-
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Bohren eines Schachts für die Gewinnung unterirdischer Ablagerungen und insbesondere Verfahren und Systeme zum Erhalten von Kernproben aus dem Schacht während des oder anschließend an den Bohrprozess(es).
-
2. Allgemeiner Stand der Technik
-
Schächte werden in verschiedenen Tiefen gebohrt, um auf Öl, Gas, Minerale und andere natürlich vorkommende Ablagerungen unterirdischer geologischer Formationen zugreifen und sie fördern zu können. Kohlenwasserstoffe können durch ein Bohrloch gefördert werden, das durch unterirdische Formationen verläuft. Während das Bohrloch gebohrt wird, ist es manchmal wünschenswert, eine geologische Probe des Substrats zu erhalten, durch welches das Bohrloch verläuft. Ein Verfahren zum Sammeln einer Kernprobe beinhaltet das Einführen einer Kernbohranordnung ins Bohrloch, um einen Teil des Substrats in der Kernbohranordnung zu schneiden und zu entfernen. Wenngleich es wünschenswert ist, die Kernprobe zu schützen und Kontaminierung zu verhindern, ist dies aufgrund der Höhe der Fluiddrücke im Bohrloch und der Tendenz derartiger Drücke, die Kernbohranordnung und die Kernprobe zu kontaminieren, schwierig.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1A zeigt eine schematische Ansicht eines Schachts mit einem System zum Erhalten einer Kernprobe aus dem Schacht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
-
1B zeigt eine schematische Ansicht eines Offshore-Schachts, der ein System zum Erhalten einer Kernprobe aus dem Schacht gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufweist;
-
2 zeigt einen Querschnitt einer Vorderansicht eines Kernprobenwerkzeugs gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform;
-
3–7 zeigen einen Querschnitt einer Vorderansicht des Kernprobenwerkzeugs aus 2 während aufeinander folgender Vorbereitungsphasen vor dem Einführen zu einer Bohrlochposition eines Schachts;
-
8–10 zeigen einen Querschnitt einer Vorderansicht des Kernprobenwerkzeugs aus 2 während aufeinander folgender Phasen von Einführ- und Kernbohrungsvorgängen.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die einen Teil von ihr bilden. Diese Ausführungsformen sind in ausreichenden Einzelheiten beschrieben, um es Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, und es versteht sich, dass andere Ausführungsformen verwendet werden können und dass logische strukturelle, mechanische, elektrische und chemische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Um Einzelheiten zu vermeiden, die nicht notwendig sind, um es Fachleuten zu ermöglichen, die hierin beschriebenen Ausführungsformen umzusetzen, können bestimmte Informationen, die Fachleuten bekannt sind, in der Beschreibung ausgelassen werden. Die nachfolgende ausführliche Beschreibung ist demnach nicht als einschränkend auszulegen und der Umfang der veranschaulichenden Ausführungsformen ist nur durch die beigefügten Ansprüche definiert.
-
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen betreffen Systeme, Werkzeuge und Verfahren zum Erhalten einer nicht kontaminierten Kernprobe aus einem Bohrloch. Genauer gesagt sind hierin ein Kernprobenwerkzeug und System offenbart, die Ausgleich oder Kommunikation von Drücken in einer Probenkammer im Verhältnis zu Fluiddrücken im Bohrloch ermöglichen. Durch das möglichst genaue Angleichen der Drücke des Bohrlochfluids an den Druck des Fluids in der Probenkammer wird das Eindringen von Bohrlochfluid und anderen Kontaminanten in die Probenkammer während der Bewegung verhindert.
-
Außer anderweitig angegeben ist jegliche Verwendung jeder Form der Bezeichnungen „verbinden“, „eingreifen“, „koppeln“, „befestigen“ oder einer anderen Bezeichnung, die eine Interaktion zwischen Elementen beschreibt, nicht als die Interaktion auf eine direkte Interaktion zwischen den Elementen einschränkend auszulegen und kann auch indirekte Interaktion zwischen den beschriebenen Elementen beinhalten. In der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen werden die Bezeichnungen „beinhalten“ und „umfassen“ offen verwendet und sind demnach als „beinhaltend, jedoch nicht beschränkt auf“ auszulegen. Außer anderweitig angegeben erfordert „oder“ im in diesem Dokument verwendeten Sinne keine gegenseitige Exklusivität.
-
Im hierin verwendeten Sinne beziehen sich die Ausdrücke „hydraulisch gekoppelt“, „hydraulisch verbunden“, „in hydralischer Kommunikation“, „fluidisch gekoppelt“, „fluidisch verbunden“ und „in Fluidverbindung“ auf eine Form von Kopplung, Verbindung oder Kommunikation in Verbindung mit Fluiden und die entsprechenden mit diesen Fluiden verbundenen Flüsse und Drücke. In einigen Ausführungsformen beschreibt eine hydraulische Kopplung, Verbindung oder Kommunikation zwischen zwei Komponenten Komponenten, die derart verbunden sind, dass Fluiddruck zwischen oder unter den Komponenten übertragen werden kann. Verweise auf eine Fluidkopplung, -verbindung oder -kommunikation zwischen zwei Komponenten beschreiben Komponenten, die derart verbunden sind, dass ein Fluid zwischen oder unter den Komponenten fließen kann. Hydraulisch gekoppelte, verbundene oder kommunizierende Komponenten können bestimmte Anordnungen beinhalten, in denen kein Fluid zwischen den Komponenten fließt, der Fluiddruck jedoch trotzdem übertragen werden kann, wie durch eine Membran oder einen Kolben.
-
Mit Bezugnahme auf 1A ist ein System 100 zum Erhalten einer Kernprobe eines unterirdischen Substrats oder einer unterirdischen Formation 112 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform in einem Schacht 102 angeordnet, der ein Bohrloch 104 aufweist, dass sich von einer Oberfläche 108 des Schachts zu einer unterirdischen Formation und durch eine unterirdische Formation erstreckt. Der Schacht 102 ist in 1A auf dem Festland dargestellt. Wie in 1B dargestellt, kann das System 100 alternativ in einem Unterseeschacht 119 eingesetzt werden, auf den über eine fixierte oder schwimmende Plattform 121 zugegriffen wird. 1A–1B zeigen jeweils mögliche Verwendungen oder Einsätze des Systems 100 und wenngleich sich die nachfolgende Beschreibung des Systems 100 primär auf die Verwendung des Systems 100 während des Bohrprozesses oder anschließend an den Bohrprozess konzentriert, kann das System 100 stattdessen in jeder beliebigen Phase der Schachtentwicklung verwendet werden, einschließlich ohne Einschränkung Aufschluss-, Bohr-, Vollendungs- oder Förderphasen oder in anderen Phasen des Schachts, in denen es wünschenswert sein kann, eine Kernprobe aus dem Schacht zu erhalten.
-
In der in 1A dargestellten Ausführungsform wurde das Bohrloch 104 durch einen Bohrprozess gebildet und viele der Komponenten eines Bohrsystems werden verwendet, um das System 100 einzusetzen. Wenn ein Bohrmeißel (nicht dargestellt) aus dem Bohrloch 104 entfernt oder herausgezogen wurde, kann ein Bohrstrang oder ein anderer Rohrstrang 120 im Bohrloch 104 eingesetzt werden, um ein Kernprobenwerkzeug 124 an einer Position 126 im Bohrloch 104 zu drehen. Der Rohrstrang 120 erstreckt sich von der Position 126 im Bohrloch zur Oberfläche 108 des Schachts 102 und kann aus einer oder mehreren verbundenen Röhren oder Rohren mit variierenden oder ähnlichen Durchmessern bestehen. Der Rohrstrang kann sich auf eine Sammlung an Rohren oder Röhren als eine einzelne Komponente beziehen oder alternativ auf die individuellen Rohre oder Röhren, die den Strang bilden. Die Bezeichnung Rohrstrang (oder Bohrstrang oder Strang) soll nicht einschränkend sein und kann sich auf jede beliebige Komponente oder Komponenten beziehen, die Rotationsenergie von der Oberfläche des Schachts zum Kernprobenwerkzeug 124 übertragen kann/können. In mehreren Ausführungsformen kann der Rohrstrang 120 einen Mitteldurchlass beinhalten, der in Längsrichtung im Rohrstrang angeordnet ist und Fluidkommunikation zwischen der Oberfläche des Schachts 102 und der Position 126 im Bohrloch ermöglicht.
-
An oder in der Nähe der Oberfläche 108 des Schachts kann der Rohrstrang 120 eine Mitnehmerstange 128 beinhalten oder mit ihr verbunden sein. Die Mitnehmerstange 128 kann einen quadratischen, sechseckigen oder achteckigen Querschnitt aufweisen. Die Mitnehmerstange 128 ist an einem Ende mit dem Rest des Rohrstrangs und am entgegengesetzten Ende mit einem Drehkopf 132 verbunden. Die Mitnehmerstange 128 verläuft durch einen Drehtisch 136, der die Mitnehmerstange 128, den Rest des Rohrstrangs 120 und das Kernprobenwerkzeug 124 drehen kann. Der Drehkopf 132 ermöglicht es der Mitnehmerstange 128, zu rotieren, ohne dass Rotationsbewegung auf den Drehkopf 132 übertragen wird. Ein Haken 138, Kabel 142, Transportblock (nicht dargestellt) und eine Fördermaschine (nicht dargestellt) sind bereitgestellt, um das Kernprobenwerkzeug 124, den Rohrstrang 120, die Mitnehmerstange 128 und den Drehkopf 132 anzuheben und abzusenken. Die Mitnehmerstange 128 und der Drehkopf 132 können je nach Bedarf angehoben oder abgesenkt werden, um zusätzliche Rohrabschnitte zum Rohrstrang 120 hinzuzufügen, während sich das Kernprobenwerkzeug 124 fortbewegt, oder um Rohrabschnitte vom Rohrstrang 120 zu entfernen, wenn das Entfernen des Rohrstrangs 120 und des Kernprobenwerkzeugs 124 aus dem Schacht 102 erwünscht ist.
-
Ein Behälter 144 ist an der Oberfläche 108 positioniert und beinhaltet Bohrschlamm 148, der während der Bohr- und Kernbohrvorgänge in den Schacht 102 geleitet wird. Eine Zuleitung 152 stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Behälter 144 und dem Innendurchlass des Rohrstrangs 120 bereit. Eine Pumpe 156 pumpt Fluid durch die Zuleitung 152 und ins Bohrloch, um das Kernprobenwerkzeug 124 während der Kernbohrung und Sammlung der Kernprobe zu schmieren. Der Schlamm kann außerdem verwendet werden, um Bohrgut oder Geröll von den Bohr- oder Kernbohrprozessen zurück zur Oberfläche 108 zu leiten. Nach dem Leiten ins Bohrloch kehrt der Bohrschlamm 148 durch einen zwischen dem Rohrstrang 120 und dem Bohrloch 104 gebildeten Ringraum 160 zur Oberfläche 108 zurück. An der Oberfläche 108 wird der Bohrschlamm 148 durch eine Rücklaufleitung 164 zum Behälter 144 zurück geleitet. Der Bohrschlamm 148 kann vor der erneuten Zirkulation durch den Schacht 102 gefiltert oder anderweitig bearbeitet werden.
-
2 zeigt einen Querschnitt einer Vorderansicht des Kernprobenwerkzeugs 124, wie in 1A und 1B beschrieben. Das Kernprobenwerkzeug 124, bei dem es sich um eine Komponente des Systems 100 handelt, beinhaltet ein Gehäuse 212, das ein erstes Ende 216 und ein zweites Ende 220 aufweist. Das Gehäuse 212 kann in einigen Ausführungsformen ein Rohrelement sein. Wenngleich zahlreiche Querschnittformen für das Gehäuse 212 geeignet sein können, kann die Querschnittform in einigen Ausführungsformen kreisförmig sein. Das Gehäuse 212 kann einen Durchlass 224 beinhalten, der sich zwischen dem ersten Ende 216 und dem zweiten Ende 220 erstreckt. Der Durchlass 224 kann in seiner Querschnittform der Querschnittform des Gehäuses 212 ähneln und mehrere Querschnittformen sind geeignet. In einigen Ausführungsformen ist die Querschnittform des Durchlasses 224 kreisförmig. Das Gehäuse kann eine Wand 228 beinhalten und in der Wand kann eine selektiv abdichtbare Öffnung oder Druckentlastungsöffnung 230 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist die Druckentlastungsöffnung 230 in der Wand 228 des Gehäuses 212 in der Nähe des zweiten Endes 220 des Gehäuses 212 positioniert. Die Druckentlastungsöffnung 230 ermöglicht, dass Luft oder andere Gase vor dem Einsetzen des Kernprobenwerkzeugs 124 im Bohrloch aus dem Kernprobenwerkzeug 124 entlüftet oder abgelassen werden.
-
Eine Kernöffnung 232 ist im oder in der Nähe des ersten Endes 216 des Gehäuses 212 angeordnet. Die Kernöffnung 232 kann eine Querschnittform aufweisen, die der Querschnittform des Durchlasses 224 ähnelt oder gleicht. In der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die Kernöffnung 232 eine kreisförmige Querschnittform auf und ein Durchmesser der Kernöffnung 232 ist geringer als ein Durchmesser des Durchlasses 224. Im Durchlass 224 ist in der Nähe des ersten Endes 26 des Gehäuses 212 eine Absatz 236 definiert und eine Breite w des Absatzes 236 repräsentiert ungefähr die Hälfte einer Differenz zwischen den Breiten (z. B. Durchmessern) des Durchlasses 224 und der Kernöffnung 232.
-
Ein Kernkolben 240 ist beweglich und dichtend in der Kernöffnung 232 positioniert. Eine Nut 244 oder ein Schlitz ist in einer Wand des Gehäuses 212 angeordnet, die die Kernöffnung 232 definiert. Die Nut 244 kann eine Spannhülse 248 oder einen Scherbolzen aufnehmen, die/der dem Kernkolben 240 zugeordnet ist. In einer Ausführungsform wird der Kernkolben 240 in einer Ausgangsposition gehalten (siehe 2) und an axialer Bewegung in der Kernöffnung 232 gehindert, bis eine angemessene Kraft auf den Kernkolben 240 ausgeübt wird. In einigen Ausführungsformen verhindern die Spannhülse 248 und Nut 244 einfach die Bewegung des Kernkolbens 240 in einer Richtung zum ersten Ende 116 des Gehäuses 212 hin.
-
Das zweite Ende 220 des Gehäuses 212 beinhaltet eine Endwand 252, welche die Breite des Durchlasses 224 überbrücken kann, wie in 2 dargestellt. Eine Öffnung 256 ist in der Endwand 252 zwischen dem Durchlass 224 und dem Bohrloch 104 angeordnet. Genauer gesagt, kann Hydraulikkommunikation oder Fluidkommunikation zwischen dem Durchlass 224 und dem Ringraum 160 des Bohrlochs 104 bereitgestellt sein. Hydraulik- oder Fluidkommunikation ermöglicht den Ausgleich von Druck zwischen Fluid im Durchlass 224 und Fluid im Bohrloch 104.
-
Ein Laufbuchsenabstandhalter 264 ist im Durchlass 224 des Gehäuses 212 zwischen der Kernöffnung 232 und der Endwand 252 angeordnet. Der Laufbuchsenabstandhalter 264 kann die Breite des Durchlasses 224 überbrücken, wie in 2 dargestellt. Eine Öffnung 266 ist im Laufbuchsenabstandhalter 264 angeordnet, um Fluidkommunikation im Durchlass 224 zwischen gegenüberliegenden Seiten des Laufbuchsenabstandhalters 264 zu ermöglichen. Ein Ausgleichskolben 268 kann beweglich im Durchlass 224 zwischen der Endwand 252 und dem Laufbuchsenabstandhalter 264 positioniert sein. Der Ausgleichskolben 268 kann sich in einigen Ausführungsformen zwischen der Endwand 252 und dem Laufbuchsenabstandhalter 264 bewegen. Der Ausgleichskolben 268 kann ein Druckentlastungsventil 270 beinhalten, das im Ausgleichskolben 268 angeordnet ist, um einen Ausgleich von Fluiddruck über dem Ausgleichskolben 268 zu ermöglichen, falls die Druckdifferenz über den Ausgleichskolben 268 einen Grenzwert erfüllt oder überschreitet. In einer Ausführungsform kann der Grenzwert 5–25 Bar Druck sein.
-
In einigen Ausführungsformen kann ein Vorspannungselement 272 zwischen dem Ausgleichskolben 268 und der Endwand 252 positioniert sein, um eine Vorspannungskraft auf den Ausgleichskolben 268 in einer Richtung zum Laufbuchsenabstandhalter 264 hin auszuüben. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist das Vorspannungselement 272 eine Druckfeder. In einigen Ausführungsformen kann das Vorspannungselement 272 aus dem Kernprobenwerkzeug 124 ausgelassen werden. In anderen kann das Vorspannungselement 272 eine Zugfeder umfassen, die mit dem Ausgleichskolben 268 und dem Laufbuchsenabstandhalter 264 verbunden und zwischen ihnen positioniert ist. In anderen Ausführungsformen können alternative Federn oder Vorspannungselemente als Vorspannungselement 272 verwendet werden.
-
Ein Schwamm 280 ist im Durchlass 224 zwischen der Kernöffnung 232 und dem Laufbuchsenabstandhalter 264 positioniert. Der Schwamm 280 kann ein natürlicher Schwamm oder ein synthetischer Schwamm sein, der einen Porenraum oder eine Mehrzahl offener Zellen aufweisen kann, die ein Fluid aufnehmen und halten können. Der Schwamm 280 kann in einigen Ausführungsformen im Umfang um einen Umkreis des Durchlasses 224 angeordnet sein, sodass der Schwamm 280 zwischen dem Absatz 236 und dem Laufbuchsenabstandhalter 264 positioniert ist und sie in einigen Fällen sogar berührt. Die Positionierung des Schwamms 280 um den Umfang des Durchlasses 224 verhindert, dass der Schwamm 280 die Bewegung des Kernkolbens 240 beeinträchtigt, wenn sich der Kernkolben 240 während der Entnahme der Kernprobe in den Durchlass 224 bewegt. Aus diesem Grund weist der Schwamm 280 in einigen Ausführungsformen, einschließlich der in 2 dargestellten, eine Innenbreite (z. B. einen Durchmesser) auf, die mindestens der Außenbreite (z. B. dem Durchmesser) des Kernkolbens 240 entspricht.
-
Eine Probenkammer 284 ist im Durchlass 224 zwischen dem Ausgleichskolben 268 und der Kernöffnung 232 definiert. Eine Ausgleichskammer 288 ist im Durchlass 224 zwischen dem Ausgleichskolben 268 und der Endwand 252 definiert. Sowohl die Probenkammer 284 als auch die Ausgleichskammer 288 sind Kammern mit variablen Volumen, deren Volumen abhängig von der Position des Ausgleichskolbens 268 variieren. In der in 2 dargestellten Ausführungsform beinhaltet die Probenkammer 284 in einem Mindestvolumen den Raum im Durchlass 224 zwischen dem Laufbuchsenabstandhalter 264 und der Kernöffnung 232. Es gilt jedoch anzumerken, dass der Laufbuchsenabstandhalter 264 in einigen Ausführungsformen nicht einen Teil des Kernprobenwerkzeugs 124 bilden kann.
-
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Füllleitung 310 durch die Endwand 252, den Ausgleichskolben 268 und den Laufbuchsenabstandhalter 264 positioniert. Die Endwand 252 und der Laufbuchsenabstandhalter 264 können dabei helfen, die Füllleitung 310 im Verhältnis zum Gehäuse 212 zu sichern, und die Verbindung zwischen der Füllleitung 310 und sowohl der Endwand 252 als auch dem Laufbuchsenabstandhalter 264 ist vorzugsweise eine abgedichtete Verbindung. Eine derartige Verbindung kann durch eine geschweißte oder geschmolzene Verbindung, eine abgedichtete Schottenmuffe oder ein beliebiges anderes geeignetes Verbindungsverfahren bereitgestellt sein. Die Füllleitung 310 verläuft durch eine Öffnung im Ausgleichskolben 268, die eine Hin- und Herbewegung des Ausgleichskolbens 268 im Verhältnis zur Füllleitung 310 ermöglicht, jedoch außerdem eine geeignete abgedichtete Verbindung zwischen der Füllleitung 310 und dem Ausgleichskolben 268 beibehält, wodurch Auslaufen von Fluid zwischen gegenüberliegenden Seiten des Ausgleichskolbens 268 verhindert oder im Wesentlichen verhindert wird.
-
Die Füllleitung 310 beinhaltet eine Füllöffnung 314, die mit der Probenkammer 284 in Fluidkommunikation steht, um zu ermöglichen, dass ein Fluid zur Probenkammer hinzugefügt werden kann, bevor das Kernprobenwerkzeug 124 im Bohrloch eingesetzt wird. Ein Ventil 318 kann betriebsfähig mit der Füllleitung 310 in Verbindung stehen und an einem Ende der Füllleitung 310 gegenüber von der Füllöffnung 314 positioniert sein, um das Füllen der Probenkammer mit dem Fluid selektiv zu ermöglichen oder zu verhindern.
-
Mit Bezugnahme auf 3–10 ist der Betrieb des Kernprobenwerkzeugs 124 ausführlicher beschrieben und dargestellt. Genauer gesagt, zeigen 3–7 einen Querschnitt einer Vorderansicht des Kernprobenwerkzeugs 124 während sequenzieller Vorbereitungsphasen vor dem Einführen zu einer Bohrlochposition eines Schachts. 8–10 zeigen einen Querschnitt einer Vorderansicht des Kernprobenwerkzeugs 124 während sequenzieller Phasen der Einführ- und Kernbohrvorgänge.
-
Während das Kernprobenwerkzeug 124 für das Einführen ins Bohrloch vorbereitet wird (3–7) kann das Kernprobenwerkzeug 124 in einer „aufrechten Position“ ausgerichtet sein, sodass das erste Ende 216 des Gehäuses 212 im Verhältnis zu den Gravitationskräften, die auf das Kernprobenwerkzeug 124 wirken, niedriger positioniert ist als das zweite Ende 220. Diese Ausrichtung ermöglicht ein ordnungsgemäßes Ablassen oder Entlüften von Luft und anderen Gasen aus dem Gerät.
-
In 3 ist das Ventil 318 der Füllleitung 310 geöffnet und der Kernkolben 240 ist in der Ausgangsposition positioniert und gehalten. Ein Vakuum oder negativer Druck wird auf die Füllleitung 310 ausgeübt, um Luft oder andere Fluide aus der Probenkammer 284 zu entfernen. Ein Druck von ungefähr 0,2 Bar (absoluter Druck) kann in der Probenkammer 284 erreicht werden. Wenn der Druck in der Probenkammer 284 sinkt, wird der Ausgleichskolben 268 in Kontakt mit dem Laufbuchsenabstandhalter 264 bewegt. In dieser Position des Ausgleichskolbens 268 ist das Volumen der Probenkammer 284 minimiert und das Volumen der Ausgleichskammer ist maximiert. In dieser Position kann das Ausgleichselement 272 außerdem vollständig ausgefahren sein. Wenngleich der Großteil der Luft unter dem Einfluss des verringerten Drucks durch die Füllleitung 310 aus der Probenkammer 284 entfernt wurde, gilt zu beachten, dass weiterhin etwas Luft in den Zellen des Schwamms 280 vorhanden sein kann.
-
Mit Bezugnahme auf 4 wird eine Salzlösung oder ein anderes Füllfluid 414 über die Füllleitung 310 in die Probenkammer 284 geleitet, bis die Menge an Füllfluid 414 ausreichend ist, um den Ausgleichskolben 268 in eine Position zu bewegen, in der das Volumen der Probenkammer 284 maximiert ist und das Volumen der Ausgleichskammer minimiert ist. In dieser Position des Ausgleichskolbens 268 kann das Ausgleichselement 272 vollständig komprimiert sein. Wenn Füllfluid in die Probenkammer eintritt und in den Schwamm 280 aufgenommen wird, wird ein Teil der Luft im Schwamm 280 verdrängt und steigt durch die Öffnung 266 nach oben und eine Gasschicht 420 bildet sich über dem Füllfluid 414. Das Ventil 318 wird nach dem Einleiten des Füllfluids 414 geschlossen. Erneut ist zu beachten, dass, wenngleich der Schwamm 280 im Wesentlichen mit Füllfluid 414 gesättigt ist, weiterhin etwas Luft oder Gas in geschlossenen oder offenen Zellen oder Einschlüssen im Schwamm 280 vorhanden sein kann. In einer Ausführungsform kann der Prozentanteil der Luft ungefähr 20 % betragen, wobei der Prozentanteil der Flüssigkeit ungefähr 80 % beträgt. Nach dem Füllen der Probenkammer 284 kann der ungefähre Druck in einigen Ausführungsformen 20–25 Bar betragen. Nach dem nachstehend beschriebenen Ablassen von Druck kann der Druck in der Probenkammer 284 in einigen Ausführungsformen ungefähr 5 Bar betragen.
-
Mit Bezugnahme auf 5 kann die Druckentlastungsöffnung 230 in der Wand 228 des Gehäuses 212 geöffnet sein, um zu entlüften, abzulassen oder Luft oder andere Gase (d. h. die Gasschicht 420) anderweitig aus der Probenkammer 284 zu entfernen. Mit Bezugnahme auf 6, wenn Gas durch die Druckentlastungsöffnung 230 abgelassen wird, bewegt sich der Ausgleichskolben 268 in die Richtung des Laufbuchsenabstandhalters 264, bis der Ausgleichskolben 268 ungefähr die Druckentlastungsöffnung 230 erreicht. Mit Bezugnahme auf 7 wird das Ventil 318 der Füllleitung 310 erneut geöffnet und zusätzliches Füllfluid 414 wird zur Probenkammer 284 hinzugefügt, bis Füllfluid 414 aus der Druckentlastungsöffnung 230 austritt. An diesem Punkt ist das Gas aus der Gasschicht 420 aus der Probenkammer 284 entfernt und die Druckentlastungsöffnung 230 wird erneut geschlossen. Im Anschluss an den Schritt des Füllens der Probenkammer 284 mit Füllfluid 414 gleicht der Druck des Füllfluids 414 in der Probenkammer 284 der Vorspannungskraft, die durch das Vorspannungselement 272 ausgeübt wird, geteilt durch den Oberflächenbereich des Ausgleichskolbens 268.
-
Mit Bezugnahme auf 8 kann das Kernprobenwerkzeug 124 in das Bohrloch 104 eingeführt werden, um zur Position 126 im Bohrloch bewegt zu werden. Wenn das Kernprobenwerkzeug 124 eingeführt wird, steigt der Druck des Bohrlochfluids im Ringraum 160. Die Öffnung 256 der Endwand 252 ermöglicht Fluidkommunikation oder Hydraulikkommunikation zwischen der Ausgleichskammer 288 und dem Bohrlochfluid im Ringraum 160. Dies ermöglicht, dass Veränderungen der Bohrlochdrücke über dem Ausgleichskolben 268 an die Probenkammer 284 kommuniziert werden können. Da der Druck des Füllfluids 414 in der Probenkammer 284 ungefähr dem des Fluids im Bohrloch 104 gleicht, bleiben die Drücke über den Kernkolben 240 verhältnismäßig ausgeglichen. Dieses Ausgleichen des Drucks über den Kernkolben 240 verhindert, dass sich der Kernkolben 240 während des Bewegens in die Probenkammer 284 bewegt, was eine Kontaminierung der Probenkammer 284 vor der Kernprobenentnahme verhindert. Die Anwesenheit des Schwamms 280 ist ebenfalls wichtig, da die Anwesenheit einiger Gase (z. B. Luft) im Schwamm 280 eine Kompressibilität in der Probenkammer 284 ermöglicht. Wenn der Druck in der Ausgleichskammer 288 während des Einführens zunimmt, bewegt sich der Ausgleichskolben 268 zum Laufbuchsenabstandhalter 264 hin, während der Druck in der Probenkammer 284 steigt, und das Volumen des Schwamms 280 wird verringert.
-
Mit Bezugnahme auf 9, wenn das Kernprobenwerkzeug 124 an der Position 126 im Bohrloch ankommt und die Kernbohrung beginnt, übt eine Kernprobe 908 eine Kraft in Richtung der Probenkammer 284 auf den Kernkolben 240 aus. Da die Dichtungsfähigkeit des Kernkolbens 240 intakt bleibt (siehe 9), ist die durch die Kernprobe 908 auf den Kernkolben 240 ausgeübte Kraft ungefähr gleich der Kraft, die erforderlich ist, um das Vorspannungselement 272 zu bewegen (z. B. die Feder zu komprimieren). Mit Bezugnahme auf 10, wenn die Dichtungsfähigkeit des Kernkolbens 240 verloren geht, drückt das Vorspannungselement 272 den Ausgleichskolben 268 zum Laufbuchsenabstandhalter 264, der einen Teil des Füllfluids 414 aus der Probenkammer 284 drückt. Die Kernprobe 908 wird dann in die Probenkammer 284 bewegt, die vor Kontaminierung geschützt wurde.
-
Die Entnahme von Kernproben in einem Schacht ist wichtig, um die Zusammensetzung und Eigenschaften des Gesteins, der Schicht und oder des Substrats zu verstehen, in dem/der der Schacht gebildet wird. Während Kernproben entnommen werden, ist es wünschenswert, eine Kontaminierung der Probenentnahmewerkzeuge zu minimieren, sodass die entnommenen Kernproben genau ausgewertet werden können. Die vorliegende Offenbarung beschreibt Systeme, Werkzeuge und Verfahren zum Erhalten von Kernproben aus einem Bohrloch. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen fallen zahlreiche Beispiele spezifischer Kombinationen in den Umfang der Offenbarung, von denen einige nachstehend einzeln aufgeführt sind.
-
Beispiel 1. System zum Erhalten einer Kernprobe aus einem Bohrloch, das System umfassend:
ein Gehäuse, das eine Kernöffnung an einem ersten Ende des Gehäuses und eine Endwand an einem zweiten Ende des Gehäuses aufweist;
einen Ausgleichskolben, der im Gehäuse positioniert ist, um eine Probenkammer zwischen dem Ausgleichskolben und der Kernöffnung und eine Ausgleichskammer zwischen dem Ausgleichskolben und der Endwand zu definieren; und
einen Kernkolben, der dichtend in der Kernöffnung positioniert ist.
-
Beispiel 2. System nach Beispiel 1, das ferner einen Schwamm umfasst, der in der Probenkammer positioniert ist.
-
Beispiel 3. System nach Beispiel 2, wobei der Schwamm um einen Umfang des Durchlasses angeordnet ist, wobei der Schwamm eine Innenbreite aufweist, die mindestens einer Außenbreite des Kernkolbens entspricht.
-
Beispiel 4. System nach einem der Beispiele 1–3, ferner umfassend:
ein Vorspannungselement, das zwischen dem Ausgleichskolben und der Endwand positioniert ist, um eine Vorspannungskraft in einer Richtung der Probenkammer auf den Ausgleichskolben auszuüben.
-
Beispiel 5. System nach einem der Beispiele 1–4, ferner umfassend eine in der Probenkammer angeordnete Flüssigkeit.
-
Beispiel 6. System nach einem der Beispiele 1–5, wobei die Ausgleichskammer mit einem Fluid im Bohrloch in Fluidverbindung steht, sodass ein Druck des Fluids auf den Ausgleichskolben und die Probenkammer übertragen wird.
-
Beispiel 7. System nach Beispiel 6, wobei die Ausgleichskammer mit dem Fluid im Bohrloch in Fluidverbindung steht.
-
Beispiel 8. System nach einem der Beispiele 1–7, ferner umfassend:
eine Füllöffnung, die betriebsfähig mit der Probenkammer verbunden ist und ein Fluid zur Probenkammer hinzufügen kann; und
eine Druckentlastung, die betriebsfähig mit der Probenkammer verbunden ist und die Probenkammer entlüften kann.
-
Beispiel 9. System zum Erhalten einer Kernprobe aus einem Bohrloch, das System umfassend:
ein Rohrelement, das ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Durchlass, der sich zwischen dem ersten und zweiten Ende erstreckt, aufweist, wobei das erste Ende des Rohrelements eine Kernöffnung aufweist, wobei das zweite Ende des Rohrelements eine Endwand aufweist;
einen Laufbuchsenabstandhalter, der im Durchlass zwischen der Kernöffnung und der Endwand angeordnet ist;
einen Ausgleichskolben, der beweglich zwischen der Endwand und dem Laufbuchsenabstandhalter positioniert ist;
ein Vorspannungselement, das zwischen dem Ausgleichskolben und der Endwand positioniert ist, um eine Vorspannungskraft auf den Ausgleichskolben in einer Richtung zum Laufbuchsenabstandhalter hin auszuüben;
einen Kernkolben, der dichtend in der Kernöffnung positioniert ist, wobei der Kernkolben daran gehindert wird, sich in der Kernöffnung in einer Richtung entgegengesetzt zum Laufbuchsenabstandhalter zu bewegen, wobei sich der Kernkolben in der Kernöffnung in einer Richtung zum Laufbuchsenabstandhalter hin bewegen kann;
einen Schwamm, der im Durchlass zwischen der Kernöffnung und dem Laufbuchsenabstandhalter positioniert ist, wobei der Schwamm um einen Umfang des Durchlasses angeordnet ist, wobei der Schwamm eine Innenbreite aufweist, die mindestens einer Außenbreite des Kernkolbens entspricht.
-
Beispiel 10. System nach Beispiel 9, ferner umfassend:
eine Probenkammer, die im Durchlass zwischen dem Ausgleichskolben und der Kernöffnung definiert ist; und
eine Ausgleichskammer, die im Durchlass zwischen dem Ausgleichskolben und der Endwand definiert ist.
-
Beispiel 11. System nach Beispiel 9 oder 10, ferner umfassend eine in der Probenkammer angeordnete Flüssigkeit.
-
Beispiel 12. System nach einem der Beispiele 9–11, wobei die Ausgleichskammer mit einem Fluid im Bohrloch in Hydraulikverbindung steht, sodass ein Druck des Fluids auf den Ausgleichskolben und die Probenkammer übertragen wird.
-
Beispiel 13. System nach einem der Beispiele 9–12, ferner umfassend eine Öffnung in der Endwand, um Fluidkommunikation zwischen der Ausgleichskammer und dem Bohrloch zu ermöglichen.
-
Beispiel 14. System nach einem der Beispiele 9–13, ferner umfassend:
eine Füllleitung, die durch die Endwand, den Ausgleichskolben und den Laufbuchsenabstandhalter positioniert ist, wobei die Füllleitung eine Füllöffnung aufweist, die mit der Probenkammer in Fluidkommunikation steht, um zu ermöglichen, dass ein Fluid der Probenkammer hinzugefügt wird; und
eine Druckentlastungsöffnung, die in einer Wand des Rohrelements zwischen der Endwand und dem Laufbuchsenabstandhalter angeordnet ist, wobei die Druckentlastungsöffnung ermöglicht, dass Luft aus der Probenkammer abgelassen wird.
-
Beispiel 15. System nach Beispiel 14, das ferner ein Ventil umfasst, das betriebsfähig mit der Füllleitung verbunden ist, um das Füllen der Probenkammer mit dem Fluid selektiv zu ermöglichen oder zu verhindern.
-
Beispiel 16. System nach einem der Beispiele 9–15, ferner umfassend ein Druckentlastungsventil, das im Ausgleichskolben angeordnet ist, um den Ausgleich von Fluiddruck über dem Ausgleichskolben zu ermöglichen.
-
Beispiel 17. Verfahren zum Erhalten einer Kernprobe aus einem Bohrloch, das Verfahren umfassend:
Bereitstellen eines Gehäuses, das eine Probenkammer aufweist, die die Kernprobe von einer Position im Bohrloch empfangen kann;
während das Gehäuse in das Bohrloch eingeführt wird, Anpassen des Drucks eines Füllfluids in der Probenkammer, um ihn an einen Druck eines Bohrlochfluids im Bohrloch anzugleichen; und
Verhindern des Eindringens von Bohrlochfluid in die Probenkammer, während das Gehäuse zur Position im Bohrloch geführt wird.
-
Beispiel 18. Verfahren nach Beispiel 17, ferner umfassend:
vor dem Einführen des Gehäuses in das Bohrloch, Füllen der Probenkammer mit dem Füllfluid und Entlüften der Probenkammer.
-
Beispiel 19. Verfahren nach Beispiel 17 oder 18, wobei das Anpassen des Drucks des Füllfluids in der Probenkammer Folgendes umfasst:
Bewegen eines Kolbens in Reaktion auf den Druck des Bohrlochfluids.
-
Beispiel 20. Verfahren nach einem der Beispiele 17–19, ferner umfassend:
Sammeln der Kernprobe in der Probenkammer, wenn das Gehäuse zur Position im Bohrloch geführt worden ist.
-
Aus dem Vorangehenden versteht sich, dass Ausführungsformen einer Erfindung bereitgestellt sind, die maßgebliche Vorteile aufweisen. Wenngleich die Ausführungsformen in nur wenigen Formen dargestellt sind, sind die Ausführungsformen nicht eingeschränkt, sondern können verschiedenen Veränderungen und Modifikationen unterzogen werden, ohne von ihrem Geist abzuweichen.
