DE3513178C2 - Vorrichtung zur Datenübertragung längs eines Bohrlochgestängestranges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten von einem Meßwertwandler längs eines Bohrgestänge­ stranges in einem Bohrloch zu einem Empfänger nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 3 900 827 bekannt.

Es wurden verschiedene Verfahren und Arbeitsweisen angewendet, um während der Ausbildung eines Bohrlochs Zustände oder Bedin­ gungen, wie Richtung, Druck oder auch die Beziehungen zur an­ grenzenden Formation zu bestimmen und Daten aus dem Bohrloch herauszuholen.

Die vorgenannte Druckschrift beschreibt ein akustisches Daten­ übertragungssystem im Bohrgestänge, wo akustische modulierte Drehschwingungen erzeugt werden, die die zu übertragende Infor­ mation enthalten und die von einer Signalsendestation zu einer Signalempfangsstation laufen, wobei an der Empfangsstation die Wellen demoduliert werden, um die übertragene Information rück­ zugewinnen. Die modulierten Wellen können in dem Bohrgestänge entweder durch Antreiben des Gestänges in Drehschwingung und Mo­ dulieren der Drehschwingungswellen an der Wendestation erzeugt werden oder durch Erzeugen von Drehschwingungswellen am Sendeort und Übertragen derselben zur Empfangsstation. Die Informationen umfassen Temperatur, Formationsdruck, Formationsporosität, Bohr­ gestängerichtung und dergleichen.

Die US-PS 3 771 118 beschreibt eine Vorgehensweise, wonach der gesamte Bohrgestängestrang periodisch aus dem Bohrloch gezogen und durch eine Art von Prüfungs- oder Vermessungsgerät ersetzt wird, das die Daten entweder aufzeichnet, z. B. auf einem Film, oder sie über ein elektrisches Verbindungskabel zu einem Führer- oder Leitstand überträgt.

Eine andere Methode wird durch die US-PS 3 790 930 sowie die US-PS 4 001 773 vorgeschlagen, wonach Daten aus dem Innern des Bohrlochs durch den Bohrgestängestrang entwe­ der während des Bohrens oder während Pausen im Bohrvor­ gang mittels Torsionswellen übertragen werden.

Ferner wurde auch vorgeschlagen, z. B. durch die US-PS 4 019 148, US-PS 4 293 936 und US-PS 4 390 975, Daten in binärer Form zu erzeugen und diese Daten für eine Fre­ quenzumtastungsmodulation eines akustischen Signals zu verwenden, welches durch das Bohrgestänge - nach Wunsch mittels Verstärker - übertragen werden kann.

Es sind verschiedene, für eine akustische Daten-Telemetrie zweckdienliche Elemente in der einschlägigen Technik be­ kannt, wie z. B. ein Meßwertgeber (US-PS 4 021 773), eine akustische Trenneinrichtung (US-PS 4 066 995) und ein mitschwingender akustischer Wandler (US-PS 4 283 780). Ein besonderes System, um akustisch das Bohren eines zwei­ ten, zu einem existierenden ersten Bohrloch parallelen Bohrlochs zu führen, ist Gegenstand der US-PS 4 391 336. Durch die US-PS 4 386 664 wird ein Verfahren zur Steue­ rung der Bohrrichtung für ein im wesentlichen horizonta­ les Bohrloch, z. B. zum Abzug von Methan von einem Kohlen­ flöz, offenbart.

Schließlich ist durch Kamp ein Überblick über die Bohr­ lochtelemetrie in "Journal of Petroleum Technology", Oktober 1983, Seiten 1792-1796 mit dem Titel "Downhole Telemetry from the User′s Point of View" veröffentlicht worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der Meßwertwandler, der stabil und fest aufgebaut wie auch einfach zu betreiben und zu warten ist und dessen Daten unschwierig auszuwerten sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 teils eine Ansicht, teils einen Schnitt einer Telemetrieanordnung in einem waagerechten Bohrloch;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Sender- oder Meßwert­ wandlervorrichtung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Schaltung zur Umsetzung des Prinzips der Erfindung in die Praxis.

Die Fig. 1 zeigt eine Bohrmaschine 10, die auf Rädern 12 oder einer Endloslauffläche ruht und eine vorwärts gerich­ tete Druckkraft ausüben kann. Die Bohrmaschine 10 be­ findet sich in einem abgebauten Hohlraum 14, der eine Decke 16 und einen Boden 18 hat, und sie ist dem Stoß 20 einer allgemein horizontal verlaufenden Lagerstätte, z. B. einem Kohlenflöz, in die ein waagerechtes Bohrloch vorgetrieben wird, benachbart angeordnet. Gemäß dem Bohrvor­ gang wird zuerst ein überbemessenes Loch 22 gebohrt, in das dann ein Futterrohr 24 eingesetzt wird, das durch Einpressen von Zement 26 in den Ringraum zwischen der Wandung des Lochs 22 und dem Äußeren des Futterrohres 24 an seinem Platz gehalten wird. Anschließend werden an die Bohrmaschine ein oder mehrere Abschnitte eines Bohrgestänges 28 angesetzt, wobei am freien, vorderen Ende des Bohrgestänges ein Ope­ rationsdaten- oder Führungsmeßwandler (Sender) 30 und ein Bohrlochmotor 32 mit einem Drehbohrmeißel 34 angebracht sind. An der Eintrittsstelle des Bohrgestänges 28 in das Futterrohr 24 ist eine Dichtungsmuffe oder Stopfbüchse 36 befestigt. Von einer (nicht gezeigten) Quelle auf hohen Druck gebrachtes Wasser wird über einen Schlauch 38 und durch ein Verbindungsstück 40 in den Hohlraum innerhalb des Bohrgestänges eingeführt. Dieses Hochdruckwasser fließt längs des Bohrgestänges 28 zum Motor 32 und liefert die Kraft, um den Motor 32 und damit den Bohrmeißel 34 zu dre­ hen; gleichzeitig kühlt das Wasser, wenn es aus am Meißel 34 befindlichen Öffnungen austritt, den Meißel. Das ausge­ tretene Wasser fließt dann in dem Ringraum 42 zwischen dem Bohrgestänge 28 und der Bohrlochwandung zurück in Richtung zur Bohrmaschine 10, wobei es Bohrklein aus dem entstehenden Bohrloch mit sich führt. Das Wasser und Bohrklein werden über ein Anschlußstück 44 am Futterrohr 24 und einen mit dem Anschlußstück 44 verbundenen Schlauch 46 abgezogen. Ein Schalldetektor 48, z. B. ein piezoelektrischer Beschleuni­ gungsmesser, der mit dem Bohrgestänge 28 in Berührung ist, ist über eine elektrische Leitung 50 an eine Sichtanzeige­ einrichtung 52 angeschlossen.

Gemäß der obigen Beschreibung wird zum Drehen des Meißels 34 ein Bohrlochmotor verwendet, weshalb für den Bohrvor­ gang nur eine axiale Bewegung oder ein Schub an den Ab­ schnitten (Sektionen) des Bohrgestänges 28 seitens der Bohrmaschine 10 notwendig ist. Jedoch ist das Führungs­ system gemäß der Erfindung in gleicher Weise auch bei einem Rotarybohren verwendbar und nützlich, wobei die Bohrmaschine 10 nicht nur einen axialen Schub liefert, sondern auch das Bohrgestänge 28 und den Meißel 34 dreht. In diesem Fall ist natürlich der Bohrlochmotor 32 nicht nötig.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird nun der Führungs- Meßwandler 30 näher erläutert, der so gestaltet ist, daß er in einen üblichen Bohrgestängestrang einbezogen werden kann, und der vorzugsweise denselben Außendurchmesser wie das Bohrgestänge hat. Demzufolge ist der Meßwertwand­ ler 30 an seinen Enden mit einem Innengewindeabschnitt 60 bzw. einem Außengewindeabschnitt 62 ausgestattet, wobei am vorderen Ende am Außengewindeabschnitt 62, wie Fig. 1 schematisch zeigt, der Bohrlochmotor 32 und Meißel 34 angeschlossen sind. Hochdruckwasser zum Antrieb des Motors 32 tritt an der linken Seite des Meßwandlers 30 aus dem am Innengewindeabschnitt 60 angeschlossenen Bohrgestängeab­ schnitt in eine mittige, axiale Bohrung 64 ein und strömt durch mehrere radiale Durchtritte 66 in den Ringraum 68 zwischen dem Außenmantel 70 des Meßwandlers und einem inneren Gehäuse 72. Dieses innere Gehäuse 72 ist vollkom­ men abgedichtet, es ist an beiden Seiten verschlossen und weist außer Durchgängen für beispielsweise elektrische Leitungen keine Öffnungen auf. Das Gehäuse 72 wird im Außenmantel 70 durch eine Mehrzahl von Zentrier-Speichen­ sternen 74 abgestützt. Nach Durchtritt durch die Speichen­ sterne 74 tritt das Wasser durch eine (nicht gezeigte) mittige Einlaßöffnung in den Motor 32 ein, um diesen an­ zutreiben.

Das innere Gehäuse 72 enthält eine abgeschlossene, unab­ hängige Fühler-Geber-Kombination, deren Elemente die kör­ perliche Anordnung gemäß Fig. 2 aufweisen und deren Ar­ beitsweise unter Bezugnahme auf die Fig. 3 erläutert wer­ den wird. Vom dem Bohrlochboden zugewandten Außengewinde­ abschnitt 62 ausgehend bestehen diese Elemente aus einem Fühler 80, einem Gammadetektor 82, einer Gammaverstärker- und Energiezufuhreinrichtung 84, einer Schnittstellen­ tafel 86, einem Batteriestapel 88 und einer Solenoid­ klöppelanordnung 90. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Material, aus dem sowohl das innere Gehäuse 72 wie auch der Außenmantel 70 in dem den Fühler 80 umgeben­ den Bereich gebildet sind, ein unmagnetisches Material. Das innere Gehäuse 72 kann auch durch isolierende Verbin­ der 92, wie Fig. 2 zeigt, in Abschnitte unterteilt sein, was einen Ersatz der Batterien 88 erleichtert. Der die Solenoidklöppelanordnung 90 umgebende Abschnitt des inne­ ren Gehäuses 72 ist vorzugsweise explosionsgeschützt aus­ gebildet. Der Außenmantel 70 ist so ausgelegt, daß er der gesamten Bohrschubbelastung und, wenn es nötig oder passend ist, auch der Drehbelastung beim Rotarybohren standhält.

Die Arbeitsweise der Fühler-Geber-Anordnung wird unter Be­ zugnahme auf die Fig. 3 erläutert. Die gesamte Schaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist, wird durch den Batteriestapel 88, der in der Fig. 2, nicht aber in der Fig. 3 darge­ stellt ist, mit Energie versorgt; der Batteriestapel 88 umfaßt vorzugsweise eine Anzahl von in Reihe geschalteten, abgeschlossenen und wiederaufladbaren Zellen. Ein Aktivi­ tätsmonitor 100, der einen fein-empfindlichen Beschleu­ nigungsmesser umfassen kann, erfaßt das Vorhandensein oder Fehlen eines Geräusches, das für eine Bohrtätigkeit innerhalb des Bohrlochs kennzeichnend ist. Nach einer vorprogrammierten Zeitspanne der Stille, d. h., daß keine Bohrtätigkeit erfolgt, aktiviert der Monitor 100 die Über­ tragung von verschlüsselten Daten durch einen Treiber 112 und die Solenoidklöppelanordnung 90. Diese Daten sind durch den Ausgleich der Schaltung in der auf jede frühere Über­ tragung folgenden Zeitspanne gesammelt und gespeichert worden. Der Fühler 80 umfaßt Beschleunigungsmesser X, Y und Z, die auf drei zueinander rechtwinklige Achsen ausge­ richtet sind, und in gleicher Weise ausgerichtete Magneto­ meter X′, Y′ sowie Z′. Durch einen Vibrationsbeschleuni­ gungsmesser 102 und seinen zugeordneten Maximum- oder Spitzenwert-Halteverstärker 104 wird ebenfalls ein Signal erzeugt.

Die sechs Signale vom Fühler 80 und das eine Signal vom Verstärker 104 werden nacheinander durch einen Multiplexer 106 gesammelt, der die Signale in analoger Form einem A/D-Wandler 108 zuführt. Die digitalisierten Daten werden zu einem Mikrocomputer 110 weitergeleitet, der ebenfalls ein Signal von der Verstärkervorspannungsquelle 84, das vom Gammadetektor 82 erfaßt wurde, empfangen kann.

Der Fühler 80 kann beispielsweise einen Develco-Bohrloch­ fühler Modell 106470-05, das von Develco Inc., Sunnyvale (Kalifornien) erhältlich ist, umfassen. Die Solenoidklöp­ pelanordnung 90 kann ein lineares Solenoid, z. B. Modell L12AM5LE124P24 enthalten, das von The G.W.Lisk Co.Inc., Clifton Springs (N.Y.) vertrieben wird. Dieses Solenoid wird etwas abgeändert, indem eine zusätzliche zylindri­ sche, mit einem Flansch oder Bund versehene Metallmasse am Ende des beweglichen Solenoidkerns angebracht und eine schwache Druck- oder Rückstellfeder zwischen das Solenoid­ hauptteil und den Bund eingesetzt wird. Das Solenoidhaupt­ teil wird eng in das innere Gehäuse 72 eingepaßt und aku­ stisch mit diesem - und damit mit dem Außenmantel 70 - gekoppelt. Jede Erregung des Solenoids hat somit, wenn der Solenoidkern in das Hauptteil hineingezogen wird, einen lauten, gut hörbaren Schlag zum Ergebnis, der nach Übertragungen über eine Länge von 850 m bei einem Bohrge­ stängestrang mit einem Durchmesser von ca. 75 mm in einem Kohlenflözbohrloch gut und leicht erfaßt oder fest­ gestellt worden ist. Ein Batteriestapel, der aus 12 in Reihe geschalteten, abgeschlossenen, wiederaufladbaren Blei/Säure-D-Zellen besteht und die erwähnten Fühler, die Solenoidklöppelanordnung, die zugehörige Schaltung, den Mikrocomputer usw. mit Energie versorgt, hat für mehr als 250 Zyklen einer Datenübertragung und Anfügung von Bohrgestängeabschnitten ausgereicht.

Wie gesagt wurde, übertragen der Treiber 112 und die Sole­ noidklöppelanordnung 90, nachdem der Monitor 100 eine vor­ programmierte Zeitspanne der Stille erfaßt hat, die nor­ malerweise auftritt, wenn das Bohrloch um eine Rohrlänge vorangetrieben worden ist, so daß die Bohrmaschine 10 stillgesetzt wird, um eine weitere Rohrlänge an das Ge­ stänge 28 anzufügen, eine Datenfolge. Die Daten werden binär übertragen, und zwar stellt ein Schlag der vom Trei­ ber 112 erregten Solenoidklöppelanordnung 90 eine "1" dar, während kein Schlag oder eine Stille eine "0" be­ deutet. Der in Fig. 1 gezeigte Schalldetektor 48, der vorteilhafterweise nahe der Bohrmaschine 10 angeordnet ist, kann ein Mikrophon aufweisen, das magnetisch am Bohr­ gestänge 28 befestigt ist. Erfaßte Schläge, die ein Signal darstellen, werden über die Leitung 50 zur Sichtanzeige­ einrichtung 52 geleitet, die so kodiert ist, daß sie bei Empfang eines vorbestimmten übertragenen "Start"-Codes Daten interpretiert, d. h., auswertet und diese dann durch eine Zeitfolge in eine geeignete Zeiger- und/oder Digital­ anzeige für die Unterrichtung des Maschinenführers ordnet. Die empfangenen Daten können selbstverständlich auch auf­ gezeichnet werden, z. B. auf einem Magnetband, um ein dau­ erndes Bohrprotokoll zu schaffen.

Ein spezielles Beispiel einer geeigneten Folge von binären Daten, die vorzugsweise mit einem Wert zwischen 1 und etwa 10 Hz übertragen wird, ist das folgende:

Die Prüfsumme ist die Summe aller übertragenen binären "1en", binär ausgedrückt, um dem Empfänger die Möglichkeit zu geben, den korrekten Empfang nachzuprüfen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform löst der Monitor 100 mit seiner zugeordneten Schaltung nicht nur eine Über­ tragung einer Datenfolge nach dem Erfassen einer vorbe­ stimmten Zeitspanne einer Untätigkeit im Bohren, z. B. von einer bis zu einigen wenigen Minuten, aus, sondern schaltet auch die Energiezufuhr zu allen anderen Ele­ menten, z. B. zum Fühler 80 und Detektor 82, nach einer längeren vorgegebenen Zeitspanne einer Untätigkeit im Bohren, z. B. von fünf Minuten bis zu einer halben Stunde, wie das zwischen Arbeitsschichten und während der Nacht der Fall ist, ab. Diese selbsttätige Abschaltung der Energie macht es möglich, den Führungs-Meßwandler für eine sehr viel längere Zeitdauer zwischen Ladevorgängen für die Batterien im Bohrloch zu belassen. Der Monitor 100 und die diesem zugeordnete Schaltung bleiben dauernd mit Energie versorgt und nehmen den gesamten Überwachungs- sowie Übertragungszyklus dann wieder auf, wenn eine er­ neute Bohrtätigkeit festgestellt wird.

In typischer Weise ist der einzige Wartungsvorgang, der für den Meßwandler erforderlich ist, der gelegentliche Austausch des Batteriestapels 88 gegen frisch geladene Batterien. Die Unterteilung des inneren Gehäuses 72 in Abschnitte erleichtert diesen Vorgang. Die relevanten Bohrlochdaten sind ständig und schnell an der Sichtan­ zeigeeinrichtung 72 am Führerstand der Bohrmaschine ver­ fügbar, so daß der Maschinenführer ohne weiteres, wenn er richtig in der Anwendung und Interpretation der Daten geschult ist, die Bohrarbeit überwachen sowie verfolgen kann, weshalb durch die Erfindung die bisher bestehende Notwendigkeit für einen Bohrloch-Meßspezialisten an der Bohrstelle beseitigt wird.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Übertragung von Daten von einem Meßwertwand­ ler längs eines Bohrgestängestranges in einem Bohrloch zu einem Empfänger, enthaltend

• - eine nahe dem im Bohrloch befindlichen äußer­ sten Ende des Bohrgestänges (28) angeordnete, einen Zustand des Bohrlochs erfassende Fühlereinrichtung (80), die ein auf das erfaßte Ergebnis bezogenes Analogsignal erzeugt, und
• - eine mit der Fühlereinrichtung verbundene Wandlereinrichtung (108), die das Analogsignal in ein binäres Digitalsignal umsetzt, gekennzeichnet durch
• - eine Signalspeichereinrichtung (110, 112), die die digitalen Signale von der Wandlereinrichtung speichern kann,
• - eine elektrische Batterie-Energiequelle (88) und
• - eine mit der Energiequelle sowie der Signal­ speichereinrichtung verbundene elektrische Solenoid­ einrichtung (90), die mit dem Bohrgestänge nahe dem im Bohrloch befindlichen äußersten Ende akustisch gekoppelt ist und einen hörbaren Impuls längs des Bohrgestängestranges bei Aktivierung der Energie­ quelle im Ansprechen auf die Signalspeichereinrich­ tung liefern kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet

• - durch eine Erfassungseinrichtung (100), die den tätigen sowie untätigen Zustand des Bohrgestänges (28) feststellt, und
• - durch ein mit der Erfassungseinrichtung (100) verbundenes Rechengerät (110), das die Aktivierung der Solenoid­ einrichtung (90) im Ansprechen auf die Erfassungs­ einrichtung (100), wenn diese das Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne für die Untätigkeit des Bohrgestänges feststellt, ermöglicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlereinrichtung (80) die Orientierungsrich­ tung des im Bohrloch befindlichen äußersten Endes des Bohrgestänges (28) in Meßwerten erfaßt.