DE3534025A1

DE3534025A1 - Druckimpuls-telemetriesystem zur bohrlochmessung

Info

Publication number: DE3534025A1
Application number: DE19853534025
Authority: DE
Inventors: Frances L. Houston Tex. Davison
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1984-09-24
Filing date: 1985-09-24
Publication date: 1986-04-03
Also published as: US4686658A; BR8503251A; GB8513814D0; NL8502604A; JPS6178994A; GB2164682A; NO852497L; FR2582049A1; AU4691985A

Description

Druckimpuls-Telemetriesystem zur Bohrlochmessung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Druckimpuls-Telemetrie bei der Bohrlochmessung und bezieht sich im engeren Sinne auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Betätigung eines Ventils, das in einem Bohrstrang angeordnet ist. Mit der Erfindung ist es möglich, die Betätigungskraft für ein Ventil abhängig von einem Wert einzustellen, der die minimale zur Ventilbetätigung erforderliche Kraft angibt. "

Im Bohrwesen wird seit langem die Bohrlochmessung während oder unmittelbar nach dem Bohren angestrebt. Dies wurde über lange Zeit ausschließlich mit leitungsgebundenen Werkzeugen durchgeführt, die nach Herausziehen des Bohrgestänges in das Bohrloch abgesenkt wurden. Diese Art der Bohrlochmessung, die das Stillsetzen des Bohrstranges erfordert, führte zu Verlustzeit und damit zu einem wesentlichen Kostenanstieg. Ferner traten zwischen dem Bohren einer Formation und der darauf folgenden leitungsgebundenen Bohrlochmessung Veränderungen der verschiedenen Formationseigenschaften auf. Beispielsweise führte ein Austritt von Bohrflüssigkeiten oder Formationsflüssigkeiten an der Bohrlochwand während dieser Zeit oft zu ungenauen und falschen Messungen.

Aus verschiedenen Gründen, zu denen auch die vorstehend beschriebenen gehören, wird seit langem die Bohrlochmessung während des Bohrens angestrebt. In den letzten Jahren hat man sich deshalb intensiv mit der Entwicklung und dem Einsatz entsprechender Systeme (MWD-Systeme, Measurement-Whilc-Drilling) befaßt. Erst in jüngerer Zeit wurden jedoch

Verfahren und Einrichtungen für eine Bohrlochmessung während des Bohrens verfügbar. Die Meßeinrichtungen müssen widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen sein, wie sie durch den dauernd vibrierenden Bohrstrang und relativ lange Verweilzeit im Bohrloch erzeugt werden. Ferner müssen die Einrichtungen ausreichend stabil sein, um die Beanspruchungen in dem Bohrstrang auszuhalten, sowie ausreichend klein, daß der Betrieb des Bohrstranges und seiner zugeordneten Bohrlöcher nicht gestört wird.

Systeme zur Bohrlochmessung während des Bohrens benötigen Einrichtungen und Verfahren zur Übermittlung gemessener Daten zur Oberfläche. Obwohl es theoretisch möglich ist, die Daten in einem Mikrocomputer oder einer anderen Bohrloch-Datenspeichervorrichtung zu speichern und sie nach dem Transport des Speichers aus dem Bohrloch an Datenverarbeitungseinrichtungen an der Oberfläche zu übertragen, haben solche Systeme keine weitläufige Anwendung gefunden. Um die Vorteile von Systemen zur Bohrlochmessung während des Bohrens zu maximieren, müssen die Daten zur Analyse sofort an die Oberfläche übertragen werden. Eine laufende Analyse erlaubt es dem Betriebspersonal und dem Geologen, Änderungen an der Bohrlochsohle sofort festzustellen und jede gewünschte oder erforderliche Einstellung des Bohrbetriebes vorzunehmen. Deshalb benötigt man Einrichtungen und Verfahren zur Telemetrie der entsprechenden Daten. Bereits eingesetzte Telemetriesysteme arbeiten mit Übermittlung elektrischer Signale über Leitungen, die in oder an dem Bohrstrang angeordnet sind, mit Übermittlung akustischer Signale über den Bohrstrang oder die Bohrflüssigkeiten und mit Einwirkung meßbarer Druckimpulse auf die Bohrflüssigkeiten.

Druckimpuls-Telemetriesysterne arbeiten entweder mit negativen oder mit positiven Druckimpulsen, die auf den relativ konstanten Bohrflüssigkeitsdruck in der zentralen Bohrung des Bohrstranges übertragen werden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 4 078 620 eine Einrichtung und ein Verfahren zur telemetrischen Übertragung von Informationen aus einem Bohrloch an die Oberfläche mittels negativer Druckimpulse. Hierbei wird Bohrflüssigkeit durch einen Kanal in der Wand eines Bohrerteils aus dessen Innerem nach außen in den umgebenden Ringraum geführt, um negative Impulse auf den Druck der Bohrflüssigkeit in dem Bohrstrang auszuüben. Diese negativen Impulse übermitteln codierte Informationen von der jeweiligen Stelle des Bohrloches zur Oberfläche, wo die negativen Impulse ausgewertet und die Daten decodiert werden.

Bei einem Druckimpuls-Telemetriesystem, das mit einem elektrisch betätigbaren Ventil oder Impulserzeuger arbeitet, ändert sich die zur Ventilbetätigung erforderliche Kraft mit dem im Bohrloch am Ventil herrschenden Differenzdruck. Die Energieversorgung muß so bemessen sein, daß die abgegebene Energie eine Betätigungskraft erzeugt, die für den schlechtesten zu erwartenden Betriebsfall ausreicht. Da in nahezu allen Betriebszuständen Energieverluste auftreten, haben Systeme dieser Art einen beachtlichen Energieverbrauch. Diese großen Energiemengen sind aus zwei wichtigen Gründen nachteilig. Man benötigt eine größere Energieversorgung als tatsächlich für den Betrieb des Ventils erforderlich. Die Energieversorgungen enthalten allgemein für das Bohrloch geeignete Batterien oder elektrische Generatoren. Da die Energieversorgung möglichst klein gehalten werden soll, wäre es also vorteilhaft, die Verlustenergie minimal zu halten. Ferner muß die durch

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Aufbringen einer konstanten, maximalen Betätigungskraft auf das Ventil verbrauchte mechanische Energie in dem Impulserzeuger vernichtet werden. Diese Energie wird in überschüssige Wärme umgesetzt und ist auch mit einer beschleunigten Abnutzung durch Alterung und Brüchigkeit infolge unnötig starker Stoßwirkungen und Vibrationen auf die bewegten Teile des Elektromagneten und der Ventilanordnung verbunden. Beide Effekte tragen zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Anordnung bei.

Da die bei diesen Systemen auftretenden Bohrlochdruckwerte ziemlich hoch sind und ein Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Bohrstranges an diesen Stellen gleichfalls ziemlich hoch ist, ergeben sich kritische Faktoren hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise des TeIemetrie-Signalventils. Ventile dieser Art müssen sehr dicht sein, um Austritt von Flüssigkeit zu vermeiden, sie müssen zur Erzeugung scharf ansteigender Druckimpulse schnell arbeiten und einen minimalen Energiebedarf haben. Der erfolgreiche Langzeitbetrieb solcher Systeme wird durch Schwierigkeiten bei der Erfüllung der vorstehenden Forderungen beeinträchtigt.

Wird die elektrische Leistung durch eine Bohrlochbatterie oder einen elektrischen Generator im Bohrstrang geliefert, so soll der Strombedarf des Ventilsystems minimal sein, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern bzw. einen möglichst kleinen Generator verwenden zu können. Dieses Problem hat man bisher auf verschiedene Weise zu lösen versucht. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 3 958 ein Telemetriesystern mit positiven Impulsen, bei dem ein kleines Eingangssignal ein Pilotventil betätigt, wodurch das Haupttelemetrieventil dann durch Druckunterschiede

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betätigt wird, die in dem Schlammstrom selbst erzeugt werden. Das US-Patent 4 336 564 beschreibt ein Telemetriesystem mit negativen Impulsen, bei dem eine Elektromagnet-Steuerschaltung zunächst einen starken Strom zur Ventilöffnung an den Elektromagneten liefert, der dann auf einen viel kleineren Wert reduziert wird, um das Ventil geöffnet zu halten, wonach dann der Strom zum Schließen des Ventils unterbrochen wird. Das US-Patent 4 351 037 beschreibt ein System mit rückgekoppelten Elektromagneten, die das Ventil öffnen und schließen, so daß nur Energie zur Ventilbetätigung verbraucht wird. Diese Systeme wurden im Hinblick auf eine Miniitiierung des Gesamtenergiebedarfs für die Ventilbetätigung entwickelt. Dabei wurde besonderes Gewicht auf die Minimierung der Energiemenge gelegt, die erforderlich ist, um das Ventil geöffnet zu halten, so daß ein Durchbrennen des Elektromagneten verhindert wird.

Obwohl ein höherer Druckunterschied am Ventil bei einem Telemetriesystem mit negativen Druckimpulsen vorteilhaft sein kann, um einen Flüssigkeitsaustritt am Ventil zu verhindern, ist die zur Ventilbetätigung erforderliche Kraft auch direkt von dem Druckunterschied am Ventil abhängig. Da sichergestellt sein muß, daß solche Druckimpuls-Telemetriesysteme auch bei den rauhen Bedingungen im Bohrloch einwandfrei arbeiten, muß ausreichende Kraft und Leistung zur Ventilbetätigung bei solchen Bedingungen verfügbar sein.

Deshalb wurden die Ventile in Druckimpuls-Telemetriesystemen überdimensioniert, so daß ihre Funktion auch bei schwersten zu erwartenden Betriebsbedingungen gewährleistet war. Durch Betätigung des Ventils stets mit einer

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Kraft, die auch für die schwersten zu erwartenden Betriebsbedingungen ausreicht, wurde die Lebensdauer der verschiedenen Ventile und elektrischen Schaltelemente infolge der Einwirkung zu großer mechanischer und elektrischer Energie verkürzt. Obwohl die vorstehend genannten Druckschriften Versuche zur Minimierung des Gesamtenergiebedarfs für Ventile dieser Art beschreiben, befassen sie sich nicht mit der Minimierung der bei der Ventilbetätigung einwirkenden Anfangskraft zwecks Verringerung der mechanischen Alterung.

Es besteht deshalb nach wie vor Bedarf für eine Einrichtung und ein Verfahren zur Betätigung eines Druckimpulsventils in einem Telemetriesystem mit der minimalen erforderlichen Kraft, um Aufwand bei der Stromversorgung einzusparen und die Abnutzung bzw. Alterung beim Ventil und den elektrischen Schaltelementen minimal zu halten.

Die Erfindung löst dieses Problem mit einer Einrichtung nach Patentanspruch 1, 2, 10 oder 14bzw. mit einem Verfahren nach Anspruch 18 oder 22. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Lösungen sind in den jeweils relevanten Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der Erfindung ist eine neue und verbesserte Einrichtung bzw. ein Verfahren zur Betätigung eines Ventils vorgesehen. Hierbei wird ein Ventil mit der minimalen erforderlichen Kraft betätigt, um die Betätigungs- und Halteleistung minimal zu halten und mechanische Abnutzung durch Alterung und Bruch infolge nicht erforderlicher Stoßwirkungen und Vibrationen an den beweglichen Ventilteilen zu minimieren. Gleiches gilt hinsichtlich einer Beeinträchti-

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gung der Steuerschaltung durch zu starke Wärmeerzeugung. Das zu beschreibende System eignet sich besonders für Druckimpuls-Telemetriesysteme und -verfahren, wobei die Erfindung mit einer Ventilanordnung in einem Bohrerteil verwirklicht ist, mit der Druckirnpulse auf die Bohrflüssigkeit ausgeübt werden.

Eine Einrichtung nach der Erfindung zur Betätigung eines Ventils umfaßt eine Vorrichtung zur Betätigung des Ventils von einer ersten zu einer zweiten Stellung, eine Vorrichtung zur Ableitung eines die minimale zur Betätigung des Ventils erforderliche Kraft angebenden Wertes und eine Vorrichtung zur Einstellung der Betätigungskraft abhängig von diesem Wert. Vorzugsweise wird dieser Wert durch Messung einer physikalischen charakteristischen Größe abgeleitet, von der die die minimale Betätigungskraft abhängt. Vorzugsweise wird der Wert durch Messung des Differenzdrucks am Ventil abgeleitet. Das Ventil wird vorteilhaft elektrisch betätigt, also durch einen Elektromagneten, der durch eine übliche Gleichstromversorgung gespeist wird, beispielsweise durch eine Batterie oder durch einen im Bohrloch anzuordnenden Generator. Obwohl ein einzelner Elektromagnet zur Betätigung ausreicht, werden vorzugsweise rückgekoppelte Elektromagnete verwendet, die eine bistabile Anordnung bzw. ein bistabiles Ventil bilden. Die der elektrischen Betätigungsanordnung zugeführte Leistung ist in üblicher Weise einstellbar, um die Betätigungskraft für das Ventil auf den Wert einzustellen, der charakteristisch für die minimale erforderliche Betätigungskraft ist. Eine leichte Einstellmöglichkeit ist durch eine geeignete elektrische Schaltung zur Einstellung der Spannung oder des Stroms für den Elektromagneten gegeben. Bei einem

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vorzugsweisen Ausführungsbeispiel sind beiderseits des Ventils Druckwandler angeordnet, die den Differenzdruck am Ventil messen. Dieser Druck steuert einen Regler zur Einstellung der Spannung oder des Stroms für den Elektromagneten. Bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel wird ein Schaltregler verwendet, der erhöhten Wirkungsgrad und Flexibilität bietet.

Eine Ventilbetätigung nach der Erfindung wird vorteilhaft zusammen mit einer Ventilvorrichtung in einem Bohrerteil verwendet, das in einen Bohrstrang eingesetzt werden kann, wobei die in dem Bohrstrang enthaltene Flüssigkeit mit Druckimpulsen beaufschlagt wird. Die Vorrichtung ist besonders für ein Druckimpuls-Telemetriesystem geeignet, bei dem auch eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer Druckströmung in der Zentralbohrung des Bohrstranges sowie eine Vorrichtung zur Messung der einwirkenden Druckimpulse in der Flüssigkeit an einer zweiten Stelle, vorzugsweise an der Oberfläche, vorgesehen ist.

Durch die Erfindung wird ein lange vorhandenes und nicht beseitigtes Bedürfnis auf dem Gebiet der Bohrlochmessung während des Bohrbetriebs erfüllt, indem eine Einrichtung und ein Verfahren zur Minimierung der Anfangsenergie und der gesamten Energie zur Betätigung eines Ventils angegeben wird, mit dem meßbare Druckimpulse in einem Druckimpuls-Telemetriesystem erzeugt werden, und wobei die mechanische Abnutzung der beweglichen Ventilteile und die Verschlechterung der Steuerschaltung minimal gehalten wird. Die Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung führen zu diesen Vorteilen, indem ein Wert abgeleitet wird, der für die minimale zur Ventilbetätigung erforderliche Kraft charakteristisch ist, und zwar vor-

zugsweise durch Messung einer physikalischen Eigenschaft, von der diese Kraft abhängt, wozu besonders der Differenzdruck an dem Ventil genutzt wird. Abhängig von diesem Wert wird dann die zur Betätigung des Ventils einwirkende Kraft eingestellt. Diese sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brunnenbohrung mit einem Bohrstrang und einem Druckimpuls-Telemetriesystem nach der Erfindung als Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Steuerventils und eines Betätigungssystems mit einer elektrischen Betätigungsschaltung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kegelventils mit Betätigungssystem und elektrischer Betätigungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Differenzdruck am Ventil des in Fig. 2 gezeigten Systems und der an den Elektromagneten des Ventils angelegten Spannung.

Die Erfindung besteht in einer Einrichtung und einem Verfahren zur Einstellung der einem Telemetrieventil zur Erzeugung von Druckimpulsen zugeführten Leistung. Bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispicl wird die Leistung abhängig von Messungen des Differenzdrucks am Ventil, eil so

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im Bohrloch und in dem den Bohrer umgebenden Ringraum, eingestellt.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur automatischen Veränderung der dem Ventil zugeführten Leistung zwecks Erzeugung einer Kraft, die gerade zur Ventilbetätigung ausreicht, wobei ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt ist. Die strategische Messung der absoluten Drücke oder des Differenzdrucks an dem Ventil liefert Daten, die für die minimale zur Betätigung des Ventils erforderliche Kraft maßgebend sind. Die dem Ventil zugeführte Leistung wird durch Steuerung der Spannung und/oder des Stroms und/oder der Zeit der elektrischen Energiezuführung geregelt. Bei dem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel erfolgt die gewünschte Leistungsregelung durch Regelung der dem Ventil über einen Schaltregler zugeführten Spannung. Der Schaltregler minimiert durch Regelung der zugeführten Spannung den Leistungsaufwand, die mechanische Abnutzung infolge Alterung und Materialschaden bei nicht erforderlichen Stoß- und Vibrationswirkungen, die Verschlechterung der Steuerschaltung und der Ventilteile durch Ableitung von überschüssiger Wärme sowie weitere schädliche Effekte am Ventil und der Steuerschaltung. Ein Schaltregler wäre auch vorteilhaft bei Regelung des dem Ventil zugeführten Stroms. Andere Mittel zur Minimierung der erforderlichen Leistung, beispielsweise eine einfache Steuerung der Zeit der Stromzuführung, würden die mechanische Abnutzung und andere nachteilige Effekte am Ventil und der Steuerschaltung nicht so wirksam verhindern. Eine Einrichtung und ein Verfahren nach der Erfindung dienen zur wirksamen Betätigung eines Druckimpuls-Telemetrieventils unter gleichzeitiger Einsparung der im Bohrloch aufzuwendenden Energie. Deshalb wird die Batterie-

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lebensdauer und damit die Betriebszeit zwischen den Batteriewechseln verlängert. Alternativ kann auch die Größe eines im Bohrloch verwendeten elektrischen Generators in Verbindung mit einem geeigneten elektrischen Speicher, beispielsweise einem Kondensator, minimal gehalten werden. Durch Minimierung der Betätigungskraft für das Ventil wird die Lebensdauer kostspieliger Ventilteile verlängert, indem überschüssige mechanische Energie und Wärmeerzeugung minimal gehalten werden.

In Fig. 1 ist schematisch ein Druckimpuls-Telemetriesystern zur Übermittlung von Daten von einer Stelle πahe dem Bohrmeißel 24 zu einem Sensor 42 an der Erdoberfläche unter Verwendung negativer Druckimpulse dargestellt, die innerhalb eines Bohrstranges auf den Bohrschlamm 10 einwirken. Die Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung werden bei einem solchen System vorteilhaft eingesetzt. Fig. 1 zeigt ein Bohrsystern 18 mit einem Bohrstrang 22, an dessen Ende ein Bohrmeißel 24 vorgesehen ist, der das Erdreich 100 durchdringt und ein Bohrloch erzeugt. Der Bohrstrang 22 umfaßt oft einen oder mehrere Meißelschäfte, die nahe dem Bohrmeißel 24 angeordnet sind und Sensoren oder andere Vorrichtungen zur Bestimmung einer oder mehrerer charakteristischer Eigenschaften nahe der Sohle des Bohrlochs, des BohrSchlamms, des Bohrstrangs in einer Formation oder der Formation selbst enthalten, die von dem Bohrstrang durchbohrt wird. Typisch bestimmen solche Sensoren Informationen, die daü Bedienungspersonal oder der Geologe benötigen, beispielsweise über den Widerstand oder die Porosität der Formation, die Dichte der Bohrflüssigkeit in dem Ringraum, den Bohrlochdruck, die Bohrlochtemperatur, die Gewichtsbelastung des Bohrmeißels, das Drehmoment am Bohrmeißel,

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die Beschleunigung, das Biegemoment u.a. Die mit solchen Instrumenten abgeleiteten Daten müssen an die Erdoberfläche übertragen werden. Hierzu dienen elektrische und akustische Telemetriesysteme innerhalb des Bohrstranges. Zunehmende Bedeutung bekorrimt jedoch die Druck iinpulstelemetrie unter Ausnutzung des bereits vorhandenen, unter Druck stehenden BohrSchlammsystems.

Um Ausbläser zu vermeiden, muß das Gewicht der durch das Bohren entfernten Erde kompensiert und der Sohlendruck ausgeglichen werden. Ferner müssen die Bohrlochabfälle entfernt und der Bohrmeißel gekühlt werden. Diese Probleme werden bei herkömmlichen Bohrschlammsystemen gelöst, indem eine Bohrflüssigkeit oder ein Bohrschlamm 10 in einer Leitung 38 mit einer Pumpe 36 unter Druck gesetzt und längs einer Zentralbohrung 48 durch den Bohrstrang zirkuliert sowie dann durch Öffnungen in dem Bohrmeißel ausgestoßen und zur Erdoberfläche über den Ringraum 30 zwischen dem Bohrstrang 22 und dem Bohrloch 20 zurückbefördert wird. Der Bohrschlamm 10 gelangt dann aus dem Bohrloch 20 über eine Leitung 32 zurück zu einem Schlammbehälter 34. Der Druck der Bohrflüssigkeit 10 innerhalb der Leitung 38 und des Bohrstranges 22 wird durch die Pumpe auf einem vorbestimmten Wert gehalten, wobei nur leichte Änderungen durch die Pumphübe verursacht werden. Dieser Druckpegel ist in Fig. 1 bei (a) grafisch dargestellt.

Ein Bohrloch-Druckimpuls-Telemetriesystem arbeitet derart, daß meßbare negative oder positive Druckimpulse dem relativ beständigen, von der Flüssigkeitspumpe erzeugten Druck überlagert werden. Dies zeigt beispielsweise die Darstellung (b). Fig. 1 zeigt schematisch die grundsätzlichen Komponenten eines mit negativen Druckimpulsen

arbeitenden Te leine tr ie sy st ems. Zusätzlich zu dem Bohrstrang und dem beschriebenen Bohrflüssigkeitssystem umfaßt das Telemetriesystem einen Bohrerteil 28 mit einem gesteuerten Kanal 40, der den Austritt eines Teils des Bohrschlamms 10 aus dem Inneren des Bohrstranges 22 zum Ringraum 30 gestattet, wodurch ein vorübergehender Druckabfall im.Inneren des Bohrstrangs 22 erzeugt wird. Dieser zeitlich begrenzte negative Druckimpuls ist an der Erdoberfläche mit dem Druckwandler 42 meßbar, der in Druckverbindung mit der unter Druck stehenden Bohrflüssigkeit im Bohrstrang 22 und der Leitung 30 steht. Diese gemessenen Druckdaten werden gespeichert und in einem Rechner 44 oder einer anderen üblichen Datenverarbeitungseinrichtung verarbeitet und/oder mit einem Streifenschreiber 46 oder einer anderen geeigneten Datensichtvorrichtung dargestellt.

Eine Einrichtung zur Betätigung eines Ventils, die besonders vorteilhaft in einem Bohrerteil eines Bohrstranges im Rahmen eines Druckimpuls-Telemetriesystems eingesetzt werden kann, ist schematisch in Fig. 2 und 3 deutlicher dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Einrichtung für negative Druckiiapulse, Fig. 3 zeigt eine Einrichtung für positive Druckimpulse.

Die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung dient zur Modulation der Strömung einer Bohrflüssigkeit aus einer zentralen Bohrung eines Bohrerteils 28 in den Ringraum 30 zwischen dem Bohrerteil und dem Bohrloch 20 innerhalb einer Formation 100. Bei diesem mit negativen Druckimpulsen arbeitenden Telemetriesystem kann ein Teil der durch die zentrale Bohrung 28 geführten Bohrflüssigkeit 10 durch eine Seitenbohrung 40 in der Wand 90 des Bohrerteils 28 in den Ringraum 30 austreten und einen zeitlich begrenzten

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negativen Druckimpuls erzeugen. Dem Fachmann sind zahlreiche geeignete Steuerventile bekannt, die zur Erzeugung des gewünschten negativen Druckimpulses im Bohrloch dienen können. Ein als Beispiel dargestelltes Steuerventil 50 mit einer Bohrung 52, die mit der Seitenbohrung 40 in der Öffnungsstellung in Verbindung steht, kann in einer Ebene senkrecht zu der Seitenbohrung 40 bewegt werden. Beispiele für Steuerventile sind eingehender in dem US-Patent 3 389 355 sowie in der älteren US-Patentanmeldung 460 461 erläutert. Das Steuerventil 50 ist mechanisch über eine Stange 54 mit einer Vorrichtung zur Betätigung zwischen der öffnungs- und der Schließstellung gekoppelt. Dem Fachmann sind zahlreiche geeignete Betätigungsmechanismen einschließlich verschiedener Elektromagnete bekannt. Ein Beispiel hierfür ist ein Elektromagnet oder vorzugsweise ein Paar rückgekoppelter Elektromagnete 56 zur Betätigung des Steuerventils 50 zwischen der Öffnung- und der Schließstellung. Mit Elektromagneten arbeitende Betätigungsvorrichtungen sind in dem US-Patent 2 8 69 4 75 und der älteren US-Patentanmeldung 461 649 beschrieben. Der Betätigungsmechanismus und die Steuerschaltung sind in einer oder mehreren Aussparungen 58 in der Wand 90 des Bohrerteils 28 angeordnet. Dem Fachmann sind Möglichkeiten zur Ausbildung solcher Aussparungen und des Einbaus der Instrumente sowie des dichten Verschlusses bekannt. Allgemein werden Aussparungen dieser Art durch geeignete Öffnungen oder Vertiefungen in der Außenwand des Bohrerteils 28 erzeugt, dann werden die gewünschten Instrumente eingebaut, worauf geeignete Abdeckungen zum Verschluß der Aussparungen angebracht werden.

Die Einrichtung umfaßt ferner eine Vorrichtung zur Ableitung eines Wertes, der für die minimale zur Betätigung

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des Ventils erforderliche Kraft kennzeichnend ist. Vorzugsweise erhält man diesen Wert durch Messung einer physikalischen Eigenschaft, die diese minimale Kraft bestimmt. Da der Differenzdruck an dem Ventil mit der minimalen .iur Ventilbetätigung erforderlichen Kraft in Zusammenhang steht, wird vorzugsweise dieser Differenzdruck am Ventil gemessen. Dies erfolgt einfach mit zwei üblichen Druckwandlern, die an einander entgegengesetzten Seiten des Ventils 50 vorgesehen sind. Beispielsweise ist ein Druckwandler 60 an der Innenfläche 92 der Wand 90 des Bohrerteils 28 zur Messung des Drucks der Bohrflüssigkeit innerhalb der Zentralbohrung 48 angeordnet. Ähnlich ist dann ein Druckwandler 70 an der Außenfläche 94 der Wand 90 des Bohrerteils 28 vorgesehen, um den Druck der Flüssigkeiten in dem Ringraum 30 zu messen.

Die Einrichtung umfaßt ferner eine Vorrichtung zur Einstellung der Ventilbetätigungskraft abhängig von dem Wert der für diese minimale Kraft kennzeichnend ist. Obwohl diese Vorrichtung die zur Öffnung des Steuerventils 50 erforderliche Leistung minimiert, ist dies auch für die Leistung zur Schließung des Steuerventils 50 möglich. In Fig. 2 und 3 sind schematisch Schaltungen für eine solche Einstellung gezeigt. Elektrische Signale, die den Innendruck und den AuSendruck angeben, der mit den Druckwandlern 6 0 und 70 gemessen wird, werden über elektrische Leitungen 62 und 72 einem Differenzverstärker 64 zugeführt. Die zur Betätigung des Ventils erforderliche Leistung wird von einer Batterie 68 oder einer anderen geeigneten Energiequelle geliefert, beispielsweise von einer Bohrlochturbine oder einem piezoelektrische Generator. Die der Batterie 68 entnommene Leistung wird mit einem Spannungs-Schaltregler 66 abhängig vom Ausgangssignal des

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Differenzverstärkers 64 eingestellt. Die tatsächliche Zuführung dieser eingestellten elektrischen Leistung zu den Elektromagneten 56 wird mit einem Logikschalter 76 in Übereinstimmung mit üblichen Bohrlocheinrichtungen und Schaltungen gesteuert, über die die gewünschten Signale an die Erdoberflache geleitet werden. Alternativ kann die Leistung abhängig von dem gemessenen Wert mit einem Strornschaltregler oder einer anderen bekannten Vorrichtung eingestellt werden, und zwar gleichfalls derart, daß die zugeführte Leistung eine Betätigungskraft liefert, die nur geringfügig größer als die minimale zur Ventilbetätigung erforderliche Kraft ist.

Die an dem Ventil entwickelte Betätigungskraft muß mindestens so groß wie die zur Ventilbetätigung erforderliche minimale Kraft sein, vorzugsweise liegt sie geringfügig darüber, um einen Sicherheitsfaktor zu berücksichtigen. Die Betätigungskraft ist direkt von der Spannung oder dem Strom am Elektromagneten abhängig, letztere Größe hängt wiederum direkt von dem Differenzdruck am Ventil ab. Der Differenzdruck und die Betätigungsspannung stehen in direktem Zusammenhang, der jedoch nicht unbedingt linear oder proportional sein bzw. bestimmbar oder meßbar sein muß. Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Differenzdruck und der Betätigungsspannung für die in Fig. gezeigte Einrichtung. Bei diesem Beispiel sind beide Größen direkt und linear einander proportional.

Fig. 3 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung, mit der positive Druckimpulse in einem Telemetriesystem erzeugt werden. Die vorstehend beschriebene elektrische Schaltung dient zur Einstellung der dem Ventil zugeführten elektrischen Leistung und damit der an dem Ventil

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erzeugten Betätigungskraft. Dieses System umfaßt ein Kegelventil 51 in der Zentralbohrung 48 eines Bohrerteils 28, das zeitweise an einem Ventilsitz 41 anliegt und somit vorübergehend die Strömung einer Flüssigkeit durch die Zentralbohrung 48 sperrt, so daß positive Drucfciiapulse erzeugt werden, die an der Erdoberfläche üicSbar sind. Die Einrichtung inafaßt ferner einen einzelnen Elektromagneten 56 oder zwei in geeigneter Weise miteinander verbundene Elektromagneten zur Betätigung des Ventils 51 über eine Stange 54. Wenn ein einzelner Elektromagnet zur Schließung des Ventils 51 vorgesehen ist/ so wird es durch einfaches Ausschalten aus Elektromagneten geöffnet, wozu die Schwerkraft und die Störmung der Flüssigkeitssäule innerhalb des Bohrstranges 22 oberhalb des Ventils 51 ausgenutzt wird. Alternativ können auch zwei rückgekoppelte Elektromagnete 56 zur Betätigung des Ventils 51 in die Schließ- und in die Öffnungsstellung nach bistabilem Prinzip vorgesehen sein. Die Elektromagnete und deren elektrische Steuerschaltung sind in geeigneten Aussparungen 58 innerhalb der wand 90 des Bohrerteils 28 oder in üblicherweise verwendeten Einsätzen angeordnet, die innerhalb des zentralen Bohrlochs in an sich bekannter Weise anzuordnen sind. Die Einrichtung umfaßt ferner zwei übliche Druckwandler 61 und 71, die in der Wand 90 des Bohrerteils 28 auf einander entgegengesetzten Seiten des Ventils 51 vorgesehen sind, nämlich an der Wand 92 oberhalb und an der Wand 96 unterhalb des Ventils 51 . Da die Zentralbohrung 48 des Bohrstranges 22 mit dem unter niedrigem Druck stehenden Ringraum über den Bohrmeißel im unteren Bereich des Systems in Verbindung steht, ist der mit dem Druckwandler 71 gemessene Druck geringer als der mit dem Druckwandler 61 gemessene Druck. Die dem Ventil 51 zugeführte Leistung und die daraus ent-

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wickelte Kraft wird abhängig von dem Differonzdruck eingestellt, der mit den Druckwandlern 61 und 71 gemessen wird. Hierzu dienen elektrische Leistungs- und Steuereinrichtungen und --schaltungen, die mit denjenigen der Einrichtung rieh Fig. 2 übereinstinnen. Bei einer anderen Einrichtung können anstelle der Druckwandler 61 und 71 übliche Strömungsmeßvorrichtungen oder andere Vorrichtungen vorgesehen sein, mit denen ein mit der minimalen Betätigungskraft für das Ventil 51 in Zusammenhang stehender Wert gemessen werden kann.

Ein Druckimpuls-Telemetriesystem zur Übermittlung von Signalen über die Bohrflüssigkeit in einem Bohrloch umfaßt eine Einrichtung nach der Erfindung innerhalb eines Bohrstranges 22 in einem Bohrloch 20 sowie ferner eine Plumpe 36 oder eine andere Vorrichtung zur Haltung der Bohrflüssigkeit 10 in der Zentralbohrung 48 des Bohrstranges 22 unter Druck. Ferner umfaßt dieses Telenietriesystern einen Druckwandler 4 2 oder eine andere Vorrichtung zur Messung des Drucks der Bohrflüssigkeit 10 innerhalb des Bohrstranges 22 an der Erdoberflache und einen Rechner 44 und/oder einen Streifenschreiber 4 6 bzw. eine andere geeignete Vorrichtung zur Speicherung, Verarbeitung und Darstellung dieser Ergebnisse.

Das Verfahren nach der Erfindung zur Betätigung eines Ventils umfaßt die Schritte des Ableitens oder Messens eines Wertes, der für die minimale Betätigungskraft des Ventils kennzeichnend ist, des Einstellens der Betätigungskraft für das Ventil abhängig von dem abgeleiteten oder gemessenen Wert und der Betätigung des Ventils mit der eingestellten Betätigungskraft. Bei dem Verfahren ergibt sich der genannte Wert durch Messen einer physikalischen

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Eigenschaft, vorzugsweise des Differenzdrucks am Ventil. Bei dem vorzugsweise angewendeten Verfahren wird das Ventil elektrisch betätigt, und die der Betätigungsvorrichtung zugoruhrte elektrische Leistung wird aL-hängig von dom abgeleiteten oder gorOSScnen Wert c-ingcstellt. Dom Fachmann ist zwar geläufig, daß die Botätigungskraft durch viele andere Mittel einstellbar ist. Bei dem vorzugsweise angewendeten Verfahren wird jedoch die dem Betätigungsmechanismus ;;ugeführte elektrische Spannung eingestellt.

Die vorstehende Beschreibung der Erfindung ist in erster Linie auf ein vorzugsweises Aosführungsbeispiel für eine Einrichtung bzw. ein Verfahren gerichtet. Dem Fachmann ist jedoch geläufig, daß zahlreiche Abänderungen und Weiterbildungen dieser Ausführungsbeispiele ohne Abweichung vom Grundgedanken der Erfindung möglich sind. Beispielsweise wurden Einrichtungen bzw. Verfahren für TeIemetriesysteme mit negativen und positiven Druckimpulsen sowie mit Messung des Differenzdrucks am Ventil erläutert. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, daß auch andere für die minimale Betätigungskraft des Ventils maßgebenden Werte abgeleitet oder gemessen werden können. Es ist sogar möglich, die Einstellungen der Betätigungskraft abhängig von zu erwartenden Bohrlochbedlngungen vorzuprogrammieren, obwohl Einstelklungen basierend auf tatsächlich gemessenen Bedingungen vorzuziehen sind. Die Erfindung ist deshalb nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch diejenigen Weiterbildungen, die im Rahmen der Patentansprüche möglich sind.

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Κ/Ν 18 - 125

NL Industries, Inc.
1230 Avenue of the Americas New York, New York 10 020, USA

Druckimpuls-Telemetriesystem zur Bohrlochmessung

Patentansprüche

Einrichtung zur Übermittlung von Daten durch ein Bohrloch unter Anwendung der Druckimpuls-Telemetrie und eines Bohrstranges mit einem Bohrerteil mit Zentralbohrung, gekennzeichnet durch einen in der Wand (90) des Bohrerteils (28) vorgesehenen Querkanal (40), der die Zentralbohrung (48) mit der Außenseite des Bohrerteils (28) verbindet, durch ein in dem Querkanal (40) angeordnetes Ventil (50), durch einen mit dem Ventil (50) mechanisch gekoppelten Elektromagneten (56), durch mehrere an dem Bohrerteil (28) vorgesehene Druckwandler (60, 70) zur Messung des Differenzdrucks an dem Ventil (50) und durch einen Spannungs-Schaltregler (66) zur Einstellung der Betätigungskraft für das Ventil (50) abhängig vom Ausgangssignal der Druckwandler (60, 70) mittels Einstellung der Spannung der dem Elektromagneten (56) von einer elektrischen 'Stromquelle (68) zugeführten elektrischen Leistung.

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2. Einrichtung zur Übermittlung von Daten durch ein Bohrloch unter Anwendung der Druckimpuls-Telemetrie und eines Bohrstranges mit einem Bohrerteil mit Zentralbohrung, gekennzeichnet durch eine in dem Bohrerteil (28) angeordnete Ventilvorrichtung (5O)₇ durch eine Betätigungsanordnung (56) für die Ventilvorrichtung (50) zwecks Übertragung eines Druckimpulses auf in der Zentralbohrung (48) vorhandene Bohrflüssigkeit (10), durch eine Anordnung (60, 70) zur Ableitung eines Wertes, der für die minimale Betätigungskraft der Ventilvorrichtung (50) kennzeichnend ist, und durch eine Vorrichtung zur Einstellung der Betätigungskraft für die Ventilvorrichtung (50) abhängig von dem genannten Wert.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (60, 70) zur Messung einer physikalischen Eigenschaft, die die minimale Betätigungskraft zumindest teilweise bestimmt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (60, 70) zur Messung des Differenzdrucks an der Ventilvorrichtung (50).
5. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein in der Zentralbohrung (48) angeordnetes Kegelventil (51) zur Erzeugung eines positiven Druckimpulses, und durch eine Vorrichtung (61, 71) zur Messung der Flüssigkeitsströmung durch die Zentralbohrung (48).
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch einen Elektromagneten (56)

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und eine elektrische Stromquelle (68) zur Betätigung der Ventilvorrichtung (50; 51).
7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (66) zur Einstellung der dem Elektromagneten (56) zugeführten elektrischen Leistung zwecks Einstellung der Betätigungskraft.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet' durch eine Stromeinstellvorrichtung für den Elektromagneten.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Spannungseinstellvorrichtung (66) für den Elektromagneten (56) .
10. Einrichtung zur Betätigung eines Ventils zwischen einer ersten und einer zweiten Betriebsstellung, gekennzeichnet durch eine Anordnung (60, 70) zur Ableitung eines Werts, der charakteristisch ist für die minimale Betätigungskraft des Ventils (50) und durch eine Vorrichtung (66) zur Einstellung der dem Ventil

(50) zugeführten Betätigungskraft abhängig von dem abgeleiteten Wert.-
11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Anordnung (60, 70) zur Messung einer physikalischen Eigenschaft, die die minimale Betätigungskraft zumindest teilweise bestimmt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Anordnung (60, 70) zur Messung des Differenzdrucks an dem Ventil (50).

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13. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine elektrische Betätigungsvorrichtung (56) für das Ventil (50) und durch eine Vorrichtung (66) zur Einstellung der der Betätigungsvorrichtung (56) zugeführten elektrischen Leistung.
14. Druckimpuls-Telemetriesystem zur Übertragung von Signalen durch eine Bohrflüssigkeit in der Zentralbohrung eines Bohrstrangs innerhalb eines Bohrloches, mit einer Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer unter Druck stehenden Flüssigkeitsströmung in der Zentralbohrung und mit mindestens einem zu dem Bohrstrang gehörenden Bohrerteil, gekenn zeichnet durch eine in dem Bohrerteil (28) vorgesehene Ventilvorrichtung (50), durch eine Betätigungsvorrichtung (56) für die Ventilvorrichtung (50) zwecks Erzeugung eines auf die in dem Bohrstrang vorhandene Bohrflüssigkeit einwirkenden Druckimpulses, durch eine Anordnung (60, 70) zur Ableitung eines Wertes, der für die minimale Betätigungskraft der Ventilvorrichtung (50) charakteristisch ist, durch eine Vorrichtung (66) zur Einstellung der Betätigungskraft für die Ventilvorrichtung (50) abhängig von dem abgeleiteten Wert und durch eine Vorrichtung (4 2) zur Messung des auf die Bohrflüssigkeit in dem Bohrstrang ausgeübten Druckimpulses an einer weiteren Stelle.
15. Telemetriesystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Anordnung (60, 70) zur Messung einer physikalischen Eigenschaft, die die minimale Betätigungskraft der Ventilvorrichtung (50) zumindest teilweise bestimmt.

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16. Telernetriesystem nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Anordnung (60, 70) zur Messung des Differenzdrucks an der Ventilvorrichtung (50) .
17. Teleraetriesystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine elektrische Betätigungsvorrichtung (56) und durch eine Vorrichtung (66) zur Einstellung der der Betätigungsvorrichtung (56) zugeführten elektrischen Leistung.
18. Verfahren zur übertragung von Signalen durch eine Flüssigkeit, insbesondere Bohrflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit unter Druck gehalten wird, daß ein für die minimale Betätigungskraft eines mit der Flüssigkeit an einer ersten Stelle in Verbindung stehenden Ventils charakteristischer Wert abgeleitet wird, daß die Betätigungskraft für das Ventil abhängig von dem abgeleiteten Wert eingestellt wird, daß mit dem Ventil durch dessen Betätigung ein Druckimpuls auf die Flüssigkeit an einer ersten Stelle ausgeübt wird und daß der Druckimpuls in der Flüssigkeit an einer zweiten Stelle ausgewertet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der die Betätigungskraft bestimmende Wert durch Messung einer physikalischen Eigenschaft abgeleitet wird, der die minimale Betätigungskraft zumindest teilweise bestimmt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdruck an dem Ventil gemessen wird.

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21. Verfiihren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Ventil elektrisch betätigt und die einer Betätigungsvorrichtung für das Ventil zugeführte elektrische Leistung eingestellt wird.
22. Verfahren zur Betätigung eines Ventils, dadurch gekennzeichnet , daß ein die minimale Betätigungskraft für das Ventil zumindest teilweise bestimmender Wert abgeleitet wird, daß die Betätigungskraft abhängig von diesem Wert eingestellt wird und daß das Ventil mit dieser eingestellten Betätigungskraft betätigt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß der die minimale Betätigungskraft zumindest teilweise bestimmende Wert durch Messung einer physikalischen Eigenschaft abgeleitet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß der Differenzdruck an dem Ventil gemessen wird.
25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß das Ventil elektrisch betätigt wird und daß die seiner Betätigungsvorrichtung zugeführte elektrische Leistung eingestellt wird.