DE112013007353T5

DE112013007353T5 - Bohrlochbohroptimierungskragen mit Glasfasern

Info

Publication number: DE112013007353T5
Application number: DE112013007353.6T
Authority: DE
Inventors: Ratish Suhas Kadam; Abhay Bodake; Rahul Ramchandra Gaikwad; Ankit Purohit; Bhargav Gajji
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2016-04-28
Also published as: RU2016101220A; RU2644177C2; NO20201306A1; GB2532604A; US20150218933A1; CA2912434A1; US20150260037A1; NO20151732A1; GB201519525D0; AU2013398382A1; BR112015030727A2; GB2532604B; CN105264172A; CN105264172B; WO2015026332A1; US9771794B2; US9458714B2; MX369861B; AU2017202881A1; CA2912434C

Abstract

Ein Bohroptimierungskragen zur Verwendung in der Nähe eines Bohrwerkzeugs in einer Bohrung enthält ein Glasfasersensorfilament, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in eine Nut zu passen, die in dem Bohroptimierungskragen gebildet ist. Der Bohroptimierungskragen kann ein Rohrsegment sein, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs installiert zu werden, und eine Vielzahl von Sensorelementen aufweisen kann. Die Gesamtheit oder ein Abschnitt der Sensorelemente kann durch separate Segmente des Sensorfilaments gebildet werden und als solches enthält das Sensorfilament Sensorelemente, die dazu konfiguriert sind, einen Zustand der Bohrung und eine Last an dem Bohroptimierungskragen zu erfassen.

Description

1. Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen einen Bohrlochbohroptimierungskragen, der integrierte Glasfasersensoren aufweist, um Informationen über Bohrzustände zu sammeln.
2. Beschreibung der einschlägigen Technik
Bohrlöcher werden in verschiedenen Tiefen gebohrt, um auf Öl, Gas, Mineralien und andere natürlich vorkommende Ablagerungen aus unterirdischen geologischen Formationen zuzugreifen und diese zu fördern. Das Bohren eines Bohrlochs erfolgt üblicherweise mit einer Bohrkrone, die in dem Bohrloch gedreht wird, um mit dem Bohrloch weiter voranzuschreiten, indem Erde, Sand, Lehm, Kalkstein, Kalzite, Dolomite oder andere Materialien entfernt werden. Die Bohrkrone ist üblicherweise mit einem Bohrgestänge verbunden, das gedreht werden kann, um die Bohrkrone anzutreiben und in dem Bohrfluid, bezeichnet als „Bohrschlamm” oder „Schlamm”, dem Bohrloch zugeführt werden kann. Der Bohrschlamm wird verwendet, um die Bohrkrone und die Bohrlochausrüstung zu kühlen und zu schmieren und wird außerdem verwendet, um Gesteinsfragmente oder anderes Bohrgut an die Oberfläche des Bohrlochs zu transportieren.
Wenn Bohrlöcher eingerichtet werden, ist es oftmals nützlich, Informationen über das Bohrloch, die geologischen Formationen, durch die das Bohrloch verläuft und die Bedingungen in der Bohrung in der Nähe der Bohrkrone, einschließlich Informationen über das Bohrgestänge an sich, zu erhalten. Die Informationsgewinnung dieser Art findet üblicherweise unter Verwendung von Werkzeugen statt, die mit dem Bohrgestänge gekoppelt oder damit integriert sind. Bei diesem Vorgang des „Messens während des Bohrens (MWD)” werden Messwerkzeuge verwendet, um die Temperatur und den Druck in der Formation und in der Bohrung sowie den Verlauf der Bohrkrone zu bestimmen. Bei dem Vorgang des „Vermessens während des Bohrens (LWD)” werden Werkzeuge verwendet, um zusätzliche Formationseigenschaften wie die Durchlässigkeit, die Porosität, den Widerstand und andere Eigenschaften zu bestimmen.
In einigen Fällen kann ein Werkzeug, wie etwa ein Kragenwerkzeug, in einem Bohrgestänge installiert werden, das an die Bohrkrone angrenzt oder sich in ihrer Nähe befindet, um Messungen in Bezug auf Betriebszustände in der Nähe der Krone zu erhalten. Das Kragenwerkzeug kann Messungen erfassen, die für einen Bohroperator zum Beispiel in Bezug auf die Energieübertragung von der Oberfläche zu der Krone bereitgestellt werden. Diese Art von Informationen, die aus MWD- und LWD-Messungen gewonnen wird, ermöglicht es Operatoren, die ablaufenden Bohrvorgänge besser zu verstehen und zu steuern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Bohrlochs, bei der ein System zur Messung und Überwachung von Zuständen in der Nähe einer Krone gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung in einer MWD-Anordnung eingesetzt wird;
2 bildet eine isometrische Vorderansicht eines Bohroptimierungskragens ab, der eine Nut aufweist, die sich um eine Außenfläche des Bohroptimierungskragens erstreckt und ein Glasfasersensorfilament aufnimmt;
3 bildet eine isometrische Vorderansicht eines Bohroptimierungskragens ab, der eine zweite Nut aufweist, die sich um eine Innenfläche des Bohroptimierungskragens erstreckt und ein zweites Glasfasersensorfilament aufnimmt;
4 bildet eine isometrische Vorderansicht eines Bohroptimierungskragens ab, der eine zweite Nut aufweist, die sich um die Außenfläche des Bohroptimierungskragens erstreckt und von der ersten Nut axial versetzt ist; und
5 bildet eine schematische Darstellung eines Umfangs eines Bohroptimierungskragens ab, einschließlich Positionen unterschiedlicher Sensorelemente.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der folgenden detaillierten Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil hiervon bilden. Diese Ausführungsformen werden ausreichend detailliert beschrieben, damit ein Fachleute auf dem Gebiet die Erfindung umsetzen können und es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass logische strukturelle, mechanische, elektrische und chemische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Geist oder Umfang der Erfindung abgewichen wird. Um Details zu vermeiden, die nicht notwendig sind, damit Fachleute auf dem Gebiet die hier beschriebenen Ausführungsformen umsetzen kann, können in der Beschreibung bestimmte Informationen weggelassen werden, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Die folgende detaillierte Beschreibung soll demnach nicht in einem einschränkenden Sinn aufgefasst werden und der Umfang der veranschaulichenden Ausführungsformen wird lediglich durch die angehängten Patentansprüche definiert.
Zusätzlich zu der Messung und Vermessung von Formationseigenschaften in einer Bohrung kann es außerdem wünschenswert sein, Informationen über die Zustände eines Werkzeugs in einem Bohrgestänge zu sammeln. Zum Beispiel kann ein Bohroptimierungskragen in einem Bohrgestänge enthalten sein, um Echtzeitmessungen des Gewichts, des Drehmoments und des Biegemoments zu erfassen, die an oder in der Nähe der Bohrkrone auftreten. Solche Messungen können dazu beitragen, Bohrparameter zu optimieren, um die Leistung zu maximieren und eine vergeudete Energieübertragung und Vibrationen während des Bohrens zu minimieren. Ein Bohroptimierungskragen kann mehrere Sensoren enthalten, um Werte für das Gewicht, das Drehmoment und das Biegemoment bereitzustellen und kann ebenso einen Vibrationssensor enthalten, der eine ganze Folge von Vibrationsmessungen, die sich auf Vibrationen beziehen, die in dem Bohrgestänge auftreten oder lokalisierte Vibrationsmessungen erstellt und liefert, die an bestimmten Sensorpositionen auftreten.
Die veranschaulichenden Ausführungsformen, die in der folgenden Offenbarung beschrieben werden, betreffen Messungen von Bohrungs- und Bohrgestängeeigenschaften in der Nähe einer Bohrkrone oder an einer anderen Stelle in einem Bohrgestänge. Die veranschaulichenden Ausführungsformen enthalten Mess- und Abtastwerkzeuge, die mit einer beliebigen der verschiedenen Methoden verwendet werden können, die zur Beurteilung und Optimierung von Bohrprozessen eingesetzt werden, einschließlich zum Beispiel das Messen während des Bohrens (MWD) und das Vermessen während des Bohrens (LWD).
In Bezug auf 1 wird ein Bohroptimierungssystem 100, das ein Bohrgestänge 120 aufweist, das eine Bohroptimierungsunteranordnung 170 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der Erfindung enthält, in einem Bohrloch 102 verwendet. Das Bohrloch 102 weist eine Bohrung 104 auf, die sich von einer Oberfläche 108 des Bohrlochs 102 zu einer oder durch eine unterirdische(n) Formation 112 erstreckt. Das Bohrloch 102 wird in 1 mit dem Bohroptimierungssystem 100, das in dem Bohrloch 102 eingesetzt ist, onshore veranschaulicht. 1 veranschaulicht eine mögliche Verwendung des Bohroptimierungssystems 100 während eines Bohrvorgangs. Während die folgende Beschreibung des Bohroptimierungssystems 100 vorrangig auf die Verwendung des Bohroptimierungssystems 100 in einer unterirdischen Formation 112 gerichtet ist, kann das Bohroptimierungssystem 100 stattdessen in Unterwasserbohrlochkonfigurationen, auf die über eine feststehende oder schwimmende Plattform zugegriffen wird und in Konfigurationen von Bohrlöchern 102 mit unterschiedlichen Geometrien verwendet werden.
In 1A wird das Bohrloch 102 durch einen Bohrprozess gebildet, bei dem eine Bohrkrone 116 durch das Bohrgestänge 120 gedreht wird, das sich von der Bohrkrone 116 zu der Oberfläche 108 des Bohrlochs 102 erstreckt. Das Bohrgestänge 120 kann aus einer bzw. einem oder mehreren verbundenen Röhren oder Rohren mit variierendem oder gleichem Querschnitt bestehen. Das Bohrgestänge 120 kann sich auf die Sammlung von Rohren oder Röhren als eine einzige Komponente oder alternativ auf die einzelnen Rohre oder Röhren beziehen, die das Gestänge umfassen. Der Begriff Bohrgestänge 120 soll nicht einschränkender Natur sein und kann sich auf eine beliebige Komponente bzw. Komponenten beziehen, die dazu in der Lage sind, Rotationsenergie von der Oberfläche 108 des Bohrlochs 102 zu der Bohrkrone 116 zu übertragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Bohrgestänge 120 einen zentralen Durchgang enthalten, der in dem Bohrgestänge 120 in Längsrichtung angeordnet und dazu in der Lage ist, eine Fluidkommunikation zwischen der Oberfläche 108 des Bohrlochs 102 und Positionen im Bohrloch zu ermöglichen.
An oder in der Nähe der Oberfläche 108 des Bohrlochs 102 kann das Bohrgestänge 120 ein Kelly 128 enthalten oder damit gekoppelt sein. Das Kelly 128 kann einen quadratischen, sechseckigen oder achteckigen Querschnitt aufweisen. Das Kelly 128 ist an einem Ende mit dem Bohrgestänge 120 und an einem gegenüberliegenden Ende mit einem Drehwirbel 132 verbunden. Das Kelly 128 geht durch einen Bohrtisch 136 hindurch, der dazu in der Lage ist, das Kelly 128 und somit den Rest des Bohrgestänges 120 und die Bohrkrone 116 zu drehen. Der Drehwirbel 132 ermöglicht, dass sich das Kelly 128 dreht, ohne dass eine Drehbewegung an den Drehwirbel 132 weitergegeben wird. Ein Haken 138, eine Leitung 142, ein Kloben (nicht gezeigt) und ein Flaschenzug (nicht gezeigt) werden bereitgestellt, um die Bohrkrone 116, das Bohrgestänge 120, das Kelly 128 und den Drehwirbel 132 anzuheben oder abzusenken. Das Kelly 128 und der Wirbel 132 können bei Bedarf angehoben oder gesenkt werden, um dem Bohrgestänge 120 zusätzliche Verrohrungsabschnitte hinzuzufügen, wenn die Bohrkrone 116 voranschreitet oder um Verrohrungsabschnitte aus dem Bohrgestänge 120 zu entfernen, wenn das Entfernen des Bohrgestänges 120 und der Bohrkrone 116 aus dem Bohrloch 102 gewünscht werden.
Wie hier referenziert, bedeutet „gekoppelt” im Allgemeinen, dass zwei (oder mehr) Teile zusammengefügt, verbunden, befestigt, angeschlossen oder anderweitig miteinander verknüpft sind. Die vorliegende Offenbarung zieht eine Anzahl von Arten für die bessere Kopplung von Teilen in Betracht, einschließlich mechanischer Kopplungen, Fluidkopplungen, optischer Kopplungen, elektrischer Kopplungen und kommunikativer Kopplungen. Zwei Teile können als mechanisch gekoppelt verstanden werden, wenn sie durch eine mechanische Kopplung wie eine Schweißnaht, einen Klebstoff oder eine beliebige andere Art der physikalischen Kopplung verbunden sind, einschließlich mechanischer Befestigungselemente wie Bolzen und Formstücke. Die Wendungen „fluidisch gekoppelt”, „fluidisch verbunden” und „in Fluidkommunikation” beziehen sich auf eine Form der Kopplung, Verbindung oder Kommunikation im Zusammenhang mit Fluiden und die entsprechenden Ströme oder Drücke in Verbindung mit diesen Fluiden. Der Bezug auf eine Fluidkopplung, -verbindung oder -kommunikation zwischen zwei Komponenten beschreibt Komponenten, die so verknüpft sind, dass ein Fluid zwischen den oder inmitten der Komponenten strömen kann. Gleichermaßen gelten zwei Komponenten als optisch gekoppelt, wenn eine optische Verbindung zwischen den zwei Komponenten hergestellt wird, um ein optisches Signal zu übertragen; elektrisch gekoppelt, wenn eine leitfähige Verbindung zwischen den zwei Komponenten hergestellt wird, um ein elektrisches Signal oder eine Spannung zu übertragen; und kommunikativ gekoppelt, wenn ein Kommunikationskanal zwischen den zwei Komponenten hergestellt wird, um den Austausch von Kommunikationen zum Beispiel über ein drahtgebundenes oder drahtloses Kommunikationsprotokoll zu ermöglichen.
Ein Behälter 144 ist an der Oberfläche 108 positioniert und enthält Bohrschlamm 148 für die Zufuhr an das Bohrloch 102 während Bohrvorgängen. Eine Versorgungsleitung 152 ist zwischen dem Behälter 144 und dem inneren Durchgang des Bohrgestänges 120 fluidisch gekoppelt. Eine Pumpe 156 treibt Fluid durch die Versorgungsleitung 152 und in das Bohrloch, um die Bohrkrone 116 während des Bohrens zu schmieren und um Bohrgut aus dem Bohrprozess zurück an die Oberfläche 108 zu transportieren. Nachdem sich der Bohrschlamm 148 in das Bohrloch bewegt hat, kehrt er durch einen Ringraum, der zwischen dem Bohrgestänge 120 und der Bohrung 104 gebildet ist, an die Oberfläche 108 zurück. An der Oberfläche 108 wird der Bohrschlamm 148 durch eine Rücklaufleitung 164 zu dem Behälter 144 zurückgeleitet. Der Bohrschlamm 148 kann vor der Rückführung durch das Bohrloch 102 gefiltert oder anderweitig bearbeitet werden.
Wie in 1 gezeigt, kann eine Bohroptimierungsunteranordnung 114 angrenzend an die Bohrkrone 116 positioniert werden, um Daten in Bezug auf die Zustände der Bohrung 104 in der Nähe der Bohrkrone 116 zu messen, zu verarbeiten und zu kommunizieren, um die Kräfte und die Ablenkung zu messen oder zu schätzen, die für die Bohrkrone 116 auftreten. Wie hier referenziert, können die Zustände der Bohrung 104 in der Nähe der Bohrkrone 116 und die Kräfte und die Ablenkung, die für die Bohrkrone 116 auftreten, insgesamt als die „Zustände in der Nähe der Krone” bezeichnet werden. Die Zustände in der Nähe der Krone können außerdem die axiale Ablenkung des Kragens, die radiale Ablenkung, die Biegung und die Drehmomentablenkung enthalten. Das Wissen über die Zustände in der Nähe der Krone kann es einem Bediener des Bohrgeräts ermöglichen, einen Ausfall von Elementen zu verhindern, die mit der Bohrkrone 116 und dem Bohrgestänge 120 verknüpft sind. Abrupte Veränderungen hinsichtlich der Zustände in der Nähe der Krone können auf eine Anzahl von Problemen hindeuten, die ein Bediener des Bohrgeräts lösen möchte, bevor mit dem Bohren fortgefahren wird. Zum Beispiel kann eine abrupte Zunahme im Hinblick auf bestimmte Zustände in der Nähe der Krone, wie etwa die Ablenkung an der Krone 116, auf ein hohes Risiko für den Ausfall der Bohrkrone 116 oder des Bohrgestänges 120 hindeuten.
Die Messung der Zustände in der Nähe der Krone kann außerdem andere Daten anzeigen, die gemeinhin während des Bohrens verfolgt werden, wie etwa die Bohrkronenbelastung und das Bohrkronendrehmoment. Hier ist die Bohrkronenbelastung eine Messung der Axialkraft, die entlang des Bohrgestänges 120 von der Bohrkrone 116 auf die Bohrunglochsohle 106 angewendet wird. Das Bohrkronendrehmoment ist eine Messung des Drehmoments, das angrenzend an das Bohrgestänge 116 auftritt und gibt die Tangentialkraft an, die an dem Umfang der Bohrkrone 116 angrenzend an die Bohrung 106 angewendet wird. Ein Betreiber des Bohrgeräts möchte möglicherweise außerdem die Zustände in der Bohrung 106 angrenzend an die Bohrkrone 116, wie etwa Druck und Temperatur, kennen. Solche Messungen können außerdem unter Verwendung der Bohroptimierungsunteranordnung 114 erfasst werden. Es sei angemerkt, dass in der Ausführungsform aus 1 die Bohroptimierungsunteranordnung 114 als ein Bohroptimierungskragen gezeigt wird, der in der Nähe der Bohrkrone 116 installiert wird, um Zustände in der Nähe der Krone zu überwachen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Bohroptimierungsunteranordnung 114 jedoch an anderen Positionen in dem Bohrgestänge 120 installiert werden, um Daten in Bezug auf solche anderen Positionen in dem Bohrgestänge 120 zu liefern.
In einigen Ausführungsformen kann die Bohroptimierungsunteranordnung 114 eine Vielzahl von Komponenten enthalten, die miteinander durch Gewinde, Kopplungen, Schweißnähte oder andere Mittel gekoppelt sind. In der veranschaulichenden Ausführungsform, die in 1 abgebildet wird, enthält die Bohroptimierungsunteranordnung 114 eine Transceivereinheit 172, ein Aggregat 174 und eine Sensoreinheit 170. Wie hier beschrieben, können die Elemente der Bohroptimierungsunteranordnung 114 in einen Bohroptimierungskragen integriert sein, der in dem Bohrgestänge 120 angrenzend an die Bohrkrone 116 installiert ist. Jede Komponente der Bohroptimierungsunteranordnung 114 kann Elektronik wie etwa Prozessorvorrichtungen, Speichervorrichtungen, Datenspeichervorrichtungen und Kommunikationsvorrichtungen enthalten oder die Bohroptimierungsunteranordnung 114 kann eine zentrale Steuerung enthalten, die mit einer oder mehreren der einzelnen Komponenten kommuniziert und diese steuert.
Die Transceivereinheit 172 ist dazu in der Lage, mit einer Oberflächensteuerung 184 oder ähnlicher Ausrüstung an oder in der Nähe der Oberfläche 108 des Bohrlochs 102 zu kommunizieren. Die Kommunikation zwischen der Transceivereinheit 172 und der Oberflächensteuerung 184 kann drahtgebunden stattfinden, wenn das Bohrgestänge 120 verdrahtet ist. Alternativ können die Transceivereinheit 172 und die Oberflächensteuerung 184 drahtlos unter Verwendung einer Schlammimpulstelemetrie, einer elektromagnetischen Telemetrie oder eines beliebigen anderen geeigneten Kommunikationsverfahrens kommunizieren. Daten, die durch die Transceivereinheit 172 übertragen werden, können ohne Einschränkung Sensordaten oder andere Informationen enthalten, die von der Bohroptimierungsunteranordnung 114 gemessen werden, einschließlich Daten, die Zustände in der Nähe der Krone anzeigen. Die Oberflächensteuerung 184 kann Verarbeitungsvorrichtungen, Speichervorrichtungen, Datenspeichervorrichtungen, Kommunikationsvorrichtungen und Benutzereingabe-/-ausgabevorrichtungen enthalten. Die Oberflächensteuerung 184 kann Daten zu der Transceivereinheit 172 kommunizieren, wie etwa Steuerdaten, um verschiedene Komponenten der Bohroptimierungsunteranordnung 114 zu steuern.
Das Aggregat 174 kann durch Fluid, das durch das Bohrloch 102 zirkuliert oder durch Fluid, das in einem geschlossenen Hydraulikkreis im Bohrloch zirkuliert oder unter Druck steht, hydraulisch angetrieben werden. Alternativ kann das Aggregat 174 ein elektrisches Aggregat, ein elektromechanisches Aggregat, ein pneumatisches Aggregat oder eine beliebige andere Art eines Aggregats sein, das dazu in der Lage ist, Energie für die Übertragung an elektrisch angetriebene Geräte nutzbar zu machen. Das Aggregat 174 kann Strom für eine oder mehrere der Komponenten, die mit der Bohroptimierungsunteranordnung 114 verknüpft sind oder alternativ für eine oder mehrere andere Bohrlochvorrichtungen bereitstellen. Die Sensoreinheit 170 kann außerdem Strom von dem Aggregat 174 empfangen und kann die Arten von Sensoren enthalten, die nachfolgend in Bezug auf 2 beschrieben werden.
Nun wird in Bezug auf 2 eine Ausführungsform der Bohroptimierungsunteranordnung als ein Bohroptimierungskragen 200 gezeigt, der ein Segment des Bohrgestänges ist. Der Bohroptimierungskragen 200 kann aus einem Rohrsegment 202 oder Elementen eines Rohrsegments 202 gebildet sein, wie etwa Halbzylinder, die angelenkt oder miteinander befestigt sein können, um das Rohrsegment 202 um die Außenfläche des Bohrgestänges als eine Nachrüstung zu positionieren, nachdem andere Elemente des Gestänges bereits installiert wurden. Das Rohrsegment 202 oder Elemente, die das Rohrsegment 202 bilden, kann bzw. können aus einer Titanlegierung, einer Edelstahllegierung oder einem beliebigen anderen geeigneten Material gebildet sein. Das Rohrsegment 202 kann an einem Segment des Bohrgestänges angrenzend an eine Bohrkrone, wie zuvor in Bezug auf 1 beschrieben, installiert werden. Wie in den Figuren gezeigt, nimmt ein Elektronikgehäusefach 208 Elektronik auf, einschließlich einer Steuereinheit 210, und eine oder mehrere Nuten 204 werden umlaufend um das Rohrsegment 202, wie exemplarisch gezeigt, in einem Schwingungs- oder wellenähnlichen Pfad gebildet. Die Nuten 204 können in eine Außenwand des Rohrsegments 202 unter Verwendung einer Drehbank oder einer beliebigen anderen geeigneten Art von Maschine eingearbeitet werden.
Es sei angemerkt, dass, während ein Schwingungspfad gezeigt ist, die Nut 204 so gebildet werden könnte, dass sie einen beliebigen anderen geeigneten Pfad aufweist. Zum Beispiel könnte die Nut 204 einen geradlinigen oder linearen Pfad, einen Rechteckwellenpfad, einen spiralförmigen Pfad oder einen kundenspezifischen Pfad aufweisen, um Sensorelemente 220 an anderen wichtigen Positionen in der Nähe einer Bohrkrone aufzunehmen. Die eine oder mehreren Nuten 204 nehmen einen oder mehrere Glasfasersensorfilamente 206 auf, die verwendet werden können, um die Zustände in der Nähe der Krone zu detektieren. Die Sensorfilamente 206 sind optisch und kommunikativ mit der Steuereinheit 210 gekoppelt, wo die eine oder mehreren Nuten 204 das Elektronikgehäusefach 208 kreuzen oder anderweitig damit verbunden sind.
Da das Bohren von Ölbohrlöchern auf größere Tiefen und raue Umgebungen ausgeweitet wird, kann die Beobachtung der Zustände in der Nähe der Bohrkrone für die Bohroptimierung sogar noch nützlicher sein. Existierende Werkzeuge sind durch die Betriebstemperatur, den Torsionsbereich, in dem sie arbeiten, die Herstellungskosten und die Zuverlässigkeit eingeschränkt. Demnach sind die Sensorfilamente 206 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform konfiguriert, um Erfassungskapazitäten aufzuweisen, einschließlich der Fähigkeit, Dehnung, Temperatur und Druck über ein breites Spektrum von Temperaturen und Torsionsbereichen zu erfassen und können aus einer Vielzahl von Gründen kostengünstig hergestellt werden. Zum Beispiel können Sensoren, die aus Segmenten des Sensorfilaments 206 gebildet sind, im Vergleich zu anderen Arten von Sensoren, wie etwa resistiven oder kapazitiven Dehnungsmessstreifen, die aus komplexen metallischen Schaltelementen gebildet sind, weniger Platz in Anspruch nehmen und weniger elektrische Verbindungen verwenden, während sie dennoch eine hohe Anzahl von Positionen für die Dehnungsmessung bieten, weil unterschiedliche Segmente des Sensorfilaments 206 separate Glasfasersensoren oder Sensorelemente 220 bilden können.
Das Sensorfilament 206 kann optisch und kommunikativ mit der Steuereinheit 210 gekoppelt sein, um ein Glasfasersignal zu empfangen und zu senden. Die Steuereinheit 210 enthält einen Lichtsensor und ist dadurch betriebsfähig, Veränderungen im Hinblick auf den Brechungsindex des Sensorfilaments 206 zwischen dem Punkt zu messen, an dem das Sensorfilament 206 die Steuereinheit 210 und reflektierende Elemente in dem Sensorfilament 206 verbindet. Jedes Segment des Sensorfilaments 206 zwischen reflektierenden Elementen kann ein Sensorelement 220 bilden. Solche Sensorelemente 220, die zum Beispiel Bragg-Gitter sein können, werden schematisch in 2 gezeigt. Wie hier genannt, ist ein Bragg-Gitter ein Segment eines Glasfaserfilaments, wie etwa der Sensorfilament 206, das einen verteilten Reflektor aufweist, der bestimmte Wellenlängen von Licht reflektiert, während er alle anderen überträgt. Wenn ein Sensorfilament 206 als mehrere Bragg-Gitter aufweisend konstruiert wird, die jeweils einer unterschiedlichen Wellenlänge des Lichts entsprechen, kann das Sensorfilament 206 gleichzeitig Messsignale übertragen, die wellenlängen-gemultiplext sind. Die Sensorelemente 220, von denen jedes einem Bragg-Gitter entsprechen kann, können dazu konfiguriert sein, gegenüber Dehnung und Temperatur empfindlich zu sein, infolgedessen das Sensorelement 220 als Reaktion auf Veränderungen hinsichtlich Dehnung und Temperatur eine Veränderung im Hinblick auf seinen Brechungsindex erfährt,.
Wie angemerkt, kann jedes Sensorelement 220 nur eine bestimmte Wellenlänge oder eine Spanne von Wellenlängen des Lichts reflektieren und indem die reflektierende Wellenlänge jedes reflektierenden Elements alterniert wird, kann ein einzelnes Sensorfilament 206 gebildet werden, um mehrere Glasfasersensoren zu enthalten, wobei jede Spanne eines Sensorfilaments 206 zwischen einem reflektierenden Element oder einem Bragg-Gitter und der Steuereinheit 210 als ein individueller Sensor fungieren kann.
Zum Beispiel kann eine relative Verschiebung hinsichtlich der Wellenlänge eines Sensorelements 220, das ein Bragg-Gitter aufweist, eine Veränderung der Temperatur und der Dehnung anzeigen, welcher das Sensorelement 220 unterzogen wird. Als solche können Sensorelemente 220, die verwendet werden, um Veränderungen der Temperatur und des Drucks zu messen, um das Rohrsegment 202 positioniert werden, um eine minimale Verformung zu erfahren, während Sensorelemente 220, die verwendet werden, um Veränderungen der Verformung oder der Dehnung zu messen, an einer Stelle positioniert werden können, wo der Unterschied der Temperatur in Bezug auf eine Ausgangstemperatur bekannt ist.
Gleichermaßen können der Druck und die physikalische Verformung von unterschiedlichen Punkten an dem Bohroptimierungskragen 200 bestimmt werden, indem Sensorelemente 220 an unterschiedlichen Punkten an dem Bohroptimierungskragen 200 angebracht werden. Wenn ein Punkt an dem Bohroptimierungskragen 200 verformt wird, wird eine Dehnung an dem Sensorelement 220 induziert, das sich an diesem Punkt befindet, und die Detektion der Dehnung kann verwendet werden, um die insgesamte Ablenkung zu bestimmen, die für den Bohroptimierungskragen 200 auftritt. Ein solches Bestimmen kann eine Schätzung oder eine ungefähre Messung für ähnliche Kräfte liefern, die an der Bohrkrone auftreten. Es wird ferner angemerkt, dass Sensorelemente 220, die über der Peripherie eines Bohroptimierungskragens platziert sind, außerdem verwendet werden können, um Veränderungen hinsichtlich des Drucks in der Bohrung oder in dem Bohrgestänge zu bestimmen. Da Veränderungen hinsichtlich des Drucks zu einer Veränderung der Drucklast führen, die auf Bohrgestänge ausgeübt wird, kann das Maß der Verformung, die einheitlich oder annähernd einheitlich um den Umfang des Bohroptimierungskragens 200 auftritt, verwendet werden, um den Druck in der Bohrung zu bestimmen, indem ein bekannter Druck in dem Bohrgestänge und die entsprechenden Kräfte, die von dem Bohrgestänge auf die Innenfläche des Bohroptimierungskragens 200 ausgeübt wird, ausgeglichen werden.
Die Deutung der optischen Signale, welche die Beobachtung von Veränderungen hinsichtlich des Brechungsindex des Sensorfilaments 206 zwischen jedem Sensorelement 220 enthalten kann, ermöglicht die Bestimmung von Messungen, die sich auf die Ablenkung der Bohrkrone und die Dehnung des Bohroptimierungskragens 200 beziehen, was ebenso die Bohrkronenbelastung und das Bohrkronendrehmoment anzeigen kann.
Die Fähigkeit, ein einziges Sensorfilament 206 als mehrere Sensoren zu verwenden, ist im Vergleich zu anderen Arten von Sensorelementen 220, wie etwa resistiven Dehnungsmessstreifen, vorteilhaft, die relativ anfällig wären und eine übermäßige Anzahl von elektrischen Verbindungen erfordern würden. Ein anderer Vorteil der Sensorelemente 220 im Vergleich zu resistiven oder kapazitiven oder anderen verdrahteten Sensoren liegt darin, dass die Glasfasermaterialien gegenüber hohen Temperaturen und Drücken resistenter sein können, wodurch ermöglicht wird, dass die Sensorfilamente 206 entlang oder sehr nah an der Außenfläche des Bohroptimierungskragens 200 geleitet werden. Das Aussetzen der Sensorfilamente 206 gegenüber der Bohrung ermöglicht, dass zusätzliche Messungen, wie etwa des Drucks und der Temperatur in der Nähe der Bohrkrone, genau durchgeführt werden können.
Gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform werden mehrere Sensorelemente 220 in einem einzigen Sensorfilament 206 verwendet, um Zustände in der Nähe der Krone, wie etwa das Bohrkronendrehmoment, die Bohrkronenbelastung und andere Zustände, zu messen. Der Bohroptimierungskragen 200 kann mit einem hohen Grad an Genauigkeit gebildet werden, sodass die Nut 204 das Sensorfilament 206 entlang eines Pfads aufnimmt und ausrichtet und dann gleichzeitig die Messung des Bohrkronendrehmoments und der Bohrkronenbelastung ermöglicht. Um andere Zustände in der Nähe der Krone zu detektieren, kann eine speziell verarbeitete Faser verwendet werden, die gegenüber bestimmten Umgebungsveränderungen, wie etwa Temperatur und Druck, empfindlich ist. Es sei ferner angemerkt, dass die Sensorelemente 220 um den Bohroptimierungskragen 200 beabstandet sein können, um mehrere Messpunkte bereitzustellen, wodurch redundante Messungen bereitgestellt werden und die Verlässlichkeit der gemessenen Daten erhöht wird.
Gemäß einer veranschaulichenden Ausfürungsform liefert die Steuereinheit 210 ein optisches Signal an das Glasfasersensorfilament 206, welches sich durch die Nut 204 um die Peripherie des Rohrsegments 202 erstreckt. In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit 210 kommunikativ mit einer Oberflächensteuerung oder einer anderen Oberflächenstelle gekoppelt, um gemessene Daten zu einem Betreiber des Bohrgeräts zu übertragen. Sensorelemente 220 in dem Sensorfilament 206 können Signale erzeugen, die sich auf die Zustände in der Nähe der Krone beziehen. Die Signale können entlang des Sensorfilaments 206 unter Verwendung einer Multiplexmethode, wie etwa Wellenmultiplex oder Zeitmultiplex, gemultiplext werden. Wie in 2 gezeigt, werden die Sensorelemente 220 in einem einzigen Sensorfilament 206 gebildet, sodass jedes Sensorelement 220 in Reihe verbunden ist. In weiteren Ausführungsformen können mehrere Sensorfilamente 206 parallel an dem Rohrsegment 202 angebracht werden und jedes Sensorfilament 206 kann nur ein einziges Sensorelement 220 enthalten.
In einer Ausführungsform werden Messungen, die von der Steuereinheit 210 durchgeführt werden, an die Oberflächensteuerung übertragen, um den Bohrprozess zu optimieren. Wie hier beschrieben, können die Steuereinheit 210 und das Sensorfilament 206 als eine Vielzahl von Sensorelementen 220 oder eine Vielzahl von Sensoren funktionieren, die Zustände in der Nähe der Krone, die sich auf die Verformung und Kräfte beziehen, die an der Bohrkrone auftreten und Bohrungszustände in der Nähe der Bohrkrone bestimmen. Die Steuereinheit 210 kann die Messungen unter Verwendung drahtgebundener Kommunikationen, einer Schlammimpulstelemetrie, einer elektromagnetischen Telemetrie oder eines anderen geeigneten Kommunikationsverfahrens an die Oberflächensteuerung übertragen. Die Oberflächensteuerung kann Messungen analysieren, die von der Steuereinheit 210 empfangen wurden, um Entscheidungshilfen über den Betrieb des Bohrgestänges zu bieten. Zum Beispiel können die Messungen verwendet werden, um den Betrieb des Bohrgestänges in der Bohrung zu optimieren. Solche Optimierungsverfahren können eine Veränderung der Betriebsgeschwindigkeit der Bohrkrone, eine Änderung der Richtung oder des Pfads des Bohrgestänges, die Zufuhr von Bohrschlamm zu der Bohrkrone mit einer schnelleren Geschwindigkeit, um die Bohrkrone zu kühlen, die Zufuhr des Bohrschlamms zu der Bohrkrone mit einer langsameren Geschwindigkeit, um Bohrschlamm einzusparen oder die vorübergehende Einstellung von Bohrvorgängen enthalten.
3–5 zeigen zusätzliche Ausführungsformen von Bohroptimierungskragen, die denjenigen ähneln, die in Bezug auf 2 beschrieben werden. In einer Ausführungsform kann es erwünscht sein, dass ein Bohroptimierungskragen ein erstes Sensorfilament 306 und ein zweites Sensorfilament 307 umfasst, wie in 3 gezeigt. In einer solchen Ausführungsform kann eine erste Nut 304 das erste Sensorfilament 306 an der Außenfläche des Rohrsegments 302 aufnehmen, und das zweite Sensorfilament 307 kann in einem Kanal, wie etwa einer zweiten Nut 305, eingebettet sein, der um den Umfang des Rohrsegments 302 des Bohroptimierungskragens 300 entlang der Innenfläche des Rohrsegments 302 gebildet ist. In einer solchen Ausführungsform kann das zweite Sensorfilament 307, das sich in der zweiten Nut 305 befindet, besser gelegen sein, um die Verformung des Bohroptimierungskragens 300 zu messen, weil es von den unterschiedlichen äußeren Zuständen der Bohrung isoliert sein kann, während das erste Sensorfilament 306 demnach besser gelegen sein kann, um Messungen durchzuführen, die sich auf die Bohrungszustände in der Nähe der Bohrkrone beziehen.
4 zeigt eine Ausführungsform eines Bohroptimierungskragens 400, der eine erste Nut 404 und eine zweite Nut 405 aufweist, die in einer Außenwand des Rohrsegments 402 gebildet sind. Die erste Nut 404 und die zweite Nut 405 sind voneinander entlang der Achse des Rohrsegments 402 axial versetzt. In solch einer Ausführungsform sind das erste Sensorfilament 406 und das zweite Sensorfilament 407 gleichermaßen voneinander versetzt. Infolgedessen können Messungen, die unter Verwendung des ersten Sensorfilaments 406 und des zweiten Sensorfilaments 407 durchgeführt werden, einen zweiten Bezugspunkt bereitstellen, der in Bezug auf Messungen, die für die Verformung bezeichnend sind, die an dem Bohroptimierungskragen 400 auftritt, einen Grad an Redundanz liefern kann. Es sei angemerkt, dass, obwohl die erste Nut 404, die zweite Nut 405, das erste Sensorfilament 406 und das zweite Sensorfilament 407 so gezeigt werden, dass sie Schwingungspfaden um den Umfang des Bohrgestänges folgen, auch andere geeignete Pfade anstelle eines Schwingungspfads umgesetzt werden können, einschließlich zum Beispiel einen geradlinigen Pfad, einen kreisförmigen Pfad oder einen Pfad, der Sensorfilamente in Abschnitten des Bohroptimierungskragens 400 konzentriert, für die ein Betreiber Messungen durchführen möchte. In jedem Fall kann der Pfad dazu konfiguriert sein, es dem ersten Sensorfilament 406 und dem zweiten Sensorfilament zu ermöglichen, Messungen einer Streckungs-, Torsions- und anderen Verformung des Bohroptimierungskragens 400 und des Bohrrohrs bereitzustellen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Bohroptimierungskragens 400, der eine Vielzahl von Sensorelementen aufweist, die in einem Sensorfilament 506 enthalten sind, der in einer Nut 504 um den Umfang des Bohroptimierungskragens 500 installiert ist. Hier enthält ein erstes Sensorelement 532 einen ersten Abschnitt des Sensorfilaments 506 und einen ersten Bragg-Reflektor 520; ein zweites Sensorelement 534 enthält einen zweiten Abschnitt des Sensorfilaments 506 und einen zweiten Bragg-Reflektor 522; ein drittes Sensorelement 536 enthält einen dritten Abschnitt des Sensorfilaments 506 und einen dritten Bragg-Reflektor 524; ein viertes Sensorelement 538 enthält einen vierten Abschnitt des Sensorfilaments 506 und einen vierten Bragg-Reflektor 526; ein fünftes Sensorelement 540 enthält einen fünften Abschnitt des Sensorfilaments 506 und einen fünften Bragg-Reflektor 528; und ein sechstes Sensorelement 542 enthält einen sechsten Abschnitt des Sensorfilaments 506 und einen sechsten Bragg-Reflektor 530. In einer Ausführungsform können in dem Sensorfilament 506 24 Sensorelemente enthalten sein. Es sei angemerkt, dass, obwohl der Anfangs- und der Endpunkt jedes Sensorelements, wie von den Bragg-Reflektoren 520–530 definiert, so gezeigt werden, dass sie in regelmäßigen Abständen beabstandet sind, die Positionen der Bragg-Reflektoren lediglich veranschaulichend sind und die Bragg-Reflektoren stattdessen auch in unregelmäßigen Abständen oder an Stellen beabstandet sein können, welche die Fähigkeit des Bohroptimierungskragens 500 optimieren, in Bezug auf die Verformung des Bohroptimierungskragens 500 und die Bohrungszustände genaue Messungen zu liefern. Zum Beispiel können sich das erste Sensorelement 532 und der erste Bragg-Reflektor 520 von dem vierten Sensorelement 538 und dem vierten Bragg-Reflektor 526 an der gegenüberliegenden Seite des Bohroptimierungskragens 500 befinden, um in Bezug auf die Biege- oder Torsionsverformung, die an der Bohrkrone auftritt, redundante Messungen bereitzustellen. Gleichermaßen können das zweite Sensorelement 534 und der zweite Bragg-Reflektor 522 so nah wie möglich an der Bohrkrone positioniert werden, um eine genau Messung von Zuständen in der Nähe der Krone bereitzustellen. Jedes Sensorelement kann gelegen sein, um eine separate Messung bereitzustellen, die sich ebenfalls auf die Zustände in der Nähe der Krone bezieht. Zum Beispiel können Sensorelemente bereitgestellt und optimiert werden, um die axiale Ablenkung, ein Biegemoment, die radiale Ablenkung, die Drehmomentablenkung, den Druck und/oder die Temperatur zu messen.
In einer Ausführungsform können das Material und der Herstellungsprozess, die verwendet werden, um das Sensorfilament und die Bragg-Gitter zu bilden, von der Ausgereiftheit der erfassenden Glasfaser abhängen und können ausgewählt werden, um ein Sensorfilament bereitzustellen, das Messungen in einem beliebigen auf Glasfasern basierenden System bereitstellt, in dem ein einziges Glasfaserfilament verwendet wird, um Messungen von mehreren Positionen bereitzustellen.
Angesichts der vorstehenden detaillierten Beschreibung sei angemerkt, dass gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform ein Bohroptimierungskragen zur Verwendung in der Nähe eines Bohrwerkzeugs in einer Bohrung ein Rohrsegment enthält, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs installiert zu werden. Eine Nut ist in der Außenfläche des Rohrsegments gebildet und kann einen Schwingungspfad um den Umfang des Rohrsegments bilden. Der Kragen enthält ebenso ein Sensorfilament, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in die Nut zu passen, die sich darin befindet. Das Sensorfilament enthält eine Vielzahl von Sensorelementen, die jeweils ein Segment des Glasfaserfilaments enthalten. Das Sensorfilament ist konfiguriert, um sowohl einen Zustand der Bohrung als auch eine Last an dem Bohroptimierungskragen zu erfassen. Die Sensorelemente können in Reihe oder parallel angeordnet sein und können durch einen Reflektor oder ein reflektierendes Element getrennt sein. Ferner kann jedes Sensorelement ein Bragg-Gitter sein, das sowohl erfassen als auch reflektieren kann. In einer Ausführungsform enthalten die Sensorelemente einen axialen Ablenkungssensor, einen Biegemomentsensor, einen radialen Ablenkungssensor, einen Drehmomentablenkungssensor, einen Drucksensor und einen Temperatursensor. Angrenzend an die Nut kann das Rohrsegment außerdem ein Elektronikchassis-Fach enthalten und eine Sensorsteuereinheit kann sich in dem Elektronikchassis-Fach befinden und kommunikativ mit dem Sensorfilament gekoppelt sein.
Gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform enthält ein System zum Sammeln von Informationen aus einer Bohrung eine Oberflächensteuerung, die betriebsfähig ist, die Betriebsparameter eines Bohrgestänges zu steuern. Das Bohrgestänge weist ein Bohrwerkzeug und einen Bohroptimierungskragen in der Nähe des Bohrwerkzeugs auf. Der Bohroptimierungskragen enthält ebenso einen Sensor, welcher ein Sensorfilament und eine Steuereinheit enthält. Die Steuereinheit ist kommunikativ mit dem Sensorelement und der Oberflächensteuerung gekoppelt und enthält einen Transceiver und eine Lichtquelle, die optisch mit dem Sensorfilament gekoppelt ist. Der Bohroptimierungskragen enthält außerdem eine Stromquelle, die elektrisch mit der Steuereinheit und dem Lichtquellenelement gekoppelt ist. Das Sensorfilament ist um den Bohroptimierungskragen angeordnet, und ein Brechungsindex des Sensorfilaments ist dazu konfiguriert, sich zu verändern, wenn sich einer oder mehrere eines Bohrungszustands verändern. Die Steuereinheit ist betriebsfähig, den Brechungsindex des Sensorfilaments zu messen und Veränderungen hinsichtlich des Brechungsindex des Sensorfilaments zu detektieren. In der Ausführungsform ist das Sensorfilament in einer Nut angeordnet, die sich über den Umfang des Bohroptimierungskragens erstreckt, und das Sensorfilament enthält eine Vielzahl von Sensorelementen, die um den Umfang des Bohroptimierungskragens angeordnet sind, um eine Vielzahl erfasster Parameter zu erfassen. Jedes der Vielzahl von Sensorelementen kann in Reihe angeordnet und von einem angrenzenden Sensorelement durch einen dazwischenliegenden Reflektor, wie etwa ein Bragg-Gitter, getrennt sein. Ein erstes Sensorelement kann dazu konfiguriert sein, eine Messung bereitzustellen, die für die Bohrung bezeichnend ist, und ein zweites Sensorelement kann dazu konfiguriert sein, eine Messung bereitzustellen, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist. Es sei angemerkt, dass in einer Ausführungsform ein erster Abschnitt der Nut in einer Innenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet sein kann und ein zweiter Abschnitt der Nut in einer Außenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet sein kann. In einer solchen Ausführungsform kann ein erstes Sensorelement in dem ersten Abschnitt der Nut angeordnet sein, ein zweites Sensorelement kann in dem zweiten Abschnitt der Nut angeordnet sein, und ein Bragg-Gitter kann zwischen dem ersten Sensorelement und dem zweiten Sensorelement angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform enthält ein Verfahren zur Überwachung von Umgebungsbedingungen in der Nähe eines Bohrwerkzeugs das Installieren eines Bohroptimierungskragens an einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs. Der Bohroptimierungskragen weist ein Sensorelement und eine Steuereinheit auf, und das Bohroptimierungskragen-Sensorelement enthält ein Sensorfilament und einen Reflektor. Die Steuereinheit ist kommunikativ mit dem Sensorelement gekoppelt und enthält einen Transceiver und eine Lichtquelle. Der Bohroptimierungskragen enthält außerdem eine Lichtmessvorrichtung, und die Lichtquelle und die Lichtmessvorrichtung sind optisch mit dem Sensorfilament gekoppelt. Die Steuereinheit ist betriebsfähig, den Brechungsindex des Sensorfilaments zu messen und um Veränderungen hinsichtlich des Brechungsindex des Sensorfilaments zu detektieren. Das Verfahren enthält außerdem Koppeln einer Stromquelle mit der Steuereinheit, Betätigen der Lichtquelle unter Verwendung der Steuereinheit und Bestimmen eines Brechungsindex des Sensorfilaments. Zusätzlich enthält das Verfahren das Bestimmen eines Bohrungszustands auf der Grundlage des Brechungsindex des Sensorfilaments und Kommunizieren eines Werts, der für den bestimmten Bohrlochzustand bezeichnend ist, an eine Oberflächensteuerung. Gemäß dem Verfahren kann das Sensorfilament in einer Nut des Bohroptimierungskragens angeordnet sein und kann eine Vielzahl von Sensorelementen enthalten, die um den Umfang des Bohroptimierungskragens angeordnet und durch Bragg-Gitter getrennt sind. Das Verfahren kann außerdem Bestimmen des Brechungsindex jedes der Vielzahl von Sensorelementen, Bestimmen der Verformung des Bohroptimierungskragens auf der Grundlage des Brechungsindex von mindestens einem der Vielzahl von Sensorelementen und Bestimmen eines oder mehrerer Bohrungszustände auf der Grundlage des Brechungsindex von mindestens einem der Vielzahl von Sensorelementen enthalten. In einer Ausführungsform kann ein erstes der Vielzahl von Sensorelementen dazu konfiguriert sein, eine Messung bereitzustellen, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist und wobei ein zweites der Vielzahl von Sensorelementen dazu konfiguriert sein kann, um eine Messung bereitzustellen, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist. Die gemessene Art der Ablenkung des Bohroptimierungskragens kann eine Drehmomentablenkung, eine Biegung, eine axiale Ablenkung oder eine radiale Ablenkung sein. Außerdem kann die Messung, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist, eine Temperaturmessung oder eine Druckmessung sein. Das Verfahren kann außerdem das Anpassen eines Bohrparameters als Reaktion auf den bestimmten Bohrungszustand und die Ablenkung des Bohroptimierungskragens enthalten.
Obwohl lediglich ein paar spezifische Beispiele für die Systeme bereitgestellt werden, die eingesetzt werden können, um die Ablenkung eines Bohrgestänges oder eines Bohrkragens angrenzend an eine Bohrkrone zu messen, sei angemerkt, dass eine beliebige Kombination zuvor erörterter Ausführungsformen von veranschaulichenden Bohroptimierungskragen und Sensorkonfigurationen zur Verwendung mit den hier beschriebenen Systemen und Verfahren geeignet ist.
Der Bohroptimierungskragen und zugehörige Systeme und Verfahren können unter Verwendung der folgenden Beispiele beschrieben werden:

Beispiel 1. Ein Bohroptimierungskragen zur Verwendung in der Nähe eines Bohrwerkzeugs in einer Bohrung, wobei der Bohroptimierungskragen Folgendes umfasst: ein Rohrsegment, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs installiert zu werden; eine Nut, die in einer Außenwand des Rohrsegments gebildet ist; und ein Glasfasersensorfilament, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in die Nut zu passen und eine Vielzahl von Sensorelementen aufweist, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen ein Segment des Sensorfilaments umfasst; wobei das Sensorfilament dazu konfiguriert ist, einen Zustand der Bohrung und eine Last an dem Bohroptimierungskragen zu erfassen.
Beispiel 2. Der Bohroptimierungskragen nach Beispiel 1, wobei die Vielzahl von Sensorelementen in Reihe angeordnet ist.
Beispiel 3. Der Bohroptimierungskragen nach Beispiel 1 und 2, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen einen Reflektor enthält.
Beispiel 4. Der Bohroptimierungskragen nach Beispiel 1 und 2, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen ein Bragg-Gitter enthält.
Beispiel 5. Der Bohroptimierungskragen nach Beispielen 1–4, wobei die Vielzahl von Sensorelementen Folgendes umfasst. einen axialen Ablenkungssensor; einen Biegemomentsensor; einen radialen Ablenkungssensor; einen Drehmomentablenkungssensor; einen Drucksensor; und einen Temperatursensor.
Beispiel 6. Der Bohroptimierungskragen nach Beispielen 1–5, wobei die Nut einen Schwingungspfad um den Umfang des Rohrsegments bildet.
Beispiel 7. Der Bohroptimierungskragen nach Beispielen 1–6, wobei das Rohrsegment ferner ein Elektronikchassis-Fach umfasst und wobei der Bohroptimierungskragen ferner eine Sensorsteuereinheit umfasst, die in dem Elektronikchassis-Fach angeordnet und mit dem Sensorfilament gekoppelt ist.
Beispiel 8. Ein System zum Sammeln von Informationen aus einer Bohrung, wobei das System Folgendes umfasst: eine Oberflächensteuerung, die betriebsfähig ist, die Betriebsparameter des Bohrgestänges zu steuern, wobei das Bohrgestänge ein Bohrwerkzeug und einen Bohroptimierungskragen in der Nähe des Bohrwerkzeugs aufweist, wobei der Bohroptimierungskragen einen Kragensensor, eine Steuereinheit, eine Stromquelle und eine Lichtquelle aufweist, wobei: der Kragensensor ein Sensorfilament umfasst, die Steuereinheit kommunikativ mit dem Sensorfilament und der Flächensteuerung gekoppelt ist; die Lichtquelle kommunikativ mit der Lichtquelle und optisch mit dem Sensorfilament gekoppelt ist, die Stromquelle elektrisch mit der Steuereinheit und der Lichtquelle gekoppelt ist, das Sensorfilament um die Peripherie des Bohroptimierungskragens angeordnet ist und wobei ein Brechungsindex des Sensorfilaments dazu konfiguriert ist, sich zu verändern, wenn sich einer oder mehrere eines Bohrungszustands verändern und die Steuereinheit einen Lichtsensor umfasst, um den Brechungsindex des Sensorfilaments zu messen und um Veränderungen hinsichtlich des Brechungsindex des Sensorfilaments zu detektieren.
Beispiel 9. Das System nach Beispiel 8, wobei das Sensorfilament in einer Nut angeordnet ist, die in der Außenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet ist und wobei das Sensorfilament eine Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die um den Umfang des Bohroptimierungskragens angeordnet sind, um eine Vielzahl erfasster Parameter zu erfassen.
Beispiel 10. Das System nach Beispielen 8 und 9, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen in Reihe angeordnet und von einem angrenzenden Sensorelement durch einen dazwischenliegenden Reflektor getrennt ist.
Beispiel 11. System nach Beispielen 8 oder 9, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen in Reihe angeordnet und von einem angrenzenden Sensorelement durch ein dazwischenliegendes Bragg-Gitter getrennt ist und wobei ein erstes Sensorelement dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für die Bohrung bezeichnend ist und wobei ein zweites Sensorelement dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist.
Beispiel 12. Das System nach Beispielen 8–11, wobei die Steuereinheit betriebsfähig ist, die Messung, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist, an die Oberflächensteuerung zu kommunizieren und wobei die Oberflächensteuerung betriebsfähig ist, den Betrieb des Bohrgestänges als Reaktion auf den Empfang der Messung anzupassen.
Beispiel 13. Das System nach Beispielen 8–12, wobei der Bohroptimierungskragen eine erste Nut umfasst, die in dem Bohroptimierungskragen gebildet ist und wobei das Sensorfilament in der ersten Nut angeordnet ist.
Beispiel 14. Das System nach Beispiel 13, wobei die erste Nut in einer Innenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet ist, eine zweite Nut in einer Außenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet ist und ein zweites Filament in der zweiten Nut angeordnet ist.
Beispiel 15. Ein Verfahren zur Überwachung von Umgebungsbedingungen in der Nähe eines Bohrwerkzeugs unter Verwendung eines Bohroptimierungskragens, wobei der Bohroptimierungskragen einen Kragensensor und eine Steuereinheit aufweist, wobei der Kragensensor ein Sensorfilament und einen Reflektor umfasst, die Steuereinheit kommunikativ mit dem Sensorfilament gekoppelt ist und einen Transceiver, eine Lichtquelle und einen Lichtsensor enthält, die Lichtquelle und der Lichtsensor optisch mit dem Sensorfilament gekoppelt sind und die Steuereinheit betriebsfähig ist, den Brechungsindex des Sensorfilaments zu messen und Veränderungen im Hinblick auf den Brechungsindex des Sensorfilaments zu detektieren; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Installieren des Bohroptimierungskragens an einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs; Koppeln einer Stromquelle mit der Steuereinheit; Betätigen der Lichtquelle unter Verwendung der Steuereinheit und Bestimmen eines Brechungsindex des Sensorfilaments unter Verwendung des Lichtsensors; Bestimmen eines Bohrungszustands auf der Grundlage einer Veränderung im Hinblick auf den Brechungsindex des Sensorfilaments; und Kommunizieren eines Werts, der für den bestimmten Bohrungszustand bezeichnend ist, an eine Oberflächensteuerung.
Beispiel 16. Das Verfahren nach Beispiel 15, wobei das Sensorfilament in einer Nut des Bohroptimierungskragens angeordnet ist und wobei das Sensorfilament eine Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die um den Umfang des Bohroptimierungskragens angeordnet und durch ein Bragg-Gitter getrennt sind, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bestimmen des Brechungsindex von jedem der Vielzahl von Sensorelementen; Bestimmen der Verformung des Bohroptimierungskragens auf der Grundlage des Brechungsindex des Sensorfilaments auf der Grundlage des Brechungsindex von mindestens einem der Vielzahl von Sensorelementen; und Bestimmen eines oder mehrerer Bohrungszustände auf der Grundlage des Brechungsindex von mindestens einem der Vielzahl von Sensorelementen.
Beispiel 17. Das Verfahren nach Beispiel 16, wobei ein erstes der Vielzahl von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist und wobei ein zweites der Vielzahl von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist.
Beispiel 18. Das Verfahren nach Beispiel 17, wobei die Messung, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist, aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Messung der Drehmomentablenkung, einer Messung des Biegemoments, einer Messung der axialen Ablenkung und einer Messung der radialen Ablenkung.
Beispiel 19. Das Verfahren nach Beispielen 16 und 17, wobei die Messung, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist, aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Temperaturmessung und einer Druckmessung.
Beispiel 20. Das Verfahren nach Beispiel 19, ferner umfassend Anpassen eines Bohrparameters als Reaktion auf die Messung, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist und die Messung, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist.

Aus dem Vorstehenden sollte hervorgehen, dass eine Erfindung bereitgestellt wurde, die erhebliche Vorteile aufweist. Obwohl die Erfindung nur in ein paar ihrer Formen gezeigt wird, ist sie nicht nur auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern ist für verschiedene Veränderungen und Modifikationen empfänglich, ohne von ihrem Geist abzuweichen.

Claims

Bohroptimierungskragen zur Verwendung in der Nähe eines Bohrwerkzeugs in einer Bohrung, wobei der Bohroptimierungskragen Folgendes umfasst: ein Rohrsegment, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs installiert zu werden; eine Nut, die in einer Außenwand des Rohrsegments gebildet ist; und ein Glasfasersensorfilament, das dazu bemessen und konfiguriert ist, in die Nut zu passen und eine Vielzahl von Sensorelementen aufweist, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen ein Segment des Sensorfilaments umfasst; wobei das Sensorfilament dazu konfiguriert ist, einen Zustand der Bohrung und eine Last an dem Bohroptimierungskragen zu erfassen.
Bohroptimierungskragen nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Sensorelementen in Reihe angeordnet ist.
Bohroptimierungskragen nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen einen Reflektor enthält.
Bohroptimierungskragen nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen ein Bragg-Gitter enthält.
Bohroptimierungskragen nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Sensorelementen Folgendes umfasst. einen axialen Ablenkungssensor; einen Biegemomentsensor; einen radialen Ablenkungssensor; einen Drehmomentablenkungssensor; einen Drucksensor; und einen Temperatursensor.
Bohroptimierungskragen nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nut einen Schwingungspfad um den Umfang des Rohrsegments bildet.
Bohroptimierungskragen nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Rohrsegment ferner ein Elektronikchassis-Fach umfasst und wobei der Bohroptimierungskragen ferner eine Sensorsteuereinheit umfasst, die in dem Elektronikchassis-Fach angeordnet und mit dem Sensorfilament gekoppelt ist.
System zum Sammeln von Informationen aus einer Bohrung, wobei das System Folgendes umfasst: eine Oberflächensteuerung, die betriebsfähig ist, die Betriebsparameter des Bohrgestänges zu steuern, wobei das Bohrgestänge ein Bohrwerkzeug und einen Bohroptimierungskragen in der Nähe des Bohrwerkzeugs aufweist, wobei der Bohroptimierungskragen einen Kragensensor, eine Steuereinheit, eine Stromquelle und eine Lichtquelle aufweist, wobei: der Kragensensor ein Sensorfilament umfasst, die Steuereinheit kommunikativ mit dem Sensorfilament und der Oberflächensteuerung gekoppelt ist; die Lichtquelle kommunikativ mit der Lichtquelle und optisch mit dem Sensorfilament gekoppelt ist, die Stromquelle elektrisch mit der Steuereinheit und der Lichtquelle gekoppelt ist, das Sensorfilament um die Peripherie des Bohroptimierungskragens angeordnet ist und wobei ein Brechungsindex des Sensorfilaments dazu konfiguriert ist, sich zu verändern, wenn sich einer oder mehrere eines Bohrungszustands verändern und die Steuereinheit einen Lichtsensor umfasst, um den Brechungsindex des Sensorfilaments zu messen und um Veränderungen hinsichtlich des Brechungsindex des Sensorfilaments zu detektieren.
System nach Anspruch 8, wobei das Sensorfilament in einer Nut angeordnet ist, die in der Außenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet ist und wobei das Sensorfilament eine Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die um den Umfang des Bohroptimierungskragens angeordnet sind, um eine Vielzahl erfasster Parameter zu erfassen.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen in Reihe angeordnet und von einem angrenzenden Sensorelement durch einen dazwischenliegenden Reflektor getrennt ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei jedes der Vielzahl von Sensorelementen in Reihe angeordnet und von einem angrenzenden Sensorelement durch ein dazwischenliegendes Bragg-Gitter getrennt ist und wobei ein erstes Sensorelement dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für die Bohrung bezeichnend ist, und wobei ein zweites Sensorelement dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Steuereinheit betriebsfähig ist, die Messung, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist, an die Oberflächensteuerung zu kommunizieren, und wobei die Oberflächensteuerung betriebsfähig ist, den Betrieb des Bohrgestänges als Reaktion auf den Empfang der Messung anzupassen.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Bohroptimierungskragen eine erste Nut umfasst, die in dem Bohroptimierungskragen gebildet ist, und wobei das Sensorfilament in der ersten Nut angeordnet ist. Patentanspruch 14. System nach Anspruch 13, wobei die erste Nut in einer Innenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet ist, eine zweite Nut in einer Außenfläche des Bohroptimierungskragens gebildet ist und ein zweites Filament in der zweiten Nut angeordnet ist.
Verfahren zur Überwachung von Umgebungsbedingungen in der Nähe eines Bohrwerkzeugs unter Verwendung eines Bohroptimierungskragens, wobei der Bohroptimierungskragen einen Kragensensor und eine Steuereinheit aufweist, wobei der Kragensensor ein Sensorfilament und einen Reflektor umfasst, die Steuereinheit kommunikativ mit dem Sensorfilament gekoppelt ist und einen Transceiver, eine Lichtquelle und einen Lichtsensor enthält, die Lichtquelle und der Lichtsensor optisch mit dem Sensorfilament gekoppelt sind und die Steuereinheit betriebsfähig ist, den Brechungsindex des Sensorfilaments zu messen und Veränderungen im Hinblick auf den Brechungsindex des Sensorfilaments zu detektieren; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Installieren des Bohroptimierungskragens an einem Bohrgestänge in der Nähe des Bohrwerkzeugs; Koppeln einer Stromquelle mit der Steuereinheit; Betätigen der Lichtquelle unter Verwendung der Steuereinheit und Bestimmen eines Brechungsindex des Sensorfilaments unter Verwendung des Lichtsensors; Bestimmen eines Bohrungszustands auf der Grundlage einer Veränderung im Hinblick auf den Brechungsindex des Sensorfilaments; und Kommunizieren eines Werts, der für den bestimmten Bohrungszustand bezeichnend ist, an eine Oberflächensteuerung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Sensorfilament in einer Nut des Bohroptimierungskragens angeordnet ist und wobei das Sensorfilament eine Vielzahl von Sensorelementen umfasst, die um den Umfang des Bohroptimierungskragens angeordnet und durch ein Bragg-Gitter getrennt sind, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bestimmen des Brechungsindex von jedem der Vielzahl von Sensorelementen; Bestimmen der Verformung des Bohroptimierungskragens auf der Grundlage des Brechungsindex des Sensorfilaments auf der Grundlage des Brechungsindex von mindestens einem der Vielzahl von Sensorelementen; und Bestimmen eines oder mehrerer Bohrungszustände auf der Grundlage des Brechungsindex von mindestens einem der Vielzahl von Sensorelementen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein erstes der Vielzahl von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist, und wobei ein zweites der Vielzahl von Sensorelementen dazu konfiguriert ist, eine Messung bereitzustellen, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Messung, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist, aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Messung der Drehmomentablenkung, einer Messung des Biegemoments, einer Messung der axialen Ablenkung und einer Messung der radialen Ablenkung.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Messung, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist, aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Temperaturmessung und einer Druckmessung.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend Anpassen eines Bohrparameters als Reaktion auf die Messung, die für den Bohrungszustand bezeichnend ist, und die Messung, die für die Ablenkung des Bohroptimierungskragens bezeichnend ist.