DE112013007371T5

DE112013007371T5 - Automatisieren eines Untertage-Bohrvorgangs unter Verwendung von Profil, Energie und Form eines Bohrlochs

Info

Publication number: DE112013007371T5
Application number: DE112013007371.4T
Authority: DE
Inventors: Robello Samuel
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2016-05-12
Also published as: BR112016001161A2; RU2016101729A; NO20160090A1; GB2531465A; MX357810B; CA2918881A1; GB201601168D0; AR096689A1; BR112016001161B1; RU2642898C2; WO2015030790A1; US9689249B2; AU2013399128B2; US20150247397A1; AU2013399128A1; MX2016000973A; CN105658908A; CA2918881C; GB2531465B

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Automatisieren eines Untertage-Bohrvorgangs offenbart, die auf dem Profil und der Energie des gebohrten Bohrlochs basieren. Ein Verfahren umfasst das Vorrücken einer Bohrlochgarnitur (BHA) innerhalb einer unterirdischen Formation und dadurch das Bilden eines Bohrlochs entlang einem tatsächlichen Bohrlochverlauf, wobei die BHA ein Controller-Modul, einen oder mehrere Sensoren und eine Lenkbaugruppe umfasst, das Vornehmen von Vermessungen mit den mehreren Sensoren an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang dem tatsächlichen Bohrlochverlauf, das Vergleichen der Vermessungen mit Daten, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, das Bestimmen eines Rückwegs basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist, und das Übertragen eines Korrekturbefehlssignals an die Lenkbaugruppe, um eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs umzuorientieren, so dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Untertage-Bohrvorgang und genauer gesagt das Automatisieren eines Untertage-Bohrvorgangs basierend auf dem Profil und der Energie des gebohrten Bohrlochs.
Die Qualität eines Bohrlochs oder einer Bohrung hängt im Allgemeinen mit der „Gleichmäßigkeit” des Bohrlochs zusammen. Es wurden diverse Bahnmodelle zum Bohren eines Bohrlochs mit unterschiedlich gleichmäßigen Bohrlöchern, die sich daraus ergeben, vorgeschlagen. Das einfachste Modell, das tangentiale Modell, besteht aus geraden Linienabschnitten. Somit ist der Richtungskoeffizient dieses Modells an Vermessungspunkten entlang der Länge des Bohrlochs unstetig. Ein anderes geläufiges Modell ist das Modell der geringsten Krümmung, das aus Kreisbögen besteht. Dieses Modell weist einen stetigen Richtungskoeffizienten aber eine unstetige Krümmung auf. Das bei weitem geläufigste Verfahren zum Bahnmodellieren und zur Bohrstranganalyse ist das „Drehmoment-Widerstands-”Modell, das eine zusätzliche Last bei Ein- und Ausfahrvorgängen berechnet, bei denen das Drehmoment auf die Drehung des Bohrstrangs zurückzuführen ist und der Widerstand die Überlast im Vergleich zu dem rotierenden Bohrstranggewicht auf Grund der Reibung, die durch den Bohrstrangkontakt mit dem Bohrloch generiert wird, ist.
Die Gleichmäßigkeit des Bohrlochs kann sich unterschiedlich bemerkbar machen, was sich immer negativ auf die Effizienz des Bohrvorgangs auswirkt und die Kosten für den Bohrvorgang und die Komplettierung erhöht. Derzeit werden verschiedene Parameter, wie etwa Windung, Krümmung, Verdrehung des Bohrlochs und diverse Bohrbarkeitsindexe, verwendet, entweder um den Bohrlochverlauf zu quantifizieren, oder um die Schwierigkeit des Bohrens eines gleichmäßigen Bohrlochs einzuschätzen. Ferner gibt es kein klares Kriterium, um die Qualität des Bohrlochs zu definieren. Beispielsweise beschreiben die Bohrbarkeitsindexe, die berücksichtigt werden, im Allgemeinen die Qualität des Bohrlochs eher subjektiv statt das Bohrloch qualitativ zu quantifizieren. Manchmal werden Bohrbarkeitsindexe nur als Maß dafür verwendet, wie schwierig es sein wird, das Loch zu bohren, und nicht dafür, wie gleichmäßig es gebohrt werden könnte.
Heutzutage nähern sich autonome computergesteuerte Bohrarbeiten (d.h. „Bohrautomatisierung”) der Wirklichkeit, weil sie versprechen, Aufrüstungszeit einzusparen und für den Bohrlochbetreiber finanzielle Vorteile zu bieten, indem sie automatisch ein Bohrlochbahnmodell umsetzen. Wenn die tatsächliche Bohrlochbahn von dem geplanten Bohrlochverlauf abweicht, ist es unbedingt notwendig, dass ein System Korrekturmaßnahmen trifft. Beispielsweise kann eine Proportional-Integral-Differenzial-(PID)Regelung, die heutzutage in Bohrlöchern verwendet wird, den Drehlenkbohrgeräten eine negative Rückmeldung bereitstellen, um den abgewichenen Bohrlochverlauf wieder auf die geplante Spur zurückzubringen. Bei der PID-Regelung sind jedoch recht häufig Überschreitungen und Schwankungen festzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgenden Figuren sind enthalten, um gewisse Aspekte der vorliegenden Offenbarung abzubilden, und sind nicht als ausschließliche Ausführungsformen anzusehen. Der offenbarte Gegenstand ist zu erheblichen Modifikationen, Abänderungen, Kombinationen und Äquivalenten in Form und Funktion fähig, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Es zeigen:
1 ein beispielhaftes Bohrsystem, das eine oder mehrere Grundlagen der vorliegenden Offenbarung verwenden kann.
2 eine beispielhafte Bohrlochgarnitur gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3 einen beispielhaften Bohrlochverlauf, der durch Umsetzen der Grundlagen der vorliegenden Offenbarung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gebildet werden kann.
4 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Systems, das konfiguriert ist, um die hier beschriebenen Verfahren gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen auszuführen.
5 ein vereinfachtes schematische Diagramm eines Controller-Moduls gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
6 ein vereinfachtes Ablaufschema eines Verfahrens zum Automatisieren von Bohrarbeiten gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Untertage-Bohrvorgang und genauer gesagt das Automatisieren eines Untertage-Bohrvorgangs basierend auf dem Profil und der Energie des gebohrten Bohrlochs.
Es werden Systeme und Verfahren zum Automatisieren von Bohrarbeiten basierend auf der Bohrungsprofilenergie offenbart, so dass ein gleichmäßigeres Bohrloch gebohrt wird. Die offenbarten Systeme umfassen ein Controller-Modul, das kommunikationsmäßig mit einem Messsystem und einem Bohrsystem gekoppelt sein kann. Das Messsystem kann das Controller-Modul in Echtzeit bezüglich des Standorts eines tatsächlichen Bohrlochverlaufs im Vergleich zu einem geplanten Bohrlochverlauf aktualisieren. Wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist, kann das Controller-Modul konfiguriert sein, um basierend auf der geringsten Energie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs und dem Übertragen eines oder mehrerer Korrekturbefehlssignale an die Lenkbaugruppe einen Rückweg zu bestimmen, um eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs derart umzuorientieren, dass sie auf den geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt. Der Rückweg wird unter Verwendung eines Bahnmodells berechnet, das auf dem Kriterium der geringsten Bohrlochenergie basiert, um Überschreitungen und Schwankungen der Bohrungsbahnen zu minimieren. Wie es sich versteht, kann ein energiebasierter Ansatz, um den tatsächlichen Bohrlochverlauf auf den geplanten Bohrlochverlauf zurückzubringen, eine zuverlässige Form des Automatisierens von Untertage-Bohrsystemen sein, so dass eine optimale Verwendung der Bohrausrüstung erreicht wird.
Mit Bezug auf 1 ist ein beispielhaftes Bohrsystem 100 abgebildet, das eine oder mehrere Grundlagen der vorliegenden Offenbarung verwenden kann. Bohrlöcher können durch Bohren in das Erdreich 102 unter Verwendung des Bohrsystems 100 erstellt werden. Das Bohrsystem 100 kann konfiguriert sein, um eine Bohrlochgarnitur (BHA) 104 anzutreiben, die unten an einem Bohrstrang 106, der sich von einem Bohrturm 108, der an der Oberfläche 110 angeordnet ist, aus in das Erdreich 102 erstreckt, positioniert oder anderweitig angeordnet ist. Der Bohrturm 108 umfasst eine Mitnehmerstange 112, die verwendet wird, um den Bohrstrang 106 abzusenken und anzuheben.
Die BHA 104 kann einen Bohrmeißel 114 umfassen, der betriebsfähig mit einem Werkzeugstrang 116 gekoppelt ist, der innerhalb eines gebohrten Bohrlochs 118 axial bewegt werden kann, wenn er an dem Bohrstrang 106 befestigt ist. Im Betrieb dringt der Bohrmeißel 114 in das Erdreich 102 ein und erstellt dadurch das Bohrloch 118. Die BHA 104 stellt eine Richtungssteuerung des Bohrmeißels 114 bereit, während er in das Erdreich 102 vordringt. Der Werkzeugstrang 116 kann halbpermanent mit diversen Messwerkzeugen (nicht gezeigt) montiert sein, wie etwa ohne Einschränkung Werkzeuge zum Messen während des Bohrvorgangs (MWD) und zum Aufzeichnen während des Bohrvorgangs (LWD), die konfiguriert sein können, um Untertagemessungen der Bohrverhältnisse vorzunehmen. Bei anderen Ausführungsformen können die Messwerkzeuge eigenständig innerhalb des Werkzeugstrangs 116 vorliegen, wie in 1 gezeigt.
Die Spülung bzw. der „Schlamm” aus einer Spülwanne 120 kann unter Verwendung einer Spülpumpe 122, die durch eine angrenzende Energiequelle, wie etwa einen Hauptantrieb oder Motor 124, angetrieben wird, untertage gepumpt werden. Der Schlamm kann aus der Spülwanne 120 über ein Standrohr 126 gepumpt werden, das den Schlamm in den Bohrstrang 106 einspeist und zum Bohrmeißel 114 befördert. Der Schlamm verlässt eine oder mehrere Düsen, die in dem Bohrmeißel 114 angeordnet ist bzw. sind, und kühlt dabei den Bohrmeißel 114 ab. Nachdem er den Bohrmeißel 114 verlassen hat, kehrt der Schlamm über den Ringraum, der zwischen dem Bohrloch 118 und dem Bohrstrang 106 definiert ist, an die Oberfläche 110 zurück und bringt dabei Bohrklein und Schutt an die Oberfläche. Die Mischung aus Bohrklein und Schlamm wird durch eine Ablaufleitung 128 gegeben und derart verarbeitet, dass gereinigter Schlamm wieder durch das Standrohr 126 in das Loch zurückgebracht wird.
Obwohl das Bohrsystem 100 in 1 mit Bezug auf ein Drehbohrsystem gezeigt und beschrieben wird, wird der Fachmann ohne Weiteres verstehen, dass viele Arten von Bohrsystemen beim Ausführen der Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden können. Beispielsweise können Bohrer und Bohrgestelle, die bei den Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden, an Land (wie in 1 abgebildet) oder auf See (nicht gezeigt) verwendet werden. Bohrinseln auf See, die gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden können, umfassen beispielsweise Schwimmkräne, feststehende Plattformen, auf Schwerkraft basierende Strukturen, Bohrschiffe, Halbtauchplattformen, Hebebohrinseln, zugseilverankerte Plattformen und dergleichen. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen der Offenbarung auf Gestelle anwendbar sind, die von kleinformatig und tragbar bis sperrig und permanent reichen.
Obwohl sie hier mit Bezug auf Ölbohrungen beschrieben werden, können diverse Ausführungsformen der Offenbarung ferner bei vielen anderen Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise können die offenbarten Verfahren bei Bohrvorgängen für Suchbohrungen, Umweltforschung, Erdgasförderung, Untergrundinstallation, Bergbauarbeiten, Wasserbrunnen, geothermischen Brunnen und dergleichen verwendet werden. Ferner können die Ausführungsformen der Offenbarung bei Versatzmaschinen-Baugruppen, bei mitlaufenden Rohraufhängungen, bei mitlaufenden Komplettierungssträngen usw. verwendet werden, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen.
Nun mit Bezug auf 2 und weiter mit Bezug auf 1 ist eine beispielhafte Bohrlochgarnitur (BHA) 104 abgebildet, die gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann. Wie abgebildet, kann die BHA 104 mindestens einen Bohrmeißel 114, eine Lenkbaugruppe 202, die betriebsmäßig mit dem Bohrmeißel 114 gekoppelt ist, ein MWD/LWD-Gerät 204 und einen Bohrkragen 206 umfassen. Die Lenkbaugruppe 202 kann eine beliebige Art von Untertage-Lenksystem oder Vorrichtung sein, die konfiguriert ist, um den Bohrmeißel 114 derart zu orientieren, dass eine geplante Bahn oder ein geplanter Bohrlochverlauf befolgt wird. Bei einigen Ausführungsformen kann die Lenkbaugruppe 202 ein Drehlenkwerkzeug sein. Bei anderen Ausführungsformen kann die Lenkbaugruppe 202 ein Sohlenmotor oder eine beliebige andere bekannte Vorrichtung oder ein System, die bzw. das die Bahn des Bohrmeißels 114 umorientieren kann, sein, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen.
Das MWD/LWD-Gerät 204 kann eine MWD-Sensorgruppe umfassen, die eine oder mehrere Vermessungssonden 207 umfassen kann, die konfiguriert ist bzw. sind, um Richtungsinformationen, mechanische Informationen, Formationsinformationen und dergleichen zu erheben und zu übertragen. Insbesondere kann bzw. können eine oder mehrere Vermessungssonden 207 einen oder mehrere interne oder externe Sensoren umfassen, wie etwa ohne Einschränkung einen Neigungsmesser, ein oder mehrere Magnetometer (d.h. Kompasseinheiten), einen oder mehrere Beschleunigungsmesser, einen Schachtpositionssensor, Kombinationen derselben und dergleichen umfassen. Die Richtungsinformationen (d.h. die Bohrlochbahn im dreidimensionalen Raum) der BHA 104 im Erdreich 102 (1), wie etwa Neigung und Azimut, können unter Verwendung der Vermessungssonden 207 in Echtzeit erzielt werden.
Das MWD/LWD-Gerät 204 kann ferner eine LWD-Sensorgruppe umfassen, die einen oder mehrere Sensoren umfassen kann, der bzw. die konfiguriert ist bzw. sind, um Formationsparameter, wie etwa den spezifischen Widerstand oder die Gammastrahlen-Durchlässigkeit, zu messen. Bei einigen Ausführungsformen können die MWD- und LWD-Geräte und ihre dazugehörigen Sensorgruppen miteinander in Verbindung stehen, um die erhobenen Daten miteinander zu teilen. Das MWD/LWD-Gerät 204 kann batteriegetrieben oder generatorgetrieben sein, wie es in der Technik bekannt ist, und beliebige Messungen, die von dem MWD/LWD-Gerät 204 erzielt werden, können entweder an der Oberfläche 110 (1) oder an einem Standort untertage verarbeitet werden.
Der Bohrkragen 206 kann konfiguriert sein, um Gewicht zu der BHA 104 über dem Bohrmeißel 114 hinzuzufügen, so dass genügend Gewicht am Bohrmeißel 114 vorliegt, um durch die betreffenden geologischen Formationen zu bohren. Das Gewicht kann auch auf den Drehmeißel 114 über den Bohrstrang 106 ausgeübt werden, wenn er von der Oberfläche 110 aus ausgefahren wird.
Die BHA 104 kann ferner einen Sensorübergang 208 umfassen, der mit der BHA 104 gekoppelt ist oder anderweitig dazu gehört. Der Sensorübergang 208 kann konfiguriert sein, um diverse Betriebsparameter in der Untertage-Umgebung mit Bezug auf die BHA 104 zu überwachen. Beispielsweise kann der Sensorübergang 208 konfiguriert sein, um Betriebsparameter des Bohrmeißels 114 zu überwachen, wie etwa ohne Einschränkung Gewicht am Meißel (WOB), Drehmoment am Meißel (TOB), Umdrehungen pro Minute (RPM) des Bohrmeißels 114, Biegemoment des Bohrstrangs 106, Vibrationen, die sich möglicherweise auf den Bohrmeißel 114 auswirken, und dergleichen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Sensorübergang 208 ein DRILLDOC^®-Gerät sein, das im Handel bei Sperry Drilling aus Houston, Texas, USA, erhältlich ist. Das DRILLDOC^®-Gerät oder eine andere ähnliche Art von Sensorübergang 208 kann konfiguriert sein, um Echtzeitmessungen von Gewicht, Drehmoment und Biegung an einem angrenzenden Schneidwerkzeug (d.h. dem Bohrmeißel 114) und/oder dem Bohrstrang 106 bereitzustellen, um die Energieübertragung von der Oberfläche auf das Schneidwerkzeug und/oder den Bohrstrang 106 zu kennzeichnen. Es versteht sich, dass diese Messungen dabei behilflich sind, die Bohrparameter zu optimieren, um die Leistung zu maximieren und Verlustenergieübertragung und Vibrationen zu minimieren.
Die BHA 104 kann ferner ein Controller-Modul 210 umfassen, das mit der BHA 104 gekoppelt ist oder anderweitig dazu gehört. Das Controller-Modul 210 kann ein Untertage-Computersystem sein, das kommunikationsmäßig mit jedem von dem Sensorübergang 208, dem MWD/LWD-Gerät 204 (z.B. seiner oder seinen Vermessungssonde(n) 207) und der Lenkbaugruppe 202 über eine oder mehrere Kommunikationsleitungen 212 gekoppelt ist. Über die Kommunikationsleitungen 212 kann das Controller-Modul 210 konfiguriert sein, um Daten und Befehle an den Sensorübergang 208, das MWD/LWD-Gerät 204 und die Lenkbaugruppe 202 in Echtzeit zu senden und davon zu empfangen.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Controller-Modul 210 ferner kommunikationsmäßig mit der Oberfläche 110 (1) über eine oder mehrere Kommunikationsleitungen 214 gekoppelt sein, so dass es in der Lage ist, im Betrieb Daten in Echtzeit an die Oberfläche 110 (1) zu senden und davon zu empfangen. Die Kommunikationsleitungen 212, 214 können eine beliebige Art von drahtgebundenen Telekommunikationsvorrichtungen oder Mitteln, die dem Fachmann bekannt sind, sein, wie etwa ohne Einschränkung elektrische Drähte oder Leitungen, Glasfaserleitungen usw. Alternativ oder zusätzlich kann das Controller-Modul 210 ein Telemetriemodul umfassen oder ansonsten sein, das verwendet wird, um gegebenenfalls drahtlos unter Verwendung einer oder mehrerer Untertage-Telemetrietechniken, die ohne Einschränkung, Schlammimpuls, akustische, elektromagnetische Frequenz, Kombinationen davon und dergleichen umfassen, Messungen an die Oberfläche 110 zu übertragen.
Nun mit Bezug auf 3 und weiter mit Bezug auf 1 und 2 ist ein beispielhafter Bohrlochverlauf 300 abgebildet, der durch Umsetzen der Grundlagen der vorliegenden Offenbarung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen gebildet werden kann. Genauer gesagt stellt der Bohrlochverlauf 300 einen geplanten oder theoretischen Verlauf oder eine Bahn zum Bohren eines Bohrlochs dar (z.B. des Bohrlochs 118 aus 1), um eine Zielstelle 302 innerhalb einer unterirdischen Formation 304 zu erreichen. Das Bohrloch kann unter Verwendung der BHA 104 und des Bohrstrangs 106 gebohrt werden, die zuvor mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben wurden. Während der beispielhaften Bohrarbeiten kann das Controller-Modul 210 (2) konfiguriert sein, um ständig mit der Lenkbaugruppe 202 zu kommunizieren (2), so dass der Bohrmeißel 114 orientiert ist, um den geplanten Bohrlochverlauf 300 zu befolgen.
Wie es jedoch häufig der Fall ist, kann der Werkzeugstrang von dem ursprünglichen theoretischen Bohrlochverlauf 300 abweichen, und stattdessen kann sich ein tatsächlicher Bohrlochverlauf 306 ergeben, der gegenüber dem ursprünglichen Bohrlochverlauf 300 falsch ausgerichtet ist oder anderweitig davon abweicht. Derartige Abweichungen können sich aus mehreren indirekten Variablen ergeben, wie etwa ohne Einschränkung der Eindringtiefe des Werkzeugstrangs, der Ablenkung des Werkzeugstrangs in unterschiedlichen Gesteinsarten und/oder Formationen, der Einstellung des Werkzeugbelags, der Drehung des Werkzeugstrangs (d.h. gleitend oder drehend, je nach Art des Bohrmotors), dem Gewicht am Bohrmeißel 114, dem Durchsatz von Bohrspülungen durch und um den Werkzeugstrang, dem Verschleiß des Bohrmeißels 114 und anderer Werkzeuge in der BHA 104, den Vibrationen in dem Bohrstrang 106, Kombinationen davon und dergleichen.
Während der Werkzeugstrang in die Formation 304 vordringt, kann die BHA 104 konfiguriert sein, um Vermessungen an diversen Punkten 308 entlang dem tatsächlichen Bohrlochverlauf 306 vorzunehmen, um genau zu bestimmen, wo sich der Werkzeugstrang befindet und ob der tatsächliche Bohrlochverlauf 306 dem theoretischen Bohrlochverlauf 300 innerhalb der Formation 304 folgt. Vermessungen können regelmäßig vorgenommen werden, während der Werkzeugstrang vordringt, wie etwa alle 45 Fuß, alle 75 Fuß, alle 90 Fuß oder in einem beliebigen Abstand oder mit einer beliebigen Frequenz, je nach Wunsch des Bohrlochbetreibers. Derartige Vermessungen können einen Bohrlochbetreiber (oder ein automatisiertes System, wie etwa das Controller-Modul 210 aus 2) in Echtzeit darüber informieren, ob Richtungsänderungen notwendig sind, um die Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs 306 umzuorientieren und sie dadurch wieder auf den theoretischen Bohrlochverlauf 300 auszurichten.
Obwohl es mehrere Verfahren zum Umlenken des Werkzeugstrangs geben kann, so dass der tatsächliche Bohrlochverlauf 306 umkehren und dem theoretischen Bohrlochverlauf 300 folgen kann, stellt die vorliegende Offenbarung ein Bahnsteuermodul bereit, das dies basierend auf dem Kriterium der geringsten Bohrlochenergie ausführt, um Überschreitungen und Schwankungen von Bohrlochbahnen zu minimieren. Die Prozessparameter, die berücksichtigt werden, umfassen die Länge zwischen den Vermessungsstationen 308, die Neigungsänderungsrate zwischen den Vermessungsstationen 308 und die Azimutänderungsrate zwischen den Vermessungsstationen 308. Mindestens eines von dem symmetrischen tangentialen Verfahren, dem Verfahren der geringsten Krümmung und dem natürlichen Kurvenverfahren kann verwendet werden, um diese Parameter zu berechnen. Durch Anwenden von Bohrlochverhältnissen geringster Energie kann eine einzigartige Lösung dieser Parameter erzielt werden, die somit zur optimalen Verwendung der Werkzeugstrangausrüstung und einem gleichmäßigeren Bohrloch führt.
Es kann sich ferner als vorteilhaft erweisen, diese Vorgänge derart zu automatisieren, dass ein Eingreifen des Betreibers von der Oberfläche aus im Allgemeinen unnötig ist. Vielmehr kann ein Untertage-Computersystem, wie etwa das Controller-Modul 210 (2) die Untertagebahnen basierend auf aktualisierten Vermessungen autonom automatisch umleiten. Mit anderen Worten können gemäß der vorliegenden Offenbarung dem Controller-Modul 210 Echtzeitaktualisierungen darüber bereitgestellt werden, wo sich der Werkzeugstrang im Verhältnis zu dem geplanten Bohrlochverlauf 300 befindet, und es kann je nach Bedarf konfiguriert sein, um einen Rückweg zu bestimmen, der eine minimale inkrementale Bohrlochenergie aufweist.
Um eine Rückkehr geringster Energie zu dem theoretischen Bohrlochverlauf 300 zu erreichen, muss man die Krümmung und die Verdrehung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs 306, der zu dem theoretischen Bohrlochverlauf 300 zurückkehrt, minimieren. Das energiebasierte mathematische Kriterium, das verwendet wird, um die Komplexität einer Bohrlochverlauf-Bauform zu quantifizieren, verwendet typischerweise den physischen Sinn statt der geometrischen Bedeutung eines Bohrlochverlaufs. Die nicht lineare Kurvenmodellierung eines dünnen elastischen Strahls ist beispielsweise als Mindestenergiekurve bekannt und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie sich möglichst wenig biegt, während sie durch einen bestimmten Satz von Punkten geht. Da es einfach ist, glatte Kurven zu erzeugen, wird sie als ausgezeichnetes Kriterium angesehen. Dieses Kriterium kann demnach verwendet werden, um die Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs 306 zu beschreiben, der zu dem theoretischen Bohrlochverlauf 300 zurückkehrt. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass sie verwendet werden kann, um die Schwankung der Krümmung des Bohrlochverlaufs bei kurvigen Formen des Bohrlochverlaufs, die unter Verwendung herkömmlicher Verfahren erzielt werden, zu verstärken.
Die Formänderungsarbeit (Es) eines Bohrlochverlaufs (z.B. des tatsächlichen Bohrlochverlaufs 306, der zu dem theoretischen Bohrlochverlauf 300 zurückkehrt) wird als Bogenlängenintegral der Krümmung (κ) zum Quadrat angegeben:
Die Krümmung des Bohrlochverlaufs kann folgendermaßen angegeben werden:
wobei x der Streckenlängenabstand zwischen den Vermessungsstationen oder Punkten 308 (1) ist, s die Bogenlänge von x ist, und r(s) der Radius der Bogenlänge s ist. Die Krümmung κ gibt auch den Tangentenvektor |i| des Bohrlochverlaufs an. Alternativ kann die Krümmung des Bohrlochverlaufs auch folgendermaßen angegeben werden: κ = dα / ds Gl. (3) wobei α die Neigung des Bohrlochverlaufs ist, wie sie aus mindestens zwei Echtzeitmessungen erzielt wird, die in der BHA an entsprechenden Vermessungsstationen 308 erzielt werden (3). Unter Verwendung der Krümmung des Bohrlochverlaufs kann die Verdrehung des Bohrlochverlaufs auch folgendermaßen bestimmt werden:
wobei φ der Azimut des Bohrlochverlaufs ist, wie er aus mindestens zwei Echtzeitmessungen erzielt wird, die in der BHA an entsprechenden Vermessungsstationen 308 erzielt werden (3). Die beiden Berechnungen für Krümmung und Verdrehung sind von der Neigung (α), dem Azimut (φ) und der Streckenlänge (d) abhängig (d.h. dem Abstand zwischen den Vermessungsstationen 308).
Mit der Einbeziehung des Verdrehungs-(τ)Parameters als Bogenlängenintegral der Verdrehung (τ) zum Quadrat wird die Mindestenergiegleichung (1) umfassender für die Bauform des Bohrlochverlaufs, die konfiguriert ist, um den tatsächlichen Bohrlochverlauf 306 zum theoretischen Bohrlochverlauf 300 zurückzubringen. Diese Gleichung kann folgendermaßen angegeben werden:
Die Gleichung (5) kann ferner auf eine standardmäßige Bohrloch-Streckenlänge zwischen den Vermessungsstationen oder Punkten 308 (3) normiert und folgendermaßen angegeben werden:
Entsprechend wandeln die Mindestenergiegleichungen Differenzialänderungen der Krümmung, Verdrehung und der Formänderungsarbeit des Rückwegs (d.h. des tatsächlichen Bohrlochverlaufs 306, der zum theoretischen Bohrlochverlauf 300 zurückkehrt) in berechnete Werte um. Diese berechneten Werte können unter Verwendung eines Computersystems, wie etwa des Controller-Moduls 210 aus 2, bestimmt werden.
Nun mit Bezug auf 4 und weiter mit Bezug auf 1 bis 3 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Systems 400 abgebildet, das konfiguriert sein kann, um die hier beschriebenen Verfahren gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen auszuführen. Wie abgebildet, kann das System 400 das Controller-Modul 210, wie es im Allgemeinen zuvor mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, umfassen, das kommunikationsmäßig mit einem Bohrsystem 402 und einem Messsystem 404 gekoppelt ist. Das Messsystem 404 kann beispielsweise das MWD/LWD-Gerät 204 und den Sensorübergang 208 aus 2 umfassen, um Richtungsinformationen, mechanische Informationen, Formationsinformationen und dergleichen zu erheben und zu übertragen. Die aktualisierten Richtungsinformationen der BHA 104 (2), wie etwa Streckenlänge, Neigung und Azimut, können in Echtzeit erzielt und an das Controller-Modul 202 in Form von einem oder mehreren Messsignalen 406 übertragen werden.
Das Controller-Modul 202 kann eine Verarbeitungseinheit umfassen, die konfiguriert sein kann, um die Messsignale 406 zu empfangen und zu verarbeiten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinheit ein Proportional-Integral-Differenzial-(PID)Controller-Modul oder System sein. Die Verarbeitungseinheit kann ferner konfiguriert sein, um die Messsignale 406 mit gespeicherten Verlaufsdaten zu vergleichen, die dem geplanten Bohrlochverlauf 300 entsprechen (3). Wenn die Messsignale 406, wie sie in dem Controller-Modul 202 verarbeitet werden, angeben, dass der tatsächliche Bohrlochverlauf 306 (3) von dem geplanten Bohrlochverlauf 300 abgewichen ist, kann das Controller-Modul 202 konfiguriert sein, um die Mindestenergiegleichungen, die zuvor beschrieben wurden, zu verwenden und einen Rückweg für den tatsächlichen Bohrlochverlauf 306 zu berechnen, der zu einer minimalen inkrementalen Bohrlochenergie führt.
Unter Verwendung der Ergebnisse, die aus den Mindestenergiegleichungen abgeleitet werden, kann das Controller-Modul 202 konfiguriert sein, um ein oder mehrere Korrekturbefehlssignale 408 zu generieren und an das Bohrsystem 402 zu senden, um die Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs 306 derart umzuorientieren, dass sie auf den geplanten Bohrlochverlauf 300 trifft. Das Bohrsystem 402 kann beispielsweise die Lenkbaugruppe 202 (2) und den Bohrmeißel 114 (2) umfassen. Bei Empfang der Korrekturbefehlssignale 408 kann die Lenkbaugruppe 202 einen oder mehrere Bohrparameter anpassen, um den Bohrmeißel 114 in Richtung auf den geplanten Bohrlochverlauf 300 umzuleiten. Beispielhafte Bohrparameter umfassen ohne Einschränkung das Gewicht am Meißel, den Bohrspülungsfluss durch den Bohrstrang 106 (2), die Drehzahl des Bohrstrangs 106, die Dichte und Viskosität der Bohrspülung, den Azimut und die Neigung der BHA 104, die Richtung der Werkzeugauflage, den Biegungswinkel, Kombinationen davon und dergleichen.
Während das Bohren fortschreitet und in der unterirdischen Formation 304 vordringt (3), kann das Messsystem 404 konfiguriert sein, um ständig Vermessungen 410 vorzunehmen oder anderweitig zu erzielen, die den Echtzeitverhältnissen der Bohrarbeiten entsprechen. Bei einigen Ausführungsformen können die Vermessungen 410 an den Vermessungspunkten 308 erfolgen (3), können jedoch ebenso jederzeit während der Bohrarbeiten erfolgen, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen. Während die Bohrarbeiten fortschreiten, wird das Controller-Modul 202 entsprechend ständig mit Echtzeit-Messdaten 406 aktualisiert, die Richtungsinformationen (d.h. Neigungs- und Azimutwinkel in Echtzeit) der BHA 104 entsprechen (2), und kann dann Korrekturbefehlssignale 408 ausgeben, die konfiguriert sind, um den tatsächlichen Bohrlochverlauf 306 in Übereinstimmung mit dem geplanten Bohrlochverlauf 300 zu halten. Da des Weiteren die Mindestenergiegleichungen beim Generieren der Korrekturbefehlssignale 408 verwendet werden, ergibt sich ein gleichmäßigeres Bohrlochprofil, das den Widerstand und die Reibung insgesamt reduziert.
Basierend auf den Berechnungen, die in dem Controller-Modul 210 ausgeführt werden, kann man die Energie des Bohrlochverlaufs sowie seine Form einschätzen. Beispielsweise misst das Messsystem 404 automatisch zwischen zwei Vermessungsstationen (z.B. den Stationen 308 aus 3), wodurch das Controller-Modul 210 den Bohrlochverlauf derart einstufen kann, dass eine Untertage-Automatisierung über das Bohrsystem 402 automatisch angepasst werden kann. Wenn eine bestimmte mathematische Bedingung erfüllt ist, kann das Controller-Modul 210 bestimmen oder anderweitig darauf schließen, welche Form der Bohrlochverlauf aufweist, und dadurch ein Korrekturbefehlssignal 408 generieren, das ausgelegt ist, um die Bohrlochbahn zu korrigieren.
Wenn beispielsweise zwischen zwei Vermessungspunkten keine Krümmung (κ) gemessen oder anderweitig bestimmt wird, kann es sein, dass sich der Bohrlochverlauf in einem so genannten „Halte-”Modus befindet. Das Controller-Modul 210 kann den aktuellen Bohrlochverlauf als im Wesentlichen gerade einstufen und bestätigen, dass zwischen diesen beiden Vermessungspunkten eine Mindestenergie verbraucht wird. Für Bohrlochverläufe in einer zweidimensionalen (2D) Ebene, wenn die Verdrehung (τ), die in der BHA 104 gemessen wird, im Wesentlichen gleich null ist, dann ist die mathematische Bedingung erfüllt, die angibt, dass der Bohrlochverlauf ein 2D-Verlauf ist, wenn der Bohrlochverlauf eine ebene Kurve ist. Mit anderen Worten wird bei diesen Bohrlochverläufen nur auf Grund der Krümmung (κ) Energie beigesteuert, und der Bohrlochverlauf kann als ebene Kurve eingestuft werden. Wenn ähnlich die Krümmung (κ) des Bohrlochverlaufs konstant aber größer oder kleiner als null ist (z.B. entweder zunehmend oder abnehmend), und die Verdrehung (τ) im Wesentlichen gleich null ist, dann ist die Bedingung erfüllt, die angibt, dass der Bohrlochverlauf ein 2D-Verlauf ist, wenn der Bohrlochverlauf Teil eines Kreises ist. Mit anderen Worten wird nur auf Grund der Krümmung (κ) Energie beigesteuert, die jedoch ansonsten konstant bleibt.
Für Bohrlochverläufe im dreidimensionalen (3D) Raum ist die mathematische Bedingung erfüllt, die angibt, dass der Bohrlochverlauf ein 3D-Verlauf ist, wenn die Krümmung (κ) konstant jedoch größer als null ist, und die Verdrehung (t) konstant jedoch größer als null ist, wenn der Bohrlochverlauf Teil einer kreisförmigen Schraubenlinie ist bzw. τ/κ konstant ist. In solchen Fällen wird Energie sowohl auf Grund der Krümmung (κ) als auch der Verdrehung (τ) beigetragen, bleibt jedoch konstant. Wenn die τ/κ-Verdrehung ähnlich größer oder kleiner als null ist, dann ist die mathematische Bedingung erfüllt, die angibt, dass der Bohrlochverlauf ein 3D-Verlauf ist, und der Bohrlochverlauf kann als spiralförmiger radialer Verlauf eingestuft werden, der allmählich zunimmt.
Für 3D-Bohrlochverläufe kann das Controller-Modul 210 bei einigen Ausführungsformen ferner konfiguriert sein, um den Rotationsindex (I) für den Bohrlochverlauf zu berechnen oder zu bestimmen. Der Rotationsindex ist eine geometrische Größe, welche die Anzahl von Windungen in einer Kurve und die positive Schleifenbildung schätzt, wenn die Senkrechte nach innen orientiert ist (d.h. die Kurve schreitet im Gegenuhrzeigersinn fort). Das Berechnen des Rotationsindexes ist eine andere Möglichkeit, die Kennlinie einer räumlichen Kurve zwischen den beiden Vermessungsstationen zu definieren, und kann verwendet werden, um dazu beizutragen, die Bahn des Bohrlochverlaufs zu definieren oder anderweitig zu beschreiben. Der Rotationsindex kann aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei
der Gesamtkrümmung entspricht, die gleich 2π multipliziert mit dem Rotationsindex der Kurve ist. Beispielsweise ist der Rotationsindex einer ebenen Kurve, wie etwa eines Kreises, oder von Kurven, die durch Verformen eines Kreises erzielt werden, immer gleich eins. Ganz allgemein kann er für eine räumliche Kurve, welche die gesamte Krümmung verwendet, wie folgt gegeben werden:
Unter Verwendung der obigen Gleichung (5) ist ersichtlich, dass: I = 1 / 2πE_s Gl. (9)
D.h. je größer die Drehung oder Spiralbildung innerhalb des aktuellen Bohrungsverlaufs, desto größer die Energie des Bohrlochverlaufsprofils, oder desto mehr Energie wird zum Bohren benötigt, um zu dem geplanten Bohrlochverlauf 300 zurückzukehren. Die Berechnung des Rotationsindexes durch das Controller-Modul 210 kann sich bei der Bestimmung einer neuen Neigung, eines neuen Azimuts und einer neuen Formänderungsarbeit basierend auf der Drehung des Werkzeugstrangs zwischen den beiden Vermessungsstationen als nützlich erweisen. Basierend auf der Energiezunahme stellt dies auch eine Schätzung dafür bereit, wie der Bohrungsverlauf spiralförmig verläuft.
Entsprechend kann das Controller-Modul 210 bestimmen oder anderweitig darauf schließen, welche Form der Bohrlochverlauf zwischen den Vermessungsstationen aufweist, basierend auf den Messungen, die von dem Messsystem 404 und den internen Berechnungen erzielt werden. Die Kenntnis der Form des Bohrlochverlaufs kann nützlich sein, damit das Controller-Modul 210 automatisch Korrekturbefehlssignale 408 generieren kann, die dazu ausgelegt sind, um die Bohrlochbahn zu korrigieren, wodurch anschließende Anpassungen am Bohrsystem 402 in Echtzeit automatisiert werden.
Nun mit Bezug auf 5 und weiter mit Bezug auf 4 ist ein schematisches Diagramm des Controller-Moduls 210 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen abgebildet. Die vorliegende Offenbarung kann durch ein computerausführbares Programm mit Anweisungen, wie etwa Programmmodulen, die allgemein als Software-Anwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einem Computer, wie etwa dem Controller-Modul 210, ausgeführt werden, umgesetzt werden. Die Software kann beispielsweise Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen umfassen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen umsetzen. Die Software bildet eine Schnittstelle, um es dem Controller-Modul 210 zu ermöglichen, gemäß einer Eingangsquelle zu reagieren.
Ein Anwendungsprogramm 502 kann als Schnittstellen-Anwendung verwendet werden, um die hier offenbarten Verfahren umzusetzen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Anwendungsprogramm WELLPLAN^TM sein, eine handelsübliche Software-Anwendung, die von Landmark Graphics Corporation vertrieben wird. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenwirken, um diverse Arbeitsschritte als Reaktion auf Daten, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden, einzuleiten. Das Anwendungsprogramm 502 kann in einem Speicher 504 gespeichert sein. Der Speicher 504 speichert hauptsächlich das Anwendungsprogramm 502, das man auch als Programmmodul beschreiben kann, das nicht vorübergehende, computerausführbare Anweisungen enthält, die von dem Controller-Modul 210 ausgeführt werden, um die hier offenbarten Verfahren umzusetzen. Der Speicher 504 kann demnach ferner ein Bohrloch-Bahnmodul 506 umfassen, das Daten einbezieht, die dem geplanten Bohrlochverlauf 300 entsprechen (3), und das in der Lage sein kann, in Verbindung mit dem Anwendungsprogramm 502 (d.h. WELLPLAN^TM) zu funktionieren.
Obwohl das Controller-Modul 210 gezeigt wird, wie es einen gattungsgemäßen Speicher 504 aufweist, kann das Controller-Modul 210 diverse computerlesbare Medien umfassen. Beispielhaft und ohne Einschränkung können die computerlesbaren Medien Computerspeichermedien und Kommunikationsmedien umfassen. Der Speicher 504 kann Computerspeichermedien in Form eines flüchtigen und/oder nicht flüchtigen Speichers umfassen, wie etwa einen Festspeicher (ROM) und einen Arbeitsspeicher (RAM). Ein BIOS („Basic Input/Output System”), das die grundlegenden Routinen enthält, die dabei behilflich sind, Informationen zwischen Elementen innerhalb des Controller-Moduls 210 zu übertragen, wie etwa beim Hochfahren, ist typischerweise im ROM gespeichert. Der RAM enthält typischerweise Daten und/oder Programmmodule, die sofort zugänglich sind und/oder derzeit von einer Verarbeitungseinheit 508 bearbeitet werden.
Die Komponenten, die in dem Speicher 504 gezeigt werden, können auch in anderen auswechselbaren/ nicht auswechselbaren/ flüchtigen/ nicht flüchtigen Computerspeichermedien enthalten sein. Rein beispielhaft kann ein Festplattenlaufwerk nicht auswechselbare, nicht flüchtige magnetische Medien lesen oder darauf schreiben, ein Magnetplattenlaufwerk kann eine auswechselbare, nicht flüchtige Magnetplatte lesen oder darauf schreiben, und ein optisches Plattenlaufwerk kann eine auswechselbare, nicht flüchtige optische Platte, wie etwa eine CD-ROM, oder andere optische Medien lesen oder darauf schreiben. Andere auswechselbare/ nicht auswechselbare, flüchtige/ nicht flüchtige Computerspeichermedien, die in der beispielhaften Betriebsumgebung verwendet werden können, können ohne Einschränkung Magnetbandkassetten, Flash-Speicherkarten, DVDs, digitales Videoband, einen Halbleiter-RAM, einen Halbleiter-ROM und dergleichen umfassen. Die Laufwerke und ihre zuvor besprochenen dazugehörigen Computerspeichermedien stellen die Speicherung von computerlesbaren Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodulen und anderen Daten für das Controller-Modul 210 bereit.
Ein Bohrlochbetreiber kann Befehle und Informationen in das Controller-Modul 210 über eine Client-Schnittstelle 510 eingeben, die eine oder mehrere Eingabevorrichtungen umfassen kann, wie etwa eine Tastatur und eine Zeigevorrichtung, die gewöhnlich als Maus, Rollkugel oder Berührungsfeld bezeichnet wird. Die Eingabevorrichtungen können auch ein Mikrofon, einen Joystick, eine Satellitenschüssel, einen Scanner oder dergleichen umfassen. Diese und andere Eingabevorrichtungen können auch über die Client-Schnittstelle 510 und über einen Systembus (nicht gezeigt) an die Verarbeitungseinheit 508 angeschlossen sein, können jedoch über andere Schnittstellen- und Busstrukturen, wie etwa einen Parallelanschluss oder einen universellen seriellen Bus (USB), angeschlossen sein. Ein Monitor oder eine andere Art von Anzeigevorrichtung kann über eine Schnittstelle, wie etwa eine Videoschnittstelle, an dem Systembus angeschlossen sein. Zusätzlich zu dem Monitor können die Computer auch andere Peripherie-Ausgabevorrichtungen umfassen, wie etwa Lautsprecher und Drucker, die über eine Ausgangsperipherie-Schnittstelle angeschlossen sein können.
Obwohl zahlreiche andere interne Komponenten des Controller-Moduls 210 nicht gezeigt werden, wird der Fachmann auf dem Gebiet verstehen, dass diese Komponenten und ihre Zusammenschaltung wohlbekannt sind. Des Weiteren wird der Fachmann verstehen, dass die Verfahren der Offenbarung mit diversen Computersystemkonfigurationen in die Praxis umgesetzt werden können, wozu Handgeräte, Multiprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte oder programmierbare Verbraucherelektronik, Minicomputer, Großrechner und dergleichen gehören. Eine beliebige Anzahl von Computersystemen und Computernetzwerken ist zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung annehmbar. Die Offenbarung kann in verteilten Computerumgebungen in die Praxis umgesetzt werden, wobei die Arbeitsschritte von Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetzwerk verknüpft sind. In einer verteilten Computerumgebung können sich Programmmodule sowohl in lokalen als auch in entfernten Computerspeichermedien, wozu Speichervorrichtungen gehören, befinden. Die vorliegende Offenbarung kann daher in Verbindung mit diverser Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem umgesetzt werden.
Nun ist mit Bezug auf 7 ein Ablaufschema für ein Verfahren 700 zum Automatisieren von Bohrarbeiten gemäß einer oder mehreren hier beschriebenen Ausführungsformen abgebildet. Das Verfahren 700 kann das Vordringen einer Bohrlochgarnitur (BHA) innerhalb einer unterirdischen Formation umfassen, um ein Bohrloch zu bilden, wie etwa bei 702. Das Bohrloch kann entlang einem tatsächlichen Bohrlochverlauf gebildet werden, kann jedoch einem geplanten Bohrlochverlauf folgen. Die BHA kann ein Controller-Modul, einen oder mehrere Sensoren und eine Lenkbaugruppe umfassen. Vermessungen können mit dem einen oder den mehreren Sensoren an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang dem tatsächlichen Bohrlochverlauf vorgenommen werden, wie etwa bei 704.
Das Verfahren 700 kann ferner das Vergleichen der Vermessungen mit Daten, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, umfassen, wie etwa bei 706. Ein derartiger Vergleich kann innerhalb des Controller-Moduls erfolgen oder anderweitig verarbeitet werden. Ein Rückweg kann dann auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs basierend bestimmt werden, wie etwa bei 708. Dies kann bestimmt werden, wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist, und es können dann Korrekturmaßnahmen notwendig sein. Entsprechend kann der Lenkbaugruppe ein Korrekturbefehlssignal zugeführt werden, um den tatsächlichen Bohrlochverlauf umzuorientieren, wie etwa bei 710. Mit anderen Worten kann das Controller-Modul konfiguriert sein, um das Korrekturbefehlssignal an die Lenkbaugruppe zu übertragen, um die Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs derart zu ändern, dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.
Die hier offenbarten Ausführungsformen umfassen:

A. Ein Verfahren, welches das Vordringen einer Bohrlochgarnitur (BHA) innerhalb einer unterirdischen Formation und dadurch das Bilden eines Bohrlochs entlang einem tatsächlichen Bohrlochverlauf, wobei die BHA ein Controller-Modul, einen oder mehrere Sensoren und eine Lenkbaugruppe umfasst, das Vornehmen von Vermessungen mit dem einen oder den mehreren Sensoren an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang dem tatsächlichen Bohrlochverlauf, das Vergleichen der Vermessungen mit Daten, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, mit dem Controller-Modul, das Bestimmen mit dem Controller-Modul eines Rückwegs basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist, und das Übertragen eines Korrekturbefehlssignals an die Lenkbaugruppe mit dem Controller-Modul, um eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs umzuorientieren, so dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt, umfasst.
B. Ein System zum Bohren eines Bohrlochs. Das System kann ein Messsystem, das konfiguriert ist, um Vermessungen an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang einem tatsächlichen Bohrlochverlauf zu erzielen, ein Controller-Modul, das kommunikationsmäßig mit dem Messsystem gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Vermessungen mit Daten zu vergleichen, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, und wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist, um einen Rückweg basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs zu bestimmen, und ein Bohrsystem, das kommunikationsmäßig mit dem Controller-Modul gekoppelt ist, wobei das Bohrsystem konfiguriert ist, um ein oder mehrere Korrekturbefehlssignale von dem Controller-Modul zu empfangen und eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs derart umzuorientieren, dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt, umfassen.
C. Ein nicht vorübergehendes computerlesbares Medium, auf dem computerlesbare Anweisungen gespeichert sind, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor konfigurieren, um Funktionen auszuführen, zu denen das Vornehmen von Vermessungen mit einem oder mehreren Sensoren, der bzw. die in einer Bohrlochgarnitur (BHA) an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang einem Bohrloch, das von der BHA gebohrt wird, angeordnet ist bzw. sind, wobei die BHA in eine unterirdische Formation vordringt und dadurch einen tatsächlichen Bohrlochverlauf bildet, das Vergleichen der Vermessungen mit Daten, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, mit dem Controller-Modul, das in der BHA angeordnet ist, das Bestimmen mit dem Controller-Modul eines Rückwegs basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abweicht, und das Übertragen eines Korrekturbefehlssignals an eine Lenkbaugruppe der BHA mit dem Controller-Modul, um eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs umzuorientieren, so dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt, gehören.

Jede der Ausführungsformen A, B und C kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in einer beliebigen Kombination aufweisen: Element 1: ferner umfassend das Automatisieren des Vornehmens der Vermessungen, der Bestimmung des Rückwegs und der Umorientierung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, so dass die BHA autonom zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt. Element 2: wobei das Bestimmen mit dem Controller-Modul des Rückwegs das Minimieren einer Krümmung und einer Verdrehung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn er zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt, umfasst. Element 3: Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Anpassen eines oder mehrerer Bohrparameter mit der Lenkbaugruppe als Reaktion auf die Korrekturbefehlssignale. Element 4: wobei das Vornehmen der Vermessungen mit dem einen oder den mehreren Sensoren das Messen von Echtzeitverhältnissen des tatsächlichen Bohrlochverlaufs und das Übertragen der Vermessungen an das Controller-Modul in Echtzeit umfasst. Element 5: ferner umfassend das Einhalten des tatsächlichen Bohrlochverlaufs entlang dem geplanten Bohrlochverlauf durch autonomes Übertragen der Korrekturbefehlssignale an die Lenkbaugruppe in Echtzeit. Element 6: ferner umfassend das Bestimmen einer Form des tatsächlichen Bohrlochverlaufs mit dem Controller-Modul. Element 7: ferner umfassend das Generieren des Korrekturbefehlssignals mindestens teilweise basierend auf der Form des tatsächlichen Bohrlochverlaufs. Element 8: ferner umfassend das Berechnen mit dem Controller-Modul eines Rotationsindexes für den tatsächlichen Bohrlochverlauf.
Element 9: wobei das Messsystem mindestens eines von einem Gerät zum Messen während des Bohrvorgangs und einem Gerät zum Aufzeichnen während des Bohrvorgangs umfasst. Element 10: wobei das Gerät zum Messen während des Bohrvorgangs konfiguriert ist, um Richtungsinformationen für eine Bohrlochgarnitur zu messen und zu erzielen, wobei die Richtungsinformationen Neigungs- und Azimutwinkel der Bohrlochgarnitur umfassen. Element 11: wobei das Bohrsystem ein drehbares und lenkbares Werkzeug und mindestens einen Bohrmeißel, der damit betriebsfähig gekoppelt ist, umfasst. Element 12: wobei das drehbare und lenkbare Werkzeug das eine oder die mehreren Korrekturbefehlssignale von dem Controller-Modul empfängt und einen oder mehrere Bohrparameter anpasst, um die Bahn mindestens eines Bohrmeißels derart umzuorientieren, dass der tatsächliche Bohrlochverlauf zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt. Element 13: wobei der eine oder die mehreren Bohrparameter mindestens eines sind von Gewicht am Meißel, Bohrspülungsfluss durch einen Bohrstrang, Drehzahl des Bohrstrangs, Dichte und Viskosität der Bohrspülung und Azimut und Neigung einer Bohrlochgarnitur. Element 14: wobei das Controller-Modul eine Verarbeitungseinheit umfasst, die konfiguriert ist, um eine Krümmung und eine Verdrehung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, der zu dem geplanten Bohrloch zurückkehrt, zu minimieren.
Daher sind die offenbarten Systeme und Verfahren gut geeignet, um die erwähnten Zwecke und Vorteile sowie diejenigen, die damit einhergehen, zu erreichen. Die zuvor offenbarten bestimmten Ausführungsformen sind rein erläuternd, da die Lehren der vorliegenden Offenbarung geändert und auf andere aber gleichwertige Art und Weise, die für den Fachmann, der über die vorliegenden Lehren verfügt, ersichtlich ist, in die Praxis umgesetzt werden können. Ferner sind keine anderen Einschränkungen für die Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Gestaltung als in den nachstehenden Ansprüchen beschrieben beabsichtigt. Es ist demnach offensichtlich, dass die zuvor offenbarten bestimmten erläuternden Ausführungsformen abgeändert, kombiniert oder modifiziert werden können, und dass alle Variationen als zum Umfang der vorliegenden Offenbarung gehörend angesehen werden.
Die hier erläuternd offenbarten Systeme und Verfahren können ohne ein beliebiges Element, das hier nicht speziell offenbart ist, und/oder ein hier offenbartes optionales Element geeignet in die Praxis umgesetzt werden. Obwohl die Zusammensetzungen und Verfahren mit Begriffen wie diverse Komponenten oder Schritte „umfassend” oder „enthaltend” beschrieben werden, können die Zusammensetzungen und Verfahren auch aus den diversen Komponenten und Schritten „im Wesentlichen bestehen” oder „bestehen”. Alle zuvor offenbarten Zahlen und Bereiche können einigermaßen variieren. Jedes Mal wenn ein Zahlenbereich mit einer unteren Grenze und einer oberen Grenze offenbart wird, wird jede Zahl und jeder enthaltene Bereich, der in den Bereich fällt, speziell offenbart. Insbesondere versteht es sich, dass jeder hier offenbarte Wertebereich (mit der Form „von ungefähr a bis ungefähr b” oder gleichbedeutend „von etwa a bis b” oder gleichbedeutend „von ungefähr a–b”) als jede Zahl und jeden Bereich, die bzw. der innerhalb des breiteren Wertebereichs enthalten ist, darlegend zu deuten ist. Auch haben die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache normale Bedeutung, soweit nicht ausdrücklich und deutlich vom Patentinhaber anderweitig definiert. Des Weiteren sind die unbestimmten Artikel „ein, eine, ein”, wie sie in den Ansprüchen verwendet werden, hier definiert, um eines oder mehr als eines der Elemente zu bedeuten, die sie einführen. Wenn bei den Verwendungen eines Wortes oder eines Begriffs in der vorliegenden Beschreibung und einem oder mehreren Patenten oder anderen Druckschriften, die hier zur Bezugnahme übernommen werden können, ein Widerspruch besteht, gelten die Definitionen, die mit der vorliegenden Beschreibung übereinstimmen.

Claims

Verfahren, umfassend folgende Schritte: Vorrücken einer Bohrlochgarnitur (BHA) innerhalb einer unterirdischen Formation und dadurch Bilden eines Bohrlochs entlang einem tatsächlichen Bohrlochverlauf, wobei die BHA ein Controller-Modul, einen oder mehrere Sensoren und eine Lenkbaugruppe umfasst; Vornehmen von Vermessungen mit dem einen oder den mehreren Sensoren an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang dem tatsächlichen Bohrlochverlauf; Vergleichen mit dem Controller-Modul der Vermessungen mit Daten, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen; Bestimmen mit dem Controller-Modul eines Rückwegs basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist; und Übertragen eines Korrekturbefehlssignals an die Lenkbaugruppe mit dem Controller-Modul, um eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs umzuorientieren, so dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Automatisieren des Vornehmens der Vermessungen, der Bestimmung des Rückwegs und der Umorientierung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, so dass die BHA autonom zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen mit dem Controller-Modul des Rückwegs das Minimieren einer Krümmung und einer Verdrehung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn er zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Anpassen eines oder mehrerer Bohrparameter mit der Lenkbaugruppe als Reaktion auf die Korrekturbefehlssignale.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Vornehmen der Vermessungen mit dem einen oder den mehreren Sensoren folgende Schritte umfasst: Messen von Echtzeitverhältnissen des tatsächlichen Bohrlochverlaufs; und Übertragen der Vermessungen an das Controller-Modul in Echtzeit.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Einhalten des tatsächlichen Bohrlochverlaufs entlang dem geplanten Bohrlochverlauf durch autonomes Übertragen der Korrekturbefehlssignale an die Lenkbaugruppe in Echtzeit.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bestimmen einer Form des tatsächlichen Bohrlochverlaufs mit dem Controller-Modul.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend das Generieren des Korrekturbefehlssignals mindestens teilweise basierend auf der Form des tatsächlichen Bohrlochverlaufs.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Berechnen mit dem Controller-Modul eines Rotationsindexes für den tatsächlichen Bohrlochverlauf.
System zum Bohren eines Bohrlochs, umfassend: ein Messsystem, das konfiguriert ist, um Vermessungen an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang einem tatsächlichen Bohrlochverlauf zu erzielen; ein Controller-Modul, das kommunikationsmäßig mit dem Messsystem gekoppelt ist und konfiguriert ist, um die Vermessungen mit Daten zu vergleichen, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, und wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abgewichen ist, um einen Rückweg basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs zu bestimmen; und ein Bohrsystem, das kommunikationsmäßig mit dem Controller-Modul gekoppelt ist, wobei das Bohrsystem konfiguriert ist, um ein oder mehrere Korrekturbefehlssignale von dem Controller-Modul zu empfangen und eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs derart umzuorientieren, dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.
System nach Anspruch 10, wobei das Messsystem mindestens eines von einem Gerät zum Messen während des Bohrvorgangs und einem Gerät zum Aufzeichnen während des Bohrvorgangs umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei das Gerät zum Messen während des Bohrvorgangs konfiguriert ist, um Richtungsinformationen für eine Bohrlochgarnitur zu erzielen, wobei die Richtungsinformationen Neigungs- und Azimutwinkel der Bohrlochgarnitur umfassen.
System nach Anspruch 10, wobei das Bohrsystem ein drehbares und lenkbares Werkzeug und mindestens einen Bohrmeißel, der damit betriebsfähig gekoppelt ist, umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei das drehbare und lenkbare Werkzeug das eine oder die mehreren Korrekturbefehlssignale von dem Controller-Modul empfängt und einen oder mehrere Bohrparameter anpasst, um die Bahn mindestens eines Bohrmeißels derart umzuorientieren, dass der tatsächliche Bohrlochverlauf zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.
System nach Anspruch 14, wobei der eine oder die mehreren Bohrparameter mindestens eines von Gewicht am Meißel, Bohrspülungsfluss durch einen Bohrstrang, Drehzahl des Bohrstrangs, Dichte und Viskosität der Bohrspülung und Azimut und Neigung einer Bohrlochgarnitur sind.
System nach Anspruch 10, wobei das Controller-Modul eine Verarbeitungseinheit umfasst, die konfiguriert ist, um eine Krümmung und eine Verdrehung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, der zu dem geplanten Bohrloch zurückkehrt, zu minimieren.
Nicht vorübergehendes, computerlesbares Medium, umfassend computerlesbare Anweisungen, die darauf gespeichert sind und die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor konfigurieren, um Funktionen auszuführen, die Folgendes umfassen: Vornehmen von Vermessungen mit einem oder mehreren Sensoren, der bzw. die in einer Bohrlochgarnitur (BHA) an zwei oder mehreren Vermessungsstationen entlang einem Bohrloch, das von der BHA gebohrt wird, angeordnet ist bzw. sind, wobei die BHA in eine unterirdische Formation vordringt und dadurch einen tatsächlichen Bohrlochverlauf bildet; Vergleichen der Vermessungen mit Daten, die einem geplanten Bohrlochverlauf entsprechen, mit dem Controller-Modul, das in der BHA angeordnet ist; Bestimmen mit dem Controller-Modul eines Rückwegs basierend auf der Mindestenergie des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, wenn der tatsächliche Bohrlochverlauf von dem geplanten Bohrlochverlauf abweicht; und Übertragen eines Korrekturbefehlssignals an eine Lenkbaugruppe der BHA mit dem Controller-Modul, um eine Bahn des tatsächlichen Bohrlochverlaufs umzuorientieren, so dass sie zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt.
Nicht vorübergehendes, computerlesbares Medium nach Anspruch 17, wobei das Bestimmen mit dem Controller-Modul des Rückwegs das Minimieren einer Krümmung und einer Verdrehung des tatsächlichen Bohrlochverlaufs, der zu dem geplanten Bohrlochverlauf zurückkehrt, umfasst.
Nicht vorübergehendes, computerlesbares Medium nach Anspruch 17, ferner umfassend das Anpassen eines oder mehrerer Bohrparameter mit der Lenkbaugruppe als Reaktion auf die Korrekturbefehlssignale.
Nicht vorübergehendes, computerlesbares Medium nach Anspruch 17, das ferner Folgendes umfasst: Bestimmen mit dem Controller-Modul einer Form des tatsächlichen Bohrlochverlaufs; und Generieren des Korrekturbefehlssignals mindestens teilweise basierend auf der Form des tatsächlichen Bohrlochverlaufs.
Nicht vorübergehendes, computerlesbares Medium nach Anspruch 17, ferner umfassend das Berechnen mit dem Controller-Modul eines Rotationsindexes für den tatsächlichen Bohrlochverlauf.