DE60018402T2

DE60018402T2 - Verfahren und vorrichtung zur informationsübertragung und kommunikation mit einem bohrlochwerkzeug

Info

Publication number: DE60018402T2
Application number: DE60018402T
Authority: DE
Inventors: Stephen John Bognor Regis McLoughlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Rst (bvi) Inc Tortola Vg
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: AU780090B2; CA2407347C; USRE42426E1; WO2000065198A1; EP1177366B1; AU4586200A; CA2407347A1; EP1177366A1; ATE290156T1; US6847304B1; DE60018402D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Bohrlochwerkzeuge. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Übertragung von Informationen an ein Bohrlochwerkzeug.
Ein Bohrwerkzeug oder -element ist eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, ein Bohrloch oder ähnliches zu bohren. Während sich das Bohrwerkzeug weiter in den Boden hinein dreht wird es immer schwieriger, mit dem Werkzeug zu kommunizieren. Andere Bohrlochwerkzeuge, auf die verschiedenartig auch als „Förderwerkzeuge" Bezug genommen wird, erfüllen von Bohrwerkzeugen unterschiedliche Funktionen, haben aber die gleichen Datenanforderungen wie die Bohrwerkzeuge und werden vom Umfang der Vorrichtung und des Verfahrens als ebenso umfasst angesehen.
Der anerkannte Begriff im Stand der Technik für das Verfahren zur Übertragung von Informationen von dem Bohrwerkzeug an die Oberfläche ist ,Telemetrie'. Telemetrie kann auf viele verschiedene Weisen erreicht werden, beispielsweise durch ,Festverdrahtung', bei der das Signal entlang eines leitenden Mediums mittels elektrischer Mittel geführt wird und an dem das Bohrlochwerkzeug angebracht ist.
Das genannte Telemetrieverfahren erfordert die Bereitstellung einer gesonderten Leitung für das Signal von der Oberfläche. Dies bereitet Nachteile bezüglich sowohl der Kosten, als auch der möglichen Zuverlässigkeit, da das Signal das Werkzeug erreichen muss, auch wenn sich das Werkzeug viele Meilen unterhalb der Oberfläche befindet.
Ein Telemetriemedium zur Kommunikation mit dem Werkzeug sollte idealer Weise eine der Systemgrößen sein, die bereits sowohl in Bohr-, als auch in Förderszenarien vorhanden sind. Ein Bohrparameter ist ein Parameter, der dem Bohrwerkzeug in der überwiegenden Mehrheit der Bohrszenarien zugeführt werden muss.
Bohrparameter, wie zum Beispiel ,Gewicht-auf-Bohrmeißel', Pumpenzyklen und Bohrstrangrotation wurden bisher berücksichtigt. Im Allgemeinen wurden diese jedoch dazu verwendet, einen Schalter zwischen zwei Zuständen hin- und her zu schalten und dadurch im schlechtesten Fall eine binäre Schaltvorrichtung und im besten Fall eine Vorrichtung zum Durchschalten mehrerer Optionen darzustellen.
US 4 763 258 beschreibt ein Telemetriesystem, das Gravitationsfelder und magnetische Felder der Erde verwendet, um Informationen zu kommunizieren. Dieses System gemäß dem Stand der Technik umfasst weiterhin eine Vorrichtung zur Verwendung zum Bohren oder zum Fördern aus einem Bohrloch, wobei die Vorrichtung ein Bohrlochelement umfasst, das an einem Rohrabschnitt befestigt werden kann, Mittel zum Drehen des Rohrabschnitts, Steuerungsmittel zu Steuern der Drehung des Rohrabschnitts, um längs des Rohrabschnitts Informationen zu übertragen und Mittel zum Überwachen der Drehung des Rohrabschnitts und zum Dekodieren der längs des Rohrabschnitts übertragenen Informationen.
Die Bohrstrangrotation ist ein Bohrparameter, der beinahe allen Bohrvorgängen gemein ist. Diese wird typischer Weise in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen. Variationen in der Drehung des Bohrstrangs können dazu verwendet werden, sei es bezüglich der aktuellen Rotationsgeschwindigkeit, der Zeit, während der sich der Bohrstrang kontinuierlich mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit dreht oder einer abgemessenen Zeit, in der sich der Bohrstrang nicht dreht, können dazu verwendet werden, eine differenzierte Steuersequenz zu übertragen, wobei der Drehungssteuerungsparameter die Größe trägt. Dies steht dem konventionellen Kippschaltersignal gegenüber, das den Bohrstrang herunter zum Bohrwerkzeug transportiert wird. Daher behandelt diese neue Vorrichtung alle Probleme, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Obwohl der Begriff „Bohrstrang" verwendet wurde, kann natürlich der „Bohrstrang" jeder Rohrabschnitt sein, der mit einem Bohrlochwerkzeug verbunden ist. Beispielsweise kann auch die Drehung eines Förderstrangs verwendet werden, wenn das Bohrlochwerkzeug ein Förderwerkzeug ist. Ein Rohrabschnitt kann jedes Rohr oder jedes Medium sein, das gewöhnlich das Bohrlochwerkzeug (wenn es in seiner Position im Bohrloch ist) mit einer Oberflächensteuerposition verbindet, die dafür sorgt, dass eine Drehung an der Oberfläche eine Drehung zumindest eines Teils der Rohrabschnitts an dem Bohrlochwerkzeug bewirkt.
Daher stellt die Erfindung unter einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur Verwendung beim Bohren oder Fördern aus einer Brunnenbohrung bereit, wobei die Vorrichtung ein Bohrlochelement umfasst, das an einem Rohrabschnitt befestigt werden kann, Mittel zum Drehen des Rohrabschnitts, Steuerungsmittel zu Steuern der Drehung des Rohrabschnitts, um längs des Rohrabschnitts Informationen zu übertragen und Mittel zum Überwachen der Drehung des Rohrabschnitts und zum Dekodieren der längs des Rohrabschnitts übertragenen Informationen durch Erfassen einer Reihe von Impulsen, wobei jeder Impuls einer vollständigen Umdrehung des Rohrabschnitts entspricht, so dass aus der Drehung des Rohrabschnitts eine Größe eines Parameters bestimmt werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, kann die Röhre ein Bohrgestänge, ein Produktionsgestänge oder etwas ähnliches sein. Das Bohrlochelement kann ein Bohrwerkzeug, ein Förderwerkzeug oder etwas ähnliches sein.
Unter einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Übertragen von Informationen längs eines Rohrabschnitts zu einem innerhalb eines Bohrlochs angeordneten Bohrlochelements bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: rotierendes Antreiben des Rohrabschnitts, wobei die Drehung des Rohrabschnitts in Übereinstimmung mit der Informationen gesteuert wird, die längs des Rohrabschnitts übermittelt werden soll, Überwachen der Drehung des Rohrabschnitts und Analysieren der überwachten Drehung des Rohrabschnitts durch Erfassen einer Reihe von Impulsen, wobei jeder Impuls einer vollständigen Umdrehung des Rohrabschnitts entspricht, so dass aus der Drehung des Rohrabschnitts eine Größe des Parameters bestimmt werden kann.
Die Variation in der Drehung des Rohrabschnitts kann durch variierende Rotationsgeschwindigkeit oder Frequenz des Rohrabschnitts, Messung der Zeit der kontinuierlichen Drehung des Rohrabschnitts, Messung der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Drehungen des Rohrabschnitts (also der Zeit, in der sich der Rohrabschnitt nicht dreht) oder jede der oben genannten Parameter jeweils separat oder in Kombination etc. sein.
Diese Fähigkeit, die Drehgeschwindigkeit oder die Frequenz des Rohrabschnitts zu variieren, ermöglicht im Gegensatz zu nur einem binären Signal, eine Größe an das Bohrlochelement zu kommunizieren. Daher kann ein Signal, wie beispielsweise die Größe der Änderung des Bohrwinkels zu dem Werkzeug kommuniziert werden durch Verwendung lediglich der Rotation des Rohrabschnitts. Explizit kann die gemessene Frequenz des Rohrabschnitts am Bohrlochelement einen numerischen Wert an das Bohrgestänge übermitteln.
Die Drehung oder Frequenz des Rohrabschnitts kann durch die Verwendung einer Emittervorrichtung überwacht werden, die ein Signal emittiert oder ihre Umgebung so beeinflusst, dass die Drehung des Bohrgestänges dazu verwendet wird, ein Sensormittel zu aktivieren.
Die Emittervorrichtung, die ein Signal emittiert oder ihre Umgebung beeinflusst, kann einen Magneten umfassen. Alternativ dazu oder in Ergänzung zu dem Magneten kann die Vorrichtung eine Vorrichtung umfassen, die ein Schallsignal oder ein radioaktives Signal emittiert.
Die Emittervorrichtung kann an dem Rohrabschnitt oder dem sich drehenden Teil der Vorrichtung, der mit dem Rohrabschnitt verbunden ist oder an einem nicht rotierenden Teil der Vorrichtung angeordnet sein.
Die Emittervorrichtung kann einen mechanischen Schalter umfassen, der durch die Drehung des Rohrabschnitts aktiviert wird, so dass jede Umdrehung einem analogen oder digitalen Datenpunkt entspricht.
Die Drehung des Rohrabschnitts kann durch die Verwendung eines Sensors überwacht werden. Der Sensor kann ein Feld oder eine Veränderung in einem Feld oder ein Signal, das vom Emitter emittiert wird, abtasten. Beispielsweise, wenn der Emitter ein Magnet ist, kann der Sensor ein Halleffektbaustein oder ein Magnetometer sein. Anderenfalls kann der Sensor dazu verwendet werden, Veränderungen bei einem schon durch die Drehung des Rohrabschnitts vorhandenen Parameter abzutasten. Beispielsweise kann der Sensor einen Schwerebeschleunigungsmesser umfassen, der unmittelbar wechselnde Gravitationsdateneingaben aufgrund der Drehung des Rohrabschnitts. Solch ein Sensor würde vorzugsweise das Erdzentrum abtasten zur Verwendung bei der Steuerung einer Messung-während-des-Bohrens, Erfassung-während-des-Bohrens oder einer ähnlichen Vorrichtung. Der Sensor kann, unabhängig von seinem Typ, durch die Drehung des Rohrabschnitts aktiviert werden, so dass jede Umdrehung des Bohrgestänges gleich einem analogen oder digitalen Datenpunkt ist. Der Sensor kann an dem Rohrabschnitt, einem sich drehenden Teil der Vorrichtung, der mit dem Rohrabschnitt verbunden ist, oder an einem sich nicht drehenden Teil der Vorrichtung angebracht sein, abhängig von der Position des Emitters.
Vorzugsweise umfasst die Sensorvorrichtung eine Zeitsteuerungsvorrichtung, so dass Ausgaben des Sensors, die von der Drehung des Rohrabschnitts herrühren, über der Zeit gemessen werden können.
Eine Mehrzahl von Emittern und/oder Sensoren kann vorgesehen werden. Wenn eine Vielzahl von Emittervorrichtungen und/oder Sensorvorrichtungen vorgesehen sind, dann kann jede der Vorrichtungen und/oder Sensorvorrichtungen in einer voneinander unabhängigen Weise oder nacheinander betätigt werden. Die Mehrzahl der Emitter kann radial oder axial an dem rotierenden Bohrgestänge angebracht sein. Wenn die Emitter eine Mehrzahl von Magneten sind, dann können die Magneten mit wechselnder Polarität angeordnet sein.
Die Ausgabe der Sensoren kann analog oder digital sein. Die Ausgabe der Sensorvorrichtungen wird üblicherweise einem Antriebsmittel oder einem Logikmittel zur Verfügung gestellt, um das Bohrelement oder eine andere Vorrichtung in Übereinstimmung mit der längs dem Bohrgestänge transportierten Informationen steuern zu können.
Der Sensor ist vorzugsweise von den Bohrflüssigkeiten isoliert und kann in einem Druckgehäuse angeordnet sein. Vorteilhafter ist das Druckgehäuse magnetisch transparent.
Die Ausgabe des Sensors kann dazu verwendet werden, ein Aktivierungsmittel in der Instrumentierung des Bohrlochelements oder einer Anordnung, die in einem separaten körperlichen Gehäuse angeordnet ist, auszulösen. Das Aktivierungsmittel kann logisch, elektronisch, mechanisch oder physisch ausgebildet sein. Das Aktivierungsmittel kann dazu in der Lage sein, eine Mehrzahl von Vorrichtungen in entweder einer unabhängigen oder einer aufeinanderfolgenden sequentiellen Weise zu aktivieren. Das Aktivierungsmittel kann zweiphasig, inkrementell oder kontinuierlich sein.
Die oben genannte Vorrichtung verwendet vorteilhaft Phasenverschiebungsmodulation oder andere Mittel zur Überprüfung von Fehlern oder Abweichungen in der Drehung des Rohrabschnitts.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung kann (jeweils) zusammen mit jeder Bohrlochvorrichtung verwendet werden, bei der es notwendig ist, einen Kontrollparameter zu der Vorrichtung zu übertragen, um beispielsweise die Bohrrichtung zu steuern.
Sie sind jedoch besonders gut zur Verwendung mit einem Bohrlochwerkzeug mit Richtungssteuerung, wie es in WO-A-96/31679 beschrieben ist, geeignet. Die genannte Vorrichtung ist eine Vorrichtung, bei der die Bohrrichtung des Bohrlochs von der Oberfläche aus wahlweise gesteuert werden kann. Es umfasst einen hohlen, drehbaren Dorn, eine innere Hülse, ein äußeres Gehäuse, eine Mehrzahl von Stabilisierungsschuhen und ein Antriebsmittel. Der hohle, drehbare Dorn hat eine konzentrische Längsbohrung. Die innere Hülse ist drehbar mit dem Dorn gekoppelt und weist eine exzentrische Längsbohrung eines ausreichenden Durchmessers auf, die eine freie Relativbewegung zwischen dem Dorn und der inneren Hülse erlaubt. Das äußere Gehäuse ist drehbar an eine innere, exzentrische Hülse gekoppelt und hat eine exzentrische Längsbohrung, die eine beschwerte Seite ausbildet. Das äußere Gehäuse hat weiterhin einen ausreichenden Durchmesser, um eine freie Relativbewegung der inneren Hülse zu ermöglichen. Zwei Stabilisierschuhe sind längsseitig an oder einstückig mit der äußeren Oberfläche des äußeren Gehäuses vorgesehen.
Eine Ausführungsform des richtungssteuerbaren Werkzeugs ist in den 3A und 3B gezeigt. Es ist eine Konfiguration gezeigt, bei der es mit einem Unteradapter 104 verbunden ist, der mit dem Bohrgestänge (nicht gezeigt) verbunden werden kann. Der Unteradapter ist mit dem inneren, drehbaren Dorn 111 verbunden und kann wegfallen, wenn die Bohrgestängegewinde mit den Vorrichtungsgewinden zusammenpassen. Der Dorn kann sich frei innerhalb der inneren exzentrischen Hülse 112 drehen. Der Dorn 111 ist dazu ausgelegt, die Drehung innerhalb der inneren Hülse aufrechtzuerhalten. Die innere exzentrische Hülse 112 kann durch ein Antriebsmittel (nicht gezeigt) innerhalb eines Bogens innerhalb des äußeren exzentrischen Gehäuses oder des Dorns 113 frei gedreht werden. Die Lageroberflächen zwischen dem inneren und äußeren Dorn sind nicht kritisch, da sie nicht in ständiger gegenseitiger Bewegung sind, aber sie müssen so ausgelegt sein, dass sie in der Bohrumgebung sauber bleiben und relativ geringes gegenseitigen Drehmoment aufweisen.
Der innere, sich drehende Dorn 111 ist direkt mit einem Bohrmeißel 107 verbunden. Die Gewinde zwischen den beiden Elementen können jedoch unterschiedlich sein, so dass ein Unteradapter zum Angleichen notwendig sein kann.
Figur B zeigt die relative Exzentrizität des inneren 112 und äußeren 113 exzentrischen Dorns (äußeres Gehäuse). Das äußere Gehäuse besteht aus einer Bohrung, die sich längs entlang des äußeren Dorns erstreckt und die die innere Hülse aufnimmt. Das äußere Gehäuse ist auf seiner Außenseite exzentrisch ausgebildet, gezeigt als der „schwangere Abschnitt" 120.
Der schwangere Abschnitt oder die beschwerte Seite 120 des äußeren Gehäuses bildet die schwere Seite des Gehäuses aus und wird als Teil der äußeren Hülse ausgebildet. Das schwangere Gehäuse umfasst die Antriebsmittel zum gesteuerten Drehen der inneren exzentrischen Hülse innerhalb des äußeren Gehäuses. Zusätzlich kann das schwangere Gehäuse logische Schaltkreise aufweisen, Stromversorgungen, hydraulische Vorrichtung und ähnliches das mit dem Drehen der inneren Hülse ,auf Abruf' einhergeht (oder einhergehen kann).
Es gibt zwei Stabilisierungsschuhe 121, die auf jeder Seite des Gehäuses angeordnet sind, die im rechten Winkel bezüglich des schwangeren Gehäuses und einer durch das Rotationszentrum der inneren Hülse gezogenen Linie liegen. Diese beiden Schuhe stehen jeder Rückrotation auf der Außenseite des Gehäuses entgegen, die durch Lagerreibung zwischen dem rotierenden Dorn 111 und der inneren exzentrischen Hülse 112 entsteht. Die Stabilisierungsschuhe sind üblicherweise abnehmbar und sind so groß, dass sie dem Bohrlochdurchmesser entsprechen. Die gleichen Techniken, wie sie zur Auslegung der Größe eines Standardstabilisators verwendet werden können zur Auswahl der Stabilisierungsschuhe verwendet werden. Wahlweise können die Schuhe 121 in dem äußeren Gehäuse 113 integriert sein. Der schwangere oder beschwerte Abschnitt des äußeren Gehäuses 113 tendiert dazu, auf die untere Seite des Loches zuzustreben und der Betrieb der Vorrichtung hängt davon ab, dass sich die schwangere Seite des Gehäuses auf der unteren Seite des Loches befindet.
Die Funktionsweise der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Steuerung einer Bohrvorrichtung, wie die in den Figur A und B beschriebene steuerbare Bohrvorrichtung, wird nachfolgend beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden nicht einschränkenden, bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben:
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A zeigt einen einzelnen Zyklus einer typischen Schwerebeschleunigungsmesserausgabe;
2B zeigt eine Darstellung einer Schwerebeschleunigungsmesserausgabe, die dazu verwendet wird, ein sich drehendes Bohrgestänge mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu messen;
3A zeigt eine Darstellung der Drehgeschwindigkeit über der Zeit;
3B zeigt eine Darstellung der Drehgeschwindigkeit über der Zeit, wobei das Bohrgestänge zwischen Drehung mit einer festen Geschwindigkeit und keiner Drehung hin- und hergeschaltet wird;
4A zeigt einen Querschnitt durch ein Bohrwerkzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B zeigt einen Querschnitt eines Bohrwerkzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5A und 5B zeigen ein Bohrwerkzeug gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei das Bohrwerkzeug 21 mit der Oberflächenstation 23 mittels eines Bohrgestänges 25 verbunden ist. Um eine Bohrumdrehung zu bewirken, wird das Bohrgestänge 25 gedreht.
2A zeigt den Ausgang eines Schwerebeschleunigungsmessers, während sich das Bohrgestänge dreht. Während einer einzigen Umdrehung des Bohrgestänges verändert sich der Ausgang des Schwerebeschleunigungsmessers von einem Nullpunkt nach V_max um zum Nullpunkt zurück und dann durch Null hindurch nach V_min und dann zurück nach Null zu laufen. Der Ausgang des Schwerebeschleunigungsmessers ist gewöhnlich sinusförmig bezüglich der Größe der Maxima und Minima, die jeweils als V_max und V_min ausgeprägt sind. Die Amplitude und die Form der Welle hängt sowohl von der Ausprägung des jeweils verwendeten Sensors, als auch von der Zeit, die zur Ausführung einer einzigen 360° Drehung benötigt wird, ab.
In 2A ist der Schwerebeschleunigungsmesser an dem Bohrgestänge angebracht. Der Startpunkt für die einzelne Drehung wird dort gesetzt, wo eine Testmasse in dem Schwerebeschleunigungsmesser in einer neutralen Position ist.
2B zeigt einen Schwerebeschleunigungsmesserausgang, der ähnlich dem der 2A ist. Abgesehen davon, dass hier eine Anzahl von Drehungszyklen des Bohrgestänges gezeigt sind und weiterhin die Drehgeschwindigkeit des Bohrgestänges über die Zeit variiert ist. Die Drehgeschwindigkeit wird üblicher Weise in Umdrehungen pro Minute oder in U/min gemessen.
Der Ausgang des Schwerebeschleunigungsmessers in der 2B zeigt drei volle Umdrehungen des Bohrgestänges. Die gestrichelten, vertikalen Linie zeigen den Anfang und das Ende eines Zyklus. Hier beginnt jeder Zyklus, wenn der Schwerebeschleunigungsmesserausgang an seinem Maximum V_max ist. Es ist jedoch klar, dass jeglicher Punkt im dem Zyklus als Startpunkt gewählt werden kann.
Der erste Umdrehungszyklus hat die Periode t₁. Nachdem dieser Zyklus beendet ist, wird die Umdrehungsgeschwindigkeit des Bohrgestänges während des zweiten Zyklus reduziert, bis ein dritter Zyklus mit einer Rotationsperiode t₂ erreicht wird.
Die Periode t₂ ist länger, als die Periode t₁ und daher ist die Drehgeschwindigkeit des ersten Zyklus größer als die des dritten Zyklus. Daher kann eine Veränderung in der Drehgeschwindigkeit des Bohrgestänges an dem Bohrelement oder dem Bohrwerkzeug detektiert werden. Daher kann die Drehfrequenz des Bohrgestänges dazu verwendet werden, das Bohrelement, die Bohrlochvorrichtung oder das Werkzeug zu steuern.
3A zeigt eine Abbildung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Bohrgestänges über der Zeit, wenn die Drehgeschwindigkeit des Bohrgestänges verändert wird. Die Drehung des Bohrgestänges wird gestartet und die Drehgeschwindigkeit (oder äquivalent dazu die Drehfrequenz) wird nach R₁ hin vergrößert. Die Frequenz wird über einen Zeitabschnitt [1] gehalten. Wenn ein Werkzeug gesteuert werden soll, kann diese erste Drehfrequenz R₁ dazu verwendet werden, Daten oder Informationen längs des Bohrgestänges zu übertragen, es kann auch dazu verwendet werden, die Bohrvorrichtung auf die Datenübertragung vorzubereiten. Dieses Signal kann die Informationen übertragen, die die Bohrvorrichtung in Bereitschaft versetzen, dass wenn die nachfolgenden Drehgeschwindigkeiten einem vorbestimmten Muster folgen, die Absicht verfolgt wird, Daten längs des Bohrgestänges zu übertragen. Dieser Datensatz kann auch dazu verwendet werden, einen bestimmten Parameter zu bestimmen, der längs des Bohrgestänges übertragen wird. Es soll erwähnt werden, dass sowohl die Länge [1] des Zeitabschnitts, wie auch die Drehfrequenz selbst ein variabler Parameter sind, die zum Senden von Informationen dienen können. Die Verwendung von kombinierten Datenübertragungen, bei denen Zeit- und Frequenzvariablen voreingestellte Limits haben, verringert die Möglichkeit von Bedienerfehlern und unbeabsichtigte Betätigung kann vermieden werden.
Nach dem Zeitabschnitt [1] wird die Drehung des Bohrgestänges entweder auf Null reduziert oder wird unterhalb eines Schwellwerts für einen Zeitabschnitt [2] gebracht. Der Schwellwert ist R₀. Der Zeitabschnitt [2] wird im Wesentlichen dazu verwendet, eine klare Unterscheidung zwischen Anweisungen zu erreichen.
Darauf hin wird die Drehfrequenz des Bohrgestänges für einen Zeitabschnitt [3] auf R₂ vergrößert. Diese Variation in der Drehfrequenz stellt eine einfach identifizierbare Verschlüsselung dar, da sie sowohl in der Drehfrequenz, als auch in der Länge des Zeitabschnitts [1] unterschiedlich ist. Die Länge des Zeitabschnitts [3] ist durch Verminderung der Drehfrequenz unter einen Schwellwert R₀ für einen zweiten Zeitabschnitt [2] begrenzt.
Nach dem zweiten Zeitabschnitt [2] wird die Drehfrequenz für einen Zeitabschnitt [4] auf R₃ vergrößert. Die Drehfrequenz R₃ ist geringer, als die von R₁ und R₂. Der Zeitabschnitt [4] kann als separater Datensatz verwendet werden oder als zusätzlicher Datensatz zu dem in dem Zeitabschnitt [3] übertragenen. Er kann auch als Einleitung für einen nachfolgenden Datensatz dienen (auf eine ähnliche Weise, wie bei dem Datensatz des Zeitabschnitts [1]) oder er kann als abschließender Datensatz verwendet werden, der die Parameter des Werkzeugs in eine Gleichgewichtsposition bringt.
3A zeigt, dass die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden kann, eine Verschlüsselung zu übertragen, die linear, progressiv oder diskret ist: jeder Datensatz kann sequentiell sein und kann von dem letzten Datensatz durch einen Zeitabschnitt von Null oder niedrigen Frequenzdaten getrennt sein. Jeder numerische Wert eines Datensatzes ist abhängig von der Geschwindigkeit oder der Frequenz der Drehung des Bohrgestänges während eines vorbestimmten Zeitabschnitts.
Es gibt daher zwei Datenvariablen in jedem Datensatz, nämlich die Frequenz und die Dauer, die von der Oberfläche aus gesteuert werden können. Zusammenfassend können diese zwei Variablen in einer Reihe unterschiedlicher Weisen verwendet werden, um mit dem Werkzeug zu sprechen. Das Werkzeug kann eine Anzahl unterschiedlicher Parameter aufweisen, die Anweisungen von der Oberfläche benötigen. Der Parameter, der verändert werden soll kann durch eine abgemessene Geschwindigkeit oder Frequenz der Drehung gesetzt werden und der Betrag, um den der Parameter geändert werden soll, kann durch die Dauer des Signals verändert werden. Alternativ kann der Parameter durch eine vorbereitende Sequenz (beispielsweise Zeitabschnitt [1]) gewählt werden und die Größe des Parameters kann durch die Größe des nachfolgenden Geschwindigkeits- oder Frequenzsignals kommuniziert werden.
Mittelwertbildung, standardmäßige Verschlüsselungskorrektionstechniken oder andere statistische Mittel können dazu verwendet werden, die Qualität der Daten zu verbessern, die mit jeden Datensatz erhalten werden. Jede Anzahl von Datensätzen kann sequentiell hinzugefügt werden, um die Menge der zu den Bohrlochinstrumenten oder -mechanismen übertragenen Daten zu vergrößern.
3B zeigt eine Abbildung der Drehung über der Zeit ähnlich zu 3A. In der 2B wird der Bohrstrang zwischen einer konstanten Drehgeschwindigkeit V_rot und Nichtrotieren hin- und hergeschaltet. Mit anderen Worten gibt es nur eine einzige Variable, nämlich die Dauer, da die Drehgeschwindigkeit, die mit der Frequenz in Beziehung steht, konstant ist. 3B zeigt eine Vereinfachung des unter Bezugnahme auf 3A gezeigten Übertragungsverfahrens.
Wie in 3A sind auch in 3B vier Zeitabschnitte gezeigt, im Zeitabschnitt 1 dreht sich das Bohrgestänge mit V_rot, wobei die Logikmittel des Bohrelements so ausgelegt sind, dass sie eine Drehung von V_rot als in einen Gleichgewichtszustand auslesen, bei dem alle logischen Parameter in dem Bohrstrang auf ihren Gleichgewichtswerten gehalten werden.
Im Zeitabschnitt 2 wird die Drehung des Bohrgestänges gestoppt, die Logikmittel des Bohrelements variieren einen gesetzten Parameter. Beispielsweise wird, wenn die Bohrrichtung des Bohrelements durch die Winkelbewegung einer Komponente des Bohrelements vorgegeben wird (beispielsweise 112 in 5B), das Logikmittel die Winkelbewegung der Komponente für die gesamte Periode 2 anweisen.
Wenn die Bohrstrangrotation wieder aufgenommen wird im Zeitabschnitt 3 die Bewegung der Komponente gestoppt.
Die Bewegung der Komponente beginnt erneut beim Beginn des Zeitabschnitts 4 (also wenn die Bohrstrangdrehung endet). Der Zeitabschnitt 4 ist doppelt so lang, wie der Zeitabschnitt 2. Daher bewegt sich die Komponente im Zeitabschnitt 4 durch einen gegenüber dem im Zeitabschnitt 2 doppelten Winkel.
Daher wird die Dauer des Zeitabschnitts der Nichtdrehung in einen Drehwinkel für die Komponente 112 umgewandelt.
4A zeigt einen Querschnitt eines Bohrlochwerkzeugs, das mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das in 4A gezeigte Werkzeug ist eine Abwandlung des aus dem Stand der Technik des Anmelders bekannten, das bezüglich der 5A und 5B beschrieben ist.
Das Werkzeug umfasst ein äußeres Gehäuse 1 mit einer exzentrischen Bohrung. Eine innere Hülse 2 ist innerhalb der Bohrung so angeordnet, dass das äußere Gehäuse 1 um die inneren Hülse 2 drehbar verbunden ist. Die innere Hülse 2 hat ebenfalls eine exzentrische Bohrung, die so ausgebildet ist, dass sie ein Bohrgestängeteil 3 aufnehmen kann, so dass sich die innere Hülse 2 sowohl bezüglich des äußeren Gehäuses 1, als auch bezüglich des Bohrgestängeteils 3 drehen kann.
Ein Magnet 4 ist mit dem sich drehenden Teil 3 verbunden. Der Magnet ist in einer Tasche an dem sich drehenden Teil 3 angeordnet, wobei der Magnet auch durch andere Mittel befestigt sein kann, beispielsweise durch Klebstoff. Dieses spezielle Ausführungsbeispiel verwendet den Magneten als Emitter. Es ist jedoch zu beachten, dass der Fachmann den Magneten durch jegliche Typen eines emittierenden Sensors ersetzten kann.
Das äußere Gehäuse 1 umfasst Instrumentengehäuse 6. Die Instrumentengehäuse 6 sind mit Abtastmitteln ausgestattet. Während des Bohrens des Bohrlochs 7 sucht der beschwerte Abschnitt des äußeren Gehäuses die untere Seite des Bohrlochs und die Position des äußeren Gehäuses bleibt relativ fest bezüglich des Bohrlochs. Das Bohrgestänge 3 und Magnet 4 drehen sich relativ zu dem äußeren Gehäuse. Flusslinien 5 strahlen von dem Magneten 4 so aus, dass sie stärker, als das äußere Erdfeld sind. Das Feld sollte auch hoch genug eingestellt werden, um eine Verminderung der Feldstärke über den Abstand zu kompensieren. Die Flusslinien 5 erstrecken sich radial hinter dem Instrumentengehäuse 6 so, dass Sensoren innerhalb des Instrumentengehäuses 6 die Intensität des emittierten Feldes detektieren können. Es sollte auch beachtet werden, dass die magnetische Feldstärke so berechnet werden sollte, dass sie die Unterschiede in der Stärke des Magnetfeldes in extremen südlichen oder nördlichen Breitengraden mit berücksichtigt.
Wenn der Magnet 4 so gedreht wird, dass er den Sensoren in dem Instrumentengehäuse 6 am nächsten ist, wird ein Maximum des magnetischen Feldes detektiert. Wenn der Magnet 4 am weitesten von dem Instrumentengehäuse 6 entfernt ist, wird ein Minimum des magnetischen Feldes detektiert. Das von den Sensoren detektierte Feld kann sinusförmig sein, wenn es möglich ist, das ausgestrahlte magnetische Feld zu allen Zeiten abzutasten, wenn sich das Teil 3 dreht. Da es ist jedoch nur notwendig ist, die Drehfrequenz des Teils zu messen, ist es angemessen, wenn der Sensor so ausgelegt ist, dass er die Maxima im Feld detektiert, wenn der Magnet dem Sensor am nächsten ist. Mit anderen Worten muss der Sensor nur eine Folge von Pulsen detektieren, bei der jeder Puls einer Umdrehung des Teils 3 entspricht.
Schwellwerte können auch vorgegeben werden, die den Effekt des Erdmagnetfeldes zunichte machen und die als Begrenzungsschalter dienen. Diese Begrenzungsschalter können als Mittel zur logischen Steuerung innerhalb der Sensoranordnung oder in einer logischen Unteranordnung dienen.
Ein zweites Instrumentengehäuse 6a ist auch gezeigt. Dieses kann auch Magnetsensoren enthalten. Das Vorsehen von zwei Magnetsensoren erlaubt es, sowohl die Drehrichtung des Bohrgestänges, als auch deren Wert genau zu bestimmen.
Der Sensor, der in dem Instrumentengehäuse isoliert ist, ist vorzugsweise in einem Druckgefäß aus rostfreiem Stahl oder einem anderen magnetisch transparenten Material hergestellt, so dass die Instrumente von dem Druck des Bohrlochs isoliert sind. Das Instrumentengehäuse kann ein Magnetometer, eine Halleffektvorrichtung oder ähnliches zur Ermittlung eines magnetischen Feldes aufweisen.
Unweigerlich wird Material zwischen dem Magnetsensor in dem Instrumentengehäuse 6 und dem Magneten 4 vorhanden sein, das an dem sich drehenden Teil angeordnet ist. Dieses zwischengelagerte Material sollte, so weit wie möglich, magnetisch transparent sein. Mit anderen Worten sollte das magnetische Feld durch dieses Material hindurchtreten können, ohne abgelenkt oder gestört zu werden. Materialien, die diese Eigenschaften aufweisen umfassen austenitische rostfreie Stähle und andere nichtferritische Materialien.
Bei sowohl den verallgemeinerten als auch den bevorzugten Ausführungsbeispielen soll verstanden werden, dass die unterschiedlichen Signalisierungsmittel verwendet werden können, dass verschiedene Konfigurationen verwendet werden können und dass andere Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung beim Bohren oder Fördern aus einem Bohrloch, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein Bohrlochelement (21), das an einem Rohrabschnitt (25) befestigt werden kann, Mittel zum Drehen des Rohrabschnitts, Steuerungsmittel (27) zum Steuern der Drehung des Rohrabschnitts, um längs des Rohrabschnitts Informationen zu übertragen, und Mittel (29) zum Überwachen der Drehung des Rohrabschnitts und zum Decodieren der längs des Rohrabschnitts (25) übertragenen Informationen durch Erfassen einer Reihe von Impulsen, wobei jeder Impuls einer vollständigen Umdrehung des Rohrabschnitts (25) entspricht, so daß aus der Drehung des Rohrabschnitts (25) eine Größe eines Parameters bestimmt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Steuerungsmittel (27) dafür konfiguriert wird, die Drehgeschwindigkeit oder -frequenz des Rohrabschnitts (25) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Steuerungsmittel (27) dafür konfiguriert wird, die Drehung des Rohrabschnitts (25) für eine vorher festgelegte Zeit anzuhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Überwachungsmittel (29) dafür konfiguriert wird, die Zeit der Nichtdrehung des Rohrabschnitts (25) zu messen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei der das Überwachungsmittel (29) dafür konfiguriert wird, die Zeit zu messen, über die sich der Rohrabschnitt (25) ununterbrochen dreht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der das Überwachungsmittel (29) dafür konfiguriert wird, die Zeit zu messen, über die sich der Rohrabschnitt (25) ununterbrochen mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit dreht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Überwachungsmittel (29) dafür konfiguriert wird, durch Zählen einer Reihe von Maxima die Zahl der Umdrehungen des Rohrabschnitts (25) zu messen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Überwachungsmittel (29) einen Magneten (4) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Überwachungsmittel (29) wenigstens eine Radioaktivitäts- oder eine Schallquelle umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Überwachungsmittel (29) einen Schwerebeschleunigungsmesser, konfiguriert zum Erfassen wechselnder Veränderungen im Gravitationsfeld auf Grund der Drehung des Rohrabschnitts (25), umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Bohrelement folgendes umfaßt: einen hohlen drehbaren Dorn (3) mit einer konzentrischen Längsbohrung, eine drehbar um den Dom gekoppelte innere Hülse (2), wobei die innere Hülse eine exzentrische Längsbohrung mit einem ausreichenden Durchmesser hat, um eine freie relative Bewegung zwischen dem Dorn (3) und der inneren Hülse (2) zu ermöglichen, ein äußeres Gehäuse (1) mit einer Außenfläche, wobei das äußere Gehäuse drehbar um die innere exzentrische Hülse (2) gekoppelt wird, wobei das äußere Gehäuse (1) eine exzentrische Längsbohrung hat, die eine beschwerte Seite bildet, dafür geeignet, selbsttätig die niedere Seite des Bohrlochs zu suchen, und einen ausreichenden Durchmesser hat, um eine freie relative Bewegung zwischen der inneren Hülse (2) und dem äußeren Gehäuse (1), eine Vielzahl von Stabilisatorschuhen, die in Längsrichtung an der Außenfläche des äußeren Gehäuses befestigt oder einteilig mit derselben geformt werden, Antriebsmittel zum selektiven Drehen der inneren exzentrischen Hülse (2) im Verhältnis zum äußeren Gehäuse (1) und Logikmittel zum Steuern der Antriebsmittel auf der Grundlage der längs des Bohrstrangs (3) übertragenen Informationen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die außerdem einen Bohrstrang (3) und eine nicht drehende Unterbaugruppe (1) umfaßt, wodurch die Drehung des Bohrstrangs als Ausgabegerät verwendet wird, das Informationen zu Bauteilen überträgt, die im Bohrloch angeordnet sind, bei der das Überwachungsmittel folgendes umfaßt: eine Vorrichtung (4), die eng entweder an den Bohrstrang (3) oder an die nicht drehende Unterbaugruppe (1) gekoppelt wird, die ein Signal aussendet oder ihre Umgebung beeinflusst derart, daß die Drehung des Bohrstrangs (3) verwendet wird, um ein Sensormittel zu aktivieren, das mit einer Zeitsteuerungsvorrichtung entweder in den Bohrstrang (3) oder in die nicht drehende Unterbaugruppe (1) integriert wird derart, daß die aus der Drehung des Bohrstrangssystems abgeleiteten Sensorausgaben gegen ein Zeitbasissystem gemessen werden können derart, daß eine sinnvolle Verschlüsselung erzielt werden kann, die an einen Betätigungs- oder Schaltmechanismus oder -mechanismen gekoppelt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher der Emitter oder die Vorrichtung, welche die Umgebung beeinflusst, einen Magneten (4) oder eine Magnetvorrichtung umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher der Emitter oder die Vorrichtung, welche die Umgebung beeinflusst, einen mechanischen Schalter umfaßt, der durch die Drehung des Bohrstrangs (3) aktiviert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher der Emitter oder die Vorrichtung, welche die Umgebung beeinflusst, wenigstens eine Schall- oder eine Radioaktivitätsquelle umfaßt.
Verfahren zum Übertragen von Informationen längs eines Rohrabschnitts (25) zu einem innerhalb eines Bohrlochs angeordneten Bohrlochelement (21), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: rotierendes Antreiben des Rohrabschnitts (25), wobei die Drehung des Rohrabschnitts (25) in Übereinstimmung mit Informationen gesteuert wird, die längs des Rohrabschnitts (25) übermittelt werden sollen, Überwachen der Drehung des Rohrabschnitts (25) und Analysieren der überwachten Drehung des Rohrabschnitts (25) durch Erfassen einer Reihe von Impulsen, wobei jeder Impuls einer vollständigen Umdrehung des Rohrabschnitts (25) entspricht, so daß aus der Drehung des Rohrabschnitts (25) eine Größe eines Parameters bestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Überwachens der Drehung des Rohrabschnitts den Schritt umfaßt, die Drehgeschwindigkeit des Rohrabschnitts (25) zu überwachen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem der Schritt des Überwachens der Drehung des Rohrabschnitts (25) den Schritt umfaßt, einen Zeitraum des Nichtdrehens des Rohrabschnitts (25) zeitlich zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Antreibens des Rohrabschnitts (25) den Schritt umfaßt, die Drehung des Rohrabschnitts (25) für eine vorher festgelegte Zeit anzuhalten, festgelegt durch die Informationen, die längs des Rohrabschnitts (25) übermittelt werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Überwachens der Drehung des Rohrabschnitts (25) den Schritt umfaßt, die Zeit zu messen, über die sich der Rohrabschnitt (25) ununterbrochen mit einer bestimmten Frequenz dreht.