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Die
Erfindung betrifft eine drahtleitungsgebundene Anordnung, ein Verfahren
zum Beurteilen einer unterirdischen Formation, ein Bohrloch-Werkzeug
und ein Verfahren zur Probennahme in einem Bohrloch nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, 12, 15 bzw. 23.
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Bohrlöcher werden
gebohrt, um natürliche Vorkommen
von Öl
und Gas sowie andere Materialien von Interesse, die in geologischen
Formationen in der Erdkruste eingeschlossen sind, zu fördern. Hierzu
wird ein Bohrloch von einer Bohranordnung an der Erdoberfläche aus
in den Boden gebohrt und in Richtung auf einen geologischen Zielort
gesteuert.
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Wird
eine interessierende Formation erreicht, untersuchen Bohrführer die
Formation und ihren Inhalt häufig
unter Verwendung von Bohrloch-Werkzeugen für die Beurteilung einer Formation.
Diese werden beispielsweise als Werkzeuge zum Datenerfassen beim
Bohren ("logging-while-drilling", LWD) oder zum Messen
beim Bohren ("measurement-while-drilling", MWD) bezeichnet.
Andere Bohrloch-Werkzeuge
zum Beurteilen der Formation werden manchmal verwendet, nachdem
das Bohrloch gebohrt worden ist. Üblicherweise werden diese Bohrloch-Werkzeuge
unter Verwendung einer Drahtleitung für eine elektronische Kommunikation
und Leistungsübertragung
in ein Bohrloch hinabgelassen. Diese Werkzeuge werden als Drahtleitungs-Werkzeuge
(wireline tools) bezeichnet.
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Ein
Typ eines Drahtleitungs-Werkzeugs wird als Formationsprüfwerkzeug
bezeichnet. Der Begriff Formationsprüfwerkzeug wird verwendet, um
ein Bohrloch-Werkzeug
zur Formationsbeurteilung zu bezeichnen, das in der Lage ist, Fluid
aus der Formation in das Bohrloch-Werkzeug zu ziehen. In der Praxis
kann ein Formationsprüfwerkzeug
viele Formationsprüffunktionen
aufweisen, beispielsweise die Fähigkeit,
Messungen, z.B. den Fluiddruck und die Temperatur, durchzuführen, Daten
zu verarbeiten und/oder Proben des Formationsfluids zu nehmen und
zu speichern. Daher umfaßt
hier der Begriff Formationsprüfwerkzeug
ein Bohrloch-Werkzeug, das einer Formation Fluid zum Zwecke der
Bewertung entnimmt, unabhängig
davon, ob das Bohrloch-Werkzeug Proben speichert. Beispiele von
Formationsprüfwerkzeugen
sind in
US 4 860 581 und
US 4 936 139 beschrieben.
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Beim
Durchführen
einer Formationsprüfung wird üblicherweise
Bohrlochfluid in das Bohrloch-Werkzeug eingebracht und gemessen,
ausgewertet, eingefangen und/oder freigegeben. In Fällen, in
denen Fluid, üblicherweise
Formationsfluid, eingefangen wird, was manchmal als Fluidprobennahme bezeichnet
wird, wird Fluid üblicherweise
in eine Probenkammer gezogen und für eine weitere Auswertung,
häufig
in einem Labor, an die Oberfläche
befördert.
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Während Fluid
in das Werkzeug gezogen wird, werden normalerweise verschiedene
Messungen am Fluid durchgeführt,
um Eigenschaften der Formation und Bedingungen in der Formation
zu bestimmen, beispielsweise den Fluiddruck in der Formation, die
Permeabilität
der Formation und den Blasenbildungspunkt des Formationsfluids.
Die Permeabilität
betrifft das Flußpotential
der Formation. Eine hohe Permeabilität entspricht einem niedrigen
Widerstand gegenüber
einem Fluidfluß.
Der Blasenbildungspunkt betrifft den Fluiddruck, bei dem gelöste Gase
aus dem Formationsfluid heraussprudeln. Diese sowie andere Eigenschaften
können
zum Treffen von Entscheidungen wichtig sein.
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Ein
anderes Bohrloch-Werkzeug, das üblicherweise über eine
Drahtleitung in ein Bohrloch eingebracht wird, ist als Kernwerkzeug
bekannt. Im Gegensatz zu den Formationstestwerkzeugen, die vornehmlich
zum Sammeln von Fluidproben verwendet werden, wird ein Kernwerkzeug
zum Erhalten einer Probe des Formationsgesteins verwendet.
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Ein
typisches Kernwerkzeug umfaßt
einen hohlen Bohrkopf, der als Kernbohrkopf bezeichnet und in die
Formationswand so eingebracht wird, daß eine Probe, die als Kernprobe
bezeichnet wird, aus der Formation entnommen werden kann. Eine Kernprobe
kann dann an die Oberfläche
gebracht werden, wo sie analysiert werden kann, um unter anderem
die Speicherkapazität
des Reservoirs, die als Porosität bezeichnet
wird, und die Permeabilität
des die Formation bildenden Materials, sowie die chemischen und
mineralischen Zusammensetzungen der Fluide und mineralischen Ablagerungen,
die in den Poren der Formation enthalten sind, und/oder den nicht
weiter verringerbaren Wassergehalt des Formationsmaterials zu bewerten.
Die aus einer Analyse einer Kernprobe erhaltenen Informationen können auch verwendet
werden, um Entscheidungen für
das Bohrloch zu treffen.
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Der
Kernbetrieb im Bohrloch läßt sich üblicherweise
in zwei Kategorien unterteilen: die axiale und die Seitenwandkernprobennahme.
Die axiale Kernprobennahme, die die übliche Kernprobennahme darstellt,
umfaßt
ein Anlegen einer axialen Kraft zum Einbringen eines Kernbohrkopfs
in den Boden des Bohrlochs und erfolgt, nachdem der Bohrstrang aus
dem Bohrloch entfernt worden ist, woraufhin ein Rotations-Kernbohrkopf
mit einem hohlen Inneren zum Empfangen der Kernprobe am Ende des
Bohrstrangs in das Bohrloch hinabgelassen wird. Ein Beispiel eines
Kernwerkzeugs zur axialen Kernprobennahme ist in
US 6 006 844 dargestellt.
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Bei
der Seitenwand-Kernprobennahme wird der Kernbohrkopf hingegen radial
aus dem Bohrloch-Werkzeug herausbewegt und durch die Seitenwand
eines gebohrten Bohrlochs hindurchbewegt. Bei der Seitenwand-Kernprobennahme
kann der Bohrstrang üblicherweise
nicht verwendet werden, um den Bohrkopf zu drehen. Auch kann der
Bohrstrang nicht das Gewicht bereitstellen, das erforderlich ist,
um den Bohrkopf in die Formation zu treiben. Stattdessen muß das Kernwerkzeug
sowohl das Drehmoment, das die Drehbewegung des Kernbohrkopfs erzeugt,
als auch die axiale Kraft, die als Gewicht auf dem Bohrkopf ("weight-on-bit", WOB) bezeichnet
wird, und erforderlich ist, um den Kernbohrkopf in die Formation
zu treiben, selbst erzeugen. Eine weitere Herausforderung bei der
Seitenwandkernprobennahme betrifft die Größenbeschränkungen des Bohrlochs. Der
verfügbare
Platz ist durch den Durchmesser des Bohrlochs beschränkt. Es muß genügend Platz
vorhanden sein, um die Vorrichtungen unterzubringen, die den Kernbohrkopf
antreiben, und ferner genug Platz vorhanden sein, um eine Kernprobe
zu entnehmen und aufzubewahren. Eine typische Kernprobe bei einer
Seitenwandkernprobennahme weist einen Durchmesser von etwa 3,8 cm,
entsprechend etwa 1,5 Inch, sowie eine Länge von weniger als etwa 7,6
cm, entsprechend etwa 3 Inch, auf, wobei die Größen mit der Größe des Bohrlochs
variieren können.
Beispiele von Kernwerkzeugen zur Seitenwandkernprobennahme sind
in
US 4 714 119 und
US 5 667 025 beschrieben.
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Kernwerkzeuge
werden wie die Formationsprüfwerkzeuge üblicherweise
an einer Drahtleitung in das Bohrloch hinabgelassen, nachdem die
Bohrung abgeschlossen ist, um Bedingungen im Bohrloch zu analysieren.
Die zusätzlichen
Schritte zum Einbringen eines drahtleitungsbasierten Formationsprüfwerkzeugs
und eines darauffolgenden Einbringens eines drahtleitungsbasierten
Kernwerkzeugs verzögern
den Bohrbetrieb. Es ist daher wünschenswert, daß der drahtleitungsbasierte
Formationstestbetrieb und der drahtleitungsbasierte Kernprobennahmebetrieb
in einem einzigen drahtleitungsbasierten Bohrloch-Werkzeug kombiniert
werden. Allerdings ist der Energiebedarf bekannter Kernwerkzeuge
inkompatibel mit den Energiefähigkeiten
bekannter drahtleitungsbasierter Formationsprüfwerkzeuge. Ein typisches Kernwerkzeug
zur Seitenwandkern probennahme erfordert etwa 2,5 bis 4 kW Leistung.
Im Gegensatz hierzu sind übliche
Formationsprüfwerkzeuge
lediglich dazu ausgelegt, etwa 1 kW Leistung zu erzeugen. Die elektronischen
Verbindungen und die Leistungsverbindungen in einem Formationsprüfwerkzeug
sind üblicherweise
nicht dazu ausgestaltet, die Leistung zum Betrieb eines Kernwerkzeugs
für die
Seitenwandkernprobennahme zu liefern.
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Aus
US 6 157 893 ist ein Bohrwerkzeug
mit einem Kernwerkzeug und einem Probennahmewerkzeug bekannt. Im
Gegensatz zu drahtleitungsbasierten Anwendungen sind Bohrwerkzeuge
in der Lage, zusätzliche
Leistung aus dem Fluß von
Schlamm durch den Bohrstrang zu erzeugen. Die von Bohrwerkzeugen
gelieferte zusätzliche
Leistung ist derzeit bei drahtleitungsbasierten Anwendungen nicht verfügbar. Daher
besteht ein Bedarf für
eine drahtleitungsgebundene Anordnung, die sowohl für das Fluid
als auch die Kernprobennahme geeignet ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine drahtleitungsgebundene
Anordnung, ein Verfahren zum Beurteilen einer unterirdischen Formation,
ein Bohrloch-Werkzeug und ein Verfahren zur Probennahme in einem
Bohrloch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 12, 15 bzw. 23 zu
schaffen, die einen verbesserten Betrieb ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1, 12,
15 bzw. 23 gelöst.
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Hierdurch
werden Vorrichtungen und Verfahren geschaffen, bei denen die Prüf- und/oder
Probennahme verbessert ist, die verringerte Werkzeuggrößen aufweisen,
mit denen eine Kernprobennahme und eine Formationsprüfung an
einer einzigen Stelle im Bohrloch und/oder über dasselbe Werkzeug möglich sind,
und/oder die eine einfache und wirksame Kombinierbarkeit getrennter
Kernprobennahme- und Fluidprobennahmewerkzeuge in derselben Komponente
und/oder im selben Bohrloch ermöglichen.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
und Verfahren können
die nachfolgenden Vorteile aufweisen.
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In
einigen Ausführungsformen
können
sowohl ein Kernwerkzeug als auch ein Formationsprüfwerkzeug
an derselben drahtleitungsgebundenen oder LWD- Anordnung vorgesehen sein. Vorzugsweise
können
hierdurch Kernproben und Fluidproben von derselben Stelle in einem
Bohrloch entnommen werden. Dadurch, daß sowohl eine Kernprobe als auch
eine Fluidprobe von derselben Stelle vorhanden sind, kann die Beurteilung
der Formation und ihres Inhalts genauer erfolgen. Zudem können am Bohrloch-Werkzeug
eine oder mehrere getrennte oder integrierte Kern- und/oder Probennahmekomponenten
in einer Vielzahl von Konfigurationen vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
wird in einigen Ausführungsformen
ein Kernwerkzeug mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben. Ein hoher
Wirkungsgrad ermöglicht
es, daß ein
Kernwerkzeug mit geringerem Leistungsverbrauch betreibbar ist.
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Ausführungsformen
mit einem Kernwerkzeug mit niedriger Leistung ermöglichen
es vorzugsweise, daß eine
Kernprobe unter geringerem Leistungsverbrauch als im Stand der Technik
erhalten werden kann. Es kann vorgesehen sein, daß das Kernwerkzeug
mit geringer Leistung weniger als 1 kW Leistung verbraucht. Vorzugsweise
ist die Schaltung, die erforderlich ist, um einem Kernwerkzeug mit niedriger
Leistung Leistung zuzuführen,
wesentlich weniger anspruchsvoll, als bei bekannten Kernwerkzeugen.
Dadurch kann ein Kernwerkzeug mit niedriger Leistung in derselben
drahtleitungsgebundenen Anordnung zusammen mit anderen Bohrloch-Werkzeugen
verwendet werden, die typischerweise die hohe Leistung, die bei
bekannten Kernwerkzeugen erforderlich ist, nicht liefern können.
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Es
können
pulsweitenmodulierte Solenoidventile als Teil einer Rückleitungsschleife
vorgesehen sein, um einen hydraulischen Druck zu steuern, der an
einen kinematischen Kolben oder eine andere Vorrichtung, die eine
WOB anlegt, zu steuern. Vorzugsweise ist ein pulsweitenmoduliertes
Solenoidventil präzise
steuerbar, so daß die
WOB bei oder nahe einem gewünschten
Wert gehalten werden kann.
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Das
pulsweitenmodulierte Solenoidventil kann basierend auf einem Drehmoment
gesteuert werden, das an einen Kernbohrkopf geliefert wird. Vorzugsweise
kann ein Kernwerkzeug mit einer derartigen Steuervorrichtung das
pulsweitenmodulierte Solenoidventil so präzise steuern, daß der an
einem kinematischen Kolben angelegte Druck zu einem im wesentlichen
konstanten Drehmoment, das an den Kernbohrkopf geliefert wird, führt.
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Eine
drahtleitungsgebundene Anordnung kann eine Verbindung mit Buchsen
im Boden eines Werkzeugs oder Moduls umfassen. Vorzugsweise kann
Fluid nicht in den Buchsen eingeschlossen werden, so daß die Verbindung
verhältnismäßig störungsfrei
in bezug auf die elektrischen Kontakte ist. Vorzugsweise ist hierbei
eine Schutzhülse
vorgesehen, um eine Beschädigung
von Stiften zu verhindern, die oben an einem Modul oder Werkzeug
vorgesehen sein können.
Ferner kann es vorgesehen sein, daß die Schutzhülse perforiert
oder porös
ist, so daß Fluid,
das einen elektrischen Kontakt stören kann, durch die Schutzhülse vom
elektrischen Kontakt wegfließen
kann.
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Es
kann eine Kammer für
Proben vorgesehen sein, die es gestattet, daß eine Kernprobe und eine Fluidprobe
in derselben Kammer oder in derselben Abteilung der Kammer aufbewahrt
werden können.
Vorzugsweise wird die Kernprobe aufbewahrt, während sie von Formationsfluid
umgeben ist, das aus der Stelle stammt, an der die Kernprobe erhalten worden
ist.
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In
der Kammer können
eine oder mehrere Füll-
und Auslaßleitungen
vorgesehen sein, die es ermöglichen,
daß Formationsfluid
durch die Kammer gepumpt wird, während
sich eine Kernprobe in der Kammer befindet. Vorzugsweise kann zumindest
ein Teil eines Schlammfiltrats in der Kernprobe, d.h. des Schlammfiltrats,
das in die Formation eingedrungen ist, bevor die Kernprobe erhalten
worden ist, aus der Kernprobe und aus der Kammer entfernt werden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsformen
näher beschrieben.
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1 illustriert
eine drahtleitungsgebundene Anordnung mit einem Kernwerkzeug und
einem Formationsprüfwerkzeug.
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2A illustriert
ein bekanntes Kernwerkzeug.
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2B illustriert
ein erfindungsgemäßes Kernwerkzeug.
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3 ist
ein Diagramm, das den Wirkungsgrad eines Kernmotors als Funktion
der Leistungsausgabe für
zwei verschiedene Flußraten
hydraulischer Fluide zu einem Kernmotor illustriert.
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4 illustriert
das von einem Kernbohrkopf erforderliche Drehmoment als Funktion
der Drehgeschwindigkeit und der Eindringtiefe.
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5 illustriert
ein WOB-Steuersystem.
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6 illustriert
den Arbeitsgewinn eines Kernbohrkopfs als Funktion der Kernbohrkopfposition
für einen
typischen Kernbohrkopf.
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7A, 7B zeigen
einen Querschnitt durch eine Verbindung vor bzw. nach deren Aufbau.
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7C zeigt
einen vergrößerten Querschnitt durch
ein Verbindung vor dem Aufbau.
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8A, 8B, 8C zeigen
Querschnitte durch erfindungsgemäße Bohrloch-Werkzeuge.
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9 zeigt
einen Querschnitt durch ein Bohrloch-Werkzeug.
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10, 11, 12 illustrieren
jeweils eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
in 1 schematisch dargestellte drahtleitungsgebundene
Anordnung 101 ist von einem Bohrturm 100 in ein
Bohrloch 105 hinabgelassen. Die Anordnung 101 umfaßt ein Formationsprüfwerkzeug 102 und
ein Kernwerkzeug 103. Das Formationsprüfwerkzeug 102 ist über eine
Verbindung 104 mit dem Kernwerkzeug 103 verbunden.
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Das
Formationsprüfwerkzeug 102 umfaßt eine
Sonde 111, die aus dem Formationsprüfwerkzeug 102 ausfahrbar
ist, um in Fluidverbindung mit einer Formation F gebracht zu werden.
Stützkolben 112 können im
Formationsprüfwerkzeug 102 vorgesehen
sein, um beim Drücken
der Sonde 111 an die Seitenwand für einen Kontakt damit zu unterstützen und
um das Formationsprüfwerkzeug 102 im
Bohrloch 105 zu stabilisieren. Das dargestellte Formationsprüfwerkzeug 102 umfaßt ferner
eine Pumpe 114 zum Pumpen von Probenfluid durch das Formationsprüfwerkzeug 102,
sowie Probenkammern 113 zum Aufbewahren von Fluidproben.
Andere Komponenten können
ebenfalls vorgesehen sein, beispielsweise ein Energiemodul, ein
Hydraulikmodul, ein Fluidanalysiermodul und andere Vorrichtungen.
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Das
Kernwerkzeug 103 umfaßt
eine Kernanordnung 125 mit einem Kernbohrkopf 121,
einer Aufbewahrungsfläche 124 zum
Aufbewahren von Kernproben und einem zugeordneten Steuermechanismus 123,
beispielsweise dem in 5 dargestellten. Wie nachstehend
unter Bezugnahme auf 2B ausgeführt wird, kann es vorgesehen
sein, daß das Kernwerkzeug 103 weniger
als ungefähr
2 kW, weniger als ungefähr
1,5 kW oder weniger als etwa 1 kW verbraucht. Dies macht es wünschenswert,
das Kernwerkzeug 103 mit dem Formationsprüfwerkzeug 102 zu
kombinieren. Eine Strebe 122 wird verwendet, um die drahtleitungsgebundene
Anordnung im Bohrloch 105 zu stabilisieren, wenn der Kernbohrkopf 121 arbeitet.
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In 1 ist
die Anordnung 101 mit mehreren operativ miteinander verbundenen
Modulen dargestellt. Die Anordnung kann auch teilweise oder vollständig einheitlich
sein. Beispielsweise kann, wie in 1 dargestellt,
das Formationsprüfwerkzeug 102 einheitlich
sein, wobei das Kernwerkzeug 103 in einem separaten Modul
untergebracht ist, das operativ durch eine Verbindung 104 mit
dem Formationsprüfwerkzeug 102 verbunden
ist. Das Kernwerkzeug 103 kann auch einheitlich im gesamten
Gehäuse
der Anordnung 101 untergebracht sein.
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Bohrloch-Werkzeuge
umfassen häufig
mehrere Module, d.h. Werkzeugabschnitte, die verschiedene Funktionen
ausführen.
Zudem können
Bohrloch-Werkzeuge
und/oder Bohrloch-Komponenten auf derselben Drahtleitung kombiniert
werden, um verschiedene Aufgaben im Bohrloch während derselben Fahrt der Drahtleitung
durchzuführen.
Die Module werden üblicherweise
mittels Verbindungen, beispielsweise der Verbindung 104 der 1,
miteinander verbunden. Beispielsweise weist ein Modul eines Formationsprüfwerkzeugs
an seinem oberen Ende einen Verbinder eines Typs und an seinem unteren Ende
einen Verbinder eines anderen Typs auf. Der obere und der untere
Verbinder sind so ausgestaltet, daß sie ineinander eingreifen
können.
Durch Verwendung von Modulen und Werkzeugen mit ähnlichen Anordnungen von Verbindern
können
alle Module und Werkzeuge Ende an Ende miteinander verbunden werden,
um die drahtleitungsgebundene Anordnung zu bilden. Eine Verbindung
kann eine elektrische, eine hydraulische und/oder eine Flußverbindung
schaffen, was von den Anforderungen an die Werkzeuge an der Drahtleitung
abhängig
ist. Eine elektrische Verbindung kann der Energieversorgung und/oder
der Kommunikation dienen.
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In
der Praxis umfaßt
eine drahtleitungsgebundene Anordnung mehrere verschiedene Komponenten,
die jeweils auch aus mehreren Modulen bestehen können, beispielsweise aus einem
Probennahmemodul und einem Auspumpmodul für ein Formationsprüfwerkzeug.
Mit dem Wort "Modul" sind hier getrennte
Werkzeuge oder einzelne Werkzeugmodule bezeichnet, die in einer
drahtleitungsgebundenen Anordnung 101 miteinander verbindbar
sind. Das Wort "Modul" beschreibt einen
beliebigen Teil der drahtleitungsgebundenen Anordnung, unabhängig davon,
ob das Modul Teil eines größeren Werkzeugs
oder selbst ein separates Werkzeug ist. Im Stand der Technik wird
der Begriff "drahtleitungsgebundenes
Werkzeug" manchmal
verwendet, um die gesamte drahtleitungsgebundene Anordnung einschließlich aller
einzelnen die Anordnung bildenden Teile zu bezeichnen. Hier wird
der Begriff "drahtleitungsgebundene
Anordnung" verwendet,
um jegliche Verwechslung mit den einzelnen Werkzeugen, die die drahtleitungsgebundene
Anordnung bilden, beispielsweise ein Kernwerkzeug, ein Formationsprüfwerkzeug,
ein NMR-Werkzeug usw., die in einer einzigen drahtleitungsgebundenen
Anordnung enthalten sein können,
zu verhindern.
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Das
in 2A schematisch dargestellte bekannte drahtleitungsbasierte
Kernwerkzeug 210 umfaßt
eine Kernanordnung 204 mit einem hydraulischen Kernmotor 202,
der einen Kernbohrkopf 201 antreibt. Der Kernbohrkopf 201 wird
dazu verwendet, eine nicht dargestellte Kernprobe aus einer Formation
zu entnehmen.
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Um
den Kernbohrkopf
201 in die Formation einzutreiben, muß dieser
in die Formation hineingedrückt
werden, während
er gedreht wird. Das Kernwerkzeug
210 legt dementsprechend
eine WOB, d.h. eine Kraft auf den Kernbohrkopf
201 an,
die den Kernbohrkopf
201 in die Formation drückt, sowie
ein Drehmoment. Das dargestellte Kernwerkzeug
210 umfaßt Mechanismen,
um sowohl ein WOB als auch ein Drehmoment anzulegen. Ein Kernwerkzeug
mit Mechanismen zum Anlegen einer WOB und eines Drehmoments ist
in
US 6 371 221 beschrieben.
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Beim
bekannten Kernwerkzeug 210 wird das WOB durch einen Wechsel strommotor 212 und
eine Steueranordnung 211 erzeugt, die eine hydraulische Pumpe 213,
ein Rückflußsteuerventil 214 ("feedback flow control", FFC) und einen
kinematischen Kolben 215 umfaßt. Der Wechselstrommotor 212 versorgt die
hydraulische Pumpe 213 mit Energie. Der Fluß hydraulischen
Fluids aus der hydraulischen Pumpe 213 wird vom Rückflußsteuerventil 214 geregelt
und der Druck des hydraulischen Fluids treibt den kinematischen
Kolben 215 an, um eine WOB an den Kernbohrkopf 201 anzulegen.
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Das
Drehmoment wird von einem weiteren Wechselstrommotor 216 und
einer Getriebepumpe 217 geliefert. Der zweite Wechselstrommotor 216 treibt
dabei die Getriebepumpe 217 an, die einen gleichmäßigen Fluß hydraulischen
Fluids zum hydraulischen Kernmotor 202 liefert. Der hydraulische Kernmotor 202 übt wiederum
ein Drehmoment auf den Kernbohrkopf 201 aus, der eine Drehung
des Kernbohrkopfs 201 verursacht. Normalerweise pumpt die
Getriebepumpe 217 etwa 4,5 gpm, entsprechend etwa 17 lpm
(Liter pro Minute) hydraulischen Fluids bei einem Druck von etwa
500 psi, entsprechend etwa 3,44 MPa. Dies erzeugt ein Drehmoment
von etwa 135 in.-oz., entsprechend etwa 0,953 N-M (Newton-Meter),
wobei zwischen 2,5 kW und 4,0 kW Leistung verbraucht werden, abhängig vom
Wirkungsgrad des Systems. Eine typische Betriebsgeschwindigkeit
des Kernbohrkopfs 201 beträgt etwa 3.000 UpM.
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Das
in 2B dargestellte erfindungsgemäße Kernwerkzeug 220 verwendet
anstelle der Wechselstrommotoren der 2A zwei
bürstenlose Gleichstrommotoren 222, 226.
Die Gleichstrommotoren 222, 226 sind so ausgelegt,
daß sie
effizienter als die Wechselstrommotoren betreibbar sind, wodurch das
Kernwerkzeug 220 mit weniger Energie betrieben werden kann.
Das Kernwerkzeug 220 der 2B kann
beispielsweise im Kernwerkzeug 103 der 1 verwendet
werden. Während
die geringere Leistungsaufnahme des Kernwerkzeugs dazu führt, daß es in
drahtleitungsbasierten Anwendungen mit oder ohne begleitende Formationsprüfwerkzeuge verwendbar
ist, kann es auch in anderen Bohrlochwerkzeugen verwendet werden.
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Der
erste bürstenlose
Gleichstrommotor 222 ist operativ mit einer Steueranordnung 221 verbunden,
die eine hydraulische Pumpe 223, ein Ventil 224 und
einen kinematischen Kolben 225 umfaßt. Der Gleichstrommotor 222 treibt
die hydraulische Pumpe 223 an. Hydraulisches Fluid wird
dabei durch das Ventil 224 gepumpt. Das Ventil ist vorzugsweise
ein pulsweitenmoduliertes ("pulsewidth-modulated", PWM) Solenoidventil.
Das Ventil 224 kann zum Steuern der WOB betrieben werden.
Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschrieben, kann das Ventil 224 derart
betrieben werden, daß der kinematische
Kolben 225 eine konstante WOB oder eine WOB liefert, die
zum Aufrechterhalten eines konstanten Drehmoments am Kernbohrkopf 201 variiert.
Ein zweiter bürstenloser
Gleichstrommotor 226 treibt eine Hochdruck-Getriebepumpe 227 an,
die hydraulisches Fluid an den hydraulischen Kernmotor 202 liefert.
Die Getriebepumpe 227 kann dazu verwendet werden, hydraulisches
Fluid bei einem höheren
Druck und mit einer niedrigeren Flußgeschwindigkeit zu liefern,
als es in bekannten Kernwerkzeugen der Fall ist. Dieses System liefert,
was hier als niedrige Leistung bezeichnet wird. Beispielsweise kann
das in 2B dargestellte Kernwerkzeug 220 hydraulisches
Fluid mit einer Flußgeschwindigkeit von
etwa 9,46 lpm, entsprechend etwa 2,5 gpm, bei einem Druck von 3,7
MPa, entsprechend etwa 535 psi, pumpen. Die verringerte Flußgeschwindigkeit zum
hydraulischen Kernmotor 202 betreibt den Kernbohrkopf 201 bei
einer geringeren Geschwindigkeit. Beispielsweise kann eine Flußgeschwindigkeit
von etwa 9,46 lpm, entsprechend etwa 2,5 gpm, bei 3,7 MPa, entsprechend
etwa 535 psi, eine Kernbohrgeschwindigkeit von etwa 1.600 UpM erzeugen.
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Mit
einer derartigen Konfiguration ist es möglich, daß das Kernwerkzeug 220 weniger
als 2 kW Leistung verbraucht. Es kann vorgesehen sein, daß ein Kernwerkzeug
weniger als 1 kW Leistung verbraucht.
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3 zeigt
im Diagramm 300 den Wirkungsgrad eines Kernmotors in Prozent
entlang der Y-Achse als Funktion der Ausgangsleistung in Watt entlang der
X-Achse für
zwei Kernwerkzeuge, ähnlich
das Kernwerkzeug 210 der 2A und
das Kernwerkzeug 220 der 2B, über den
Betriebsbereich von bis zu 300 W.
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Die
erste Kurve 301 zeigt den Wirkungsgrad des Kernmotors 202 der 2A bei
einer Flußgeschwindigkeit
von 4,6 gpm, entsprechend etwa 17,03 lpm. Bei 300 W, einer typischen
maximalen Ausgangsleistung für
ein Kernwerkzeug, erreicht der Wirkungsgrad ein Maximum 303 von
etwa 30 %. Die zweite Kurve 302 zeigt den Wirkungsgrad
des Kernmotors 202 der 2B bei
einer Flußgeschwindigkeit
von 2,5 gpm, entsprechend etwa 9,46 lpm. Die zweite Kurve 302 zeigt
einen maximalen Wirkungsgrad 304 von über 50 % bei 300 W Ausgangsleistung.
Durch Verringern der Flußgeschwindigkeit
von 17,03 lpm, entsprechend etwa 4,5 gpm, auf 9,46 lpm, entsprechend
etwa 2,5 gpm, kann daher der Wirkungsgrad des Kernmotors auf über 50 %
erhöht werden.
Bei 300W Ausgangsleistung erfordert ein Kernmotor mit etwa 50 %
Wirkungsgrad weniger als 1 kW Eingangsleistung. Diese Verringerung
in bezug auf die erforderliche Leistung ermöglicht die Verwendung eines
Kernwerkzeugs mit einem Formationsprüfwerkzeug.
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4 zeigt
eine dreidimensionale Graphik 400 des erforderlichen Drehmoments
basierend auf UpM und Eindringgeschwindigkeit für eine typische Formation.
Ein typisches Kernwerkzeug bohrt eine Kernprobe in etwa 2 bis 4
Minuten. In diesem Bereich ändert
sich das erforderliche Drehmoment in bezug auf die Geschwindigkeit
des Kernbohrkopfs nicht stark. Beispielsweise benötigt das
Kernwerkzeug am Punkt 402 für 3.000 UpM und 2 Minuten/Kern
ein Drehmoment von etwas mehr als 100 in.-oz., entsprechend etwa
0,706 N-M. Am Punkt 404 für 1,500 UpM und 2 Minuten/Kern
benötigt
der Kernbohrkopf ebenfalls etwas mehr als 100 in.-oz., entsprechend etwa
0,706 N-M. Ein ertindungsgemäßes Kernwerkzeug
ist somit in bestimmten Ausführungsformen dazu
ausgestaltet, eine Kernprobe in derselben Zeitspanne wie bekannte
Kernwerkzeuge zu bohren und zu erhalten, während weniger Leistung benötigt wird.
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Typische
Formationsprüfwerkzeuge
sind normalerweise nicht in der Lage, die von bekannten Kernwerkzeugen
benötigte
Leistung zu übertragen. Das
in 2 dargestellte Kernwerkzeug mit
niedriger Leistung kann weniger als etwa 1 kW Leistung verbrauchen.
Mit diesem verringerten Leistungsbedarf können eine oder mehrere Ausführungsformen
eines Kernwerkzeugs mit niedriger Leistung mit einem Formationsprüfwerkzeug
kombiniert werden, so daß sowohl
Fluidproben als auch Kernproben während derselben Drahtleitungs-Fahrt
erhalten werden können. Ein
zusätzlicher
Vorteil besteht darin, daß eine
Fluidprobe und eine Kernprobe an derselben Stelle im Bohrloch erhalten
werden können,
so daß es
möglich ist,
sowohl das Formationsgestein als auch das darin enthaltene Fluid
zu analysieren. Das Kernwerkzeug und das Formationsprüfwerkzeug
können
zum Durchführen
von Tests und/oder zum Nehmen von Proben aus demselben oder aus
relativen Orten positioniert werden. Es ist klar, daß eine oder
mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung auch ohne Verwendung
eines Kernwerkzeugs mit niedriger Leistung erzielbar sind.
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Die
in 5 dargestellte Steueranordnung 500 zum
Steuern der auf einem Kernbohrkopf wirkenden WOB kann beispielsweise
für das
Kernwerkzeug der 2B verwendet werden. Die Steueranordnung 500 umfaßt eine
hydraulische Pumpe 503, die hydraulisches Fluid durch eine
Hydraulikleitung 506 an einen kinematischen Kolben 507 pumpt.
Die hydraulische Pumpe 503 saugt Fluid aus einem Reservoir 505 und
pumpt das hydraulische Fluid durch die Hydraulikleitung 506 an
den kinematischen Kolben 507. Der kinematische Kolben 507 wandelt
den Hydraulikdruck in eine Kraft um, die auf den Kernmotor 502 wirkt,
um eine WOB zu schaffen. Ein Ventil 504 in einer Überdruckleitung 509 ermöglicht,
daß hydraulisches
Fluid aus der Hydraulikleitung 506 auf kontrollierte Weise
abgezweigt wird, so daß der
Hydraulikdruck in der Hydraulikleitung 506 und schließlich der
kinematische Kolben 507 präzise gesteuert werden können.
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Das
Ventil 504 kann ein pulsweitenmoduliertes Solenoidventil
sein. Das Ventil 504 ist operativ mit einer Steuerung 508 verbunden.
Die Steuerung 508 betreibt das Ventil basierend auf Eingaben
von Sensoren 521, 531. Vorzugsweise wird ein pulsweitenmoduliertes
Solenoidventil, d.h. das Ventil 504, zwischen der geöffneten
und der geschlossenen Position in einer hohen Frequenz hin und her
geschaltet. Beispielsweise kann das Ventil 504 bei einer
Frequenz zwischen etwa 12 Hz und 25 Hz betrieben werden. Der Bruchteil
der Zeit, bei dem das Ventil 504 geöffnet ist, steuert die Menge
des durch das Ventil 504 fließenden hydraulischen Fluids.
Je größer die
Flußgeschwindigkeit
durch das Ventil 504 ist, desto geringer ist der Druck
in der Hydraulikleitung 506, und desto geringer ist die
WOB, die vom kinematischen Kolben 507 angelegt wird. Je
geringer die Flußgeschwindigkeit durch
das Ventil 504 ist, desto größer ist der Druck in der Hydraulikleitung 506,
und desto größer ist
auch das WOB, das vom kinematischen Kolben 507 angelegt
wird.
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Die
Steuerung 508 für
die Pulsweitenmodulation kann operativ mit einem oder mehreren Sensoren 521, 531 verbunden
sein. Vorzugsweise ist die Steuerung 508 zumindest mit
einem Drucksensor 521 und einem Drehmomentsensor 531 gekoppelt. Der
Drucksensor 521 ist mit der Hydraulikleitung 506 verbunden,
so daß er
auf den Hydraulikdruck darin reagiert, während der Drehmomentsensor 531 mit dem
Kernmotor 502 gekoppelt ist, so daß er auf das Ausgangsdrehmoment
des Kernmotors 502 reagiert.
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Das
Ventil 504 kann derart gesteuert werden, daß es eine
Betriebscharakteristik auf einem bestimmten Wert aufrechterhält. Beispielsweise
kann das Ventil 504 so gesteuert werden, daß eine im
wesentlichen konstante WOB aufrechterhalten wird. Das Ventil 504 kann
auch so gesteuert werden, daß ein
im wesentlichen konstantes Ausgangsdrehmoment des Kernmotors 502 aufrechterhalten
wird.
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Wenn
das Ventil 504 zum Aufrechterhalten einer konstanten WOB
gesteuert wird, steuert die Steuerung 508 das Ventil 504 basierend
auf Eingaben vom Drucksensor 521. Wenn das WOB zu hoch wird,
kann die Steuerung 508 das Ventil 504 so betreiben,
daß es
sich in einem größeren Teil
der Zeit in einer geöffneten
Position befindet. Hydraulikfluid in der Hydraulikleitung 506 kann
dann durch das Ventil 504 mit einer höheren Flußgeschwindigkeit fließen, wodurch
der Druck auf den kinematischen Kolben 507 verringert wird,
wodurch wiederum die WOB verringert wird.
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Wenn
andererseits die WOB unter den gewünschten Druck abfällt, kann
die Steuerung 508 das Ventil 504 so steuern, daß es sich
für einen
größeren Teil
der Zeit in einer geschlossenen Position befindet. Hydraulikfluid
in der Hydraulikleitung 506 fließt dann mit einer geringeren
Flußgeschwindigkeit
durch das Ventil 504, wodurch der Druck auf den kinematischen Kolben 507 steigt,
wodurch wiederum die WOB steigt.
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Wenn
das System basierend auf Drehmoment gesteuert wird, mißt der Drehmomentsensor 531 das
Drehmoment, das an den Kernmotor angelegt wird. Für eine gegebene
Umdrehungsgeschwindigkeit hängt
das vom Kernmotor 502 angelegte Drehmoment von den Formationseigenschaften
und der WOB ab. Die Steuerung 518 betreibt das Ventil 504 derart,
daß das
Ausgangsdrehmoment des Kernmotors 502 nahe bei einem konstanten
Pegel bleibt. Das gewünschte
Ausgangsdrehmoment kann abhängig
vom Werkzeug und der Anwendung variieren. Das Ausgangsdrehmoment
kann beispielsweise zwischen 100 in.-oz., entsprechend etwa 0,706
N-M, und 400 in.-oz., entsprechend etwa 2,82 N-M, betragen. Das
gewünschte
Ausgangsdrehmoment kann auch etwa 135 in.-oz., entsprechend etwa
0,953 N-M, betragen. Das gewünschte
Ausgangsdrehmoment kann ferner beispielsweise 250 in.-oz., entsprechend etwa
1,77 N-M, betragen.
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Wenn
das Ausgangsdrehmoment des Kernmotors 502 oberhalb des
gewünschten
Pegels liegt, betreibt die Steuerung 508 das Ventil 504 derart,
daß es
einen höheren
Teil der Zeit offen ist. Dann fließt Hydraulikfluid mit einer
höheren
Flußgeschwindigkeit durch
das Ventil 504. Dies verringert den Druck in der Flußleitung 506,
wodurch der Hydraulikdruck am kinematischen Kolben 507 verringert
wird. Ein verringerter Druck am kinematischen Kolben 507 resultiert in
einer verringerten WOB und einem verringerten Drehmoment, das erforderlich
ist, um die Drehgeschwindigkeit des Kernbohrkopfs aufrechtzuerhalten. Das
Ausgangsdrehmoment des Kernmotors 502 kehrt daher zum gewünschten
Pegel zurück.
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Wenn
sich das Ausgangsdrehmoment des Kernmotors 502 unterhalb
des gewünschten
Pegels befindet, betreibt die Steuerung 508 das Ventil 504 derart,
daß es
einen größeren Teil
der Zeit in der geschlossenen Position ist. Dann fließt Hydraulikfluid mit
einer geringeren Flußgeschwindigkeit
durch das Ventil 504. Dies erhöht den Druck in der Flußleitung 506,
wodurch der Hydraulikdruck am kinematischen Kolben 507 erhöht wird.
Ein erhöhter
Druck am kinematischen Kolben 507 resultiert in einer erhöhten WOB
und einem erhöhten
Drehmoment, das erforderlich ist, um die Drehgeschwindigkeit des
Kernbohrkopfs aufrechtzuerhalten.
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Das
in 5 dargestellte Steuersystem 500 kann
die WOB so steuern, daß eine
konstante WOB oder ein konstantes Drehmoment am Kernbohrkopf aufrechterhalten
wird. Es kann vorgesehen sein, daß nur ein Sensor vorgesehen
ist und ein Ventil basierend auf lediglich einer Sensormessung gesteuert wird.
Dies ist mit umfaßt.
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5 zeigt
eine Konfiguration, bei der beispielsweise das Ventil 504 in
einer Überdruckleitung 509 verbunden
ist, die zu einem Reservoir 508 fließt. Die Erfindung ist jedoch
nicht darauf beschränkt.
Andere Konfigurationen sind möglich,
beispielsweise derart, daß das
Ventil den Fluß auf
andere Weise ableitet, wie es bekannt ist. Zudem können verschiedene
Kombinationen von einer Steuerung von Druck und/oder Drehmoment
verwendet werden.
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6 illustriert
den Arbeitsgewinn (mechanical advantage) für das WOB als Funktion der
Position des Kernbohrkopfs für
ein typisches Kernwerkzeug, wobei der Arbeitsgewinn entlang der
Y-Achse und die Position entlang der X-Achse aufgetragen sind. Die Kurve 601 zeigt,
daß der
Arbeitsgewinn über
dem Bereich der Positionen des Kernbohrkopfs variiert. Da der Arbeitsgewinn
variiert, variiert auch die tatsächliche
WOB als Funktion der Position, selbst wenn der an den kinematischen
Kolben, beispielsweise den Kolben 516 der 5,
angelegte Hydraulikdruck konstant ist. Die Kurve illustriert, daß ein vorsichtiges
Aufrechterhalten des Hydraulikdrucks nicht notwendigerweise eine
konstante WOB aufrechterhält.
In einigen Situationen wird daher vorzugsweise der Hydraulikdruck
basierend auf dem Drehmoment gesteuert.
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7A und 7B zeigen
Querschnitte eines Verbindungsfelds 700. Die Verbindung 700 kann beispielsweise
als die Verbindung 104 der 1 verwendet
werden. Die Verbindung 700 kann dazu verwendet werden,
um verschiedene Komponenten oder Module eines beliebigen Bohrloch-Werkzeugs zu
kombinieren, beispielsweise eines drahtleitungsbasierten Bohrloch-Werkzeugs,
eines Bohrloch-Werkzeugs
mit einer Verrohrung von der Rolle (coiled tubing), eines Bohrwerkzeugs
usw. 7A zeigt ein oberes Modul 701 sowie ein
unteres Modul 702, kurz bevor die Verbindung hergestellt
wird. Das obere Modul 701 umfaßt eine zylindrische Hülse 706, in
die das untere Modul 702 paßt.
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Das
obere Modul 701 umfaßt
einen männlichen
Flußleitungsverbinder 711 mit
Dichtungen 727, die verhindern, daß Fluid um den Verbinder 711 herumfließt. Der
Verbinder 711 kann beispielsweise am oberen Modul 701 festgeschraubt
sein, z.B. im Bereich 712. Ein weiblicher Flußleitungsverbinder 751 im
unteren Modul 702 ist zum Aufnehmen des Verbinders 711,
wenn die Verbindung 700 hergestellt wird, angeordnet. Die
hergestellte Verbindung 700 ist in 7B dargestellt.
Der Verbinder 711 verbindet die Flußleitung 717 im oberen
Modul 711 mit der Flußleitung 757 im
unteren Modul 702, so daß eine Fluidverbindung zwischen
den Flußleitungen 717, 757 besteht.
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Das
obere Modul 701 umfaßt
ferner einen Sockelkopf 714. Im Sockelkopf 714 sind
Sockellöcher 753 angeordnet.
Die Sockellöcher 753 sind
im oberen Modul 701 angeordnet, um zu verhindern, daß Fluide
darin eingefangen oder gesammelt werden.
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Das
untere Modul 702 umfaßt
einen Stiftkopf 754 mit Stiften 713, die sich
vom Stiftkopf 754 nach oben erstrecken. Der Stiftkopf 754 und
die Stifte 713 sind in einer Schutzhülse 773 angeordnet.
Die Schutzhülse 773 kann
etwas höher
als das obere Ende der Stifte 713 sein. Der Stiftkopf 754 kann
in bezug auf das untere Modul 702 und die Schutzhülse 773 beweglich
sein. Beispielsweise zeigt 7A eine
Feder 780, die den Stiftkopf 754 in eine oberste Stellung
drückt.
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Die
Oberfläche
des Stiftkopfs 754 kann mit einer Dichtung 771 für einen Übergang
bedeckt sein, die oben am Stiftkopf 754 aufgeklebt ist
und warzenartige Vorsprünge
aufweist, die um jeden Stift 713 herum abdichten. Die Dichtung 771 ist
detaillierter in 7C dargestellt. Die Stifte 713 erstrecken
sich aus dem Stiftkopf 751 nach oben. Eine Dichtung 771 ist oben
am Stiftkopf 754 vorgesehen. Die Dichtung 771 ist
vorzugsweise ein Elastomer, beispielsweise Gummi, der um die Stifte 713 herum
angeordnet ist, um zu verhindern, daß Fluid in den Stiftkopf 754 eindringt und
eine Schaltung, die im Stiftkopf 754 angeordnet sein kann,
stört.
Zudem dichtet die Dichtung 771 gegenüber der Stirnfläche des
Stiftkopfs 714 ab, um Fluid aus dem Raum zwischen dem Stiftkopf 754 und dem
Sockelkopf 714 herauszudrücken. 7C zeigt einen
vergrößerten Ausschnitt
einer hergestellten Verbindung. Die warzenartigen Vorsprünge um jeden Stift 713 der
Dichtung 771 dichten Buchsen 753 des Sockelkopfs 714 ab,
so daß Fluid
nicht in den Bereich der elektrischen Verbindung eintreten kann,
wenn die Module 701, 702 miteinander verbunden
sind. Diese Dichtungskonfiguration wird verwendet, um jeden Stift/Sockel
elektrisch gegenüber
anderen Stiften und gegenüber
dem Massepotential des Werkzeugs zu isolieren.
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Die
Schutzhülse 773 kann
perforiert oder porös
sein. Hierdurch kann Fluid, das in der Schutzhülse 773 eingeschlossen
ist, durch die Schutzhülse 773 in
eine Position fließen,
wo sie die elektrische Verbindung zwischen den Stiften 713 und
den Buchsen 753 nicht stört, wenn die Verbindung 700 hergestellt
ist.
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7B zeigt
einen Querschnitt der Verbindung 700 nach deren Herstellung.
Das untere Modul 702 ist innen in einer zylindrischen Hülse 706 des oberen
Moduls 701 angeordnet. Dichtungen 765, beispielsweise
O-Ringe, am unteren Modul 702 dichten gegenüber der
Innenwand des zylindrischen Gehäuses 706 ab,
um zu verhindern, daß Fluid
in die Verbindung 700 eindringt.
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Der
Verbinder 711 des oberen Moduls 701 ist in Eingriff
mit dem Verbinder 751 des unteren Moduls 702.
Dichtungen 728 am Verbinder 711 dichten gegenüber der
inneren Oberfläche
des Verbinders 751 ab, um zu verhindern, daß Fluid
um den Verbinder 711 herumfließt. In der verbundenen Stellung
schafft der Verbinder 711 eine Fluidverbindung zwischen
der Flußleitung 717 im
oberen Modul 701 und der Flußleitung 757 im unteren
Modul 702.
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Beschrieben
wurden Dichtungen, die in einem Element angeordnet sind, um gegenüber einem anderen
Element abzudichten. Es ist klar, daß eine Dichtung auch in dem
anderen Element angeordnet sein kann, um gegenüber dem einen Element abzudichten.
Die Anordnung einer Dichtung an einem bestimmten der Elemente ist
hier nicht einschränkend. Weitere
Konfigurationen sind möglich.
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Wenn
die Verbindung hergestellt ist, drückt der Sockelkopf 714 nach
unten auf den Stiftkopf 754. Die Feder 780 ermöglicht eine
nach unten gerichtete Bewegung des Stiftkopfs 754. Die
Stifte 713 sind in den Buchsen 753 angeordnet,
um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Der Sockelkopf 714 ist
zumindest teilweise in der Schutzhülse 773 angeordnet.
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Die
in 7B dargestellte Verbindung umfaßt eine
Schutzhülse 773,
die in bezug auf das untere Modul 702 stationär ist. Die
Stifte 713 sind vorzugsweise ebenfalls in der Schutzhülse 773 angeordnet.
Beim Herstellen der Verbindung paßt der Sockelkopf in die Schutzhülse 773,
um mit den Stiften 713 des Stiftkopfs 754 in Eingriff
zu gelangen, während
der Stiftkopf 754 nach unten gedrückt wird.
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7C zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts der hergestellten Verbindung 700 der 7A und 7B in
der hergestellten Position. Die untere Stirnfläche des Sockelkopfs 714 drückt gegen die
Dichtung 771 oben am Stiftkopf 754. Die Stifte 713 sind
von den Buchsen 753 aufgenommen. Die Dichtung 771 dichtet
die Buchsen 753 des Sockelkopfs 754 ab, so daß Fluid
nicht in den elektrischen Kontaktbereich eindringen kann, wenn die
Module 701, 702 verbunden sind.
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Die
Schutzhülse 773 kann
eine Dichtung 775 aufweisen. In der in 7A dargestellten
Position, in der die Verbindung 700 nicht hergestellt ist,
dichtet die Dichtung 775 gegenüber dem Stiftkopf 754 ab, um
zu verhindern, daß Fluid
in das untere Modul 702 der 7A und 7B eindringt.
In der in 7B, 7C dargestellten
Position, in der die Verbindung hergestellt ist, ist der Stiftkopf 714 so
positioniert, daß er
die Dichtung 775 kontaktiert. In dieser Position verhindert
die Dichtung 775, daß Fluid
in der Verbindung 700 in den Bereich zwischen dem Stiftkopf 754 und dem
Sockelkopf 714 eindringt und die elektrischen Kontakte
stört.
Die Dichtung 775 wird ferner verwendet, um zu verhindern,
daß Fluid
aus der Verbindung 700 in das untere Modul 702 eindringt.
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Die
Schutzhülse 773 kann
perforiert oder porös
sein, um zu ermöglichen,
daß Fluid
durch die Schutzhülse 773 fließt. Die
Schutzhülse 773 kann oberhalb
der Dichtung 775 porös
sein, wobei Fluid unterhalb der Dichtung 775 nicht durch
die Schutzhülse 773 fließen kann.
Die Dichtung 775 verhindert, daß Fluid durch die poröse Schutzhülse 773 in
eine Position zwischen dem Stiftkopf 754 und dem Sockelkopf 714 und
in das untere Modul 702 fließt.
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8 und 9 illustrieren
Bohrloch-Werkzeuge mit Kern- und Probennahmeeigenschaften. Derartige
Bohrloch-Werkzeuge können
drahtleitungsbasierte Werkzeuge sein oder einen Teil von anderen
Bohrloch-Werkzeugen bilden, beispielsweise eines Bohrwerkzeugs,
eines Werkzeugs mit einer aufgewickelten Verrohrung, eines Komplettierungswerkzeugs
oder eines anderen Werkzeugs.
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Das
in 8A im Querschnitt dargestellte Bohrloch-Werkzeug 800 umfaßt eine
erfindungsgemäße Formationsprüf- und Kernanordnung 801.
Die Anordnung 801 kann im Bohrlochwerkzeug 800 angeordnet
werden oder in einem Modul untergebracht sein, das mit dem Bohrloch-Werkzeug 800 kombinierbar
ist.
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Das
dargestellte Bohrloch-Werkzeug 800 weist einen Werkzeugkörper 802 auf,
der die Anordnung 801 umgibt. Eine Öffnung 804 im Werkzeugkörper 802 ermöglicht,
daß Kernproben
und Fluidproben aus der Formation erhalten werden können. Die
Anordnung 801 umfaßt
einen Probennahmeblock 806. Der Probennahmeblock 806 ist
benachbart zur Öffnung 804 angeordnet,
so daß er
Zugriff zur Öffnung 804 hat.
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Der
Probennahmeblock 806 kann eine Sonde 807 für ein Fluid
und einen Kernbohrkopf 808 an benachbarten Seiten aufweisen.
Der Probennahmeblock 806 kann gedreht werden, so daß entweder die
Sonde 807 oder der Kernbohrkopf 808 sich in einer
Position befinden, um auf die Öffnung 804 zuzugreifen. 8A zeigt
den Probennahmekopf 806 in einer Position, in der die Sonde 807 in
der Position zum Zugriff auf die Öffnung 804 ist.
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Die
genaue Ausgestaltung der Sonde schränkt die Erfindung nicht ein.
Die Sonde 807 kann beispielsweise eine Dichtfläche 810,
beispielsweise einen Packer, zum Andrücken gegen die Wand eines Bohrlochs
aufweisen. Wenn die Dichtfläche 810 eine Dichtung
mit der Bohrlochwand bildet, wird die Flußleitung 812 in der
Sonde 807 in Fluidverbindung mit der Formation gebracht.
Die Dichtfläche 810 kann
einen Packer oder eine andere Dichtung umfassen, um eine Fluidverbindung
zwischen der Flußleitung
und der Formation herzustellen.
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Die
in 8A dargestellte Schlauchleitung 813 kann
verwendet werden, um die Flußleitung 812 im
Probennahmeblock 806 mit der Fluidprobenleitung 814 im
Bohrloch-Werkzeug 800 zu verbinden. Die Verbindung zwischen
der Flußleitung 812 und der
Schlauchleitung 813 bringt die Sonde 807 in Fluidverbindung
mit der Fluidprobenleitung 814.
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Die
Schlauchleitung 813 ist vorzugsweise eine flexible Schlauchleitung,
die die Verbindung zwischen der Flußleitung 812 und der
Fluidprobenleitung 814 aufrechterhält, wenn der Probennahmeblock 806 gedreht
wird. Die Schlauch leitung 813 ermöglicht eine Relativbewegung
zwischen der Flußleitung 812 im
Probennahmeblock 806 und der Fluidprobenleitung 814 im
Bohrloch-Werkzeug 800, während die Fluidverbindung aufrechterhalten
wird. Beispielsweise zeigt 8B das
Bohrloch-Werkzeug 800 mit dem Probennahmeblock 806 in
einer gedrehten Stellung, so daß sich
der Kernbohrkopf 808 benachbart zur Öffnung 804 befindet.
Die Schlauchleitung 813 hat sich ebenfalls bewegt, so daß die Fluidverbindung
zwischen der Flußleitung 812 im
Probennahmeblock 806 und der Fluidprobenleitung 814 im Bohrloch-Werkzeug 800 aufrechterhalten
wird.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
Schlauchleitung 813 eine harte, teleskopartige Rohrleitung
ist, die einen dynamischen Bereich von Stellungen ermöglicht.
Andere Arten von Schlauchleitungen oder Kanälen können erfindungsgemäß ebenfalls
verwendet werden.
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Um
eine Probe zu erhalten, erstreckt sich der Probennahmeblock 806 durch
die Öffnung 804,
so daß die
Dichtfläche 810,
beispielsweise wie in 8A, 8B dargestellt
ein Packer, die Formation kontaktiert. Die Dichtfläche 810 drückt dabei
gegen die Formation, so daß die
Flußleitung 812 in
Fluidverbindung mit der Formation ist. Formationsfluid kann dann
durch die Flußleitung 812 in
den Werkzeugkörper 802 gezogen
werden.
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Der
Kernbohrkopf 808 im Probennahmeblock 806 kann
in die Formation eingebracht werden, um eine Kernprobe des Formationsmaterials
zu erhalten. 8B zeigt das Bohrloch-Werkzeug 800 mit
einem gedrehten Probennahmeblock 806, so daß der Kernbohrkopf 808 benachbart
zur Öffnung 804 angeordnet
ist. In dieser Stellung kann der Kernbohrkopf 808 ausgefahren
werden, um eine Kernprobe aus der Formation zu entnehmen. Sobald
eine Kernprobe im Kernbohrkopf 808 aufgenommen ist, kann der
Kernbohrkopf 808 zurück
in das Bohrloch-Werkzeug 800 gezogen werden. 8B zeigt
den Kernbohrkopf 808 in einer zurückgezogenen Stellung.
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Es
wird wieder Bezug genommen auf 8A. Wenn
eine Kernprobe im Kernbohrkopf 808 aufgenommen worden ist,
kann der Probennahmeblock 806 gedreht werden, so daß der Kernbohrkopf 808 in
eine vertikale Stellung gelangt. Aus dieser Stellung kann ein Kerndrücker 823 die
Kernprobe, die hier nicht dargestellt ist, aus dem Kernbohrkopf 808 in
einen Kerngang 822 drücken.
Die Kernprobe kann im Kerngang 822 aufbewahrt werden. Es
kann auch vorgesehen sein, daß der
Kerngang 822 mit einem Kernproben-Aufbewahrungsmechanismus
verbunden ist, vgl. beispielsweise 8C.
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Die
in 8C dargestellte Kammer 850 zum Aufbewahren
einer Kernprobe kann gerade unterhalb eines Kernbohrkopfs mit einem
Auswurfmechanismus, beispielsweise dem Kernbohrkopf 808 und dem
Kerndrücker 823 der 8A,
angeordnet sein. Eine Kernprobe kann in die Kammer 850 bewegt oder
weitergeleitet werden, so daß sie
später
für eine Analyse
entnehmbar ist.
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Die
Kammer 850 kann Absperrventile 852, 853 beispielsweise
in Form von Schiebern umfassen, um Abschnitte der Kammer 850 in
getrennte Abteile zu unterteilen, so daß mehrere Kernproben ohne Kontamination
zwischen den Kernproben aufbewahrt werden können. Beispielsweise kann das
untere Absperrventil 853 zur Vorbereitung zum Aufnehmen
einer Kernprobe geschlossen werden. Eine Kernprobe kann dann in
die Kammer 850 eingebracht werden, wobei das untere Absperrventil 853 die
Kernprobe von allem unterhalb des Absperrventils 853, beispielsweise
zuvor gesammelten Kernproben, isoliert. Sobald sich die Kernsprobe
am Platz befindet, kann das obere Absperrventil 852 geschlossen
werden, um die Kernprobe von allem oberhalb des Absperrventils 852,
beispielsweise später
gesammelten Kernproben, zu isolieren. Es können viele Absperrventile verwendet
werden, um die Kammer 850 in viele Abteilungen zu unterteilen,
die gegeneinander isoliert sind.
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Es
kann auch ein anderer Trennmechanismus als die Absperrventile 852, 853 vorgesehen sein.
Beispielsweise kann ein Irisventil oder ein elastomerisches Ventil
verwendet werden, um eine Abteilung in einer Kammer für Kernproben
zu isolieren. Die Erfindung kann mit verschiedenen Ventiltypen verwendet
werden.
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Die
Kammer 850 kann über
eine Fülleitung 857 mit
der Fluidprobenleitung 814 verbunden sein. Die Fülleitung 857 kann
ein Füllventil 856 aufweisen, das
die Kammer 850 selektiv in Fluidverbindung mit der Fluidprobenleitung 814 bringt.
Die Kammer 850 kann durch eine Auslaßleitung 855 mit der
Umgebung des Bohrlochs verbunden sein. Ein Auslaßventil 854 kann selektiv
betrieben werden, um die Kammer 850 in Fluidverbindung
mit dem Bohrloch zu bringen. Mit Bohrloch ist hier das gebohrte
Volumen bezeichnet. Zweckmäßigerweise
befindet sich an der Bohrlochwand Schlamm, so daß das Innere des Bohrlochs
gegenüber
der Formation abgedichtet ist. Wo die Flußleitung, beispielsweise die
Flußleitung 812 der 8A,
in Fluidverbindung mit der Formation steht, kann die Auslaßleitung 855 in
Fluidverbindung mit dem Bohrloch stehen.
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Die
Fülleitung 857 gestattet
es, daß eine
Fluidprobe in derselben Abteilung der Kammer 850 aufbewahrt
werden kann, wie die Kernprobe, die an derselben Stelle im Bohrloch
entnommen worden ist. Wenn sich eine Kernprobe in einer Aufbewahrungsstellung
befindet, beispielsweise zwischen geschlossenen Absperrventilen 852, 853,
kann das Füllventil 856 geöffnet werden,
um eine Fluidprobe in die Kammer 850 zu pumpen, und zwar
in dieselbe Abteilung, in der sich die Kernprobe befindet. Die Auslaßleitung 855 gestattet
es, Fluid in das Bohrloch auszulassen, bis die Kernprobe vollständig in
dem natürlichen
Formationsfluid derselben Stelle eingetaucht ist.
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In 8C ist
die Fülleitung 857 mit
einer Abteilung zwischen den Absperrventilen 852, 853 nahe am
oberen Ende der Abteilung verbunden, während die Auslaßleitung 855 benachbart
zum unteren Ende der Abteilung verbunden ist. Eine Kernprobe kann
in einer derartigen Stellung aufbewahrt werden, in der die Seite,
die Teile der Bohrlochwand gebildet hat, nach unten zeigt. In dieser
Stellung befinden sich die Abschnitte der Kernprobe, die durch eingedrungenen Schlamm
beeinflußt
worden sind, benachbart zum Boden der Kernprobe. Durch Anschließen der
Füll- und
Auslaßleitungen 857, 855 benachbart
zum oberen bzw. unteren Ende der Abteilung kann das Probenfluid
das Schlammfiltrat aus der Kernprobe herauswaschen, während die
Abteilung mit natürlichem Formationsfluid
gefüllt
wird, d.h. eine Fluidprobe genommen wird.
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Der
in 9 im Schnitt dargestellte Abschnitt eines Bohrloch-Werkzeugs 900 umfaßt ein erfindungsgemäßes kombiniertes
Formationsprüf-
und Kernwerkzeug 901 mit einer Sonde 903 und einem darin
angeordneten Kernbohrkopf 902. Die Sonde 903 kann
selektiv ausgefahren werden, um die Bohrlochwand zu kontaktieren
und eine Dichtung mit der Formation zu bilden. Der Kernbohrkopf 902 kann dann
selektiv ausgefahren werden, mit oder ohne Ausfahren oder Zurückziehen
der Sonde, um mit der Bohrlochwand in Eingriff zu gelangen.
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Der
Kernbohrkopf 902 ist in 9 in einer zurückgezogenen
Stellung dargestellt, kann jedoch in die Formation 912 ausgefahren
werden, um eine Kernprobe zu erhalten. Das Kernwerkzeug umfaßt ferner
vorzugsweise einen Kerndrücker 904.
Wenn eine Kernprobe im Kernbohrkopf 902 aufgenommen ist,
kann der Kernbohrkopf 902 gedreht werden und der Kerndrücker 904 kann
ausgefahren werden, um die Kernprobe aus dem Kernbohrkopf 902 in
eine Kammer herauszudrücken.
Das kombinierte Formationsprüf-
und Kernwerkzeug 901 kann in das Bohrloch-Werkzeug 900 zurückgezogen
und gedreht werden, so daß die
Kernprobe in die Kammer ausgeworfen werden kann. Alternativ hierzu
kann die Kernprobe im Kernbohrkopf gehalten werden, um beim Zurückholen
des Bohrloch-Werkzeugs 900 an die Erdoberfläche entnommen
zu werden.
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Die
Sonde 903 umfaßt
ferner eine Dichtung 906 insbesondere in Form eines Packers
und eine Flußleitung 908 für die Fluidprobennahme.
Wenn die Dichtung 906 an die Formationswand gedrückt wird, ist
die Flußleitung 908 gegenüber der
Umgebung im Bohrloch isoliert und steht in einer Fluidverbindung mit
der Formation. Formationsfluide können durch die Flußleitung 908 in
das Kernwerkzeug 900 gezogen werden.
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Die
Dichtung 906 erzeugt eine Dichtfläche gegen die Formation 912.
Eine Fluidverbindung mit der Formation wird innerhalb der Dichtfläche der Dichtung 906 hergestellt.
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Eine Öffnung der
Flußleitung 908 ist
vorzugsweise innerhalb der Dichtfläche benachbart zur Dichtung 906 angeordnet.
Die Flußleitung 908 ist
ferner vorzugsweise zum Empfangen von Fluiden aus der Formation über die
Dichtfläche
ausgestaltet. Der Kernbohrkopf 902 ist in der und durch
die Dichtfläche der
Dichtung 906 ausfahrbar.
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Das
Kernwerkzeug 900 der 8 und 9 kann
Kammern zum Aufbewahren von Kernproben und/oder Fluidproben aufweisen.
Das Kernwerkzeug 900 kann zusammen mit einer Kammer verwendet werden,
die Kernproben in Formationsfluid enthält, das von derselben Stelle
im Bohrloch wie die Fluidprobe genommen worden sind. Eine derartige
Kammer ist beispielsweise die Kammer 850 der 8C. Ein
Bohrlochwerkzeug kann eine getrennte Kammer zum Aufbewahren von
Fluidproben aufweisen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Die vorstehende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und dient
nicht der Beschränkung
der Erfindung. In der kombinierten Kern- und Probennahmeanordnung
können
ferner eine Fluidpumpe, Fluidanalysatoren und andere Vorrichtungen
vorgesehen sein, um einen Fluß von
Fluid durch die Flußleitung
und/oder eine Analyse des Fluids zu erleichtern.
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Die
in 10 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens
umfaßt
den Schritt 1002, bei dem eine drahtleitungsgebundene Anordnung
in ein Bohrloch hinabgelassen wird. Bei Schritt 1004 wird
ein in der drahtleitungsgebundenen Anordnung vorhandenes Formationsprüfwerkzeug aktiviert,
um Formationsfluid aus der Formation zu entnehmen. Die drahtleitungsgebundene
Anordnung kann ein Kernwerkzeug umfassen, das in der drahtleitungsgebundenen
Anordnung verbunden ist. Dann kann ein Schritt 1006 vorgesehen
sein, bei dem das in der drahtleitungsgebundenen Anordnung verbundene
Kernwerkzeug aktiviert wird, um eine Kernprobe zu entnehmen.
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Danach
kann ein Schritt 1008 vorgesehen sein, bei dem die Kernprobe
in eine Kammer geleitet wird. Bei einem Schritt 1010 kann
es vorgesehen sein, die Fluidprobe in die Kammer zu leiten. Die Schritte 1008, 1010 sind
in dieser Reihenfolge dargestellt, da die Kernprobe vorzugsweise
in die Kammer gebracht wird, bevor die Fluidprobe in die Kammer geleitet
wird. Hierdurch kann die Kammer vollständig mit Probenfluid gefüllt werden,
nachdem die Kernprobe bereits in der Kammer positioniert ist. Diese Schritte
können
jedoch in einer beliebigen Reihefolge ausgeführt werden. Die Schritte 1008, 1010 sind
ferner nicht immer erforderlich. Beispielsweise kann eine Kernprobe
im Kernbohrkopf verbleiben, um an die Oberfläche befördert zu werden.
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Schließlich kann
das Verfahren den Schritt 1012 zum Herausholen der drahtleitungsgebundenen
Anordnung und den Schritt 1014 zum Analysieren der Proben
umfassen. Die Analyse der Proben kann Informationen liefern, die
beim weiteren Bohren oder Vervollständigen des Bohrlochs oder beim
Fördern
aus dem Bohrloch verwendbar sind.
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Bei
der in 11 dargestellten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bei Schritt 1102 eine Kernprobe eines Formationsgesteins
erhalten. Schritt 1102 kann durch Ausfahren eines Kernbohrkopfs
zur Formation und Anwenden eines Drehmoments und eines WOB an den
Kernbohrkopf durchgeführt
werden.
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Danach
umfaßt
das Verfahren einen Schritt 1104, bei dem ein Probenblock
im Bohrloch-Werkzeug gedreht wird. Hierdurch wird der Kernbohrkopf gedreht,
so daß die
Kernprobe aus dem Kernbohrkopf bei Schritt 1106 ausgeworfen
werden kann. Das Verfahren umfaßt
ferner einen Schritt 1108, bei dem eine Fluidverbindung
zwischen einer Flußleitung
und der Formation hergestellt wird. Danach kann Fluid aus der Formation
entnommen werden, Schritt 1110. Schließlich wird Probenfluid vorzugsweise
in eine Kammer geleitet, Schritt 1112.
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Bei
der in 12 dargestellten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
wird bei Schritt 1202 eine Fluidverbindung mit der Formation hergestellt.
Danach kann vorgesehen sein, eine Kernprobe durch Ausfahren eines
Kernbohrkopfs durch eine Dichtfläche
einer Dichtung zu erhalten, Schritt 1204. Eine Kernprobe
kann dabei erhalten werden, bevor eine Fluidverbindung hergestellt
ist, oder ggf. umgekehrt.
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Ein
Schritt 1206 kann vorgesehen sein, bei dem die Kernprobe
aus dem Kernbohrkopf in eine Kammer ausgeworfen wird. Das Verfahren
kann ferner einen Schritt 1210 umfassen, bei dem eine Fluidprobe
aus der Formation entnommen wird, indem Fluid durch eine Flußleitung
gezogen wird, deren distales Ende sich innerhalb der Dichtfläche der
Dichtung befindet, Schritt 1210.
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Schließlich kann
das Verfahren einen Schritt 1212 umfassen, bei dem Probenfluid
in die Kammer geleitet wird.
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In
einer Ausführungsform
betrifft die Erfindung eine Verbindung zum Verbinden von Modulen eines
Bohrloch-Werkzeugs oder einer drahtleitungsgebundenen Anordnung.
Die Verbindung umfaßt
ein oberes Modul mit einem bodenseitigen Verbinder an einem unteren
Ende des oberen Moduls und ein unteres Modul mit einem oberen Verbinder
an einem oberen Ende des unteren Moduls. Das obere Modul kann ein
zylindrisches Gehäuse
zum Aufnehmen des unteren Moduls, einer ersten Flußleitung
und eines Sockelkopfs mit wenigstens einer Buchse aufweisen. Das
untere Modul kann eine zweite Flußleitung, einen Stiftkopf und
zumindest einen am Stiftkopf angeordneten Stift aufweisen, so daß sich zumindest
ein Teil des Stifts vom Stiftkopf nach oben erstreckt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verbinden zweier Module
einer drahtleitungsgebundenen Anordnung, bei dem ein unteres Modul
in zylindrisches Gehäuse
eines oberen Moduls eingesetzt wird, Stifte eines Stiftkopfs im
unteren Modul in Buchsen eines Sockelkopfs im oberen Modul eingesetzt
werden, der Stiftkopf mit dem Sockelkopf eingedrückt und ein Verbinder im oberen
Modul in einen Verbinder im unteren Modul eingesetzt wird.