DE2848722A1

DE2848722A1 - Telemetriesystem

Info

Publication number: DE2848722A1
Application number: DE19782848722
Authority: DE
Inventors: Alexander Murray Nicholson
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1978-11-09
Publication date: 1979-05-31
Also published as: FR2410124A1; US4160970A; GB2008899A; GB2008899B; FR2410124B1; NL7811586A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

3. Dipl.-Phys- Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer,

D - 8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 - Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9· November 1978

Unser Zeichen: 16 427 - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation
New York, USA

Telemetrlesystem

309822/0573

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

_m L Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9. November I978

Unser Zeichen: l6 427 " Fk/Ne

Sperry Rand Corporation New York, USA

Telemetriesystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Telemetriesystem zur Übertragung von in einem Bohrloch gemessenen Parametern zu einer Empfangsebene während des Betriebes einer Bohranlage, die eine sich In das Bohrloch erstreckende in Abschnitte unterteilte metallische Stange einschließt, sowie insbesondere auf ein System zur Echtzeit-Übertragung von Bohrinformationen während des Bohrvorganges in einem Bohrloch In Form eines elektromagnetischen NachrichtenUbertragungssystems zur Lieferung von Echtzeit-Bohrparametern vom Boden des Bohrloches zur Oberfläche.

Bohrparameter, wie z.B. das Bohrdrehmoment, das Gewicht auf der Bohrerspitze, der Umgebungsdruck und Umgebungstemperaturen stellenvertvolle Parameter-Informationen für die Bedienungsperson einer Bohranlage dar und seit der Einführung der Rotor-Bohrtechnik wurde dauernd nach einem zuverlässigen Verfahren zur Gewinnung dieser Information gesucht. Eine bekannte Technik umfaßt die Schritte des Stoppens des Bohrsttmnges, des

Herausziehens des Bohrstranges aus dem Bohrloch und des Absenkens eines Instrumentenblockes an seine Stelle. Diese Technik liefert keine Echtzeitinformationen und es werden lediglich Umgebungsdrücke und -temperaturen gewonnen, die jedoch von den Drücken oder Temperaturen verschieden sein können, die während des Bohrbetriebes auftreten.

Bekannte Versuche zur Schaffung eines Bohr-Telemetriesystems zur Lieferung von dynamischen Informationen verwendeten eine fest verdrahtete oder eine akustische Übertragungsstrecke zur Übertragung von Informationen aus dem Inneren des Bohrloches zur Oberfläche. Ein fest verdrahtetes System verwendet ein durchgehendes elektrisches Kabel, das in das Bohrrohr hinein abgesenkt wird. Eine überschüssige Kabellänge ist auf einer Doppelschleifen-Aufnahmebaugruppe im Inneren des Bohrstranges aufbewahrt und wird herausgezogen, wenn zusätzliche Bohrrohrabschnitte hinzugefügt werden. Obwohl dieses System die Notwendigkeit einer elektrischen Verbindung für jede Länge des Bohrrohres vermeidet, ergeben sich schwierige Probleme bei der Aufbewahrung und Unterbringung der überschüssigen Kabellänge in dem Bohrrohr.

Bei einem anderen fest verdrahteten System ist das elektrische Kabel in den Wänden des Bohrrohres eingebettet und es werden spezielle Verbindungsstücke verwendet, die in die Bohrrohr-Verbindungen eingearbeitet sind, um elektrische Verbindungen herzustellen. Dieses System erfordert einen speziellen Strang

setzt

eines teueren Rohres undyelne hohe Zuverlässigkeit einer Vielzahl von elektrischen Leitungen für einen wirksamen Betrieb voraus. Zusätzlich zu den fest verdrahteten elektrischen Systemen wurden akustische Systeme in Betracht gezogen, bei denen akustische Schwingungen im Inneren des Bohrloches ausgesandt werden, die sich entlang des Bohrstranges ausbreiten und an der Oberfläche empfangen werden. Bei diesen Systemen müssen die akustischen oder Schallschwingungen jedoch stärker sein als akustische Störungen, die als Ergebnis des Bohrvor-

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ganges erzeugt werden, so daß diese Systeme im allgemeinen ein Nutzsignal bei einem sehr niedrigen Signal-/Störverhältnis erzeugen müssen, so daß die Wahrscheinlichkeit eines Signalempfanges sehr gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Telemetriesystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine hohe Wahrscheinlichkeit und Sicherheit bei dem Signalempfang ohne die Verwendung zusätzlicher Kabel oder spezieller Bohrrohrabschnitte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Telemetriesystem zur Übertragung von in einem Bohrloch gemessenen Parametern zu einer Empfangsebene während des Betriebes einer Bohranlage, die eine sich in das Bohrloch erstreckende in Abschnitte unterteilte metallische Stange einschließt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen zur Erzeugung einer Spannung zwischen vorgegebenen benachbarten Abschnitten der metallischen Stange, Meßeinrichtungen, die an die metallische Stange ankoppelbar sind und elektrische Signale messen, und Sondeneinrichtungen zur Ankopplung an ein elektrisches Feld vorgesehen sind, das an der Empfangsebene als Ergebnis der Erzeugung und Erregung der Spannung besteht und daß die Sondeneinrichtungen elektrisch mit den Meßeinrichtungen gekoppelt ist, so daß in den Sondeneinrichtungen durch das elektrische Feld induzierte Ströme durch die Meßeinrichtungen fließen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein während des Bohrvorganges betriebsfähiges Telemetriesystem geschaffen, bei dem der Bohrstrang, der elektrisch ein metallischer Stab oder eine Stange ist, als Bauteil eines elektromagnetischen Ausbreitungssystems verwendet wird. Ein elektrisch isolierter Stopfen oder eine Teilbaugruppe, die die elektronischen Schaltungen für die Verarbeitung der Meßfühlersignale, für die Trägersignalerzeugung und die Modulationscodierung ent-

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hält, ist in den Bohrstrang oberhalb der Bohrerspitze eingesetzt. Eine Signalspannung wird längs der Enden dieser Einheit angelegt, die ein elektrisches Signal ausbildet, das sich in Richtung auf die Oberfläche über ein Übertragungsmedium ausbreitet, das den Bohrstrang, die umgebende Bohrflüssigkeit und die Gesteinsschichten für ein nicht ausgekleidetes Bohrloch oder die metallische Auskleidung und die Gesteinsschichten für ein ausgekleidetes Bohrloch umfaßt. Dieses elektromagnetische Signal wird an der Oberfläche dadurch empfangen, daß eine Spannungsdifferenz zwischen dem Bohrstrang und Sondeneinrichtungen gemessen wird (die das elektromagnetische Feld erfassen, sich jedoch nicht notwendigerweise in dem Boden erstrecken). Die Betriebsfrequenz für dieses elektromagnetische Telemetriesystem stellt in Abhängigkeit von den Bedingungen an der Bohrstelle einen Kompromiß zwischen einer niedrigen Frequenz, bei der niedrige Ausbreitungsverluste auftreten, bei der jedoch übermäßige elektrische Störsignale am Empfänger eintreffen, und einer hohen Frequenz dar, bei der hohe Ausbreitungsverluste auftreten, bei denen elektrische Rauschund andere Störungen am Empfänger jedoch minimal sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise die Form eines Blockschaltbildes aufweisende Darstellung einer ersten Ausfuhrungsform des Telemetrlesystems, aus der weiterhin die erzeugten elektrischen Feldlinien in den Erdschichten erkennbar sind;

FIg. 2 eine Draufsicht auf den Bohrstrang, die Schleifringe und eine kreisringförmige Elektrode zur

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Erläuterung des elektromagnetischen Signalempfangs bei der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 5 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform

der Erfindung, aus der Sonden erkennbar sind, die in den Boden eingebettet sind und die diametral unter einem vorgegebenen Radius von dem Bohrstrang angeordnet sind;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Empfangsteils

einer dritten Ausführungsform des Telemetriesystems, aus der geradlinige Sonden erkennbar sind, die auf der Erdoberfläche angeordnet sind und die für den Empfang des Signalstromes verwendet werden.

In FIg. 1 ist eine Ausführungsform des mit elektromagnetischen Wellen arbeitenden Telemetrlesystems für Bohranlagen gezeigt, das einen isolierten Stopfen oder eine Teilbaugruppe 10 aufweist, die zwischen Abschnitten 11 und 12 eines Bohrstranges 28 gerade oberhalb der Bohrerspitze IJ> eingesetzt ist. Der Bohrstrangabschnitt 12 umgrenzt eine Leitung 14, durch die hindurch elektrische Verbindungen zu Meßfühlern hergestellt werden können, die an der Bohrerspitze I^ befestigt sind. Die Meßfühler 15, 16 und 17, die Parameter, wie z.B. das Bohrerspitzen-Drehmoment, die Bohrerspitzentemperatur und den Strömungsmitteldruck überwachen, sind mit einem Modulator-Multiplexer 20 gekoppelt, der elektronische Schaltungen zur Kombination der Signale von den Meßfühlern 15, 16 und 17 und zur Lieferung einer Modulation für den elektromagnetischen Sender 21 aufweist;. Die Ausgangs spannung des elektromagnetischen Senders 21 wird zwischen dem oberen Abschnitt 11 und dem unteren Abschnitt 12 des Bohrstranges über Anschlüsse 22 und 25 angelegt.

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Die zwischen den Bohrstrangabschnitten 11 und 12 angelegte Spannung erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das sich nach außen und nach oben in Richtung auf die Oberfläche ausbreitet, so daß elektrische Feldlinien 24a bis 24n gebildet werden. Es wird eine im wesentlichen zylindrische Form des elektrischen Feldes gebildet, so daß eine Signalspannung an der Oberfläche zwischen dem Bohrstrang 28 und einer Stelle gemessen werden kann, die in Radialrichtung hiervon einen Abstand aufweist. In der Nähe der Oberfläche sind die elektrischen Feldlinien 24n im wesentlichen parallel zur Erdoberfläche und erstrecken sich auf diese Weise in Radialrichtung vcndem Bohrstrang 28 über eine erhebliche Strecke nach außen. Entsprechend können ein kreisringförmiger Metallring 25, der koaxial zum Bohrstrang 28 angeordnet ist, und ein Schleifring 26, der elektrisch mit der Bohrlochauskleidung 29 gekoppelt ist und der an dem Bohrstrang 28 angeordnet und mit diesem in elektrischem Kontakt steht, als Elektroden zur Messung der Spannung zwischen dem Bohrstrang 28 und der Stelle der kreisringförmigen Elektrode verwendet werden, die durch den Ring 25 gebildet ist. Wenn E der Wert des elektrischen Feldes an der Oberfläche und d die radiale Strecke zwischen dem Bohrstrang 28 und dem kreisringförmigen Metallring 25 ist, so kann diese Spannung aus der gut bekannten Gleichung V = Ed bestimmt werden.

Die Vervollständigung des Empfangssystems wird dadurch erreicht, daß der Elektrodenring 25 und der Schleifring 26 mit einem Empfänger 27 gekoppelt werden. Das Empfangssystem ist in Draufsicht in Fig. 2 gezeigt. Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß der kreisringförmige Ring 25 durch Metallplatten, die elektrisch miteinander verbünden sind und die jeweils unter dem richtigen Radius von dem Bohrstrang angeordnet sind, oder, wie dies in Fig. 5 gezeigt, durch Sonden 25a bis 25d angenähert werden, die in Vertikalrichtung in den Boden an Punkten eindringen, die gleiche Abstände von dem Bohrstrang 28 aufweisen. Diese Sonden können paarweise angeordnet sein, wobei die Sonden jedes Paarsatzes diametral an der richtigen radialen

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Entfernung angeordnet sind. Diese Empfangssysteme ergeben ein erhebliches Ausmaß an Störsicherheit weil eine ebene Spule, die auf Magnetfelder senkrecht zur Oberfläche ansprechen würde, nicht verwendet wird. Diese Magnetfelder und elektrische Felder parallel zur Oberfläche, die sich nicht in Radialrichtung erstrecken, bilden keine Störspannung zwischen den Elektroden aus, so daß das Signal-/Störverhältnis am Empfänger verbessert wird.

Es können auch Empfangssysteme verwendet werden, die andere Arten von Sonden einschließen, als die konzentrischen Sonden. In diesem Zusammenhang sei auf Fig. 4 verwiesen, in der ein Empfangssystem gezeigt ist, das zu dem vorstehend beschriebenen Empfangs sys tem dual ist. Metallstäbe 31, 32, 33 und 34, die elektrisch miteinander über einen kreisringförmigen elektrischen Leiter J>6 verbunden sind, erstrecken sich in Radialrichtung von dem Bohrstrang 35. Ein Schleifring 37 ist elektrisch mit dem Bohrstrang 35, der Bohrlochauskleidung 40 und mit einem Empfänger 41 am Eingangsanschluß 4la über eine elektrische Verbindung 42 verbunden, während der elektrische Leiter 36 mit dem Empfänger 41 an einem Eingangsanschluß 41b über eine elektrische Verbindung 43 verbunden ist. Die metallischen Stäbe 31, 32, J>3 und 34 sind jeweils parallel zu dem elektrischen Feld 24n an den jeweiligen Stellen der Stäbe, wobei dieses Feld einen Strom I in jedem der Stäbe 3I, 32, 33 und 34 induziert. Dieser Strom I ergibt sich aus der Gleichung I = ö* aE, worin Ö~ die Leitfähigkeit eines Metallstabes, a die Querschnittsfläche dieses Metallstabes und E den Wert des elektrischen Feldes darstellt. Dieser Strom fließt in dem elektrischen Leiter 36 und wird dem Empfänger 41 auf Grund der vollständigen Schaltung aus dem elektrischen Leiter J>6, der elektrischen Verbindung 43, dem Anschluß 41b, dem Innenwiderstand des Empfängers 41, dem Anschluß 4la, der elektrischen Verbindung 42, des Schleifringes 37 und des Bohrstranges 35 zugeführt.

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In Fig. 4 sind zwei metallische Stäbe gezeigt. Diese Anzahl ist nicht wesentlich und es können mehr oder weniger Stäbe verwendet werden. Obwohl ein einziger Draht, der sich in Radialrichtung von dem Bohrstrang aus erstreckt,eine Signalamplitude erzeugt, die im wesentlichen die gleiche Größe aufweist, wie d ie von zwei unter 90° angeordneten Stäben, sind Störsignale beider letzteren Anordnung wesentlich verringert. Die Einfügung eines zweiten orthogonalen Paares von Elektroden gemäß Fig. 4 ergibt eine weitere Störsignalverringerung, so daß diese AusfUhrungsform die bevorzugte Ausführungsform darstellt.

Insgesamt ergibt sich damit ein Telemetriesystem zur Übertragung von Informationen während des Bohrvorganges, bei dem ein Abschnitt 12 des Bohrstranges in der Nähe der Bohrerspitze I^ als Sendeelement eines Ausbreitungs- und Übertragungssystems für elektromagnetische Wellen verwendet wird. Das Empfangssystem an|der Oberfläche verwendet den Schleifring 26, der den Abschnitt 12 des Bohrstranges umgibt, als eine Elektrode während ein Metallring 25 (oder ein Ring von Sonden, die in die Erdoberfläche eindringen) unter einem vorgegebenen Radius von dem Bohrstrang als zweite Elektrode verwendet wird und die Signalspannungen zwischen diesen beiden Elektroden abgenommen werden, so daß das System in Echtzeit arbeitet, ohne daß es erforderlich ist, daß sich Übertragungskabel in das Bohrloch hinein erstrecken. Bei der weiteren Ausführungsform weist das Empfangssystem Metallstäbe an der Oberfläche auf, die sieh radial von dem Bohrstrang aus erstrecken. Signalströme, die in diesen sich radial erstreckenden Stäben induziert werden, werden durch einen Empfänger aufgenommen, der zwfchen den Stäben und dem Bohrstrang eingeschaltet ist.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. C u rt Wal lach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: 9· November 1978 Unser Zeichen: 16 4-27 - Fk/Ne Patentansprüche :

1. Telemetriesystem zur Übertragung von in einem Bohrloch gemessenen Parametern zu einer Empfangsebene während des Betriebes einer Bohranlage, die eine sich in das Bohrloch erstreckende in Abschnitte unterteilte metallische Stange einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (21, 22, 2J) zur Erzeugung einer Spannung zwischen vorgegebenen benachbarten Abschnitten (11, 12) der metallischen Stange (28), Meßeinrichtungen (27), die an die metallische Stange (28) ankoppelbar sind und elektrische Signale messen, und Sondeneinrichtungen {J>1 bis 34) zur Ankopplung an ein elektrisches Feld (24) vorgesehen sind, das an der Empfangsebene als Ergebnis der Erzeugung und Erregung der Spannung besteht und daß die Sondeneinrichtungen elektrisch mit den Meßeinrichtungen (27) gekoppelt ist, so daß in den Sondeneinrichtungen durch das elektrische Feld induzierte Ströme durch die Meßeinrichtungen (27) fließen.

2. Telemetriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondeneinrichtungen zumindest einen elektrischen Leiter mit vorgewählten Querschnittsabmessungen einschließen, der sich in Radialrichtung ausgehend von einer ersten vorbestimmten Entfernung von der metallischen Stange (28) zu einer zweiten vorgegebenen Entfernung hiervon erstreckt.

3· Telemetriesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Fühlereinrichtungen (15, 16, 17) zur Messung der Parameter und mit den Fühlereinrichtungen und mit den Einrichtungen (21, 22, 23) zur Erzeugung oder Anregung einer Spannung gekoppelte Einrichtungen (20) zur Modulation der die Spannung erzeugenden oder erregenden Einrichtungen (21, 22, 2^) mit die Parameter darstellenden Signalen vorgesehen sind.

4. Telemetriesystem nach Anspruch 2 oder 3.» dadurch g e k e η'η zeichnet, daß die Sondeneinrichtungen zwei Leiter (31, 32; 33i 3^) einschließen, die winkelmäßig unter einem rechten Winkel angeordnet sind und sich jeweils in Radialrichtung von der ersten vorgegebenen Entfernung von der metallischen Stange (28) zu der zweiten vorgegebenen Entfernung hiervon erstrecken.

5· Telemetriesystem nach Anspruch 2 oder 3» dadurch g e k e η η zeich net, daß die Sondeneinrichtungen durch vier elektrische Leiter (3I bis 34) gebildet sind, die sich jeweils in Radialrichtung von der metallischen Stange (28) unter gleichen Winkelabständen am Umfang dieser metallischen Stange ausgehend von der ersten vorgegebenen Entfernung von der metallischen Stange zu der zweiten vorgegebenen Entfernung erstrecken.

6. Telemetriesystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die in Radialrichtung innen liegenden Endender Leiter (31* 32; 33* 3¹O mit einem kr eis ringförmig en Ring verbunden sind, der die metallische Stange (28) an der ersten vorgegebenen Entfernung umgibt.

7. Telemetriesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsebene die Bodenoberfläche ist, die das obere Ende eines Bohrloches umgibt.

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