DE112016000413T5

DE112016000413T5 - Schlammsirene mit hoher Signalstärke für die MWD-Telemetrie

Info

Publication number: DE112016000413T5
Application number: DE112016000413.3T
Authority: DE
Inventors: Wilson Chun-Ling Chin; Kamil Iftikhar
Original assignee: GE Energy Oilfield Technology Inc
Current assignee: Baker Hughes Energy Oilfield Technology Inc
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-11-16
Also published as: US20160201437A1; US20160201438A1; CN107109930B; RU2701747C2; RU2017123961A3; CA2973799C; CN107109930A; US10156127B2; CA2973799A1; RU2017123961A; US20190234183A1; US10808505B2; WO2016113632A1

Abstract

Ein Werkzeug zum Messen während des Bohrens (MWD-Werkzeug) enthält einen Sensor, einen mit dem Sensor wirkverbundenen Kodierer und einen Modulator, der mit dem Kodierer wirkverbunden ist. Der Modulator enthält einen ersten Stator, einen Rotor und einen zweiten Stator. Der Rotor ist zwischen dem ersten und dem zweiten Stator optimal positioniert. Die Verwendung des zweiten Stators verstärkt das Druckimpulssignal, das durch den Modulator erzeugt wird.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Rechtsvorteile der vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 62/103,421, die am 14. Januar 2015 eingereicht wurde und den Titel „High Signal Strength Mud Siren for MWD Telemetry“ („Schlammsirene hoher Signalstäke für die MWD-Telemetrie“) trägt, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Telemetriesystemen und insbesondere, jedoch keineswegs darauf beschränkt, akustische Signalgeneratoren, die in Bohrloch-Bohroperationen verwendet werden.
HINTERGRUND
Bohrlöcher werden häufig für die Gewinnung von Erdölfluiden aus unterirdischen Lagerstätten gebohrt. In vielen Fällen ist ein Bohrmeißel mit einem Bohrstrang verbunden und wird durch eine oberflächenbasierte Bohranlage gedreht. Bohrschlamm wird durch den Bohrstrang umgewälzt, um den Meißel zu kühlen, während sich dieser durch die unterirdischen Gesteinsformationen schneidet, und um Bohrklein aus dem Bohrloch herauszutragen. Der Einsatz von Drehbohrmeißeln und Bohrschlamm ist in der Technik allgemein bekannt.
Während sich die Bohrtechnologien verbessert haben, sind Techniken zum „Messen während des Bohrens“ („measurement while drilling“) ermöglicht worden, die dem Driller ermöglichen, die Lage des Bohrstrangs und –meißels und die Zustände in dem Bohrloch genau zu ermitteln. Die MWD-Ausrüstung umfasst häufig einen oder mehrere Sensoren, die einen Umgebungszustand oder eine Position erfassen und diese Informationen zurück zu dem Driller an der Oberfläche übermitteln. Diese Informationen können zu der Oberfläche unter Verwendung akustischer Signale übertragen werden, die kodierte Daten über den gemessenen Zustand führen.
Systeme nach dem Stand der Technik zur Emission dieser akustischen Signale machen von Wellengeneratoren Gebrauch, die schnelle Änderungen des Drucks des Bohrschlamms hervorrufen. Die schnellen Veränderungen des Drucks rufen Impulse hervor, die durch den Bohrschlamm zu Empfängern getragen werden, die sich an oder in der Nähe der Oberfläche befinden. Herkömmliche Druckimpulsgeneratoren, oder „Schlammsirenen“, enthalten einen einzigen Stator, einen einzigen Rotor und einen Motor zum steuerbaren schnellen Drehen des Rotors. Die selektive Drehung des Rotors begrenzt zeitweilig den Durchfluss des Schlamms durch die Schlammsirene und gibt diesen zeitweilig frei. Durch Steuerung der Drehung des Rotors kann die Schlammsirene ein Druckimpulsmuster erzeugen, das an der Oberfläche interpretiert und dekodiert werden kann.
Obwohl sie allgemein effektiv sind, können herkömmliche Schlammsirenen Bandbreitenbeschränkungen und eine Signalverschlechterung über lange Distanzen hinweg aufgrund einer Schwäche der Druckimpulse erfahren. Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Schlammsirene, die einen stärkeren Druckimpuls erzeugt, der sich weiter ausbreiten und zusätzliche Daten tragen wird. Die folgende Erfindung ist gerade auf diese und andere Unzulänglichkeiten in dem Stand der Technik gerichtet.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Erfindung umfasst ein Werkzeug zum Messen während des Bohrens (MWD, measurement while drilling), das einen Sensor, einen Kodierer, der mit dem Sensor wirkverbunden ist, und einen Modulator enthält, der mit dem Kodierer wirkverbunden ist. Der Modulator enthält einen ersten Stator, einen Rotor und einen zweiten Stator.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung einen Modulator zur Verwendung mit einem Bohrwerkzeugskodierer. Der Modulator enthält einen ersten Stator, einen Rotor und einen zweiten Stator. Der Rotor ist zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator positioniert.
In einem noch weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Bohrsystem, das zur Verwendung beim Bohren eines unterirdischen Bohrlochs eingerichtet ist. Das Bohrsystem enthält einen Bohrstrang, einen Bohrmeißel und ein Werkzeug zum Messen während des Bohrens (MWD-Werkzeug), das zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrmeißel positioniert ist. Das Werkzeug zum Messen während des Bohrens enthält einen Sensor, einen mit dem Sensor wirkverbundenen Kodierer und einen Modulator, der mit dem Kodierer wirkverbunden ist. Der Modulator enthält einen ersten Stator, einen Rotor und einen zweiten Stator.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Darstellung eines Bohrsystems, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Modulators und Motors des Bohrsystems nach 1.
3 zeigt eine Draufsicht von oben auf einen Stator des Modulators nach 2.
4 zeigt eine Draufsicht von oben auf den Rotor des Modulators nach 2.
SCHRIFTLICHE BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt 1 ein Bohrsystem 100 in einem Bohrloch 102. Das Bohrsystem 100 enthält einen Bohrstrang 104, einen Bohrmeißel 106 und ein MWG(Messen während des Bohrens)-Werkzeug 108. Es wird erkannt, dass das Bohrsystem 100 zusätzliche Komponenten, einschließlich Bohranlagen, Schlammpumpen und andere oberflächenbasierte Einrichtungen und Bohrlochausrüstung, enthalten wird.
Das MWD-Werkzeug 108 kann einen oder mehrere Sensoren 110, ein Kodierermodul 112, einen Generator 114, einen Modulator 116, ein Motormodul 118 und einen Empfänger 120 enthalten. Die Sensoren 110 sind eingerichtet, um einen Zustand an dem Bohrsystem 100 oder in dem Bohrloch 102 zu messen und ein für die Messung kennzeichnendes Signal zu erzeugen. Derartige Messungen können z.B. eine Temperatur, einen Druck, Schwingung, Drehmoment, Neigung, magnetische Richtung und Position enthalten. Die Signale von den Sensoren 110 werden durch das Kodierermodul 112 zu Befehlssignalen kodiert, die zu dem Motormodul 118 geliefert werden.
Auf der Basis der Befehlssignale von dem Kodierermodul 112 dreht das Motormodul 118 selektiv den Modulator 116 durch Veränderung des offenen Bereiches in dem Modulator 116, durch den unter Druck stehendes Bohrfluid hindurchtreten kann. Die schnelle Veränderung der Größe des Strömungspfades durch den Modulator 116 erhöht und verringert den Druck des Bohrschlamms, der durch das MWD-Werkzeug 108 fließt. Die Druckveränderung ruft Schallimpulse hervor, die die kodierten Signale von den Sensoren 110 enthalten. Die Druckimpulse werden durch das Bohrloch 102 zu dem Empfänger 120 übertragen und durch Oberflächeneinrichtungen verarbeitet, um dem Driller oder Betreiber Informationen über das Bohrsystem 100 und das Bohrloch 102 zu präsentieren.
Die Sensoren 110, das Kodierermodul 112 und das Motormodul 118 des MWD-Werkzeugs 108 können mit Strom betrieben werden. Der Strom kann durch ein Versorgungskabel von der Quelle, von einer werkzeugeigenen Batteriepackung oder durch den Betrieb des Generators 114 bereitgestellt werden. Der Generator 114 enthält einen von einem Fluid angetriebenen Motor und einen Stromgenerator. Der von einem Fluid angetriebene Motor kann ein Verdrängungsmotor oder ein Turbinenmotor sein, der einen Teil der Energie in dem druckbeaufschlagten Bohrfluid in Drehbewegung umwandelt. Die Drehbewegung wird verwendet, um einen Generator drehend anzutreiben, der elektrischen Strom erzeugt. Es wird erkannt, dass irgendeine Kombination aus Batterien, Generatoren und Versorgungskabeln verwendet werden kann, um Strom zu dem MWD-Werkzeug 108 zu liefern.
Unter Verweis auf 2 ist darin eine Querschnittsdarstellung des Motormoduls 118 und des Modulators 116 veranschaulicht. Das Motormodul 118 enthält einen Motor 122, der eine Welle 124 drehend antreibt. Der Motor 122 ist ein Elektromotor, der von dem Generator 114 oder einer anderen Energiequelle mit Strom versorgt wird. Alternativ ist der Motor 122 ein von einem Fluid angetriebener Motor, der einen Geschwindigkeits- und Richtungsregler enthält, der durch elektrische Signale betrieben wird, die durch das Kodierermodul 112 erzeugt werden.
Der Modulator 116 enthält ein Gehäuse 126, einen ersten Stator 128, einen Rotor 130 und einen zweiten Stator 132. Der erste und der zweite Stator 128, 132 sind in einer stationären Position innerhalb des Gehäuses 126 fixiert. Im Gegensatz hierzu ist der Rotor 130 an der Welle 124 gesichert und zur Drehung in Bezug auf den ersten und den zweiten Stator 128, 132 eingerichtet. Auf diese Weise ist der Rotor 130 zwischen dem ersten und dem zweiten Stator 128, 132 positioniert. Der Rotor 130 kann an der Welle 124 über eine Presspassung, einen Nut-und–Feder- oder anderen Verriegelungsmechanismus gesichert sein.
Indem nun ferner auf die 3 und 4 Bezug genommen wird, sind darin Draufsichten von oben auf den ersten Stator 128, den Rotor 130 und den zweiten Stator 132 veranschaulicht. Insbesondere zeigt 3 eine Draufsicht einer Ausführungsform des ersten und des zweiten Stators 128, 132. 4 zeigt eine Draufsicht des Rotors 130. Der erste und der zweite Stator 128, 132 enthalten jeweils mehrere Statorflügel 134 und Statordurchgänge 136 zwischen den Statorflügeln 134. Obwohl vier Statorflügel 134 und vier Statordurchgänge 136 veranschaulicht sind, wird erkannt, dass der erste und der zweite Stator 128, 132 zusätzliche oder wenigere Flügel und Durchgänge enthalten können. Es wird ferner erkannt, dass der erste und der zweite Stator 128, 132 Flügel mit unterschiedlichen Geometrien und Konfigurationen aufweisen können. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind der erste und der zweite Stator 128, 132 im Innern des Gehäuses 126 derart drehversetzt angeordnet, dass die Statorflügel 134 an dem ersten Stator 128 nicht mit den Statorflügeln 134 an dem zweiten Stator 132 fluchtend ausgerichtet sind.
Der Rotor 130 enthält eine Reihe von Rotorflügeln 138 und Rotordurchgängen 140. Die Rotorflügel 138 können geneigt werden, um die Beschleunigung eines durch den Rotor 130 hindurchtretenden Fluids zu fördern. Obwohl vier Rotorflügel 138 und vier Rotordurchgänge 140 veranschaulicht sind, wird erkannt, dass der Rotor 130 zusätzliche oder wenigere Flügel und Durchgänge enthalten kann.
Während des Einsatzes strömt Bohrfluid durch das Gehäuse 126 und durch die Statordurchgänge 136 des ersten Stators 128, durch die Rotordurchgänge 140 des Rotors 130 und durch die Statordurchgänge 136 des zweiten Stators 132 hindurch. Die Drehposition des Rotors 130 in Bezug auf den ersten und den zweiten Stator 128, 132 gibt das Maß vor, in welchem die Geschwindigkeit des Bohrfluids zunimmt oder abnimmt, während es durch den Modulator 116 hindurchströmt. Durch Veränderung der Drehposition des Rotors 130 können die Veränderungen der Fluidgeschwindigkeit und die resultierenden Veränderungen des Drucks des Bohrfluids schnell und genau eingestellt werden. Anders als herkömmliche Schlammsirenen erhöht die Verwendung eines zweiten Stators 132 innerhalb des Modulators 116 die Amplitude der Druckimpulse, die aus dem Modulator 116 austreten, beträchtlich. Die erhöhte Stärke der Druckimpulssignale stellt eine zusätzliche Datenübertragungskapazität bereit und erweitert die Distanz, über die die Druckimpulse vor einer Verschlechterung wandern können. Demgemäß stellt die Verwendung des zweiten Stators 132 innerhalb des Modulators 116 einen deutlichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar.
Es sollte verstanden werden, dass, selbst wenn zahlreiche Eigenschaften und Vorteile verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit Einzelheiten zu der Struktur und den Funktionen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in der vorstehenden Beschreibung angegeben worden sind, diese Offenbarung lediglich veranschaulichend ist und Veränderungen im Einzelnen, insbesondere in Sachen der Struktur und Anordnung von Teilen innerhalb der Prinzipien der vorliegenden Erfindung, in dem vollen Umfang, der durch die breite allgemeine Bedeutung der Begriffe, mit denen die beigefügten Ansprüche ausgedrückt werden, vorgenommen werden können. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, dass die Lehren der vorliegenden Erfindung auf andere Systeme angewandt werden können, ohne dass von dem Rahmen und Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Claims

Bohrwerkzeug, das aufweist: einen Sensor; einen Kodierer, der mit dem Sensor wirkverbunden ist; und einen Modulator, der mit dem Kodierer wirkverbunden ist, wobei der Modulator aufweist: einen ersten Stator; einen Rotor; und einen zweiten Stator.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Rotor zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator positioniert ist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, das ferner einen Generator aufweist.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der erste Stator mehrere Statorflügel enthält und wobei der zweite Stator mehrere Statorflügel enthält.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der erste Stator gegenüber dem zweiten Stator derart versetzt positioniert ist, dass die Statorflügel an dem ersten Stator nicht mit den Statorflügeln an dem zweiten Stator fluchtend ausgerichtet sind.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Rotor mehrere Rotorflügel enthält.
Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Rotorflügel geneigt sind.
Modulator zur Verwendung mit einem Kodierer eines Bohrwerkzeugs, wobei der Modulator aufweist: einen ersten Stator; einen Rotor; und einen zweiten Stator.
Modulator nach Anspruch 8, wobei der Rotor zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator positioniert ist.
Modulator nach Anspruch 8, wobei der erste Stator mehrere Statorflügel enthält und wobei der zweite Stator mehrere Statorflügel enthält.
Modulator nach Anspruch 8, wobei der erste Stator gegenüber dem zweiten Stator derart versetzt positioniert ist, dass die Statorflügel an dem ersten Stator nicht mit den Statorflügeln an dem zweiten Stator fluchtend ausgerichtet sind.
Modulator nach Anspruch 8, wobei der Rotor mehrere Rotorflügel enthält.
Modulator nach Anspruch 8, wobei die Rotorflügel geneigt sind.
Bohrsystem, das zur Verwendung beim Bohren eines unterirdischen Bohrlochs eingerichtet ist, wobei das Bohrsystem aufweist: einen Bohrstrang; einen Bohrmeißel; und ein Werkzeug zum Messen während des Bohrens (MWD), das zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrmeißel positioniert ist, wobei das Werkzeug zum Messen während des Bohrens aufweist: einen Sensor: einen Kodierer, der mit dem Sensor wirkverbunden ist; und einen Modulator, der mit dem Kodierer wirkverbunden ist, wobei der Modulator aufweist: einen ersten Stator; einen Rotor; und einen zweiten Stator.
Bohrsystem nach Anspruch 14, wobei das Werkzeug zum Messen während des Bohrens aufweist: einen Motor; und eine Welle, die mit dem Motor und mit dem Rotor verbunden ist.
Bohrsystem nach Anspruch 15, wobei der Rotor zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator positioniert ist.
Bohrsystem nach Anspruch 16, wobei der erste Stator mehrere Statorflügel enthält und wobei der zweite Stator mehrere Statorflügel enthält.
Bohrsystem nach Anspruch 17, wobei der erste Stator positionsmäßig gegenüber dem zweiten Stator derart versetzt angeordnet ist, dass die Statorflügel an dem ersten Stator nicht mit den Statorflügeln an dem zweiten Stator fluchtend ausgerichtet sind.
Bohrsystem nach Anspruch 18, wobei der Rotor mehrere Rotorflügel enthält.
Bohrsystem nach Anspruch 19, wobei die Rotorflügel geneigt sind.