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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Werkzeuge für die Bohrlochprotokollierung
und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Verringern von
Abstandseffekten von Bohrlochwerkzeugen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 bzw. von Anspruch 6.
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Die Öl- und Gasindustrie
verwendet verschiedene Werkzeuge, um die Formation zu prüfen, um
Kohlenwasserstoff-Reservoirs zu lokalisieren und um die Typen und
Mengen von Kohlenwasserstoffen zu bestimmen. Ein typisches Protokollierungswerkzeug
sendet Energie (ein Signal) von einer Quelle (z. B. von einem Sender
eines sich vorwärts
bewegenden Werkzeugs oder von einer Gammastrahlenquelle eines Dichteprotokollierungswerkzeugs)
in das Bohrloch und in die Formation. Das gesendete Signal tritt
mit der Materie der Formation in Wechselwirkung, wenn es die Formation
durchläuft.
Als Folge dieser Wechselwirkungen werden die Eigenschaften des gesendeten
Signals verändert,
wobei einige der veränderten
Signale zum Bohrloch und zum Werkzeug zurückkehren können. Ein oder mehrere Sensoren (z.
B. Empfänger)
können
am Werkzeug angeordnet sein, um die zurückkehrenden Signale zu erfassen. Die
erfassten Signale können
dann analysiert werden, um Einsichten in die Formationseigenschaften zu
erhalten.
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Im
Idealfall erfassen die Empfänger
nur die Signale, die von der Formation zurückkehren. Falls jedoch die
Sender und die Empfänger
nicht direkt mit der Formation in Kontakt sind (d. h. wenn sich
das Werkzeug in einem Abstand von der Formation befindet (Werkzeug-Stand-off)),
schaffen das Bohrloch und das Bohrlochfluid oftmals einen anderen
Sendeweg für
die Signale, auf dem sie sich von den Sendern zu den Empfängern bewegen.
Die Signale, die in das Bohrloch gesendet werden, können allgemein als "eingefangene Signale" bezeichnet werden,
die die Messungen kompliziert machen und die Analyse der erwünschten
Signale schwierig oder unmöglich machen
können.
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Auf
dem Gebiet sind verschiedene Lösungswege
bekannt, um die Werkzeug-Abstandseffekte (oder Bohrlocheffekte)
zu verringern oder zu beseitigen. Die folgende Beschreibung verwendet
Werkzeuge der elektromagnetischen Ausbreitung als Beispiele, um
die den Abstandseffekten eigentümlichen Probleme
zu veranschaulichen und um Verfahren zum Beseitigen dieser Effekte
zu veranschaulichen. Der Fachmann erkennt, dass Ausführungsformen der
Erfindung mit verschiedenen Werkzeugen verwendet werden können und
nicht auf diese besonderen Beispiele eingeschränkt sind.
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Werkzeuge
mit elektromagnetischer Ausbreitung (EM-Werkzeuge) werden gewöhnlich verwendet,
um die unterirdischen Eigenschaften des spezifischen (elektrischen)
Widerstandes und/oder der Dielektrizitätskonstante zu messen. Für eine Diskussion
von EM-Ausbreitungsmessungen siehe: "Theory of Microwave Dielectric Logging
Using the Electromagnetic Wave Propagation Method", Freeman u. a.,
Geophysics, 1979;
US 4 689 572 und
US 4 704 581 . Die EM-Ausbreitung kann
auch verwendet werden, um eine Bohrlochabbildung während des Bohrens
zu schaffen. Die Bohrlöcher
können
mit einem Schlamm auf Ölbasis
(OBM, Oil-based Mud) oder mit einem Schlamm auf Wasserbasis (WBM, Waterbased
Mud) gebohrt werden. In einem typischen EM-Ausbreitungswerkzeug
sind die Antennen an einem oder mehreren angelenkten Erhebungselementen
angebracht. Die
1A–
1C zeigen
eine schematische Darstellung eines typischen EM-Werkzeugs mit Antennen
oder magnetischen Dipolanordnungen, die an einem Erhebungselement
angebracht sind.
1A zeigt eine Draufsicht
des Erhebungselements, das typischerweise Abmessungen von 20 cm
mal 8 cm und eine Dicke von 3 cm hat. Wie in
1A gezeigt
ist, sind zwei Sender T1 und T2 beiderseits von zwei Empfängern R1
und R2 im gleichen Abstand angeordnet. Die zwei Sender T1 und T2 können nacheinander
initialisiert werden, um kompensierte Messungen zu schaffen, wie
in
US 3 849 721 offenbart
ist.
1B zeigt eine Seitenansicht
des Erhebungselements, während
1C eine Querschnittsansicht
des Erhebungselements zeigt, die die gekrümmte Erhebungselementfläche veranschaulicht,
die so entworfen ist, dass sie sich an die Bohrlochwand anschmiegen
kann. Die Krümmungen
der Erhebungselemente können
so bemessen sein, dass sie für
einen bestimmten Bohrlochdurchmesser (z. B. 15,2 cm, 21,6 cm oder
31,8 cm) passen.
1C zeigt
außerdem,
dass die Erhebungselementfläche mit
einem Bestückungsmaterial
bzw. einer Hartmetallauflage beschichtet sein kann, um das Erhebungselement
verschleißbeständiger zu
machen.
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Die
Antennen (wie in 1A gezeigt ist) können an
ihren Endstrahlungs- und/oder
breitseitige Magnetdipol-Anordnungen sein, die mit einer geeigneten
Frequenz (z. B. etwa 1 GHz für
die Ausbreitungsmessungen) betrieben werden können. Für Hochfrequenzmessungen sind
andere elektromagnetische Sensoren vorgeschlagen worden, die beispielsweise
Knopfelektroden verwenden, die als normale elektrische Dipole (senkrecht
zu der Erhebungselementfläche),
gekreuzte magnetische Dipole und normale magnetische Dipole dienen.
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Da
der Abstand zwischen den Sensoren und der Formation zu fehlerhaften
Messungen führen kann,
insbesondere in Schlamm auf Ölbasis,
sollten die Erhebungselemente, die die Sensoren beherbergen, angelenkt
sein, um den Kontakt mit der Formation stets aufrecht zu erhalten.
Im Idealfall sollte der Abstand zwischen der Erhebungselementfläche und der
Bohrlochwand höchstens
0,25 cm betragen.
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Bei
Antennen, die in dem angelenkten Erhebungselement angebracht sind,
müssten
Kabel zu dem Erhebungselement geleitet werden (siehe 1C). In einigen Werkzeugen
könnte
es notwendig sein, eine Eingangselektronik in dem Erhebungselement
vorzusehen, um die Anzahl von Kabeln zu verringern und/oder um die
Messgenauigkeit zu verbessern. Da die Erhebungselemente höheren Stoßstärken als
Bohrkränze
unterliegen, muss die im Erhebungselement angebrachte Elektronik
so entworfen sein, dass sie raueren Umgebungen widersteht.
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Eine äußerst raue
Umgebung können
die Antennen und die Elektronik an treffen, die in dem Erhebungselement
angebracht sind, ebenso wie die Kabel, die das Erhebungselement
mit dem Bohrkranz verbinden. Falls der Bohrkranz sich beispielsweise
mit einer Drehzahl von 120 min–1 in einem Bohrloch
von 21,6 cm dreht, bewegt sich das angelenkte Erhebungselement aufgrund
der Drehung des Werkzeugs mit 4,88 km/h. In einem einhundertstündigen Durchlauf
des Protokollierens während
des Bohrens (LWD-Durchlauf) bewegt sich daher das Erhebungselement
um 488 Kilometer. Um dies einordnen zu können, wird erwähnt, dass
sich ein typisches Drahtleitungswerkzeug in einem Protokollierungsdurchlauf
nur wenige Kilometer bewegt. Daher ist die mechanische Beanspruchung
eines LWD-Erhebungselements in einem LWD-Durchlauf grob drei Größenordnungen
höher als
bei einem Drahtleitungserhebungselement in einem Drahtleitungsdurchlauf.
Folglich kann der Abrieb der Antennen ein erhebliches Problem darstellen,
das zu einem Antennenausfall und zu hohen Wartungs- und Instandhaltungskosten
führt.
Die minimale Zuverlässigkeit
eines LWD-Werkzeugs sollte 2000 Stunden betragen, was impliziert,
dass die an Erhebungselementen angebrachten Antennen knapp 10000
Kilometer überstehen
müssen,
bevor ein Fehler auftritt.
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Ein
mechanischer Stoß auf
Komponenten, die in einem angelenkten Erhebungselement angebracht
sind, stellt ein weiteres ernsthaftes Problem dar. Unter der Annahme
einer Drehzahl von 120 min–1 und einem Stoß pro Umdrehung
erfährt
das Erhebungselement 7200 Stöße pro Stunde.
In einem Durchlauf von 100 Stunden würde das Erhebungselement 720000
Stöße erfahren.
Um ein MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen) von 2000 Stunden zu erzielen,
müssten
die Erhebungselementkomponenten dann 14400000 Stöße aushalten. Diese Zahlen
liegen weit über
der Anzahl von Stößen, die
derzeit Komponenten für
eine Messung während
des Bohrens (MWD-Komponente) oder von LWD-Komponenten, die nicht in einem angelenkten
Erhebungselement angebracht sind, erfahren werden. Da ferner das
Erhebungselement klein, leicht und angelenkt ist, kann die Stoßstärke in dem
Erhebungselement erheblich höher
als in dem Bohrkranz sein. Die Entwicklung von Antennen und einer
Elektronik, die diesen Stoßstärken widerstehen,
stellt eine Herausforderung dar.
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Der
Reibkontakt zwischen dem Erhebungselement und der Formation kann
außerdem
zur Folge haben, dass das Erhebungselement viel höheren Temperaturen
als der umgebenden Bohrlochtemperatur ausgesetzt ist. Ein weiteres
Problem ist die wiederholte Beanspruchung, die auf die Kabel zwischen dem
Erhebungselement und dem Bohrkranz ausgeübt wird. Wiederum unter der
Annahme einer Drehzahl von 120 min–1 würden die
Kabel 14400 mal pro Stunde verdreht (Öffnen und Schließen des
Erhebungselements bei jeder Umdrehung) und folglich 1440000 mal
in einem 100-stündigen
LWD-Durchlauf.
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Die
obige Beschreibung zeigt, dass mit der Anbringung der Sensoren an
angelenkten Erhebungselementen zwar die meisten nachteiligen Auswirkungen,
die mit Werkzeugabständen
oder Werkzeug-Stand-offs einhergehen, beseitigt werden können, dieser
Lösungsweg
unterwirft jedoch die Sensoren und die Elektronik raueren Umgebungen.
Eine Alternative besteht darin, die Sensoren in nicht beweglichen
Teilen einer Bohrstrang-Baueinheit anzubringen. Beispielsweise offenbart
die
US 6 173 793 B1 . Werkzeuge,
die Sensoren besitzen, die in nicht rotierenden Erhebungselementen
angebracht sind. Obwohl dieser Lösungsweg
einige Probleme, die mit rotierenden Erhebungselementen einhergehen,
beseitigt, ist es manchmal wünschenswert,
Sensoren zu besitzen, die sich mit den Bohrsträngen drehen, um beispielsweise
vollständige
Bohrlochbilder zu erhalten. Daher besteht noch immer ein Bedarf
an Verfahren, die ähnliche
Vorteile wie die angelenkten Erhebungselemente haben, jedoch ohne
die Sensoren der äußerst rauen
Umgebung auszusetzen, die ein typisches angelenktes Erhebungselement
erfährt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorrichtungen und Verfahren
zum Verringern von Abstandseffekten eines Bohrlochwerkzeugs zu schaffen,
bei denen die oben genannten Probleme nicht bestehen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Verringern von Abstandseffekten eines Bohrlochwerkzeugs
nach Anspruch 1 bzw. durch ein Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 6.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein
Aspekt der Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Verringern von
Abstandseffekten eines Bohrlochwerkzeugs. Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Anordnen des Bohrlochwerkzeugs in einem
Bohrloch, wobei das Bohrlochwerkzeug wenigstens einen beweglichen
Abschnitt aufweist, der zwischen einer Energiequelle und einem Empfänger am
Bohrlochwerkzeug angeordnet ist; und das Aktivieren des wenigstens
einen beweglichen Abschnitts, um die Dicke einer Schlammschicht
und/oder eines Schlammkuchens zwischen dem Bohrlochwerkzeug und
einer Wand des Bohrlochs zu verringern. Hierbei bezieht sich Schlamm
auf das bestimmte Bohrfluid, das zum Schmieren des Bohrstrangs,
zum Anheben von Gesteinsabschnitten zur Oberfläche und zum Verhindern von
Ausblasungen verwendet wird. Schlammkuchen bezieht sich auf eine
im Allgemeinen weiche und dünne
Schicht, die sich an der Oberfläche
des Bohrlochs in permeablen Gesteinsformationen bildet. Da die Grenze
zwischen dem Schlamm und dem Schlammkuchen nicht feststellbar sein
könnte,
wird im Folgenden sowohl die Schlammschicht als auch jeglicher Schlammkuchen
einfach als "Schlammschicht" bezeichnet.
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Ein
Aspekt der Erfindung bezieht sich auf Bohrlochwerkzeuge. Ein Bohrlochwerkzeug
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Energiequelle und einen am Bohrlochwerkzeug
angeordneten Empfänger;
wenigstens einen beweglichen Abschnitt, der zwischen der Energiequelle
und dem Empfänger
angeordnet ist; und einen Aktivierungsmechanismus, der die Dicke
einer Schlammschicht zwischen dem Bohrlochwerkzeug und einer Wand
eines Bohrlochs verringert.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden
Beschreibung und der angehängten
Ansprüche,
die auf die folgenden Abbildungen Bezug nehmen.
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1A zeigt eine Draufsicht elektromagnetischer
Dipolanordnungen des Standes der Technik, die an einem angelenkten
Erhebungselement angeordnet sind.
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1B zeigt
eine Seitenansicht des angelenkten Erhebungselements von 1A.
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1C zeigt
eine Querschnittsansicht des angelenkten Erhebungselements von 1A.
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2 zeigt
Energieübertragungswege
durch die Formation und das Bohrloch eines in einem Bohrloch angeordneten
herkömmlichen
elektromagnetischen Protokollierungswerkzeugs.
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3 zeigt
einen Energieübertragungsweg durch
die Formation eines in einem Bohrloch angeordneten elektromagnetischen
Protokollierungswerkzeugs gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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4 zeigt
ein Protokollierungswerkzeug mit beweglichen Abschnitten in einer
geschlossenen Position gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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5 zeigt
ein Protokollierungswerkzeug mit beweglichen Abschnitten in einer
geöffneten (ausgefahrenen)
Position gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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6 zeigt
Energieübertragungswege
durch die Formation und das Bohrloch eines herkömmlichen Gammastrahlendichte-Protokollierungswerkzeugs,
das in einem Bohrloch angeordnet ist.
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7 zeigt
einen Energieübertragungsweg durch
die Formation eines in einem Bohrloch angeordneten Gammastrahlendichte-Protokollierungswerkzeugs
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung beziehen sich auf Verfahren zum Verringern von Abstandseffekten,
ohne dass Sensoren (z. B. Antennen) an angelenkten Erhebungselementen
angebracht sind. Gemäß Ausführungsformen
der Erfindung können die
Sensoren oder Antennen (z. B. Sender und Empfänger) an den Schwerstangen
oder Stabilisatoren eines Werkzeugs angebracht sein, alternativ
können ein
oder mehr angelenkte (ausfahrbare) Erhebungselemente zwischen der
Energiequelle (z. B. den Sendern) und den Detektoren (z. B. den
Empfängern)
angeordnet sein. Diese Erhebungselemente können angelenkt sein, um die
Schlammschicht zwischen den Erhebungselementen und der Formation
zu beseitigen oder minimal zu machen und um daher die Übertragung
der eingefangenen Signale zu beseitigen oder minimal zu machen.
Ausführungsformen der
Erfindung basieren auf dem Konzept des Trennens der Sensoren (z.
B. der Antennen) von dem angelenkten Erhebungselement unter Beibehaltung
der Vorteile der Anlenkung.
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Ausführungsformen
der Erfindung können auf
jeden Sensor oder jedes Werkzeug angewendet werden, die durch eingefangene
Signale, die sich in einer Schlammschicht zwischen einer Quelle
und einem Empfänger
bewegen, nachteilig beeinflusst werden. Solche Sensoren oder Werkzeuge
können
beispielsweise EM-Ausbreitungswerkzeuge
und Elektrodenwerkzeuge umfassen. Beispielsweise können Ausführungsformen
der Erfindung auch auf nukleare Messungen wie etwa Formationsdichtemessungen, in
denen Gammastrahlen von einer radioaktiven Quelle (z. B. 137Cs) emittiert und durch einen Szintillationszähler, der
in einem Abstand von der Quelle angeordnet ist, erfasst werden,
angewendet werden.
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Um
die Funktionsprinzipien von Ausführungsformen
der Erfindung zu veranschaulichen, zeigt 2 ein EM-Ausbreitungswerkzeug 21 mit zwei
Sendern T1, T2 und zwei Empfängern
R1, R2 (ähnlich
wie in 1). Die Sender T1, T2 und die Empfänger R1,
R2 können
Breitseiten-, Endstrahlungs-, über
Kreuz angeordnete oder normale magnetische Dipol-Anordnungen oder
normale elektrische Dipole sein. Das Werkzeug 21 in 2 ist
ein bohrlochkompensiertes System, in dem zwei Sender T1, T2 beiderseits
der beiden Empfänger
R1, R2 in gleichen Abständen
angeordnet sind. Die zwei Sender T1, T2 können nacheinander gestartet
werden, um zwei Gruppen von Messungen (Dämpfung und Phasenverschiebung
zwischen den Empfängern
R1, R2) zu schaffen, die verwendet werden können, um die meisten Unterschiede
in den Empfindlichkeiten der Empfangsantennen aufzuheben.
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Wie
in 2 gezeigt ist, kann der Sender T1, wenn er aktiviert
wird, zwei verschiedene sich ausbreitende Wellen 24, 25 anregen,
die die Empfänger R1,
R2 erreichen. Die "seitliche
Welle" 24 kann
als Welle angesehen werden, die sich durch die Formation 23 bewegt,
um die Empfänger
R1, R2 zu erreichen, während
die "eingefangene
Welle" 25 als
Welle angesehen werden kann, die sich in der Schlammschicht 22 zwischen
der Werkzeugfläche 26 und
der Formation 23 bewegt. Wenn es möglich wäre, nur die seitliche Welle 24 zu
messen, würden
die Phasenverschiebung (ϕ) und die Dämpfung (A), die zwischen den
zwei Empfängern
R1, R2 gemessen werden, die Formationseigenschaften genau beschreiben.
Die Empfänger
R1, R2 würden
jedoch sowohl die seitlichen Wellen 24 als auch die eingefangene
Welle 25 erfassen, weshalb die in einer typischen Protokollierungsoperation
erhaltenen Messungen durch die eingefangenen Wellen 25 erheblich
beeinflusst sein können.
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Die
Charakteristiken der eingefangenen Welle werden durch die Eigenschaften
der Schlammschicht in hohem Maß nachteilig
beeinflusst. Je stärker
die eingefangene Welle ist, um so schwieriger ist es, die Formationseigenschaften
zu bestimmen. Im Allgemeinen hat die eingefangene Welle einen größeren Einfluss
auf die Messungen eines Ausbreitungswerkzeugs, wenn: (1) der Abstand
in einem Schlamm mit sehr hohem spezifischen elektrischen Widerstand
auftritt (z. B. in einem Schlamm auf Ölbasis), (2) die Formation
im Vergleich zum Schlamm sehr stark leitend ist und (3) der Abstand
(Stand-off) erheblich ist (z. B. größer als etwa 0,25 cm bis 0,5 cm).
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Im
Stand der Technik wird der Einfluss der eingefangenen Wellen typischerweise
durch die Anbringung von Sensoren in angelenkten Erhebungselementen
minimal gemacht, welche, wenn sie ausgefahren sind, die Abstände vor
den Sensoren beseitigen oder verringern. Durch Beseitigen oder Verringern
des Abstandes leitet die Quelle an dem angelenkten Erhebungselement
Energie direkt in die Formation ein, wodurch die Erzeugung der eingefangenen
Wellen minimal gemacht wird. Dieser Lösungsweg unterwirft jedoch
die Sensoren und ihre zugeordnete Elektronik und die Kabel einer
hohen Beanspruchung und einem hohen Verschleiß.
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Ausführungsformen
der Erfindung nutzen einen alternativen Lösungsweg, der die Sensoren
von den angelenkten Erhebungselementen trennt. Die Ausführungsformen
der Erfindung nutzen bewegliche Abschnitte zwischen den Sendern
(oder anderen Energiequellen) und den Empfängern, um den Spalt zwischen
der Werkzeugoberfläche
und der Formation zu füllen,
wie in 3 gezeigt ist.
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3 zeigt
ein Protokollierungswerkzeug 31 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung, das zwei Sender T1, T2 und zwei Empfänger R1,
R2 besitzt, die an nicht beweglichen Teilen (z. B. Bohrkranz oder
Stabilisatoren) des Werkzeugs statt an angelenkten Erhebungselementen
wie in 1 angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt
ist, sind zwei bewegliche (ausfahrbare) Abschnitte 37, 38 zwischen
den Sendern T1, T2 und den Empfängern
R1, R2 angeordnet. Wenn diese beweglichen Abschnitte 37, 38 ausgefahren
sind, unterbrechen sie im Wesentlichen die Wege, die die eingefangenen
Wellen leiten können
(in 2 bei 25 gezeigt). Die beweglichen Abschnitte 37, 38 sind
vorzugsweise aus verschleißbeständigen Werkstoffen
(z. B. Metall) hergestellt und können
ferner mit einer Bestückungsbeschichtung
(z. B. einer PDC-Beschichtung oder einer kubischen Bornitrid-Beschichtung)
geschützt
sein.
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In
dem in 3 gezeigten Werkzeug sind die Sender T1, T2 und
die Empfänger
R1, R2 selbst an nicht beweglichen Abschnitten am Werkzeug 31 (z. B.
am Bohrkranz oder am Stabilisator) starr angebracht. Daher erfahren
die Sender T1, T2 und die Empfänger
R1, R2 nicht die gleiche Stärke
von Umgebungsstößen, einer
mechanischen Biegung und eines Abriebs wie in dem Fall, in dem sie
an einem angelenkten Erhebungselement angebracht sind. Weiterhin
befindet sich die (nicht gezeigte) Elektronik in dem Bohrkranz,
ferner können
die Antennen mit der Elektronik verbunden sein, ohne dass (nicht
gezeigte) Drähte
dem Bohrlochdruck und dem Schlamm ausgesetzt sind.
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Die
beweglichen Abschnitte 37, 38 können einfache
metallische Teile (z. B. Stahl mit bestückten Einsätzen oder TCI-Einsätzen) sein,
die als Verschleißelemente
ausgetauscht werden können.
Dies kann die Kosten der Wartung und der Pflege der Werkzeuge erheblich
verringern. Die beweglichen Abschnitte 37, 38 können durch
irgendwelche auf dem Gebiet bekannten Mechanismen, z. B. Federn oder
eine Hydraulikdruckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite
des Bohrkranzes aktiviert werden.
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Der
Abstand (Stand-off) bei einem LWD-Werkzeug, das an einem Stabilisator
angebrachte Sensoren besitzt, ist typischerweise verhältnismäßig klein
(z. B. etwa 1,3 cm), weshalb sich bewegliche Abschnitte nicht über eine
große
Strecke bewegen müssen.
In einigen Ausführungsformen können die
Sender und Empfänger
beispielsweise an einem Umschlag des Bohrkranzes OD oder an einer Stabilisatorschaufel
angebracht sein. Wenn sich der Bohrkranz dreht, verändert sich
der Abstand zwischen den Antennen und der Formation von einem Abstand
null (z. B. dann, wenn sich die Antennen an der unteren Seite eines
abgelenkten Bohrlochs befinden) zu einem maximalen Abstand (etwa
1,3 cm, wenn sie sich an der oberen Seite des Bohrlochs befinden).
Daher müssen
sich in den meisten Fällen
die beweglichen Abschnitte nur innerhalb eines Bruchteils von 2,5
cm einwärts
und auswärts
bewegen können.
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Die
beweglichen Abschnitte können
irgendwelche auf dem Gebiet bekannten Mechanismen für die Befestigung
und Entfaltung einschließlich
Scharniere und Federn, Hydraulik und dergleichen, verwenden. Beispielsweise
werden in 3 Federn 39 verwendet,
um die beweglichen Abschnitte 37, 38 anzulenken
(auszufahren). Ferner zeigen die 4 und 5 Beispiele,
in denen Scharniere verwendet werden, um die beweglichen Abschnitte
zu befestigen und ihre Bewegung zu steuern. Die Scharnieroption kann ähnlich jener
sein, die in den PowerDriveTM-Erhebungselementen
von Schlumberger Technology Corporation (Huston, Texas) verwendet
wird. 4 zeigt die beweglichen Abschnitte 47, 48 in
der geschlossenen Stellung, während 5 die
beweglichen Abschnitte 57, 58 in der geöffneten
Stellung zeigt. Diese Figuren zeigen, dass die Antennen T1, T2 und
R1, R2 an Stabilisatorschaufeln starr angebracht sind, während die
beweglichen Abschnitte an dem Bohrkranz mittels Scharnieren befestigt
sind. Die Scharniere sind in der Weise befestigt, dass das Scharnier
während
der normalen Drehung die Vorderkante ist. Diese beweglichen Abschnitte
können durch
eine Druckdifferenz zwischen der Innenseite und der Außenseite
des Bohrkranzes aktiviert (ausgefahren) werden, wenn die Schlammpumpen
eingeschaltet sind, wenn hingegen die Schlammpumpen ausgeschaltet
sind, können
diese Abschnitte durch Vorbelastungsfedern zurückgezogen werden. In diesem
Fall ist die voreingestellte Stellung der beweglichen Abschnitte
die geschlossene Stellung. In alternativen Ausführungsformen können die
beweglichen Abschnitte (Erhebungselemente) so konstruiert sein, dass
sie einen geringen Vorbelastungsdruck (z. B. unter Verwendung von
Federn) haben, so dass sie durch Voreinstellung im aktivierten (ausgefahrenen) Zustand
sind, wobei das Ausmaß der
Bewegung (Ausfahren) durch den Bohrlochdurchmesser begrenzt ist,
wenn sie sich im Bohrloch befinden.
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Einige
Ausführungsformen
der Erfindung können
andere mechanische Optionen zum Öffnen und
Schließen
der beweglichen Abschnitte verwenden. Beispielsweise kann die radiale
Ausdehnung die Aktivierung von Federn oder einer Hydraulik nutzen. In
diesen Ausführungsformen
können
Bolzen oder Lippen verwendet werden, um zu verhindern, dass sich
die Abschnitte vom Bohrkranz ablösen.
Der Durchschnittsfachmann im Gebiet würde erkennen, dass andere Abwandlungen
möglich
sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Die
obige Beschreibung verwendet ein elektromagnetisches Protokollierungswerkzeug,
um die Ausführungsformen
der Erfindung zu veranschaulichen. Wie oben erwähnt worden ist, können Ausführungsformen
der Erfindung in anderen Situationen verwendet werden, wo die Signalausbreitung
im Bohrloch unerwünschte
Wirkungen hervorruft. Diese Situationen umfassen viele andere Formationsprotokollierungswerkzeuge
wie etwa Gammastrahldichte-Protokollierungswerkzeuge. Für eine Beschreibung
von Gammastrahldichte-Protokollierungswerkzeugen siehe
US 3 263 083 ,
US 3 858 037 und
US 3 864 569 .
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6 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, die in dem Gammastrahlendichte-Protokollierungswerkzeug 61 verwendet
wird, das eine radioaktive Quelle 62 (z. B. 137Cs)
verwendet, um einen Strom aus Gammastrahlen bereitzustellen. Diese Gammastrahlen
werden letztlich durch einen "nahen" Detektor 63 und
einen "fernen" Detektor 64 erfasst, wie
durch die durchgezogenen Linien 65, 66 in 6 angegeben
ist. Die Detektoren 63, 64 sind typischerweise
Natrium-Jod-Kristalle von Photovervielfachern. Die Gammastrahlen
treten in die Formation ein und werden durch Elektronen gemäß einer
Compton-Streuung gestreut und gedämpft. Je höher die Elektronendichte ist,
desto größer sind
die Streuung und die Dämpfung.
Die Elektronendichte steht mit der Massendichte der Formation in
Beziehung, wobei die typischen Massendichten der Formationen im
Bereich von 2 bis 3 g/cm3 liegen. Andererseits
hat der Bohrschlamm typischerweise eine Massendichte im Bereich
von 1 bis 2 g/cm3, weshalb er die Gammastrahlen
nicht wirksam dämpft.
Wenn ein Abstand (Stand-off)
vorhanden ist, können
die Gammastrahlen durch die Schlammschicht verlaufen und die Detektoren
mit geringer Dämpfung
erreichen. Die gestrichelten Linien der Kurve 67 in 6 veranschaulichen
Gammastrahlen, die sich durch die Schlammschicht bewegen. Die Gammastrahlen,
die sich in der Schlammschicht bewegen, können die Formationsdichte-Messungen
gravierend verschlechtern.
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Daher
werden in herkömmlichen
Drahtleitungs-Dichteprotokollierungswerkzeugen die Quelle und/oder
die Detektoren für
die Dichtemessung typischerweise an angelenkten Erhebungselementen angeordnet,
um einen guten Kontakt mit der Bohrlochwand sicherzustellen und
um jegliche Abstandseffekte minimal zu machen. Ein angelenktes Erhebungselement,
das eine radioaktive Quelle und Detektoren enthält, wäre jedoch äußerst schwer herzustellen und
möglicherweise
für die
LWD sehr gefährlich.
Die Möglichkeit
eines Verlusts einer radioaktiven Quelle im Bohrloch schließt von vornherein
aus, sie an einem angelenkten Erhebungselement anzubringen, das
zerstört
oder vom Bohrkranz abfallen könnte.
Außerdem
sind die radioaktive Quelle und die Detektoren sehr groß und könnten nur
schwer in einem typischen angelenkten Erhebungselement untergebracht
werden. Somit sind bei vorhandenen LWD-Dichtewerkzeugen die Quelle
und die Detektoren typischerweise im Bohrkranz oder innerhalb einer festen
Stabilisatorschaufel angeordnet. Wenn sich das LWD-Dichtewerkzeug
dreht, verändert
sich der Abstand zwischen dem Werkzeug und der Bohrlochwand im Bereich
von null bis etwa 1,3 cm oder mehr, je nach Stabilistator-OD und
Bohrlochdurchmesser. Falls der Abstand größer als etwa 1,9 cm ist, können die
Dichtemessungen sehr ernsthaft beeinflusst werden. Beispielsweise
wären Dichtebilder,
die das gesamte Bohrloch überdecken,
bei großen
Abständen an
der Oberseite des Lochs nicht möglich.
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Die
Hinzufügung
eines beweglichen Abschnitts zu der Dichtemessung kann die Gammastrahlen,
die sich in dem Abstandsbereich bewegen, blockieren. Dies ist in 7 veranschaulicht.
Der bewegliche Abschnitt 77, der in 7 gezeigt
ist, ist vorzugsweise aus einem Werkstoff mit hoher Dichte wie etwa
Stahl, der eine Dichte von 7,8 g/cm3 hat, hergestellt.
Dadurch werden jegliche Gammastrahlen, die sich durch die Schlammschicht
bewegen, vollständig
gedämpft.
Die radioaktive Quelle 72 und die Gammastrahldetektoren 73, 74 können wie
bisher im Bohrkranz oder unter einer festen Stabilisatorschaufel
angebracht bleiben. Die beweglichen Abschnitte 77 können unter
Verwendung irgendeines oben beschriebenen Mechanismus befestigt
und ausgefahren werden. Beispielsweise kann ein Scharniersystem
wie in den 4 und 5 beschrieben verwendet
werden. Da nur eine Quelle 72 vorhanden ist, genügt ein beweglicher
Abschnitt, der zwischen der Quelle 72 und den Detektoren 73, 74 angeordnet ist.
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Die
obige Beschreibung verwendet ein EM-Werkzeug und ein Dichteprotokollierungswerkzeug,
um Ausführungsformen
der Erfindung zu veranschaulichen. Ausführungsformen der Erfindung sind
jedoch nicht darauf eingeschränkt,
sondern können
auf beliebige Werkzeuge angewendet werden, bei denen die nachteiligen
Wirkungen bestehen, die aus eingefangenen Signalen entstehen, die
sich im Bohrloch bewegen. Ferner können Ausführungsformen der Erfindung
in Drahtleitungs-Werkzeugen, Werkzeugen für die Protokollierung während des Bohrens
(LWD-Werkzeug), Werkzeugen für
die Messung während
des Bohrens (MWD-Werkzeuge) oder Werkzeugen für die Messung während des
Auslösens
(MWT-Werkzeug, measurement-while-tripping tool) verwendet werden.
Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, dass Ausführungsformen der
Erfindung Nutzen aus der Tatsache ziehen, dass sie bewegliche Abschnitte
besitzen, die zwischen Energiequellen und Empfängern am Werkzeug angeordnet
sind. Ausführungsformen
der Erfindung schließen
jedoch Werkzeuge nicht aus, die außerdem Sensoren haben, die
an angelenkten Erhebungselementen angeordnet sind. Daher liegen
diese Werkzeuge innerhalb des Umfangs der Erfindung.
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Die
Vorteile der Erfindung können
wenigstens einen der folgenden Vorteile umfassen: Ausführungsformen
der Erfindung basieren auf einem Konzept, das die Sensoren von den
angelenkten Erhebungselementen trennt, während der Nutzen der angelenkten
Erhebungselemente beibehalten wird. Die Sensoren sind an festen
Teilen des Werkzeugs angeordnet, während ein oder mehr angelenkte
Erhebungselemente oder Abschnitte zwischen der Energiequelle und
den Empfängern
angeordnet sind, um die Übertragung
eingefangener Signale in der Schlammschicht zu verhindern oder zu
verringern. Die Sensoren dieser Ausführungsformen unterliegen nicht
im gleichen Ausmaß den
nachteiligen mechanischen Einwirkungen wie jene, die an den angelenkten
Erhebungselementen angeordnet sind. Die beweglichen Abschnitte von
Ausführungsformen
der Erfindung können
Signale verringern oder verhindern, die sich im Bohrloch bewegen.
Diese beweglichen Abschnitte sind verhältnismäßig kostengünstig herzustellen und auszutauschen.
Daher können
die Gesamtkosten für
die Herstellung und Wartung der Werkzeuge deutlich verringert werden.
Ausführungsformen
der Erfindung haben eine breite Anwendbarkeit und können in
einem weiten Bereich von Bohrlochwerkzeugen verwendet werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen
beschrieben worden ist, können
Fachleute, die Nutzen aus dieser Offenbarung ziehen, erkennen, dass
andere Ausführungsformen
in Betracht gezogen werden können, die
nicht vom Umfang der Erfindung, wie sie hier offenbart worden ist,
abweichen. Daher soll der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche begrenzt
sein.