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HINTERGRUND
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sDiese Erfindung betrifft allgemein
computergesteuerte Windensysteme zur Seilprotokollierung. Insbesondere
ist die Erfindung ein computergesteuertes Hubkompensations-Seilprotokollierungs-Windensystem,
das die Wirkungen der Wellenbewegung auf schwimmende Einrichtungen
zur Ausführung
der Seilprotokollierung kompensiert.
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Die Seilprotokollierung ist der Prozess,
durch den Öl-
oder Gasbohrungen vermessen werden, um unter Verwendung elektronischer
Messinstrumente, die mittels eines als Seil bekannten bewehrten Stahlseils
in das Bohrloch befördert
werden, ihre geologischen, petrophysikalischen oder geophysikalischen
Eigenschaften zu bestimmen. Das Seil ist auf einer Windentrommel
untergebracht, die den Mechanismus bereitstellt, durch den es über eine
Reihe von Antriebsscheiben zur Sicherstellung der richtigen Ausrichtung
in die Bohrung abgesenkt wird. Die Messungen, die von den am Seil
befestigten Instrumenten im Bohrloch vorgenommen werden, werden über elektrische
Leiter in dem Seil zurück
zu einem Datenerfassungscomputer gesendet, der sich an der Oberfläche befindet.
Es werden elektrische Werkzeuge, akustische Werkzeuge, Kern- und
Abbildungswerkzeuge verwendet, um die Formationen und Fluide im Bohrloch
zu stimulieren, woraufhin die elektronischen Messinstrumente die
Reaktion der Formationen und Fluide messen. Eine in der Nähe der Seiltrommel
an der Oberfläche
angebrachte Vorrichtung bestimmt die Tiefe, in der diese Messungen
aufgezeichnet werden. Diese Vorrichtung misst die Seilbewegung in
die und aus der Bohrung und ist als das Tiefensystem bekannt. Das
Seil-Bohrungsprotokoll enthält
in Bezug auf den Ort in dem Bohrloch, an dem die Messungen vorgenommen
werden, die Aufzeichnung der Messreihen der Formationen und Fluide, die
in dem Bohrloch festgestellt werden. Die Rohmesswerte werden häufig in
Form eines x-y-Graphen dargestellt, wobei der Ort, an dem die Messung
vorgenommen wird, auf der y-Achse aufgezeichnet wird, während der
Messwert selbst auf der x-Achse aufgezeichnet wird. Der Ort, an
dem die Messung vorgenommen wird, wird die Tiefe genannt. Er ist
ein Maß für die Entfernung
zwischen einer Referenzposition, die sich üblicherweise irgendwo an der
Oberfläche über der
Bohrung befindet, und dem Ort in der Bohrung, der dem Weg des Bohrlochs
folgt.
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Die Genauigkeit und die Qualität der aus
einer solchen Anordnung erhaltenen Seilprotokollierungsdaten hängen von
der problemlosen Bewegung des Seils und der Protokollierungswerkzeuge
im Bohrloch, die sich von dem Seil in einer bekannten und gesteuerten
Geschwindigkeit erstrecken, zusammen mit der genauen Bestimmung
der Tiefe, in der die Seilprotokollierungsmessungen vorgenommen
werden, ab. Die Tiefe kann durch Messung des Betrags des von der
Winde abgespulten oder auf die Winde aufgespulten Seils berechnet
werden und kann auf die Bedingungen in dem Bohrloch und die Eigenschaften
des Seils eingestellt werden. Eine Seileigenschaft, auf die eingestellt
werden kann, ist die Seildehnung, die eine Funktion der Temperatur, des
Drucks, der Spannung und der Länge
des Seils ist.
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Für
einen festen Seilaufbau wie etwa für einen Landbohrturm oder für eine feste
Shelfplattform ist die Messung der Tiefe und der Seilgeschwindigkeit
verhältnismäßig unkompliziert.
Dies liegt daran, dass die Variablen in dem System gemessen und
berücksichtigt
werden können.
In einem Landbohrturm oder in einem festen Bohrturm gibt es eine
feste Entfernung zwischen einem Referenzpunkt an der Oberfläche der
Bohrung selbst und der Winde. Da die Entfernung fest ist, kann sie
automatisch aus der Tiefenberechnung herauskompensiert werden. Dagegen wird
die infolge Gezeiten- oder Wellenbewegungseffekten auftretende Bewegung
des Bohrturms selbst von herkömmlichen
Seilprotokollierungssystemen nicht berücksichtigt, wenn die Winde
in einen schwimmenden Behälter
eingebaut ist, der typischerweise ein schwimmender Bohrturm, ein
Bohrschiff oder ein Bohrkahn sein kann. In einer Einrichtung mit einem
schwimmenden Behälter
ist die Entfernung zwischen dem Referenzpunkt an der Oberfläche der Bohrung
und der Winde nicht fest, sondern ändert sich in Bezug auf Gezeiten
und Wellen. Falls die vertikale Komponente dieser Bewegung in Bezug
auf das Bohrloch ignoriert wird, besitzt sie eine nachteilige Wirkung
auf die Indizierung und Analyse der Protokolldaten. Die durch die
Bewegung des Bohrturms, des Bohrschiffs oder des Bohrkahns erzeugte
Bewegung des Seils und der Protokollierungswerkzeuge im Bohrloch
wird nicht gemessen. Das gleiche Problem tritt auf, wenn der Bohrturm
fest ist, während sich
die Seilwinde auf einem schwimmenden Tender befindet.
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Es wurde mit weiteren Systemen versucht, die
Wirkungen der Wellenbewegung auf die Seilprotokollierungsdaten zu
minimieren. Das US-Patent
3.001.396 beschreibt
ein mechanisches Kompensationssystem, das eine Hilfsrolle verwendet,
die in Reaktion auf die Wellen- oder Gezeitenbewegung durch eine
am Meeresboden verankerte Leine betätigt wird. In anderen Fällen wird
das System häufig
in der Weise kompensiert, dass der Seilaufbau in Bezug auf einen
bekannten Bezugspunkt, üblicherweise
den Meeresboden, festgehalten wird. Dies wird normalerweise durch
Einwirken mit dem Kompensationssystem des Bohrturms erreicht, das
dazu verwendet wird, den Seil-Bohrturm an dem festen Bezugspunkt zu
verankern. Eine Kompensationsvorrichtung, üblicherweise in der Krone des
Bohrturms, versucht, die Seilentfernung unter Verwendung einer elektrohydraulischen
Vorrichtung konstant zu halten. Da dieses System auf einem passiven
Kompensationssystem beruht, das für sehr schwere Bohrgestängestränge konstruiert
wurde, und Drahtseile verwendet, um die obere Seilscheibe des Seils
am Meeresboden zu verankern, ist es hinsichtlich seiner Genauigkeit
und des Bewegungsbereichs, über
den es kompensieren kann, beschränkt.
Im Hinblick darauf nimmt das Seil-Erfassungssystem an, dass sich
der Aufbau nicht ändert
und fest ist. Dieser Systemtyp erfordert eine hohe Wartung und ist
teuer. Alternativ kann zwischen der Winde und der oberen Seilscheibe
eine elektromechanische Kompensationsvorrichtung eingefügt sein,
die lediglich für
die Bohrungsprotokollierung verwendet wird. Da die Bohrungsprotokollierung etwas
selten erfolgt, ist diese Vorrichtung häufig im Leerlauf. In diesen
beiden Systemtypen erfolgen keine Korrekturen irgendwelcher Fehler,
die durch unvollständige
Hubkompensation erzeugt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung löst das Problem der
Wellenbewegung in Seilprotokollierungsdaten erstens durch physikalische
Kompensation der vertikalen Bewegung (im Folgenden als Stampfen
bezeichnet) an der Seilwinde und zweitens durch Berechnen und Aufzeichnen
irgendwelcher Fehler bei dieser physikalischen Kompensation, so
dass zusammen mit der Seilbohrungs-Protokollmessung die wahre Tiefe
aufgezeichnet wird, in der eine Seilprotokoll-Datenmessung erfolgt.
Sowohl das physikalische Kompensationssystem als auch die Aufzeichnung
von Fehlern in diesem physikalischen Kompensationssystem nutzen
Informationen über
die physikalische Bewegung des Bohrturms selbst, die von einer Bewegungsreferenzeinheit
(MRU) erhalten werden. Eine elektrisch gesteuerte Seilwinde stellt
die physikalische Stampfkompensation bereit. Die Seilwinde ist ohne
verbundenes externes Kompensationssystem an der Bohrturmstruktur
selbst befestigt. Die Bewegung des Seils infolge des Stampfens wird von
der MRU gemessen und mit einer entsprechenden Änderung der Bewegung und/oder
Richtung des Seils von der Winde kompensiert. Dies stellt sicher, dass
die Seilprotokollierungsdaten mit einer konstanten, bekannten Geschwindigkeit
erfasst werden. Ein Fehler bei dieser Kompensation wird durch das
Tiefensystem in einem an der Oberfläche befindlichen Datenerfassungscomputer
erfasst, aufgezeichnet und kann zur Einstellung der wahren Tiefe
verwendet werden, in der die Seilprotokollmessungen aufgezeichnet
werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
ein System und ein Verfahren zum Kompensieren der vertikalen Bewegung
eines schwimmenden Behälters, das
umfasst: ein Windensteuermittel, das Daten bezüglich der vertikalen Bewegung
des Behälters
sowie Protokollierungswerkzeug-Geschwindigkeitseinstellpunkte empfängt, und
ein Seilwindenmittel zum Anheben und Absenken eines Seils in einem
Bohrloch, das mit dem Windensteuermittel verbunden ist und einen
Windenmotor umfasst, der an einer Seiltrommel befestigbar ist und
diese rotatorisch bewegen kann, wobei das Seil wenigstens ein Protokollierungsmesswerkzeug
besitzt, das an einem von der Seiltrommel sich erstreckenden Ende
des Seils befestigt ist. Das Windensteuermittel kombiniert die Daten
bezüglich
der vertikalen Bewegung und die Protokollierungswerkzeug-Geschwindigkeitseinstellpunkte,
um ein Windenmotor-Steuersignal zu erzeugen, um die Drehbewegung
der Seiltrommel zu steuern, um so das Seil unabhängig von der vertikalen Bewegung
des Behälters
zu veranlassen, in dem Bohrloch eine Bewegung mit einer gesteuerten
Geschwindigkeit zu erzielen, die im Wesentlichen konstant sein kann.
Außerdem
kann das System die vertikale Bewegung eines schwimmenden Behälters unter
Verwendung eines Windensteuermittels, das Daten bezüglich der
vertikalen Bewegung des Behälters und
Protokollierungswerkzeug-Zugspannungseinstellpunkte empfängt, und
eines Seilwindenmittels zum Anheben und Absenken eines Seils in
einem Bohrloch, das mit dem Windensteuermittel verbunden ist und
einen Windenmotor umfasst, der an einer Seiltrommel befestigbar
ist und diese rotatorisch bewegen kann, kompensieren, wobei das
Seil wenigstens ein Protokollierungsmesswerkzeug besitzt, das an
einem von der Seiltrommel sich erstreckenden Ende des Seils befestigt
ist. Das Windensteuermittel kombiniert die Daten bezüglich der
vertikalen Bewegung und die Protokollierungswerkzeug-Zugeinstellpunkte,
um ein Windenmotor-Steuersignal zu erzeugen, um die Drehbewegung
der Seiltrommel zu steuern, um so das Seil unabhängig von der vertikalen Bewegung
des Behälters
dazu zu veranlassen, in dem Bohrloch eine Bewegung mit einer gesteuerten Geschwindigkeit
zu erzielen, die im Wesentlichen konstant sein kann. Alternativ
können
die Protokollierungswerkzeug-Geschwindigkeitseinstellpunkte und -Zugspannungseinstellpunkte
zusammen mit der vertikalen Bewegung des Behälters gleichzeitig verwendet
werden, um ein Windenmotor-Steuersignal zu erzeugen. Das Windenmotor-Steuersignal
umfasst einen Drehzahlwert und einen Drehmomentwert. Die Erzeugung
eines Windenmotor-Steuersignals durch das Windensteuermittel kann
in Echtzeit stattfinden.
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Ferner umfasst das System Tiefenberechnungsmittel,
die die Daten bezüglich
der vertikalen Bewegung des Behälters
und Daten bezüglich
der gemessenen Bewegung des Seils empfangen und einen Stampfkompensations-Tiefenfehler berechnen,
indem sie die Daten bezüglich
der gemessenen Bewegung des Seils und die Daten bezüglich der
vertikalen Bewegung des Behälters
kombinieren. Die Daten bezüglich
der vertikalen Bewegung umfassen die vertikale Position, Geschwindigkeit
und Beschleunigung des Behälters.
Der Stampfkompensation-Tiefenfehler wird zusammen mit Protokollierungsmesswerkzeug-Daten
von den Protokollierungsmesswerkzeugen gesichert. Der Tiefenfehler
kann verwendet werden, um eine Tiefenmessung der Protokollierungsmesswerkzeug-Daten
zu kompensieren.
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Ferner umfasst das System ein Alarmerzeugungsmittel,
das ein Alarmsignal erzeugt, wenn das Protokollierungswerkzeug eine
Position über
dem Bohrloch einnimmt und eine Stampfkompensationsbetriebsart aktiviert
ist oder wenn eine Stampfkompensationsbetriebsart aktiviert werden
sollte. Die Alarmsignale werden auf einer Bediener-Anzeigekonsole
angezeigt, die mit den Tiefenberechnungsmitteln verbunden ist. Ferner
wird wenigstens ein Bedienungspersonsteuerungs- und Anzeigemittel
bereitgestellt, das dazu dient Befehle von der Bedienungsperson
einzugeben, den Windensystemstatus anzuzeigen und eine Rückmeldung
bezüglich
des Stampfkompensationsstatus an eine Bedienungsperson bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
ein Computerprogramm zum Berechnen eines Stampfkompensations-Tiefenfehlerwertes,
das das Empfangen der gemessenen Geschwindigkeit von einer ersten Seilbewegungsmessvorrichtung
und das Umsetzen der gemessenen Geschwindigkeit in eine physikalische
Entfernung umfasst. Es werden eine Radverschleißkorrektur, ein Stampfkompensationsbetrag und
ein anstehender Kurbelkompensationsbetrag angewendet, um ein erstes
Nettobewegungsinkrement zu erzeugen. Auf das erste Nettobewegungsinkrement
wird eine Schlupferfassungskorrektur angewendet und das Nettobewegungsinkrement
in einen ersten Tiefenwert umgesetzt. Der Prozess wird wiederholt,
um eine gemessene Geschwindigkeit von einer zweiten Seilbewegungs-Messvorrichtung
zu empfangen, und ein zweiter Tiefenwert bestimmt. Daraufhin wird
der erste Tiefenwert oder der zweite Tiefenwert, der in Seilbewegungsrichtung
am meisten fortgeschritten ist, ausgewählt. Der ausgewählte Tiefenwert
wird zusammen mit den Protokollierungsmesswerkzeug-Daten gesichert.
Er kann zur Kompensation eines Tiefenmesswerts der Protokollierungsmessung
verwendet werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich mit
Bezug auf die folgende Beschreibung, die angehängten Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen:
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1 ist
ein Diagramm, das das an einem schwimmenden Behälter befestigte stampfkompensierte
Seilprotokollierungs-Windensystem zeigt.
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2 ist
ein Diagramm der Winde aus 1.
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3 ist
ein Blockschaltplan des physikalischen Stampfkompensationssystems
und der von der Winde vorgenommenen physikalischen Korrektur.
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4 ist
ein Systemblockschaltplan des Stampfkompensations-Seilprotokollierungs-Windensystems.
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5 ist
ein Netzarchitekturdiagramm der Seilwindensteuereinheit mit System- und Bedienerschnittstellen.
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6 zeigt
die Anordnung einer typischen Seilwindenprotokollierungsstatus- Anzeige.
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7 ist
ein Hardware/Software-Blockschaltplan der Tiefenmesswertverarbeitung.
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8 ist
ein Ablaufplan der Alarmerzeugungsfunktion des Tiefenmesssystems.
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9 zeigt
einen Steuerablaufplan des Windenbetriebs in der Handbetriebsart.
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10 zeigt
einen Steuerablaufplan des Windenbetriebs in der Fahrbetriebsart.
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11 zeigt
einen Steuerablaufplan des Windenbetriebs in der stampfkompensierten
Betriebsart.
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1 ist
ein Diagramm, das das stampfkompensierte Seilprotokollierungs-Windensystem zeigt, das
in einen schwimmenden Bohrturm eingebaut ist. Das System kann ebenfalls
in verschiedene Typen schwimmender Behälter oder Tauchboote eingebaut sein,
die zum Ausführen
der Seilprotokollierung verwendet werden können. 2 ist ein Diagramm der Winde 10 aus 1. Wie nun in 1 und 2 gezeigt ist, ist die Winde 10 an
einem Windenschleppkasten 11 angebracht, der sich an dem
schwimmenden Bohrturm 13 befindet. Eine Windensteuereinheit 14, die
fern oder nah mit der Winde 10 verbunden ist, liefert die
Befehle zum Steuern der Wirkung der Winde 10 und dadurch
zum Steuern der vertikalen Bewegung des Seils 15 in der
Bohrung 21. Der Windenschleppkasten 11 kann eine
Seiltrommel 22 aufnehmen, die eine große oder eine kleine Trommel
sein kann, die entweder einen Heptacable- oder einen Monocable-Aufbau
verwendet. An einem Ende des Seils 15 sind Protokollierungswerkzeuge 20 angebracht.
Ein Seil-Computer 16 schafft eine Schnittstelle zu der
Windensteuereinheit 14. Eine Seilbewegungs-Messvorrichtung 12,
die die Seilgeschwindigkeit und -zugspannung misst, während das
Seil die Seiltrommel 22 verlässt, ist kardanisch aufgehängt und
befindet sich gleich außerhalb
der Winde 10, wobei sie zwei Räder umfasst, die sich seitlich
neben dem Seil 15 befinden, das zwischen den Rädern läuft. Die
Seilbewegungs-Messvorrichtung kann eine Vorrichtung oder zwei Vorrichtungen
umfassen. Falls es zwei Vorrichtungen gibt, misst eine üblicherweise die
Seilgeschwindigkeit, während
die andere die Seilzugspannung misst. Während sich das Seil 15 bewegt,
misst die Seilbewegungs-Messvorrichtung elektronisch den Betrag
und die Richtung der Raddrehung. Zum Ausrichten des Seils 15 auf
die Bohrung und auf die Winde werden eine obere Seilscheibe 17 und
eine untere Seilscheibe 18 verwendet. Eine Bewegungsreferenzeinheit
(MRU) 19, die sich in der Nähe des Seils 15 befindet,
liefert die gemessene vertikale Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung
des schwimmenden Bohrturms 13 am Stahlgittermastboden und
stellt diese Informationen für
die Windensteuereinheit 14 bereit, die die Informationen
zusammen mit den Messdaten von der Seilbewegungs-Messvorrichtung 12 dazu
verwendet, die Winde 10 zu steuern und durch Ändern der
Geschwindigkeit und/oder der Richtung der Bewegung des Seils 15 die
vertikale Bewegung an dem Seil 15 physikalisch zu kompensieren.
Außerdem
stellt die Windeneinheit 14 die Informationen über die
vertikale Bewegung für
den Seil-Computer 16 bereit. Der Seil-Computer 16 verwendet
die Informationen über die
vertikale Bewegung sowie die Messdaten von der Seilbewegungs-Messvorrichtung 12,
um Fehler bei der physikalischen Kompensation zu erfassen und die
wahre Tiefe aufzuzeichnen, bei der die Seilprotokollmessungen genommen
werden.
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3 ist
ein Blockschaltplan des physikalischen Stampfkompensationssystems
und der von der Winde vorgenommenen physikalischen Korrektur. Die
Bewegungsreferenzeinheit (MRU) 30 erfasst die vertikale
Bewegung der Bohrplattform, die von der Windensteuereinheit 31 und
von der Seil-Computer-Tiefenmessungsverarbeitung 32 verwendet
wird. Die Windensteuereinheit 31 berechnet anhand der vertikalen
Bewegung die Änderungen
der Geschwindigkeit und der Richtung des Windenmotors 34,
die erforderlich sind, um das Seil 37 und das Seilprotokollierungswerkzeug 36 bei
einer konstanten oder gesteuerten Geschwindigkeit zu halten, während es in
dem Bohrloch abgesenkt oder angehoben wird. Die Windensteuereinheit 31 sendet
einen Befehl zum Ändern
der Geschwindigkeit und der Richtung an die Windenmotoransteuerung 33,
die ihrerseits den Windenmotor 34 steuert. Die Seilbewegungs-Messvorrichtung
(CMMD) 35 misst die Seilbewegung und die Zugspannung des
Seils 37, während
es die Seiltrommel verlässt.
Diese Messung berücksichtigt
den Betrag der physikalisch auf das Seil 37 angewendeten Korrektur,
wobei der Messwert an den Seil-Computer 32 gesendet wird.
Das Tiefenmesssystem in dem Seil-Computer erfasst Fehler bei dieser
Kompensation, indem es die tatsächliche
vertikale Bewegung, wie sie von der MRU 30 gemessen wird,
mit der von der Winde vorgenommenen physikalischen Korrektur vergleicht.
Ein Fehler bei der physikalischen Kompensation kann dazu verwendet
werden, die wahre Tiefe einzustellen, bei der die Messungen aufgezeichnet
werden.
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Nunmehr übergehend zu 4 ist ein Systemblockschaltplan des Stampfkompensations-Seilprotokollierungs-Windensystems
gezeigt. Die Windensteuereinheit 40 umfasst eine speicherprogrammierbare
Steuerung (PLC) 41 und eine Windenmotoransteuerung 42,
die eine Regelansteuerung sein kann. Die Windensteuereinheit 40 berechnet
die Parameter zur genauen Steuerung der Bewegung der Seilwinde 46.
Die Bewegung der Winde wird durch die Windenmotoransteuerung 42 und
durch den Motor 43 erreicht, die mit einem Elektrokabel
verbunden sind. Die Windenmotoransteuerung 42 kann unter Verwendung
der Windenmotoreigenschaften und eines Windenmotormodells den Windenmotor 43 unter Verwendung
der Motorfrequenz und -spannung genau steuern. Mit der Windenmotoransteuerung
ist ein an der Motorwelle angebrachter Codierer verbunden, so dass
eine erhöhte
Genauigkeit erreicht werden kann. Die Winden-Fern-E/A 44 kommuniziert
mit der PLC 41. Die Winden-Fern-E/A 44 sammelt
Informationen und sendet Befehle an Hilfssysteme an der Winde wie
etwa an die Bremsen, an die Lenkung, an die Schwingungen, an das
Licht, an das Bediener-Sicherungsbedienfeld (BCT) 48 und
an allgemeine Alarme. Die Bewegungsreferenzeinheit 47 stellt
für die
Windensteuereinheit 40 die vertikalen Informationen über den
schwimmenden Bohrturm oder Behälter
bereit, die an die Verarbeitung des Tiefenmesssystems 54 in
dem Seil-Computer 53 weitergeleitet werden. Die Windensteuereinheit 40 verwendet
die vertikalen Informationen (die die Position, die Geschwindigkeit
und die Beschleunigung umfassen), um die physikalische Kompensation
in Bezug auf die Geschwindigkeit und Richtung des Motors 43 zu
berechnen, die erforderlich ist, um das Seil 55 und das Seilprotokollierungswerkzeug 50 bei
einer konstanten Geschwindigkeit zu halten. Das Tiefenmesssystem 54 in
dem Seil-Computer 53 nimmt die gemessene Seilgeschwindigkeit
und -zugspannung von der Seilbewegungs-Messvorrichtung 49 an.
Das Tiefenmesssystem 54 berechnet unter Verwendung der vertikalen
Position von der MRU 47 über den Verbindungssteuereinheitscomputer 52 und
unter Verwendung der gemessenen Seilgeschwindigkeit und -zugspannung
Fehler bei der physikalischen Kompensation, um die Protokollierungstiefe
zu berechnen, bei der die Seilprotokollierungsmessungen vorgenommen
werden, die daraufhin von der Seilprotokollierungs-Software aufgezeichnet
werden. Diese Informationen werden daraufhin über die Verbindungssteuereinheit 52,
die die Schnittstelle zwischen dem Tiefenmesssystem 54 und
der PLC 41 schafft, an die Windensteuereinheit 40 zurückgesendet.
Von einer Windensteuerungs-Bedienfeld-
und Anzeige-Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) 51, die
Bedienungspersonsteuerungen und Anzeigen enthält, werden Befehle von der
Bedienungsperson eingegeben. Außerdem
kann die HMI 51 dazu verwendet werden, weitere Funktionen
für andere
Bohrturmprozesse wie etwa das Bohren oder das Pumpen zu steuern.
Je nach den verschiedenen Betriebsarten verarbeitet die Windensteuereinheit 40 mit
ihrer PLC 41 Informationen des Seil-Computers 53 und der Bewegungsreferenzeinheit 47 und
Bedienerbefehle von der HMI 51, um die geforderte Geschwindigkeit
und das geforderte Drehmoment des Motors 43 zu bestimmen,
wobei sie diese Informationen zur Ausführung an die Windenmotoransteuerung 42 sendet.
Die Windenmotoransteuerung 42, die eine Wechselstrommotor-Regelansteuerung
sein kann, empfängt Drehzahl/Drehmoment-Befehle
und erzeugt die geforderten elektrischen Signale zum Steuern des
Windenmotors 43. Die Windenmotoransteuerung 42 besitzt
ihre eigenen eingebauten Sensoren für die Drehzahl (mit einem an
dem Motor angebrachten Drehzahlmesser) und für das Drehmoment. Sie tauscht mit
der PLC 41 den Start/Stopp- und den Bremse-Ein/Aus-Status
aus. Daraufhin setzt die Windensteuereinheit 40 die Bremse
dementsprechend über die
Winden-Fern-E/A 44 unter Strom. Die Windenvorrichtungen 46 sind
elektrische und elektropneumatische Komponenten, die das Bremsen,
das Schwingen, das Spulen und andere Windenfunktionen steuern. Diese
Komponenten werden über
die Winden-Fern-E/As 44 aktiviert. Für die Sicherungssteuerung wird
eine Bediener-Sicherungsbedienfeld-Mensch-Maschine-Schnittstelle
(Bediener-Sicherungsbedienfeld-HMI) 48 verwendet,
die ermöglicht,
dass die Bedienungsperson einen verringerten Betrag von Bedienerbefehlen
ausführt.
Die Bediener-Sicherungsbedienfeld-HMI 48 kann anstelle
des Windensteuerungs-Bedienfelds
verwendet werden, wenn beispielsweise die Bedienerschnittstellen-HMI 51 zur
Steuerung anderer Funktionen für
andere Bohrturmprozesse verwendet wird. Die Bedienerbedienfeld-HMI 48 ist über die
Winden-Fern-E/As 44 mit der Windensteuereinheit verbunden.
Das Tiefenmesssystem 54 besitzt eine Schnittstelle zu einer Alarm-
und Steueranzeige 56, die einer Bedienungsperson Alarm-
und Steuerstatusinformationen anzeigt.
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Die Seiltrommel 45 kann
eine große
oder kleine Trommel entweder mit einem Heptacable oder mit einem
Monocable sein. Die Seiltrommel 45 kann einen Flanschdurchmesser
zwischen etwa 76 cm (30 Zoll) und 152 cm (60 Zoll) und je nach Seilflanschdurchmesser
und Seildurchmesser eine Seillängen-Maximalkapazität von etwa
12.192 Metern (40.000 Fuß)
haben. Die Seiltrommel 45 kann auf beiden Seiten der Seiltrommel 45 mit
einem 38-mm-(1,5-Zoll-)Teilungszahnrad
(zwischen etwa 72 und 80 Zähne),
Stehblöcken
und einer Bremsbandoberfläche
ausgestattet sein. In der Normalbetriebsart (nicht wellenkompensiert)
ermöglicht
die Winde mit einer 140 kVA-(110
kW-)Regelansteuerung und je nach Typ und Größe der Seiltrommel die Lieferung
einer maximalen Seilgeschwindigkeit von etwa 16.459 Metern/Stunde
(54.000 Fuß/Stunde) und
einer minimalen Seilgeschwindigkeit von etwa 13 Metern/Stunde (42
Fuß/Stunde)
sowie eines maximalen Seilzugs von 11.839 kg (26.100 Pfund).
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Nunmehr übergehend zu 5 ist ein Netzarchitekturdiagramm der
Seilwinden-Steuereinheit mit System- und Bedienerschnittstellen
gezeigt. Die programmierbare logische Steuerung (PLC) 60 der Windensteuereinheit
kommuniziert über
einen Kommunikationsbus 66 mit der Windensteuereinheit/der Windenmotoransteuerung 61,
dem Verbindungssteuereinheitscomputer 62, der Winden-Fern-E/A (WRIO) 63 und
der Bewegungsreferenzeinheit eins (MRU 1) 75 und
der Bewegungsreferenzeinheit zwei (MRU 2) 76.
Es kann eine oder mehrere Bewegungsreferenzeinheitsvorrichtungen
geben, die eine geschätzte
lineare Beschleunigung, eine geschätzte relative Position und
eine geschätzte
Lineargeschwindigkeit in der vertikalen Achse bereitstellen. Die
Windenmotoransteuerung 61 ist mit dem Windenmotor verbunden,
der sich in der Winde 74 befindet. Die Winden-Fern-E/A 63 besitzt
eine Schnittstelle zu dem Bediener-Sicherungssteuerungsbedienfeld
(Bediener-BCT) 72 und sendet Bedienerbefehle von dem Bediener-Sicherungssteuerungsbedienfeld
(Bediener-BCT) 72 an
die Windensteuereinheit-PLC 60. Der Verbindungscomputer 62 stellt
eine Schnittstelle zu dem Seil-Computer 69 bereit, der
eine Eingangsteil-Steuereinheit
(FEC) 67, ein Tiefenmesssystem 68 und eine Messwertverarbeitung
(SEC) 70 enthält. Die
Seilbewegungs-Messvorrichtung 73 sendet die Seilgeschwindigkeit
und -zugspannung an das Tiefenmesssystem 68. Das Tiefenmesssystem
sendet Alarm- und Windensteuerdaten direkt an die Alarm- und Steueranzeige 78.
Die gleichen Informationen, die an die Alarm- und Steueranzeige 78 gesendet werden,
werden außerdem
an die Verbindungssteuereinheit 62 gesendet. Die Verbindungssteuereinheit 62 formatiert
diese Daten bei Bedarf um und sendet sie über die programmierbare logische
Steuerung (PLC) 60 der Windensteuereinheit zur Anzeige
an die Windensteuerungs-Bedienfeld- und Anzeige-HMI 77. Die
Messwerte des Protokollierungswerkzeugs 80 werden an die
SEC 70 in dem Seil-Computer 69 gesendet. Die SEC 70 kombiniert
die Ausgabe des Tiefenmesssystems und die Seilprotokollierungsmesswerte
und sendet diese Informationen zur Aufzeichnung. Die Windensteuereinheit-PLC 60 ist
elektrisch mit der Eingabe/Ausgabe 71 des Elektrosteuerraums verbunden.
Die Windensteuereinheit-PLC 60 kommuniziert über einen
Kommunikationsbus 79 mit der Windensteuerungs-Bedienfeld-
und Anzeige-HMI 77. Die Winde 74 kann von mehreren
Orten aus, einschließlich
der Windensteuerungs-Bedienfeld- und Anzeige-HMI 77 und
des Bediener-Sicherungssteuerungsbedienfelds
(Bediener-BCT) 72, gesteuert werden. Die PLC 60 kommuniziert
mit der Windensteuerungs-Bedienfeld- und Anzeige-HMI 77 und
sendet den Windensteuerungsstatus sowie Windensteuerungsparameter
zusammen mit Fehlermeldungen.
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6 zeigt
die Anordnung einer typischen Seilwindenprotokollierungs-Statusanzeige. Dort
gibt es einen Winden-Seilgeschwindigkeits-Anzeigebereich 100,
einen Protokollierungswerkzeug-Tiefenbereich 101, einen
Hilfsanzeigebereich 102, einen Seilzugsspannungs-Anzeigebereich 103,
einen Magnetmarkierungs-Anzeigebereich 104 und einen Menüanzeigebereich 105.
Außerdem
enthält
die Anzeige ein Dialogfenster 106 und Alarmsymbole 107.
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7 zeigt
einen Hardware/Software-Blockschaltplan der Tiefenmesswertverarbeitung.
Die Seilbewegungs-Messvorrichtung (CMMD) 12 aus 2 ist gleich außerhalb
der Winde kardanisch aufgehängt
und in der Rollachse befestigt. Ein Seil 15 ist mittels
Seilführungen
und federbelasteten Rollen zwischen zwei integrierten Tiefenmessrädern 120 und 121 befestigt.
An jedem Rad befindet sich ein Drehcodierer 122, 123,
der den Betrag und die Richtung der Drehung misst, wobei zwei mal π mal dem Radius
jedes der Messräder 120, 121 gleich
dem Betrag der Seilbewegung ist. Da jeder der Codierer 120, 121 den
Betrag und die Richtung der Drehung getrennt misst und da die Messungen
von jedem CMMD-Messrad 120, 121 parallel verarbeitet
werden, wird eine Redundanz der Messung geschaffen. Zunächst werden
die Messungen von den Messrädern 120, 121,
die Quadraturrohdaten umfassen, von den Quadraturimpulsdecodierern 124, 125 empfangen
und in inkrementelle oder dekrementelle Zählungen umgesetzt, die Bewegungsakkumulatoren 126, 127 zugeführt werden,
wobei eine erfassbare Bewegung der Messräder 120, 121 einer
Akkumulatorzählung
entspricht. Nachfolgend beginnt die Software mit der Bewegungsverarbeitung 128, 129.
Die Akkumulatorzählungen,
die Bewegungsinkrementen oder -dekrementen über eine Abtastzeitdauer entsprechen,
werden in eine physikalische Entfernung umgesetzt. Bei Bedarf werden
eine Radsteuerung für
jedes Rad 128, 129, für den Stampfbetrag 131 (wie
er von der MRU gemessen wird) und eine Kurbelkompensation 132 angewendet.
Da die Räder
verschleißen,
während
die Messräder
verwendet werden, so dass sich der Radius des Rads ändert und
eine entsprechende Radkorrektur angewendet werden muss, kompensiert
die Radkorrektur 129, 130 Änderungen bei der Messung des
Radverschleißes.
Falls ein Kurbelbetrag ansteht 132, wird er während der
Bewegungsverarbeitung angewendet. Die Kurbel ist eine Handeinstellung
an dem Seil, die der Windentechniker eingeben kann, um mechanisch
eine Kupplungsbaueinheit zu emulieren, die in frühen Windensystemen vorhanden
war. Der Techniker stellt den Kurbelbetrag (die Änderung des Betrags des Seils)
und die Elektronikzufuhr bei der Änderung für die Winde über eine
Periode der Seilbewegung gleichförmig
und langsam ein. Falls eine Stampfkompensations-Betriebsart ausgewählt ist,
wird außerdem
eine Stampfmessung 131 angewendet, die von einer Bewegungsreferenzeinheit
erhalten worden ist. Die Ausgabe der Bewegungsverarbeitungsfunktion 128, 129 ist das
Nettobewegungsinkrement und die Seilgeschwindigkeit. Das Nettobewegungsinkrement
wird dadurch berechnet, dass der Stampfbetrag von der gemessenen
Seilbewegung subtrahiert wird, wobei die gemessene Seilbewegung
die Protokollierungswerkzeugbewegung plus der tatsächlichen
von der Windensteuerung angelegten Stampfkompensation ist. Zu dem
Nettobewegungsinkrement wird eine Seilschlupferfassung und -korrektur 135 addiert
und das Ergebnis in den Codierertiefenakkumulatoren 133, 134 in
die Tiefe umgesetzt. In dem Multiplexer 136 wird ein Algorithmus
verwendet, um anhand derjenigen Messung, die in Richtung der Seilbewegung am
meisten fortgeschritten ist, die Beste der zwei Schätzungen
von den beiden Messrädern 120, 121 zu
wählen.
Daraufhin wird die gemessene Tiefe an das Protokollierungssystem
zur Aufzeichnung, an die Bedieneranzeigen und an eine Alarmerzeugungsfunktion
ausgegeben.
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8 ist
ein Ablaufplan der Alarmerzeugungsfunktion des Tiefenmesssystems 150.
Wenn das Bohrungsprotokollierwerkzeug außerhalb des Übergangsgebiets
und die Winde nicht in der richtigen Betriebsart ist, wird ein Alarm
eingestellt 156. Ein Übergangsgebiet
ist eine bestimmte Länge
der Bohrung, in der die Stampfbewegungskompensation sicher entweder
ein oder aus ist. Wenn die Stampfbewegungskompensation aus und das
Werkzeug angehalten ist, bewegt sich das Werkzeug nicht in Bezug auf
den Bohrturm, sondern in Bezug auf die Bohrung und den Meeresboden.
Wenn die Stampfbewegungskompensation ein ist, bewegt sich das Werkzeug
in Bezug auf den Bohrturm, während
es in Bezug auf die Formationen in der Bohrung feststehend ist.
Außerhalb
des Übergangsgebiets
zu der Oberfläche
hin sollte die Stampfbewegungskompensation ausgeschaltet sein, so
dass das Werkzeug im Bohrturmboden sicher gehandhabt werden kann.
Außerhalb
des Übergangsgebiets
zum Boden der Bohrung hin sollte die Stampfbewegungskompensation
eingeschaltet sein, so dass die Werkzeugbewegung in Bezug auf die
Formationen in der Bohrung von der Bohrturmbewegung nicht beeinflusst
wird. Falls das Werkzeug über
dem Übergangsgebiet
ist 151 und die Stampfkompensation ein ist 152,
wird ein Alarm eingestellt 156. Falls das Werkzeug über den Übergangsgebieten
ist 151 und die Stampfkompensationen aus sind 152,
wird der Alarm gelöscht 155.
Falls das Werkzeug unter dem Übergangsgebiet
ist 153 und die Stampfkompensation aus ist 154,
wird ein Alarm eingestellt 156. Falls das Werkzeug unter
dem Übergangsgebiet
ist 153 und die Stampfkompensation aktiv ist 154,
wird der Alarm gelöscht 155.
Der Alarm kann daraufhin auf der Alarm- und Steuerungsanzeige angezeigt
werden und außerdem
zur Anzeige auf der Windensteuerungs-Bedienfeld und Anzeige-HMI
verfügbar
sein.
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Die Winde kann in drei Betriebsarten
betrieben werden: Handbetriebsart (9),
Fahrbetriebsart (10)
und stampfkompensierte Betriebsart (11). 9 zeigt einen Steuerablaufplan
des Windenbetriebs in der Handbetriebsart. In dieser Betriebsart
stellt die Bedienungsperson die Drehzahl- und die Drehmoment-Einstellpunkte an
der Bedienerschnittstelle von Hand ein, um die geforderte Seilgeschwindigkeit
und -zugspannung zu erhalten 160. Die Drehzahl/das Drehmoment 161 werden
an die Windensteuereinheit 162 gesendet, die die Drehzahl/Drehmoment-Befehle 163 skaliert
und an die Windenmotoransteuerung 164 sendet, die die Drehzahl/Drehmoment-Befehle 165 ihrerseits
an den Windenmotor 166 sendet. Die Windensteuereinheit 162 enthält einen
Trommeldrehzahlmesser, der die Anzahl der Motorumdrehungen und somit
die Anzahl der Trommelumdrehungen gibt. Wenn von der FEC die Seilgeschwindigkeit
und -tiefe empfangen werden, wird für jede Trommelumdrehung ein
Vergleich vorgenommen, um die Beziehung zwischen der Tiefe und den
Trommelumdrehungen sowie zwischen der Seilgeschwindigkeit und der
Motordrehzahl zu berechnen. Wenn die Seilgeschwindigkeit und -tiefe nicht
mehr empfangen werden, wird die Beziehung verwendet, um eine geschätzte Seilgeschwindigkeit und
Werkzeugtiefe zu berechnen. Wenn von der FEC eine Seilzugspannung
empfangen wird, wird für
jede Trommelumdrehung ein Vergleich vorgenommen, um die Beziehung
zwischen der Seilzugspannung und dem Windenmotordrehmoment zu berechnen. Wenn
die Seilzugspannung nicht mehr empfangen wird, wird die Beziehung
verwendet, um eine geschätzte
Seilzugspannung zu berechnen.
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10 zeigt
einen Steuerablaufplan der Windenoperation in der Fahrbetriebsart.
In der Fahrbetriebsart gibt die Bedienungsperson an der Bedienerschnittstelle 170 die
Seilgeschwindigkeits- und Seilzugspannungsbefehle 171 ein.
Unter Verwendung der von der Seilbewegungsmessvorrichtung 179 gemessenen
Seilbewegung und -zugspannung 180 wird von der Eingangsteil-Steuereinheit (FEC)
in dem Tiefenmesssystem 173 die gemessene Seilgeschwindigkeit
und Seilzugspannung 172 berechnet und an die Windensteuereinheit
gesendet. Die Windensteuereinheit 174 berechnet und skaliert
unter Verwendung der von der Bedienungsperson eingegebenen Seilgeschwindigkeit
und -zugspannung 171 sowie der gemessenen Seilgeschwindigkeit
und -zugspannung 172 die Drehzahl/Drehmoment-Befehle 175 und
sendet sie an die Windenmotoransteuerung 176, die die Drehzahl/Drehmoment-Befehle
ihrerseits an den Windenmotor 178 sendet.
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11 zeigt
einen Steuerablaufplan der Windenoperation in der stampfkompensierten
Betriebsart. In der stampfkompensierten Betriebsart gibt die Bedienungsperson
an der Bedienerschnittstelle 200 die Seilgeschwindigkeits-
und Seilzugspannungsbefehle 201 ein, die an die Windensteuereinheit 204 gesendet
werden. Die Bewegungsreferenzeinheit (MRU) 202 liefert
die vertikale Bewegung 203 des Behälters, die ebenfalls von der
Windensteuereinheit 204 verwendet wird. Von der Eingangsteil-Steuereinheit
in dem Tiefenmesssystem 206 wird unter Verwendung der von
der Seilbewegungs-Messvorrichtung 211 gemessenen Seilbewegung
und -zugspannung 212 die gemessene Seilgeschwindigkeit
und Seilzugspannung 205 berechnet und an die Windensteuereinheit
gesendet. Die Windensteuereinheit 204 berechnet und skaliert
unter Verwendung der von der Bedienungsperson eingegebenen Seilgeschwindigkeit
und -zugspannung 201, der vertikalen Behältergeschwindigkeit 203 von
der MRU 202 und der gemessenen Seilgeschwindigkeit und
-zugspannung 205 die Drehzahl/Drehmoment-Befehle 207 und
sendet sie an die Windenmotor-Ansteuerung 208, die ihrerseits
die Drehzahl/Drehmoment-Befehle 209 an den Windenmotor 210 sendet. Die
Windensteuereinheit 204 enthält einen Trommeldrehzahlmesser,
der die Anzahl der Motorumdrehungen und somit die Anzahl der Trommelumdrehungen gibt.
Wenn die Seilgeschwindigkeit und -tiefe von der FEC 206 empfangen
werden, wird für
jede Trommelumdrehung ein Vergleich vorgenommen, um die Beziehung
zwischen der Tiefe und den Trommelumdrehungen sowie zwischen der
Seilgeschwindigkeit und der Motordrehzahl zu berechnen. Wenn die
Seilgeschwindigkeit und -tiefe nicht mehr empfangen werden, wird
die Beziehung verwendet, um eine geschätzte Seilgeschwindigkeit und
Werkzeugtiefe zu berechnen. Wenn von der FEC 206 die Seilzugspannung
empfangen wird, wird für
jede Trommelumdrehung ein Vergleich vorgenommen, um die Beziehung zwischen
der Seilzugspannung und dem Windenmotordrehmoment zu berechnen.
Wenn die Seilzugspannung nicht mehr empfangen wird, wird die Beziehung
verwendet, um eine geschätzte
Seilzugspannung zu berechnen.
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Obgleich die vorliegende Erfindung
mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen ausführlich beschrieben
worden ist, sind weitere Ausführungsformen
möglich.