DE29924288U1

DE29924288U1 - Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes von Bohrklein

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Publication number: DE29924288U1
Application number: DE29924288U
Authority: DE
Original assignee: Geoservices SA
Current assignee: Geoservices Equipements SAS
Priority date: 1998-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2009-05-08
Also published as: GB2342673B; DE69916393T2; CA2296003A1; EP0995009A1; GB2342673A; DE995009T1; US6410862B1; BR9906410A; NO317220B1; NO20000068D0; CA2296003C; GB9929496D0; FR2778428A1; FR2778428B1; WO1999057415A1; EP0995009B1; DE69916393D1; ES2220059T3; NO20000068L

Description

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VORRICHTUNG ZUR MESSUNG DES DURCHSATZES VON BOHRKLEIN

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausführung von Messungen an Bohrklein oder "Spänen", insbesondere zur fortlaufenden Messung, nach dem Prinzip einer Wägung, des Durchsatzes von Bohrklein, das mit Hilfe eines durch ein Spülfluid drehangetriebenen Werkzeugs vom Grund eines Bohrloches gefördert wird.

Auf dem Gebiet der "mud logger" oder der Bereitstellung von Diensten zur Überwachung von Informationen, die mit Hilfe des bei einer Bohrung zirkulierenden Fluids gewonnen werden, beschränken sich bisher die den Abraum betreffenden Daten auf eine punktuelle und näherungsweise Beobachtung von Gesteinsstükken, die zur Oberfläche gefördert werden und die der Baustellengeologe in regelmäßigen Intervallen am Ausgang eines Rüttelsiebes sammelt. Es ist deshalb nicht möglich, Tendenzen zu untersuchen, die den Durchsatz des Abraums betreffen: der Durchsatz kann abnehmen, wenn die Spülung des Bohrlochs nicht ausreichend ist, der Durchsatz kann zunehmen, wenn die Wände des Bohrloches einbrechen oder wenn der Durchmesser der Bohrung vergrößert wird.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein System, das in der Lage ist, an der Oberfläche Auskunft zu geben über den augenblicklichen Massen- und/oder Volumendurchsatz von Gestein, das mit einem Bohrwerkzeug ausgebohrt wurde.

Bekannt ist das Dokument US 4 413 511, das ein System zur fortlaufenden Messung des Volumens des Bohrungs-Abraums und der Menge der mit diesem Abraum mitgeführten Bohrflüssigkeit beschreibt. Dieses System hat nicht die gleiche Aufgabe wie die vorliegende Erfindung und unterscheidet sich davon im Aufbau, insbesondere durch Meßeinrichtungen, die mit Behältern arbeiten, die mit einem Fluid gefüllt sind, dessen Pegeländerungen fortlaufend gemessen werden.

So betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Messung des Bohrkleindurchsatzes, der mit einer Bohrflüssigkeit zur Oberfläche gefördert wird. Die Vorrichtung umfaßt Mittel zum Sammeln des Abraums und Mittel zur fortlaufenden Messung des Gewichts des gesammelten Abraums. Bei der Erfindung umfassen die Mittel zum Sammeln des Abraums einen Behälter in der Form ei-

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nes Kübels, der auf einer Achse schwenkbar ist, und Mittel zum Kippen des Behälters derart, daß der Kübel ausgeleert wird, und die Meßeinrichtungen umfassen eine Meßzelle, die mit der genannten Kippeinrichtung verbunden ist, um eine Beanspruchung zu messen, die zu dem Gewicht des gesammelten Bohrkleins im wesentlichen proportional ist.

Die Kippeinrichtung kann eine in zwei Lagern drehbare Welle, einen mit dieser Welle verbundenen Pneumatikzylinder und ein Verbindungsteil aufweisen, das den Pneumatikzylinder mit einem festen Gestell verbindet.
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Die genannte Meßzelle kann an dem genannten Verbindungsteil angeordnet sein.

Die Meßzelle kann eine Biegebeanspruchung des Verbindungsteils messen, die im wesentlichen proportional zum Gewicht des gesammelten Bohrkleins ist.

Die Kippeinrichtung kann pneumatische Komponenten einer Steuerlogik für Funktionssequenzen der Kippeinrichtung aufweisen.

Die Erfindung ermöglicht ein Verfahren zur Messung des Durchsatzes von Bohrklein, das mit Hilfe einer Bohrflüssigkeit zur Oberfläche transportiert wird, bei dem die folgenden Schritte ausgeführt werden:

a) man sammelt das Bohrklein kontinuierlich während einer bestimmten Zeitspanne in einem Behälter,

b) man wiegt fortlaufend das während der genannten Zeitspanne gesammelte Bohrklein,

c) man entleert den genannten Behälter am Ende der genannten Zeitspanne,

d) man wiederholt die Schritte a) und b)

e) man kumuliert die Bohrkleingewichte mit einer Mejßwertverarbeitungseinrichtung,

fj man berechnet den Bohrkleindurchsatz,

g) man verarbeitet das Meßergebnis für den Bohrkleindurchsatz, um wenigstens einen der folgenden Parameter zu berechnen und/oder zu registrieren: den Bohrkleindurchsatz als Funktion der Zeit, das Verhältnis zwischen dem Bohrkleindurchsatz und der Vortriebsgeschwindigkeit, das Verhältnis zwischen dem gemessenen Bohrkleindurchsatz und dem theoretischen Bohrkleindurchsatz, die Differenz zwischen dem gemessenen Bohrkleindurchsatz und dem

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theoretischen Bohrkleindurchsatz.

Bei dem Meßverfahren können die Parameter als Funktion des Massendurchsatzes ausgedrückt werden.

Bei einer Variante kann man die Dichte des gesamten Bohrkleins messen.

Bei der vorstehenden Variante kann man das Trockengewicht des Bohrkleins messen, also nach Beseitigung der Bohrflüssigkeit.

Man kann die Parameter als Volumendurchsatz ausdrücken, unter Verwendung wenigstens einer der Dichtemessungen: vor oder nach Beseitigung der Bohrflüssigkeit.

Mit dem Ziel, die Messung des Bohrkleindurchsatzes auszuwerten, ist die vorliegende Vorrichtung ausgehend von der Untersuchung von zwei Hauptanwendungen entwickelt worden:

a) Visualisieren zu können:

ein provisorisches Bild des Bohrlochprofils,

- die Tendenz zu "Überschuß" oder "Defizit" in Bezug auf das theoretische Bohrvolumen.

b) Dieses Bild korrelieren zu können mit dem reellen Kontext der laufenden Bohroperationen, um den Einfluß bestimmter Bohraktionen auf das Verhalten des gemessenen Massen- oder Volumendurchsatzes des Bohrkleins kennenzu-

25 lernen.

Durch diese neue Messung des Volumen- oder Massendurchsatzes des Bohrkleins verfügt man nun über eine Aufzeichnung der Historie des Rücklaufes, wieder eingestellt in ihren Bohrungskontext (Verhalten und Tendenzen der Messung, Wiederholbarkeit der beobachteten Phänomene).

Man gibt so dem Bohrleiter die Mittel an die Hand, die Reinigung des Bohrlochs zu optimieren oder Wandinstabilitäten zu diagnostizieren.

Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich, und ihre Vorteile werden verdeutlicht durch die nachstehende Beschreibung von in keiner Weise beschränkenden Ausführungsbeispielen, die illustriert sind durch die beigefügten

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Zeichnungen, in denen zeigen:

Figur 1 das allgemeine Prinzip der Überwachung im Lauf einer Bohrung;

Figur 2A eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Draufsicht;

Figur 2B eine Seitenansicht der Vorrichtung;

Figur 3 ein Beispiel einer Meßkurve für das Bohrkleingewicht;

Figur 4 ein Beispiel für die fortlaufende Aufzeichnung des Bohrkleindurchsatzes in Korrelation mit einer Bohroperation.
10

Figur 1 zeigt ein Bohrloch 1, das mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs 2 gebohrt worden ist, das durch eine Installation 3 an der Oberfläche (Drehtisch) zur Drehung angetrieben wird. Ein herkömmlicher Bohrturm 4 steuert die Gewichtsbelastung des Bohrwerkzeugs 2 mit Hilfe einer Hubeinrichtung, mit der ein Injektionskopf 5 verbunden ist. Dieser Injektionskopf 5 ist auf den oberen Teil eines Bohrgestänges 7 aufgeschraubt, das durch eine Gruppe von Rohren oder Bohrstangen gebildet wird.

Das Prinzip der Bohrung umfaßt eine Pumpanlage 6, die eine als Bohrflüssigkeit bezeichnete Flüssigkeit über eine Pumpe, eine Leitung 9 und den Injektionskopf 5 in das Innere 8 des Bohrgestänges fördert.

Die Bohrflüssigkeit strömt herab zum Grund des Bohrloches und tritt in Höhe des Bohrwerkzeugs, das mit Düsen ausgerüstet ist, die dazu bestimmt sind, die Gesteinsbruchstücke von den Schneiden und zugleich von der Schneidfront zu entfernen, aus dem Bohrgestänge aus.

Die Bohrflüssigkeit, die in dem zwischen dem Bohrloch 1 und der Außenwand der Rohre 7 gebildeten Ringraum 10 zur Oberfläche aufsteigt, nimmt auch das Bohrklein zur Oberfläche mit.

An der Oberfläche, unterhalb der Bohrplattform, leitet eine Rinne 11 die Bohrflüssigkeit und die mitgeführten Bruchstücke auf ein Rüttelsieb 12. Ein Rüttelsieb weist ein oder zwei Siebe auf, die durch je nach Größe der Bruchstücke mehr oder minder große Maschen gebildet werden. Die Siebe werden gerüttelt, um eine mechanische Trennung der Bruchstücke von der Bohrflüssigkeit zu bewirken. Die Flüssigkeit fällt in ein Becken 13, um direkt oder nach einer weite-

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ren Trennbehandlung für feinere Partikel rezirkuliert zu werden. Das Bohrklein gleitet über das Sieb und fällt in die erfindungsgemäj3e Vorrichtung 14, mit der der Massendurchsatz gemessen wird.

Danach wird das gewogene Bohrklein durch das Mittel der vorliegenden Vorrichtung in eine Abfallgrube 15 ausgeworfen.

Figur 2A beschreibt eine Ausführungsform der erfindungsgemäjSen Vorrichtung.

Sie zeigt in einer Draufsicht Mittel zum Sammeln des Bohrkleins und Mittel zum Wiegen des Bohrkleins. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Behälter in der Form eines Kübels, der dazu bestimmt ist, unter dem Auslaß des Rüttelsiebes (Bezugszeichen 12 in Figur 1) angeordnet zu werden. Die Breite des Kübels 16 ist wenigstens gleich der Breite des Rüttelsiebes, so daß das gesamte Bohrklein aufgefangen wird, das von dem Sieb zurückgehalten wird.

Beiderseits des Kübels verbinden Arme 17 den Kübel mit einer Welle 18, die durch wenigstens zwei Lager 19 gehalten ist. Der Kübel ist somit drehfest mit der Welle 18 verbunden. Folglich bewirkt die Drehung dieser Welle 18 ein Schwenken des Kübels zwischen wenigstens einer Aufnahmeposition für das Bohrklein und einer Entleerungsposition für das Bohrklein. Das Vorhandensein der beiden Lager 19 und der Welle 18, die starr am Kübel 16 befestigt ist, ermöglicht es, eine sehr große Steifheit der Baugruppe zu erreichen und somit Stößen, Schwingungen und Überlastungen zu widerstehen, die üblicherweise in der Zone auftreten, die die Rüttelsiebe umgibt.

An einem Ende der Welle tritt eine Verlängerung in ein Gehäuse 20 ein, das nach außen gegen Fluide abgedichtet ist. Dieses Gehäuse enthalt verschiedene Mittel zum Drehen der Welle 18 um wenigstens eine Vierteldrehung und Mittel zum Wiegen des in dem Kübel 16 gesammelten Materials. Die Mittel zur Befestigung und Anordnung der Vorrichtung in der Nähe des Rüttelsiebes werden hier nicht beschrieben, weil sie im Griffbereich des Fachmanns für Maschinenbau liegen.

Figur 2B beschreibt genauer eine spezielle Ausführungsform der Mittel zur Mechanisierung der Schwenkbewegung des genannten Kübels.

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Diese Figur ist eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Kübel 16 ist durch die Arme 17 drehfest mit der Welle 18 verbunden. Ein weiterer Arm 23 ist ebenfalls drehfest mit der Welle 18 verbunden. Am Ende des Armes 23 ist die Betätigungsstange 22 eines pneumatischen, hydraulisehen oder mechanischen Stellzylinders 21 angebracht.

Das Ende 26 des Gehäuses des Stellzylinders 21 wirkt mit einem Bauteil 25 zusammen, das die zweifache Funktion hat, den Stellzylinder zu halten, so daß er auf den Kübel wirken kann, und die durch das Gewicht der in dem Kübel enthaltenen Ladung bedingte Kraft auf eine Meßzelle 24, beispielsweise in der Art von Dehnungsmeßstreifen, zur Messung dieser Beanspruchung zu übertragen. Ein oberer und unterer Anschlag 50 ermöglicht es zu vermeiden, daj3 eine Überlast auf die Meßzelle 24 ausgeübt wird, indem er die Bewegung des freien Endes dieser Meßzelle begrenzt. Diese Anschläge sind so einstellbar, daJ5 sie bei der normalen Funktion nicht mit dem freien Ende der Meßzelle 24 in Berührung kommen, jedoch die Berührung eintritt, bevor die Mej3zelle durch eine Überladung beschädigt wird.

Das Gehäuse 20 enthält außerdem Steuermittel 27, beispielsweise ein pneumatisches Servoventil, das durch eine Druckluftleitung 28 gespeist und über eine pneumatische, hydraulische oder elektrische Steuerleitung 29 femgesteuert wird. Insbesondere kann man sich ein Steuersystem für den Stellzylinder 21 vorstellen, das aus zwei pneumatischen Zeitgebern aufgebaut ist, die Pneumatikventile steuern. Ein Zeitgeber dient zur Einstellung der Zeit, während der der Kübel 16 angehoben ist und während der das Bohrklein gesammelt wird. Der zweite Zeitgeber dient zur Einstellung der Zeit, während der der Kübel so verschwenkt ist, daj3 das darin gesammelte Bohrklein ausgekippt wird, bevor ein neuer Meßzyklus wieder aufgenommen wird. Jeder Zeitgeber ist getrennt einstellbar, was es ermöglicht, den Zyklus der Vorrichtung an die Bohr- und Um-Wälzbedingungen anzupassen. Leitungen 30 versorgen die Kolbenseite oder die Betätigungsstangenseite, um die Betätigungsstange 22 auszufahren oder zurückzuziehen. Natürlich könnte man auch einen einfach wirkenden Stellzylinder verwenden. In Figur 2B stellt der Umriß 16A die Position des Kübels in der Entleerungsposition des Kübels dar. Bei dieser Vorrichtung braucht nur eine einzige Leitung zur Druckluftversorgung der Steuervorrichtung und eine einzige elektrische Leitung für die Messung der Kraft angeschlossen zu werden, die das Gewicht des im Kübel gesammelten Bohrkleins angibt. Auf diese Weise wird die

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Einhaltung der elektrischen Sicherheitsnormen für das System erheblich vereinfacht. Ebenso werden der Betrieb, die Wartung und die Zuverlässigkeit des Systems erheblich verbessert.

Es ist deutlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die anhand der Figur 2B beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die Mej3zelle 24 könnte nämlich auch an anderer Stelle an der Kippeinrichtung angeordnet sein, zum Beispiel an den Lagern 19, auf der Welle 18, an der Kolbenstange 22 oder an anderer Stelle.

Die Funktionsweise der Gewichtsmessung ist die folgende:

Am Ausgangspunkt befindet sich der Kübel in der waagerechten Position (gemäß Figur 2B) zum Sammeln des Bohrkleins.

Über die mechanische Zwischenwirkung der Arme 17, der Welle 18, des Hebelsarms 23, des Stellzylinders 21 und des Bauteils 25 wird die Kraft, die dem Gewicht des im Kübel gesammelten Bohrkleins entspricht, in eine Beanspruchung umgesetzt, die zu der von der Meßzelle 24 gemessenen Kraft proportional ist.

Die Mej3zelle 24 übermittelt, vorzugsweise elektrisch, das Maß der Beanspruchung an eine Aufzeichnungs- und Verarbeitungseinrichtung.

- Die Aufzeichnungs- und Verarbeitungseinrichtung zeichnet den Verlauf der Beanspruchung, d.h., des Gewichts des Bohrkleins, in Echtzeit als Funktion der Zeit auf.

Nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne, die zum Beispiel vom Durchsatz der vom Grund des Bohrloches zurückströmenden Bohrflüssigkeit abhängig ist, muß der Kübel entleert werden. Zum Beispiel kann mit Hilfe der pneumatischen Zeitgeber die Zeit zum Füllen zwischen 0 und 16 Minuten und die Zeit zum Auskippen zwischen 0 und 30 Sekunden eingestellt werden. Die Steuersysteme übermitteln den Befehl zum Zurückziehen der Kolbenstange des Stellzylinders, was das Kippen des Kübels in die Position 16A (Figur 2B) bewirkt. Das Bohrklein wird in eine Grube ausgekippt oder auf ein Förderband, das das Bohrklein zur Abfallsammelstelle transportiert. Man kann einen Wasserstrahl vorsehen, der ausgelöst wird, wenn sich der Kübel in der Entleerungsposition befindet, um den Kübel zu spülen und eine möglichst vollständige Entleerung zu bewirken.

Gemäß einer Abwandlung kann die Operation automatisch unter Berücksichtigung eines zulässigen Gewichts im Kübel ausgelöst werden. Wenn der Meßwert für das Gewicht einen bestimmten Wert erreicht, wird dann der Befehl

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- 8 zum
Entleeren des Kübels ausgegeben.

Selbstverständlich können auch äquivalente Anordnungen für die verschiedenen mechanischen Mittel verwendet werden, ohne daJ3 der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Figur 3 zeigt ein Beispiel für die Aufzeichnung des Gewichts P des Bohrkleins (Abszisse) in Abhängigkeit von der Zeit t (Ordinate).

Die Kurve 31 zeigt die Zunahme des Gewichts des Bohrkleins im Kübel. Die KaI-librierung der MeJ3zelle wird regelmäßig durch das Wiegen von wenigstens zwei bekannten Gewichten bewirkt. Man kann bei dieser realen Meßaufzeichnung Anomalien 32 erkennen, die durch Signalinstabilitäten verursacht werden. Die Auswertelogik beseitigt die Anomalien, wie bei 33 zu erkennen ist.

Die Meßanomalien können mehrere Ursachen haben. Als Beispiel sind hier zu nennen die Erzeugung von Meßrauschen infolge von Vibrationen, die von den Rüttelsieben herrühren, oder anormale Schwankungen wie etwa eine Absenkung infolge von äußeren Einwirkungen (Manipulation durch das Baustellenpersonal, Entnahme einer Bohrkleinprobe). Das Rauschen kann analog vor dem Eingang des Systems zur Datenaufnahme oder logisch durch die Datenaufnahmelogik ausgefiltert werden. Die anormalen Absenkungen werden in der Datenaufnahmelogik behandelt, indem das Signal 31 konstant auf dem letzten aufgenommenen Daten wert gehalten wird, sobald eine Abnahme des Signals detektiert wird.

Die Kurve 34 ist das Resultat der Kumulation von gemessenen Gewichten nach mehreren Füll- und Entleerungssequenzen.

Zur Zeit tv wird der Befehl zum Kippen des Kübels ausgegeben, in Abhängigkeit von einem gegebenen Zeitintervall oder von einem durch das Gewicht des Bohrkleins erreichten Wert (z B. die Hälfte des Maximalgewichts, das der Kübel aufnehmen kann).

Beim Entleeren nimmt die Gewichtskurve 31 infolge der Entleerung rasch ab. Die zu beobachtenden Störausschläge sind auf die Dynamik der Bewegungen zurückzuführen. Das Zeitintervall V entspricht der Entleerungszeit. Am Punkt

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35 hat der Kübel wieder seine waagerechte Position eingenommen, und das Gewicht des gesammelten Bohrkleins nimmt zu. Die Kurve 34 kumuliert das Gewicht, das gerade gemessen wird, mit dem Wert des im Augenblick der Entleerung kumulierten Gewichts. Man erkennt somit in Figur 3, daß die Messung 31 während des Zeitintervalls V nicht auswertbar ist.

Man kann jedoch die Änderungen dieses Meßwertes während dieses Intervalls abschätzen, indem man die Änderungen des Signals 31 vor Ausgabe des Signals zum Kippen zur Zeit tv ausnutzt. Zum Beispiel kann man die Gerade der kleinsten quadratischen Abweichungen während einer Periode vor der Zeit tv berechnen und die Entwicklung während des Zeitintervalls V anhand der Steigung dieser Geraden der kleinsten quadratischen Abweichungen abschätzen. Es können auch andere Methoden ins Auge gefaßt werden, sei es durch Ausnutzung der Entwicklung des Signals 31 vor der Zeit tv oder auch durch Ausnutzung seiner Entwicklung, wenn der Kübel einmal zur Zeit tr wieder in die Meßposition zurückgekehrt ist.

Das Entleeren des Kübels während des Zeitintervalls V ist nicht zwingend. Zur Zeit tr kehrt nämlich der Kübel in seine horizontale Position zurück, und das Signal 31 gibt einen bestimmten Wert an, der insbesondere von der Menge an Bohrklein abhängig ist, das im Kübel 16 haften geblieben ist. Die Aufnahmelogik verwendet diesen Wert zur Zeit tr als neuen Nullwert für die Messung und trägt der Entwicklung des Signals 31 nur in Bezug auf diesen neuen Nullwert Rechnung. Somit repräsentiert das resultierende Signal 34 genau das Gewicht des Bohrkleins, das im Laufe der Zeit in den Kübel gefallen ist.

Diese Methode erlaubt auch die Kontrolle der Qualität der Messung. Wenn der Nullwert des Signals 31 zur Zeit tr die Tendenz hat, mit der Zeit zuzunehmen, zeigt dies an, daß die Reinigung des Kübels immer schlechter abläuft und eingegriffen werden muß, um den Kübel zu reinigen. So vermeidet man einen Qualitätsverlust infolge eines Überlaufens des Kübels 16, weil er im Lauf der Zeit immer schlechter von dem hineingefallenen Bohrklein befreit worden ist.

Anhand des kumulierten gemessenen Gewichts berechnet man das entsprechende Volumen nach der Formel: Volumen = Gewicht/Dichte.

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Die Dichtemessung des in den Kübel fallenden Gemisches wird von einer Bedienungsperson nach Maßgabe des Schrittes der geologischen Probennahme ausgeführt, die für eine Phase des Bohrvorgangs bestimmt ist, oder im Fall einer Änderung der Gesteinsbeschaffenheit. Zur Messung der Dichte des in den Kübel fallenden Gemisches sind zahlreiche Methoden möglich. Eine der einfachsten und verläßlichsten besteht darin, einen Behälter mit bekanntem Volumen mit dem Gemisch zu füllen und den Behälter auf einer Präzisionswaage zu wiegen. Man muß vermeiden, daß Luft in dem Behälter eingeschlossen ist, wenn ein Gemisch eingefüllt wird, das aus Partikeln mit unterschiedlicher Größe (Abraum) und Flüssigkeit (Bohrflüssigkeit) zusammengesetzt ist. Eines der bewährtesten Verfahren besteht darin, den Behälter auf einen vibrierenden Träger aufzusetzen und ihn fortlaufend bis zu der geforderten Höhe zu füllen.

Für die Umrechnung müssen auch die Dichte der Bohrflüssigkeit und diejenige des gereinigten und trockenen Bohrkleins bekannt sein. Es gibt erprobte Methoden für die Messung dieser beiden Dichten. Für die Bohrflüssigkeit sind die Schlammgleichgewichtswaage oder Gamma- oder Coriolis-Densitometer zu nennen. Für das gereinigte und getrocknete Bohrklein kann man zum Beispiel das Verfahren anwenden, das darin besteht, ein bestimmtes Volumen des Bohrkleins zu wiegen und dieses Volumen zu messen, indem man die Zunahme des Volumens eines Fluids mißt, das eingestellt wurde, bevor das Bohrklein darin eingetaucht wurde.

Wenn diese drei Messungen ausgeführt sind, kann man dann das gemessene Gewicht des Bohrkleins in ein Maß für das Volumen des Bohrkleins umrechnen, indem man die folgende Formel benutzt:

Volumen = Masse * (1/Dmel) * (D_mel - DfI)/(D_roc - DfI)
mit:
Dmel : Dichte des Gemisches

Dfl : Dichte der Bohrflüssigkeit

Droc : Dichte des gereinigten und getrockneten Bohrkleins

Es ist zu bemerken, daß die Messung der Dichte des Gemisches die einzige neue Messung ist, während die anderen üblicherweise und regelmäßig an Bohrstellen vorgenommen werden. Diese neue Messung der Dichte des Gemisches liefert jedoch eine neue Information über die Wirksamkeit des Rüttelsiebes. Man kann

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nämlich auch den Durchsatz der Bohrflüssigkeit messen, die mit dem Bohrklein in den Kübel fällt. Wenn dieser Durchsatz zu groß wird, zeigt dies an, daß entweder die Rüttelsiebe nicht korrekt arbeiten oder der Schlamm gewisse seiner Eigenschaften verloren hat. Diese Messungen werden benutzt werden für vielfaehe Vergleichsberechnungen und/oder Berechnungen zur Abschätzung des Volumendurchsatzes des Bohrkleins (als Gemisch oder trocken) in Bezug auf den laufenden Bohrvorgang.

Neben der Visualisierung der Funktionskontrolle der Maschinen zum Wiegen des Bohrkleins bietet das System zur Datenaufnahme in Echtzeit die Möglichkeit, mehrere wesentliche Parameter zu überwachen, in numerischer oder graphischer Wiedergabe als Funktion der Zeit oder der Bohrtiefe.

Diese Parameter können z.B. sein:
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1. Durchsatz des Bohrkleins in Volumeneinheiten/Zeiteinheiten (in Liter/Minute).

Dies geschieht anhand einer Steigungsberechnung der Änderung des kumulierten Bohrkleingewichtes (oder Volumens) pro Zeiteinheit.

2. Bohrkleindurchsatz in Volumeneinheiten/Bohrtiefe (in Liter/Meter)

Dies geschieht durch Kumulation der Messungen des Bohrkleinvolumens für ein Bohrtiefeinterval. Dieser Parameter kann durch die Auswertelogik um die geschätzte Zeit für den Weg des Bohrkleins vom Boden des Bohrloches zur Oberfläche (lag time) korrigiert werden.

3. Durchsatzverhältnis des Bohrkleins in Volumeneinheiten/Nominaldurchsatz.

Dies geschieht anhand einer Steigungsberechnung der Änderung des Bohrkleinvolumens pro Zeiteinheit, geteilt durch die Vortriebsgeschwindigkeit (ROP) und multipliziert mit dem theoretischen Querschnitt des Bohrloches. Dieser Parameter wird als Funktion der Zeit aufgezeichnet.

4. Kumulierter Wert des Bohrkleindurchsatzes in Volumeneinheiten - Bohrvo-

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lumen.

Dies geschieht anhand des kumulierten Wertes des gemessenen Bohrkleinvolumens, von dem man das Bohrvolumen abzieht. Dieser kumulierte Wert wird von der Bedienungsperson auf Null gesetzt.

Selbstverständlich ist es möglich, ähnliche Parameter mit Massendurchsätzen anstelle von Volumendurchsätzen zu erhalten.

Diese verschiedenen Parameter ermöglichen es, festzustellen, ob die Bohroperationen die Tendenz haben zu:

einem Defizit im Rücklauf des Bohrkleins,
normalem Rücklauf des Bohrkleins,
einem Überfluß im Rücklauf des Bohrkleins.
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Der Parameter 1) des Bohrkleindurchsatzes in Volumeneinheiten/Zeiteinheiten (in Liter/Minute) ermöglicht es zu analysieren, ob bestimmte Bohraktionen zum Reinigen des Bohrloches ausreichend wirksam sind.

Bei bestimmten Arten von Bohrlöchern steigt nämlich das Bohrklein nicht ohne weiteres zur Oberfläche auf. Man ist deshalb gezwungen, regelmäßig bestimmte Aktionen zur Reinigung des Bohrloches vorzunehmen. Hier können die Bohrlocherweiterung (reaming) oder das zeitweise Hindurchleiten von Bohrflüssigkeit mit hoher Viskosität (viscous pills) genannt werden. Die Nachkontrolle des VoIumendurchsatzes oder Massendurchsatzes im Laufe der Zeit ermöglicht es, die Wirksamkeit dieser Aktionen zu quantifizieren und zu entscheiden, ob sie fortgesetzt oder wiederholt werden sollen.

Der Parameter 2) des Bohrkleindurchsatzes in Einheiten/Bohrtiefe (in Liter/Meter) ermöglicht es, zu analysieren, ob bestimmte Bohraktionen die Tendenz haben, die Wände des Bohrloches durch destabilisierende hydraulische oder mechanische Wirkungen einbrechen zu lassen. Diese destabilisierenden Aktionen können nämlich das Gestein an den Wänden des Bohrloches durch Stöße und Vibrationen des Bohrgestänges zerbrechen. Man stellt dann an der Oberfläche das Eintreffen von Bohrklein beim Nachbohren oder eine Erhöhung des Bohrkleindurchsatzes beim Bohren fest. Die Nachkontrolle der Entwicklung dieses Parameters mit der Tiefe ermöglicht es, die Zonen des Bohrloches anzuzeigen,

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die besonders brüchig sind. Man kann somit im Verlauf der Manöver oder beim Bohren Prozeduren oder Bohrparameter wählen, die die Destabilisierung der Bohrlochwände vermeiden.

Dieser Parameter hat auch eine andere Bedeutung: in bestimmten Fällen brechen die Wände des Bohrloches von Natur aus ein und verursachen Höhlungen, in denen sich der Abraum leicht ansammelt. Die Verfolgung dieses Parameters kann es ermöglichen, diese Höhlungszonen zu markieren, den sich dort ansammelnden Abraum abzuschätzen und Ereignisse anzuzeigen, die den in den Höhlungen gesammelten Abraum wieder in Umlauf bringen. Man sieht somit, daß dieser Parameter eine wertvolle Hilfe bei Bohrungen in instabilen Formationen darstellt.

Der Parameter 3) des Durchsatzverhältnisses des Bohrkleins in Volumeneinheiten/Nominaldurchsatz ermöglicht eine sofortige Angabe der Qualität der Reinigung des Bohrlochs. Unter Idealbedingungen muß dieses Verhältnis gleich 1 sein. Wenn es kleiner als 1 wird, zeigt dies an, daß sich Bohrklein im Bohrloch sammelt und daß auf längere Sicht ein Verklemmen des Bohrgestänges durch das Bohrklein droht. Wenn er größer als 1 wird, zeigt dies an, daß entweder wieder Bohrklein in Umlauf gebracht wird oder sich das Bohrloch durch abrasive oder chemische Wirkung der Bohrflüssigkeit oder mechanische Wirkung des Bohrgestänges erweitert.

Der Parameter 4) des kumulierten Wertes des Bohrkleindurchsatzes in VoIumeneinheiten - Bohrvolumen ermöglicht es, die Entwicklung des Ausmaßes der Verstopfung des Bohrloches zu quantifizieren, d.h., des Maßes der Verfüllung des Bohloches mit Bohrklein, was zu einer Bewertung der Höhe des Risikos einer späteren Verklemmung des Bohrgestänges im Bohrloch führt.

Außer diesen Parametern enthält der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gewonnene Meßwert viele weitere Informationen, z.B.:

Die Abnahme der Menge des Bohrkleins bei Aussetzen der Rotation, die mit einer Transportmenge der Bohrflüssigkeit zusammenhängen könnte, z.B. im Fall von stark abgelenkten Bohrungen, bei denen das Bohrklein mechanisch vom Grund gelöst und durch Rotation des Gestänges suspendiert wird.

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Ein "Pumphänomen" des Bohrkleins in bestimmten Fällen, d.h., die Mitnahme des Bohrkleins durch die Bewegung des Bohrgestänges zur Oberfläche, bei der das Bohrgestänge dann praktisch die Rolle eines Kolbens erfüllt.

Figur 4 zeigt eine der Aufzeichnungen, die die Bedienungsperson in der Anlage zur Auswertung an der Oberfläche erhalten kann. Die Spalte A repräsentiert die Position des Flaschenzuges im Bohrturm, die den &EEacgr;&egr;&iacgr;&egr;&eegr;&iacgr;&ogr;&igr;&idiagr;&bgr;&ogr;&eegr;&eegr;&pgr;: der Bohrung repräsentiert. Die Einteilung auf der Abszisse ist in Metern (m), auf der Ordinate in Stunden. Die Neigung der Ausschläge gibt die Vortriebsgeschwindigkeit des Werkzeugs (ROP) an. Die Spalte B repräsentiert die Rotationsgeschwindigkeit des Bohrgestänges in Umdrehungen pro Minute. Die Spalte C gibt den Durchsatz der in das Bohrloch injizierten Bohrflüssigkeit in Liter/Minute an. Die Spalte D gibt den Bohrkleindurchsatz während des Bohrvorgangs an.

Es ist zu erkennen, daß der Bohrkleindurchsatz während der mit 40 bezeichneten Bohrphase langsam abnimmt, daß es aber die beiden Hebungen und Absenkungen 41 und 42 des Bohrgestänges auf etwa 30 Meter erlauben, eine beträchtliche Menge an Bohrklein zur Oberfläche zu transportieren.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes von Bohrklein, das mit Hilfe einer Bohrflüssigkeit zur Oberfläche transportiert wird, welche Vorrichtung eine Sammeleinrichtung (11 bis 15) für das Bohrklein und Mittel zur fortlaufenden Messung des Gewichts des gesammelten Bohrkleins aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeleinrichtung einen Behälter in der Form eines Kübels (16), der um eine Achse (18) schwenkbar ist, und eine Kippeinrichtung (20) für den Behälter aufweist, um dea genannten Kübel zu entleeren, und daß die Meßeinrichtung eine Meßzelle (24) aufweist, die mit der genannten Kippeinrichtung verbunden ist, um eine Beanspruchung zu messen, die zu dem Gewicht des gesammelten Bohrkleins im wesentlichen proportional ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kippeinrichtung eine in zwei Lagern (19) drehbare Welle (18), einen mit der Welle verbundenen Pneumatikzylinder (21) und ein Verbindungsteil (25) aufweist, das den Pneumatikzylinder mit einem festen Gestell (20) verbindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (24) an dem Verbindungsteil (25) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle eine Biegebeanspruchung des genannten Verbindungsteils mißt, welche Biegebeanspruchung im wesentlichen proportional zum Gewicht des gesammelten Bohrkleins ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kippeinrichtung pneumatische Komponenten einer Steuerlogik (27, 28, 29) für Funktionssequenzen der Kippeinrichtung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Steuerung der Kippeinrichtung (20) aufweist, mit einem Zeitgeber, der dazu dient, die Zeit zu steuern, während der der Kübel (16) angehoben ist und während der das Bohrklein in dem Kübel (16) gesammelt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Meßwertverarbeitungseinrichtung, die

- die in aufeinanderfolgenden Meßzyklen gemessenen Bohrkleingewichte kumuliert,

- den Bohrkleindurchsatz berechnet,

- und das Meßergebnis für den Bohrkleindurchsatz verarbeitet, um wenigstens einen der folgenden Parameter zu berechnen und/oder zu registrieren: den Bohrkleindurchsatz als Funktion der Zeit, das Verhältnis zwischen dem Bohrkleindurchsatz und der Vortriebsgeschwindigkeit, das Verhältnis zwischen dem gemessenen Bohrkleindurchsatz und dem theoretischen Bohrkleindurchsatz, die Differenz zwischen dem gemessenen Bohrkleindurchsatz und dem theoretischen Bohrkleindurchsatz.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Meßwertverarbeitungseinrichtung den Massendurchsatz zur Berechnung der genannten Parameter benutzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Meßwertverarbeitungseinrichtung auch die Dichte des gesammelten Bohrkleins auswertet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Meßwertverarbeitungseinrichtung die Dichte des trockenen Bohrkleins, also nach Abseparation der Bohrflüssigkeit, auswertet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Meßwertverarbeitungseinrichtung der anhand der Dichte den Volumendurchsatz berechnet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, während der der Kübel (16) angehoben ist und während der das Bohrklein in dem Kübel (16) gesammelt am Zeitgeber einstellbar ist.