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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Untertagemessungen im Zusammenhang mit der Öl- und Gasexploration und Bohrvorgängen. Insbesondere betreffen Ausführungsformen der Offenbarung Systeme und Verfahren zum Übermitteln Daten im Zusammenhang mit Untertagemessungen von unterhalb eines Schlammmotors an Ziele oberhalb des Schlammmotors.
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2. Allgemeiner Stand der Technik
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Bohrlöcher werden oft zur Kohlenwasserstoffexploration und für Fördervorgänge durch eine geologische Formation gebohrt. Messungen in den Bohrlöchern können im Zusammenhang mit verschiedenen Eigenschaften der geologischen Formationen durchgeführt werden, z. B. Härte, Porosität usw., und auch mit den Eigenschaften der Bohrlöcher selbst, wie Richtung oder Neigung. Häufig werden diese Messungen vorgenommen, während die Bohrlöcher gebohrt werden. Systeme zum Erstellen dieser Messungen während eines Bohrvorgangs können als Logging-while-drilling(LWD, Vermessung während des Bohrens)- oder Measurement-while-drilling(MWD, Messung während des Bohrens)-Systeme beschrieben werden, und beinhalten im Allgemeinen verschiedene Sensoren, die von einer Bohrgarnitur (BG) eines Bohrstrangs getragen werden. Diese Messungen können beim Lenken einer Bohrvorrichtung nützlich sein, z. B. um einen vorgegebenen Weg eines Bohrlochs einzuhalten, und/oder diese Messungen können nach Komplettierung des Bohrlochs zur Planung künftiger Einsätze ausgewertet werden.
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Wenigstens einige der Sensoren eines LWD- oder MWD-Systeme können so nah wie möglich an einem Untertageende der BG wie möglich angeordnet sein, um Messungen bereitzustellen, die für die Bedingungen repräsentativ sind, unter denen ein Bohrmeißel arbeitet. Von den Sensoren bereitgestellte Daten können von einem Telemetriewerkzeug, das in der BG angeordnet ist, nach oben an eine Position an der Oberfläche ode an andere Abschnitte des Bohrstrangs übermittelt werden. Das Telemetriewerkzeug kann mit verschiedenen Techniken kommunizieren, darunter z. B. Schlammimpuls-, elektromagnetische und akustische Techniken. In einigen Fällen kann die BG einen Schlammmotor zum Antreiben des Bohrmeißels beinhalten, und es kann Kommunikation über den Schlammmotor hinweg zwischen den Sensoren und dem Telemetriewerkzeug erforderlich sein. Ein Schlammmotor arbeitet im Allgemeinen, indem eine Well in Reaktion auf das Hindurchtreten von Hochdruckbohrfluid dadurch gedreht wird. Teilweise aufgrund der drehenden Natur eines Schlammmotors kann die Übertragung von Informationen von den Sensoren, die unterhalb des Schlammmotors angeordnet sind, an eine Telemetrieeinheit oberhalb des Schlammmotors schwierig sein. In einigen Systemen wird eine direkte kabelgebundene Verbindung durch den Schlammmotor geführt, um die Sensoren an die Telemetrieeinheit zu koppeln. Die Kabel können für Erosion durch das Bohrfluid anfällig sein, weshalb die Zuverlässigkeit dieser Systeme beschränkt sein kann. Andere Systeme, wie etwa elektromagnetische „Kurzstrecken“-Systeme, werden zum Übermitteln von Daten über einen Schlammmotor verwendet. Diese Systeme können von elektromagnetischen Eigenschaften der geologischen Formation oder durch den Betrieb des Schlammmotors oder anderer Komponenten der BG beeinträchtigt werden. Systeme zum Übertragen von Daten über einen Schlammmotor (in sowohl im Bohrloch nach oben als auch nach unten) fehlen weiterhin auf dem Gebiet der Kohlenwasserstoffbohrungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Offenbarung wird im Folgenden auf Grundlage von Ausführungsformen ausführlich beschrieben, die in den begleitenden Figuren dargestellt sind; es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittseitenansicht eines Bohrsystems mit einer BG mit einem Untertageschlammmotor und einem Kommunikationsmodul zum Übertragen von Daten über den Schlammmotor gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der Offenbarung;
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2 eine schematische Ansicht der BG aus 1, die in der BG definierte Kommunikationswege zeigt;
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3 ein schematisches Blockdiagramm des Kommunikationsmoduls aus 1, das ein mechanisches Bremssystem zeigt, das zwischen einer Turbine und einem Generator des Kommunikationsmoduls angeordnet ist;
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4 eine schematische Querschnittseitenansicht des Kommunikationsmoduls aus 1 und 3; und
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5 ein Ablaufdiagramm, das Betriebsabläufe darstellt, die die Untertagekommunikationsmodule aus 3 und 4 verwenden.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Offenbarung kann Bezugszeichen in den verschiedenen Beispielen der Figuren wiederholen. Diese Wiederholung dient nur der Einfachheit und Klarheit und gibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor. Räumlich relative Begriffe wie unter, unterhalb, unteres, über, oberhalb, oben, unten, stromaufwärts, stromabwärts und dergleichen können hier zur leichteren Beschreibung verwendet werden, um das Verhältnis eines Elements oder Merkmals zu anderen Element(en) oder Merkmal(en) wie dargestellt zu beschreiben, wobei die Aufwärtsrichtung zur Oberseite der entsprechenden Figur und die Abwärtsrichtung zur Unterseite der entsprechenden Figur verläuft, die Richtung im Bohrloch nach oben zur Oberfläche des Bohrlochs und die Richtung im Bohrloch nach unten zum Boden des Bohrlochs verläuft. Die räumlich relativen Begriffe sollen, soweit nicht anders angegeben, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der verwendeten oder betriebenen Vorrichtung einschließen. Wenn eine Vorrichtung in den Figuren beispielsweise umgedreht ist, wären als „unter“ oder „unterhalb von“ anderen Elementen oder Merkmalen befindlich beschriebene Elemente „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet. Der beispielhafte Begriff „unter“ kann somit eine Ausrichtung sowohl ober- als auch unterhalb einschließen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (um 90 Grad und in anderen Ausrichtungen gedreht), und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können ebenfalls entsprechend ausgelegt werden.
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Obwohl zudem eine Figur eine Vorrichtung in einem Abschnitt eines Bohrlochs mit einer spezifischen Ausrichtung darstellen kann, werden einschlägige Fachleute verstehen, dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung, soweit nicht anders angegeben, ebenso zur Verwendung in Bohrlochabschnitten mit anderen Ausrichtungen wie etwa vertikal, schräg, horizontal, gekrümmt usw. geeignet sein kann. Soweit nicht anders angegeben, kann eine Figur außerdem zwar einen Betrieb an Land oder am Boden darstellen, doch werden einschlägige Fachleute verstehen, dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, soweit nicht anders angegeben, ebenso für die Verwendung in Off-shore-Vorgängen geeignet ist. Soweit nicht anders angegeben, kann eine Figur zudem zwar ein teilweise verrohrtes Bohrloch darstellen, doch werden einschlägige Fachleute verstehen, dass die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, soweit nicht anders angegeben, ebenso für die Verwendung in Vorgängen mit vollständig unverrohrten Bohrlöchern geeignet sein kann.
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1. Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Bezug nehmend auf 1 wird eine direktionales Bohrsystem 10 dargestellt, das ein Untertagekommunikationsmodul 100 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhaltet. Obwohl das direktionale Bohrsystem 10 im Kontext eines Bohrvorgangs an Land dargestellt ist, werden einschlägige Fachleute verstehen, dass Aspekte der Offenbarung auch in Verbindung mit Offshore-Plattformen und oder anderen Arten von Kohlenwasserstoffexplorations- und -fördersystemen ausgeübt werden können.
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Das direktionale Bohrsystem 10 ist teilweise in einem direktionalen Bohrloch 12 angeordnet, das eine geologische Formation „G“ durchquert. Das direktionale Bohrloch 12 erstreckt sich von einem Oberflächenstandort „S“ an einer gekrümmten Längsachse X1 entlang. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Längsachse X1 eine vertikalen Teil 12a, einen Neigungsaufbauteil 12b und einen Tangentialteil 12c. Der Tangentialteil 12c ist der tiefste Teil des Bohrlochs 12 und weist im Allgemeinen geringere Neigungsaufbauraten (Neigungsveränderungen des Bohrlochs 12) als der Neigungsaufbauteil 12b auf. In einigen Ausführungsbeispielen (nicht dargestellt) ist der Tangentialteil 12c allgemein horizontal. Außerdem beinhaltet das Bohrloch 12 in einem oder mehreren anderen Ausführungsbeispielen viele verschiedene vertikale, direktionale, abweichende, schräge und/oder horizontale Abschnitte darin und kann sich an einer beliebigen Trajektorie durch die geologische Formation „G“ erstrecken.
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Ein Drehbohrmeißel 14 ist in einer Untertageposition im Bohrloch 12 (dargestellt im Tangentialteil 12c) vorgesehen, um in die geologische Formation „G“ einzuschneiden. Wird der Bohrmeißel 14 gedreht, wirkt er so, dass er die geologische Formation „G“ aufbricht und allgemein zerstört. Am Oberflächenstandort „S“ ist eine Bohranlage 22 vorgesehen, um die Drehung des Bohrmeißels 14 und das Bohren des Bohrlochs 12 zu ermöglichen. Die Bohranlage 22 beinhaltet einen Drehtisch 28, der im Allgemeinen den Bohrstrang 18 und den Bohrmeißel 14 zusammen um die Längsachse X1 dreht. Der Drehtisch 28 wird selektiv von einem Motor 30, Kettenantriebssystem oder einer anderen Vorrichtung angetrieben. Die gemeinsame Drehung des Bohrstrangs 18 und des Bohrmeißels 14 kann im Allgemeinen als Bohren in einen „Drehmodus“ bezeichnet werden, der die direktionale Orientierung des Drehbohrmeißels 14 beibehält und dazu dient, einen geraden Teil des Bohrlochs 12, z. B. den vertikalen Teil 12a und den Tangentialteil 12c, zu erzeugen.
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Im Gegensatz dazu kann ein „Gleitmodus“ verwendet werden, um die Richtung des Drehbohrmeißels 14 zu ändern und dadurch einen gekrümmten Teil des Bohrlochs 12 zu erzeugen, z. B. den Neigungsaufbauteil 12b. Für den Betrieb im Gleitmodus kann der Drehtisch 28 verriegelt werden, derart, dass sich der Bohrstrang 18 nicht um die Längsachse X1 dreht, und der Drehbohrmeißel 14 kann in Bezug auf den Bohrstrang 18 gedreht werden. Zur Ermöglichung der Drehung des Drehbohrmeißels 14 in Bezug auf den Bohrstrang 18 wird eine Bohrgarnitur oder BG 32 im Bohrstrang 18 an einer Untertageposition im Bohrloch 12 bereitgestellt.
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In den dargestellten Ausführungsformen beinhaltet die BG 32 einen Schlammmotor 34, der in Reaktion auf die Zirkulation eines Bohrfluid, wie etwa Schlamm 36, dadurch hindurch Drehmoment erzeugt. Der Schlamm 36 kann von einer Schlammpumpe 38 durch ein Inneres des Bohrstrangs 18 ins Bohrloch gepumpt werden. Der Schlamm 36 tritt durch die BG 32 mit dem Schlammmotor 34, was dem Schlamm 36 Energie zum Drehen des Drehbohrmeißels 14 entzieht. Während der Schlamm 36 durch die BG 32 tritt, kann der Schlamm 36 auch darin definierte Lager (nicht ausdrücklich dargestellt) schmieren, bevor er durch Düsen (nicht ausdrücklich dargestellt) ausgestoßen wird, die im Drehbohrmeißel 14 definiert sind. Der Schlamm 36 schmiert den Drehbohrmeißel 14 und spült geologisches Bohrklein aus dem Weg des Drehbohrmeißels 14. Der Schlamm 36 wird dann durch einen Ringraum 40, der zwischen dem Bohrstrang 18 und der geologischen Formation „G“ definiert ist, zurückgeleitet. Das geologische Bohrklein und anderer Schutt werden von dem Schlamm 36 an den Oberflächenstandort „S“ getragen, wo das Bohrklein und der Schutt aus dem Schlammstrom entfernt werden können.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Offenbarung beinhaltet die BG 32 ein Bohrwerkzeug 40, das weiter unten als der Schlammmotor 34 im Bohrloch angeordnet ist. Das Bohrwerkzeug 40 kann Komponenten zum Betreiben des Drehbohrmeißels 14 wie etwa Lagerbaugruppen (nicht dargestellt) oder Lenkmechanismen (nicht dargestellt) beinhalten, um das direktionale Bohren des Bohrlochs 12 zu ermöglichen. Das Bohrwerkzeug 40 kann eine Rückkopplungsvorrichtung 42 zum Messen eines Parameters der Untertageumgebung an einer Position nahe dem Drehbohrmeißel 14 tragen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Rückkopplungsvorrichtung 42 Beschleunigungsmesser, Neigungsmesser, Thermometer oder andere Arten von Sensoren zum Messen von Charakteristiken des Bohrlochs 12 beinhalten. Außerdem kann die Rückkopplungsvorrichtung 42 in einigen Ausführungsbeispielen Strahlungsdetektoren, akustische Detektoren, elektromagnetische Detektoren oder andere Vorrichtungen zum Messen von Charakteristiken der geologischen Formation „G“ nahe dem Drehbohrmeißel 14 beinhalten. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Rückkopplungsvorrichtung 42 eine Betriebscharakteristik der BG 32 wie etwa eine Drehzahl des Drehbohrmeißels 14 messen. In wieder anderen Ausführungsbeispielen kann der jeweils von der gemessene Rückkopplungsvorrichtung 42 Parameter nicht mit einem Bohrvorgang in Zusammenhang stehen, weshalb die Ausführungsbeispielen der Rückkopplungsvorrichtung 42 nicht als einschränkend zu betrachten sind.
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Die BG 32 kann auch ein Datensammelwerkzeug 44, wie etwa ein MWD-Werkzeug oder ein LWD-Werkzeug, beinhalten, das weiter oben als der Schlammmotor 34 im Bohrloch angeordnet ist. Das Datensammelwerkzeug 44 ist betriebsfähig, um Informationen zu messen, zu verarbeiten und/oder zu speichern. Das Datensammelwerkzeug 44 kann Vorrichtungen (nicht ausdrücklich dargestellt) zum Messen eines auf dem Drehbohrmeißel 14 lastenden Gewichts, zum Messen eines Widerstandsmoments, das von der geologischen Formation „G“ auf die BG 32 ausgeübt wird, zum Messen von Vibrationsenergie und/oder zum Messen beliebiger anderer Parameter beinhalten, die dem MWD- oder LWD-Werkzeug zugeordnet sind, wie einschlägige Fachleute verstehen werden.
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Das Datensammelwerkzeug 44 ist betriebsfähig an ein Telemetriewerkzeug 46 gekoppelt, das ebenfalls weiter oben im Bohrloch als der Schlammmotor 34 angeordnet ist. In Ausführungsbeispielen kann das Telemetriewerkzeug 46 eine beliebige Art von Telemetriesystem oder eine beliebige Kombination von Telemetriesystemen beinhalten, wie etwa elektromagnetische, akustische und\oder kabelgebundene Bohrgestängetelemetriesysteme für die Zweiwegekommunikation mit dem Oberflächenstandort „S“ oder mit anderen Abschnitten des Bohrstrangs 18. Das Telemetriewerkzeug 46 kann von der Datensammelwerkzeug 44 und/oder der Rückkopplungsvorrichtung 42 gesammelte Daten im Bohrloch nach oben übertragen und kann beispielsweise auch Anweisungen oder Daten empfangen, die vom Oberflächenstandort „S“ im Bohrloch nach unten übertragen werden. In den Ausführungsbeispielen aus 1 umfasst das Telemetriewerkzeug 46 ein Schlammimpulstelemetriesystem, das betriebsfähig ist, um Störungen in einer Säule aus Schlamm 36 im Bohrloch 12 zu erzeugen, die von einem Oberflächenempfänger 50 empfangen werden können, der am Oberflächenstandort „S“ angeordnet ist. Der Oberflächenempfänger 50 ist betriebsfähig, um Druckänderungen im Schlamm 36 zu erfassen und zu messen, und ist in Fluidverbindung mit dem Schlamm 36 im Ringraum 40 dargestellt. Ein einschlägiger Fachmann wird jedoch verstehen, dass der Oberflächenempfänger 50 zusätzlich oder alternativ fluidisch an den Schlamm 36 im Bohrstrang 18 gekoppelt sein kann. Der Oberflächenempfänger 50 ist kommunizierend an eine Verarbeitungseinheit 52 gekoppelt, die betriebsfähig ist, um vom Oberflächenempfänger 50 erfasste Signale zu empfangen, zu interpretieren und zu analysieren.
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Das Untertagekommunikationsmodul 100 ist zum Kommunizieren über den Schlammmotor 34 vorgesehen. Wie unten ausführlicher beschrieben, kann das Kommunikationsmodul 100 in einigen Ausführungsbeispielen betriebsfähig sein, um Daten von der Rückkopplungsvorrichtung 42 zu empfangen und die Daten dann an das Telemetriewerkzeug 46 auf einer gegenüberliegenden Seite des Schlammmotors 34 zu übertragen. Das Telemetriewerkzeug 46 kann die Übertragung vom Kommunikationsmodul 100 empfangen und dann wiederum die Informationen nach oben an den Oberflächenstandort „S“ übertragen.
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Bezug nehmend auf 2 ist ein Kommunikationsnetz in der BG 32 dargestellt. Ein erster Teilbus 60 erstreckt sich am Bohrwerkzeug 40 entlang und stellt einen Kommunikationsweg für Daten bereit, die von der Rückkopplungsvorrichtung 42 bereitgestellt werden, um das Kommunikationsmodul 100 zu erreichen. Ein zweiter Teilbus 62 erstreckt sich am Datensammelwerkzeug 44 und am Telemetriewerkzeug 46 entlang und stellt einen Kommunikationsweg für Daten bereit, die vom Datensammelwerkzeug 62 erfasst werden, um das Telemetriewerkzeug 46 zu erreichen. Das Kommunikationsmodul 100 stellt einen Kommunikationsweg 64 bereit, der den ersten Teilbus 60 und den zweiten Teilbus 62 überbrückt. Auf diese Weise kann durch den ersten Teilbus 60, den zweiten Teilbus 64 und den Kommunikationsweg 64 Kommunikation entlang der gesamten BG 32 hergestellt werden. Mit dem Telemetriewerkzeug 46 kann Kommunikation in die BG 46 und aus ihr heraus hergestellt werden.
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Bezug nehmend auf 3 und 4 beinhaltet das Kommunikationsmodul 100 ein Bremssystem 102, das betriebsfähig zwischen einer Turbine 104 und einem Generator 106 gekoppelt ist. Das Bremssystem 102 beinhaltet eine Bremskomponente 110 und eine Steuereinrichtung 112, die betriebsfähig ist, um Anweisungen an die Bremskomponente 110 bereitzustellen, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann die Turbine 104 eine Pumpe mit positiver Verdrängung sein, die bisweilen als eine Moineau-Pumpe bezeichnet wird. Die Turbine 104 beinhaltet einen Stator 116, der in Bezug auf ein Außengehäuse 118 stationär angebracht ist. Ein Rotor 120 wird drehend im Stator 116 gelagert und beinhaltet eine Turbinenwelle 124. Der Stator 116 und der Rotor 120 sind derart geformt, dass die Bewegung des Schlamms 36 (1) durch einen zentralen Strömungsdurchlass 126 eine Drehung des Rotors 120 in Bezug auf den Stator 116 bewirkt. Der Rotor 120 entzieht der Zirkulation des Schlamms 36 (1) durch die Turbine 104 Hydraulikenergie und wandelt die Hydraulikenergie in eine mechanische Drehbewegung der Turbinenwelle 124 um. Die Turbinenwelle 124 kann durch die Bremskomponente 110 betriebsfähig an eine Generatorwelle 128 gekoppelt sein, derart, dass die Generatorwelle 128 die Drehbewegung von der Turbinenwelle 124 aufnimmt. Die Drehung der Generatorwelle 128 erzeugt eine elektrische Spannung, die zum Versorgen von Untertageelektronik wie etwa der Rückkopplungsvorrichtung 42 und der Steuereinrichtung 112 verwendet werden kann.
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Das Bremssystem 102 ist selektiv betriebsfähig, um die Drehzahl der Turbinenwelle 124 und der Generatorwelle 128 zu beschränken. Durch Ändern der Drehzahl der Turbinenwelle 124, werden lokale Druckvariationen im Schlamm 36 erzeugt (1), die von dem Telemetriewerkzeug 46 erfasst und/oder decodiert werden können (2). In einigen Ausführungsbeispielen kann die Bremskomponente der 110 eine mechanische Bremse beinhalten, die betriebsfähig ist, um Reibungskräfte zu erzeugen, die ein Gegendrehmoment erzeugen, um die Drehbewegung in der Turbinenwelle 124 abzubremsen. In anderen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Bremskomponente 110 eine Hysteresebremse. Eine Hysteresebremse beinhaltet im Allgemeinen innere Magnete (nicht dargestellt), die auf einen Eingangsstrom oder einen Steuerstrom von der Steuereinrichtung 112 ansprechen, um ein Ausgangsmoment variieren zu lassen. Das Ausgangsmoment kann angewandt werden, um der Drehbewegung der Turbinenwelle 124 entgegenzuwirken. Da kein Reibungskontakt zwischen den Magneten einer Hysteresebremse vorliegt, ist eine Hysteresebremse im Allgemeinen haltbar und kann ein dauerhaftes Drehmoment bereitstellen, ohne große Mengen an Wärme zu erzeugen, die in einer Untertageumgebung schwer ableitbar sein kann.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuereinrichtung 112 des Bremssystems 102 einen Computer mit einem Prozessor 112a und ein computerlesbares Medium 112b beinhalten, das betriebsfähig daran gekoppelt ist. Das computerlesbare Medium 112b kann einen nichtflüchtigen oder nicht transitorischen Speicher mit Daten und Anweisungen beinhalten, auf die der Prozessor 112a zugreifen kann und die von ihm ausführbar sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das computerlesbare Medium 112b mit einem Satz Anweisungen zum Codieren von Daten, die von der Rückkopplungsvorrichtung 42 empfangen werden, in eine Folge von Druckimpulsen vorprogrammiert. Der Prozessor 112a kann die Anweisungen ausführen, um in geeigneter Weise den Eingangsstrom an die Hysteresebremse der Bremskomponente 110 bereitzustellen und dadurch die Turbinenwelle 124 abzubremsen und die Folge von Druckimpulsen im Schlamm 36 zu erzeugen (1).
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In den Ausführungsbeispielen aus 3 und 4 ist der Generator 106 dazu angeordnet, elektrische Leistung an die Steuereinrichtung 112 und die Rückkopplungsvorrichtung 42 bereitzustellen. Der elektrische Ausgang des Generators 106 kann relativ gering sein, da die Hysteresebremse des Bremssystems 102 eine relativ geringe Leistungsmenge benötigt, um das zum Abbremsen der Turbine 104 nötige Gegendrehmoment zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen kann elektrische Leistung von einer Batterie oder anderen Leistungsquelle untertage bereitgestellt werden, wie im Stand der Technik bekannt. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Bohrwerkzeug 40 eine interne Turbine und einen internen Generator (nicht dargestellt) beinhalten, die elektrische Leistung an die Rückkopplungsvorrichtung 42 bereitstellen.
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2. Beispielimplementierung
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Bezug nehmend auf 5 und unter Bezugnahme auf 1 bis 4 werden Ausführungsbeispiele eines Betriebsablaufs 200 beschrieben, die das oben beschriebene Kommunikationsmodul 100 anwenden. Zunächst wird an Schritt 202 die BG 32 in das Bohrloch 12 eingebracht, und Bohrschlamm 36 wird durch die Turbine 104 und den Schlammmotor 34 zirkulieren gelassen (Schritt 204). Die Zirkulation des Schlamms 36 durch den Schlammmotor 34 bewirkt eine Drehbewegung in der Turbinenwelle 124 und dem Schlammmotor 34, die die Kommunikation durch den Schlammmotor 34 mit üblichen Mechanismen behindern kann. Bei Schritt 206 kann ein Parameter des Bohrlochs 12, der geologischen Formation „G“ oder der BG 32 von der Rückkopplungsvorrichtung 42 erfasst werden. Da die Rückkopplungsvorrichtung 42 im Bohrloch unterhalb des Schlammmotors 34 angeordnet ist, kann die Kommunikation von Daten, die von der Rückkopplungsvorrichtung 42 bereitgestellt werden, mit dem Kommunikationsmodul 100 über den Schlammmotor 34 übertragen werden.
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Die Steuereinrichtung 112 empfängt Daten von der Rückkopplungsvorrichtung 42 und codiert die Daten als eine Reihe von Druckimpulsen (Schritt 208). Als Nächstes kann in Schritt 210 die Steuereinrichtung 112 Anweisungen an die Bremskomponente 110 bereitstellen, um ein Gegendrehmoment in einem geeigneten Schema an die Turbinenwelle 124 bereitzustellen, um die Turbinenwelle 124 in einer Weise abzubremsen, die eine Folge von Druckimpulsen im Schlamm 36 erzeugt. Die Druckimpulse breiten sich über den Schlammmotor 34 im Bohrloch 12 nach oben aus und können von einem Detektor erfasst werden, der weiter oben im Bohrloch angeordnet ist als der Schlammmotor 34 (Schritt 212). In einigen Ausführungsbeispielen können die Druckimpulse von dem Telemetriewerkzeug 46 erfasst werden, das die Druckimpulse decodieren (Schritt 214) und Signale, die die von der Rückkopplungsvorrichtung 42 bereitgestellten Daten darstellen, an den Oberflächenstandort „S“ übertragen kann. In einigen anderen Ausführungsbeispielen können die Druckimpulse direkt von dem Oberflächenempfänger 50 erfasst werden, der am Oberflächenstandort „S“ angeordnet ist. Die Druckimpulse können dann von der Verarbeitungseinheit 52 decodiert werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen können in Schritt 216 die decodierten Druckimpulse verwendet werden, um das Bohren des Bohrlochs 12 zu modifizieren, z. B. um eine direktionale Orientierung des Drehbohrmeißels 14 zu ändern. In anderen Ausführungsformen können die decodierten Druckimpulse gespeichert und akkumuliert werden, um zukünftige Explorations- oder Bohrvorgänge zu planen.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann das Kommunikationsmodul 100 verwendet werden, wenn ein unabhängiges Kommunikationssystem (nicht dargestellt) einer Störung unterliegt oder wenn Kommunikation durch übliche Mittel nicht mehr verfügbar ist. Außerdem kann das Kommunikationsmodul 100 in einigen Ausführungsformen an anderen Positionen im Bohrloch 12 eingebracht werden, z. B. am Bohrstrang 18 über dem Schlammmotor 34, oder an einem anderen Arbeitsstrang (nicht dargestellt), der keinen Schlammmotor 34 beinhaltet.
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3. Aspekte der Offenbarung
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In einem Aspekt betrifft die Offenbarung ein Untertagekommunikationsmodul. Das Untertagekommunikationsmodul beinhaltet eine Turbine, die auf die Zirkulation von Bohrfluid durch sie hindurch anspricht, um eine Drehbewegung einer Turbinenwelle davon zu erzeugen, und beinhaltet außerdem ein Bremssystem, das selektiv betriebsfähig ist, um ein Gegendrehmoment von dem Bremssystem an sie Turbinenwelle zu übertragen, um die Drehbewegung der Turbinenwelle abzubremsen. Das Bremssystem beinhaltet eine Bremskomponente, die an die Turbinenwelle gekoppelt ist, und eine Steuereinrichtung, die betriebsfähig ist, um Anweisungen an die Bremskomponente bereitzustellen, um das Gegendrehmoment die Turbinenwelle in einem vorgegebenen Schema bereitzustellen.
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In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Bremskomponente eine Hysteresebremse, und in einigen Ausführungsformen beinhaltet das Untertagekommunikationsmodul ferner einen elektrischen Generator, der betriebsfähig an die Turbinenwelle gekoppelt ist, um die Drehbewegung von der Turbinenwelle aufzunehmen und elektrische Leistung aus der Drehbewegung zu erzeugen. In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist die Steuereinrichtung betriebsfähig an den elektrischen Generator gekoppelt, um elektrische Leistung von ihm aufzunehmen.
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In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen beinhaltet das Untertagekommunikationsmodul ferner eine Rückkopplungsvorrichtung, die betriebsfähig an die Steuereinrichtung gekoppelt ist, und die Steuereinrichtung beinhaltet Anweisungen, die darauf gespeichert sind, um Daten, die von der Rückkopplungsvorrichtung bereitgestellt werden, als eine Reihe von Druckimpulsen zu codieren und die Anweisungen auf Grundlage codierter Daten an die Backkomponente bereitzustellen. Die Rückkopplungsvorrichtung kann betriebsfähig sein, um wenigstens Parameter von wenigstens einem vom einem Bohrloch, in dem die Rückkopplungsvorrichtung angeordnet ist, einer geologischen Formation, in der die Rückkopplungsvorrichtung angeordnet ist, und einer Betriebscharakteristik einer Bohrgarnitur zu messen, in der die Rückkopplungsvorrichtung angeordnet ist. In einigen Ausführungsbeispielen umfasst die Bremskomponente eine mechanische Bremskomponente, die betriebsfähig ist, um Reibungskräfte darin zu erzeugen, um das Gegendrehmoment in der Turbinenwelle zu erzeugen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Bohrgarnitur, die einen Schlammmotor beinhaltet, der auf die Zirkulation von Bohrfluid durch ihn hindurch anspricht, um eine Drehbewegung in einem Drehbohrmeißel zu bewirken. Die Bohrgarnitur beinhaltet auch eine Rückkopplungsvorrichtung, die unterhalb des Schlammmotors angeordnet ist und betriebsfähig ist, um einen Parameter einer Untertageumgebung in der Nähe des Drehbohrmeißels zu messen, und eine Turbine, die unterhalb des Schlammmotors angeordnet ist und auf die Zirkulation des Bohrfluids durch sie hindurch anspricht, um eine Drehbewegung einer Turbinenwelle davon zu erzeugen. Die Bohrgarnitur beinhaltet ferner ein Bremssystem, das selektiv betriebsfähig ist, um ein Gegendrehmoment vom Bremssystem an die Turbinenwelle zu übertragen, um die Drehbewegung der Turbinenwelle in einem Schema abzubremsen, das den Parameter darstellt, der von der Rückkopplungsvorrichtung messbar ist.
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In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen umfasst das Bremssystem eine Hysteresebremse, und in einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Bohrgarnitur ferner ein Telemetriewerkzeug, das oberhalb des Schlammmotors angeordnet ist. Das Telemetriewerkzeug kann betriebsfähig sein, um Druckimpulse, die vom Bremssystem erzeugt werden, zu empfangen und zu decodieren. In einigen Ausführungsbeispielen ist das Telemetriewerkzeug kommunizierend an ein Datenerfassungswerkzeug gekoppelt ist, das oberhalb des Schlammmotors angeordnet ist, und das Datenerfassungswerkzeug beinhaltet wenigstens eins von einem MWD-Werkzeug und einem LWD-Werkzeug.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Kommunizieren in einem Bohrloch, beinhaltend (a) Zirkulierenlassen eines Bohrfluids durch eine Turbine, die im Bohrloch angeordnet ist, um eine Drehbewegung einer Turbinenwelle der Turbine zu erzeugen, (b) Übertragen eines Gegendrehmoments an die Turbinenwelle in einem vorgegebenen Schema von einem Bremssystem, das an die Turbinenwelle gekoppelt ist, um dadurch Druckimpulse im Bohrfluid zu erzeugen, und (c) Erfassen der Druckimpulse mit einem Empfänger in Fluidverbindung mit dem Bohrfluid.
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In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet das Bremssystem eine Hysteresebremse, und das Übertragen des Gegendrehmoments an die Turbinenwelle beinhaltet das Anlegen eines Steuerstroms an die Hysteresebremse in einem vorgegebenen Schema. In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen beinhaltet das Verfahren ferner das Betreiben eines Schlammmotors, der zwischen der Turbine und dem Empfänger angeordnet ist, während das Gegendrehmoment an die Turbinenwelle übertragen wird.
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In einem oder mehreren Ausführungsbeispielen beinhaltet das Verfahren ferner das Messen eines Untertageparameters mit einer Rückkopplungsvorrichtung, die kommunizierend an das Bremssystem gekoppelt ist, und das Übertragen des Gegendrehmoments an die Turbinenwelle beinhaltet das Übertragen des Gegendrehmoments in eine Turbinenwelle in einem Schema, das den erfassten Parameter darstellt. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet ferner das Anpassen eines Parameters eines Bohrvorgangs in Reaktion auf das Empfangen eines Signals, das den erfassten Parameter darstellt.
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Darüber hinaus können beliebige der hier beschriebenen Verfahren in einem System, das elektronische Verarbeitungsschaltungen zum Implementieren beliebiger der Verfahren beinhaltet, oder in einem Computerprogrammprodukt verkörpert sein, das Anweisungen beinhaltet, die bei Ausführung durch wenigstens einen Prozessor den Prozessor veranlassen, beliebige der hier beschriebenen Verfahren auszuführen.
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Die Zusammenfassung der Offenbarung dient ausschließlich der Bereitstellung einer Möglichkeit an das US-Patentamt und die Öffentlichkeit insgesamt, um rasch anhand einer oberflächlichen Lektüre das Wesen und den Kern der technischen Offenbarung zu bestimmen und stellt lediglich eine oder mehrere Ausführungsformen dar.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen ausführlich dargestellt wurden, ist die Offenbarung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt. Einschlägige Fachleute können zu Modifikationen und Anpassungen der vorstehenden Ausführungsformen gelangen. Diese Modifikationen und Anpassungen fallen in den Geist und Umfang der Offenbarung.
