpe 301 in eine Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslaß 311 zum Bohrloch zu bringen. Beispielsweise kann das Ventil 307 zu einem Auslaß 311 zum Bohrloch führen, welcher eine Auslaßöffnung in der Seite der Vorrichtung, insbesondere der Vorrichtung 601, aufweist. Jede der Probenkammern 306a, 306b, 306c umfaßt vorzugsweise ein Probenkammer-Absperrventil 305a, 305b, 305c, welches selektiv betätigbar ist, um die Pumpe 301 in Flüssigkeitsverbindung mit wenigstens einer der Probenkammern 306a, 306b, 306c zu bringen.
4 ist eine detaillierte schematische Ansicht der Pumpe 301 und des Systems 300 der 3. Die dargestellte Pumpe 301 wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Schlammdruck im Bohrstrang (als „interner Rohrdruck", P_I bezeichnet) und dem Schlammdruck im Ringraum (als „Ringraumdruck" P_A bezeichnet) angetrieben. Der interne Rohrdruck P_I tritt im Durchgang 640 in der Vorrichtung 601 auf, vgl. 2, und der Ringraumdruck P_A tritt im Ringraum 605 zwischen der Vorrichtung 601 und der Wand 603 des Bohrlochs auf. Die Druckdifferenz ∆P = P_I – P_A wird wegen des Druckabfalls erzeugt, der mit den Pumpen des Schlamms durch die Bohrspitze am Boden des Bohrstrangs oder durch andere Verengungen im Bohrstrang in Verbindung steht. Die Druckdifferenz beträgt üblicherweise zwischen etwa 700 bis 1200 PSI entsprechend etwa 48 bar bis etwa 82 bar.
Die Pumpe 301 umfaßt eine Pumpenkammer 404 und eine Hydraulikkammer 410, vgl. 4. Eine Kolbenanordnung 408 umfaßt einen ersten Kolben 406, der in der Pumpenkammer 404 angeordnet ist, einen zweiten Kolben 411, der in der Hydraulikkammer 410 angeordnet ist sowie ein Verbindungsglied 407, das die beiden Kolben 406, 411 verbindet. Der erste Kolben 406 teilt die Pumpenkammer 404 in einen ersten und einen zweiten Abschnitt. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste Abschnitt eine Flüssigkeitspumphohlraum 409 und der zweite Abschnitt ein Einströmhohlraum 417. Der zweite Kolben 411 der Kolbenanordnung 408 teilt die Hydraulikkammer 410 in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt. In der dargestellten Ausführungsform ist der erste Abschnitt der Hydraulikkammer 410 ein Federhohlraum 414 und der zweite Abschnitt ist ein Druckhohlraum 415. Vorzugsweise sind Dichtungen 405, 412 vorgesehen, um einen Flüssigkeitsfluß zwischen dem Federhohlraum 414 und dem Druckhohlraum 415 zu verhindern. Das Verbindungsglied 407, beispielsweise ein Stab oder eine Stange, verbindet den ersten Kolben 406 und den zweiten Kolben 411 der Kolbenanordnung 408. Die Kolbenanordnung 408 bewegt sich hin und her, indem sie in jeder der Kammern 404, 410 gleitet. Die gestrichelten Linien 406a zeigen eine weitere mögliche Stellung des ersten Kolbens 406 der Kolbenanordnung 408, und die gestrichelten Linien 411a zeigen eine entsprechende Stellung des zweiten Kolbens 411 der Kolbenanordnung 408.
Bevor der Betrieb der Pumpe 301 beschrieben wird, ist anzumerken, daß das System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren, insbesondere das System 300 der 3 „druckausgeglichen" ist. „Druckausgeglichen" bedeutet, daß alle operativen Abschnitte der Pumpe 301 hydraulisch mit dem Ringraumdruck P_A gekoppelt sind. Beispielsweise kann der Federhohlraum 414 der Hydraulikkammer 410 mit einem sauberen Hydrauliköl gefüllt sein, das hydraulisch mit dem Ringraumdruck P_A gekoppelt ist. Der Druckraum 415 der Hydraulikkammer 410 kann, wie nachstehend beschrieben, hydraulisch entweder mit dem Ringraumdruck P_A oder dem internen Rohrdruck P_I gekoppelt sein. Zum Betrieb der Pumpe 301 wird die Druckdifferenz zwischen dem internen Rohrdruck P_I und dem Ringraumdruck P_A verwendet. Auf ähnliche Weise kann der Einströmhohlraum 417 des Pumpenabschnitts 404 mit einem Hydrauliköl gefüllt sein, das hydraulisch mit dem Ringraumdruck P_A gekoppelt ist.
Im allgemeinen weist eine Pumpe mit einer Hin- und Herbewegung und einer positiven Verdrängung, beispielsweise die in 4 dargestellte, einen Ladehub und einen Entladehub auf. Während des Ladehubs erhöht sich das Pumpvolumen, so daß Flüssigkeit in die Pumpe gesaugt wird. Während des Entladehubs wird das Pumpvolumen verringert, so daß Flüssigkeit aus der Pumpe herausgedrängt wird. Verschiedene Anordnungen von Flußleitungen und Ventilstellungen gestatten es einer derartige Pumpe mit Hin- und Herbewegung mit positiver Verdrängung, unter Verwendung einander wiederholender aufeinanderfolgender Lade- und Entladehübe, Flüssigkeit von einem Ort zu einem anderen zu pumpen.
Die in 4 dargstellte Pumpe 301 weist einen Ladehub und eine Entladehub auf, die durch Bewegen der Kolbenanordnung 408 in verschiedene Richtungen erzielt werden. Wenn der Kolben sich in einem Ladehub bewegt, d.h. in 4 nach rechts, dann erhöht sich das Volumen des Flüssigkeitspumphohlraums 409 der Pumpenkammer 404 und Flüssigkeit gelangt von der Flußleitung 402 in den Flüssigkeitspumpenhohlraum 409 der Pumpenkammer 404. Durch Einstellen des Dreiwegeventils 309 derart, daß die Pumpenkammer 404 in einer Flüssigkeitsverbindung mit der Einströmleitung 302 und dem Meßkopf, beispielsweise dem Meßkopf 211 aus 3, steht, wird Flüssigkeit während des Ladehubs in die Pumpenkammer 404 gezogen.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform ein Dreiwegeventil 309 aufweist, ist dieses nicht erforderlich. Beispielsweise kann die Verzweigung durch ein Rückschlagventil und ein Zweiwegeventil oder durch zwei oder mehr Rückschlagventile gesteuert werden. Zudem ist eine Pumpe 301 denkbar, bei der die Einströmleitung und die Abströmleitung nicht miteinander verbunden sind. In 4 bilden die Einströmleitung und die Abströmleitung im wesentlichen einen Teil desselben Abschnitts eines Rohrs, getrennt durch ein Ventil. In anderen Ausführungsformen kann die Abströmleitung separat mit der Pumpe 301 verbunden sein. Andere Anordnungen von Ventilen und Einström- und Abströmleitungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind denkbar.
Die Kolbenanordnung 408 befindet sich in einem Entladehub, wenn sie sich in eine Richtung bewegt, die entgegengesetzt zur Richtung des Ladehubs ist, d.h. in 4 nach links. Während die Kolbenanordnung 408 sich im Entladehub bewegt, wird das Volumen der Probenkammer 409 der Pumpenkammer 404 verringert und Flüssigkeit wird aus der Pumpenkammer 404 in die Flußleitung 402 gedrückt. Durch Einstellen des Dreiwegeventils 309 derart, daß die Flußleitung 402 vom Meßkopf, beispielsweise dem Meßkopf 211 in 3, getrennt und in Flüssigkeitsverbindung mit der Abströmleitung 303 ist, kann Flüssigkeit aus der Pumpe 301 in das Bohrloch oder in eine Probenkammer, beispielsweise die Probenkammer 306a, 306b, 306c der 3, verdrängt werden.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist eine Faltenbalgkammer 423 hydraulisch mit dem Druckhohlraum 415 der Hydraulikkammer 410 gekoppelt. Die Faltenbalgkammer 423 umfaßt einen Faltenbalg 421, der die Faltenbalgkammer 423 in einen Hohlraum 425 für saubere Flüssigkeit und einen Schlammhohlraum 426 unterteilt. Der Begriff „Faltenbalg" bezeichnet hier eine flexible und ausdehnbare Leitung. Der Faltenbalg 421 ermöglicht, daß die Hydraulikkammer 410 hydraulisch mit dem Ringraumdruck P_A und dem internen Rohrdruck P_I gekoppelt ist, ohne in Flüssigkeitsverbindung mit einem der beiden zu stehen. Beispielsweise koppelt die Ringraumdruckleitung 431 die Falten balgkammer 423 an dem Ringraumdruck P_A, während die interne Rohrdruckleitung 433 hydraulisch mit dem internen Rohrdruck P_I gekoppelt ist. Die Faltenbalgkammer 423 kann selektiv hydraulisch entweder an den Ringraumdruck P_A oder den internen Rohrdruck P_I gekoppelt werden, indem das Absperrventil 432 für den Ringraumdruck und das Ventil 434 für den internen Rohrdruck betätigt werden. Beispielsweise kann die Faltenbalgkammer 423 dem internen Rohrdruck P_I ausgesetzt werden, so daß der Faltenbalg 421 zusammengedrückt wird, indem das Absperrventil 434 für den internen Rohrdruck geöffnet und das Absperrventil für den Ringraumdruck geschlossen wird.
Der Faltenbalg 421 wird verwendet, damit der Pumpenmechanismus, wie nachstehend beschrieben, basierend auf dem Druck arbeitet, der vom sauberen Hydrauliköl in dem Hohlraum 425 für saubere Flüssigkeit angewendet wird. Der Druck, dem der Faltenbalg 421 ausgesetzt ist, kann durch ein Verbindungsglied 422, welches den Hohlraum 425 in Flüssigkeitsverbindung mit dem Druckhohlraum 415 der Hydraulikkammer 410 bringt, zum zweiten Kolben 411 übertragen werden. Hierdurch wird der Pumpenmechanismus, beispielsweise der zweite Kolben 411 der Kolbenordnung 408, vor aggressivem und scheuerndem Schlamm geschützt. Der Faltenbalg 421 ist Teil einiger Ausführungsformen, bei denen der Schlamm vom sich bewegenden Kolben getrennt wird, während in anderen Ausführungsformen kein Faltenbalg 421 vorgesehen ist.
Der Ladehub der Pumpe 301 wird vorzugsweise durch eine Feder 413 angetrieben, die im Federhohlraum 414 der Hydraulikkammer 410 angeordnet ist. Die Feder 413 drückt auf den zweiten Kolben 411 der Kolbenanordnung 408 in Richtung eines Ladehubs, d.h. in 4 nach rechts. Wenn das Absperrventil 434 für den internen Rohrdruck geschlossen und das Absperrventil 432 für den Ringraumdruck geöffnet ist, wird der niedrigere Ringraumdruck P_A durch den Faltenbalg 421 zur Hydraulikkamer 410 übertragen. Die Feder 413 kann eine Federkonstante aufweisen, die so gewählt ist, daß die Feder 413 in der Lage ist, die Kolbenanordnung 408 gegen den Ringraumdruck P_A zu verschieben. In diesen Ausführungsformen treibt die Feder 413 den Ladehub.
Zum Betrieb der Pumpe 301 im Entladehub ist das Absperrventil 432 für den Ringraumdruck P_A geschlossen, während das Absperrventil 434 für den internen Rohrdruck P_I geöffnet ist. In dieser Konfiguration ist die Faltenbalgkammer 423 den internen Rohrdruck P_I ausgesetzt. Der interne Rohrdruck P_I bewirkt, daß der Faltenbalg 421 zusammengedrückt wird, und Hydrauliköl im Faltenbalg 421 wird in den Druckhohlraum 415 der Hydraulikkammer 410 gedrängt. Wegen des Faltenbalgs 421 befindet sich das Hydrauliköl auf dem internen Rohrdruck P_I, der gegen den zweiten Kolben 411 der Kolbenanordnung 408 wirkt. Die Feder 413 kann eine Federkonstante aufweisen, die so gewählt ist, daß der interne Rohrdruck P_I ausreicht, um die Kraft der Feder 413 zu überwinden und sie zusammenzudrücken. In diesen Ausführungsformen treibt der interne Rohrdruck P_I den Entladehub.
Die Wahl einer Feder 413 mit einer geeigneten Federkonstante kann vorteilhaft sein. Durch Wahl einer Feder 413 mit einer gewünschten Federkonstante wird die Feder 413 zusammengedrückt, wenn sie dem internen Rohrdruck P_I ausgesetzt wird, und sie entspannt sich, wenn sie dem Ringraumdruck P_A ausgesetzt wird. Wenn beispielsweise sowohl der Federhohlraum 414 und der Druckhohlraum 415 der Hydraulikkammer 410, vgl. 4, dem Ringraumdruck P_A ausgesetzt werden, sind die Kräfte ausgeglichen und die Feder treibt die Kolbenanordnung 408 in einem Ladehub an, wie vorstehend beschrieben. Auf ähnliche Weise ermöglicht, wenn der Druckraum 415 der Hydraulikkammer 410 dem internen Rohrdruck P_I ausgesetzt ist, eine geeignet ausgewählte Feder, daß der erhöhte Druck die Feder 413 zusammendrückt und die Kolbenanordnung 408 in einem Entladehub antreibt.
Weitere Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann die Feder 413 im Druckhohlraum 415 angeordnet sein, wobei der Ringraumdruck und der interne Rohrdruck selektiv an den Federhohlraum 414 der Hydraulikkammer 410 angelegt werden. Die Funktion jedes Abschnitts kann ferner umgekehrt werden. In einer derartigen Ausführungsform treibt die Feder den Entladehub an, während der interne Rohrdruck P_I den Ladehub antreibt. Die beispielhafte Bezeichnung der Hohlräume und Kammern soll hier nicht beschränkend ausgelegt werden. Die Bezeichnungen sind so gewählt, daß sie die Funktion der Komponenten in der Ausführungsform der 4 beschreiben.
Vorzugsweise wird zu allen Zeiten zumindest eines der Absperrventile 432, 434 geschlossen gehalten. Somit muß eines vollständig geschlossen sein, bevor das andere geöffnet wird. Dies liegt daran, daß in einigen Ausführungsformen Schlamm im Bohrstrang direkt in den Ringraum fließen kann, wenn beide Absperrventile 432, 434 gleichzeitig geöffnet sind. Wenn dies auftritt, gibt es die Druckdifferenz, die die Pumpe 301 antreibt, nicht mehr. Zudem kann der scheuernde Schlammfluß die Absperrventile 432, 434 auswaschen, so daß sie nicht mehr vollständig schließbar sind. Schlamm könnte dann durch die Absperrventile 432, 434 fließen, und Bohren wäre nicht möglich. Der Bohrstrang müßte für einen Ventilwechsel aus dem Bohrloch herausgefahren werden, bevor das Bohren fortgesetzt werden kann.
Der erste Kolben 406 der Kolbenanordnung 408 und der zweite Kolben 411 der Kolbenanordnung 408 können verschiedene effektive Oberflächen aufweisen, wie es in 4 dargestellt ist. Das Verhältnis der Oberflächen der beiden Kolben 404, 411 kann abhängig von der Verwendung der Pumpe so gewählt werden, daß ein Arbeitsgewinn für die Pumpe 301 erzeugt wird. Beispielsweise kann die Oberfläche des zweiten Kolbens 411 wie in 4 dargestellt größer sein als die Oberfläche des ersten Kolbens 406 der Kolbenanordnung 408. Infolge der größeren effektiven Oberfläche wird selbst dann, wenn derselbe Druck auf beide Kolben 406, 411 der Kolbenanordnung 408 wirkt, die auf den zweiten Kolben 411 wirkende Kraft größer sein. Der Begriff "effektive Oberfläche" bezeichnet den Abschnitt des Kolbens, an den ein Flüssigkeitsdruck angelegt wird. Zudem können andere Formen einer Kolbenoberfläche dazu führen, daß der Kolben eine effektive Oberfläche aufweist, die kleiner ist als seine tatsächliche Oberfläche.
Ein übliches Problem bei der Probenahme besteht darin, daß der Schlamm im Bohrloch häufig in die Formation sickert. Infolge dieses Eindringens ist die erste Flüssigkeit, die aus der Formation entnommen wird, üblicherweise ein Schlammfiltrat, das in die Formation gesickert ist. Um dies zu korrigieren, wird der Formation Flüssigkeit entnommen und ins Bohrloch gepumpt, bis die Probe "rein" ist, d.h. bis die entnommene Flüssigkeit nicht länger Schlammfiltrat, sondern die natürliche Flüssigkeit aus der Formation ist. Die Verwendung verschiedener Sensoren zum Überwachen, wie sich bestimmte Eigenschaften während des Pumpens ändern, kann eine Bestimmung ermöglichen, wann die Flüssigkeit rein ist. Sobald bestimmt worden ist, daß die Flüssigkeit rein ist, kann eine Probe genommen werden, indem die Ventilstellungen geändert werden und der Flüssigkeitsfluß in eine Probenkammer, beispielsweise die Probenkammer 306a der 3, geleitet wird.
Die in 4 dargestellte Ausführungsform einer Pumpe 301 umfaßt eine Sensoreinrichtung 416, die benachbart zum ersten Abschnitt der Pumpenkammer 404 angeordnet ist. Die Sensoreinrichtung 416 wird verwendet, um bestimmte Eigenschaften der Flüssigkeit zu erfassen, die beim Ladehub in die Pumpenkammer 404 gesaugt wird. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung 416 einen Drucksensor 416a umfassen, der den Druck der Formationsflüssigkeit mißt. Andere Sensoren können Sensoren zur Identifikation einer Flüssigkeit oder zum Überwachen einer Flüssigkeit umfassen, die zwischen dem Schlammfiltrat und dem Öl und Gas in der Formation unterscheiden können. Ein Sensor zum Überwachen einer Flüssigkeit ermöglicht die Bestimmung, wann die gepumpte Flüssigkeit rein ist. Hierzu kann ein Wasserstoffsulfid-Dektektor, ein optischer Sensor oder ein anderer bekannter Sensor verwendet werden. Die in der Pumpe angeordneten Sensoren könnten ebenso an verschiedenen anderen Stellen der in 2 dargestellten Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren angeordnet sein, beispielsweise benachbart zur Pumpe, wie in 4 dargestellt, oder benachbart zum Meßkopf, wie in 2 dargestellt, sowie an anderen Stellen.
In einigen Ausführungsformen umfaßt das System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation Sensoren, die es dem System ermöglichen, Flüssigkeitseigenschaften zu bestimmen, ohne eine Probe nehmen zu müssen. Beispielsweise kann eine Pumpe einen Dichtesensor, einen Widerstandsfähigkeitssensor oder einen optischen Sensor umfassen, der die Bestimmung bestimmter Flüssigkeitseigenschaften ermöglicht.
Ein weiteres Problem, das bei einer Probenahme auftreten kann, besteht darin, daß der Druck der Formationsflüssigkeit unter seinen "Blasenbildungspunkt" fallen kann. Der "Blasenbildungspunkt" ist der Druck, unterhalb dessen in der Formationsflüssigkeit gelöste Gase aus der Lösung herauskommen und sich in der Flüssigkeit Blasen bilden. Wenn der Druck der Formationsflüssigkeit unter ihren Blasenbildungspunkt fällt, können verschiedene Probleme entstehen. Erstens verringert das Gas in der Flüssigkeit die Effizienz der Flüssigkeitspumpe. In extremen Fällen kann es unmöglich werden, Flüssigkeit zu pumpen und eine Probe zu nehmen. Ein weiteres potentielles Problem besteht darin, daß, sobald sich Blasen in einer Flüssigkeitsprobe bilden, es das zusätzliche Gas in der Probe unmöglich macht, die genaue Art der Flüssigkeit in der Formation zu identifizieren. Zudem beeinflussen die Blasen die Druckimpulse, die durch Pumpen der Flüssigkeit aus der Formation erzeugt werden. Hierdurch wird eine Schätzung der Durchlässigkeit der Formation erschwert. In einigen Ausführungsformen ist es daher wünschenswert, die Flüssigkeitsprobe oberhalb ihres Blasenbildungspunkts und in einer einzigen Phase zu halten.
Um sich gegen dieses Problem zu schützen, kann ein System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren, beispielsweise das System 300 der 3, einen Blasenbildungspunkt-Detektor aufweisen. Ein derartiger Detektor kann in der Nähe der Pumpenkammer der Pumpe, beispielsweise in der Sensoreinrichtung 416 der 4, angeordnet sein, so daß er in der Lage ist, den Flüssigkeitsdruck der Formation an ihrem niedrigsten Punkt zu erfassen. Beispielsweise kann ein System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren einen Ultraschall-Sender/Detektor aufweisen, der in der Lage ist, zu bestimmen, wann sich Blasen in der Formationsflüssigkeit ausbilden, während sie aus der Formation herausgepumpt wird. Andere Arten von Blasenbildungspunkt-Detektoren können ebenfalls verwendet werden.
Gegebenenfalls ist im Bohrloch eine Flüssigkeitspumpe zum Herauspumpen einer Gasprobe aus einer Formation verwendbar. In diesem Fall kann das System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation eine Übersteuerung aufweisen, die einen Betrieb der Pumpe selbst dann ermöglicht, wenn sich Gas in der Probe befindet.
Die in 5 dargestellte weitere Ausführungsform einer Pumpe 501 kann beispielsweise im System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation der 3, in der in 2 dargestellten Vorrichtung 601 zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren oder dergleichen verwendet werden. Die Pumpe 501 umfaßt eine Pumpenkammer 521 mit einer Teilungseinrichtung 522, die zwei Pumpenabschnitte schafft. Ein Kolben 524 mit einem ersten Ende 525 und einem zweiten Ende 526 überspannt die Teilungseinrichtung 522, um einen ersten Pumpenabschnitt 501 und einen ersten Hydraulikabschnitt 511 auf einer Seite der Teilungseinrichtung 522 sowie einen zweiten Pumpenabschnitt 502 und einen zweiten Hydraulikabschnitt 512 auf der anderen Seite der Teilungseinrichtung 522 zu schaffen. Ein Verbindungselement 529, beispielsweise ein Stab oder eine Stange, verbindet die Enden 525, 526 des Kolbens 524 und erstreckt sich durch die Teilungseinrichtung 522. Dichtungen 523 dichten um das Verbindungselement 529 herum ab, um einen Flüssigkeitsübertritt zwischen dem ersten Hydraulikabschnitt 511 und dem zweiten Hydraulikabschnitt 512 zu verhindern.
Die Pumpe 501 ist mit einer Einströmleitung 503 verbunden, die in Flüssigkeitsverbindung mit einem Meßkopf stehen kann. Die Einströmleitung 503 ist mit dem ersten Pumpenabschnitt 501 durch ein Ventil 505 und mit dem zweiten Pumpenabschnitt 502 durch ein Ventil 506 verbunden. Die Ventile 505, 506 können Rückschlagventile sein, die einen Fluß in nur einer Richtung ermöglichen – von der Einströmleitung 503 zu den Pumpenabschnitten 501, 502.
Die Pumpe 501 ist ferner mit einer Abströmleitung 504 verbunden, die in Flüssigkeitsverbindung mit dem Bohrloch und wenigstens einer Probenkammer stehen kann (dargestellt als "System", um den Rest des Systems zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren anzuzeigen). Die Abströmleitung 504 ist mit dem ersten Pumpenabschnitt 501 durch ein Ventil 507 und mit dem zweiten Pumpenabschnitt 502 durch ein Ventil 508 verbunden. Die Ventile 507, 508 können Rückschlagventile sein, die einen Fluß in nur einer Richtung zulassen – von den Pumpenabschnitten 501, 502 zur Abströmleitung 504.
Der erste Hydraulikabschnitt 511 ist mit einer Ringraum-Druckleitung 513 verbunden, die hydraulisch an den Ringraumdruck P_A gekoppelt ist. Ein Absperrventil 515 für den Ringraumdruck kann selektiv geöffnet und geschlossen werden, um entweder den ersten Hydraulikabschnitt 511 dem Ringraumdruck P_A auszusetzen oder ihn vom Ringraumdruck P_A zu isolieren. Der erste Hydraulikabschnitt 511 ist ferner mit einer Leitung 514 für den internen Rohrdruck verbunden, die hydraulisch an den internen Rohrdruck P_I im Bohrstrang gekoppelt ist. Ein Absperrventil 517 für den internen Rohrdruck kann selektiv geöffnet und geschlossen werden, um entweder den ersten Hydraulikabschnitt 511 dem internen Rohrdruck P_I auszusetzen oder ihn vom internen Rohrdruck P_I zu isolieren.
Der zweite Hydraulikabschnitt 512 ist mit der Leitung 513 für den Ringraumdruck verbunden, die hydraulisch mit dem Ringraumdruck P_A gekoppelt ist. Ein zweites Absperrventil 516 für den Ringraumdruck kann selektiv geöffnet oder geschlossen werden, um den zweiten Hydraulikabschnitt 512 entweder dem Ringraumdruck P_A auszusetzen oder ihn vom Ringraumdruck P_A zu isolieren. Der zweite Hydraulikabschnitt 512 ist ferner mit der Leitung 514 für den internen Rohrdruck verbunden, die hydraulisch mit dem internen Rohrdruck P_I im Bohrstrang gekoppelt ist. Ein zweites Absperrventil 518 für den internen Rohrdruck kann selektiv geöffnet und geschlossen werden, um den zweiten Hydraulikabschnitt 512 entweder dem internen Rohrdruck P_I auszusetzen oder ihn vom internen Rohrdruck P_I zu isolieren.
Durch selektiven Betrieb der Absperrventile 515, 516, 517, 518 kann der Kolben 524 in hin- und herbewegender Weise betrieben werden, um Flüssigkeit aus dem Meßkopf in das nicht dargestellte Bohrloch oder eine nicht dargestellte Probenkammer zu pumpen. Beispielsweise werden, indem das erste Absperrventil 515 für den Ringraumdruck und das zweite Absperrventil 518 für den internen Rohrdruck geöffnet und das erste Absperrventil 517 für den internen Rohrdruck und das zweite Absperrventil 516 für den Ringraumdruck geschlossen werden, der erste Hydraulikabschnitt 511 dem Ringraumdruck und der zweite Hydraulikabschnitt 512 dem internen Rohrdruck P_I ausgesetzt. Da der interne Rohrdruck P_I größer als der Ringraumdruck P_A ist, wird der Kolben 524 derart in eine Richtung gedrückt, daß sich der erste Hydraulikabschnitt 501 in einem Ladehub und sich der zweite Hydraulikabschnitt 501 in einem Entladehub, d.h. in 5 nach rechts, befinden.
Entsprechend werden, indem das zweite Absperrventil 516 für den Ringraumdruck und das erste Absperrventil 517 für den internen Rohrdruck geöffnet und das zweite Absperrventil 518 für den internen Rohrdruck und das erste Absperrventil 515 für den Ringdruck geschlossen werden, der erste Hydraulikabschnitt 511 dem internen Rohrdruck P_I und der zweite Hydraulikabschnitt 512 dem Ringraumdruck P_A ausgesetzt. Da der interne Rohrdruck P_I größer ist als der Ringraumdruck P_A, wird der Kolben 524 derart in eine Richtung bewegt, daß sich der erste Hydraulikabschnitt 501 in einem Entladehub und sich der zweite Hydraulikabschnitt 501 in einem Ladehub, d.h. in der 5 nach links, befinden.
Die in 5 dargestellte Pumpe 501 ist eine "doppelaktive" Pumpe. "Doppelaktiv" bezeichnet, daß zwei Aktionen gleichzeitig auftreten können. Beispielsweise ist der erste Pumpenabschnitt 501 dann, wenn der Kolben 524 in eine Richtung, beispielsweise in 5 nach rechts, bewegt wird, einem Ladehub ausgesetzt und gleichzeitig ist der zweite Pumpenabschnitt 502 einem Entladehub ausgesetzt. Wenn der Kolben 524 seine Richtung umkehrt, ist der erste Pumpenabschnitt 501 einem Entladehub und der zweite Pumpenabschnitt 502 einem Ladehub ausgesetzt.
In einigen Ausführungsformen ist es vorteilhaft sicherzustellen, daß zu jedem Zeitpunkt entweder nur das Absperrventil für den Ringraumdruck oder das Absperrventil für den internen Rohrdruck für einen Hydraulikabschnitt geöffnet sind, beispielsweise für den ersten Hydraulikabschnitt 511 das Absperrventil 515 für den Ringraum oder das Absperrventil 517 für den internen Rohrdruck. Hierdurch wird verhindert, daß Schlamm aus dem Inneren des Bohrstrangs frei in den Ringraum fließen kann, wodurch die zum Betreiben der Pumpe 501 erforderliche Druckdifferenz verloren ginge.
In einigen Ausführungsformen sind die Ventile 505, 506, 507, 508, die die Pumpenabschnitte 501, 502 mit der Einströmleitung 503 und der Abströmleitung 504 verbinden, Rückschlagventile, die einen Fluß in nur einer Richtung ermöglichen. In diesen Ausführungsformen ist ein Betrieb dieser Ventile nicht erforderlich. In anderen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, Ventile zu verwenden, die selektiv betrieben werden müssen. Es ist klar, daß die Entladeventile 507, 508 für einen Entladehub ihres entsprechenden Pumpenabschnitts 501, 502 geöffnet und die Ladeventile 506, 506 für einen Ladehub ihres entsprechenden Pumpenabschnitts 501, 502 geöffnet sein müssen. Zudem sollte lediglich eines der Lade- und Entladeventile für jeden Pumpenabschnitt, beispielsweise nur das Ventil 505 oder nur das Ventil 507 am ersten Pumpenabschnitt 501, gleichzeitig geöffnet sein. Andere als die beschriebenen Typen von Ventilen können ebenfalls verwendet werden.
Weitere Ausführungsformen einer Pumpe und eines Systems zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren sind möglich. Beispielsweise können der Faltenbalg 421 und die Faltenbalgkammer 423 aus 4 in verschiedenen Konfigurationen mit den in 5 dargestellten Ausführungsformen einer Pumpe kombiniert werden. Zudem kann die in 5 dargestellte Ausführungsform mit einer Feder ausgestaltet sein, so daß lediglich ein Hydraulikabschnitt zum Betrieb der Pumpe erforderlich ist. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, ein Oberflächenverhältnis zwischen den Enden des Kolbens zu verwenden.
4 und 5 zeigen in einer Vielzahl von Bohrlochwerkzeugen verwendbare Pumpen. Während die mit Bezug auf diese Figuren beschriebene Vorrichtung einen Differenzdruck aufweist, der durch die Differenz zwischen dem Ringraumdruck im Bohrloch und dem internen Rohrdruck infolge des Schlammflusses im Bohrstrang erzeugt wird, kann die Druckdifferenz auch mit anderen Mitteln erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Druckdifferenz zwischen dem Ringraumdruck im Bohrloch und dem internen Druck erzeugt werden, der in einem Werkzeug, wie etwa einem drahtleitungsbasierten Werkzeug, einem Coiled-Tubing-Werkzeug, einem Datenerfassungswerkzeug oder einem beliebigen anderen Werkzeug im Bohrloch gespeichert oder enthalten ist.
6A und 6B zeigen Einlaßunterabschnitte, die mit bestimmten Ausführungsformen der Erfindung verwendbar sind. 6A zeigt einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Einlaßunterabschnitts 651, der sowohl mit einem Meßkopf 652 als auch einem einfachen Flüssigkeitseinlaß 653 versehen ist. Der Einlaßunterabschnitt 651 umfaßt ferner eine obere Dichtung 655 und eine untere Dichtung 657, die den Flüssigkeitseinlaß 653 auf beiden Seiten umgeben. Derartige Dichtungen werden auch als "Straddle-Dichtungen" oder "Straddle-Packers" bezeichnet. Die dargestellten Dichtungen 655, 657 befinden sich in einer entleerten Stellung. Der Einlaßunterabschnitt 651 ist in einem Bohrloch angeordnet, so daß er sich benachbart zu einer Wand 654 des Bohrlochs befindet.
6B zeigt einen Schnitt durch den Einlaßunterabschnitt 651 mit den Dichtungen 655, 657 in gefülltem Zustand, so daß sie die Wand 654 berühren können. Die Dichtungen 655, 657 isolieren eine Zone 660 der Formation, die von Interesse ist. Eine Flüssigkeitspumpe kann verwendet werden, um Flüssigkeit in den Flüssigkeitseinlaß 653 zu bringen. Während Flüssigkeit im Bohrloch zwischen den Dichtungen 655, 657 in den Einlaß 653 fließt, wird sie ersetzt durch Flüssigkeit, die aus der Formation gezogen wird. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise für einen ausreichend langen Zeitraum gepumpt, so daß die Flüssigkeit, die in den Einlaß 653 gelangt, Formationsflüssigkeit ist, die aus der Formation und in die isolierte Zone 660 zwischen den Dichtungen 655, 657 gezogen worden ist.
6B zeigt ferner einen Meßkopf 652, der zum Kontakt mit der Wand 654 des Bohrlochs ausgefahren ist. Obgleich der Meßkopf 652 in einem Modul 651 mit Dichtungen 655, 657 dargestellt ist, kann ein Meßkopf, wie beispielsweise nachstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben ist, eine Flüssigkeitsverbindung mit einer Formation ohne Verwendung der Dichtungen 655, 657 ermöglichen.
Die in 2, 6A und 6B dargestellten Einlaßunterabschnitte oder Module sind Beispiele möglicher Kombinationen aus Meßköpfen und Dichtungen, die erfindungsgemäß verwendbar sind. Darüber hinaus sind weitere Kombinationen möglich, beispielsweise kann eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation Dichtungen, jedoch keinen ausfahrbaren Meßkopf aufweisen.
7 ist eine detaillierte Schnittansicht einer Ausführungsform einer Meßkopfanordnung 211, die beispielsweise in der in 2 gezeigten Vorrichtung und dem in 3 gezeigten System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren verwendbar ist. Der in 7 dargestellte Schnitt zeigt eine Ausführungsform, in der eine Meßkopfanordnung 211 in einer Schwerstange 210 enthalten ist. Ein ähnlicher Meßkopf mit einer zusätzlichen Kolben- und Sensoreinrichtung ist in US-Patentanmeldung Nr. 10/248782 beschrieben.
Die dargestellte Schwerstange 201 weist Rippen 205 auf, die den Bohrstrang stabilisieren. Die Meßkopfanordnung 211 ist so angeordnet, daß sie sich durch eine der Rippen 205 erstreckt, die in Kontakt mit der Wand 206 des Bohrlochs stehen kann. Obwohl der Meßkopf so dargestellt ist, daß er durch eine Rippe in der Schwerstange ausfahrbar ist, kann auch ein Meßkopf in einer Schwerstange verwendet werden, die keine Rippe aufweist.
Eine Eigenschaft von Schwerstangen und zugeordnetem Werkzeug besteht darin, daß sie einen Schlammfluß sowohl im Inneren des Bohrstrangs als auch im Ringraum zulassen müssen. Hierzu sind die Rippen 205 vorzugsweise um die Schwerstange 201 herum angeordnet, beispielsweise, wie dargestellt, um 120° beabstandet, um einen Ringraum 222 für den Rückfluß von Schlamm bereitzustellen. Zudem ist die Meßkopfanordnung 211 im Inneren 221 der Schwerstange 201 angeordnet, aber vorzugsweise so bemessen und positioniert, daß im Inneren 221 der Schwerstange 211 ausreichend Platz für den nach unten gerichteten Schlammfluß zur Verfügung steht.
Die Meßkopfanordnung 211 umfaßt einen Flußweg 212, der in Flüssigkeitsverbindung mit einer Flußleitung 219 steht, die einen Fluß der Formationsflüssigkeiten von der Meßkopfanordnung 211 zu zusätzlichen, nicht dargestellten Abschnitten der Vorrichtung ermöglicht. In einigen Ausführungsformen, beispielsweise der in 7 dargestellten, ist der Meßkopf gegen die Wand 206 des Bohrlochs gedrückt, um den Flußweg 212 gegenüber dem Druck im Bohrloch zu isolieren. Eine Dichtung 214 kann vorgesehen sein, um die Bildung einer Abdichtung zur Wand 206 des Bohrlochs zu unterstützen.
Während der normalen Bohrarbeiten befindet sich der Meßkopf 215 in einer zurückgezogenen Stellung, so daß die Dichtung 214 und der Flußweg 212 in der Schwerstange 201 zurückgesetzt sind. Wenn eine Untersuchung einer Formation durchgeführt werden soll, beispielsweise der Formationsdruck gemessen oder eine Probe der Formationsflüssigkeit genommen werden soll, kann der Meßkopf 215 in eine ausgefahrene Stellung derart bewegt werden, daß sich die Dichtung 214 in Kontakt mit der Wand 206 des Bohrlochs befindet. In einigen Ausführungsformen dreht sich die Schwerstange 201 zusammen mit dem Rest des Bohrstrangs. In diesen Ausführungsformen wird das Bohren normalerweise unterbrochen, so daß der Meßkopf zum Durchführen einer Messung oder Nehmen einer Probe ausgefahren werden kann. In anderen Ausführungsformen kann die Schwerstange eine sich gegensinnig drehende Schwerstange sein, bei der sich die Rippen mit derselben Geschwindigkeit, mit der der Bohrstrang sich dreht, entgegengesetzt drehen, so daß sich die Rippen in bezug auf das Bohrloch nicht drehen. In diesen Ausführungsformen kann der Meßkopf selbst dann in eine Flüssigkeitsverbindung mit dem Bohrloch gebracht werden, wenn der Bohrstrang sich dreht. Mit der Erfindung sind Schwerstangen jeden Typs verwendbar.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Meßkopf 215 selektiv zwischen einer ausgefahrenen und der in 7 dargestellten zurückgezogenen Stellung bewegbar. Die Feder 216 drückt mit einer Kraft gegen einen Block 217, so daß der Block 217 in seiner normalen oder Ruhestellung in der zurückgezogenen Stellung gehalten wird. Der Meßkopf 215 wird ausgefahren, indem auf den Block 217 ein Flüssigkeitsdruck angewendet wird, der ausreicht, um die Kraft der Feder 216 zu überwinden und den Block 217 in die ausgefahrene Stellung zu bewegen. Ein nicht dargestelltes Ventil kann geöffnet werden, so daß ein ringförmiger Hohlraum 218 um den Block 217 hydraulisch mit dem Schlammdruck im Bohrstrang, d.h. dem internen Rohrdruck P_I, gekoppelt ist. Der hohe Druck des Schlamms im Bohrstrang füllt den Hohlraum und drückt auf den Block 217 mit einer Kraft, die ausreicht, um die Kraft der Feder 216 zu überwinden und den Meßkopf 215 in Kontakt mit der Formation zu bringen.
In anderen Ausführungsformen können andere Mechanismen verwendet werden, um einen Meßkopf zwischen einer zurückgezogenen und einer ausgefahrenen Stellung zu bewegen. Beispielsweise kann die Feder 216 weggelassen werden, wobei der Block 217 unter Verwendung eines Motors oder von Flüssig keitsdruck aus dem Inneren des Bohrstrangs bewegt werden kann.
7 zeigt einen Typ eines Flüssigkeitseinlasses, insbesondere einer Meßkopfanordnung 211, die in einer Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren verwendbar ist. In anderen Ausführungsformen kann ein einfacher Flüssigkeitseinlaß in Verbindung mit einem Paar von Dichtungen, wie beispielsweise unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschrieben, oder ein anderer Flüssigkeitseinlaß verwendet werden.
Die Vorrichtung 601 zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren kann, wie in 2 dargestellt, einen Vortest-Kolben 642 sowie wenigstens einen Sensor 623 zum Messen von Flüssigkeitseigenschaften aufweisen. Der Vortest-Kolben 642 ist in der Lage, verschiedene bekannte übliche Vortests durchzuführen. Die Sensoren 623 können einen Drucksensor umfassen, der in der Lage ist, Druckfluktuationen und -impulse am ersten Meßkopf 621 zu überwachen, die am zweiten Meßkopf 623 durch das Auspumpsystem erzeugt werden. Hierdurch wird eine Einschätzung der horizontalen und vertikalen Durchlässigkeit der Formation ermöglicht. Der Sensor 623 kann ferner einen Flüssigkeitsanalysator, ein Thermometer sowie andere Meßinstrumente zum Bestimmen von Eigenschaften einer Flüssigkeit umfassen. An der oder um die Vorrichtung können weitere Sensoren und/oder Vortest-Kolben vorgesehen sein. Zudem können geeignete Flußleitungen und Ventile verwendet werden, um Flüssigkeit in gewünschte Abschnitte der Vorrichtung selektiv einzuleiten und/oder Flüssigkeit aus der Vorrichtung abströmen zu lassen.
In einigen Ausführungsformen betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben einer Pumpe. In anderen Ausführungsformen betrifft die Erfindung Verfahren zum Untersuchen einer Formation. Die Beschreibung der Verfahren umfaßt viele Schritte, die erfindungsgemäß nicht erforderlich, sondern lediglich zur Veranschaulichung beschrieben sind.
8A illustriert ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird zunächst ein niedrigerer Druck an eine erste Seite eines Kolbens in der Pumpe angelegt, Schritt 852. Der niedrigere Druck kann der Ringraumdruck P_A sein. In einigen Ausführungsformen, beispielsweise in der in 4 dargestellten Pumpe 301, führt dies dazu, daß sich der Kolben in einem Ladehub bewegt. In anderen Ausführungsformen führt das Anlegen des Ringraumdrucks P_A an die erste Seite des Kolbens dazu, daß sich der Kolben in einem Entladehub bewegt. Als nächstes wird ein höherer Druck an die erste Seite des Kolbens in der Pumpe angelegt, Schritt 854. Der höhere Druck kann der interne Rohrdruck P_I sein. In einigen Ausführungsformen, beispielsweise in der in 4 dargestellten Pumpe 301, führt dies dazu, daß sich der Kolben in einem Entladehub bewegt. In anderen Ausführungsformen führt das Anlegen des Ringraumdrucks an die erste Seite des Kolbens dazu, daß sich der Kolben in einem Entladehub bewegt.
Das Verfahren umfaßt ferner ein selektives Wiederholen, Pfeil 856, des Anlegens des niedrigeren Drucks an die erste Seite der Pumpe und des Anlegens des höheren Drucks an die erste Seite des Kolbens. Dies führt dazu, daß sich der Kolben abwechselnd zwischen dem Lade- und dem Entladehub bewegt. Es wird angemerkt, daß der Ausgangspunkt des Verfahrens nicht zwangsläufig das Anlegen des niedrigeren Drucks bei Schritt 852 sein muß. In Fällen, in denen der niedrigere Druck an der ersten Seite des Kolbens der Pumpe in der Ausgangsstellung der Pumpe anliegt, muß der höhere Druck angelegt werden, um den Betrieb der Pumpe zu starten.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf 8B. Im Bohrloch herrscht eine widrige Umgebung vor und die Kommunikation mit Einrichtungen im Bohrloch kann sich schwierig gestalten. Oft ist es wünschenswert, den Vorgang des Untersuchens einer unterirdischen Formation weitestgehend zu automatisieren. In einigen Ausführungsformen umfaßt ein erster Schritt 702 das Übertragen eines Startsignals an eine Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation. Das Startsignal kann während des Bohrens übertragen werden und weist die Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation an, eine Prüfung oder Untersuchung zu beginnen, wenn der Schlammfluß von der Oberfläche beim nächsten Mal unterbrochen wird.
Zur Kommunikation mit Einrichtungen im Bohrloch sind verschiedene Verfahren bekannt, insbesondere die Schlammimpuls-Telemetrie in ihren ver schiedenen Ausführungsformen.
Gegebenenfalls folgen darauf Schritte 704, 705, die ein Unterbrechen des Bohrens und des Schlammpumpens umfassen, so daß der Schlammfluß durch den Bohrstrang unterbrochen wird. Durch Unterbrechen der Drehung des Bohrstrangs ist es möglich, daß die Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren einen Meßkopf und/oder Dichtungen ausfährt. In der Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren können Sensoren enthalten sein, die eine Unterbrechung des Schlammflusses feststellen. Zu diesem Zeitpunkt kann eine Untersuchung beginnen. Gegebenenfalls sind andere Arten von Sensoren zur Feststellung, ob die Bohrung unterbrochen worden ist, vorgesehen. Beispielsweise kann ein Sensor verwendet werden, der feststellt, ob die Drehung unterbrochen worden ist.
Der Schritt 704 ist insbesondere in Ausführungsformen nicht erforderlich, in denen die Vorrichtung in einer sich entgegengesetzt drehenden Schwerstange untergebracht ist. In diesen Ausführungsformen können die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden, während sich der Bohrstrang dreht.
Gegebenenfalls folgt ein Schritt 706 zum Herstellen einer Flüssigkeitsverbindung mit der Formation. Dies kann durch Ausfahren eines Meßkopfs erzielt werden, der in Flüssigkeitsverbindung mit den Flüssigkeiten der Formation gelangt. In anderen Ausführungsformen kann dies erreicht werden, indem Dichtungen ausgedehnt werden, um in Kontakt mit der Wand des Bohrlochs zu gelangen. Dieser Schritt kann zu einer vorbestimmten Zeit nach dem Unterbrechen des Schlammflusses eingeleitet werden. Das Verfahren kann ferner einen Schritt 708 zum Messen des Formationsdrucks unter Verwendung eines Drucksensors, der im System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation untergebracht ist, umfassen. Nach dem Messen des Formationsdrucks, sofern dieser Schritt durchgeführt wird, ist das erneute Starten der Schlammpumpen an der Oberfläche vorgesehen, so daß Schlamm durch den Bohrstrang und zurück zum Ringraum fließt, Schritt 710. Die Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation kann so programmiert sein, daß sie den Meßkopf ausfährt, Schritt 706, und den Druck der Flüssigkeit der Formation, Schritt 708, mißt, sobald der Schlammfluß unterbrochen ist. Diese Schritte können in einer vorbestimmten Zeitspanne durchgeführt werden und die Schlammpumpen werden nach der vorbestimmten Zeitspanne erneut gestartet.
Das Verfahren kann ferner die Durchführung eines Vortests, Schritt 711, unter Verwendung einer Flüssigkeitspumpe in der Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation umfassen. Der Vortest kann den Betrieb der Pumpe in einem Ladehub, nachstehend beschrieben bei Schritt 712, und ein anschließendes Messen des Drucktransienten umfassen, der am Meßkopf oder am Flüssigkeitseinlaß auftritt. Hierdurch ist eine Schätzung des Formationsdrucks sowie eine Schätzung der Durchlässigkeit der Formation auf bekannte Weise möglich.
Nach dem Schritt 711 teilt sich das in 8B dargestellte Flußdiagramm in zwei Wege. Hierdurch ist keine Wahlmöglichkeit dargestellt. Stattdessen sind zwei unabhängige Wege dargestellt, die gleichzeitig durchlaufen werden können. Die linke Seite umfaßt Schritte 712, 714 zum Betreiben des Systems zum Untersuchen einer unterirdischen Formation in einem Ladehub und anschließend in einem Entladehub, was nachstehend detaillierter beschrieben ist. Der Pfeil 713 illustriert, daß die Lade- und Entladehübe wiederholt werden, bis die Untersuchung abgeschlossen ist. Die Schritte 712, 714 sind in gestrichelten Linien dargestellt, da sie gleichzeitig mit wenigstens einem der Schritte 716, 718, 720 durchgeführt werden können. Die Schritte 712 und 714 zeigen zusammen mit dem Pfeil 713 ein Verfahren zum Betreiben einer Flüssigkeitspumpe. Sie können eine Teilmenge eines Verfahrens zum Untersuchen einer unterirdischen Formation sein.
In Schritt 712 wird der Ladehub beispielsweise durch Anlegen des Ringraumdrucks P_A an eine Hydraulikkammer in der Pumpe gestartet. Eine Feder in der Pumpe treibt den Ladehub gegen den Ringraumdruck P_A. Zu Beginn des Ladehubs wird eine Pumpenkammer in der Pumpe in Flüssigkeitsverbindung mit der Flüssigkeit in der Formation derart gebracht, daß die Flüssigkeit der Formation während des Ladehubs in die Pumpe eingebracht wird.
Im Schritt 714 wird der Entladehub beispielsweise durch Anlegen des internen Rohrdrucks P_I an eine Hydraulikkammer in der Pumpe gestartet. Der interne Rohrdruck P_I treibt den Entladehub gegen die Feder. Zu Beginn des Entladehubs wird die Pumpenkammer in eine Flüssigkeitsverbindung mit einer Abströmleitung im System zum Untersuchen einer unterirdischen Formation gebracht. Die Abströmleitung ist selektiv in Flüssigkeitsverbindung mit einer Probenkammer oder mit dem Bohrloch bringbar.
Der Ladehub, Schritt 712, und der Entladehub, Schritt 714, werden kontinuierlich wiederholt, so daß die Wirkung darin besteht, daß Flüssigkeit aus der Formation heraus und in die Pumpe hinein und anschließend in die Abströmleitung herausgepumpt wird. Dieser Vorgang kann fortgesetzt werden, bis es nicht länger gewünscht ist, Flüssigkeit aus der Formation herauszupumpen.
In einigen Ausführungsformen kann der Ladehub durch Anlegen des internen Rohrdrucks P_I und der Entladehub durch Anlegen des Ringraumdrucks P_A bewirkt werden. Das Verfahren zum Betreiben der Pumpe hängt dabei von der Konfiguration der Pumpe ab. Ferner wird angemerkt, daß, obwohl der Ladehub, Schritt 712, zuerst dargestellt ist, es erforderlich sein kann, den Entladehub, Schritt 714, zuerst auszuführen. In Situationen, in denen die Pumpe eine Anfangsstellung hat, die dem Ende des Ladehubs entspricht, muß der Entladehub, Schritt 714, zuerst ausgeführt werden. Die Reihenfolge, in der der Ladehub und der Entladehub ausgeführt werden, ist entsprechend den jeweiligen Gegebenheiten zu wählen.
Während des Pumpens, Schritte 712, 714, kann die Abströmleitung zunächst in eine Flüssigkeitsverbindung mit einem Abfluß zum Bohrloch gebracht werden, so daß die gepumpte Flüssigkeit in das Bohrloch eingeleitet wird, Schritt 716. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein in der Abströmleitung angeordnetes Ventil geöffnet wird. Während das Pumpen fortgesetzt wird, Schritte 712, 714, wird die Flüssigkeit mit Sensoren überwacht, um festzustellen, wann die Flüssigkeit rein wird, Schritt 718. Dies kann die Verwendung einer Telemetrie zum Übertragen von Daten an die Erdoberfläche umfassen, so daß die Sensordaten an der Erdoberfläche überwacht werden können. Alternativ hierzu können die Sensordaten insbesondere unter Verwendung einer in der Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation enthaltenen Prozessoreinheit überwacht werden.
Sobald festgestellt ist, daß die Flüssigkeit rein ist, kann das Verfahren den Schritt 720 zum Nehmen einer Probe umfassen. Hierzu kann vorgesehen sein, ein Absperrventil für eine Probenkammer zu öffnen und das Ventil in der Abströmleitung zu schließen, so daß reine Formationsflüssigkeit in eine Probenkammer gepumpt wird. Hierbei kann ein nach unten gerichtetes Telemetriesignal zur Vorrichtung zum Untersuchen einer unterirdischen Formation beim Bohren gesendet werden, das die Vorrichtung anweist, ein Absperrventil einer Probenkammer zu öffnen und das Ventil der Abströmleitung zu schließen. Gegebenenfalls kann dies durch eine Prozessoreinheit im Bohrloch veranlaßt werden.
Sobald eine Probe genommen ist, kann das Pumpen, Schritte 712, 714, beendet werden. Der Meßkopf kann dann zurückgezogen werden und/oder die Dichtungen können deaktiviert, insbesondere entleert werden. Dies ist in Schritt 722 als Trennen der Flüssigkeitsverbindung zur Formation dargestellt. Sofern das Bohren für die Untersuchung unterbrochen worden ist, kann das Bohren nunmehr fortgesetzt werden, Schritt 724.
Ferner kann ein nicht dargestellter Schritt zum Schätzen der Tiefe des Eindringens in die Formation vorgesehen sein. Mit Eindringen ist hier insbesondere das Einsickern von Schlamm oder Schlammfiltrat, d.h. dem flüssigen Teil des Schlamms, in die Formation gemeint, wenn die Formation gebohrt worden ist. Die Tiefe des Eindrings kann aus dem Gesamtvolumen der Flüssigkeit bestimmt werden, die aus der Formation herausgepumpt wird, bevor die Flüssigkeit rein wird. Dieses Volumen wird als Gesamtreinigungsvolumen bezeichnet. Dieser Schritt ist in 8A nicht dargestellt, da er zu jeder Zeit durchgeführt werden kann, nachdem die Flüssigkeit rein geworden ist. Insbesondere kann das Eindringen bestimmt werden, bevor die Flüssigkeit rein geworden ist, basierend auf einer Schätzung oder Vorhersage, wann die Flüssigkeit rein werden wird. Das Gesamtreinigungsvolumen kann durch Beobachtung der Bewegung des Kolbens bestimmt werden. Die Bewegung des Kolbens kann durch einen Sensor gemessen werden, der die Position des Kolbens beobachtet.
Ferner kann es vorgesehen sein, Druckimpulse an einem weiteren Meßkopf, beispielsweise dem Meßkopf 621 in 6A, zu überwachen. Die Flüssigkeitspumpe, die mit dem ersten Meßkopf gekoppelt ist, erzeugt Druckimpulse in der Formation, während sie Flüssigkeit der Formation pumpt. Diese Druckimpulse können am zweiten Meßkopf erfaßt werden. Dies gestattet eine Schätzung der Durchlässigkeit der Formation.

Claims

Vorrichtung (601) zum Untersuchen einer unterirdischen Formation, wobei die Vorrichtung (601) in einem Bohrloch benachbart zur Formation positionierbar ist und ein Gehäuse, einen im Gehäuse angeordneten Flüssigkeitseinlaß sowie eine Flüssigkeitspumpe (301) aufweist, die in Flüssigkeitsverbindung mit dem Flüssigkeitseinlaß steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitspumpe (301) eine Pumpenkammer (404) und einen in der Pumpenkammer (404) angeordneten ersten Kolben (406) aufweist und der Kolben (406) zum Bewegen in einem Ladehub oder einem Entladehub ausgestaltet ist, wenn er einem internen Rohrdruck (P_I) ausgesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben (406) einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt der Pumpenkammer (404) definiert und die Pumpe (301) ferner umfaßt: eine Hydraulikkammer (410), einen zweiten Kolben (411), der in der Hydraulikkammer (410) angeordnet ist und einen ersten Abschnitt der Hydraulikkammer sowie einen zweiten Abschnitt der Hydraulikkammer definiert, wobei der erste Kolben (406) und der zweite Kolben (411) über ein Verbindungselement (407) miteinander verbunden sind, ein Ventil, das in Flüssigkeitsverbindung mit der Pumpenkammer (404) steht, zum selektiven In-Flüssigkeitsverbindung-Bringen der Pumpenkammer (404) mit einer Einströmleitung (302) und/oder einer Abströmleitung (303), ein Absperrventil für den internen Rohrdruck zum selektiven hydraulischen Koppeln der Hydraulikkammer (410) an einen internen Rohrdruck, ein Absperrventil für den Ringraumdruck zum selektiven hydraulischen Koppeln der Hydraulikkammer (410) an einen Ringraumdruck (P_A) und eine Feder, die im ersten oder im zweiten Abschnitt der Hydraulikkammer (410) angeordnet und zum Ausüben einer Kraft auf den zweiten Kolben (411) angeordnet ist, wobei der erste Kolben (406) in bezug auf die Pumpenkammer (404) und der zweite Kolben (411) in bezug auf die Hydraulikkammer (410) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitspumpe (301) ferner eine Faltenbalgkammer (423) und einen flexiblen Faltenbalg (421) umfaßt, der in der Faltenbalgkammer (423) angeordnet ist und einen ersten Faltenbalgkammerabschnitt und einen zweiten Faltenbalgkammerabschnitt definiert, wobei der erste Faltenbalgkammerabschnitt in Flüssigkeitsverbindung mit dem zweiten Abschnitt der Hydraulikkammer (410) und der zweite Faltenbalgkammerabschnitt in Flüssigkeitsverbindung mit dem Absperrventil für den Ringraumdruck (P_A) und mit dem Absperrventil für den internen Rohrdruck (P_I) steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitseinlaß einen Meßkopf (652) aufweist, der aus dem Gehäuse ausfahrbar ist, um in Flüssigkeitsverbindung mit einer Formation zu gelangen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Dichtung (655) oberhalb des Flüssigkeitseinlasses und eine zweite Dichtung (657) unterhalb des Flüssigkeitseinlasses vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßöffnung und zumindest eine Probenkammer (306a, 306b, 306c) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Sensor vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Temperatursensor, ein Widerstandsfähigkeitssensor, ein Drucksensor und/oder ein optischer Sensor ist.
Verfahren zum Untersuchen einer unterirdischen Formation, bei dem eine Flüssigkeitsverbindung zwischen einem Flüssigkeitseinlaß einer Vorrichtung (601) zum Untersuchen einer unterirdischen Formation und einer Formation hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch selektives wiederholtes Anlegen eines Ringraumdrucks (P_A) an eine erste Seite eines Kolbens (406) und Anlegen eines internen Rohrdrucks (P_I) an die erste Seite des Kolbens (406) Flüssigkeit in die Vorrichtung (601) gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung einer Flüssigkeitsverbindung ein Füllen von Dichtungen (655, 657) umfaßt, um eine interessierende Zone (660) an einer Wand (654) eines Bohrlochs zu isolieren.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung einer Flüssigkeitsverbindung ein Ausfahren eines Meßkopfs (652) in eine Flüssigkeitsverbindung mit der Formation umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch Leiten einer Probenflüssigkeit aus der Flüssigkeitspumpe (301) in einen Ringraum des Bohrlochs, Feststellen, wann die Probenflüssigkeit rein geworden ist, und Leiten der Probenflüssigkeit in eine Probenkammer (306a, 306b, 306c).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Messen eines Drucktransienten am Flüssigkeitseinlaß.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch Messen eines Druckimpulses an einem zweiten Flüssigkeitseinlaß.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch Messen wenigstens einer Eigenschaft einer Formationsflüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft die Dichte, der spezifische Widerstand und/oder der Druck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, gekennzeichnet durch Übertragen (702) eines Startsignals an die Flüssigkeitspumpe (301), Unterbrechen (704) eines Bohrvorgangs, Unterbrechen (705) eines Schlammflusses durch einen Bohrstrang und erneutes Starten (710) des Schlammflusses durch den Bohrstrang nach einer vorgegebenen Zeitspanne.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, gekennzeichnet durch Überwachen der Bewegung des Kolbens (406), Berechnen eines Gesamtreinigungsvolumens basierend auf der Bewegung des Kolbens (406) und Bestimmen einer Tiefe des Eindringens basierend auf dem Gesamtreinigungsvolumen.