DE2351364A1

DE2351364A1 - Verfahren und vorrichtung zur selbsttaetigen optimierung des fortschritts eines bohrwerkzeugs

Info

Publication number: DE2351364A1
Application number: DE19732351364
Authority: DE
Inventors: Jean-Charles Gosselin
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1972-10-20
Filing date: 1973-10-12
Publication date: 1974-05-09
Also published as: IT1006106B; BE806173A; FR2217522A1; NO139098C; FR2217522B1; NL7314308A; CA1012230A; GB1441005A; NO139098B

Description

DII-L. ING. DlETBICn I.EWAI.I) - 8 MCNCnEK dO · BIRKADER STH. 6

Äff. : 1319

INSTITUT PRANGAiS DU PETROLE DES CARBURANTS ET LUBRIPIANTS, Rueil-Malmaison, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur selbsttätigen Optimierung des Fortschritte eines Bohrwerkzeugs.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Optimierung des Fortschritts eines Bohrwerkzeugs und hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zum Gegenstand, wobei das Bohrwerkzeug einem Antriebsmoment ausgesetzt ist, dessen Wert eine abnehmende Funktion der Drehgeschwindigkeit dargestellt.

Bei einer solchen Beziehung zwischen Antriebsmoment und G-eschwindigkeit, welche insbesondere die Bodenmotoren wie die Bohrturbineri charakterisiert, die beim Turbinenbohrverfahren verwendet werden oder wie elektrische Reihenschluß- oder Kompoundmotoren, wie sie beim sogenannten Elektrobohrverfahren Verwendung finden, stellt man fest, daß, wenn man von einem geringen Wert der auf das Bohrwerkzeug wirkenden Kraft oder des Gewichtes ausgeht und allmählich dieses Gewicht erhöht, die Vortriebsgeschwindigkeit zu wachsen und dann bis zum Festfreßen oder sich

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. - 2 Verkeilen des Bohrwerkzeugs abzunehmen beginnt.

Bekanntlich läßt man im Falle eines Werkzeugs, das durch einen Motor angetrieben wird, dessen Moment eine abnehmende funktion seiner Drehgeschwindigkeit ist, progressiv um seinen Optimalwert den Wert, der auf das Werkzeug ausgeübten Belastung durch eine Wechselfolge von Phasen der Erhöhung und Verminderung der Spannung variieren, die auf die Bohrkolonne, an der das Werkzeug hängt, ausgeübt wird und bestimmt den Wert der Steilheit der Kurve, die repräsentativ für die Vortriebsgeschwindigkeit des Werkzeugs in Böden als Funktion der auf das Werkzeug ausgeübten Last ist; und sorgt für einen Übergang von einer Phase der Erhöhung zu einer Phase der Verminderung der Spannung oder Zugkraft und umgekehrt, wenn der Wert der Steilheit bzw. Neigung jeweils einen festgelegten oberen und einen festgelegten unteren Wert erreicht hat.

Die durch die Verwirklichung des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung auftretenden Probleme liegen insbesondere in der sehr großen Schwierigkeit den Wert der Steilheit im Betriebspunkt zu bestimmen.

Wesentliches Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die in der Verwirklichung einfacher sind.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher er-

' - 3 409819/0274

- 3 läutert werden, in denen:

Pig. 1 für den Pail des Bohrens mit Bodenmotor das Gesetz der Geschwindigkeitsänderung des Bohrkopfs oder Bohrmeißels als Punktion des hierauf wirkenden Gewichts zeigt;

Pig. 2 läßt schematisch die Entwicklung der Vortriebsgeschwindigkeit und des Bohrfluiddruckes als Punktion der Zeit erkennen;

Pig. 3 zeigt die Verwirklichungsform einer Vorrichtung bei Benutzung einer aus einer flexiblen Leitung bestehenden Bohrkolonne;

Pig. 3 A zeigt die Ausbildung für den Pail, daß ein steifes Gestänge benutzt wird und die

Pig. 4 und 5 erläutern die Arbeitsweise der Vorrichtung.

Die Kurven 1 und 2 der Pig. 1 geben jeweils für zwei , unterschiedliche Bodenschichten die Vorschub - oder Vortriebsgeschwindigkeit bzw. Bohrgeschwindigkeit V des Werkzeugs als Punktion der Axialkraft W oder des hierauf wirkenden Gewichtes. In diesen Kurven bedeuten die Punkte M-, und Mp die jeweiligen Betriebspunkte, wenn der Bohrkopf in die entsprechende Bodenschicht eindringt und die Abszisse W ~ gibt das auf das Werkzeug ausgeübte Gewicht ( oder die Last ) an.

Erhöht man also das Gewicht am Werkzeug W~ ausgehend vom

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■ - 4 -

Betriebspunkt M-, oder M₂, so verschiebt sich der entsprechende Betriebspunkt nach rechts in der Figur auf der einen oder anderen der beiden Kurven und die Vortriebsgeschwindigkeit V des Werkzeugs nimmt zu und

CX - * „

erreicht den Maximalwert im Punkte S₁ oder S₂. Diesem Teil der vom Betriebspunkt beschriebenen Kurve entspricht stabilen Arbeitsbereichen· Geht man über. Heu obersten funkt der Betriebskurve hinaus, so tritt man in eine Zone instabiler Betriebsbereiche und die Tortriebsgeschwindigkeit nimmt ab, wenn das Gewicht am Werkzeug W_f bis zum Festsitzen des Bodenmotors zunimmt.

Fig. 2 stellt die YortiJebsgeschwindigkeit Y und den Druck des Bohrschlamms an der Oberfläche als Funktion der Zeit dar. Der Wert der Yortriebsgeschwindigkeit Y des Werkzeugs erleidet Schwankungen, um einen

mittleren Wert, der als Funktion der Zeit durch die Kurve 3 wiedergegeben wird, wobei diese Schwankungen eine Frequenz aufweisen, die insbesondere an die Pulsation der Zirkulationspumpen für den Bohr schlamm geknüpft ist und die man nicht filtern kann, ohne eine Zeitkonstante einzuführen, die inkompatibel mit der geforderten Ansprechzeit einer selbsttätigen Vorrichtung zur Optimierung der Bohrvortriebsgeschwindigkeit ist, bei der jede Möglichkeit eines Yerkeilens des Werkzeugs vermieden wird.

'Im folgenden soll darauf hingewiesen werden, wie man diesen Nachteil eliminieren kann, indem man den mittleren Wert der Yortriebsgeschwindigkeit des Werkzeugs in einem

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Zeitintervall betrachten;j das, gleich der Pulsations— dauer der Schlammpumpen beispielsweise ist·

Die solche Intervalle begrenzenden Augenblicke t -, und t können als linlldureligangsaugenblicke gewählt werden, weiche eine Periode (.Fig. 2) des Werts der WechseletroTOjkomponente des Druckes P des Bohrfluids, gemessen an der Oberfläche, begrenzen, wobei der Wert dieses Druckes selbst auch um einen mittleren durch die gerade 4 dargestellten Wert bei der gleichen Frequenz wie die Vortriebsgeschwindigkeit, jedoch mit einer Phasenverschiebung 0 schwankt, wobei letztere der Phasenverschiebung entspricht, welche zwischen dem Druck des Bohrfluids an der Oberfläche und an der Angriffsfläche existiert.

Der Wert der mittleren Vortriebsgeschwindigkeit an der Angriffsfläche zwischen den Augenblicken ^_-1 und t ist gegeben durch die Formel:

η n-1

t _n
wo TTTf₊ der mittlere Wert der Ablauf ge schwindig-

^{α τ}η-1
keit der Leitung, gemessen an der Oberfläche, zwischen den beiden betrachteten Punkten f(der Längungskoeffizient der Leitung ist und T_n-1 und T die Spannungen bzw· Spannkräfte sind, die auf die Leitung im Augenblick ^_n-1 bzw. im Augenblick t_n ausgeübt werden.

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Die Pig. 3 und 3A zeigen schematisch zwei mögliche Vorrichtungen zur Verwirklichung der Erfindung; Fig. entspricht der Verwendung einer nachgiebigen Bohrleitung, die von einer Speichertrommel abgewickelt wird und Pig. ^entspricht der Verwendung einer Bohrleitung, die aus steifen Elementen gebildet wird. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 5 das •Bohrwerkzeug, welches an der Bohrleitung 7 hängt und durch den Bodenmotor 6 angetrieben wird, bei dem es sich beispielsweise um eine Bohrturbine handelt, die mit hydraulischer Energie von der Oberfläche aus gespeist wird, wobei lait Bezugszeichen 8 das Bohrloch selbst bezeichnet ia"fr.

Die leitung wird in das Bohrloch mittels einer Betätigungsvorrichtung 9 abgelassen, die beispielsweise aus ein oder mehreren endlosen Ketten besteht, die Backen, oder Spannschuhe im Falle der Eig. 3 tragen oder aus einer Winde 33 bestehen, auf der ein einen Flaschenzugblock 32 tragendes Seil 34 gewickelt ist ( Fall der Verwendung steifer Bohrgestänge stangen zur Bildung der Leitung 7 - in Pig. 3A dargestellt). Die Betätigungsvorrichtung wird über einen Motor 10, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer irreversiblen Kupplungseinrichtung 11 angetrieben, deren Kupplung und Entkupplung über Signale steuerbar ist, die über das Betätigungskabel^ Pig. 3) übertragen werden.

Ein numerischer Echtzeitrechner 13 empfängt ein Signal, beispielsweise ein elektrisches Signal, welches re-

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präsentativ für den gemessenen Wert der auf die Leitung 7 ausgeübten Spannkraft T ist. Dieses über die Leitung 14 übertragene Signal kann im lall der Ausführungsform der !ig. 3 geliefert werden durch eine Varichtung mit wenigstens einem Dehnungsmeßstreifen, der am unteren Ende der Bohr leitung 7 (üg. 3) oder bei 35 auf das tote Trumm des 3?laschenzugbloefcs 31 an der Oberfläche in der in Pig. 3A dargestellten Ausführungsform angeordnet wird.

Eine Vorrichtung 16 mißt die Länge L der von der Vorrichtung 9 von der Oberfläche aus gehaltenen Bohrleitung. .

Diese Vorrichtung kann beispielsweise eine in Kontakt mit der Leitung 7 stehende Rolle aufweisen, deren -Vorbeilauf die Solle in Drehung versetzt, wobei letztere ihrerseits den Sender 16 eines S^nehronmechanisaius von der auf dem Fachgebiet unter dem Namen Selsyn bekannten Bauart antreibt, dessen Empfänger 17* ait dem das Seil 18 elektrisch verbunden ist, eine Tourenzählereinrichtung antreibt, die über eine Seihe elektrischer Impulse einen numerischen Meßwert für.die Länge L liefert, der über das Kabel 19 an den Rechner 13 übertragen wird. ·

Die Ablauf geschwindigkeit V^ ander Oberfläche der Bohrleitung kann durch Einrichtungen 20 und 21 gemessen werden, die jeweils analog den Vorrichtungen 16 und 17 sindj wobei der numerische Wert dieser Geschwindigkeit an den Rechner 13 über das Kabel 22 übertragen wird.

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Durch diese Messung τοη V^ erscheint es. vorteilhaft Einrichtungen zu verwenden, die sich von denen für die Messung der länge L verwendeten unterscheiden, um mit ausreichender Genauigkeit die AbI auf geschwindigkeit Y, der Leitung zu bestimmen.

Bei 23 zeigt man im Rechner 13 den Wert des Elastizitätkoeffizienten/der Leitung 7 an und man führt auch in diesen Rechner über den Leiter 24 ein Signal ein, welches den numerischen Wert der Wechselstromkomponente

des Druckes P des Bohrschlamms an der Oberfläche dars

•stellt, wobei die Messung dieses Druckes durch jeden geeigneten druckgeber - nicht dargestellt - vorgenommen wird, der im Schlammkreis angeordnet ist und ein Meßsignal liefert, welches durch die Yorrichtung 25 gefiltert wird und nur die Wechselstromkomponente des Signals,, die an den Rechner gelegt wird, bestehen läßt.

Vorzugsweise verwendet man als numerischen Wert *> einen in situ gemessenen Wert.

Hierzu kann man periodisch in der unten beschriebenen Weise nach Stillsetzen des Bohrers den mittleren Wert des Koeffizienten Dk entsprechend der erreichten Tiefe messen.

Diese Messung3snn vorgenommen werden, indem man den Bohrkopf um etliche Meter anhebt und ihn dann wieder absenkt und ihn auf den Boden des Bohrlochs ohne zu Bohren absetzt.

.- 9 409819/0274

Folgt man während dieses erneuten Machuntengehens des Bohrlopfs den auf die Leitung ausgeübten Spannkraftänderungen T, den Änderungen in der Ablaufgeschwindigkeit V^ der Leitung an der Oberflächej sowie der Vortxiebsgeschwindigkeit V . so sieht man,

et '

daß die Spannung T allmählich ausgehend vom Augenblick t. abnimmt, wo der Bohrkopf den Boden des gebohrten Bohrloches erreicht, und zwar in dem Ausmaß, wie die elastische Leitung sich'verkürzt.

Diese Verkürzung endet in dem Augeblick t-g, wo die Ablaufgeschwindigkeit an der Oberfläche Y, zu Hull wird.

Die Beziehung

η
^bn-l

η ^n-I

oC -I·

η—χ

^Sn-

(D

zeigt, daß zwischen den Augenblicken ^_n-1 = t =

und

der vom Rechner 13 gelieferte Wert Y_Q unter-

schiedlich von STuIl wird, wenn der verwendete Wert von nicht korrekt ist»

Genauer, der berechnete Wert von V bleibt positiv zwischen dem Augenblick t» und dem Augenblick t-g, wenn der vom Rechner 13 verwendete Wert CC zu gering wird, da in

- 10 -

4098 19/0 2

diesem Fall der absolute Wert des negativen Ausdrucks

φ Φ η η—1

θ( L zu gering wird als daß das

t - t -, η n-1

zweite GrIied der Beziehung (1) zu Null würde, wobei der Ausdruck (V,) η dann im zweiten Glied über-

■,—r-*»

wiegen würde und so zu einem positiven Wert (V )

Vl führt.

Wenn dagegen der Wert oC zu groß gewählt wird, so überwiegt der Absolutwert des negativen Ausdrucks T-T₁

η η—j. _mmm^-.et

ck L —————— gegenüber dem von (ν_Λ) η

*n - Vl ." Vl

und es ergibt sich ein negativer Wert für den bestimmten Wert für (Y ) η dünn den Rechner

Or _L.

Der exkte Wert von <* , der in situ für die gebohrte Tiefe gemessen wird, kann durch den Rechner 13 bestimmt werden, indem man dann, wenn t-^. und ^_-1 zwei Augenblicke des Zeitintervalls zwischen t. und sind, zu der Beziehung:

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- Ii -

— li -

gelangt, wenn 1 die länge der von der Oberfläche getragenen Leitung ist und Tt₅-T und T, die jeweiligen Spannkräfte dieser Leitung zu den Augenblicken •fcfc-l und t-jj. sind.

Der Rechner 13 erarbeitet ausgehend von Signalen, welche die Werte von Y=, oi ₉ L und T angeben die verschiedenen aufeinanderfolgenden Werte (V_a) ,

CL

welche durch eine Leitung/an eine Vorrichtung 27 gegeben werden, die eignet ist, diese Informationen so zutfehandeln_s als wenn die Angabe während des Betriebs erfolgte. Gleichzeitig wird der Wert von (Y ) an eine Einrichtung 26 über eine Leitung 50 übertragen. Diese Vorrichtung liefert ein Signal, eine Funktion des Wertes von XlSJ , die an eine

el

der. Eingangskieramen eines Komparators 36 gegeben wird, wobei letzterer Teil des Hilfssteuerkreises für die Motorgeschwindigkeit 10 bildet;, eines Kreises, der nicht genau beschrieben wird«

Die für das leichtere Verständnis des Betriebs getrennt dargestellten' Einrichtungen 27 und 26 können in den Rechner 13 integriert sein.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist unten mit Bezug auf Fig. 4- angegeben.

Im Augenblick t bestimmt der Rechner den Wert der Vortriebsgeschwindigkeit V__, der dem Betriebspunkt M

cLO *

in Fig. 4 entspricht. Das Gewicht am Werkzeug ist dann

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W : die Spannkraft in der Bohrkolonne gleich T ( Δ 0?_o + iSW^ = O ) und V_d die Ablauf ge-

schwindigkeit an der Oberfläche. Die Geschwindigkeit Y_ wird in der Einrichtung 27 angezeigt, ^ao

gegebenenfalls auch die entsprechende Spannkraft T

Die Leitung 30 gibt aa den Kreis 26 ein. für den Wert Y₀ repräsentatives Signal, wobei dieser Kreis ein

^ao
Signal liefert, das beispielsweise proportional dem Wert von 2Y_O ist, welches an einen Eingang des Komparators 36 gelegt wird, äer an einem anderen Eingang ein für die Motorgeschwindigkeit repräsentatives Signal empfängt. Der Komparator 36 liefert ein Signal, welches eine !Punktion der Differenz der Signale, die hieran gelegt werden, um den Steuerkreis für die Motorgeschwindigkeit 10 su betätigen,/damit die Geschwindigkeit des Motors derart wird_s daß in federn Augenblick Y_d = 2Y_& ist. Im Augenblick t_Q ist die Kupplung 11 eingerückt.

In diesem Augenblick gilt die Beziehung Y-, y Y_ |

% ^ao das Gewicht auf das Werkzeug nimmt zu ( während die Spannung in der flexiblen Leitung abnimmt )· Hieraus folgt, dass der Arbeitspunkt M sich nach rechts in Hg. 4 verschiebt.

Im Augenblick t-, = t + At befindet sich der Betriebspunkt bei M₁ und der Eechner 13 bestimmt den neuen Wert

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der Vortriebsgeschwindigkeit V · Dieser Wert wird

wie vorher angegeben übertragen, um die Ablaufgeschwindigkeit der Bohrkolonne zu steuern, insbesondere zu regeln. Dieser Wert wird auch an die Vorrichtung übertragen, die ihn mit dem vorher aufgezeichneten Wert V vergleicht, indem beispielsweise die Differenz

^so
(V ) - (V_o ) bestimmt- wird, Ist diese Differenz

^al ο
positif, so ersetzt der Kreis 27 im Speicher den Wert von V durch den Wert von V_e und gegebenenfalls den

^ao ^al

Wert von T durch den Wert von T-, .

Der Prozess wird fortgesetzt und im Augenblick tg-= t^ + führt.

= t + 2 At wird die gleiche Operation durehge-

Im Augenblick ü = t + m At befindet sich der Betriebspunkt M„ im wesentlichen im Kipfel der Kurve. Die Vorrichtung 27 zeichnet so einen Wert von V_ ,

^am der im wesentlichen gleich der maximalen Vortriebs— geschwindigkeit ist, sowie die entsprechende Spannkrafi; in der Bohrkolonne auf«,

Im Augenblick *(_m+1) ⁼^m⁺^⁼*o "*" C^m+1) ^^ erreicht der Betriebspunkt die lage-EL· ₊,\, d^ h_e den Seil der Kurve, während dessen die Vortriebsgeschwindigkeit abnimmt y während das Gewicht am Werkzeug zunimmt. Der entsprechende Wert Vr₊-, % wird also nicht aufgezeichnet, da die Differenz V_&/ ₊₁% -T ^-negativ is-t» Die Erhöhung

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des Gewichts am Werkzeug oder auf das Werkzeug wird fortgesetzt bis zum Augenblick t^, für den der Betriebspunkt M eine Lage erreicht,die durch die Beziehung IV₀ - T ! ν Ϊ definiert ist.

1 ^ax ^aml ^

Wobei Y einen Sollwert darstellt, der beispielsweise über die Leitung 29 an die Vorrichtung 13 gegeben wird. In diesem Augenblick lief ert der Rechner einen Steuerimpuls "für die Entkupplung der Vorrichtung 11 und, da die Vorrichtung 9 nicht mehr angetrieben ist, wird der Ablauf der Leitung unterbrochen, was zu einer Erhöhung der Spannkraft in der Bohrkolonne und damit zu einer Verminderung des Gewichts am Werkzeug führt. Der Betriebspunkt verschiebt sich dann nach liite in der Figur.

Das Gewicht am Werkzeug nimmt lih und die Spannkraft in der Bohrkolonne nimmt zu ,bis zum Augenblick t¹ die Spannkraft in der Bohrkoloane T· ist; und sich T* - Ψ_ =Δϊ ergibt.

Hierbei ist ^T ein positiver Sollwert_s der an den Rechner 15 über die Leitung 37 gegeben wird. Im Augenblick t¹ liefert der Rechner 13 einen Impuls, der für das Euppin der Vorrichtung 11 sorgt, was zur Wiederaufnahme des Ablaufs der Bohrkolonne und somit zu einer Erhöhung des Gewichts am Werkzeug entsprechend einer Verminderung der Spannkraft in der Bohrkolonne führt· Die Werte Y₀ ⁸ und Ϊ' werden in äer Vorrichtung 27 gespeichert und mit dem oben beschriebenen Prozess wird erneut begonnen, d. h. einiBuer Wert von V_D für

Ck

- 15 -

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. - 15 - .
den Augenblick t¹ + At bestimmt wird; usw.

Wie die vorstehende Beschreibung erkennen läßt, nimmt der Rechner 13 eine eingehende Erforschung des Werts des Bohrf oifcschritts (V ) allein während der Phase der Gewichtserhöhung am Werkzeug vor ( was einerVerminderung der Spannkraft in der Bohrkolonne entspricht ),

Das Torbeschriebene Verfahren ermöglicht es, von den Schwankungen des Wertes von V freizukommen,, die durch hiermit zusammenhängende Phänomene hervorgerufen wurden. Selbstverständlich wird der Wert Δ Τ derart gewählt, daß der Betriebspunkt M sich bis auf den Teil der Kurve verschiebt, auf dem die Geschwindigkeit V

el

und das Gewicht W in der gleichen Richtung variieren.

Hach einer Variante liefert₉ während die Werte der Spannkräfte entsprechend den in der Yor richtung'"27 auf gezeichneten Werten der Geschwindigkeit Y gleichzeitig aufgezeichnet werden, der Rechner 13 einen Impuls, der die Kupplung der Vorrichtung 11 für den Wert von iE^s steuert, wie durch.die Beziehung I^s = T +A'^{s de}~ finiert ist.

Hierbei ist A⁸T dann der Sollwerte, welcher über die Leitung 32 (Pig* 3) übertragen wird« Es ist aber auch möglich* nicht direkt die Werte ΔΤ ( oder Α'ϊ) und Y anzuzeigen, sondern eine Einstellung des Rechners derart vorzunehmen, daß er selbst die Werte ΔΤ (oder A⁵T) "und Y als funktion von T ( oder T) und von

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V oder V errechnet.
^ax ^am

So kann beispielsweise Δ Ι ( oder Δ ¹T ) einen gewissen prozentualen Anteil von T (oder T) aus-

/ - X Ux

machen, genauso wie Y einen Bruchteil von V dar-

stellen kann.

Die Geschwindigkeit der Veränderung des auf das Werkzeug wirkenden Gewichts hängt von dem Bereich des Unterschieds zwischen dem Wert der AbIaufgeschwindigkeit ( V^) der Bohrkolonne an der Oberfläche und der Vortriebsgeschwindigkeit (V) beim Bohren ab. Damit die Kurve V_ gleich f(W) in wirksamer Weise untersucht bzw. eingehend geprüft werden kann, ist es notwendig, daß die Phase der Untersuchung eine ausreichende Dauer hat, anders ausgedrückt, daß die ' Veränderungen des Gewichts am Werkzeug nicht zu schnell erfolgen.

Hierzu verzichtet man auf die Vorrichtung 11 und verwendet eine Vorrichtung 26, die ein Signal liefert, welches repräsentativ für den Wert von V,, den man zu erhalten wünscht, ist, der selbst eine Funktion des

Wertes von V , wie Fig. 5 erkennen läßt, ist. a

In dieser Figur gibt die Kurve A zum Beispiel die Funktion V_d = V , die Kurve B eine Funktion V_d = F (V_&) an, derart, daß V-, immer größer als V_Q ist. Die

CL el

Kurve 0 ist eine Punktion V_d = G ("V), derart, daß Ϊ, einen Wert, der immer kleiner als V ist, annimmt.

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Während der Untersuchungs- oder Erforschungsphase, während der das Gewicht auf das Werkzeug zunimmt, liefert die Vorrichtung 33 ein Signal, das durch die Kurve B [v^ = ϊ/γ \] ist. Wenn die Phase der Untersuchung bzw. eingehenden Erforschungder Vortrieb sgeschwindigkeit beendet ist, liefert der Rechner 13 einen Impuls, der an die Vorrichtung 33 übertragen wird, die ihren Zustand ändert und dann ein durch die Kurve G |J_a = ^&(y)| dargestelltes Signal liefert.

Die Funktionen i¹ und G können vom Techniker gewählt sein. Bei dem in Pig. 5 dargestellten Beispiel und für Geschwindigkeiten V , die größer als ein gewisser Schwellenwert sind, gilt ]?/„ \ = V + X und G/„ \ = V_a - Z; hierin bedeuten .X und Z ^a a

positive Konstanten, die in der gleichen Einheit wie V ausgedrückt werden. So ist es möglich, die Dauer der Phase einzustellen, während deren das Gewicht auf das Werkzeug zunimmt, ( die Spannkraft in der Bohrkol.onne nimmt ab ) indem man den Wert von X modifiziert.

Um die Dauer dieser Phase zu erhöhen, genügt es, für X geringere Werte zu wählen.

Um die Dauer der Phase zu vermindern, während deren das Gewicht auf das Werkzeug abnimmt ( die Spannkraft in der Bohrkolonne nimmt zu ), genügt es, für Z größere Werte zu wählen.

Damit bei geringen Werten von V_Q der Betrieb regelmäßig

et

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und stoßfrei erfolgt, und man dabei trotzdem Prüfoder Untersuchungsphasen ausreichender Dauer erhält, wählt man bevorzugt für die Funktionen F und G-die folgenden Werte:

G = 0 .

So wird die Ablaufgeschwindigkeit leicht für eine Regelung vom klassischen Typ regelbar, wodurch es möglich wird, auf die Kupplungsvorrichtung 11 der Figuren 3 und 3A zu verzichten.

Selbstverständlich können Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung jedesmal dort angewendet werden, wo während der Bohroperation die Beziehung zwischen der Vortriebs- oder Bohrgeschwindigkeit des Werkzeugs und der auf dieses Werkzeug ausgeübten Last oder Belastung von dem in Fig. 1 dargestellten Typ ist.

Patentansprüche - 19 -

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Claims

- 19 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur selbsttätigen Optimierung des Fortschritts eines sich am unteren Ende einer Bohrkolonne befindenden Bohrwerkzeugs, wobei das Werkzeug durch einen Motor in Drehung versetzt wird,' dessen Moment eine abnehmende Punktion der Drehgeschwindigkeit des Motors ist und das eine Vortriebsgeschwindigkeit aufweist, die als Funktion der hierauf ausgeübten Last oder Belastung einen Maximalwert für einen Optimalwert dieser Last durchläuft, wobei bei diesem Verfahren die auf die Bohrkolonne ausgabte Spannkraft gemessen wird und periodisch die Vortriebsgeschwindigkeit des Werkzeugs bestimmt wird, selbsttätig an der Oberfläche die Ablaufgeschwindigkeit der Bohrkolonne eingestellt wird, wobei dieser Ablaufgeschwindigkeit Werte gegeben werden, die nacheinander größer und kleiner als die Vortriebsgeschwindigkeit des Werkzeugs sind, während deren jeweils die Spannkraft in der Bohrkolonne abnimmt und dann zunimmt, was zu einem Oszillieren oder Schwanken der an das Werkzeug gelegten Last um seinen Optimalwert führt, dadurch gekennzeichnet, daß während jeder der Phasen, während (fenen die Ablaufgeschwindigkeit größer als die Vortriebsgeschwindig-· keit ist, periodisch der Wert der Fortschrittsgeschwindigkeit oder Vortriebsgeschwindigkeit bestimmt wird, der größte dieser bestimmten Werte aufgezeichnet wird und für den Übergang dieser Phase in eine Phase gesorgt wird, während der die Ablaufgeschwindigkeit kleiner als die Vortriebsgeschwindigkeit ist, wenn diese

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Vortriebsgeschwindigkeit einen bestimmten Wert erreicht hat; und daß die Rückkehr in eine Phase, für die die Ablaufgeschwindigkeit' einen Wert größer als der der PortSchrittsgeschwindigkeit des Werkzeugs aufweist, veranlaßt wird, sobald die Spannkraft, in der Bohrkolonne, indem sie zunimmt, einen bestimmten Grenzwert erreicht hat.

2. Verfahren nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder bestimmte Wert der Vortriebsgeschwindigkeit und jeder gemessene Wert der Spannkraft mittlere Werte sind, die während einer Zeit aufgestellt wurden, deren Dauer gleich der Pulsationsperiode eines Betriebswerts beim Bohren ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Betriebswert der Druck des Bohrfluids ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bohrkolonne steif ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebswert ein Drehwinkel der Bohrkolonne ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Grenzwert der Spannkraft als Punktion des Werts der Spannkraft bestimmt wird, die gemessen wird, wenn die Vortriebsgeschwindigkeit diesen aufgezeichneten größten Wert erreicht hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß der Wert der Spannkraft in der Bohrkolonne entsprechend dem größten aufgezeichneten Wert der Vortriebsgeschwindigkeit aufgezeichnet wird und daß dieser Grenzwert der Spannkraft als funktion dieses Werts der Spannkraft erteprechend dem größten aufgezeichneten Wert der Vortriebsgeschwindigkeit bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch !,"dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufgeschwindigkeit auf einen Wert derart eingestellt wird, daß ein Bereich der Abweichung zwischen dieser Geschwindigkeit und der Vortriebsgeschwindigkeit des Werkzeugs existiert, wobei diese Abweichung als Punktion des Werts der Vortriebgeschwindigkeit und der die Bohroperation charakterisierenden Parameter gewählt wird.

8. Vorrichtung zur selbsttätigen Optimierung eines am unteren Ende einer Bohrkolonne angebrachten Bohrwerkzeugs, wobei dieses Werkzeug durch einen Motor in Drehung versetzt wird, dessen, Moment eine abnehmende Funktion der Drehgeschwindigkeit dieses Motors ist und eine Fortschrittsgeschwindigkeit aufweist, die als Funktion der hierauf ausgeübten last oder Belastung einen Maximalwert für einen Optimalwert dieser Last durchläuft, wobei diese Vorrichtung Meßeinrichtungen für die auf die Bohrkolonne wirkende Spannkraft umfaßt, sowie Einrichtungen zum Errechnen aufeinanderfolgender Werte der Fortsehrittsgeschwindig-

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keit und Steuereinrichtungen derartiger Auslegung, daß sie allmählich, die auf das Werkzeug wirkende Last zunehmen und dann abnehmen lassen, gekennzeichnet durch Analyseneinrichtungen, die mit diesen Berechnungseinrichtungen für die Fortschrittsgeschwindigkeit verbunden und so ausgelegt sind, daß sie während jeder Phase der Erhöhung der last am Werkzeug den größten der durch diese Berechnungseinrichtungen gelieferten Wert bestimmen und aufzeichnen; erste Auslöseeinrichtungen, die mit diesen Steuereinrichtungen, mit den Berechnungseinrichtungen und mit den·Analyseneinrichtungen verbunden sind, wobei diese Auslöseeinrichtungpaso ausgelegt sind, daß sie eine erste Grenzwertfunktion dieses größeren in den Analyseeinrichtungen aufgezeichneten Wertes ermitteln bzw. erarbeiten und eine Verminderung der auf das Werkzeug ausgeübten Last auslösen, wenn die Fortschritt sgeschwindigkeit, indem sie abnimmt, diesen Grenzwert erreicht hat; und zweite mit diesen Betätigungs- oder Steuereinrichtungen verbundene Auslöseeinrichtungen, wobei die zweiten Auslöseeinrichtungen so ausgelegt sind, daß sie einen zweiten Grenzwert ermitteln oder erarbeiten und eine Erhöhung der auf das Werkzeug ausgeübten Last auslösen, wenn die Spannkraft an der Bohrkolonne, indem sie zunimmt, diesen zweiten Grenzwert erreicht hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese Anä.yseneinrichtungen aus einem Komparatororgan gebildet sind, welches mit diesen Be-

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rechnungseinrichtungen für die Vortriebsgeschwindigkeit verbunden ist; und durch ein Aufzeichnungsorgan gebildet sind, das mit diesem Komparatororgan verbunden ist und jeden Wert der Fortschrittsgeschwindigkeit mit dem größten vorher während der gleichen Phase der Lasterhöhung bestimmten Wert vergleicht und den größeren der beiden verglichenen Werte an dieses" Aufzeichnungsorgan gibt, wo- die Information gespeichert wird. . '

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet, durch Einrichtungen zum Aufzeichnen des Werts der Spannkraft entsprechend dem größten Wert der in diesen Analyseneinrichtungen aufgezeichneten Vortriebsgeschwindigkeit, wobei die Aufzeichnungseinrichtungen mit den zweiten Auslöseeinrichtungen verbunden sind, die den zweiten Grenzwert als Funktion dieses aufgezeichneten Werts der Spannkraft ermitteln.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweiten Auslöseeinrichtungen mit diesen Meßeinrichtungen für die Spannkraft verbunden sind und diesen zweiten Grenzwert als Funktion der Spannkraft entsprechend dem Wert der Vortriebsgeschwindigkeit erarbeiten, der, indem er abnimmt, diesen ersten Grenzwert erreicht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8 mit Antriebseinrichtungen, die an der Oberfläche für den Ablauf der Bohrkolonne sorgen, wobei diese Antriebseinrichtungen durch einen Geschwindigkeitsregelkreis geregelt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuereinrichtungen gebildet sind durch ein Gerät, das einerseits mit diesen Auswertungseinrichtungen verbunden ist und ein für die Vortriebsgeschwindigkeit repräsentatives Signal liefern; und andererseits mit diesen ersten und zweiten Auslöseeinrichtungen verbunden ist, wobei dieses Gerät ein resultierendes Signal repräsentativ für die Ablaufgeschwindigkeit an der Oberfläche der Bohrkolonne liefert, das eine Funktion der Portschritt sgeschwindigkeit ist, die durch dieses von den Berechnungseinrichtungen gelieferte Signal repräsentiert oder dargestellt wird, wobei das resultierende Signal kleiner als das für die Vortriebsgeschwindigkeit repräsentative Signal ist, wenn diese ersten Auslöseeinrichtungen ein an diese Vorrichtung übertragendes Signal liefern, welches größer als das für die Vortriebsgeschwindigkeit repräsentative Signal ist, wenn diese zweiten Einrichtungen ein Signal liefern; und daß dieses resultierende Signal an den Regelkreis für die Ablaufeinrichtungen der Bohrkolonne an der Oberfläche übertragen wird.

4098 19/027Λ

Js\

L e e r s e 11 e