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Hintergrund der Erfindung
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Bei
dem Bohren eines Bohrlochs möchte
ein Bohrbetreiber häufig
ein Bohrloch ablenken bzw. dessen Richtung zu einer vorgegebenen
Stelle innerhalb einer auszubeutenden Formation hin steuern. Dieser
Vorgang ist als Richtungsbohren bekannt. Ein Beispiel dafür besteht
in einem Wassereinspritzbohrloch in einem Ölfeld, das sich im Allgemeinen
an den Rändern
des Ölfelds
und an einer tief gelegenen Stelle in diesem Ölfeld (oder der Formation)
befindet.
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Zur
Ablenkung eines Bohrlochs nach links oder rechts kann der Bohrbetreiber
aus einer Reihe von speziellen Untertage-Werkzeugen wie z.B. Untertage-Motoren,
so genannten "Knickstücken", und lenkbaren Motoren
auswählen.
Ein Knickstück
besteht aus einem kurzen Rohr, welches eine leichte Krümmung nach
einer Seite hin hat und an dem Bohrstrang befestigt ist, gefolgt
von einem Überwachungsinstrument,
für welches
ein MWD-Werkzeug ("Measurement
While Drilling")
ein generischer Typ ist, auf das wiederum ein an der Bohrkrone befestigter
Untertage-Motor folgt. Das Bohrgerät wird in dem Bohrloch abgesenkt
und rotiert, bis das MWD-Werkzeug angibt, dass der führende Rand
der Bohrkrone in die erwünschte
Richtung weist. Durch Meißelschafte
wird an die Bohrkrone Gewicht angelegt und Bohrfluid wird durch
den Bohrstrang gepumpt, wobei der Untertage-Motor die Bohrkrone
dreht.
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Die
Untertage-Werkzeuge stehen mit der Ausrüstung und den Steuerungen an
der Oberfläche durch
jeden geeigneten Typ von Telemetrie/Empfängersystem in Verbindung, der
Daten sowohl senden wie empfangen kann. Das Telemetrie/Empfängersystem
kann in dem MWD-Werkzeug eingeschlossen oder ein eigenständiges System
sein. Beispiele derartiger Telemetrie/Empfängersysteme umfassen drahtgebundene
Systeme, Lenkwerkzeugsysteme, elektromagnetische Systeme, E-Line-Systeme
für Rohre
oder Rohrwendel, akustische Systeme, so genannte "verkabelte Rohrsysteme", bei welchen elektrische
Leitungen innerhalb oder in Teilen der Wand des Bohrstrangs, der
Ummantelung oder der Auskleidung angeordnet sind wie z.B. bei dem
INTELLIPIPE® von
GRANT PRIDECOTM, oder eine verkabelte Verbundrohrleitung
wie z.B. die ANACONDA® von HALLIBURTONTM, und Mud-Pulse-Systeme, bei welchen der
Fluiddruck in dem Bohrloch moduliert wird, um Daten zu übertragen
und zu empfangen.
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Zusätzlich zur
Steuerung der erforderlichen Bohrrichtung übt die Formation, durch die
ein Bohrloch gebohrt wird, zu jeder Zeit eine variable Kraft auf den
Bohrstrang aus. Zusammen mit der jeweiligen Bohrkonfiguration kann
dies dazu führen,
dass die Bohrkrone nachoben unten, rechts oder links hin abweicht.
Der zur Bezeichnung dieses Effekts verwendete industrielle Begriff
lautet "Bohrerabweichung". Der Effekt einer
Bohrerabweichung in einem senkrechten Loch kann gesteuert werden,
indem das Gewicht auf die Bohrkrone des Bohrstrangs während des
Bohrens eines vertikalen Lochs variiert wird. Allerdings wird in
einem stark geneigten oder horizontalen Bohrloch die Bohrerabweichung
zu einem Hauptproblem. Zusätzlich
liegt hier das Problem zeitverzögerter
Informationen vor. Die zur Steuerung der Bohrrichtung verwendeten
Untertage-Werkzeuge können Überwachungsgeräte einschließen, die
unter einem bestimmten Abstand zu der Bohrkrone angeordnet sind,
wobei dieser Abstand mitunter 30 bis 40 Fuß betragen kann. Somit befindet
sich zu dem Zeitpunkt, zu dem die Überwachungsgeräte diejenige Stelle
in dem Bohrloch passieren, an der die Bohrkrone begonnen hat, ihre
Richtung zu ändern,
die Bohrkrone bereits weitere 30 bis 40 Fuß voran und kann ihre Richtung
noch stärker
verändert
haben. Daher liegt ein konstant bestehendes Problem von inhärent veralteten
Informationen vor.
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Wenn
Kräfteveränderungen,
die eine Bohrerabweichung bewirkt haben, während des Bohrens auftreten,
müssen
einige Werkzeuge zur Korrektur der Richtung des Bohrlochs herausgezogen
werden. Die absolute Erfordernis nach einem Herausziehen des Werkzeugs
macht es erforderlich, dass ein Roundtrip durchgeführt werden
muss. Dies führt
zu Sicherheitsbeeinträchtigungen
und zu großen
Zeit- und Kostenerfordernissen
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Ein
Typ eines Bohrwerkzeugsystems ist ein lenkbares Drehwerkzeug (RST),
das die Richtung eines Bohrlochs selektiv steuert und bei dem im
allgemeinen ein Herausziehen des Werkzeugs über einen viel größeren Bereich
an Kraftveränderungen
hinweg nicht erforderlich ist, als dies bei der Steuerung des Bohrens
von Bohrlöchern
mit normalen zusammengeschalteten Dreh-BHA-Baugruppen notwendig wäre. Ein
Beispiel für
ein in 1 dargestelltes RST-Werkzeug weist ein Mantelrohr
auf, das um eine Drehachse herum drehbar ist. Das rotierende Mantelrohr
wird zur Übertragung
der Drehbewegung des Bohrgestänges
zu der Bohrkrone verwendet und fungiert als eine Verlängerungsleitung
des Bohrgestänges
für sämtliche
Bohrfluide, die an dem Bohrgestänge
nach unten und auf die Bohrkrone fließen. Ebenfalls beinhaltet das
System ein Richtungssteuergerät, das
mindestens ein äußeres Gehäuse sowie
eine innere Hülse
umfasst, die unter Abstand entlang des Mantelrohrs angeordnet sind.
Das äußere Gehäuse und
die innere Hülse
legen eine Kraft an das Mantelrohr an, wobei eine Komponente senkrecht
zu der Drehachse verläuft,
die wiederum von der relativen Drehstellung des äußeren Gehäuses und der inneren Hülse mit
Bezug auf das Mantelrohr abhängt.
Das Gehäuse
weist eine exzentrische Längsbohrung
auf, die eine beschwerte Seite ausbildet, welches sich unter der
Schwerkraft frei dreht. Weiterhin kann auch die innere Hülse eine
exzentrische Längsbohrung aufweisen.
Die Vorrichtung umfasst ebenfalls einen Antrieb zum selektiven Variieren
des Winkels der Kraft in Relation zu der beschwerten Seite des Gehäuses um
die Drehachse herum, indem das äußere Gehäuse und
die innere Hülse
unabhängig
voneinander bewegt werden.
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Im
Betrieb bewegt der Antrieb die Kraftrichtung mit Bezug auf das äußere Gehäuse. Eine
Anordnung instruiert den Antrieb dahingehend, die Stellung der Richtung
der Kraftzufuhr auf das Mantelrohr hin zu bewegen. Somit kann das
System weiterhin eine Logikanordnung zur Bestimmung aufweisen, wann
die Richtung der an das Richtungssteuergerät angelegten Kraft verändert werden
sollte. Die Logikanordnung kann in dem äußeren Gehäuse angeordnet und dahingehend
konfiguriert sein, Daten an die Oberfläche zu senden und/oder von
ihr zu empfangen. Für
die Kommunikation mit der Oberfläche
kann die Logikanordnung mit einem Telemetriesystem in Verbindung
stehen, das ein Teil der im Bohrloch angeordneten Baugruppe (BHA-Baugruppe)
ist, die wiederum mit der Oberfläche
kommuniziert. Die Kommunikationsverbindung muss eine relative Drehung
zwischen dem äußeren Gehäuse, der
inneren Hülse
und dem rotierenden Mantelrohr ermöglichen.
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Bei
dem Aufbau des in 1 dargestellten RST-Werkzeugs
muss eine Sonde aufgenommen werden, um sie in das RST-Werkzeug hinein
zu verbringen und eine Verbindung mit ihr einzugehen. Die BHA-Baugruppe
kann eine große
Länge aufweisen und
es kann sich als schwierig erweisen, genaue Abstandsmessungen zu
erhalten, die für
eine elektrische Standardverbindung über eine Werkzeugverbindungsstelle
hinweg typischerweise erforderlich sind. Beispielsweise kann eine
Aufschüttung
in dem Hang Off-Sub eine Abweichung der zu erwartenden Abstände erzeugen,
wenn das Fließrohr
auf der Aufschüttung
statt auf dem beabsichtigen Schulter landet. Darüber hinaus kann die elektrische
Verbindung mit Fluid geflutet werden, wenn die Sonde in dem Meißelschaft
abgesenkt oder von ihrer Position in dem Schaft angehoben wird,
wodurch die Möglichkeit
eines Ausfalls durch elektrisches Kurzschließen erzeugt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für eine ausführlichere
Beschreibung der Ausführungsformen
erfolgen nun Bezüge
auf die beiliegenden Zeichnungen:
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1 ist
ein Querschnitt eines Beispiels eines RST-Werkzeugs;
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2 ist
ein Querschnitt des induktiven Kopplungssystems;
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3 ist
ein Querschnitt der dem Mantelrohr zugeordneten induktiven Kopplung
des induktiven Kopplungssystems;
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4 ist
ein Querschnitt der dem Gehäuse zugeordneten
induktiven Kopplung des induktiven Kopplungssystems;
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5 ist
ein Modellsystemdiagramm eines beispielhaften Elektroniksystems
für das
induktive Kopplungssystem;
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6 ist
ein Fließdiagramm,
das den Arbeitsalgorithmus des beispielhaften Elektroniksystems
darstellt;
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7 ist
ein Signalflussdiagramm der Verbindungsschnittstellenkarte für das beispielhafte Elektroniksystem;
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8 ist
ein Querschnitt einer alternativen Ausführungsform eines induktiven
Kopplungssystems; und
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9 ist
ein Querschnitt einer zweiten alternativen Ausführungsform eines induktiven
Kopplungssystems.
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Ausführliche
Beschreibung der Ausführungsformen
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In
den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche
Bauteile durch die Beschreibung und die Zeichnungen hinweg mit dem gleichen
Bezugszeichen versehen. Die Zeichnungsfiguren sind nicht notwendigerweise
maßstabsgetreu.
Bestimmte Merkmale der Erfindung können in einem übertriebenen
Maßstab
oder in einer leicht schematischen Form gezeigt sein, und einige
Einzelheiten von konventionellen Elementen können der Klarheit und Prägnanz halber
nicht dargestellt sein. Die vorliegende Erfindung kann in unterschiedlichen Ausführungsformen
realisiert werden. Spezifische Ausführungsformen werden ausführlich beschrieben und
in den Zeichnungen dargestellt, wobei sich versteht, dass die vorliegende
Beschreibung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung
dient und nicht beabsichtigt, die Erfindung auf das hier Beschriebene
und Dargestellte zu begrenzen. Es sollte sich vollumfänglich verstehen,
dass die nachstehend erläuterten
unterschiedlichen Ausführungsformen getrennt
voneinander oder in jeder geeigneten Kombination miteinander verwendet
werden können,
um die erwünschten
Ergebnisse zu bewerkstelligen. Eine jegliche Verwendung jeder Form
der Begriffe "verbinden", "in Eingriff treten", "verkoppeln", "befestigen", oder jedes anderen
Begriffs, der eine Interaktion zwischen Elementen beschreibt, beabsichtigt nicht,
die Interaktion auf eine direkte Wechselwirkung zwischen den Elementen
zu begrenzen, sondern kann ebenfalls eine indirekte Wechselwirkung
zwischen den beschriebenen Elementen beinhalten. Die verschiedenen
oben erwähnten
Charakteristika sowie weitere Merkmale und Eigenschaften, die im
folgenden ausführlicher
beschrieben werden, ergeben sich für den Fachmann anhand der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der Ausführungsformen sowie
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen.
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Die 2, 3 und 4 illustrieren
ein elektromagnetisches induktives Kopplungssystem 10 für ein Mantelrohr 14,
das eine Wand und eine Innenbohrung aufweist. Beispielsweise und
wie in dieser Ausführungsform
dargestellt kann das Mantelrohr 14 ein Teil des RST-Systems
sein, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Ebenfalls
umfasst das induktive Kopplungssystem 10 eine innere Hülse 22 und
ein äußeres Gehäuse 12.
Wie dargestellt liegt das Mantelrohr 14 in der Form eines
Abschnitts eines in einem Bohrloch verwendeten Bohrstrangs vor und
es kann selbst mehrere Rohrabschnitte aufweisen. Diesbezüglich ist
an dem unteren Ende des Mantelrohrs 14 eine Bohrkrone zum
Bohren in eine Formation montiert. Allerdings liegen auch andere
Anwendungen zum Drehen von Mantelrohren innerhalb des Rahmens dieses
Systems. Innerhalb der Innenbohrung des Mantelrolrs 14 ist
ein dem Mantelrohr zugeordnetes Elektroniksystem 16 angeordnet.
Das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 16 kann jedes
Elektroniksystem sein, und beispielsweise eine Kommunikationsvorrichtung
und/oder eine Energiequelle oder Last. Ebenfalls kann das dem Mantelrohr zugeordnete
Elektroniksystem 16 ein Telemetrie/Empfängersystem umfassen, welches
entweder ein eigenständiges
System sein kann oder in einem MWD-System eingeschlossen ist. Beispiele
von Telemetrie/Empfängersystemen
umfassen, ohne sich jedoch darauf zu begrenzen, drahtgebundene Systeme,
Lenkwerkzeugsysteme, elektromagnetische Systeme, E-Line-Systeme
für Rohre
oder Rohrwendel, akustische Systeme, so genannte "verkabelte Rohrsysteme", wobei elektrische
Leitungen in der Wand des Bohrstrangs, der Ummantelung oder der Auskleidung
angeordnet sind wie z.B. bei dem INTELLIPIPE® von
GRANT PRIDECOTM, oder eine verkabelte Verbundrohrleitung
wie z.B. bei dem ANACONDA® von HALLIBURTONTM, und Mud-Pulse-Systeme, bei denen der
Fluiddruck in dem Bohrloch zur Übertragung
und dem Empfang von Daten moduliert wird. Das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 16 umfasst
weiterhin Anschlüsse 17,
die einen Durchfluss von Bohrfluid in die Innenbohrung des Mantelrohrs 14 durch
das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 16 ermöglichen. Wenn
das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 16 in einem
MWD-System eingeschlossen ist, kann das MWD-System jede geeigneten
Werkzeuge aufweisen, um während
des Bohrens verschiedene Daten zu messen. Beispiele umfassen Sensoren
zum Messen der Porosität
und des spezifischen Widerstands der Formation, durch die gebohrt wird.
Weitere Sensoren können
den Status des Mantelrohrs 14 oder den Leistungsbetrieb
des Bohrverfahrens messen. Das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 16 umfasst
ebenfalls einen Kommunikationsanschluss 18, der sich in
die Innenbohrung des Mantelrohrs 14 hinein erstreckt.
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Weiterhin
schließt
das induktive Kopplungssystem 10 eine Kommunikationssonde 20 ein,
die sich von der Wand des Mantelrohrs 14 in die Innenbohrung
des Mantelrohrs hinein erstreckt. Wie dargestellt ist die Kommunikationssonde 20 von
dem Mantelrohr 14 getrennt und unter Verwendung jeder geeigneten
Anordnung wie z.B. einer Gewindeverbindung an ihm befestigt. Allerdings
kann die Kommunikationssonde 20 auch integral mit dem Mantelrohr 14 vorliegen.
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Wie
in 4 illustriert weist das induktive Kopplungssystem 10 ebenfalls
eine innere Hülse 22 einschließlich einer
Bohrung auf, die mindestens einen Teil des Mantelrohrs 14 umgibt.
Die innere Hülse 22 ist
relativ zu dem Mantelrohr 14 drehbar angeordnet. Beispielsweise
kann die innere Hülse 22 auf
Lagern zwischen dem Mantelrohr 14 und der inneren Hülse 22 rotieren.
Alternativ dazu kann die Bohrung der inneren Hülse bezüglich der Drehachse des Mantelrohrs 14 exzentrisch
angeordnet sein. Allerdings sollte sich verstehen, dass sich die
innere Hülse 22 während des
Betriebs des induktiven Kopplungssystems 10 mit Bezug auf
das Mantelrohr 14 nicht drehen muss. Wie in 4 dargestellt
besteht ein Spalt zwischen der inneren Hülse 22 und dem Mantelrohr 14.
Dieser Raum kann durch leitende oder nicht leitende Fluide oder
durch ein Gas aufgefüllt
sein, oder er kann ein Vakuum aus einem im Wesentlichen leeren Raum
sein.
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Das
induktive Kopplungssystem 10 umfasst weiterhin ein äußeres Gehäuse 12,
das eine Bohrung aufweist, die mindestens einen Teil der inneren
Hülse 22 umgibt.
Das äußere Gehäuse 12 ist
mit Bezug auf die innere Hülse 22 und
somit ebenfalls mit Bezug auf das Mantelrohr 14 drehbar.
Als ein Beispiel kann sich das äußere Gehäuse 12 auf
Lagern zwischen dem äußeren Gehäuse 12 und der
inneren Hülse 22 drehen.
Als eine Alternative dazu kann die Bohrung des äußeren Gehäuses mit Bezug auf die Drehachse des
Mantelrohrs 14 exzentrisch ausfallen. Ebenfalls sollte
sich jedoch verstehen, dass sich das äußere Gehäuse 12 während des
Betriebs des induktiven Kopplungssystems 10 nicht bezüglich dem
Mantelrohr 14 drehen muss. Wie in 4 illustriert
liegt ein Spalt zwischen dem äußeren Gehäuse 12 und
der inneren Hülse 22 vor.
Dieser Raum kann durch leitende oder nicht leitende Fluide oder
durch ein Gas belegt sein oder in ihm kann ein Vakuum aus einem
im Wesentlichen leeren Raum vorhanden sein.
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Weiterhin
umfasst das induktive Kopplungssystem 10 eine dem Gehäuse zugeordnete
induktive Kopplung 24 und eine dem Mantelrohr zugeordnete induktive
Kopplung 26. Die dem Gehäuse zugeordnete induktive Kopplung 24 beinhaltet
eine dem Gehäuse
zugeordnete äußere Spule 28,
die eine gewickelte induktive Magnetspule ist, welche in dem äußeren Gehäuse 12 angeordnet
ist und sich mit diesem bewegt. Die dem Gehäuse zugeordnete äußere Spule 28 steht
mit dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 36 in elektrischer Verbindung.
Weiterhin umfasst die dem Gehäuse
zugeordnete induktive Kopplung 24 eine dem Gehäuse zugeordnete
innere Spule 30, die eine gewickelte induktive Magnetspule
ist, die in dem Mantelrohr 14 angeordnet ist und sich mit
diesem bewegt. Wie in den 1 und 3 illustriert
ist die innere Hülse 22 zwischen
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 und der dem Gehäuse zugeordneten äußeren Spule 28 angeordnet.
Die innere Hülse 22 kann
aus jedem geeigneten Material bestehen, das eine elektromagnetische
Verbindung zwischen der dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 28 und
der dem Gehäuse zugeordneten
inneren Spule 30 ermöglichen
würde. Beispielsweise
kann die innere Hülse 22 aus
Metall gefertigt sein, obgleich eine gewisse Abschwächung des
elektromagnetischen Feldes auftreten kann, das zwischen der dem
Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 28 und
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 übertragen wird. Ebenfalls kann
die innere Hülse 22 aus
einem nicht leitenden Material wie z.B. einer Verbundrohrleitung
oder verschiedenen Kunststoffen bestehen. Weiterhin können entweder die
innere Hülse 22 oder
das äußere Gehäuse 12 oder
beide Bauteile exzentrische Bohrungen bezüglich des Mantelrohrs 14 aufweisen.
Sollte dies zutreffen, variiert der radiale Abstand zwischen der
dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 28 und
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 in einer Ebene mit der Drehrichtung
der inneren Hülse 22 und
das äußeren Gehäuses 12 mit
Bezug auf das Mantelrohr. Zusätzlich
steht die dem Gehäuse
zugeordnete äußere Spule 28 mit
dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 36, das in der Wand des äußeren Gehäuses 12 angeordnet
ist durch geeignete elektrische Leitungen, die durch die Wand des äußeren Gehäuses 12 verlaufen,
in elektrischer Verbindung. Beispielsweise können die Leitungen eine elektrische
Verdrahtung aufweisen, die für Schutzzwecke
isoliert oder verkapselt ist. Weiterhin kann das dem Gehäuse zugeordnete
Elektroniksystem 36 mit anderen Elektroniksystemen oder
Sensoren verbunden werden, die in anderen Bereichen des Mantelrohrs 14 angeordnet
sind. Zusätzlich
können die
induktiven Spulen in Hülsen
angeordnet sein, die getrennt von dem Mantelrohr 14 und
dem äußeren Gehäuse 12 sind.
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Die
dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 26 beinhaltet
eine Mantelrohrspule 32, die eine gewickelte induktive
Magnetspule ist, welche in dem Kommunikationsanschluss 18 des
dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystems 16 angeordnet ist.
Die Mantelrohrspule 32 steht mit dem dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 16 durch geeignete elektrische Verbindungen,
die durch den Kommunikationsanschluss 18 verlaufen, in
elektrischer Verbindung. Die dem Mantelrohr zugeordnete induktive
Kopplung 26 weist ebenfalls eine Sondenspule 34 auf,
die eine in der Kommunikationssonde 20 angeordnete gewickelte
induktive Magnetspule ist. Weiterhin steht die Sondenspule 34 mit
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 durch geeignete elektrische
Leitungen in elektrischer Verbindung, die durch die Kommunikationssonde 18 und die
Wand des Mantelrohrs 14 verlaufen. Der Kommunikationsanschluss 18 und
die Kommunikationssonde 20 können aus jedem geeigneten Material
angefertigt werden. Um allerdings die Stärke bzw. Qualität der Verbindung
durch die dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 26 zu
erhöhen,
können
entweder der Kommunikationsanschluss 18 oder die Kommunikationssonde 20 bzw.
beide Bauteile aus eisenhaltigen Material angefertigt werden.
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Die
dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 26 kann auch
eine alternative Konfiguration aufweisen. Wie in 2 illustriert
ist die Mantelrohrspule 32 länger als die Sondenspule 34.
Dies ermöglicht
eine induktive Verbindung durch die dem Mantelrohr zugeordnete induktive
Kopplung 26, ohne dass ein präzises Zusammenpassen der Position
der Mantelrohrspule 32 mit Bezug zu der Sondenspule 34 bei
dem Aufbau des induktiven Kopplungssystems 10, bei dem
die Kommunikationssonde 20 in den Kommunikationsanschluss 18 eingesetzt
wird, notwendig wäre.
Allerdings sollte sich verstehen, dass die Sondenspule 34 auch
länger
als die Mantelrohrspule 32 sein kann. Weiterhin sollte
sich verstehen, dass die Mantelrohrspule 32 und die Sondenspule 34 eine
gleiche Länge
haben können.
Zusätzlich
sei darauf hingewiesen, dass selbst dann, wenn die Mantelrohrspule 32 und
die Sondenspule 34 gleich lang sind, sie beim vollständigen Aufbau
nicht genau zusammenpassen müssen,
damit die induktive Kopplungsbaugruppe 10 betrieben werden
kann. Somit ist ein gewisses "Spiel" für eine Versetzung und
Bandmesstole ranzen erlaubt. Obgleich in 2 der Kommunikationsanschluss 18 so
dargestellt ist, dass er ein Verbindungsglied mit einem offenen
bzw. aufnehmenden Ende aufweist, und die Kommunikationssonde 20 mit
einem geschlossenen bzw. abstehenden Ende dargestellt ist, sollte
sich verstehen, dass die abstehende/aufnehmende Verbindung derart
umgekehrt werden kann, dass die Kommunikationssonde 20 das
aufnehmende Verbindungsglied und der Kommunikationsanschluss 18 das
abstehende Verbindungsglied wäre.
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Die 2, 3,
und 4 illustrieren das Mantelrohr 14 als
ein einzelnes unitäres
Bauteil. Allerdings sollte sich verstehen, dass das Mantelrohr aus
mehreren Teilstücken
bestehen kann, sodass die dem Gehäuse zugeordnete induktive Kopplung 24 in einem
anderen Teilstück
als die dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 26 angeordnet
ist.
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Ein
Beispiel eines Aufbaus des induktiven Kopplungssystems 10 kann
darin bestehen, dass das Mantelrohr 14 wie in 2 dargestellt
mehr als einen Rohrabschnitt aufweist. Die Kommunikationssonde 20 würde anfänglich getrennt
von dem Kommunikationsanschluss 18 und dem dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 16 vorliegen, bevor die Rohrabschnitte
miteinander verbunden werden würden.
Der "untere" Bereich des Mantelrohrs 14 könnte in
Rutschen auf der Bohrsohle des Bohrgestells ruhen. Die verschiedenen
einzelnen Bauteile von BHA-Baugruppen oder Kombinationen daraus, die
zwischen einem Hang Off-Sub oder einem Hang Off-Schaft verlaufen,
können
anschließend
aufgenommen, mit der BHA-Baugruppe verschraubt und sequentiell in
das Bohrloch verbracht werden, um die BHA-Baugruppe zu erstellen.
Wenn der Hang Off-Sub oder der Hang Off-Schaft aufgenommen wird,
kann der dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystemteil des Mantelrohrs 14 aufgenommen
werden, der das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 16 und
den an der äußersten "Sohle" befindlichen Kommunikationsanschluss 18 umfasst. Dieser
Mantelrohrabschnitt des dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystems 16 wird
derart in den Schaft abgesenkt, dass die Länge des dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystems 16 und die Länge der Schafte es ermöglicht,
dass der Kommunikationsanschluss 18 die Kommunikationssonde 20 überlappt,
um eine induktive elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden
Komponenten herzustellen.
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Der
Kommunikationsanschluss 18 kann ebenfalls als eine eigenständige Nassverbindung fungieren,
die zusammen mit anderen Werkzeugen verwendet werden kann, welche
eine Kommunikationssonde 20 aufweisen, wie z.B. permanent
installierte Werkzeuge in Bohrlöchern,
die an einem Drahtkabel hinunter in das Bohrloch gelassen werden,
wobei der Kommunikationsanschluss 18 mit den Sensoren und
Betätigungsvorrichtungen
wie z.B. Ventilen kommuniziert und/oder diese mit Strom versorgt.
Es sollte sich verstehen, dass entweder die abstehenden oder die
aufnehmenden Enden in einem Bohrloch installiert und mit ihrem passenden
Gegenstück zur
Erstellung der Verbindung verwendet werden können.
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Die
Kommunikationssonde 20 und der Kommunikationsanschluss 18 erleichtern
daher die Verbindung über
die Werkzeugverbindungsstelle hinweg und sind nicht integral zu
der Werkzeugverbindungsstelle selbst, indem eine im Nassen anschließbare Verbindung
verwendet wird. Weiterhin sind die Kommunikationssonde 20 und
der Kommunikationsanschluss 18 von den Bohrkräften entkoppelt,
die zum Bohren des Bohrlochs erforderlich sind, wodurch es ermöglicht wird,
dass die Werkzeugverbindungsstelle ohne Abweichungen von bevorzugten
Entwurfsstandards und -spezifikationen sowie ohne spezielle und
potentiell kostspielige Modifikationen, welche die Werkzeugverbindungsstelle
inkompatibel zu den Industriestandards ausfallen lassen können, aufgebaut werden
kann. Weiterhin ist die Verbindung gegenüber einem Kurzschließen aufgrund
des Vorliegens von leitenden Fluiden unempfindlich, d.h. dass sie sogar
dann erstellt werden kann, wenn sie in Fluiden untergetaucht ist.
Eine zuverlässige
Verbindung in einer nassen Umgebung ermöglicht den Austausch von Hang
Off-Subs oder anderen Bauteilen von BHA-Baugruppen, ohne dass eine
Ausrichtung an einer Varianz von einigen Inch erforderlich ist.
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Der
Betrieb des induktiven Kopplungssystems 10 beteiligt die Übertragung
eines elektrischen Signals zwischen dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 und
dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 36 durch die dem Mantelrohr
zugeordnete induktive Kopplung 26 und die dem Gehäuse zugeordnete
induktive Kopplung 24. Das elektrische Signal kann für eine bidirektionale Übertragung
von Daten und/oder Energie zwischen den Komponenten verwendet werden.
Ein elektrisches Signal kann sowohl von dem dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 16 wie von dem Elektroniksystem 36 übertragen
und empfangen werden, wodurch eine Simplex-Übertragung (in jeder Richtung),
eine Halbduplex- oder eine Vollduplex-Übertragung ermöglicht wird.
Beispielsweise können
Arbeitsbefehle für
das RST-System von
der Oberfläche übertragen
und von dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 empfangen
werden. Dann können
die Befehle von dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 zu
dem dem Gehäuse zugeordneten
Elektroniksystem 36 gesendet werden, um das RST-System
zu betreiben. Zusätzlich
zu oder alternativ zu den Arbeitsbefehlen können Bohrbetriebsdaten wie
z.B. die Lochtiefe, die Eindringrate, Formationsüberwachungsdaten sowie andere
Betriebsbedingungsdaten zu dem dem Gehäuse zugeordneten Elektroniksystem 36 gesendet
werden. Das dem Gehäuse
zugeordnete Elektroniksystem 36 kann auch Daten von dem
RST-System zu dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 und von
dort unter Verwendung des Telemetriesystems zu der Oberfläche übermitteln.
Somit sollte sich verstehen, dass auch andere Typen von Daten benutzt und/oder
eine Energieübertragung/aufnahme
auf andere Weise durchgeführt
werden kann. Ebenfalls sollte sich verstehen, dass das induktive
Kopplungssystem für
andere Anwendungen als das beschriebene RST-System benutzt werden
kann.
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Das
nachfolgend erläuterte
Beispiel bezieht sich auf die Übertragung
von Daten von dem Elektroniksystem 36 zu dem dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 16. Im Betrieb sammelt das
Elektroniksystem 36 Daten von verschiedenen Sensoren bezüglich des
Status des äußeren Gehäuses 12,
Formationssensorablesungen, Bohrlochausrichtungsmessungen, und anderer
Untertage-Messungen. Anschließend
wandelt das Elektroniksystem 36 diese Daten in ein elektrisches
Signal um und überträgt es zu
der dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 28.
Der Strom in der äußeren Spule 28 von
dem elektrischen Signal erzeugt eine elektromagnetische Abstrahlung,
die sich durch die innere Hülse 22 und
zu der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 an dem Mantelrohr 14 ausbreitet.
Die dem Gehäuse
zugeordnete innere Spule 30 fungiert als eine Empfangsantenne
und wandelt die elektromagnetische Abstrahlung in ein elektrisches
Signal an dem Ausgang der dem Gehäuse zugeordneten inneren Spule 30 der
dem Gehäuse
zugeordneten induktiven Kopplung 24 um.
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Von
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 tritt das elektrische Signal
aus der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 aus und breitet sich entlang
der geeigneten elektrischen Leitung durch die Kommunikationssonde 20 zu
der Sondenspule 34 hin aus. Die Sondenspule 34 strahlt
wiederum das elektromagnetische Signal ab, das induktiv mit der
Mantelrohrspule 32 der dem Mantelrohr zugeordneten induktiven
Kopplung 26 verkoppelt ist. Das elektrische Signal tritt
aus der Mantelrohrspule 32 aus und breitet sich entlang
der geeigneten elektrischen Leitung durch den Kommunikationsanschluss 18 zu
dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 hin
aus. An dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 kann
das elektrische Signal verarbeitet und/oder, falls erforderlich unter
Verwendung des Telemetriesystems des dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystems 16 zu der Oberfläche übertragen werden. An der Oberfläche werden
die übertragenen
Daten empfangen und, falls erforderlich zurück zu elektrischen Signalen
umgewandelt, die wiederum zu aussagekräftigen Daten konvertiert werden,
um von dem Personal an der Oberfläche weiterverwendet zu werden.
Auf ähnliche Weise
arbeitet das induktive Kopplungssystem 10 in der umgekehrten
Richtung, indem Daten, Befehle und/oder Energie von jeder Elektronikschaltung,
die eine Übertragung
auf dem Übertragungsweg
bewerkstelligen kann, wie z.B. ein Elektronikmodul, ein Sensor,
eine Telemetrievorrichtung, ein Telemetriezwischenverstärker, und/oder
der Computer an der Oberfläche,
zu dem äußeren Gehäuse 12 geleitet werden.
Auf dem Übertragungsweg
zu dem RST übermittelte
Befehle können
eine erwünschte
Einstellung der Werkzeugflanke, eine erwünschte Inklinationseinstellung,
eine erwünschte
Azimuteinstellung, einen erwünschten
geophyikalischen Sensorwert, Werkzeugbohrloch-Positionsinformationen
wie z.B. die Tiefe, die gesamte vertikale Tiefe und die Position
innerhalb des Erdreichs, Datenanfragen z.B. bezüglich der aktuellen Inklination
der Werkzeugflanke, dem Azimut, geophyikalischer Sensorwerte, diagnostischer
Informationen, der Zeit, und/oder der relativen Zeit beinhalten.
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Das
induktive Kopplungssystem 10 kann zum Übertragen oder Empfangen von
jedem geeigneten Informationstyp verwendet werden. Beispielsweise
kann das induktive Kopplungssystem dazu benutzt werden, die folgenden
Informationen zu übertragen
und/oder zu empfangen: (1) Bohrer-Inklinationsdaten oder Inklinationsmessdaten;
(2) Sensorqualitätsfaktoren
wie z.B. den geometrischen Mittelwert der 2 und/oder 3 Beschleunigungsmesssensoren
(Gtotal); (3) RST-Status-Wellenmotorfehler, Bohrprogrammiermodus,
Batteriefehler, Energierückstellung,
und Gehäuseschlingern;
(4) tatsächliche
Position der Werkzeugflanke; und/oder (5) erwünschte Position der Werkzeugflanke.
Unter Verwendung des induktiven Kopplungssystems 10 können auch
andere Daten übertragen
und/oder empfangen werden, z.B. Formationssensordaten einschließlich des
spezifischen Widerstands, der natürlichen Gammastrahlung, der
Dichte, Messungen der Ausbreitung akustischer Wellen und seismische
Messungen. Ebenfalls können
auch Bohrleistungsdaten über
die Übertragungsleitung
gesendet und/oder empfangen werden, wie z.B. der Ring- und/oder
Bohrgestängedruck,
Meißelumdrehungen
pro Minute, die Gehäuseschlingerrate,
die Azimutrichtungsmessung des Bohrlochs, und Vibrations- und Temperaturmessungen.
Das elektrische Signal kann auch Wechselstrom, elektrische Energie,
oder unipolaren Strom umfassen. Das elektrische Signal kann ebenfalls
in jeder geeigneten Form übertragen
werden. Beispielsweise kann das elektrische Signal in der Form von
mindestens entweder einer Rechteckwelle, einer Sinuswelle, einer Trapezwelle,
einer Sägezahnwelle,
einer Dreieckswelle, und/oder jeder Kombination aus zwei oder mehreren
Wellenmustern von Frequenzen vorliegen, wobei sich versteht, dass
in dieser Beschreibung 0 Hz als eine Frequenz betrachtet wird. Weiterhin
kann das elektrische Signal unter Verwendung jedes geeigneten Schemas
moduliert werden.
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Die
Modulation kann zum Beispiel eine Frequenzmodulation, eine Amplitudenmodulation,
eine Phasenmodulation, eine Frequenzumtastung, ein Chirping, und/oder
ein direktes Ansteuern des Binärsignals
auf dem Übertragungsweg
sein.
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Das
Folgende ist ein Beispiel der Elektronik, die für den Betrieb des induktiven
Kopplungssystems 10 geeignet sein kann. Es sollte sich
verstehen, dass auch jede andere Elektronikschaltung verwendbar ist.
Das dem Gehäuse
zugeordnete Elektroniksystem 36 kann eine RST-Prozessor-Elektronikschaltung und
einen unteren Kommunikationsendknoten aufweisen, der auch als eine
untere Verbindungsplatine bezeichnet wird. Über der dem Mantelrohr zugeordneten
induktiven Kopplung 26 kann auch ein oberer Kommunikationsendknoten
vorgesehen sein, der auch als eine obere Verbindungsplatine bezeichnet wird.
Es kann auch eine Umsetzungskarte, ein MWD-Kommunikationsbus und eine Kombination aus
MWD-Prozessorkarte und "Pressure
Case Directional" (PCD)
vorhanden sein. Die Endknoten in dem Elektronikdaten-Austauschpfad
sind die RST-Gehäuse-Prozessorkarte
sowie die MWD-PCD-Prozessorkarte. Daher würde das System für einen
Halbduplex-Betrieb ausgelegt werden. Allerdings könnte es mit
einigen kleineren Änderungen
vom Fachmann auch in ein Vollduplex-System umgewandelt werden. Die
Implementierung eines Vollduplex-Systems wäre unter Verwendung verschiedener
bidirektionaler Techniken einschließlich eines Aufteilens des
verfügbaren
Bandpassfrequenzspektrums in mindestens 2 Kanäle einfach machbar. Ein Kanal
würde zu
dem RST-Werkzeug verlaufen und könnte
eine kleinere Bandbreite aufweisen, und ein Kanal würde von
dem RST zu dem DWD verlaufen, der beispielsweise eine größere Bandbreite
haben würde,
damit auf ihm mehr Daten nach oben als nach unten laufen könnten, was
allgemein erwünscht
wäre. Augenscheinlich ist
jede Kombination der Bandbreitenkanalgröße sowie jede Anzahl an Kanälen möglich. Wie
in dieser Implementierung angeführt
wird nur 1 Kanal im Halbduplex für
beide Richtungen verwendet.
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Nun
auf die 5 und 6 Bezug
nehmend ist eine Übersicht
der grundlegenden Systemebene des elektrischen Modells des Übertragungssystems
illustriert. Mit dem RST ganz unten beginnend weist das RST eine
Prozessorplatine auf, die in einer versiegelten Sonde in dem äußeren Gehäuse 12 angeordnet
ist. Der Prozessor vermittelt zwischen dem normalen externen Kommunikationskanal
(Transciever A) und dem internen Kommunikationskanal zu dem Interwerkzeug-Koppler (Transciever
B). Zuerst konfiguriert der Prozessor den "Universal Asynchronous Receiver Transmitter" (Universeller asynchroner
Empfänger/Transmitter;
UART), um die Ausgangskommunikationsparameter für den Kommunikationskanal,
der aus dem Werkzeug durch einen druckdichten elektrischen Anschluss
austritt, auf geeignete Weise anzupassen. Intern läuft ein
vom Anwender konfigurierbarer Zeitgeber, der nach einem Ablauf die
UART-Parameter rekonfiguriert, um eine Verbindung mit der Verbindungsplatine über einen weiteren
Kommunikationskanal anzupassen, der mit der unteren Verbindungsplatine
in Verbindung steht. Die Auswahl des Ausgangskanals wird durch eine
interne Logik gesteuert, die in dem Prozessor einprogrammiert ist.
Sie sendet die Anzahl an Bytes, die für ein Logikpegel-RS232-Format
erforderlich sind, und kehrt anschließend zu dem vorhergehenden
Kanal bzw. den Parametern zurück.
Dies ermöglicht
dem Anwender die geringste Unterbrechung in einer normalen Verbindung
mit dem Werkzeug während
der Konfiguration an der Oberfläche
und dem Datendownload, während
rechtzeitig Daten an das MWD-System übermittelt werden.
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Die
oberen und unteren Verbindungsplatinen sind elektrisch identisch
und fungieren beide als ein Transciever für die Übertragung über die Übertragungsleitung. Die Verbindungsplatine
wandelt das RS232-Signal in ein Impulsamplitudenmodulations-(PAM)-Signal
um, was bedeutet, dass die binären
Daten durch das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen einer einzigen Trägerfrequenz
repräsentiert
werden. In diesem Fall wird eine Logik 1 durch einen 3 kHz-Träger angezeigt
und eine Logik 0 wird durch keinen Träger angezeigt. Dies würde ebenfalls
mit einer Logik 0 funktionieren, deren Träger vorliegt, sowie mit einer
Logik 1, die keinen Träger
hat. Andere funktionierende Formen der Modulation würden weiterhin
eine Frequenzumtastung beinhalten, bei der sowohl die Logik 1 wie
die Logik 0 jeweils eine unterschiedliche Frequenz haben, die sie übertragen. Schließlich liegen
zahlreiche weitere, dem Fachmann wohlbekannte Modulationsverfahren
für Übertragungen
wie z.B. die Amplitudenmodulation, die Phasenumtastung, die Trellis-Codierung
usw. vor.
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Nachdem
es aus der unteren Verbindungsplatine ausgetreten ist, erreicht
das PAM-Signal die dem Gehäuse
zugeordnete äußere Spule 28.
Der Wechselstrom in der dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 28 von
dem PAM-Signal erzeugt eine elektromagnetische Abstrahlung, die
sich durch die innere Hülse 22 und
zu der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 an dem Mantelrohr 14 hin ausbreitet.
Hier fungiert die dem Gehäuse
zugeordnete innere Spule 30 als eine Empfangsantenne und wandelt
die elektromagnetische Abstrahlung in ein elektrisches Signal an
dem Ausgang der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 30 der dem Gehäuse zugeordneten
induktiven Kopplung 24 um.
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Von
hier tritt das PAM-Signal aus der dem Gehäuse zugeordneten inneren Spule 30 aus
und breitet sich entlang den geeigneten elektrischen Leitungen zu
der Sondenspule 34 der dem Mantelrohr zugeordneten induktiven
Kopplung 26 hin aus. Die Sondenspule 34 strahlt
wiederum das elektromagnetische Signal ab, das in die Mantelrohrspule 32 induktiv
eingekoppelt wird. Das elektrische Signal tritt aus der Mantelrohrspule 32 aus
und breitet sich entlang der geeigneten elektrischen Leitung durch
den Kommunikationsanschluss 18 zu der oberen Verbindungsplatine
hin aus, wo das PAM-Signal zurück
in ein RS232-Signal demoduliert wird. Von hier wird das RS232-Signal
in einen UART auf der Wandler-(Umsetzungs)-Karte eingespeist, die
das RS232-Signal für die Kommunikation
mit dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 16 in
ein Manchester 1553-Signal umwandelt. In diesem Fall fragt das dem Mantelrohr
zugeordnete Elektroniksystem 16 die Umsetzungskarte via
Abfragebefehle bezüglich
Daten über
den 1553-Kommunikationspfad
periodisch nach neuen Daten ab und sendet diese Daten zu dem Telemetriesystem,
das in diesem Fall ein Mud Pulse-Telemetriesystem ist, damit sie
an die Oberfläche übertragen
werden. In dieser Implementierung weist die Umsetzungskarte einen
Prozessor und Speicher auf, damit ihre Funktion vereinfacht wird. Ebenfalls
fungiert die Umsetzungskarte als der Master für die Bus-Übertragungen zwischen dem RST und
sich selbst, indem sie Datenabfragebefehle zurück über die Übertragungsleitung in genau
dem entgegengesetzten Weg sendet, den die Signale zurückgelegt
haben. Mit anderen Worten arbeitet der Signalfluss über die
Verkupplungs-/Übertragungsleitung
in beiden Richtungen. An der Oberfläche werden die Schlammimpulse
zurück
zu elektrischen Signalen umgewandelt, welche wiederum zu aussagekräftigen Daten
umgewandelt werden, um von dem Personal an der Oberfläche weiterverwendet
zu werden.
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7 erläutert ausführlicher
die Arbeitsweise der Verbindungsplatine. Mit der Eingabeseite (TX) beginnend
wird ein RS232-Signal in eine Leitung eines Frequenzgenerators eingespeist.
Dies erzeugt ein gepulstes Amplitudensignal, solange der RS232-Tx-Logikpegel
niedrig bleibt. Von hier wird das Signal zu einem hier als ein Übertrager
dargestellten Differenzialantrieb geführt, der im Wesentlichen den
Strom des Signals verstärkt,
das über
die Übertragungsleitung
geführt
wird. Nicht dargestellt ist, dass an der anderen Seite des Übertragers
genau der gleiche, jedoch spiegelbildlich angeordnete Schaltkreis
vorgesehen ist, um der Funktion des ersten Schaltkreises zu entsprechen.
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Wenn
ein Signal in diese untere Verbindungsplatine über die Übertragungsleitung eintritt, darf
es der untere Kuppler nicht übertragen,
da es ansonsten das eintretende Signal überlagern würde, da die Platine für eine Halbduplex-Übertragung
konfiguriert ist. Wenn das eintretende Signal die Platine erreicht,
wird es zu einem Differenzialverstärker geleitet, wo die Signalstärke verstärkt und
in einen Bandpassfilter geleitet wird. Der Ausgang des Bandpassfilters
wird in einen Komparator eingespeist. Wenn die Signalspannung die
Referenzspannung übersteigt,
nimmt der Komparator einen hohen Wert an, was zu einer Abgabe einer
Rechteckwelle führt,
da das schwächere
analoge Signal über
den Vergleichspannungspegel hinaus steigt oder darunter fällt.
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Dieser
Rechteckwellenausgang wird in einen retriggerbaren Zeitgeber eingespeist.
Der Zeitgeber wird auf einen bekannten Wert eingestellt, der dem 1,5-
bis 3-Fachen der Breite der Trägerzyklusperiode entspricht.
Dies bedeutet, dass die Trägerfrequenz den
Zeitgeber in jedem Zyklus zurückstellt.
Während der
Zeitgeber herunter erzählt,
repräsentiert
der Ausgang des Zeitgebers die Logik 0 in RS232. Wenn eine Absenz
des Trägers
aus dem Komparator vorliegt, läuft
der Zeitgeber ab und kehrt nach dem 1,5- bis 3-Fachen der Breite
der Trägerwellenperiode
zu einer Logik 1 zurück.
Obgleich das 1,5- bis 3-Fache der Trägerperiode ausgewählt wurde,
funktioniert jeder Wert, der größer als
die Hälfte
der Periode ist oder ihr entspricht, so lange die Einschaltzeit
nicht außerhalb
der Toleranzen der RS232-Bitbreite verweilt, die der UART handhaben
kann.
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8 illustriert
eine alternative Ausführungsform
eines elektromagnetischen induktiven Kopplungssystems 110 für ein Mantelrohr 114,
das eine Wand und eine Innenbohrung aufweist. Beispielshalber und
wie in dieser Ausführungsform
dargestellt kann das Mantelrohr 114 ein Teil eines Bohrstrangs sein.
Wie dargestellt liegt das Mantelrohr 114 in der Form eines
Bereichs eines in einem Bohrloch verwendeten Bohrstrangs vor und
kann wiederum selbst mehrere Rohrabschnitte aufweisen. Diesbezüglich kann
an dem unteren Ende des Mantelrohrs 114 eine Bohrkrone
angeordnet werden, um in eine Formation zu bohren. Allerdings liegen
auch andere Anwendungen für
rotierende Mantelrohre innerhalb des Rahmens dieses Systems. Innerhalb
der Innenbohrung des Mantelrohrs 114 ist ein erstes dem
Mantelrohr zugeordnetes Elektroniksystem 116 angeordnet.
Das erste dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 116 kann
jedes Elektroniksystem und beispielsweise eine Kommunikationsvorrichtung
und/oder eine Energiequelle oder Last sein. Ebenfalls kann das erste dem
Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 116 ein Telemetrie/Empfängersystem
beinhalten, das entweder ein eigenständiges System oder ein in ein MWD-System
eingeschlossenes System sein kann. Beispiele von Telemetrie/Empfängersystemen
beinhalten, ohne sich jedoch darauf zu begrenzen, drahtgebundene
Systeme, Lenkwerkzeugsysteme, elektromagnetische Systeme, E-Line-Systeme
für Rohre oder
Rohrwendel, akustische Systeme, so genannte "verkabelte Rohrsysteme", bei welchen elektrische Leitungen
in der Wand des Bohrstrangs, der Ummantelung oder der Auskleidung
angeordnet sind wie z.B. bei dem INTELLIPIPE® von
GRANT PRIDECOTM, sowie Mud-Pulse-Sys teme,
bei welchem der Fluiddruck in dem Bohrloch moduliert wird, um Daten
zu übertragen
und zu empfangen. Weiterhin umfasst das erste dem Mantelrohr zugeordnete
Elektroniksystem 116 Anschlüsse 117, die einen
Durchfluss von Bohrfluid in die Innenbohrung des Mantelrohrs 114 durch
das erste dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 116 ermöglichen.
Wenn das erste dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 116 in
einem MWD-System eingeschlossen ist, kann das MWD-System jegliche
geeigneten Werkzeuge zum Messen verschiedener Daten während des
Bohrens aufweisen. Beispiele dafür
beinhalten Sensoren zum Messen der Porosität und des spezifischen Widerstands
der Formation, durch die gebohrt wird. Andere Sensoren können den
Zustand des Mantelrohrs 114 oder den Leistungsbetrieb des
Bohrverfahrens messen. Das erste dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 116 kann
ebenfalls einen Kommunikationsanschluss 118 aufweisen,
der sich in die Innenbohrung des Mantelrohrs 114 hinein
erstreckt.
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Das
induktive Kopplungssystem 110 umfasst ebenfalls eine Kommunikationssonde 120,
die sich von der Wand des Mantelrohrs 114 in die Innenbohrung
des Mantelrohrs hinein erstreckt. Wie dargestellt ist die Kommunikationssonde 120 von
dem Mantelrohr 114 getrennt angeordnet und anschließend durch
jede geeignete Anordnung wie z.B. eine Gewindeverbindung befestigt.
Die Kommunikationssonde 120 kann jedoch auch integral zu
dem Mantelrohr 114 angefertigt werden.
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Das
induktive Kopplungssystem 10 umfasst zusätzlich ein
zweites dem Mantelrohr zugeordnetes Elektroniksystem 136.
Das zweite dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 136 kann
jedes beliebige Elektroniksystem und beispielsweise eine Kommunikationsvorrichtung
und/oder eine Energiequelle oder Last sein. Zum Beispiel kann das
zweite dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem eine Prozessorschaltung
sein, um von verschiedenen Untertage-Sensoren aufgenommene Daten
zu verarbeiten.
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Das
induktive Kopplungssystem 110 weist weiterhin eine dem
Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 126 auf. Die
dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 126 umfasst
eine Mantelrohrspule 132, die eine gewickelte induktive
Magnetspule ist, welche in dem Kommunikationsanschluss 118 des ersten
dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystems 116 angeordnet
ist. Die Mantelrohrspule 132 steht mit dem ersten dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 116 durch geeignete elektrische Leitungen
in elektrischer Verbindung, welche durch den Kommunikationsanschluss 118 verlaufen.
Ebenfalls umfasst die dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 126 eine
Sondenspule 134, die eine gewickelte induktive Magnetspule
ist, welche in der Kommunikationssonde 120 angeordnet ist.
Weiterhin steht die Sondenspule 134 mit dem zweiten dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 136 durch geeignete elektrische
Verbindungen in elektrischer Verbindung, die durch die Kommunikationssonde 118 und
die Wand des Mantelrohrs 114 verlaufen. Der Kommunikationsanschluss 118 und
die Kommunikationssonde 120 können aus jedem geeigneten Material
angefertigt sein. Für
eine Erhöhung der
Stärke
bzw. Qualität
der Verbindung durch die dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 126 kann
entweder der Kommunikationsanschluss 118 oder die Kommunikationssonde 120 bzw.
beide Bauteile aus einem eisenhaltigen Material angefertigt werden.
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Die
dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 126 kann
auch alternativ dazu konfiguriert werden. Wie in 8 dargestellt
ist die Mantelrohrspule 132 länger als die Sondenspule 134.
Dies ermöglicht
eine induktive Verbindung durch die dem Mantelrohr zugeordnete induktive
Kopplung 126, ohne dass ein genaueres Zusammenpassen der
Anordnung der Mantelrohrspule 132 mit Bezug auf die Sondenspule 134 bei
dem Aufbau des induktiven Kopplungssystems 110 erforderlich
ist, indem die Kommunikationssonde 120 in den Kommunikationsanschluss 118 eingesetzt
wird. Allerdings sollte sich auch verstehen, dass die Sondenspule 134 länger als
die Mantelrohrspule 132 sein kann. Ebenfalls sollte sich
verstehen, dass die Mantelrohrspule 132 und die Sondenspule 134 eine
gleiche Länge
aufweisen können.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass selbst dann, wenn die Mantelrohrspule 132 und
die Sondenspule 134 eine gleiche Länge haben, sie bei dem vollständigen Aufbau
nicht genau zusammenpassen müssen,
um den Betrieb der induktiven Kopplungsbaugruppe 110 zu
ermöglichen.
Somit ist ein gewisses "Spiel" für eine Versetzung
und Bandmesstoleranzen erlaubt. Obgleich in 8 dargestellt
ist, dass der Kommunikationsanschluss 118 ein mit einem
offenen Ende versehenes oder aufnehmendes Verbindungsglied und die
Kommunikationssonde 120 ein geschlossenes oder abstehendes
Verbindungsglied ist, sollte sich auch verstehen, dass die abstehende/aufnehmende
Verbindung derart umgekehrt werden kann, dass die Kommunikationssonde 120 das
aufnehmende Verbindungsglied und der Kommunikationsanschluss 118 das
abstehende Verbindungsglied sein kann.
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8 stellt
dar, dass das Mantelrohr 14 aus mehreren Abschnitten besteht,
wobei das erste dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 116 in
einem anderen Abschnitt als das zweite dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 136 angeordnet sein kann. Jedoch sollte
sich auch verstehen, dass das Mantelrohr 114 ein einzelnes
unitäres
Bauteil sein kann, oder dass das erste dem Mantelrohr zugeordnete
Elektroniksystem 116 in dem gleichen Abschnitt wie das
zweite dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 136 angeordnet
werden kann.
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Ein
Beispiel zum Aufbau des induktiven Kopplungssystems 110 besteht
darin, dass das Mantelrohr 114 mehr als einen Rohrabschnitt
aufweist, wie dies in 8 gezeigt ist. Die Kommunikationssonde 120 würde anfänglich getrennt
von dem Kommunikationsanschluss 118 und dem ersten dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 116 vorliegen, bevor die
Rohrabschnitte miteinander verbunden werden würden. Der "untere" Bereich des Mantelrohrs 114 könnte in
Rutschen auf der Bohrsohle des Bohrgestells ruhen. Die verschiedenen
einzelnen Bauteile von Baugruppen oder Kombinationen daraus, die
zwischen einem Hang Off-Sub oder einem Hang Off-Schaft verlaufen,
können
anschließend
aufgenommen, an der BHA-Baugruppe verschraubt und sequenziell in
das Bohrloch hinab gelassen werden, um die BHA-Baugruppe zu erstellen. Wenn
der Hang Off-Sub oder der Hang Off-Schaft aufgenommen wird, kann
sich der erste dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystemteil des
Mantelrohrs 114, der das erste dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 116 und
den Kommunikationsanschluss 118 umfasst, an der äußersten "Sohle" aufgenommen werden.
Der Mantelrohrabschnitt dieses ersten dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystems 116 wird derart in den Schaft abgesenkt,
dass die Länge
des ersten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystems 116 und
die Länge
der Schafte eine Überlappung
des Kommunikationsanschlusses 18 mit der Kommunikationssonde 120 ermöglicht,
um für
eine induktive elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden Bauteilen
zu sorgen.
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Ebenfalls
kann der Kommunikationsanschluss 118 als eine eigenständige Nassverbindung fungieren,
die in anderen Werkzeugen verwendet werden kann, welche über eine
Kommunikationssonde 120 verfügen, wie z.B. permanent installierte Werkzeuge
in Bohrlöchern,
die an einem Drahtkabel in das Bohrloch heruntergelassen werden,
wobei der Kommunikationsanschluss 118 mit den Sensoren und
Betätigungsvorrichtungen
wie z.B. Ventilen kommuniziert und/oder sie mit Strom versorgt.
Es sollte sich verstehen, das entweder die abstehenden oder die
aufnehmenden Enden in einem Bohrloch installiert und gemeinsam mit
der zusammen passenden Hälfte
zur Herstellung der Verbindung verwendet werden können.
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Die
Kommunikationssonde 120 und der Kommunikationsanschluss 118 erleichtern
daher die Übertragungsverbindung über die
Werkzeugverbindungsstelle hinweg und sind nicht integral zu der Werkzeugverbindungsstelle
ausgeformt, die selbst eine im Nassen anschließbare Verbindung verwendet.
Ebenfalls sind die Kommunikationssonde 120 und der Kommunikationsanschluss 118 von
den Bohrkräften,
die zum Bohren des Bohrlochs erforderlich sind, entkoppelt, wodurch
es ermöglicht
wird, dass die Werkzeugverbindungsstelle ohne Abweichungen von bevorzugten Entwurfsstandards
und -spezifikationen sowie ohne spezielle und möglicherweise kostspielige Modifikationen
aufgebaut werden kann, welche die Werkzeugverbindungsstelle inkompatibel
zu Industriestandards werden lassen würde. Die Verbindung ist gegenüber einem
Kurzschließen aufgrund
des Vorhandenseins von leitenden Fluiden unempfindlich, d.h. dass
sie sogar dann erstellt werden kann, wenn sie in Fluiden untergetaucht
ist. Eine zuverlässige
Verbindung in einer nassen Umgebung ermöglicht einen Austausch von
Hang Off-Subs oder anderen Bauteilen von BHA-Baugruppen, ohne dass eine
Anpassung an eine Varianz von wenigen Inch erforderlich wäre.
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Der
Betrieb des induktiven Kopplungssystems 110 beteiligt die Übertragung
eines elektrischen Signals zwischen dem ersten dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 116 und dem zweiten dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 136 durch die dem Mantelrohr zugeordnete
induktive Kopplung 126. Das elektrische Signal kann zum
bidirektionalen Übertragen
von Daten und/oder Energie zwischen den Komponenten verwendet werden.
Ein elektrisches Signal kann sowohl von dem ersten dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 116 wie dem zweiten dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 136 übertragen und empfangen werden, wodurch
eine Simplex-Übertragung
(in jeder Richtung), eine Halbduplex- oder eine Vollduplex-Übertragung
ermöglicht
wird. Beispielsweise können
Daten von der Oberfläche übertragen
und von dem ersten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 116 empfangen
werden. Anschließend
können
die Daten von dem ersten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 116 durch
die dem Mantelrohr zugeordnete induktive Kopplung 126 zu
dem zweiten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 136 gesendet
werden. Beispielsweise können
die Daten Bohrvorgangsdaten wie z.B. die Bohrlochtiefe, die Eindringrate,
Formationsübersichtsdaten
sowie andere Betriebsbedingungsdaten oder -befehle zu jeden beliebigen
Untertage-Werkzeugen
beinhalten. Ebenfalls kann das zweite dem Mantelrohr zugeordnete
Elektroniksystem 136 Daten zu dem ersten dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 116 und von dort zu der Oberfläche übermitteln.
Es sollte sich verstehen, dass auch andere Typen von Daten und/oder
einer Stromübertragung/aufnahme
benutzt werden können.
Weiterhin sollte sich verstehen, dass das induktive Kopplungssystem 110 auch
für andere als
die für
das System beschriebene Anwendungen verwendet werden kann.
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Das
nachfolgend erläuterte
Beispiel steht in Zusammenhang mit der Übertragung von Daten von dem
dem Mantelrohr zugeordneten Eleltroniksystem 136 zu dem
ersten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 116.
Im Betrieb kann das zweite dem Mantelrohr zugeordnete Elekt roniksystem 136 Daten
von verschiedenen Sensoren bezüglich
des Status des Mantelrohrs 114, Formationssensorablesungen,
Bohrlochausrichtungsmessungen und anderer Untertage-Messungen sammeln.
Das zweite dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 136 wandelt
anschließend
diese Daten in ein elektrisches Signal um und überträgt dieses durch die Kommunikationssonde 120 zu
der Sondenspule 134. Die Sondenspule 134 strahlt
das elektromagnetische Signal ab, das induktiv mit der Mantelrohrspule 132 der
dem Mantelrohr zugeordneten induktiven Kopplung 126 verkoppelt
ist. Das elektrische Signal tritt aus der Mantelrohrspule 132 aus
und dringt durch die geeignete elektrische Leitung durch den Kommunikationsanschluss 118 zu
dem ersten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 116 vor.
An dem ersten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 116 kann
das elektrische Signal verarbeitet und/oder falls erforderlich unter
Verwendung des Telemetriesystems des ersten dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystems 116 zu der Oberfläche übertragen werden. An der Oberfläche werden
die übertragenen
Daten empfangen und falls erforderlich zurück zu elektrischen Signalen
umgewandelt, welche neuerlich zu aussagekräftigen Daten konvertiert werden,
um von dem Personal an der Oberfläche verwendet zu werden. Ähnlich dazu
arbeitet das induktive Kopplungssystem 110 in der umgekehrten
Richtung, indem Daten, Befehle, und/oder Energie von jeder Elektronik, die
eine Übertragung
auf dem Übertragungsweg
bewerkstelligen kann, wie z.B. ein Elektronikmodul, ein Sensor,
eine Telemetrievorrichtung, ein Telemetriezwischenverstärker, und/oder
der Computer an der Oberfläche,
zu dem zweiten dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 136 geleitet
werden. Über den Übertragungsweg übermittelte
Befehle können eine
erwünschte
Einstellung der Werkzeugflanke, eine erwünschte Inklinationseinstellung,
eine erwünschte
Azimuteinstellung, einen erwünschten
geophysikalischen Sensorwert, Werkzeugbohrloch-Positionsinformationen wie z.B. die
Tiefe, die gesamte vertikale Tiefe und Position innerhalb des Erdreichs, Datenanfragen
bezüglich
z.B. der derzeitigen Inklination, des Azimuts, der geophyikalischen
Sensorwerte, diagnostischer Informationen, der Zeit, und/oder der
relativen Zeit beinhalten.
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Das
induktive Kopplungssystem 110 kann zum Übertragen oder Empfangen von
jedem geeigneten Informationstyp verwendet werden. Beispielsweise
kann das induktive Kopplungssystem 110 dazu verwendet werden,
die folgenden Daten zu übertragen
und/oder zu empfangen: (1) Bohrer-Inklinationsdaten oder Inklinationsmessdaten;
(2) Sensorqualitätsfaktoren
wie z.B. den geometrischen Mittelwert der 2 und/oder 3 Beschleunigungsmesssensoren (Gtotal); (3) RST-Status- Wellenmotorfehler, Bohrprogrammiermodus,
Batteriefehler, Energierückstellung, und Gehäuseschlingern;
(4) tatsächliche
Position der Werkzeugflanke; und/oder (5) erwünschte Position der Werkzeugflanke.
Ebenfalls können
andere Daten unter Verwendung des induktiven Kopplungssystems 110 übertragen
und/oder empfangen werden, z.B. Formationssensordaten einschließlich des
spezifischen Widerstands, der natürlichen Gammastrahlung, der
Dichte, Messungen der Ausbreitung akustischer Wellen und seismische
Messungen. Es können auch
Bohrleistungsdaten über
die Übertragungsleitung
gesendet und/oder empfangen werden, wie z.B. Ring- und/oder Bohrgestängedruck,
Meißelumdrehungen
pro Minute, Azimutrichtungsmessung des Bohrlochs, Vibrations- und
Temperaturmessungen. Das elektrische Signal kann weiterhin Wechselstrom, elektrische
Energie oder unipolaren Strom umfassen. Ebenfalls kann das elektrische
Signal in jeder geeigneten Form übertragen
werden. Beispielsweise kann das elektrische Signal in der Form von
mindestens entweder einer Rechteckwelle, einer Sinuswelle, einer
Trapezwelle, einer Sägezahnwelle,
einer Dreieckswelle, und/oder in jeder Kombination von zwei oder
mehreren Frequenzwellenmustern vorliegen, wobei in dieser Beschreibung
0 Hz als eine Frequenz betrachtet wird. Ebenfalls kann das elektrische
Signal unter Verwendung jedes geeigneten Schemas modelliert werden.
Beispielsweise kann die Modulation eine Frequenzmodulation, eine
Amplitudenmodulation, eine Phasenmodulation, eine Frequenzumtastung,
ein Chirping, und/oder ein direktes Ansteuern des Binärsignals
auf dem Übertragungsweg
sein.
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9 illustriert
eine zweite alternative Ausführungsform
eines elektromagnetischen induktiven Kopplungssystems 210 für ein Mantelrohr 214,
das eine Wand und eine Innenbohrung aufweist. Beispielshalber und
wie in dieser Ausführungsform
illustriert kann das Mantelrohr 214 ein Teil des mit Bezug auf 1 beschriebenen
RST-Systems sein. Das induktive Kopplungssystem 210 umfasst
weiterhin eine innere Hülse 222 und
ein äußeres Gehäuse 212.
Wie dargestellt liegt das Mantelrohr 214 in der Form eines Teils
eines in einem Bohrloch verwendeten Bohrstrangs vor und kann selbst
mehrere Rohrabschnitte aufweisen. Diesbezüglich ist an dem unteren Ende des
Mantelrohrs 214 eine Bohrkrone befestigt, um in eine Formation
zu bohren. Jedoch liegen auch andere Anwendungen für rotierende
Mantelrohre in dem Rahmen dieses Systems. Innerhalb des Mantelrohrs 214 ist
ein dem Mantelrohr zugeordnetes Elektroniksystem 216 angeordnet.
Das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 216 kann
jedes beliebige Elektroniksystem und beispielsweise eine Kommunikationsvorrichtung
und/oder eine Energiequelle oder Last sein. Ebenfalls kann das dem
Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 216 ein Telemetrie/Empfängersystem
umfassen, das entweder ein eigenständiges System oder in ein MWD-System eingeschlossen
sein kann. Beispiele von Telemetrie/Empfängersystemen beinhalten, ohne
sich jedoch darauf zu begrenzen, drahtgebundene Systeme, Lenkwerkzeugsysteme,
elektromagnetische Systeme, E-Line-Systeme für Rohre oder Rohrwendel, akustische
Systeme, so genannte "verkabelte
Rohrsysteme", bei
welchen elektrische Leitungen in der Wand des Bohrstrangs, der Ummantelung
oder der Auskleidung angeordnet sind wie z.B. bei dem INTELLIPIPE® von
GRANT PRIDECOTM, oder eine verkabelte Verbundrohrleitung
wie z.B. die ANACONDA® von HALLIBURTONTM, und Mud-Pulse-Systeme, bei denen der
Fluiddruck in dem Bohrloch moduliert wird, um Daten zu übertragen
und zu empfangen. Ist das dem Mantelrohr zugeordnete Elektroniksystem 216 in
einem MWD-System eingeschlossen, kann das MWD-System jede geeigneten
Werkzeuge zum Messen unterschiedlicher Daten während des Bohrens umfassen.
Beispiele beinhalten Sensoren zum Messen der Porosität und des
spezifischen Widerstands der Formation, durch die gebohrt wird.
Weitere Sensoren können
den Status des Mantelrohrs 214 oder den Leistungsbetrieb
des Bohrverfahrens messen.
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Wie
in 9 illustriert beinhaltet das induktive Kopplungssystem 210 eine
innere Hülse 222 einschließlich einer
Bohrung, die mindestens einen Teil des Mantelrohrs 214 umgibt. 9 stellt
das Mantelrohr 214 als ein einzelnes, unitäres Bauteil
dar. Allerdings sollte sich verstehen, dass das Mantelrohr 214 auch
aus mehreren Abschnitten bestehen kann. Die innere Hülse 222 ist
relativ zu dem Mantelrohr 214 drehbar angeordnet. Beispielhaft
kann sich die innere Hülse 222 auf
Lagern zwischen dem Mantelrohr 214 und der inneren Hülse 222 drehen.
Alternativ dazu kann die Bohrung der inneren Hülse mit Bezug auf die Drehachse
des Mantelrohrs 214 exzentrisch angeordnet sein. Jedoch
sollte sich auch verstehen, dass sich die innere Hülse 222 während des
Betriebs des induktiven Kopplungssystems 210 mit Bezug
auf das Mantelrohr 214 nicht drehen muss. Wie in 9 dargestellt
liegt ein Spalt zwischen der inneren Hülse 222 und dem Mantelrohr 214 vor.
Dieser Raum kann durch leitende oder nicht leitende Fluide oder
ein Gas belegt sein oder in ihm kann ein Vakuum aus im Wesentlichen
leerem Raum vorliegen.
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Weiterhin
umfasst das induktive Kopplungssystem 210 ein äußeres Gehäuse 212,
das eine Bohrung aufweist, die mindestens einen Teil der inneren Hülse 222 umgibt.
Das äußere Gehäuse 212 ist
relativ zu der inneren Hülse 222 und
somit ebenfalls zu dem Mantelrohr 214 drehbar angeordnet.
Beispielhaft kann sich das äußere Gehäuse 212 auf
Lagern zwischen dem äußeren Gehäuse 212 und
der inneren Hülse 222 drehen.
Alternativ dazu kann die Bohrung des äußeren Gehäuses mit Bezug auf die Drehachse
des Mantelrolrs 214 exzentrisch angeordnet sein. Jedoch
sollte sich auch verstehen, dass sich während des Betriebs des induktiven
Kopplungssystems 10 das äußere Gehäuse 212 mit Bezug
auf das Mantelrohr 214 nicht drehen muss. Wie in 9 dargestellt
liegt ein Spalt zwischen dem äußeren Gehäuse 212 und
der inneren Hülse 222 vor.
Dieser Raum kann durch leitende oder nicht leitende Fluide oder ein
Gas belegt sein, oder in ihm kann ein Vakuum aus im Wesentlichen
leerem Raum vorliegen.
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Weiterhin
umfasst das induktive Kopplungssystem 210 eine dem Gehäuse zugeordnete
induktive Kopplung 224. Die dem Gehäuse zugeordnete induktive Kopplung 224 beinhaltet
eine dem Gehäuse zugeordnete äußere Spule 228,
die eine gewickelte induktive Magnetspule ist, welche in dem äußeren Gehäuse 212 angeordnet
ist und sich mit diesem bewegt. Die dem Gehäuse zugeordnete äußere Spule 228 steht
mit dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 236 in elektrischer Verbindung.
Die dem Gehäuse
zugeordnete induktive Kopplung 224 weist ebenfalls eine
dem Gehäuse
zugeordnete innere Spule 230 auf, die eine gewickelte induktive
Magnetspule ist, welche in dem Mantelrohr 214 angeordnet ist
und sich mit diesem bewegt. Die dem Gehäuse zugeordnete innere Spule 230 steht
mit dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 in elektrischer
Verbindung. Wie in 9 illustriert ist die innere
Hülse 222 zwischen
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 230 und der dem Gehäuse zugeordneten äußeren Spule 228 angeordnet.
Die innere Hülse 222 kann
aus jedem geeigneten Werkstoff bestehen, der eine elektromagnetische
Verbindung zwischen der dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 228 und
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 230 ermöglicht. Beispielsweise kann
die innere Hülse 222 aus
Metall angefertigt sein, obwohl eine gewisse Abschwächung des
elektromagnetischen Feldes auftreten kann, das zwischen der dem
Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 228 und
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 230 übertragen wird. Ebenfalls kann
die innere Hülse 222 nicht
leitend beschaffen sein, z.B. durch eine Verbundrohrleitung oder
verschiedene Kunststoffe. Weiterhin können entweder die innere Hülse 222 oder
das äußere Gehäuse 212 bzw.
beide Bauteile mit Bezug auf das Mantelrohr 214 exzentrische
Bohrungen aufweisen. Trifft dies zu, variiert der radiale Abstand
zwischen der dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 228 und
der dem Gehäuse zugeordneten
inneren Spule 230 in einer Ebene mit der Drehausrichtung
der inneren Hülse 222 und
des äußeren Gehäuses 212 mit
Bezug auf das Mantelrohr. Weiterhin steht die dem Gehäuse zugeordnete äußere Spule 228 mit
einem in der Wand des äußeren Gehäuses 212 angeordneten
und dem Gehäuse zugeordneten
Elektroniksystem 236 durch geeignete elektrische Leitungen,
die durch die Wand des äußeren Gehäuses 212 verlaufen,
in elektrischer Verbindung. Beispielsweise können die Leitungen elektrische
Verdrahtungen sein, die zu Schutzzwecken isoliert oder verkapselt
sein können.
Zusätzlich
kann das dem Gehäuse
zugeordnete Elektroniksystem 236 auch mit anderen Elektroniksystemen
oder – sensoren
verbunden werden, die in anderen Teilen des Mantelrohrs 214 vorgesehen
sein können.
Weiterhin können
die induktiven Spulen in Hülsen
angeordnet werden, die getrennt von dem Mantelrohr 214 und
dem äußeren Gehäuse 212 vorliegen.
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Der
Betrieb des induktiven Kopplungssystems 210 beteiligt die Übertragung
eines elektrischen Signals zwischen dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 und
dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 236 durch die dem Gehäuse zugeordnete
induktive Kopplung 224. Das elektrische Signal kann für eine bidirektionale Übertragung
von Daten und/oder Energie zwischen den Komponenten verwendet werden.
Ein elektrisches Signal kann sowohl von dem dem Mantelrohr zugeordneten
Elektroniksystem 216 wie dem dem Gehäuse zugeordneten Elektroniksystem 236 übertragen und
empfangen werden, wodurch eine Simplex-Übertragung
(in jeder Richtung), eine Halbduplex- oder eine Vollduplex-Übertragung
ermöglicht wird.
Beispielsweise können
Arbeitsbefehle für
das RST-System von der Oberfläche übertragen
und von dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 empfangen
werden. Dann können
die Befehle von dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 zu
dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 236 gesendet werden, um das RST-System
zu betreiben. Zusätzlich
zu oder alternativ zu den Arbeitsbefehlen können Daten des Bohrbetriebs
wie z.B. die Lochtiefe, die Eindringrate, Formationsüberwachungsdaten
sowie andere Daten von Betriebsbedingungen zu dem dem Gehäuse zugeordneten
Elektroniksystem 236 gesendet werden. Das dem Gehäuse zugeordnete
Elektroniksystem 236 kann auch Daten von dem RST-System zu dem dem
Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 und von dort
zu der Oberfläche übermitteln.
Es sollte sich verstehen, dass auch andere Typen von Daten und/oder
einer Energieübertragung/aufnahme
durchgeführt
werden können.
Ebenfalls sollte sich verstehen, dass das induktive Kopplungssystem
für andere Anwendungen
als für
das beschriebene RST-System benutzt werden kann.
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Das
nachfolgend erläuterte
Beispiel bezieht sich auf die Übertragung
von Daten von dem dem Gehäuse
zugeordneten Elektroniksystem 236 zu dem dem Mantelrohr
zugeordneten Elektroniksystem 216. Im Betrieb sammelt das
dem Gehäuse
zugeordnete Elektroniksystem 236 Daten von verschiedenen Sensoren
bezüglich
des Status des äußeren Gehäuses 212,
Formationssensorablesungen, Bohrlochausrichtungsmessungen, und anderer
Untertage-Messungen. Dann wandelt das dem Gehäuse zugeordnete Elektroniksystem 236 diese
Daten in ein elektrisches Signal um und überträgt es zu der dem Gehäuse zugeordneten äußeren Spule 228.
Der Strom in der dem Gehäuse
zugeordneten äußeren Spule 228 von
dem elektrischen Signal erzeugt eine elektromagneti sche Abstrahlung,
die sich durch die innere Hülse 222 und
zu der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 230 an dem Mantelrohr 214 ausbreitetet.
Die dem Gehäuse
zugeordnete innere Spule 230 fungiert als eine Empfangsantenne
und wandelt die elektromagnetische Abstrahlung in ein elektrisches
Signal an dem Ausgang der dem Gehäuse zugeordneten inneren Spule 230 der
dem Gehäuse zugeordneten
induktiven Kopplung 224 um.
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Von
der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 230 tritt das elektrische Signal
aus der dem Gehäuse
zugeordneten inneren Spule 230 aus und bereitet sich durch
die geeignete elektrische Leitungen durch die Kommunikationssonde 20 zu
der Sondenspule 34 aus. Die Sondenspule 34 strahlt
wiederum das elektromagnetische Signal ab, das induktiv mit der
Mantelrohrspule 32 der dem Mantelrohr zugeordneten induktiven
Kopplung 26 verkoppelt ist. Das elektrische Signal tritt
aus der Mantelrohrspule 32 aus und breitet sich durch die
geeignete elektrische Leitung durch den Kommunikationsanschluss 18 zu dem
dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 hin aus.
An dem dem Mantelrohr zugeordneten Elektroniksystem 216 kann
das elektrische Signal verarbeitet und/oder falls erforderlich unter
Verwendung eines Telemetriesystems an die Oberfläche übertragen werden. An der Oberfläche werden
die übertragenen
Daten empfangen und falls erforderlich zurück zu elektrischen Signalen
umgewandelt, die wiederum zu aussagekräftigen Daten konvertiert werden,
um von dem Personal an der Oberfläche weiterverwendet zu werden.
Auf ähnliche
Weise arbeitet das induktive Kopplungssystem 210 in der
umgekehrten Richtung, indem Daten, Befehle und/oder Energie von
jeder Elektronikschaltung, die eine Übertragung an dem Übertragungsweg
bewerkstelligen kann, wie z.B. ein Elektronikmodul, ein Sensor,
eine Telemetrievorrichtung, ein Telemetriezwischenverstärker, und/oder
der Computer an der Oberfläche, zu
dem äußeren Gehäuse 212 übertragen
werden. Über
den Übertragungsweg
zu dem RST übermittelte Befehle
können
eine erwünschte
Einstellung der Werkzeugflanke, eine erwünschte Inklinationseinstellung,
eine erwünschte
Azimuteinstellung, einen erwünschten
geophyikalischen Sensorwert, Werkzeugbohrloch-Positionsinformationen
wie z.B. die Tiefe, die gesamte vertikale Tiefe und Position innerhalb
des Erdreichs, Datenanfragen bezüglich
z.B. der derzeitigen Inklination der Werkzeugflanke, den Azimut,
den geophyikalischen Sensorwerten, diagnostischer Informationen,
der Zeit, und/oder der relativen Zeit beinhalten.
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Das
induktive Kopplungssystem 210 kann zum Übertragen oder Empfangen jedes
geeigneten Informationstyps verwendet werden. Zum Beispiel kann
das induktive Kopplungssystem zum Übertragen und/oder Empfangen
der folgenden Informationen verwendet werden: (1) Bohrer- Inklinationsdaten oder
Inklinationsmessdaten; (2) Sensorqualitätsfaktoren wie z.B. der geometrische
Mittelwert der 2 und/oder 3 Beschleunigungsmesssensoren (Gtotal); (3) RST-Status-Wellenmotorfehler,
Bohrprogrammiermodus, Batteriefehler, Energierückstellung, und Gehäuseschlingern;
(4) tatsächliche
Position der Werkzeugflanke; und/oder (5) erwünschte Position der Werkzeugflanke.
Unter Verwendung des induktiven Kopplungssystems 10 können auch
andere Daten übertragen
und/oder empfangen werden, z.B. Formationssensordaten einschließlich des
spezifischen Widerstands, der natürlichen Gammastrahlung, der
Dichte, Messungen der Ausbreitung akustischer Wellen und seismische
Messungen. Es können auch
Bohrleistungsdaten über
die Übertragungsleitung
gesendet und/oder empfangen werden, wie z.B. Ring- und/oder Bohrgestängedruck,
Meißelumdrehungen
pro Minute, Gehäuseschlingerrate,
Azimutrichtungsmessung des Bohrlochs, Vibrations- und Temperaturmessungen.
Weiterhin kann das elektrische Signal Wechselstrom, elektrische
Energie oder unipolaren Strom umfassen. Das elektrische Signal kann
auch in jeder geeigneten Form übertragen werden.
Beispielsweise kann das elektrische Signal in der Form von mindestens
entweder einer Rechteckwelle, einer Sinuswelle, einer Trapezwelle,
einer Sägezahnwelle,
einer Dreieckswelle, und/oder jeder Kombination aus zwei oder mehreren
Wellenmustern von Frequenzen vorliegen, wobei sich versteht, dass in
dieser Beschreibung 0 Hz als eine Frequenz betrachtet wird. Das
elektrische Signal kann ebenfalls unter Verwendung jedes geeigneten
Schemas moduliert werden. Die Modulation kann zum Beispiel eine Frequenzmodulation,
eine Amplitudenmodulation, eine Phasenmodulation, eine Frequenzumtastung, ein
Chirping, und/oder ein direktes Ansteuern des Binärsignals über den Übertragungsweg
sein.
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Obgleich
spezifische Ausführungsformen dargestellt
und beschrieben worden sind, können von
dem Fachmann Modifikationen erfolgen, ohne den Rahmen dieser Erfindung
zu verlassen. Die hier beschriebenen Ausführungsformen verstehen sich als
lediglich beispielhaft, nicht jedoch als begrenzend. Es sind viele
Variationen und Modifikationen möglich,
die in den Rahmen der Erfindung fallen. Dementsprechend wird der
Rahmen der Erfindung nicht durch die beschriebenen Ausführungsformen, sondern
lediglich durch die folgenden Ansprüche begrenzt, wobei alle Äquivalente
in den Rahmen der Ansprüche
fallen.