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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Untersuchungen von unterirdischen
Formationen und insbesondere auf Vorrichtungen und Verfahren zum Reduzieren
der Verschmutzung von Formationsfluiden, die in ein Bohrloch-Formationsprüfungs-
und -Probennahmewerkzeug angesaugt werden.
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Bohrlöcher
werden im Allgemeinen in den Erd- oder Meeresboden gebohrt, um natürliche
Vorkommen von Öl und Gas sowie anderer wünschenswerter
Materialien, die in den geologischen Formationen der Erdkruste eingeschlossen
sind, wiederzugewinnen. Ein Bohrloch wird im Allgemeinen unter Verwendung
einer Bohrkrone gebohrt, die am unteren Ende eines "Bohrstrangs"
angeordnet ist. Im Allgemeinen wird Bohrfluid oder "Bohrschlamm"
durch den Bohrstrang hinab zur Bohrkrone gepumpt. Das Bohrfluid
schmiert und kühlt die Bohrkrone und befördert
Bohrabfälle durch den Ringraum zwischen dem Bohrstrang
und der Bohrlochwand zurück zur Oberfläche.
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Für
eine erfolgreiche Öl- und Gaserkundung ist es erforderlich,
Informationen über die von einem Bohrloch durchdrungenen
unterirdischen Formationen zu besitzen. Beispielsweise bezieht sich
ein Aspekt der Standard-Formationsbewertung auf die Messung des
Formationsdrucks und der Formationsdurchlässigkeit. Diese
Messungen sind wesentlich, um die Förderkapazität
und die Förderlebensdauer einer unterirdischen Formation
vorherzusagen.
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Eine
Technik zum Messen von Formations- und Fluideigenschaften umfasst
das Absenken eines "Drahtleitungs-"Werkzeugs in das Bohrloch, um
Formationseigenschaften zu messen. Ein Drahtleitungs-Werkzeug ist
ein Messwerkzeug, das an einer Drahtleitung (wireline) aufgehängt
ist, die mit einem an der Oberfläche angeordneten Steuersystem
in elektrischer Verbindung steht. Das Werkzeug wird in ein Bohrloch
abgesenkt, damit es in gewünschten Tiefen Formationseigenschaften
messen kann. Ein typisches Drahtleitungswerkzeug kann eine Sonde umfassen,
die gegen die Bohrlochwand gedrückt wird, um eine Fluidverbindung
mit der Formation herzustellen. Dieser Typ von Drahtleitungswerkzeug wird
häufig als "Formationsprüfgerät" bezeichnet. Unter
Verwendung der Sonde misst ein Formationsprüfgerät
den Druck der Formationsfluide und erzeugt einen Druckimpuls, der
dazu verwendet wird, die Formationsdurchlässigkeit zu bestimmen.
Außerdem entnimmt das Formationsprüfwerkzeug typischerweise
eine Probe des Formationsfluids, die entweder zur Analyse an die
Oberfläche transportiert wird oder im Bohrloch analysiert
wird.
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Bei
Verwendung eines Drahtleitungswerkzeugs muss unabhängig
davon, ob dieses ein Leitwert-, ein Porositäts- oder ein
Formationsprüfwerkzeug ist, der Bohrstrang aus dem Bohrloch
herausgezogen werden, damit das Werkzeug in das Bohrloch abgesenkt
werden kann. Dies wird "Fahren" lochaufwärts genannt. Ferner
müssen Drahtleitungswerkzeuge in die interessierende Zone,
d. h. im Allgemeinen zur Bohrlochsohle oder in die Nähe
von dieser, abgesenkt werden. Das Herausziehen des Bohrstrangs und
das anschließende Absenken von Drahtleitungswerkzeugen
in das Bohrloch sind zeitaufwändige Maßnahmen
und können je nach Tiefe des Bohrlochs bis zu mehreren
Stunden dauern. Wegen der hohen Kosten und der Rüstzeit,
die erforderlich sind, um das Gestängerohr zu "verfahren"
und die Drahtleitungswerkzeuge in das Bohrloch abzusenken, werden
diese im Allgemeinen nur dann verwendet, wenn die Informationen
absolut notwendig sind, oder dann, wenn der Bohrstrang aus einem
anderen Grund wie etwa wegen des Austauschens der Bohrkrone verfahren
wird. Beispiele von Drahtleitungs-Formationsprüfgeräten
sind beispielsweise in den
US-Patenten
Nrn. 3.934.468 ,
4.860.581 ,
4.893.505 ,
4.936.139 und
5.622.223 beschrieben.
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Um
die mit dem Verfahren des Bohrstrangs verbundene Stillstandszeit
zu vermeiden oder zu minimieren, sind andere Techniken zum Messen
von Formationseigenschaften entwickelt worden, bei denen Werkzeuge
und Vorrichtungen in einem Bohrsystem in der Nähe der Bohrkrone
positioniert werden. In dieser Weise werden Messungen während
des Bohrprozesses durchgeführt, wobei die auf dem Fachgebiet
allgemein verwendete Terminologie "Messung während des
Bohrens" (MWD, measurement while drilling) und "Protokollierung
während des Bohrens" (LWD, Jogging while drilling) ist.
Im Handel ist eine Vielfalt an Bohrloch-MWD- und -LWD-Bohrwerkzeugen
verfügbar.
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MWD
bezieht sich im Allgemeinen auf das Messen der Bohrkronenbahn sowie
der Temperatur und des Drucks im Bohrloch, während sich
LWD auf das Messen von Formationsparametern oder Formationseigenschaften
wie u. a. des spezifischen elektrischen Widerstands, der Porosität,
der Permeabilität und der Schallgeschwindigkeit bezieht.
Echtzeitdaten wie etwa der Formationsdruck ermöglichen
der Bohrgesellschaft das Treffen von Entscheidungen hinsichtlich
des Gewichts und der Zusammensetzung des Bohrschlamms sowie Entscheidungen
hinsichtlich der Bohrgeschwindigkeit und des Gewichts auf den Bohrer
während des Bohrprozesses. Obwohl LWD und MWD für
Fachleute eine unterschiedliche Bedeutung haben, ist diese Unterscheidung
bei der vorliegenden Erfindung nicht maßgeblich, weshalb die
Offenbarung nicht zwischen den beiden Ausdrücken unterscheidet.
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Die
Formationsbewertung erfordert unabhängig davon, ob sie
während einer Wireline-Operation oder während
des Bohrens erfolgt, häufig, dass zum Testen und/oder zur
Probennahme Fluid aus der Formation in ein Bohrlochwerkzeug angesaugt
wird. Von dem Bohrlochwerkzeug werden verschiedene Probennahmevorrichtungen,
die allgemein Sonden genannt werden, ausgefahren, um eine Fluidverbindung
mit der das Bohrloch umgebenden Formation herzustellen und Fluid
in das Bohrlochwerkzeug zu saugen. Eine typische Sonde ist ein kreisförmiges Element,
das von dem Bohrlochwerkzeug ausgefahren und an der Seitenwand des
Bohrlochs positioniert wird. Um eine Abdichtung an der Bohrlochseitenwand
zu schaffen, wird am Ende der Sonde ein Gummidichtungsstück
verwendet. Eine andere Vorrichtung, die zum Bilden einer Abdichtung
an der Bohrlochseitenwand verwendet wird, wird als Zweifach- Dichtungsstück
(dual Packer) bezeichnet. Bei einem Zweifach-Dichtungsstück
dehnen sich zwei elastomere Ringe radial um das Werkzeug aus, um dazwischen
einen Abschnitt des Bohrlochs zu isolieren. Die Ringe bilden eine
Abdichtung an der Bohrlochwand und erlauben das Ansaugen von Fluid
in den isolierten Abschnitt des Bohrlochs und dann in einen Einlass
in dem Bohrlochwerkzeug.
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Die
Schlammkuchenauskleidung des Bohrlochs ist häufig nützlich,
um die Sonde und/oder die Zweifach-Dichtungsstücke beim
Schaffen der Abdichtung an der Bohrlochwand zu unterstützen.
Sobald die Abdichtung geschaffen ist, wird Fluid aus der Formation
durch einen Einlass in das Bohrlochwerkzeug gesaugt, indem der Druck
in dem Bohrlochwerkzeug abgesenkt wird. Beispiele von an Bohrlochwerkzeugen
verwendeten Sonden und/oder Dichtungsstücken sind in den
US-Patenten Nrn. 6.301.959 ,
4.860.581 ,
4.936.139 ,
6.585.045 ,
6.609.568 und
6.719.049 sowie in der US-Patentanmeldung
mit der Veröffentlichungsnr. 2004/0000433 beschrieben.
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An
Fluiden, die in das Bohrlochwerkzeug angesaugt worden sind, kann
eine Bewertung der Lagerstätte vorgenommen werden, während
das Werkzeug im Bohrloch verbleibt. Es gibt gegenwärtig Techniken
zum Ausführen verschiedener Messungen und Vorprüfungen
und/oder einer Probensammlung von Fluiden, die in das Bohrlochwerkzeug
gelangen. Jedoch ist entdeckt worden, dass dann, wenn sich die Formationsfluide
in das Bohrlochwerkzeug bewegen, verschiedene Schmutzstoffe wie
etwa Bohrlochfluide und/oder Bohrschlamm, primär in Form
von Schlammfiltraten aus der "angegriffenen Zone" der Formation,
zusammen mit den Formationsfluiden in das Werkzeug eindringen können.
Die angegriffene Zone ist jener Abschnitt der Formation radial jenseits der
das Bohrloch auskleidenden Schlammkuchenschicht, wo Schlammfiltrat
in die Formation eingedrungen ist und die Schlammkuchenschicht hinter sich
gelassen hat. Diese Schlammfiltratverschmutzungen können
die Qualität der Messwerte und/oder Proben von Formationsfluiden
negativ beeinflussen. Außerdem kann eine Kontamination
teure Verzögerungen der Bohrlochoperationen verursachen,
da zusätzliche Zeit benötigt wird, um Prüfergebnisse und/oder
Proben, die für das Formationsfluid repräsentativ
sind, zu erhalten. Außerdem können solche Probleme
zu Ergebnissen führen, die falsch und/oder unbrauchbar
sind. Folglich sollte zugunsten einer gültigen Prüfung
das Formationsfluid, wenn es in das Bohrlochwerkzeug eintritt, hinreichend
sauber oder "jungfräulich" sein. Mit anderen Worten, das
Formationsfluid sollte eine geringe oder keinerlei Verschmutzung
aufweisen.
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Es
sind Versuche unternommen worden, Verschmutzungen am Eindringen
in das Bohrlochwerkzeug mit dem Formationsfluid zu verhindern. Wie
beispielsweise in dem
US-Patent
Nr. 4.951.749 gezeigt ist, sind Filter in Sonden angeordnet
worden, um Schmutzstoffe daran zu hindern, zusammen mit dem Formationsfluid
in das Bohrlochwerkzeug einzudringen. Außerdem ist, wie
in dem
US-Patent Nr. 6.301.959 gezeigt
ist, eine Sonde mit einem Schutzring versehen worden, um kontaminierte
Fluids von sauberem Fluid, wenn es in die Sonde eintritt, abzuleiten.
In jüngerer Zeit offenbarte die US-Patenanmeldung mit der
Veröffentlichungsnr. 2006/0042793 eine zentrale Probennahmesonde
mit einer ringförmigen "Schutzsonde", die sich im Bestreben,
verschmutzte Fluide von der Probennahmesonde wegzuleiten, um einen äußeren
Umfang von dieser erstreckt.
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Trotz
des Vorhandenseins von Techniken zur Vornahme einer Formationsbewertung,
die versuchen, mit der Kontamination fertig zu werden, besteht noch
immer ein Bedarf, den Fluss von Fluiden durch das Bohrlochwerkzeug
so zu lenken, dass bei ihrem Eintreten in das Bohrlochwerkzeug und
ihrem Hindurchleiten durch dieses die Kontamination reduziert wird.
Solche Techniken sollten in der Lage sein, Schmutzstoffe von sauberem
Fluid wegzuleiten.
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Außerdem
ist die Messvorrichtung bei Anwendungen während des Bohrens
den extremen Kräften, die während Bohrvorgängen
auftreten, ausgesetzt. Jede Vorrichtung wie etwa eine Sonde, die sich
in Querrichtung durch die Wand einer Bohrstrangstruktur erstreckt,
schwächt diese Struktur. Folglich sollte eine Sondenvorrichtung
so entworfen sein, dass sie die während des Bohrens auftretenden Kräfte
nicht nur minimiert und/oder diesen widersteht, sondern auch jegliche
durch die Gegenwart der Sondenvorrichtung bedingte konstruktive
Schwächung des Bohrstrangs minimal hält.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorrichtungen und Verfahren
zu schaffen, die den oben genannten Bedürfnissen bei der
Formationsbewertung gerecht werden und dabei die Nachteile des Standes
der Technik verringern bzw. beseitigen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein System nach Anspruch 1 bzw.
ein Werkzeug nach Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es
wird ein Fluidprobennahmesystem geschaffen, um einer Formation,
die ein Bohrloch umgibt, das sich längs einer Bohrlochachse
erstreckt, eine Fluidprobe zu entnehmen, wobei die Formation ein
jungfräuliches Fluid und ein kontaminiertes Fluid enthält.
Das System umfasst einen Probeneinlass, einen ersten Schutzeinlass,
der zu dem Probeneinlass benachbart und von diesem in einer ersten
Richtung längs der Bohrlochachse beabstandet angeordnet
ist, und einen zweiten Schutzeinlass, der zu dem Probeneinlass benachbart
und von diesem in einer entgegengesetzten zweiten Richtung längs
der Bohrlochachse beabstandet angeordnet ist. Mit dem ersten und
dem zweiten Schutzeinlass ist wenigstens eine Reinigungsströmungsleitung
fluidisch verbunden, um kontaminiertes Fluid zu leiten, während
mit dem Probeneinlass eine Bewertungsströmungsleitung fluidisch
verbunden ist, um jungfräuliches Fluid zu sammeln.
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In
einer Verfeinerung ist der Probeneinlass an einer Probennahmesondenanordnung
vorgesehen, die einen Ausfahrmechanismus für Probeneinlass
umfasst, während der erste Schutzeinlass an einer ersten
Schutzsondenanordnung vorgesehen ist, die einen Ausfahrmechanismus
für ersten Schutzeinlass umfasst, und der zweite Schutzeinlass
an einer zweiten Schutzsondenanordnung vorgesehen ist, die einen
Ausfahrmechanismus für zweiten Schutzeinlass umfasst, wobei
die Ausfahrmechanismen für Probeneinlass, für
ersten Schutzeinlass und für zweiten Schutzeinlass unabhängig
voneinander betätigt werden können.
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In
einer damit zusammenhängenden Verfeinerung umfasst die
Probennahmesondenanordnung ein Dichtungsstück für
Probeneinlass, das einen äußeren Umfang des Probeneinlasses
vollständig umgibt, umfasst die erste Schutzsondenanordnung
ein Dichtungsstück für ersten Schutzeinlass, das
einen äußeren Umfang des ersten Schutzeinlasses
vollständig umgibt, und umfasst die zweite Schutzsondenanordnung
ein Dichtungsstück für zweiten Schutzeinlass,
das einen äußeren Umfang des zweiten Schutzeinlasses
vollständig umgibt.
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In
einer weiteren Verfeinerung sind das Dichtungsstück für
Probeneinlass, das Dichtungsstück für ersten Schutzeinlass
und das Dichtungsstück für zweiten Schutzeinlass
als Segmente eines Verbunddichtungsstücks, das einen im
Wesentlichen zusammenhängenden äußeren
Umfang besitzt, ausgebildet.
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In
einer Verfeinerung sind die Probennahmesondenanordnung, die erste
Schutzsondenanordnung und die zweite Schutzsondenanordnung an einer
Stabilisierungsklinge eines Bohrwerkzeugs vorgesehen.
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In
einer nochmals weiteren Verfeinerung sind der Probeneinlass, der
erste Schutzeinlass und der zweite Schutzeinlass gemeinsam an einer
einzigen Sondenanordnung, die einen Einlassausfahrmechanismus umfasst,
vorgesehen.
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In
einer nochmals weiteren Verfeinerung umfasst das Einlassdichtungsstück
ein erstes Dichtungsstücksegment, das zwischen dem Probeneinlass
und dem ersten Schutzeinlass angeordnet ist, und ein zweites Dichtungsstücksegment,
das zwischen dem Probeneinlass und dem zweiten Schutzeinlass angeordnet
ist.
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In
einer damit zusammenhängenden Verfeinerung umfassen das
erste und das zweite Dichtungsstücksegment ein Verstärkungsmaterial.
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In
einer Verfeinerung weist eine äußere Fläche
des Einlassdichtungsstücks einen Schutzkanal auf.
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In
einer weiteren Verfeinerung ist das System einem Drahtleitungswerkzeug
zugeordnet.
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In
einer weiteren Verfeinerung ist das System einem Bohrwerkzeug zugeordnet.
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Außerdem
wird eine Sondenanordnung zur Verwendung mit einem Fluidprobennahmesystem, um
einer Formation, die ein Bohrloch umgibt, das sich längs
einer Bohrlochachse erstreckt, eine Formationsfluidprobe zu entnehmen,
wobei die Formation ein jungfräuliches Fluid und ein kontaminiertes Fluid
enthält, offenbart. Die Sondenanordnung umfasst einen Einlassausfahrmechanismus
und einen mit diesem gekoppelten Probeneinlass. Mit dem Einlassausfahrmechanismus
ist ein erster Schutzeinlass gekoppelt, der zu dem Probeneinlass
benachbart und von diesem in einer ersten Richtung parallel zur Bohrlochachse
beabstandet angeordnet ist. Mit dem Einlassausfahrmechanismus ist
ein zweiter Schutzeinlass gekoppelt, der zu dem Probeneinlass benachbart
und von diesem in einer entgegengesetzten zweiten Richtung parallel
zur Bohrlochachse beabstandet angeordnet ist. Ein Einlassdichtungsstück umgibt
die äußeren Umfänge des Probeneinlasses, des
ersten Schutzeinlasses und des zweiten Schutzeinlasses vollständig.
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In
einer damit zusammenhängenden Verfeinerung umfasst das
Sondendichtungsstück ein erstes Dichtungsstücksegment,
das zwischen der Probennah mesonde und der ersten Schutzsonde angeordnet
ist, und ein zweites Dichtungsstücksegment, das zwischen
der Probennahmesonde und der zweiten Schutzsonde angeordnet ist,
wobei das erste und das zweite Dichtungsstücksegment ein
Verstärkungsmaterial umfassen.
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In
einer weiteren Verfeinerung weist eine äußere
Fläche des Sondendichtungsstücks einen Schutzkanal
auf.
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In
einer weiteren Verfeinerung umfasst der Schutzkanal einen zentralen
Ringabschnitt, der einen äußeren Umfang der Probennahmesonde
vollständig umgibt, einen ersten Schutzringabschnitt, der einen äußeren
Umfang der ersten Schutzsonde vollständig umgibt, einen
zweiten Schutzringabschnitt, der einen äußeren
Umfang der zweiten Schutzsonde vollständig umgibt, einen
ersten Verbindungsgliedabschnitt, der sich zwischen dem zentralen
Ringabschnitt und dem ersten Schutzringabschnitt erstreckt, und
einen zweiten Verbindungsgliedabschnitt, der sich zwischen dem zentralen
Ringabschnitt und dem zweiten Schutzringabschnitt erstreckt.
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In
einer nochmals weiteren Verfeinerung umfasst der Schutzkanal einen
Schutzringabschnitt, der einen äußeren Umfang
der ersten Schutzsonde vollständig umgibt, und wenigstens
einen ersten Flügelabschnitt, der mit dem Schutzringabschnitt
verbunden ist und von diesem wegführt.
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In
einer nochmals weiteren Verfeinerung umfasst der Schutzkanal einen
zweiten Flügelabschnitt, der an den Schutzringabschnitt
anschließt und von diesem wegführt.
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In
einer Verfeinerung ist ein zweiter Schutzkanal vorgesehen, der einen
Schutzringabschnitt, der einen äußeren Umfang
der zweiten Schutzsonde vollständig umgibt, und wenigstens
einen ersten Flügelabschnitt, der mit dem Schutzringabschnitt
verbunden ist und von diesem wegführt, besitzt.
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In
einer damit zusammenhängenden Verfeinerung ist der Schutzkanal
durch einen Kanaleinsatz definiert, der mit dem Sondendichtungsstück
gekoppelt ist.
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In
einer weiteren Verfeinerung ist der Kanaleinsatz mit dem Sondendichtungsstück
mechanisch gekoppelt.
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In
einer nochmals weiteren Verfeinerung sind der Probeneinlass, der
erste Schutzeinlass und der zweite Schutzeinlass mit dem Einlassausfahrmechanismus
schwenkbar gekoppelt.
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Außerdem
wird ein Bohrlochwerkzeug offenbart, das mit einem Bohrstrang gekoppelt
ist, das in einem Bohrloch positioniert wird, das eine unterirdische
Formation längs einer Bohrlochachse durchdringt. Das Werkzeug
umfasst eine Schwerstange, die wenigstens eine Stabilisierungsklinge,
die eine Klingenachse definiert, einen Einlassausfahrmechanismus,
der in der Stabilisierungskleinge aufgenommen ist, und eine Sondenanordnung,
die mit dem Einlassausfahrmechanismus gekoppelt ist, besitzt. Die
Sondenanordnung umfasst einen Probeneinlass mit einem Mundlochabschnitt
mit einer ersten Profilweite in einer Richtung parallel zur Klingenachse
und einer zweiten Profilweite in einer Richtung senkrecht zur Klingenachse,
wobei die erste Profilweite größer als die zweite
Profilweite ist. Ein inneres Dichtungsstück umgibt einen äußeren
Umfang des Probeneinlasses vollständig, ein Schutzeinlass
erstreckt sich vollständig um einen äußeren
Umfang des inneren Dichtungsstücks, und ein äußeres
Dichtungsstück umgibt einen äußeren Umfang
des Schutzeinlasses vollständig.
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In
einer Verfeinerung ist die Sondenanordnung mit dem Einlassausfahrmechanismus schwenkbar
gekoppelt.
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In
einer weiteren Verfeinerung besitzt der Mundlochabschnitt ein im
Allgemeinen ovales Querschnittsprofil, wobei die erste Profilweite
die Hauptachse einnimmt und die zweite Profilweite die Nebenachse
einnimmt.
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In
einer nochmals weiteren Verfeinerung ist die zweite Profilweite
kleiner als etwa 3,5 Zoll (88,9 mm).
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden
ausführlichen Beschreibung und der angehängten
Ansprüche, die auf die folgenden Abbildungen Bezug nehmen.
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1 ist
eine schematische Ansicht, teilweise in einem Querschnitt, eines
Bohrlochwerkzeugs mit einer erfindungsgemäßen
Sondenanordnung, wobei das Bohrlochwerkzeug ein Bohrloch-Bohrwerkzeug
ist;
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2 ist
eine schematische Ansicht, teilweise in einem Querschnitt, eines
Bohrlochwerkzeugs mit einer erfindungsgemäßen
Sondenanordnung;
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3 zeigt
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgeführten
Formationsfluidprobennahmesystems;
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4 ist
eine schematische Schnittansicht des Formationsfluidprobennahmesystems
von 3;
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die 5 und 6 zeigen
schematisch alternative Sondenanordnungen für ein Formationsfluidprobennahmesystem,
das zu jenem von 3 ähnlich ist;
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7 zeigt
ein alternatives Formationsfluidprobennahmesystem;
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8 zeigt
schematisch den Fluidfluss während der Verwendung des Formationsfluidprobennahmesystems
von 7:
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9 zeigt
ein weiteres alternatives Formationsfluidprobennahmesystem;
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10 ist
eine Detailansicht eines in dem Formationsfluidprobennahmesystem
von 9 verwendeten Dichtungsstücks;
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11 ist
eine Draufsicht eines nochmals weiteren erfindungsgemäß ausgeführten
Formationsfluidprobennahmesystems;
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12 ist
eine Querschnittsansicht des Formationsfluidprobennahmesystems,
die längs der Linie A-A in 11 aufgenommen
worden ist;
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13 ist
eine Draufsicht einer nochmals weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgeführten Formationsfluidprobennahmesystems;
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14 ist
eine schematische Darstellung des Formationsfluidprobennahmesystems,
das in einer in einem Winkel angeordneten Stabilisierungsklinge
einer Schwerstange aufgenommen ist;
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15 ist
eine schematische Darstellung eines alternativen Formationsfluidprobennahmesystems,
das zu jenem von 14 ähnlich ist und
in einer vertikalen Stabilisierungsklinge einer Schwerstange aufgenommen
ist;
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16 ist
eine vergrößerte Draufsicht des Formationsfluidprobennahmesystems
von 15;
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die 17A und 17B sind
schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen
Formationsfluidprobennahmesystems mit einer schwenkbaren Sondenanordnung;
und
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18 ist
eine schematische Darstellung einer nochmals weiteren Ausführungsform
einer Sondenanordnung, bei der der Einlass zur Verwendung an einer
Stabilisierungsklinge einer Schwerstange langgestreckt ist.
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Die
Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich, wobei
die offenbarten Ausführungsformen manchmal schematisch
und nur in Teilansichten gezeigt sind. In bestimmten Fällen
sind Details, die für das Verständnis der offenbarten
Verfahren und Vorrichtungen nicht wichtig sind oder die es erschweren, andere
Details zu erkennen, weggelassen.
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Diese
Offenbarung bezieht sich auf Sondenanordnungen und Sondenkonfigurationen,
die nachstehend beschrieben werden und zusammen mit einem Bohrlochwerkzeug
entweder in einer Bohrumgebung oder in einer Drahtleitungsumgebung
verwendet werden können. Die hier beschriebenen Vorrichtungen
und Verfahren reduzieren die Kontamination von Formationsfluidproben.
In manchen Verfeinerungen bezieht sich diese Offenbarung auf die
relative Positionierung von mehreren unabhängig betätigbaren
Sondenanordnungen. In einer oder mehreren anderen Verfeinerungen
umfasst ein Fluidprobennahmesystem eine einzige Anordnung mit mehreren
Sonden. Außerdem wird eine Sondenkonfiguration, die für
Anwendungen während des Bohrens besonders geeignet ist,
offenbart.
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Der
Ausdruck "Formationsbewertung während des Bohrens" bezieht
sich auf verschiedene Probennahme- und Prüfoperationen,
die während des Bohrprozesses ausgeführt werden
können, wie etwa u. a. die Probensammlung, die Fluidabsaugung, Vorprüfungen,
Druckprüfungen, die Fluidanalyse und Leitwertprüfungen.
Es sei angemerkt, dass "Formationsbewertung während des
Bohrens" nicht notwendigerweise bedeutet, dass die Messungen vorgenommen
werden, während die Bohrkrone wirklich durch die Formation
schneidet. Beispielsweise werden das Sammeln von Proben und das
Abpumpen gewöhnlich während kurzen Unterbrechungen
des Bohrprozesses ausgeführt. Das heißt, die Drehung der
Bohrkrone wird kurz gestoppt, so dass die Messungen durchgeführt
werden können. Das Bohren kann fortgesetzt werden, sobald
die Messungen vorgenommen worden sind. Selbst bei Ausführungsformen,
bei denen Messungen nur vorgenommen werden, nachdem das Bohren gestoppt
worden ist, können die Messungen vorgenommen werden, ohne den
Bohrstrang verfahren zu müssen.
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In
den beispielhaften Ausführungsformen wird eine Sondenanordnung
gemäß der Erfindung von einem Bohrlochwerkzeug
wie etwa dem Bohrwerkzeug 10 von 1 oder dem
Drahtleitungswerkzeug 10 von 2 befördert.
Die Sondenanordnung kann auch bei anderen Varianten von Bohrlochwerkzeugen,
die für das Ansaugen von Fluid geeignet sind, wie etwa
einer auf- und abwickelbaren Rohrleitung (coiled tubing) sowie dem
verrohrten Bohren (casing drilling) verwendet werden.
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1 zeigt
ein Bohrloch-Bohrwerkzeug 10, das von einem Bohrgestell 5 aus
eingesetzt und in die Erde vorgetrieben wird, um ein Bohrloch 14 zu
bilden. Das Bohrloch durchdringt eine unterirdische Formation F,
die ein Formationsfluid 21 enthält. Das Bohrloch-Bohrwerkzeug
ist über eine oder mehrere Schwerstangen 11, die
einen Bohrstrang 28 bilden, an dem Bohrgestell aufgehängt.
Durch den Bohrstrang 28 hindurch wird Schlamm gepumpt,
der aus dem Bohrer bzw. Meißel 30 des Bohrwerkzeugs 10 austritt.
Der Schlamm wird durch das Bohrloch hindurch zur Oberfläche
zurück gepumpt, um gefiltert und wieder umgewälzt
zu werden. Wenn sich der Schlamm durch das Bohrloch bewegt, bildet
er längs des Bohrlochs 14 eine Schlammschicht
oder einen Schlammkuchen 15. Ein Teil des Schlamms infiltriert die
Formation und bildet eine angegriffene Zone 25 der Formation
F.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform ist das Bohrwerkzeug 10 mit
einer Sonde 26 versehen, um eine Fluidverbindung mit der
Formation F herzustellen und das Fluid 21 in das Bohrlochwerkzeug
anzusaugen, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Wie in 1 gezeigt
ist, ist die Sonde in einer Stabilisierungsklinge 23 des
Bohrwerkzeugs angeordnet und wird von dort ausgefahren, um mit der
Bohrlochwand in Eingriff zu gelangen. Die Stabilisierungsklinge 23 umfasst
eine oder mehrere Klingen, die mit der Bohrlochwand in Kontakt sind,
um das "Wobbeln" der Bohrkrone 30 zu begrenzen. Wobbeln
ist die Tendenz des Bohrstrangs bei ihrer Drehung von der Achse
des Bohrlochs 14 abzuweichen, was zu einer Richtungsänderung
der Bohrkrone führt. Vorteilhafterweise ist eine Stabilisierungsklinge 23 bereits
mit der Bohrlochwand in Kontakt, so dass ein kürzeres Ausfahren
einer Sonde erforderlich ist, um eine Fluidverbindung mit den Formationsfluiden
herzustellen, wenn die Sonde in der Stabilisierungsklinge 23 angeordnet
ist.
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Fluid,
dass mittels der Sonde 26 in das Bohrlochwerkzeug gesaugt
worden ist, kann untersucht werden, um beispielsweise Vorprüfungs-
und/oder Druckparameter zu bestimmen. Außerdem kann das Bohrlochwerkzeug
mit Vorrichtungen wie etwa Probennahmekammern versehen sein, um
Fluidproben für die Wiedergewinnung an der Oberfläche
zu sammeln. Es können auch Sicherungskolben 8 vorgesehen
sein, um das Aufbringen der Kraft, die das Bohrwerkzeug und/oder
die Sonde gegen die Bohrlochwand drückt, zu unterstützen.
Das Bohrwerkzeug kann aus einer Vielfalt von Werkzeugen oder Systemen
für Messung während des Bohrens (MWD, measurement
while drilling), für Protokollierung während des
Bohrens (LWD, logging while drilling) oder für verrohrtes
Bohren gewählt sein. Ein Beispiel eines Bohrwerkzeugs,
das zur Ausführung verschiedener Prüfungen im
Bohrloch verwendet werden kann, ist in der US-Patentanmeldung Aktenzeichen
10/707.152, eingereicht am 24. November 2003, deren gesamte Inhalte
hiermit durch Verweis aufgenommen sind, gezeigt.
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Das
Bohrloch-Bohrwerkzeug
10 kann aus dem Bohrloch entfernt
und ein Drahtleitungswerkzeug
10' (
2) über
ein Drahtleitungskabel
18 in das Bohrloch abgesenkt werden.
Ein Beispiel eines Drahtleitungswerkzeugs, das zur Probennahme und/oder
Prüfung geeignet ist, ist in den
US-Patenten Nr. 4.936.139 und
4.860.581 , deren gesamten
Inhalte hiermit durch Verweis aufgenommen sind, gezeigt. Das Bohrlochwerkzeug
10' ist
in das Bohrloch
14 einsetzbar und darin über eine
herkömmliche Drahtleitung (wireline)
18, einen
Leiter, eine herkömmliche Rohrleitung oder eine auf- und
abwickelbare Rohrleitung unter dem Bohrgestell
5 aufgehängt.
Das gezeigte Werkzeug
10' ist mit verschiedenen Modulen und/oder
Komponenten
12 versehen, die eine Sonde
26' zum
Herstellen einer Fluidverbindung mit der Formation F und zum Saugen
des Fluids
21 in das Bohrlochwerkzeug, wie durch Pfeile
angedeutet ist, umfassen können, jedoch nicht darauf begrenzt
sind. Es können Sicherungskolben
8 vorgesehen
sein, um das Bohrlochwerkzeug zusätzlich gegen die Bohrlochwand
zu schieben und dazu beizutragen, dass die Sonde mit der Bohrlochwand
in einen Eingriff gelangt. Die Werkzeuge aus den
1 und
2 können
modular, wie in
2 gezeigt ist, oder einheitlich,
wie in
1 gezeigt ist, oder eine Kombination davon sein.
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Wie
in
3 gezeigt ist, ist eine Sondenanordnung
30 in
eine Stabilisierungsklinge
32 einer Schwerstange
34 versenkt.
Die Sondenanordnung
30 umfasst einen Probeneinlass
36,
einen ersten Schutzeinlass
38 und einen zweiten Schutzeinlass
40.
Im Allgemeinen sind die Einlässe
36,
38,
40 jeweils
quer zur Längsachse der Schwerstange
34 orientiert
und in einem oder mehreren Hohlräumen, die in der Stabilisierungsklinge
32 gebildet
sind, aufgenommen, so dass sie sich normalerweise in einer zurückversetzten
Position befinden. Ein eigens zugewiesener Sondenausfahrmechanismus,
der hydraulisch sein kann, wie in den
US-Patenten
Nrn. 6.230.557 ,
4.860.581 und
4.936.139 , die gemeinsam an
den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen sind
und deren gesamten Inhalte hiermit durch Verweis aufgenommen sind,
beschrieben ist, ist mit jedem der Einlässe
36,
38,
40 funktional
gekoppelt, um den zugeordneten Einlass wahlweise und unabhängig
in eine ausgefahrene Position zu bewegen. In der ausgefahrenen Position
kann sich ein Einlass
36,
38 oder
40 aus
dem Hohlraum herausstrecken, um in eine bessere Position zum Kontaktieren
der Bohrlochwand
17 versetzt zu werden. Um die Sondenanordnung
30 zur
Formation F hin zu bewegen, sind Sicherungskolben
42a–c
ausfahrbar.
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Obwohl
hier geschrieben wird, dass in der beispielhaften Ausführungsform
die Einlässe ausfahrbar sind, können die Einlässe
auch nicht ausfahrbar, sondern fest in Bezug auf die Position der Schwerstange
34 sein.
Außerdem kann die Sondenanordnung
30 einen Protektor
aufweisen, der den Einlässen während Bohr- und/oder
Verfahroperationen einen mechanischen Schutz verleiht und wegen des
Schlammkuchens einen mechanischen Schutz gegen eine durch den fließenden
Schlamm hervorgerufene Erosion verleiht. Ein solcher Protektor ist
in dem
US-Patent Nr. 6.729.399 ,
das an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen
ist und dessen gesamte Inhalte hiermit durch Verweis aufgenommen
sind, beschrieben.
-
Wie
in 4 gezeigt ist, sind Strömungsleitungen
mit den Einlässen verbunden, um entweder verschmutztes
oder sauberes Fluid zu leiten. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist der Probeneinlass 36 über eine Einlassströmungsleitung 54a mit
einer Bewertungsströmungsleitung 52 fluidisch
verbunden. Eine Umgehungsströmungsleitung 56a verbindet den
Probeneinlass 36 fluidisch mit einer Reinigungsströmungsleitung 58.
Der erste Schutzeinlass 38 ist über eine Einlassströmungsleitung 54b bzw.
eine Umgehungsströmungsleitung 56b ebenso mit
den Bewertungs- und Reinigungsströmungsleitungen 52, 58 fluidisch
verbunden. Ähnlich steht der zweite Schutzeinlass 40 über
eine Einlassströmungsleitung 54c und eine Umgehungsströmungsleitung 56c mit den
Bewertungs- und Reinigungsströmungsleitungen 52, 58 in
Fluidverbindung. In den Einlass- und Umgehungsströmungsleitungen 54, 56 sind
Ventile 60a–f vorgesehen, um den Fluidfluss wie
gewünscht zu den Bewertungs- und Reinigungsströmungsleitungen 52, 58 zu
leiten. Den Strömungsleitungen 52, 58 sind
Fluidsensoren wie etwa optische Fluidanalysatoren 66a, 66b zugeordnet,
um eine Rückkopplung hinsichtlich der Eigenschaften oder
andere Informationen hinsichtlich des Fluids, das sich durch die
Strömungsleitungen bewegt, zu liefern.
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Mit
den Bewertungs- und Reinigungsströmungsleitungen 52, 58 ist
eine Pumpe 62 fluidisch gekoppelt. Stromaufwärts
von dem Punkt, an dem die Bewertungsströmungsleitung 52 und
die Reinigungsströmungsleitung 58 verbunden sind,
kann eine Probenspeicheranordnung (nicht gezeigt) mit der Bewertungsströmungsleitung 52 in
Fluidverbindung stehen, um Mittel zum Sammeln einer Probe sauberen
Fluids vorzusehen. Eine Pumpenablass-Strömungsleitung 64 kann
die Pumpe 62 mit dem Bohrloch 14 verbinden, um
verschmutztes Formationsfluid abzulassen. Die Pumpe 62 und
die Ventile 60a–f können in verschiedener
Weise betätigt werden, um kontaminiertes Formationsfluid
aus dem Innenbereich bzw. direkten Bereich der Sonden 36, 38, 40 zu
entleeren und sauberes Formationsfluid in die Bewertungsströmungsleitung 52 zu
saugen, wobei solche Verfahren in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr.
2006/0042793, deren gesamte Inhalte hiermit durch Verweis aufgenommen sind,
offenbart sind.
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Jeder
der Einlässe 36, 38, 40 der
Sondenanordnung 30 weist ein Dichtungsstück zum
Abdichten an der Bohrlochwand 17 auf. Wie in den 3 und 4 gezeigt
ist, ist ein Dichtungsstück für Probeneinlass 80 vorgesehen,
das einen äußeren Umfang des Probeneinlasses 36 vollständig
umgibt. Ähnlich umgeben Dichtungsstücke 82, 84 für
den ersten Schutzeinlass 38 bzw. den zweiten Schutzeinlass 40 äußere
Umfänge von diesen.
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Die
Einlässe 36, 38, 40 sind so
zueinander angeordnet, dass die Menge an Schmutzstoffen, die den
Probeneinlass 36 erreichen, reduziert wird. Bei der gezeigten
Ausführungsform ist der erste Schutzeinlass 38 zu
dem Probeneinlass 36 benachbart und über diesem
angeordnet, während der zweite Schutzeinlass 40 zu
dem Probeneinlass 36 benachbart, jedoch unter diesem angeordnet
ist. Diese Anordnung von Einlässen verhindert oder minimiert
das Eindringen von Fluid aus der angegriffenen Zone 25 in
den Probeneinlass 36. Die angegriffene Zone 25 ist
jener Bereich, in dem Schlammfiltrat in die Formation F radial von
dem Bohrloch 14 eingedrungen ist und eine Schicht aus Schlammkuchen,
der die Bohrlochwand 17 auskleidet, hinterlassen hat. Sobald durch
Filtrat belastetes Formationsfluid aus der angegriffenen Zone aus
dem Umfangsbereich, der die Einlässe 36, 38, 40 umgibt,
entfernt worden ist, verhindern der erste und der zweite Schutzeinlass 38, 40,
dass Schlammfiltrat und kontaminiertes Fluid in axialer Richtung
zu dem Probeneinlass 36 wandert. Als Folge gewinnt der
Probeneinlass 36 Formationsfluid, das eine geringe oder
keine Filtratkontamination aufweist.
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Der
Abstand zwischen den Einlässen 36, 38, 40 muss
sowohl leistungsbezogenen als auch konstruktiven Überlegungen
genügen. Zum einen sollten die Einlässe 36, 38, 40 so
nahe wie möglich beieinander angeordnet sein, um dadurch
das Fluidvolumen, das anfänglich aus der Formation gepumpt
werden muss, bevor ein sauberer Fluidfluss an dem Probeneinlass 36 erhalten
wird, zu minimieren. Zum Anderen erfordert jeder Einlass 36, 38, 40 das
Bilden einer Öffnung durch eine Außenseite des
Bohrwerkzeugs. Bei Anwendungen während des Bohrens muss
die Schwerstange, die die Sondenanordnung trägt, konstruktiv
so entworfen sein, dass sie den Kräften, die während
Bohrvorgängen auftreten, widersteht. Außerdem
verringern weiter beabstandete Einlässe 36, 38, 40 die
Gelegenheit zu einer Kreuzkontamination von Fluidflüssen
in die jeweiligen Einlässe. Praktisch wird daher ein Abstand
zwischen jedem Paar von Einlässen von wenigstens einem
Einlassdurchmesser vorgezogen.
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Es
können verschiedene alternative Einlasskonfigurationen
und Einlasskombinationen verwendet werden, ohne vom Umfang dieser
Erfindung abzuweichen. Anstatt vertikal ausgerichtete Einlässe vorzusehen,
wie in den 3 und 4 gezeigt
ist, kann der Probeneinlass 36 beispielsweise von dem ersten
und dem zweiten Schutzeinlass 38, 40 azimutal
versetzt sein, wie in 5 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform
erstreckt sich der Probeneinlass 36 von einer ersten Seite
der Schwerstange 11, während sich der erste und
der zweite Schutzeinlass 38, 40 von der gegenüberliegenden
zweiten Seite der Schwerstange 11 erstrecken. Diese Konfiguration
ist zudem wirksam, um zu verhindern, dass Filtrat den Probeneinlass 36 erreicht,
da der erste und der zweite Schutzeinlass 38, 40 Fluid
aus einem Bereich der Formation entfernen, der in einem ringförmigen Band,
das jeden Einlass umgibt, liegt. Alternativ kann ein zusätzlicher
Schutzeinlass 86 vorgesehen sein, wie in 6 gezeigt
ist.
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In
den 7 und 8 ist eine alternative Ausführungsform
einer Sondenanordnung gezeigt, die mehrere Einlässe besitzt,
die durch einen einzigen Ausfahrmechanismus betätigt werden.
Es ist eine Sondenanordnung 100 gezeigt, die in eine Stabilisierungsklinge 101 einer
Schwerstange 101 versenkt ist. Die Sondenanordnung 100 umfasst
einen Probeneinlass 102, einen ersten Schutzeinlass 104 und
einen zweiten Schutzeinlass 106. Die Einlässe 102, 104, 106 können
mit einem einzigen Ausfahrmechanismus funktional gekoppelt sein,
der die Sonden gleichzeitig vorwärts und zurück
bewegt. Alternativ können die Einlässe nicht ausfahrbar
sein. Die Sondenanordnung 100 umfasst ferner ein einziges
Dichtungsstück 110, das die äußeren
Umfänge des Probeneinlasses 102, des ersten Schutzeinlasses 104 und
des zweiten Schutzeinlasses 106 vollständig umgibt.
Die Einlässe 102, 104, 106 sind
im Allgemeinen vertikal ausgerichtet, wobei der Probeneinlass 102 zwischen
dem ersten Schutzeinlass 104 und dem zweiten Schutzeinlass 106 angeordnet
ist. Zum Positionieren der Anordnung 100 in der Nähe
der Bohrlochwand 17 ist ein Sicherungskolben 107 vorgesehen.
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Im
Betrieb ist die Schwerstange 101, die die Sondenanordnung 100 trägt,
in dem Bohrloch 14 angeordnet, wie in 8 gezeigt
ist. Um das Prüfen auszuführen, wird die Sondenanordnung 100 in
der Nähe der Bohrlochwand 17 positioniert, indem
entweder die Einlässe 102, 104, 106 von
der Schwerstange 101 weg ausgefahren werden oder indem
der Sicherungskolben 107 ausgefahren wird oder beides,
bis das Dichtungsstück 110 die Bohrlochwand 17 kontaktiert
und eine Abdichtung an dem Schlammkuchen 15 bildet. Wie
oben besprochen worden ist, dringt Bohrschlamm durch die Bohrlochwand 17 in
die Formation ein und erzeugt eine angegriffene Zone 25 um
das Bohrloch 14, wobei er eine Schicht aus dem die Bohrlochwand 17 auskleidenden
Schlammkuchen 15 hinterlässt. Die angegriffene Zone 25 enthält
Schlamm und andere Bohrlochfluide, die die umgebende Formation einschließlich
der Formation F, die eine Zone umfasst, die sauberes Formationsfluid 114 enthält,
kontaminieren. Wie in 8 gezeigt ist, entfernt der
Betrieb der Sondenanordnung 100 kontaminiertes Formationsfluid
aus jenem Bereich, der die Einlässe 102, 104, 106 unmittelbar umgibt.
Während des Betriebs kann Filtrat weiterhin in axialer
Richtung durch die angegriffene Zone 25 nach oben oder
nach unten wandern. Durch den ersten und den zweiten Schutzeinlass 104, 106 wird
jegliches solches Wanderfiltrat entfernt, bevor es den Probeneinlass 102 erreicht,
wodurch dieser im Wesentlichen saubere Formationsfluidproben gewinnen kann.
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Die 9 und 10 zeigen
eine alternative Ausführungsform einer einzigen Sondenanordnung mit
mehreren Einlässen. Wie gezeigt ist, ist eine Sondenanordnung 120 mit
einer Schwerstange 122 gekoppelt. Die Sondenanordnung 120 umfasst
einen Probeneinlass 124, einen ersten Schutzeinlass 126 und
einen zweiten Schutzeinlass 128. Es ist ein einziges Dichtungsstück 130 vorgesehen,
das einen äußeren Abschnitt 132 besitzt,
der die äußeren Umfänge des Probeneinlasses 124,
des ersten Schutzeinlasses 126 und des zweiten Schutzeinlasses 128 vollständig
umgibt. Das Dichtungsstück 130 umfasst außerdem
ein erstes inneres Segment 134, das sich zwischen dem Probeneinlass 124 und
dem ersten Schutzeinlass 126 erstreckt, und ein zweites
inneres Segment 136, das sich zwischen dem Probeneinlass 124 und
dem zweiten Schutzeinlass 128 erstreckt. Bei der gezeigten
Ausführungsform beschreiben die Außenumfänge
der Einlässe 124, 126, 128 eine
ovale Form, die durch das erste und das zweite Dichtungsstücksegment 134, 136 unterbrochen
wird. Bei dieser Anordnung sind die Einlässe 124, 126, 128 in vertikaler
Richtung näher zueinander angeordnet, was die Reinheit
der von der Probennahmesonde 124 gewonnenen Formationsfluidprobe
verbessert.
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Das
erste und das zweite Dichtungsstücksegment 134, 136 können
verstärkt sein, um ihren Widerstand gegen Druckdifferenzen
zu erhöhen. In das erste und das zweite Segment 134, 136 des Gummidichtungsstücks 130 kann
ein Verstärkungsmaterial wie etwa Metall, Verbundstoff
oder ein anderes hochfestes Material eingegossen sein. Das erste und
das zweite Segment 134, 136 verhindern, dass Filtrat
aus vertikaler Richtung in den Probeneinlass 124 wandert.
Obwohl der linke und der rechte Seitenabschnitt des Probeneinlasses 124 relativ
ungeschützt sind, ist festgestellt worden, dass der Umfangsbereich,
der den Probeneinlass 124 umgibt, relativ frei von Filtrat
ist, sobald er anfänglich evakuiert worden ist, und dass
der erste und der zweite Schutzeinlass 126, 128 eine
vertikale Migration in diesen Bereich der Formation verhindern.
Außerdem ermöglicht die in den 9 und 10 gezeigte
Konfiguration des Probeneinlasses 124, dass diese ungeschützten
Seitenabschnitte ziemlich klein gehalten werden können,
wodurch die Möglichkeit, dass Filtrat oder mit dem Filtrat
kontaminiertes Formationsfluid den Probeneinlass 124 erreicht,
weiter minimiert wird. Obwohl gezeigt ist, dass die Einlässe 124, 126, 128 Formen
besitzen, die in einen ovalen äußeren Dichtungsstücksabschnitt 132 passen,
können auch andere Formen verwendet werden, ohne vom Umfang
der Erfindung abzuweichen.
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Eine
weitere Verfeinerung ist in den 11 und 12 dargestellt,
in denen eine Sondenanordnung 150 mit einem in einer äußeren
Fläche eines Dichtungsstücks 154 gebildeten
Schutzkanal 152 gezeigt ist. Die Sondenanordnung 150 umfasst
einen Probeneinlass 156, einen ersten Probeneinlass 158 und
einen zweiten Probeneinlass 160. Das Dichtungsstück 154 umgibt
die Außenumfänge der Einlässe 156, 158, 160 vollständig.
Der Schutzkanal 152 ist als Vertiefung in der äußeren
Oberfläche des Dichtungsstücks 154 ausgebildet.
Der Schutzkanal 152 umfasst einen zentralen Ringabschnitt 162,
der von einem äußeren Umfang des Probeneinlasses 156 beabstandet
ist und diesen vollständig umgibt, einen ersten Schutzringabschnitt 164,
der an einen äußeren Umfang des ersten Schutzeinlasses 158 angrenzt
und diesen vollständig umgibt, und einen zweiten Schutzringabschnitt 166,
der an einen äußeren Umfang des zweiten Schutzeinlasses 160 angrenzt
und diesen vollständig umgibt. Ein erster Verbindungsgliedabschnitt 168 erstreckt
sich zwischen dem zentralen Ringabschnitt 162 und dem ersten Schutzringabschnitt 164,
während sich ein zweiter Verbindungsgliedabschnitt 170 zwischen
dem zentralen Ringabschnitt 162 und dem zweiten Schutzringabschnitt 166 erstreckt.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform ist der Schutzkanal 152 in
einem Kanaleinsatz 172 ausgebildet, der mit dem Dichtungsstück 154 gekoppelt
ist. Der Kanaleinsatz 172 kann beispielsweise mechanisch,
etwa durch Ausbilden von Zungen 174, die in Verankerungsschlitzen 176 aufgenommen
sind, so dass sie eine einem Schwalbenschwanz ähnliche Verbindung
bilden, wie in 12 am besten gezeigt ist, mit
dem Dichtungsstück 154 gekoppelt sein. Der Kanaleinsatz 172 kann
aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul
wie etwa Titanlegierung gefertigt sein, um sich der Wand des Bohrlochs
besser anschmiegen zu können. Es können auch von
einer Titanlegierung verschiedene Materialien mit einem niedrigen
Elastizitätsmodul verwendet werden, ohne vom Umfang der
Erfindung abzuweichen. Der Kanal kann durch eine eingearbeitete
Rinne, wie in 12 gezeigt ist, oder durch ein
poröses Material mit darin ausgebildeten Strömungsdurchlässen
definiert sein.
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Eine
alternative Anordnung, die eine andere Schutzkanalkonfiguration
verwendet, ist in 13 gezeigt. Eine Schutzsondenanordnung 180 umfasst einen
Probeneinlass 182, einen ersten Schutzeinlass 184 und
einen zweiten Schutzeinlass 186. Ein Dichtungsstück 188 umgibt
die äußeren Umfänge des Probeneinlasses 182,
des ersten Schutzeinlasses 184 und des zweiten Schutzeinlasses 186.
An einer äußeren Oberfläche des Dichtungsstücks 188 ist
ein Probeneinlasskanal 190 vorgesehen, der an einen äußeren
Umfang des Probeneinlasses 182 angrenzt und diesen vollständig
umgibt. Ein erster Schutzkanal 191 umfasst einen ersten
Schutzringabschnitt 192, der an einen äußeren
Umfang des ersten Schutzeinlasses 184 angrenzt und diesen
vollständig umgibt. Ein erster und ein zweiter Flügelabschnitt 193, 194 stehen
mit dem ersten Schutzringabschnitt 192 in Fluidverbindung
und erstrecken sich von diesem an entgegengesetzten Seiten seitlich
nach außen. Der erste und der zweite Flügelabschnitt 193, 194 sind
so gekrümmt, dass sie in Richtung des Probeneinlasses 182 verlaufen,
wie in 13 gezeigt ist. Ein zweiter
Schutzkanal 195 umfasst einen zweiten Schutzringabschnitt 196,
der an einen äußeren Umfang des zweiten Schutzeinlasses 186 angrenzt
und diesen vollständig umgibt. Der zweite Schutzkanal 195 umfasst
einen ersten und einen zweiten Flügelabschnitt 197, 198,
die mit dem zweiten Schutzringabschnitt 196 in Fluidverbindung
stehen und sich von diesem an entgegengesetzten Seiten nach außen
erstrecken. Der erste und der zweite Flügelabschnitt 197, 198 sind
ebenfalls so gekrümmt, dass sie in Richtung des Probeneinlasses 182 verlaufen.
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In
den 14 und 15 sind
weitere alternative Ausführungsformen einer Sondenanordnung gezeigt. 14 zeigt
eine Sondenanordnung 200, die an einer Sonde/Stabilisierungsklinge 202 einer Schwerstange 204,
die außerdem Stabilisierungsklingen 202a aufweist,
positioniert ist. Die Sonde/Stabilisierungsklinge 202 bildet
mit der vertikalen Achse der Schwerstange 204 einen Winkel.
In 15 ist eine Sondenanordnung 200 gezeigt,
die mit einer Sonde/Stabilisierungsklinge 212 einer Schwerstange 214 gekoppelt
ist, wobei die Sonde/Stabilisierungsklinge 212 im Wesentlichen
parallel zur vertikalen Achse der Schwerstange 214 verläuft.
Die Schwerstange 214 weist außerdem zusätzliche
Stabilisierungsklingen 212a auf.
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Die
Sondenanordnung 210 ist in 16 als Einzelheit
gezeigt. Die Sondenanordnung 210 umfasst einen Probeneinlass 220,
einen ersten Schutzeinlass 222 und einen zweiten Schutzeinlass 224. Wie
bei vorhergehenden Ausführungsformen sind die Einlässe 220, 222, 224 im
Wesentlichen vertikal ausgerichtet, wobei der Probeneinlass 220 zwischen der
ersten Schutzsonde 222 und der zweiten Schutzsonde 224 angeordnet
ist.
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Ein
Verbunddichtungsstück 226 umgibt die äußeren
Umfänge des Probeneinlasses 220, des ersten Schutzeinlasses 222 und
des zweiten Schutzeinlasses 224. Das Verbunddichtungsstück 226 kann
Segmente umfassen, die es ermöglichen, jeden Einlass 220, 222, 224 unabhängig
aus- und einzufahren. Bei der gezeigten Ausführungsform
umfasst das Verbunddichtungsstück 226 ein Segment
für Probeneinlass 230, ein Segment 232 für
ersten Schutzeinlass und ein Segment für zweiten Schutzeinlass 234. Um
jede Sonde unabhängig zu betätigen ist ein Extender
für Probeneinlass mit dem Probeneinlass 220 funktional
gekoppelt, während ein Extender für zweiten Schutzeinlass
mit dem ersten Schutzeinlass 222 funktional gekoppelt ist
und ein Extender für zweiten Schutzeinlass mit dem zweiten
Schutzeinlass 224 funktional gekoppelt ist. Die Segmente 230, 232, 234 sind
so ausgebildet, dass das Verbunddichtungsstück 226 einen
im Wesentlichen zusammenhängenden äußeren
Umfang aufweist. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt
der äußere Umfang eine ovale Form.
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Der
Schutzeinlass 220 kann so ausgebildet sein, dass die Fluidentnahme
in Umfangsrichtung maximal ist, während die Fluidentnahme
in vertikaler Richtung minimal ist. Bei der gezeigten Ausführungsform
besitzt der Probeneinlass 220 eine ovale Form, wobei die
Hauptachse in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung verläuft
und die Nebenachse in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung
parallel zur Bohrlochachse verläuft. Obwohl eine ovale
Form gezeigt ist, können andere Formen einschließlich
eines langgestreckten und länglichen Profils verwendet werden,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Die 17A und 17B zeigen
eine alternative Ausführungsform einer Probennahmesondenanordnung,
die schwenkbar ist, um sich dem Umriss der Bohrlochwand anpassen
zu können und dadurch zuverlässiger eine Abdichtung
an dieser zu bilden. Die Bohrlochwand 17 ist nicht stets
parallel zu einer Achse 250 eines Bohrlochwerkzeugs. Folglich
kann das Dichtungsstück einer Sondenanordnung einen Winkel
mit der Bohrlochwand bilden, wodurch die Fähigkeit zur
ausreichenden Abdichtung an der Bohrlochwand geschmälert
wird. Wie in 17A gezeigt ist, ist eine Sondenanordnung 252 über
einen Sondenextender 256 mit einer Schwerstange 254 gekoppelt.
Die Sondenanordnung 252 umfasst eine Spannplatte 258,
an der ein Ausleger 260 befestigt ist. Der Ausleger 260 ist
mit einem Ende des Sondenextenders 256 schwenkbar gekoppelt.
Die Spannplatte 258 trägt ein Dichtungsstück 264,
einen Probeneinlass 266, einen ersten Schutzeinlass 268 und
einen zweiten Schutzeinlass 270. Der Sondenextender 256 kann
als Stellzylinder vorgesehen sein, der mit einer Leistungsversorgung
wie etwa einer Quelle für Hydraulikfluid 272 funktional
gekoppelt sein kann.
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Im
Betrieb kann der Sondenextender 256 betätigt werden,
um die Sondenanordnung 252 aus einer eingefahrenen Position,
in der sie von der Bohrlochwand 17 beabstandet ist, wie
in 17A gezeigt ist, in eine ausgefahrene Position,
in der sie mit der Bohrlochwand 17 in einem Eingriff ist,
wie in 17B gezeigt ist, zu bewegen.
Die Schwenkverbindung zwischen dem Extender 256 und der
Spannplatte 258 ermöglicht ein zur Bohrlochwand 17 komplementäres
Drehen des Dichtungsstücks 264 und dadurch eine
zuverlässigere Abdichtung an der Wand.
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18 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Sondenanordnung 300 mit
einem langgestreckten Profil, um einen verbesserten Fluidfluss zu
verschaffen und dennoch die mit der Verwendung in einer Stabilisierungsklinge 302 eines
Bohrwerkzeugs wie etwa der Schwerstange 307 verbundenen
Abmessungsgrenzen einzuhalten. Die Sondenanordnung 300 ist
in einem in der Klinge 302 gebildeten Hohlraum 309 aufgenommen,
so dass die Anordnung 300 während Bohrvorgängen
darin versenkt werden kann. Es ist ein Ausfahrmechanismus (nicht gezeigt)
vorgesehen, um die Anordnung 300 zur Ausführung
von Probennahmevorgängen in einen Kontakt mit der Bohrlochwand
auszufahren.
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Die
Anordnung 300 umfasst einen Probeneinlass 304 mit
einem erweiterten Mundlochabschnitt 306. Der Mundlochabschnitt 306 ist
in Richtung einer Längsachse 303 der Klinge 302 langgestreckt,
um eine größere kommunizierende bzw. verbindende Oberfläche
für einen Eingriff mit der Formation zu schaffen. Genauer
besitzt der Mundlochabschnitt eine erste Profilweite in einer Richtung
parallel zur Klingenachse 303 und eine zweite Profilweite
in einer Richtung senkrecht zur Klingenachse 303, wobei
die erste Profilweite größer als die zweite Profilweite
ist. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt der Mundlochabschnitt
eine im Allgemeinen ovale Querschnittsform, wobei die erste Profilweite
die Hauptachse einnimmt und die zweite Profilweite die Nebenachse
einnimmt. Um die räumlichen Grenzen, die die Stabilisierungsklinge
auferlegt, einzuhalten, muss die zweite Profilweite kleiner als
etwa 3,5 Zoll (88,9 mm) sein.
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Der
Probeneinlass 304 ist von einem inneren Dichtungsstück 308 umgeben.
Ein ovaler Schutzeinlass 310 umgibt das innere Dichtungsstück 308 und den
Probeneinlass 304 vollständig. Der Schutzeinlass 310 besitzt ähnlich
wie der Probeneinlass 304 ein Profil, das in Richtung der
Längsachse der Klinge langgestreckt ist. Ein äußeres
Dichtungsstück 312 umgibt einen Umfang des Schutzeinlasses 310.
Das innere und das äußere Dichtungsstück 308, 312 weisen
eine solche Dicke auf und/oder sind aus einem solchen Material gefertigt,
dass eine hinreichende Festigkeit verschafft ist, um den während
des Betriebs der Sondenanordnung 300 erzeugten Druckdifferenzen
zu widerstehen.
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Die
in 18 gezeigte Sondenanordnung 300 ist für
eine Verwendung in einer Stabilisierungsklinge 302 bei
Anwendungen während des Bohrens besonders geeignet. Wie
oben angemerkt worden ist, sollte die Größe der
Einlässe minimal gehalten sein, um eine konstruktive Festigkeit
der Schwerstange aufrechtzuerhalten. Wenn die Sondenanordnung in
einer Stabilisierungsklinge vorgesehen ist, ist die Einlassgröße
zudem durch die Abmessungen der Klinge, vor allem durch die relativ
schmale Breite der Klinge, begrenzt. Deshalb muss der Schutzeinlass von
einer Breite von 4–10 Zoll oder mehr (was für Drahtleitungsanwendungen
typisch ist) auf eine Breite von etwa 3,5 Zoll (88,9 mm) oder weniger
reduziert sein, um in die Stabilisierungsklinge zu passen. Die Erfindung
ist nicht auf diese spezifischen Abmessungen beschränkt,
da die Größe des Schutzeinlasses mit den Gesamtabmessungen
des Bohrlochs oder des Werkzeugs, in dem der Schutzeinlass aufgenommen
ist, in Einklang stehen sollte. Nachdem ein hinreichender Raum für
das innere Dichtungsstück 308 belassen worden
ist, bleibt nur ein relativ schmaler Raum für den Probeneinlass 304 übrig.
Der Probeneinlass 304 muss jedoch eine Verbindungsfläche
für den Eingriff mit der Formation besitzen, die ausreichend
groß ist, um einen angemessenen Flüssigkeitsfluss
zu gewährleisten. Die langgestreckte, ovale Form des Mundlochabschnitts 306 vergrößert
die Verbindungsfläche des Probeneinlasses 304 unter Einhaltung
der durch die Klingenstruktur auferlegten Grenzen.
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Mit
der vergrößerten Verbindungsfläche, die durch
den Mundlochabschnitt 306 verschafft wird, kann es schwieriger
sein, eine ausreichende Abdichtung zwischen den Dichtungsstücken 308, 312 und der
Formation zu bilden, da die größere Kontaktfläche
gegebenenfalls eine Unförmigkeit oder andere Formationsoberflächenabweichungen
antrifft. Um die Auswirkungen von Unregelmäßigkeiten
der Formationsoberfläche zu minimieren, kann der oben in
Verbindung mit den 17A und 17B besprochene schwenkbare
Sondenkopf zusammen mit dem langgestreckten Profil verwendet werden.
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Obwohl
die Erfindung bezüglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist einem Fachmann, der diese Offenbarung
nutzt, klar, dass weitere Ausführungsformen ersonnen werden
können, die vom Umfang der hier offenbarten Erfindung nicht
abweichen. Daher soll der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche
begrenzt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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