DE112014003400T5

DE112014003400T5 - Elektrischer Energiespeicher für Bohrlochwerkzeuge

Info

Publication number: DE112014003400T5
Application number: DE112014003400.2T
Authority: DE
Inventors: Zachary R. MURPHREE; Michael L. Fripp; Donald G. Kyle
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2014-07-08
Publication date: 2016-05-25
Also published as: CA2914355C; EP2994593B1; GB2530936A; WO2015013029A1; GB201709714D0; GB2548742B; EP2994593A4; GB201521371D0; NO346989B1; AU2014293527B2; MX367804B; GB2548742A; NO20151770A1; AU2014293527A1; PL416699A1; MX2016000162A; US9739120B2; GB2530936B; CA2914355A1; US20150027735A1

Abstract

Ein Verfahren zur Aktivierung eines Bohrlochwerkzeugs kann das Konfigurieren des Werkzeugs, das eine elektrische Energiequelle, eine elektrische Last, eine Steuerungsschaltung, welche die elektrische Last steuert und einen Schalter aufweist, welcher selektiv einen Stromfluss zwischen der Energiequelle und der Schaltung ermöglicht und das Generieren von Elektrizität umfassen, wodurch veranlasst wird, dass der Schalter einen Stromfluss zwischen der Energiequelle und der Schaltung ermöglicht. Ein Bohrlochwerkzeug kann eine elektrische Energiequelle, eine elektrische Last, eine Steuerungsschaltung, einen Schalter, welcher selektiv einen Stromfluss zwischen der Energiequelle und der Schaltung ermöglicht, und einen Generator umfassen. Ein anderes Verfahren zur Aktivierung eines Bohrlochwerkzeugs kann das Verschieben eines Fluids und/oder eines Objekts an dem Werkzeug, das Generieren von Elektrizität als Reaktion auf das Verschieben, das Ermöglichen eines Stromflusses zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer Steuerungsschaltung als Reaktion auf das Generieren, und nach dem Ermöglichen und als Reaktion auf das Detektieren eines vorher festgelegten Signals, das Veranlassen der Aktivierung einer elektrischen Last durch die Schaltung umfassen.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen Ausrüstung und Operationen, die in Verbindung mit einem unterirdischen Bohrloch verwendet wird bzw. durchgeführt werden und stellt in einem nachfolgend beschriebenen Beispiel insbesondere einen langfristigen elektrischen Energiespeicher in Bohrlochwerkzeugen bereit.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, elektrische Energie in einem Bohrloch in Batterien zu speichern. Die Batterien können verwendet werden, um eine elektronische Schaltung eines Bohrlochwerkzeugs zu betreiben. Um mit der elektrischen Energie sparsam umzugehen, während die elektronische Schaltung nicht aktiv im Betrieb des Werkzeugs verwendet wird, kann die elektronische Schaltung in den „Schlaf”-Modus versetzt werden.
Unglücklicherweise verbraucht die elektronische Schaltung weiterhin elektrische Energie, auch im Schlafmodus. Zum Beispiel kann es für die elektronische Schaltung erforderlich sein, von einem Sensor angefertigte Messungen zu empfangen und zu verarbeiten, um zu detektieren, wann die elektronische Schaltung aus dem Schlafmodus „erwachen” soll. Dieser Verbrauch von elektrischer Energie durch die elektronische Schaltung in dem Schlafmodus kann die gespeicherte elektrische Energie über lange Zeiträume erheblich reduzieren.
Demnach wird es aus den oben genannten Gründen und anderen gewürdigt, dass in der Technik zur Bereitstellung langfristiger elektrischer Energiespeicher für Bohrlochwerkzeuge fortwährend Verbesserungen benötigt werden. Solche Verbesserungen können nützlich sein, unabhängig davon, ob Batterien für die elektrische Energiespeicherung im Bohrloch verwendet werden oder nicht und unabhängig davon, ob eine beliebige Schaltung aus einem Schlafmodus erwacht ist oder nicht usw.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine repräsentative teilweise Querschnittsansicht eines Bohrlochsystems und eines zugehörigen Verfahrens, welches Prinzipien dieser Offenbarung beinhalten kann.
2A und B sind repräsentative Querschnittsansichten aufeinanderfolgender axialer Abschnitte eines Bohrlochwerkzeugs, das in dem System und Verfahren nach Anspruch 1 verwendet werden kann und welches Prinzipien dieser Offenbarung beinhalten kann.
3 ist eine repräsentative Querschnittsansicht eines Betätigungselements des Bohrlochwerkzeugs.
4 ist eine repräsentative Querschnittsansicht eines Sensors des Bohrlochwerkzeugs.
5 ist eine repräsentative schematische Ansicht eines Steuerungssystems des Bohrlochwerkzeugs.
6 ist ein repräsentatives Schaltbild eines Schaltkreises des Bohrlochwerkzeugs.
7 ist eine repräsentative Querschnittsansicht eines elektrischen Generators des Bohrlochwerkzeugs.
8 ist eine repräsentative Querschnittsansicht eines anderen Beispiels für den elektrischen Generator.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In 1 wird repräsentativ ein System 10 zur Verwendung mit einem Bohrloch und ein zugehöriges Verfahren veranschaulicht, welches Prinzipien dieser Offenbarung beinhalten kann. In diesem Beispiel wird ein Rohrstrang 12 in einer Bohrung 14 positioniert, wobei der Rohrstrang mehrere Bohrlochwerkzeuge 16a–e, 18a–e aufweist, die darin miteinander verbunden sind. In diesem Beispiel sind die Bohrlochwerkzeuge 16a–e Einspritzventile und die Bohrlochwerkzeuge 18a–e sind Packer, andere Arten von Bohrlochwerkzeugen (wie etwa Probennehmer, Komplettierungswerkzeuge, Werkzeuge für die Datenerfassung usw.) können jedoch die Prinzipien dieser Offenbarung einbinden.
Der Rohrstrang 12 kann zu der Art gehören, die Fachleuten auf dem Gebiet als Verkleidung, Auskleidung, Verrohrung, ein Produktionsstrang, ein Arbeitsstrang, ein Bohrstrang usw. bekannt ist. Eine beliebige Art eines Rohrstrangs kann verwendet werden und in dem Umfang dieser Offenbarung verbleiben.
Die Packer 18a–e dichten einen Ringraum 20 ab, der radial zwischen dem Rohrstrang 12 und der Bohrung 14 geformt wird. Die Packer 18a–e in diesem Beispiel sind für einen dichtenden Eingriff mit einer unverrohrten oder offenen Bohrung 14 konzipiert, wenn die Bohrung jedoch verrohrt oder ausgekleidet ist, dann können stattdessen Packer für verrohrte Bohrlöcher verwendet werden. Es können quellbare, aufblasbare, erweiterbare und andere Arten von Packern verwendet werden, wie für die Bohrlochbedingungen geeignet, oder es können keine Packer verwendet werden (z. B. kann der Rohrstrang 12 zu einem Kontakt mit der Bohrung 14 erweitert werden, der Rohrstrang kann in der Bohrung zementiert werden usw.).
In dem Beispiel aus 1 ermöglichen die Einspritzventile 16a–e eine selektive Fluidkommunikation zwischen einem Innenraum des Rohrstrangs 12 und jedem Abschnitt des Ringraums 20, der zwischen zwei der Packer 18a–e isoliert wird. Jeder Abschnitt des Ringraums 20 befindet sich in Fluidkommunikation mit einer entsprechenden Erdformationszone 22a–d. Natürlich, wenn die Packer 18a–e nicht verwendet werden, können die Einspritzventile 16a–e anderweitig in Kommunikation mit den einzelnen Zonen 22a–d, zum Beispiel mit Perforationen usw., platziert werden.
Die Zonen 22a–d können Abschnitte einer gleichen Formation 22 sein oder sie können Abschnitte unterschiedlicher Formationen sein. Jede Zone 22a–d kann mit einem oder mehreren der Einspritzventile 16a–e verknüpft sein.
In dem Beispiel aus 1 sind zwei Einspritzventile 16b, c mit dem Abschnitt des Ringraums 20 verknüpft, der zwischen den Packern 18b, c isoliert wird, und dieser Abschnitt des Ringraums befindet sich in Kommunikation mit der zugehörigen Zone 22b. Es wird gewürdigt, dass eine beliebige Anzahl von Einspritzventilen mit einer Zone verknüpft werden kann.
Gelegentlich ist es von Vorteil, an mehreren Stellen in einer Zone (zum Beispiel in dichten Schieferformationen usw.) Frakturen 26 einzuleiten, wobei die mehreren Einspritzventile in diesen Fällen eine Einspritzung von Fluid 24 an mehreren Fraktureinleitungspunkten entlang der Bohrung 14 bereitstellen können. In dem in 1 abgebildeten Beispiel wurde das Ventil 16c geöffnet und Fluid 24 wird in die Zone 22b eingespritzt, wodurch die Frakturen 26 gebildet werden.
Vorzugsweise werden die anderen Ventile 16a, b, d, e geschlossen, während das Fluid 24 aus dem Ventil 16c und in die Zone 22b strömt. Dies ermöglicht es dem gesamten Strom des Fluids 24, mit verstärkter Steuerung für den Betrieb an dieser bestimmten Stelle zu der Bildung der Frakturen 26 geleitet zu werden.
In anderen Beispielen können jedoch mehrere Ventile 16a–e geöffnet sein, während das Fluid 24 in eine Zone einer Erdformation 22 strömt. In dem Bohrlochsystem 10 können zum Beispiel beide der Ventile 16b, c geöffnet sein, während das Fluid 24 in die Zone 22b strömt. Dies würde es ermöglichen, dass Frakturen an mehreren Fraktureinleitungsstellen entsprechend den geöffneten Ventilen gebildet werden.
Es wird demnach gewürdigt, dass es von Vorteil wäre, dazu in der Lage zu sein, unterschiedliche Sätze von einem oder mehreren der Ventile 16a–e zu unterschiedlichen Zeiten zu öffnen. Zum Beispiel könnte ein Satz (wie etwa die Ventile 16b, c) zu einem Zeitpunkt (wie etwa wenn es gewünscht ist, Frakturen 26 in die Zone 22b zu bilden) geöffnet werden und ein anderer Satz (wie etwa Ventil 16a) könnte zu einem anderen Zeitpunkt (wie etwa wenn es gewünscht ist, Frakturen in die Zone 22a zu bilden) geöffnet werden.
Ein oder mehrere Sätze der Ventile 16a–e könnten gleichzeitig geöffnet sein. Es ist jedoch im Allgemeinen vorzuziehen, dass nur ein Satz der Ventile 16a–e zur gleichen Zeit geöffnet ist, sodass der Strom des Fluids 24 an einer bestimmten Zone konzentriert und somit der Strom in diese Zone individuell gesteuert werden kann.
An diesem Punkt sollte vermerkt werden, dass das Bohrlochsystem 10 und das vorliegende Verfahren in den Zeichnungen lediglich als ein Beispiel einer großen Vielzahl möglicher Systeme und Verfahren beschrieben bzw. abgebildet werden, welche die Prinzipien dieser Offenbarung einbinden können. Demnach versteht es sich, dass diese Prinzipien in keiner Weise auf die Details des Systems 10 oder des zugehörigen Verfahrens oder auf die Details beliebiger der Komponenten davon (zum Beispiel den Rohrstrang 12, die Bohrung 14, die Ventile 16a–e, die Packer 18a–e usw.) beschränkt sind.
Es ist nicht notwendig, dass die Bohrung 14, wie in 1 abgebildet, vertikal ist, dass die Bohrung unverrohrt ist, dass jeweils fünf der Ventile 16a–e und Packer vorhanden sind, dass vier der Zonen 22a–d vorhanden sind, dass Frakturen 26 in den Zonen gebildet werden, dass das Fluid 24 eingespritzt wird usw. Das Fluid 24 kann eine beliebige Art von Fluid sein, welches in eine Erdformation eingespritzt wird, z. B. für die Stimulation, die Konformität, die Säurebehandlung, die Frakturierung, das Wasserfluten, das Dampffluten, die Behandlung, die Kiesfüllung, die Zementierung oder einen beliebigen anderen Zweck. Demnach wird gewürdigt, dass die Prinzipien dieser Offenbarung für viele verschiedene Arten von Bohrlochsystemen und Operationen anwendbar sind.
In anderen Beispielen können die Prinzipien dieser Offenbarung in Situationen angewendet werden, wo Fluid nicht nur eingespritzt wird, sondern auch (oder nur) von der Formation 22 hervorgebracht wird. In diesen Beispielen kann das Fluid 24 Öl, Gas, Wasser usw. sein, das aus der Formation 22 gefördert wird. Demnach können andere Bohrlochwerkzeuge als Einspritzventile von den hier beschriebenen Prinzipien profitieren.
Nun wird zusätzlich in Bezug auf 2A-4 ein Beispiel eines Einspritzventils 16 repräsentativ veranschaulicht. In 2A und B wird das Ventil 16 in einer geschlossenen Konfiguration abgebildet. 3 bildet eine im Maßstab vergrößerte Ansicht eines Betätigungselements 50 des Ventils 16 ab. 4 bildet eine im Maßstab vergrößerte Ansicht eines Sensors 40 des Ventils ab.
In 2A und B ist erkennbar, dass ein Trägerfluid 63 in einer Kammer 64 enthalten ist, welche sich als ein Durchgang zu dem Betätigungselement 50 erstreckt. Zusätzlich umfasst eine Kammer 66 mehrere ringförmige Vertiefungen, die sich über ein Gehäuse 30 erstrecken. Eine Hülle 78 isoliert die Kammer 66 und das Betätigungselement 50 gegenüber Bohrlochfluid in dem Ringraum 20.
In 3 ist eine Art und Weise, in der eine Druckbarriere 48 die Kammer 64 von der Kammer 66 isoliert, deutlicher zu erkennen. Wenn eine Ventilvorrichtung 44 aktiviert wird, durchsticht ein Stechelement 46 die Druckbarriere 48, wodurch das Trägerfluid 63 von der Kammer 64 zu der Kammer 66 strömen kann, in welcher sich die Ventilvorrichtung 44 befindet.
Zunächst liegt die Kammer 66 bei oder in der Nähe des Atmosphärendrucks und enthält Luft oder ein Inertgas. Demnach kann das Trägerfluid 63 einfach in die Kammer 66 strömen, wodurch sich eine Hülle 32 aufgrund einer Druckdifferenz an einem Kolben 52 nach unten verschieben kann.
In 4 ist eine Art und Weise deutlich zu erkennen, in welcher der Sensor 40 zum Detektieren von Magnetfeldern und/oder Magnetfeldveränderungen in einem Strömungsdurchgang 36 positioniert werden kann, der sich längs durch das Ventil 16 erstreckt. In diesem Beispiel ist der Magnetsensor 40 in einem Stecker 80 befestigt, der in dem Gehäuse 30 in unmittelbarer Nähe zu dem Durchgang 36 gesichert ist.
Der Magnetsensor 40 ist vorzugsweise von dem Strömungsdurchgang 36 durch eine Druckbarriere 82 getrennt, die eine relativ geringe magnetische Permeabilität aufweist. Die Druckbarriere 82 kann integral als ein Teil des Steckers 80 geformt werden, oder die Druckbarriere könnte ein separates Element sein usw.
Geeignete Materialien mit geringer magnetischer Permeabilität für die Druckbarriere 82 können Inconel und andere Legierungen mit hohem Nickel- und Chromanteil, Edelstähle (wie etwa Edelstähle der Serie 300, Duplexedelstähle usw.) umfassen. Inconel-Legierungen weisen zum Beispiel eine magnetische Permeabilität von ungefähr 1 × 10^–6 auf. Aluminium (magnetische Permeabilität –1,26 × 10^–6), Kunststoffe, Verbundstoffe (z. B. mit Kohlenstofffaser usw.) und andere nicht magnetische Materialien können ebenso verwendet werden.
Ein Vorteil der Herstellung der Druckbarriere 82 aus einem Material mit geringer magnetischer Permeabilität liegt darin, dass das Gehäuse 30 aus einem relativ kostengünstigen Material mit hoher magnetischer Permeabilität (wie etwa zum Beispiel Stahl mit einer magnetischen Permeabilität von ungefähr 9 × 10^–4) hergestellt werden kann, aber Magnetfelder, die durch eine Magnetvorrichtung 38 (nicht gezeigt in 4, siehe 7) in dem Durchgang 36 erzeugt werden, von dem Magnetsensor 40 durch die Druckbarriere detektiert werden können. Das heißt, der Magnetfluss kann einfach durch die Druckbarriere 82 mit relativ geringer magnetischer Permeabilität hindurchgehen, ohne dass er erheblich verzerrt wird.
In einigen Beispielen kann ein Material 84 mit relativ hoher magnetischer Permeabilität in der Nähe des Magnetsensors 40 und/oder der Druckbarriere 82 bereitgestellt werden, um den Magnetfluss auf den Magnetsensor zu fokussieren. Ein Dauermagnet (nicht gezeigt) kann ebenso verwendet werden, um den Magnetfluss auszurichten, sodass der Magnetfluss zum Beispiel in einem linearen Detektionsbereich des Magnetsensors 40 liegt.
In einigen Beispielen kann das Material 84 mit relativ hoher magnetischer Permeabilität, das den Sensor 40 umgibt, den Sensor von anderen Magnetfeldern absperren oder abschirmen, wie etwa aufgrund des Magnetismus in der Erde, welche die Bohrung 14 umgibt. Das Material 84 ermöglicht lediglich ein fokussiertes Fenster, durch das Magnetfelder hindurchgehen können und lediglich aus einer gewünschten Richtung. Dies weist den Vorteil auf, dass andere ungewünschte Magnetfelder daran gehindert werden, zu der Ausgabe des Sensors 40 beizutragen.
Wenn das Betätigungselement 50 betätigt wird, sticht das Stechelement durch die Druckbarriere 48 hindurch, wodurch es dem Trägerfluid 63 ermöglicht wird, in die Kammer 66 zu strömen und es der Hülle 32 ermöglicht wird, sich aufgrund einer Druckdifferenz an dem Kolben 52 nach unten zu verschieben. Wenn sich die Hülle nach unten verschiebt, werden Öffnungen 28 in dem Gehäuse freigegeben, wodurch es Fluid ermöglicht wird, zwischen dem Ringraum 20 und dem Durchgang 36 zu strömen.
Eine Verschlussvorrichtung 54 (zum Beispiel ein Sprengring) kann verwendet werden, um eine anschließende Verschiebung der Hülle 32 nach oben zu verhindern. In anderen Beispielen kann es erwünscht sein, das Ventil 16 zu schließen, nachdem es geöffnet wurde. In diesen Beispielen muss die Verschlussvorrichtung 54 nicht zwangsläufig verwendet werden oder sie kann lösbar sein.
Es wird vermerkt, dass das Ventil 16 in den Zeichnungen und hier lediglich als ein Beispiel eines Bohrlochwerkzeugs abgebildet bzw. beschrieben wird, das Prinzipien dieser Offenbarung beinhalten kann. Andere Beispiele von Ventilen, welche die Prinzipien dieser Offenbarung beinhalten können, werden in US-Patentanmeldung Nr. 13/440,823 beschrieben.
Die Packer 18a–e und andere Arten von Bohrlochwerkzeugen können die Prinzipien dieser Offenbarung beinhalten. Andere Bohrlochwerkzeuge können aktiviert werden, indem ein Stromfluss zwischen einer elektrischen Energiequelle und einer elektrischen Last einer beliebigen Art ermöglicht wird. Demnach ist der Umfang dieser Offenbarung nicht auf die Details des Ventils 16 oder auf eine bestimmte Art eines Bohrlochwerkzeugs beschränkt.
Nun wird zusätzlich in Bezug auf 5 eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems 34 für das Ventil 16 repräsentativ veranschaulicht. Das Steuerungssystem 34 kann vollständig in das Ventil 16 eingebunden werden oder Teile des Steuerungssystems können von dem Ventil getrennt sein. Das Steuerungssystem 34 kann in anderen Beispielen mit anderen Arten von Bohrlochwerkzeugen verwendet werden.
Das Steuerungssystem 34, wie in 5 abgebildet, enthält eine Steuerungsschaltung 42, zum Beispiel eine(n) oder mehrere Prozessoren, Speichervorrichtungen (programmierbar, flüchtig und/oder nicht flüchtig), Signalgestalter usw. Die Hauptfunktion der Schaltung 42 in diesem Beispiel liegt darin, zu bestimmen, wann das Betätigungselement 50 betätigt werden soll.
Zu einem geeigneten Zeitpunkt liefert die Schaltung 42 elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle 56, wie etwa Batterien, einem aufgeladenen Kondensator usw., um das Betätigungselement 50 zu betätigen. In anderen Beispielen kann die Schaltung 42 einen elektrischen Stromfluss zwischen der Energiequelle 56 und einer anderen Art einer elektrischen Last (wie etwa eine Vorrichtung für die Datenerfassung, ein Heizgerät usw.) ermöglichen.
In dem Beispiel aus 5 ist der Sensor 40 mit der Schaltung 42 verbunden, um zu bestimmen, wann das Betätigungselement 50 betätigt werden soll. Zum Beispiel kann eine bestimmte Art oder ein bestimmtes Muster eines Magnetfelds und/oder eine gewisse Anzahl von Magnetfeldern durch den Sensor 40 detektiert werden und als Reaktion kann die Schaltung 42 veranlassen, dass die elektrische Energie dem Betätigungselement 50 zugeführt wird.
Ein anderer (optionaler) Sensor 58 kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Betätigungselement 50 betätigt werden soll. Zum Beispiel kann der Sensor 58 Druck wahrnehmen, sodass, außer wenn das Ventil 16 in dem Bohrloch positioniert (z. B. einem Druck von mindestens etwa 500 psi ausgesetzt) ist, die Schaltung 42 nicht veranlasst, dass das Betätigungselement 50 betätigt wird. Eine beliebige Anzahl und/oder Art von Sensoren kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob und wann das Betätigungselement 50 in Übereinstimmung mit den Prinzipien dieser Offenbarung betätigt werden soll.
In diesem Beispiel überwacht die Schaltung 42 die Ausgaben der Sensoren 40, 58 jedoch nicht ununterbrochen und befindet sich größtenteils während ihrer Anwesenheit im Bohrloch nicht in einem „Schlaf”-Modus. Stattdessen wird ein Schalter 60 verwendet, um als Reaktion auf das Generieren von Elektrizität im Bohrloch durch einen Generator 62 selektiv einen Stromfluss zwischen der Energiequelle 56 und der Schaltung 42 zu ermöglichen. Auf diese Weise verbraucht das Steuerungssystem 34 größtenteils während seiner Anwesenheit im Bohrloch keine elektrische Energie und demnach wird mit der elektrischen Energie sparsam umgegangen.
Der Generator 62 wird veranlasst, Elektrizität zu generieren, wenn gewünscht wird, dass die Schaltung 42 damit beginnt, den Sensor 40 und/oder den Sensor 58 zu überwachen. Zum Beispiel wäre der Schalter 60 „aus”, wenn der Rohrstrang 12 aus 1 installiert wird, die Packer 18a–e eingestellt werden, Perforationen geformt werden usw. Dann, wenn es gewünscht wird, mit dem Prozess der Bildung von Frakturen 26 zu beginnen, kann die Schaltung 42 aktiviert werden, indem der Schalter 60 „an”-geschaltet wird, sodass die Schaltung damit beginnen kann, den Sensor bzw. die Sensoren 40/58 zu überwachen, um zu bestimmen, ob und wann das Ventil 16 geöffnet werden soll.
Nun wird zusätzlich in Bezug auf 6 ein Schaltbild für einen Schaltkreis, welcher in dem Steuerungssystem 34 verwendet werden kann, repräsentativ veranschaulicht. Der Generator 62 wird als ein thermoelektrischer Generator abgebildet, der mit dem Schaltkreis verbunden ist. Die Energiequelle 56 wird als eine Batterie abgebildet. Jedoch können andere Arten von Generatoren und Energiequellen in Übereinstimmung mit den Prinzipien dieser Offenbarung mit dem Schaltkreis verwendet werden.
Der Schalter 60 wird in 6 so abgebildet, dass er ein schaltbarer Feldeffekttransistor (FET) ist, doch in anderen Beispielen können andere Arten von Schaltvorrichtungen verwendet werden. Ein anderer Transistor 68, z. B. ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) oder ein isolierter Gate-Feldeffekttransistor (IGFET) wird verwendet, um den Schalter 60 zu „aktivieren”, wenn Elektrizität durch den Generator 62 generiert und an ein Gate des Transistors 68 angelegt wird.
Wenn ein Leitungskanal zwischen einer Source und einem Drain des Transistors 68 (zum Beispiel durch das Anlegen einer Spannung von dem Generator 62 zu dem Gate des Transistors) geformt wird, wird ein Spannungsabfall zwischen einem Gate und einer Source des Schalters 60 erzeugt, wodurch veranlasst wird, dass ein Leitungskanal zwischen der Source und einem Drain des Schalters geformt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein elektrischer Stromfluss zwischen der Energiequelle 56 und der Steuerungsschaltung 42 erlaubt.
Ein anderer Transistor 70 behält die an dem Gate des Schalters 60 angelegte Spannung bei, obwohl der Generator 62 das Generieren von Elektrizität unterbrechen kann. Wenn es gewünscht ist, den Schalter 60 „aus”-zuschalten, nachdem er „an”-geschaltet wurde, kann eine Rücksetzschaltung ohne Weiteres konfiguriert werden, um selektiv ein Gate des Transistors 70 zu erden. Dies kann einen Test des Schaltkreises (und der Steuerungsschaltung 42, der Sensoren 40, 58 usw.) an der Oberfläche ermöglichen, bevor das Steuerungssystem 34 in der Bohrung 14 installiert wird.
Es ist nicht notwendig, dass Halbleitervorrichtungen, wie zuvor beschrieben, in dem Schaltkreis verwendet werden. In anderen Beispielen können elektromechanische Vorrichtungen wie etwa Relais oder Stromstoßrelais verwendet werden.
Wie zuvor erwähnt, wird der Generator 62 in 6 als ein thermoelektrischer Generator abgebildet. Der thermoelektrische Generator generiert Elektrizität als Reaktion auf einen Wärmegradienten, der an dem Generator angelegt wird.
In dem System 10 aus 1 kann ein solcher Wärmegradient durch das Strömen des Fluids 24 von der Oberfläche durch den Rohrstrang 12 erzeugt werden. In diesem Fall wäre das Fluid 24 kälter als die Umgebung der Ventile 16a–e.
Der thermoelektrische Generator 62 kann so positioniert werden, dass er gegenüber der relativ warmen Umgebung an einer Seite und dem relativ kalten Fluid 24 an einer gegenüberliegenden Seite freigelegt ist. Zum Beispiel kann der thermoelektrische Generator 62 in einer Seitenwand des Ventils 16 wie etwa in einer Wand des Gehäuses 30 (siehe 2A und B) positioniert werden. Der Ringraum 20 außerhalb des Gehäuses 30 wäre warmer als das Fluid 24, das durch den Durchgang 36 strömt. Natürlich können in Übereinstimmung mit den Prinzipien dieser Offenbarung andere Positionen für den Generator 62 und andere Wege für die Erzeugung eines Wärmegradienten verwendet werden.
Ein Phasenwechselmaterial wie etwa eine Schmelzlegierung oder eine Wärmesenke (nicht gezeigt) könnten verwendet werden, um einen gleichmäßigen oder größeren Temperaturunterschied über einen längeren Zeitraum zu halten. Zum Beispiel kann eine Wärmesenke verwendet werden, um die Temperaturdifferenz zu erhöhen und demnach die erzeugte elektrische Energie zu erhöhen.
Nun wird zusätzlich in Bezug auf 7 ein anderes Beispiel des Generators 62 repräsentativ veranschaulicht. In diesem Beispiel generiert der Generator 62 Elektrizität als Reaktion auf ein Magnetobjekt oder eine Magnetvorrichtung 38, das bzw. die durch den Durchgang 36 verschoben wird.
Eine Drahtwendel 72 kann in dem Gehäuse 30 positioniert werden und den Durchgang 36 umschließen, sodass, wenn sich die Magnetvorrichtung 38 durch die Wendel verschiebt, eine Spannung an einem Anschluss 74 der Wendel erzeugt wird. Der Anschluss 74 kann mit dem Schaltkreis aus 6 (z. B. mit dem Gate des Transistors 68) verbunden werden.
Es kann wünschenswert sein, dass der Sensor 40 (siehe 5) die Anwesenheit der Magnetvorrichtung 38 in dem Durchgang 36 detektiert, wobei das Steuerungssystem 34 in diesem Fall so konzipiert sein kann, dass die Schaltung 42 die Sensorausgabe unmittelbar beobachtet, nachdem der Schalter 60 durch die Verschiebung der Magnetvorrichtung durch die Wendel 72 „an”-geschaltet wird. Das Betätigungselement 50 kann jedoch nicht sofort nach der Verschiebung der Magnetvorrichtung 38 in dem Durchgang 36 betätigt werden. Stattdessen kann die Magnetvorrichtung 38 verwendet werden, um das Steuerungssystem 34 von einem oder mehreren Bohrlochwerkzeugen „an”-zuschalten, sodass einzelne Bohrlochwerkzeuge anschließend selektiv betätigt werden können, indem andere entsprechende Magnetvorrichtungen in dem Durchgang 36 verschoben werden.
Zum Beispiel kann ein Bohrlochwerkzeug nach der Verschiebung der Magnetvorrichtung 38 durch den Durchgang 36 als Reaktion auf das Verschieben einer anderen zugehörigen Magnetvorrichtung betätigt werden und ein anderes Bohrlochwerkzeug kann als Reaktion auf das Verschieben noch einer anderen zugehörigen Magnetvorrichtung betätigt werden usw. Der Umfang dieser Offenbarung ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren zur Betätigung von Bohrlochwerkzeugen nach dem „An”-schalten des bzw. der Schalter(s) 60 beschränkt.
Es ist nicht notwendig, dass das Betätigungselement 50 eine offene physikalische Betätigung des Bohrlochwerkzeugs 16 veranlassten. Stattdessen kann die Aktivierung des Werkzeugs 16 als Reaktion auf das Generieren von Elektrizität durch den Generator 62 zum Beispiel in der Form des Auslösens einer Aufzeichnung von Daten (z. B. wie während eines Formationstests, einer Bewertung der Fertigstellung oder Konformität usw.) stattfinden. Demnach kann die Aktivierung des Bohrlochwerkzeugs 16 die Zufuhr von elektrischem Strom zu einer beliebigen Art einer elektrischen Last in Übereinstimmung mit dem Umfang dieser Offenbarung umfassen.
Nun wird zusätzlich in Bezug auf 8 ein anderes Beispiel eines elektrischen Generators 62, der verwendet werden kann, repräsentativ veranschaulicht. In diesem Beispiel verursachen Turbulenzen beim Strömen des Fluids 24 durch den Durchgang 36 eine Vibration einer Membran 76. Eine piezoelektrische oder andere elektrisch oder magnetisch aktive Vorrichtung 86 kann verwendet werden, um aus der Vibration der Membran 76 Elektrizität zu generieren.
Eine „Energie-Erntemaschine” kann für die Vorrichtung 86 verwendet werden. Eine geeignete Energie-Erntemaschine zur Verwendung als die Vorrichtung 86 ist eine VOLTURE(TM)-Energie-Erntemaschine, die von Mide Technology aus Medford, Massachusetts, USA vermarktet wird. Es können außerdem andere Vorrichtungen verwendet werden, die so arbeiten, um Elektrizität aus einer Bewegung oder Vibration zu generieren.
Demnach wird gewürdigt, dass eine Vielzahl von Methoden verwendet werden kann, um Elektrizität im Bohrloch zu generieren, sodass der Schalter 60 nach Belieben „an”-geschaltet werden kann. Elektrizität kann als Reaktion auf das Strömen des Fluids 24 durch den Durchgang 36 (z. B. wie in den Beispielen aus 6 und 8), als Reaktion auf die Verschiebung einer Magnetvorrichtung 38 in dem Durchgang (z. B. wie in dem Beispiel aus 7) oder auf andere Weise generiert werden. Der Umfang dieser Offenbarung ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren zum Generieren von Elektrizität beschränkt.
Es kann nun vollständig gewürdigt werden, dass die oben stehende Offenbarung erhebliche Vorteile für die Technik zum Steuern der Aktivierung von Bohrlochwerkzeugen bereitstellt. In zuvor beschriebenen Beispielen kann elektrische Energie im Bohrloch über längere Zeiträume hinweg gespeichert werden, ohne dass sie von der Schaltung von Bohrlochwerkzeugen verwendet wird.
Ein Verfahren zur Aktivierung eines Bohrlochwerkzeugs 16 in einem unterirdischen Bohrloch wird für die Technik durch die oben stehende Offenbarung bereitgestellt. In einem Beispiel kann das Verfahren Folgendes umfassen: Konfigurieren des Bohrlochwerkzeugs 16, das eine elektrische Energiequelle 56, eine elektrische Last (wie etwa ein Betätigungselement 50, eine Vorrichtung für die Datenerfassung im Bohrloch usw.), eine Steuerungsschaltung 42, welche die Aktivierung der elektrischen Last steuert, und einen Schalter 60 aufweist, welcher selektiv einen elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle 56 und der Steuerungsschaltung 42 ermöglicht; und Generieren von Elektrizität im Bohrloch, wodurch veranlasst wird, dass der Schalter 60 den elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle 56 und der Steuerungsschaltung 42 ermöglicht.
Der Generierungsschritt kann das Strömen eines Fluids 24 im Bohrloch enthalten. Der Strömungsschritt kann das Erzeugen eines Wärmegradienten an einem thermoelektrischen Generator 62 und/oder das Erzeugen einer Bewegung an einem elektrischen Generator 62 enthalten.
Das Fluid 24 kann ein Frakturierungsfluid und/oder ein Stimulationsfluid umfassen. Andere Arten von Fluid (wie etwa Produktionsfluid, Zement usw.) können verwendet werden.
Der Generierungsschritt kann das Verschieben eines Objekts (wie etwa der Magnetvorrichtung 38) im Bohrloch enthalten.
Das Verfahren kann außerdem nach dem Generierungsschritt enthalten, dass die Steuerungsschaltung 42 die Aktivierung der elektrischen Last als Reaktion auf einen Sensor 40, der mit der Steuerungsschaltung 42 gekoppelt ist, detektierend einen vorher festgelegten Stimulus, veranlasst. Der Stimulus könnte ein Magnetfeld, eine gewisse Anzahl von Magnetfeldern, ein spezifisches Magnetfeldmuster, ein Druckpegel oder -signal usw. sein. In einigen Beispielen kann die Aktivierung jedoch ohne die Verwendung eines Sensors, um einen vorher festgelegten Stimulus wahrzunehmen, erreicht werden.
Ein Werkzeug 16 zur Verwendung in einem unterirdischen Bohrloch wird zuvor ebenso beschrieben. In einem Beispiel kann das Werkzeug 16 eine elektrische Energiequelle 56, welche elektrische Energie speichert, eine elektrische Last, eine Steuerungsschaltung 42, welche die Aktivierung der elektrischen Last steuert, einen Schalter 60, welcher selektiv einen elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle 56 und der Steuerungsschaltung 42 ermöglicht und einen elektrischen Generator 62 umfassen.
Der Schalter 60 kann den elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle 56 und der Steuerungsschaltung 42 als Reaktion auf das Generieren von elektrischer Energie durch den elektrischen Generator 62 ermöglichen.
Das Werkzeug 16 kann außerdem einen Sensor 40 enthalten. Die Steuerungsschaltung 42 kann als Reaktion auf das Detektieren eines vorher festgelegten Signals durch den Sensor 40 die Aktivierung der elektrischen Last veranlassen, jedoch nur, wenn der Schalter 60 den elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle 56 und der Steuerungsschaltung 42 ermöglicht. Der Sensor 40 kann einen Magnetfeldsensor umfassen.
Die elektrische Energiequelle 56 kann eine Batterie umfassen. Andere Arten von elektrischen Energiequellen, wie etwa aufgeladene Kondensatoren usw., können verwendet werden.
Der elektrische Generator 62 kann einen thermoelektrischen Generator umfassen. Der thermoelektrische Generator 62 kann Elektrizität als Reaktion auf einen Strom von Fluid 24 durch einen Strömungsdurchgang 36 des Werkzeugs 16 generieren. Ein Wärmegradient kann auf andere Art und Weise erzeugt werden, zum Beispiel eine Joule-Thomson-Kühlung aufgrund eines Gasflusses, das Erstarren von Zement usw. Andere Arten elektrischer Generatoren können verwendet werden.
Ein anderes Verfahren zur Aktivierung eines Bohrlochwerkzeugs 16 in einem unterirdischen Bohrloch kann Folgendes umfassen: Verschieben von mindestens einem eines Fluids 24 und eines Objekts (wie etwa der Magnetvorrichtung 38) an dem Bohrlochwerkzeug 16 in dem Bohrloch, Generieren von Elektrizität in dem Bohrloch als Reaktion auf das Verschieben, Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer elektrischen Energiequelle 56 in dem Bohrloch und einer Steuerungsschaltung 42 in dem Bohrloch als Reaktion auf den Generierungsschritt und nach dem Ermöglichungsschritt und als Reaktion auf das Detektieren eines vorher festgelegten Signals, Veranlassen der Aktivierung einer elektrischen Last in dem Bohrloch (wie etwa das Betätigungselement 50, ein Heizgerät, eine Vorrichtung für die Datenerfassung usw.) durch die Steuerungsschaltung 42.
Das Veranlassen der Aktivierung der elektrischen Last kann enthalten, dass die Steuerungsschaltung 42 einen elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle 56 und der elektrischen Last ermöglicht.
Der Verschiebungsschritt kann das Erzeugen eines Wärmegradienten an dem Bohrlochwerkzeug 16 umfassen. Der Verschiebungsschritt kann das Erzeugen einer Bewegung (wie etwa eine Vibration der Membran 76) an dem Bohrlochwerkzeug 16 umfassen.
Wenn der Verschiebungsschritt das Strömen des Fluids 24 umfasst, kann das Fluid 24 ein Stimulations- und/oder ein Frakturierungsfluid enthalten. Wie zuvor erwähnt, können ebenso andere Arten von Fluiden verwendet werden.
Obwohl zuvor verschiedene Beispiele beschrieben wurden, wobei jedes Beispiel bestimmte Merkmale aufweist, versteht es sich, dass es nicht notwendig ist, dass ein bestimmtes Merkmal von einem Beispiel ausschließlich mit diesem Beispiel verwendet wird. Stattdessen können beliebige der zuvor beschriebenen und/oder in den Zeichnungen abgebildeten Merkmale zusätzlich zu oder als Ersatz für beliebige der anderen Merkmale dieser Beispiele mit beliebigen der Beispiele kombiniert werden. Die Merkmale eines Beispiels und die Merkmale eines anderen Beispiels sind nicht gegenseitig ausschließlich. Stattdessen umfasst der Umfang dieser Offenbarung eine beliebige Kombination von beliebigen der Merkmale.
Obwohl jedes zuvor beschriebene Beispiel eine bestimmte Kombination von Merkmalen umfasst, versteht es sich, dass es nicht notwendig ist, dass alle Merkmale eines Beispiels verwendet werden. Stattdessen können beliebige der zuvor beschriebenen Merkmale verwendet werden, ohne dass ein beliebiges anderes bestimmtes Merkmal bzw. Merkmale ebenso verwendet wird bzw. werden.
Es versteht es sich, dass die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen in verschiedenen Ausrichtungen wie etwa geneigt, umgekehrt, horizontal, vertikal usw. und in verschiedenen Konfigurationen verwendet werden können, ohne dass von den Prinzipien dieser Offenbarung abgewichen wird. Die Ausführungsformen werden lediglich als Beispiele nützlicher Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung beschrieben, welche nicht auf beliebige spezifische Details dieser Ausführungsformen beschränkt sind.
In der vorstehenden Beschreibung der repräsentativen Beispiele werden richtungsanzeigende Begriffe (wie etwa „über”, „unter”, „obere(r)”, „untere(r)” usw.) unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen der Einfachheit halber verwendet. Es versteht sich jedoch klar, dass der Umfang dieser Offenbarung nicht auf hier beschriebene beliebige bestimmte Richtungen beschränkt ist.
Die Begriffe „enthaltend”, „enthält”, „umfassend”, „umfasst” und ähnliche Begriffe werden in dieser Patentschrift in einem nicht einschränkenden Sinn verwendet. Zum Beispiel, wenn ein System, ein Verfahren, eine Apparatur, eine Vorrichtung usw. als ein bestimmtes Merkmal oder Element „enthaltend” beschrieben wird, kann das System, das Verfahren, die Apparatur, die Vorrichtung usw. das Merkmal oder Element enthalten und kann außerdem andere Merkmale oder Elemente enthalten. Gleichermaßen wird der Begriff „umfasst” so angesehen, dass er „umfasst, ohne darauf beschränkt zu sein” bedeutet.
Natürlich wird es ein Fachmann auf dem Gebiet nach sorgfältiger Betrachtung der oben stehenden Beschreibung repräsentativer Ausführungsformen der Offenbarung bereitwillig würdigen, dass viele Modifikationen, Ergänzungen, Ersetzungen, Streichungen und andere Veränderungen im Hinblick auf die spezifischen Ausführungsformen vorgenommen werden können und solche Veränderungen werden durch die Prinzipien dieser Offenbarung in Erwägung gezogen. Zum Beispiel können Strukturen, die als separat geformt, offenbart werden, in anderen Beispielen integral geformt werden und umgekehrt. Dementsprechend ist die vorstehende ausführliche Beschreibung eindeutig als lediglich mittels Veranschaulichung und Beispiel gegeben zu verstehen, wobei der Geist und der Umfang der Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Patentansprüche und ihre Äquivalente beschränkt sind.

Claims

Verfahren zur Aktivierung eines Bohrlochwerkzeugs in einem unterirdischen Bohrloch, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Konfigurieren des Bohrlochwerkzeugs, das eine elektrische Energiequelle, eine elektrische Last, eine Steuerungsschaltung, welche die Aktivierung der elektrischen Last steuert, und einen Schalter aufweist, welcher selektiv einen elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle und der Steuerungsschaltung ermöglicht; und Generieren von Elektrizität im Bohrloch, wodurch veranlasst wird, dass der Schalter den elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle und der Steuerungsschaltung ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren ferner das Strömen eines Fluids in dem Bohrloch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Strömen ferner das Erzeugen eines Wärmegradienten an einem thermoelektrischen Generator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Strömen ferner das Erzeugen einer Bewegung an einem elektrischen Generator umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fluid ein Frakturierungsfluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fluid ein Stimulationsfluid umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren ferner das Verschieben eines Objekts in dem Bohrloch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: nach dem Generieren, Veranlassen der Aktivierung der elektrischen Last durch die Steuerungsschaltung als Reaktion auf einen Sensor, der mit der Steuerungsschaltung gekoppelt ist, detektierend einen vorher festgelegten Stimulus.
Werkzeug zur Verwendung in einem unterirdischen Bohrloch, wobei das Werkzeug Folgendes umfasst: eine elektrische Energiequelle, die elektrische Energie speichert; eine elektrische Last; eine Steuerungsschaltung, welche die Aktivierung der elektrischen Last steuert; einen Schalter, welcher selektiv einen elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle und der Steuerungsschaltung ermöglicht; und einen elektrischen Generator, wobei der Schalter den elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle und der Steuerungsschaltung als Reaktion auf das Generieren von elektrischer Energie durch den elektrischen Generator umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 9, ferner umfassend einen Sensor und wobei die Steuerungsschaltung als Reaktion auf das Detektieren eines vorher festgelegten Signals durch den Sensor die Aktivierung der elektrischen Last nur veranlasst, wenn der Schalter den elektrischen Stromfluss zwischen der elektrischen Energiequelle und der Steuerungsschaltung ermöglicht.
Werkzeug nach Anspruch 10, wobei der Sensor einen Magnetfeldsensor umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 9, wobei die elektrische Energiequelle eine Batterie umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 9, wobei der elektrische Generator einen thermoelektrischen Generator umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 13, wobei der thermoelektrische Generator Elektrizität als Reaktion auf einen Fluidstrom durch einen Strömungsdurchgang des Werkzeugs generiert.
Verfahren zur Aktivierung eines Bohrlochwerkzeugs in einem unterirdischen Bohrloch, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Verschieben von mindestens einem eines Fluids und eines Objekts an dem Bohrlochwerkzeug in dem Bohrloch; Generieren von Elektrizität in dem Bohrloch als Reaktion auf das Verschieben; Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses zwischen einer elektrischen Energiequelle in dem Bohrloch und einer Steuerungsschaltung in dem Bohrloch als Reaktion auf das Generieren; und nach dem Ermöglichen und als Reaktion auf das Detektieren eines vorher festgelegten Signals, Veranlassen der Aktivierung einer elektrischen Last in dem Bohrloch durch die Steuerungsschaltung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Aktivierung ferner das Ermöglichen des elektrischen Stromflusses zwischen der elektrischen Energiequelle und der elektrischen Last durch die Steuerungsschaltung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verschieben ferner das Erzeugen eines Wärmegradienten an dem Bohrlochwerkzeug umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verschieben ferner das Erzeugen einer Bewegung an dem Bohrlochwerkzeug umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verschieben das Strömen des Fluids umfasst und wobei das Fluid mindestens eines von einem Stimulations- und einem Frakturierungsfluid umfasst.