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Beim gerichteten Bohren von Untergrundbohrlöchern kann
die im Bohrloch angeordnete Bohreinheit, die das Bohrwerkzeug umfaßt, auch
eine Steuereinheit aufweisen, die die Funktionsweise der Bohreinheit
in Abhängigkeit
von einem eingegebenen Steuersignal steuert, um die Bohrrichtung
zu steuern. Wie bekannt ist, kann der Bohrstrang, an dem die Bohreinheit
montiert ist, von der Oberfläche
aus gedreht werden, oder das Bohrwerkzeug kann von einem im Bohrloch
angeordneten Motor gedreht werden, der in die Bohrlochbodeneinheit
eingearbeitet ist, in welchem Fall sich der Bohrstrang nicht dreht.
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Eine Ausführungsform einer Steuereinheit
zum Steuern der Bohrrichtung in einem drehbaren Bohrsystem ist in
der britischen Patentschrift 2259316 offenbart.
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Bei einer Einrichtung zum gerichteten
Bohren des Standes der Technik wird die Richtung (d.h. die Neigung
und der Azimut) eines Bohrschaftes nahe am Bohrwerkzeug gemessen.
Die gemessene Richtung wird in Intervallen oder kontinuierlich mit
einer gewünschten
Richtung (die von einer Bedienungsperson auf der Oberfläche oder
automatisch von einem Computerprogramm eingegeben werden kann) verglichen,
und die Differenz zwischen den Komponenten der gewünschten
Richtung und der gemessenen Bohrschaftrichtung wird berechnet. Diese
Differenzen werden dazu verwendet, geeignete Signale zur Steuerung
der Steuereinheit zum Reduzieren oder Minimieren der Differenz zu
erzeugen. Bei einem Betriebsverfahren werden die im Bohrloch durchgeführten Richtungsmessungen
durch Schlammimpulstelemetrie zur Oberfläche gesandt und von einer Bedienungsperson
mit einer gewünschten
Richtung verglichen, wobei die Bedienungsperson dann über einen
Steuervektor zum Korrigieren der Richtung entscheidet. Sie sendet
dann geeignete Signale in das Bohrloch, um an die Steuereinheit
Befehle abzugeben.
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Um rascher auf Störungen zu reagieren und an
der Telemetriebandweite zu sparen, kann bei einer anderen Ausführungsform
die gewünschte
Richtung im Bohrloch gespeichert und aktualisiert werden, wo sie
mit den im Bohrloch durchgeführten
Richtungsmessungen verglichen werden kann.
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Typische Richtungsmessungen sind
mit veränderlichen
Fehlern oder "Rauschen" behaftet, beispielsweise
infolge von Vibrationen des Bohrschaftes im Bohrloch, magnetischen
Störungen,
Temperaturschwankungen, Servo- und anderen Instrumentenfehlern etc.
Der Effekt dieses Rauschens kann verrin gert werden, indem diverse
Richtungsmessungen in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen gemittelt
werden. Bedauerlicherweise verursacht eine derartige Durchschnittsbildung
jedoch Verzögerungen
und Phasenverschiebungen in der Steuerschleife, so daß die Stabilität der Schleife
nachteilig beeinflußt
und die Verstärkung
oder Empfindlichkeit des Systems verringert wird. Jeder Versuch
zum Korrigieren der Phasenverzögerung
durch Phasenverschiebung der Richtungssignale führt lediglich zum Rauschen
zurück.
Obwohl Stabilisierungsfilter optimiert werden können, sind die Genauigkeit
und das Verhalten immer noch durch Signalrauschen begrenzt.
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Ein anderer möglicher Fehlergrund besteht
darin, daß die
Richtung, die gemessen wird, die Richtung der im Bohrloch angeordneten
Hardware und nicht die Richtung des tatsächlichen Bohrlochs selbst sein
kann. Diese Hardware kann relativ zum Bohrloch geneigt sein, so
daß die
gemessene Richtung ungenau ist.
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Ein anderes Problem besteht darin,
daß beim
Berechnen der Bohrlochrichtung die relevante unabhängige Variable
nicht die Zeit, sondern die inkrementelle Tiefe entlang dem Bohrloch
ist, d.h. die erforderliche Richtung eines Abschnittes des Bohrlochs
hängt vom
Ort/der Tiefe dieses Teiles des Bohrlochs und nicht von der Zeit
ab. Obwohl die Tiefe des Bohrlochs generell mit der Zeit zunimmt,
kann die Größe der Zunahme
nicht konstant sein. Bedauerlicherweise sind bei den meisten Systemen
des Standes der Technik Informationen in bezug auf die Tiefe des
Bohrlochs und die Lage des Bodens des Bohrlochs im Bohrloch nicht
erhältlich.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Verfahren zum Messen der Krümmung
eines Bohrlochs im Bohrloch vor und benutzt bei einer speziellen
Anwendung der Erfindung die Krümmungsinformationen
als Eingangskomponente eines Steuersignals zum Steuern der Funktionsweise
einer im Bohrloch angeordneten Steuereinheit bei einer Einheit zum
gerichteten Bohren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird ein Verfahren zum Messen der Krümmung eines Untergrundbohrlochs
zur Verfügung
gestellt, das das Anordnen einer länglichen Einheit, an der mindestens
drei Distanzsensoren montiert sind, welche in Längsrichtung des Bohrlochs im
Abstand angeordnet sind, wobei jeder Distanzsensor ein Ausgangssignal
erzeugen kann, das der Distanz zwischen diesem Sensor und der Umgebungswand
des Bohrlochs entspricht, im Bohrloch und das Verarbeiten dieser
Signale zum Bestimmen der Krümmung
des Bohrlochs in der Nachbarschaft der Sensoren umfaßt.
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Die Sensoren können mit gleichen oder ungleichen
Abständen
in Längsrichtung
des Bohrlochs angeordnet sein. Vorzugsweise liegen die Sensoren
entlang einer Linie, die sich im wesentlichen parallel zur Achse der
länglichen
Einheit erstreckt, so daß sie
in der gleichen Winkelposition in bezug auf die Achse angeordnet sind.
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Das Verfahren kann den Schritt der
Drehung der länglichen
Einheit um eine Achse, die sich in Längsrichtung des Bohrlochs erstreckt,
und das Verarbeiten der Signale von den Sensoren in einer Vielzahl
von unterschiedlichen Drehlagen der Einheit umfassen, oder die Signale
werden kontinuier lich in Abhängigkeit
von der Drehlage der Einheit verarbeitet, um die Krümmung des
Bohrlochs in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ebenen, die die
Drehachse enthalten, zu ermitteln.
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Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Schritte
des Bestimmens von mindestens der seitlichen Krümmung und der Krümmung in
einer vertikalen Ebene des Bohrlochs.
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Die Sensoren können mindestens einen kontaktfreien
Sensor umfassen, der ein Signal in Richtung auf die Wand des Bohrlochs
emittiert, das von der Wand des Bohrlochs reflektierte Signal empfängt und
ein Ausgangssignal in Abhängigkeit
von der Zeit zwischen der Emission und dem Empfang des Signales
und damit von der Distanz des Sensors von der Wand des Bohrlochs
erzeugt. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensor um einen akustischen
Sensor, einen Schallsensor oder einen Ultraschallsensor handeln.
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Alternativ oder zusätzlich dazu
können
die Sensoren einen Kontaktsensor aufweisen, der eine mechanische
Sonde besitzt, die von der länglichen
Einheit vorsteht und die Wand des Bohrlochs kontaktiert, wobei der
Sensor in der Lage ist, in Abhängigkeit
von der Stellung oder dem Zustand der Sonde, die bzw. der vom Abstand
der länglichen
Einheit von der Wand des Bohrlochs beeinflußt wird, ein Ausgangssignal
zu erzeugen. Kontaktsensoren und kontaktfreie Sensoren können in
der gleichen Einheit kombiniert sein. Beispielsweise kann ein kontaktfreier
Sensor zwischen zwei in Längsrichtung
voneinander beabstandeten Elementen, die die Wand des Bohrlochs
kontaktieren, angeordnet sein, um den kontaktfreien Sensor relativ
zum Bohrloch zu positionieren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann sich die längliche
Einheit, an der die Sensoren montiert sind, durchbiegen, während Messungen
durchgeführt
werden, insbesondere wenn sich die Einheit dreht, wobei durch eine
derartige Durchbiegung der Einheit Fehler in die Signale von den
Sensoren eingeführt
werden.
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Um solche Fehler zu kompensieren,
können
daher Einrichtungen zum Ertasten von Durchbiegungen in der länglichen
Einheit vorgesehen sein, wobei diese Einrichtungen Signale erzeugen,
die mit den Signalen von den Distanzsensoren in einer Weise verarbeitet
werden, um solche Durchbiegungen zu korrigieren, wenn die Krümmung des
Bohrlochs ermittelt wird. Beispielsweise können die Einrichtungen zum
Ertasten der Durchbiegungen Dehnungsmeßstreifen umfassen, die unterschiedliche
Dehnungen von unterschiedlichen Bereichen der länglichen Einheit, von denen
Durchbiegungen der Einheit ermittelt werden können, ertasten können.
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Alternativ dazu kann die längliche
Einheit, an der die Distanzsensoren montiert sind, so an einer anderen
länglichen
Komponente im Bohrloch montiert sein, daß sie gegenüber Durchbiegungen der Komponente im
Bohrloch isoliert ist. Beispielsweise kann die längliche Einheit über eine
Reihe von Lagern so an der Komponente im Bohrloch montiert sein,
daß Durchbiegungen
der Komponente im Bohrloch von den Lagern nicht auf die längliche
Einheit übertragen
werden.
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Diese Lager können Verbindungselemente mit
einem niedrigen Elastizitätsmodul
umfassen.
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Wie vorstehend erläutert, können gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung die vorstehend beschriebenen Verfahren
zum Bestimmen der Krümmung
eines Bohrlochs angewendet werden, um eine Eingangskomponente in
einem System zum gerichteten Bohren vorzusehen.
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Die Erfindung sieht somit ein neuartiges
Verfahren zum Steuern einer Einrichtung zum gerichteten Bohren einer
Art vor, die eine im Bohrloch angeordnete Bohreinheit umfaßt, welche
eine Steuereinheit aufweist, die in Abhängigkeit von einem Eingangssteuersignal
die Bohrrichtung in Abhängigkeit
vom Steuersignal steuert. Bei den Ausführungsformen des Standes der
Technik wird das Steuersignal generell erzeugt, indem die Richtung
des Bohrlochs gemessen, die gemessene Richtung mit einer gewünschten
Richtung verglichen und Steuersignale der Steuereinheit zugeführt werden,
um die Vektordifferenz zwischen der gemessenen und gewünschten
Richtung des Bohrlochs zu minimieren.
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Im Gegensatz dazu werden die Steuersignale
erfindungsgemäß durch
Messen der Krümmung
des Bohrlochs, Vergleichen der gemessenen Krümmung mit einer gewünschten
Krümmung
und Senden von Steuersignalen zur Steuereinheit erzeugt, um die
Differenz zwischen der gemessenen und gewünschten Krümmung des Bohrlochs zu reduzieren
oder zu minimieren.
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Die Krümmung des Bohrlochs kann über irgendeines
der vorstehend erwähnten
Verfahren gemessen werden.
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Wie vorstehend beschrieben, kann
der tatsächliche
Krümmungsvektor
des Bohrlochs gemessen werden und kann bei bevorzugten Ausführungsformen
in der Nachbarschaft des Bohrwerkzeugs und der Steuereinheit selbst
gemessen werden. Daher kann die Messung der Krümmung genauer und zuverlässiger durchgeführt werden
als die Richtungsmessung bei den Ausführungsformen des Standes der
Technik. Infolgedessen wird es weniger erforderlich, Werte über Zeitintervalle
zu mitteln, so daß die
vorstehend erwähnten Schwierigkeiten
vermieden werden. Ferner wird durch die Messung des Krümmungsvektors
die Stabilität
der Steuerschleife verbessert, da die Phase eines Krümmungssignales
90° vor
der eines Richtungssignales liegt.
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Die gewünschte Krümmung kann durch Messung der
Richtung des Bohrlochs, Vergleichen der gemessenen Richtung mit
einer gewünschten
Richtung und Bestimmen der gewünschten
Krümmung
bestimmt und aktualisiert werden, wodurch die Differenz zwischen
der gemessenen und gewünschten
Richtung des Bohrlochs reduziert oder minimiert wird.
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Bei allen vorstehend genannten Verfahren
kann die gewünschte
Richtung des Bohrlochs mindestens teilweise durch Geosteuerungsanforderungen,
wie sie von Formationsauswertungseinrichtungen definiert werden,
ermittelt werden.
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Somit kann bei jeder der obigen Ausführungsformen
die gewünschte
Richtung des Bohrlochs durch das Ausgangssignal von mindestens einem
im Bohrloch angeordneten geophysikalischen Sensor, der auf eine Eigenschaft
einer Untergrundfor mation in der Nachbarschaft der im Bohrloch angeordneten
Einheit anspricht, ermittelt werden, wobei dieser Sensor ein Ausgangssignal
liefert, das dem Momentanwert dieser Eigenschaft entspricht, und
wobei Interpretationseinrichtungen vorgesehen sind, um das gewünschte Richtungseingangssignal
in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal des geophysikalischen Sensors vorzusehen und
auf diese Weise das Bohrloch in eine geeignete Richtung zu lenken,
die zu den Eigenschaften der Formation, durch die das Bohrloch gebohrt
wird, in Beziehung steht.
-
Es folgt nunmehr eine detailliertere
Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen. Hiervon zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Teiles einer in einem Bohrloch angeordneten
Einheit, wobei ein Verfahren zum Messen der Krümmung des Bohrlochs dargestellt
ist;
-
2 eine
schematische Darstellung einer im Bohrloch angeordneten Einheit,
die die vorliegenden Erfindung aufweist;
-
3 ein
Abhängigkeitsdiagramm,
das Störungs-
und Rauscheingangssignale in eine Steuerschleife bei einem gerichteten
Bohren des Standes der Technik zeigt;
-
4 ein
Abhängigkeitsdiagramm
für ein
Verfahren zum Steuern der Krümmung
einer Einheit zum gerichte ten Bohren der vorliegenden Erfindung;
-
5 ein
Abhängigkeitsdiagramm
für ein
bevorzugtes Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
6 ein
Diagramm ähnlich 4, das eine Entwicklung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt;
-
7 eine
schematische Darstellung eines Teiles einer im Bohrloch angeordneten
Einheit, die ein anderes Meßverfahren
für die
Krümmung
des Bohrlochs zeigt.
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Es folgt nunmehr eine detaillierte
Beschreibung der Erfindung und der bevorzugten Ausführungsform.
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In 1 ist
der gekrümmte
Abschnitt eines Untergrundbohrlochs 10 gezeigt, in dem
eine längliche
Einheit 11 angeordnet ist, die einen Teil einer Bohrlocheinheit
bildet. Diese Einheit 11 kann einen Teil einer zum gerichteten
Bohren dienenden Bohrlocheinheit bilden. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, und die Einheit 11 kann
auch Teil irgendeiner anderen Ausführungsform einer Bohrlocheinheit sein.
-
Die Einheit 11 kann einen
rohrförmigen
Bohrschaft umfassen, der in dem Fall, in dem das Bohrwerkzeug von
einem im Bohrloch angeordneten Motor gedreht wird, nicht drehbar
sein kann. Vorzugsweise ist die Einheit 11 jedoch um eine
Achse 12 drehbar, die sich in Längsrichtung des Bohrlochs 10 erstreckt.
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Drei Distanzsensoren 13, 14 und 15 sind
fest an der Einheit 11 und mit Abstand über dessen Länge angeordnet.
Die Sensoren 13 und 14 weisen einen Längsabstand
L auf, während
die Sensoren 14 und 15 einen Längsabstand M voneinander besitzen.
Alle drei Sensoren liegen entlang einer Linie, die sich parallel
zur Drehachse 12 der Einheit 11 erstreckt, so
daß die
Sensoren alle in der gleichen Winkelposition um die Achse 12 angeordnet
sind.
-
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist beispielsweise
jeder Sensor 13, 14, 15 ein kontaktfreier
Sensor, der ein Ausgangssignal erzeugen kann, das dem Abstand zwischen
dem Sensor und dem Teil der Wand des Bohrlochs 10 entspricht,
der auf einer Linie liegt, die normal zur Achse 12 verläuft und
sich durch den entsprechenden Sensor erstreckt. Beispielsweise kann
jeder Sensor einen akustischen, Schall- oder Ultraschallsensor aufweisen,
der ein Signal entlang dieser Linie emittiert, so daß das Signal
von der Wand des Bohrlochs reflektiert und von einem geeigneten
Detektor im Sensor detektiert wird. Der Sensor ermittelt die Zeitverzögerung zwischen
der Emission des Signals und der Detektion der Reflektion, die natürlich zum
Abstand des Sensors von der Wand des Bohrlochs in Beziehung steht.
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In 1 sind
die Abstände
der entsprechenden Sensoren 13, 14 und 15 von
der Wand des Bohrlochs mit x1, x0 und x2 bezeichnet. Die Sensoren
können
x1, x0 und x2 entsprechende Signale erzeugen und an einen im Bohrloch
angeordneten Mikroprozessor (nicht gezeigt) abgeben, der die Signale
verarbeitet, um ein zusammengesetztes Signal x zu erzeugen.
-
-
- wobei x unabhängig
von seitlichen Bewegungen der Achse 12 in Richtung auf
die Wand des Bohrlochs 10 und von dieser weg einschließlich einer
translatorischen Bewegung und einer Schwenkbewegung ist.
-
Das zusammengesetzte Signal x ist
von der Drehlage der Einheit 11 und den Sensoren 13, 14 und 15 abhängig. Die
Drehlage der Sensoren kann durch einen Rollwinkel von einer Datumsdrehlage,
bei der es sich üblicherweise
um die Position handelt, in der die Sensoren die oberste Stellung
einnehmen oder sich auf der "hohen
Seite" der Einheit
befinden, definiert werden.
-
Jede andere Fehlausrichtung der Einheit
11 und
der Sensoren
13,
14,
15 relativ zum Bohrloch,
beispielsweise ein winkliges Verschwenken der Einheit, hat einen
konstanten Effekt auf das zusammengesetzte Signal, so daß dieses
= x – X
ist, wobei X konstant ist. Die Krümmung C (ψ) der Wand des Bohrlochs bei
einem Rollwinkel ψ wird
erhalten durch:
-
Die harmonischen Anteile sind auf
Abweichungen der Rundheit des Bohrlochs 10 zurückzuführen. Eine
Fourier-Analyse kann durchgeführt
werden, um a, b zu bestimmen und die harmonischen Anteile zu eliminieren
oder zu messen.
-
-
Die Integrale beziehen sich auf den
Rollwinkel (ψ)
und nicht auf die Zeit. Wenn sich die Einheit 11 mit einer
konstanten Geschwindigkeit dreht, gilt ψ = 2πNt, wobei N eine Konstante ist.
Wie bekannt ist, sind jedoch Komponenten, die sich in einem Bohrloch
drehen, oft einem "Gleit-Haft"-Phänomen
(slip-stick-Phänomen) ausgesetzt,
bei dem sich Perioden, während
denen sich die Komponente nicht dreht, mit Drehperioden abwechseln,
während
denen auch die Drehgeschwindigkeit variieren kann. Zur Verarbeitung
der Signale von den Sensoren, um die Krümmung zu erhalten, kann es
daher üblicherweise
erforderlich sein, den tatsächlichen Wert
von ψ für die vom
Prozessor auszuführende
Analyse zu messen. Zu diesem Zweck ist ein Rollwinkelsensor (nicht
gezeigt) irgendeines geeigneten bekannten Typs an der im Bohrloch
befindlichen Einheit 11 montiert.
-
Zum Zwecke der Bestimmung der Krümmung des
Bohrlochs im Raum ist es wünschenswert,
beide Krümmungen,
d.h. die Krüm mung
in einer vertikalen Ebene und die seitliche Krümmung, zu messen.
-
-
- Worin bedeuten:
- θ =
Neigung gegenüber
der Vertikalen = 90° +
Verschwenkung
- φ =
Azimut
- Ψ =
Rollwinkel von der hohen Seite
- S = Tiefe, gemessen entlang der Achse
-
Somit ermöglicht die in 1 gezeigte Ausführungsform die Ermittlung der
vertikalen und seitlichen Krümmung
des Bohrlochs 10 unter Verwendung der Sensoren 13, 14, 15 durch
Abgabe von deren Signalen und eines Rollwinkelsignals (das vom Rollwinkelsensor
an der Einheit 11 geliefert wird) an einen in geeigneter Weise
programmierten Mikroprozessor, um die vorstehend erwähnte Analyse
durchzuführen,
wobei der Mikroprozessor ein Ausgangssignal liefert, das den beiden Krümmungskomponenten
des Bohrlochs in den jeweiligen Ebenen entspricht.
-
Anstelle der in Verbindung mit 1 beschriebenen kontaktfreien
Distanzsensoren können
Kontaktsensoren verwendet werden, bei denen der Sensor ein Element
aufweist, das die Wand des Bohrlochs kontaktiert, wenn die Einheit 11 rotiert,
um ein vom Abstand der Einheit von der Wand abhängiges Signal zu erzeugen.
Beispielsweise kann der Sensor eine federbelastete Kontaktsonde
umfassen, die sich bei einer Änderung
des Abstandes des Sensors von der Wand des Bohrlochs zusammenzieht
und ausweitet, wobei durch die Ausweitung und Zusammenziehung der
Sonde ein geeignetes Abstandssignal erzeugt wird. Kontaktfreie Sensoren
und Kontaktsensoren können
in der gleichen Einheit kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Kontaktschuh
an der Einheit mit zwei kontaktfreien Sensoren oder können zwei
Schuhe mit einem einzigen kontaktfreien Sensor kombiniert werden.
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Eine Ausführungsform einer Bohrlocheinheit,
die die Erfindung umfaßt,
ist in 2 gezeigt. Bei
dieser Anordnung besitzt die Einheit 16 einen flexiblen
länglichen
Schaft 17, eine Steuereinheit 18 und einen Schaft 19 zwischen
der Steuereinheit 18 und dem flexiblen Schaft 17,
wobei der Schaft 19 die Steuereinheit zum Steuern der Steuereinheit 18 aufnimmt.
Das Bohrwerkzeug selbst ist schematisch bei 20 gezeigt.
Ein Stabilisator 121 ist zwischen dem Schaft 19 und
dem flexiblen Schaft 17 angeordnet. In einem derartigen
Fall krümmt sich
der flexible Schaft 17 selbst, um sich generell an die
Krümmung
des Bohrlochs anzupassen, das vom Bohrwerkzeug 20 gebohrt
worden ist.
-
Der Schaft 19 bildet die
längliche
Einheit, auf der in Längsrichtung
beabstandete Sensoren 122, 123, 124 montiert
sind, die, wie bei der Ausführungsform
der 1, den Abstand von
diversen Teilen des Schaftes 19 von der Wand des Bohrlochs
ermitteln und somit eine Bestimmung der Krümmung des Bohrlochs ermöglichen,
wie vorstehend beschrieben.
-
In diesem Fall sind jedoch Dehnungsmeßstreifen 125 am
Schaft 19 montiert und erzeugen Signale, die mit den Signalen
von Distanzsensoren verarbeitet werden, um Durchbiegungen des Schaftes 19 unter
Belastungen, denen er während
des Bohrens ausgesetzt ist, zu korrigieren. Es ist insbesondere
notwendig, Durchbiegungen in der länglichen Einheit, auf der die
Distanzsensoren montiert sind, in Fällen zu korrigieren, bei denen
der flexible Schaft 17 fehlt, da hierdurch die Neigung
besteht, daß die
Biegemomente in der länglichen
Einheit erhöht
werden.
-
Obwohl die Distanzsensoren normalerweise
entlang einer Linie angeordnet sind, die sich parallel zur Drehachse
der länglichen
Einheit, auf der sie montiert sind, erstreckt, so daß die Sensoren
alle in der gleichen Winkellage um die Achse angeordnet sind, können bei
einigen Anwendungsfällen
der Erfindung zwei oder mehr Sensoren in unterschiedlichen Winkellagen
angeordnet sein. Beispielsweise kann jeder Sensor durch eine Vielzahl
von Sensoren ersetzt werden, die mit Winkelabstand um den Umfang
der länglichen
Einheit angeordnet sind.
-
Die erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der
Krümmung
eines Bohrlochs können
viele Einsatzbereiche beim Untergrundbohren aufweisen. Beispielsweise
kann eine Komponente in Längsrichtung
in ein vorgebohrtes Bohrloch nach unten bewegt werden, um die Verwindung
des Bohrlochs zu messen. Diese Informationen können nützlich sein, um die Bedienungsperson über irgendwelche
Zwänge
zu informieren, die die Verwindung des Bohrlochs hervorrufen kann,
oder um beispielsweise zu ermitteln, ob ein spezielles Bohrloch
mit den vertraglichen Vorgaben des Bohrunternehmers übereinstimmt.
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Wie vorstehend erläutert, ist
jedoch der Hauptanwendungsfall der Erfindung die Verwendung der
Meßergebnisse
der Bohrlochkrümmung
während
des Bohrens als Eingangssignal zur Steuerung einer Steuereinheit
für das
gerichtete Bohren.
-
3 ist
ein Abhängigkeitsdiagramm
für eine übliche Ausführungsform
des Standes der Technik zur Richtungssteuerung über eine Steuervorrichtung
in Abhängigkeit
von der gemessenen und gewünschten
Richtung.
-
Wie in 3 gezeigt,
ist die Steuerung, mit der die Bohrlochbodeneinheit von der Steuereinheit
beaufschlagt wird, mit 21 gekennzeichnet. Die Krümmung 22 des
Bohrlochs, die aus der Steuerung 21 resultiert, wird auch
von anderen Faktoren beeinflußt,
die eine Störung
der Steuerung oder ein "Rauschen" bewirken, wie bei 22 angedeutet.
Beispielsweise kann die Steuerung infolge von Änderungen der Formation, die
das Bohrwerkzeug passiert, verändert
werden. Die durch die Steuereinheit in Kombination mit dem "Rauschsi gnal" 22 aufgebrachte
Steuerung führt
zu einer tatsächlichen
Krümmung
des Bohrlochs, wie bei 23 angedeutet. Die Richtung 24 des
Bohrlochs wird gemessen, wie bei 25 angedeutet. Die gemessene
Richtung wird dann, wie bei 26 angedeutet, mit einem Eingangssignal 27 für die geforderte
Richtung verglichen, und ein geeignetes Steuersignal wird der Steuereinheit
zugeführt,
um eine Steuerung 21 in eine Richtung zum Verringern oder
Minimieren der Diskrepanz zwischen der gemessenen Richtung 25 und
dem Eingangssignal 27 für
die geforderte Richtung durchzuführen.
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Die gemessene Richtung des Bohrlochs
ist jedoch, wie bei 28 angedeutet, Fehlern durch die Messung und
durch Rauschen ausgesetzt. Das Rauschen kann beispielsweise auf
Vibrationen des Bohrschaftes im Bohrloch, magnetische Störungen,
Temperaturschwankungen, Servo- und andere Instrumentenfehler etc.
zurückgeführt werden.
Wie vorstehend erwähnt,
wird die Richtung des Bohrlochs in Intervallen gemessen, um Rauscheffekte
zu minimieren, und es wird ein Durchschnitt gebildet, so daß eine Verzögerung in
die Steuerung eingeführt
wird. Die Messung der Richtung des Bohrlochs führt auch zu anderen Schwierigkeiten,
wie vorstehend erläutert.
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4 zeigt
ein modifiziertes Steuerverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung,
bei dem die Steuerung der Bohrrichtung nur von der gemessenen und
geforderten Krümmung
abhängig
ist. Komponenten des Verfahrens, die denen des Verfahrens des Standes
der Technik der 3 entsprechen,
besitzen die gleichen Bezugszeichen.
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Bei dieser Ausführungsform gemäß der Erfindung
wird die tatsächliche
Krümmung 23 des
Bohrlochs unter Einsatz irgendeines der vorstehend beschriebenen
Verfahren zur Krümmungsmessung
gemessen, wie bei 29 angedeutet. Die gemessene Krümmung 29 wird,
bei 30 angedeutet, mit einem Eingangssignal 31 für die geforderte
Krümmung
verglichen, und die Steuerung 21 von der Steuereinheit
wird so durchgeführt,
daß die
Differenz zwischen der gemessenen Krümmung und dem Eingangssignal
für die
geforderte Krümmung
reduziert oder minimiert wird.
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Die gemessene Krümmung ist Meßfehlern
oder Rauschen ausgesetzt, wie bei 32 angedeutet. Da es sich
jedoch hierbei um die Krümmung
eines speziellen Teiles des Bohrlochs, das gemessen wird, handelt
und nicht um die Richtung des Bohrlochs, ist der Effekt der Meßfehler
und des Rauschens geringer als im Falle der Messung der Richtung.
Ferner wird die durch die Notwendigkeit der Durchschnittsbildung
der Richtungsmessung verursachte Phasenverzögerung vermieden. Die Phase
eines Krümmungssignales
liegt um 90° vor
der eines Richtungssignales, so daß daher eine engere Steuerschleife
möglich
ist.
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Bei den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung kann das Feedback der Bohrlochkrümmung zum Steuervektor auf
erfindungsgemäße Weise
mit dem Feedback der Richtung zum Steuervektor kombiniert werden.
Dies ist schematisch in 5 dargestellt.
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Bei Systemen zum gerichteten Bohren
wurde vorgeschlagen, Formationsauswertungsdaten als Eingangssignal
für die Steuerung
eines Systems zum gerichteten Bohren zu verwenden, so daß die Richtung,
in der das Bohrloch fortschreitet, die Art der umgebenden Formation
berücksichtigt.
Eine solche Ausführungsform
kann beispielsweise ermöglichen,
daß der
Weg des gebohrten Bohrlochs in automatischer und genauer Weise in
Abhängigkeit
von der Art der umgebenden Formation zum Erhalt des optimalen Weges
gesteuert wird. Beispielsweise tritt es häufig auf, daß sich ein
Bohrloch allgemein horizontal durch ein vergleichsweise flaches
Reservoir einer Kohlenwasserstoff führenden Formation erstrecken
muß. Bohrlochformationsauswertungssensoren
können
die obere und untere Grenze des Reservoirs lokalisieren, und das
Eingangssignal von den Sensoren zur Steuerung der Steuereinheit
kann dann automatisch verwendet werden, um das Bohrwerkzeug auf
einem optimalen Niveau zwischen der oberen und unteren Grenze zu
halten. 6 zeigt schematisch die
Anwendung einer solchen geologischen Steuerung auf das Steuerverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung messen
geophysikalische Bohrlochsensoren die geologischen Eigenschaften 33 der
Formation, wie bei 34 angedeutet. Diese Messungen werden
ausgewertet, wie bei 35 angedeutet, um das Eingangssignal
für die
geforderte Richtung oder die Schwenkforderung 27 zu erzeugen,
anstatt eine solche Forderung von einer Bedienungsperson auf der
Oberfläche
oder von einem Computerprogramm im Bohrloch, das den Bohrvorgang
steuert, zur Verfügung
gestellt wird.
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Bei einer anderen in 7 gezeigten Ausführungsform besitzt eine längliche
Einheit 111 eine interne Steuereinheit
114, bei
der es sich um eine rollstabilisierte Plattform handelt, die zum
physikalischen Instrumentieren des Werkzeugstirnflächenkoordinatenrahmens
verwendet wird. Die Steuereinheit 114 ist in der Einheit 111 aufgehängt, da
sie sich der Krümmung
des Bohrlochs 10 folgend verbiegt. Die Einheit 111 besitzt
daher eine gekrümmte
Achse 118, die der Krümmung
des Bohrlochs 10 entspricht, während die Steuereinheit 114 eine
geradlinige Achse 120 hat. Da es sich bei der Steuereinheit 114 um
eine rollstabilisierte Plattform handelt, verbleibt diese in bezug
auf die Erde stationär,
während
sich die Einheit 111 während
des Bohrens um sich dreht.
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Mindestens ein Magnet 116 ist
in der Einheit 111 montiert. Vorzugsweise sind jedoch zwei
oder mehr Magneten 116 im Abstand voneinander in der Einheit 111 und
vorzugsweise diametral gegenüber
montiert. Das sich ändernde
Magnetfeld wird in der Steuereinheit 114 gemessen, wenn
sich die Einheit 111 um sich dreht, um die momentane Winkelorientierung
und Geschwindigkeit der Steuereinheit 114 relativ zur Einheit 111 zu
ermitteln.
-
Die Messung kann mit zwei orthogonalen
Magnetometern (nicht gezeigt) durchgeführt werden, die in der Steuereinheit 114 senkrecht
zur Rollachse montiert sind. Die Größe des abgegebenen Signals
ist eine monotone Funktion der Trennung von den Magneten 116.
Wenn das System ein gerades Loch bohrt, sind die relativen geometrischen
Orte der Magnetometer in bezug auf die Magneten 116 derart
angeordnet, daß sie
ein bestimmtes minimales und maximales Signal erzeugen.
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Wenn die Einheit 111 gekrümmt ist,
verändern
sich diese geometrischen Orte der Relativbewegung und damit auch
der minimale und maximale Ausschlag der ertasteten Signale. Durch
geeignete Signalverarbeitung und geeignete Berechnungen können sowohl
die Größe als auch
die Werkzeugstirnfläche
der Krümmung
extrahiert werden, ohne daß man
die Penetrationsrate und andere Faktoren kennen muß, was man
bislang als notwendig angesehen hat.
-
Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform wirken die Magneten
wie die vorstehend beschriebenen Sensoren, und die Positionen und
Orientierungen der Magneten können
in diversen Ausführungsformen
entsprechend den in den 1 und 2 gezeigten Sensoren eingestellt
werden, um diverse spezielle Arten von Messungen durchzuführen.
-
Ein sehr nützliches Ergebnis dieser Ausführungsform
besteht darin, daß eine
Messung der Penetrationsrate (ROP) direkt berechnet werden kann.
Eine dynamische ROP-Messung war bislang während des Bohrens nur sehr
schwierig durchzuführen.
Wenn die Onboard-Sensoren, die die Winkelorientierung der Einheit
111 messen,
in bezug auf die Zeit differenziert werden, kann ROP wie folgt abgeleitet
werden:
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Obwohl die vorliegende Erfindung
unter spezieller Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert wurde,
ver steht es sich, daß auch
andere und weitere Modifikationen abgesehen von den hier gezeigten oder
vorgeschlagenen Modifikationen vom Umfang und der Lehre der vorliegenden
Erfindung abgedeckt werden können.
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Zusammenfassung
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Es werden Verfahren zum Messen der
Krümmung
eines Bohrlochs innerhalb des Bohrlochs beschrieben. Insbesondere
werden die Krümmungsinformationen
als Eingangskomponente eines Steuersignals zum Steuern der Funktionsweise
einer im Bohrloch angeordneten Steuereinheit bei einer Einheit zum
gerichteten Bohren verwendet.
