-
Diese
Erfindung betrifft im allgemeinen das Bohren von Ölquellen.
Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf Richtungsbohren und
die Verwendung von untertägiger
Steuerung. Noch genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf eine
Apparatur zum Übertragen
von Leistung zwischen einem rotierenden und einem nicht-rotierenden
Teil einer Bodenlochanordnung.
-
Um
Hydrocarbonate, wie Öl
und Gas, zu gewinnen, werden Bohrlöcher durch Rotieren einer am Boden
einer Bohranordnung angebrachten Bohrkrone gebohrt (hierin auch
als "Bodenlochanordnung" oder "BHA" – "Bottom Hole Assembly" bezeichnet). Die Bohranordnung ist
am Boden eines Bohrrohres angebracht, das in der Regel entweder
eine mit Gelenken versehene starre Röhre (gemeinhin als Gestängerohr
bezeichnet) oder ein relativ flexibles verdrehbares Rohr (gemeinhin
in der Fachwelt als "Rohrwendel" bezeichnet) ist.
Der Strang, der das Rohr und die Bohranordnung umfasst, wird in
der Regel als "Bohrstrang" bezeichnet. Wenn
eine mit Gelenken versehene Röhre
als Rohr verwendet wird, wird die Bohrkrone durch Rotieren der mit
Gelenken versehenen Röhre
von der Oberfläche
und/oder durch einen in der Bohranordnung enthaltenen Schlammmotor
rotiert. Im Fall eines verdrehbaren Rohres wird die Bohrkrone durch
den Schlammmotor gedreht. Während
des Bohrens wird ein Bohrschlamm (auch bezeichnet als "Schlamm") unter Druck dem
Rohr zugeführt.
Der Bohrschlamm durchläuft
die Bohranordnung und wird dann am Boden der Bohrkrone ausgeschieden.
Der Bohrschlamm sorgt für
das Schmieren der Bohrkrone und trägt Steinbrocken zur Oberfläche, die
durch die Bohrkrone beim Bohren des Bohrloches auseinander bröckeln. Der Bohrschlamm,
der durch die Bohranordnung läuft, treibt
den Schlammmotor an. Eine mit dem Motor und der Bohrkrone verbundene
Antriebswelle dreht die Bohrkrone.
-
Es
ist bekannt, dass Formationen, die in der Lage sind, signifikante
Mengen von Öl
und Gas (Hydrocarbonate) hervorzubringen, in zunehmendem Maße schwer
zu finden sind. Zudem können
es ökonomische,
politische oder Umweltbelange unmöglich machen, ein Bohrsystem
direkt über
eine vielversprechende Formation zu plazieren. Als Resultat beinhaltet
ein substantieller Anteil der derzeitigen Bohraktivität das Bohren
von abweichenden und horizontalen Bohrlöchern, um die Hydrocarbonatreservate
vollständiger
auszubeuten. Bei abweichendem und horizontalem Bohren wird das Bohrloch
mit speziellen untertägigen
Bohrwerkzeugen mit Absicht in einem Winkel zur Vertikalen gebohrt,
um die Bohranordnung in die gewünschte
Richtung zu lenken. Diese Bohrlöcher
werden gebohrt, um einen Teil einer Formation oder eines Reservoirs
zu erreichen, die bzw. das wegen der erwähnten Umwelt-, politischen
oder ökonomischen
Gründe
nicht durch ein gerades oder vertikales Loch angebohrt werden kann.
Derartige Bohrlöcher
können
relativ komplexe Lochprofile haben. Um derart komplexe Bohrlöcher zu
bohren, werden manchmal steuerbare Bohranordnungen verwendet. Eine
besondere Bohranordnung umfasst eine Mehrzahl unabhängig bedienbarer
kraftausübender
Elemente zum Anwenden von Kraft auf die Bohrlochwand während des
Bohrens des Bohrloches, um die Bohrkrone entlang eines vorgeschriebenen
Weges zu halten und die Bohrrichtung zu ändern. Derartige kraftausübende Elemente
können
an dem äußeren Umfang
des Bohranordnungskörpers oder
an einer nicht-rotierenden um einen rotierenden Antriebsschaft ange ordnete
Hülse angeordnet
werden. Diese kraftausübenden
Elemente werden durch elektrische Vorrichtungen oder elektrohydraulische Vorrichtungen
radial auswärts
von der Bohranordnung bewegt, um Kraft auf das Bohrloch auszuüben, um
die Bohrkrone zu führen
und/oder die Bohrrichtung nach außen zu ändern. In solchen Bohranordnungen
existiert ein Zwischenraum zwischen den rotierenden und den nicht-rotierenden
Abschnitten. Um die Gesamtgröße der Bohranordnung
zu reduzieren und um den Rippen mehr Leistung zu liefern, ist es wünschenswert
die Vorrichtungen (wie den Motor und die Pumpe), die erforderlich
sind, um die kraftausübenden
Elemente zu betreiben, in dem nicht-rotierenden Abschnitt zu lokalisieren.
Es ist auch wünschenswert,
die elektronischen Schaltungen und bestimmte Sensoren in dem nicht-rotierenden
Abschnitt zu lokalisieren. Demnach muss Leistung zwischen dem rotierenden
Abschnitt und dem nicht-rotierenden Abschnitt transferiert werden,
um mechanische Vorrichtungen und die Sensoren in dem nicht-rotierenden
Abschnitt zu betreiben.
-
In
Bohranordnungen, die keine, wie oben beschrieben, nicht-rotierende Hülse umfassen,
ist es wünschenswert,
elektrische und mechanische Leistung zwischen dem rotierenden Bohrschaft
und dem stationären
den Bohrschaft umgebenden Gehäuse zu
transferieren. Leistung, die auf den rotierenden Schaft übertragen
wird, kann zum Betreiben von Sensoren oder mechanischen Vorrichtungen
in dem rotierenden Schaft und/oder der Bohrkrone genutzt werden.
Leistungsübertragung
zwischen rotierenden und nicht-rotierenden Abschnitten, zwischen
denen ein Zwischenraum ist, kann in anderen untertägigen Werkzeugkonfigurationen
nützlich
sein. Eine Bohranordnung, bei der ein Gehäuse um einen stationären Schaft
durch Verwendung eines elektrischen Motors gedreht wird, wird in
US 5 841 734 offenbart.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Bohranordnung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Die
bevorzugte Ausführungsform,
welche besonders in einer raumbegrenzten Anwendung wünschenswert
ist, wie beim Bohren von sehr kleinen abweichenden Bohrlöchern, stellt
eine kontaktlose induktive Kopplung bereit, um elektrische Leistung
in einem der Abschnitte in dem anderen Abschnitt in mechanische
Leistung zu konvertieren, wobei die Abschnitte rotierende und nicht-rotierende
Abschnitte von untertägigen Ölfeldwerkzeugen,
einschließlich der
Bohranordnungen, die rotierende und nicht-rotierende Elemente beinhalten,
sind. Diese direkte Übertragung
und Umwandlung hat die gewünschte
Eigenschaft des Bedarfs von weniger Komponenten, um elektrisch kontrollierte
Anordnungen anzutreiben, um mechanische Funktionen, wie das Betreiben
von Pumpen, auszuführen,
als andere Werkzeuge, die elektrische Leistung übertragen. Direkte Umwandlung
entspricht weniger Teilen, was so zu ökonomischeren, zuverlässigeren
und kompakteren Werkzeugtypen führt.
-
Im
allgemeinen stellt die bevorzugte Ausführungsform eine Apparatur zum
Leistungsübertrag zwischen
rotierenden und nicht-rotierenden Elementen von untertägigen Ölfeldwerkzeugen über einen nichtleitenden
Spalt bereit. Der Spalt kann eine nichtleitende Flüssigkeit
wie bspw. Bohrschlamm oder Öl zum
Betreiben hydraulischer Vorrichtungen in dem untertägigen Bohrwerkzeug
beinhalten. Das untertägige
Bohrwerkzeug ist in einer Ausführungsform
eine Bohranordnung, in welcher eine Antriebswelle durch einen untertägigen Bohrmotor
rotiert wird, um die Bohrkrone, die an dem unteren Ende der Antriebswelle
befestigt ist, zu rotieren. Eine im wesentlichen nicht-rotierende
Hülse um
die Antriebswelle kann eine Mehrzahl von unabhängig betreibbaren kraftausübenden Elementen
umfassen, worin jedes dieser Elemente dazu geeig net ist, radial
zwischen einer eingezogenen und einer ausgestreckten Position bewegt
zu werden. Die kraftausübenden
Elemente werden betrieben, um die erforderliche Kraft zum Aufrechterhalten
und/oder Ändern
der Bohrrichtung auszuüben.
In dem bevorzugten System liefern ein oder mehrere mechanisch betreibbare
Vorrichtungen, wie hydraulische Einheiten, Energie (Leistung) für die kraftausübenden Elemente.
Eine Übertragungseinrichtung überträgt elektrische
Leistung zwischen den rotierenden und nicht-rotierenden Elementen
und die elektrische Leistung wird direkt in mechanische Leistung
umgewandelt. Eine elektronisch kontrollierte Schaltung oder Einheit,
die mit dem rotierenden Element verbunden ist, kontrolliert den
Leistungsübertrag
zwischen dem rotierenden Element und dem nicht-rotierenden Element.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die vorliegende Erfindung insbesondere geeignet für einen
Rotary Closed-Loop
System (RCLS) Werkzeugtyp, um abweichende Bohrlöcher mit sehr kleinen Lochgrößen zu bohren.
Ein RCLS System ist ein automatisiertes gerichtetes Bohrsystem,
das seinen eigenen programmierten Controller und Steuerungsmechanismus
umfasst und kontinuierlich im Rotationsmodus bohrt. Eine nicht-rotierende,
orientierende Hülse
kontrolliert die Steuerung spreizbarer kraftausübender Elemente. Genauer gesagt,
produziert kontrollierte Kraft auf die kraftausübenden Elemente resultierende
Kraftvektoren, die die Neigungsausrichtung und die Richtung innerhalb
des programmierten Bohrlochverlaufs aufrechterhalten. Korrekturen
des Verlaufs werden ohne erforderliche Werkzeuganpassungen kontinuierlich
während
des Bohrens gemacht. Echtzeitoberflächenaufnahmen erlauben, wenn
gewünscht, Änderungen
des Bohrlochverlaufprogramms. Diese Technologie vergrößert die
Eindringgeschwindigkeit, verbessert die Lochqualität und ermöglicht bessere
erweiterte Reichweitenleistung. Die Aus führungsform kann auch Messungen während des
Bohrens, Geosteuerung und automatisierte Rotationsbohrleistung umfassen.
-
Eine
oder mehrere Steuerungsrippen können
durch hydraulischen Druck kontrolliert werden. Ein an dem rotierenden
Schaft einer Bodenlochanordnung angeordneter Motor, der eine axiale
Kolbenpumpe in der nicht-rotierenden Hülse antreibt, bewerkstelligt
die Generierung von hydraulischem Druck. Die Motorwindungen sind
auf dem rotierenden Schaft angeordnet und ein magnetisch polarisierter
Rotor ist auf der nicht-rotierenden Hülse lokalisiert. Es kann ein
Motor zur Kontrolle einer hydraulischen Pumpe für jede Steuerrippe vorgesehen
werden. Rotationskontrolle des Motors kontrolliert den variablen
Kolbendruck, und es ist keine elektrische Transmission zu der Hülse erforderlich,
um die Rippen zu kontrollieren. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Motor in Bohrschlamm laufen. Eine Rückkopplung betreffend die Position
der nicht-rotierenden Hülse
wird durch Sensoren in der nicht-rotierenden Hülse oder durch Markierer gemessen
werden. Diese Methoden der Rückkopplung
und die erforderlichen Sensoren sind in der Fachwelt wohl bekannt.
Ein zusätzlicher
Vorteil dieser Anordnung ist, dass kein hydraulischer Druck von
dem rotierenden Schaft zu der Hülse übertragen
werden muss.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung überträgt eine
Leistungsübertragungseinrichtung
Leistungen von dem nicht-rotierenden Gehäuse zu dem rotierenden Bohrschaft.
Die Leistung, die zu dem rotierenden Bohrschaft transferiert wurde, wird
direkt in elektrische Energie umgewandelt, um eine oder mehrere
Sensoren oder elektrisch betriebene Einrichtungen in der Bohrkrone
und/oder der Lageranordnung zu betreiben.
-
Die
Leistungsübertragungseinrichtung
kann auch in einem separaten Modul oberhalb des Schlammmotors vorgesehen
sein, um Leistungen von einem nicht-rotierenden Bereich zu einem
rotierenden Teil des Schlammmotors und der Bohrkrone zu übertragen.
Die übertragene
Leistung kann verwendet werden, um Vorrichtungen und Sensoren in dem
rotierenden Bereich der Bohranordnung, wie den Bohrschaft und die
Bohrkrone zu betreiben.
-
Verschiedene
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun nur im Wege eines Beispieles
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen 1A–1B eine
Querschnittsansicht eines Teils der Bohranordnung mit der Steuerungseinrichtung
und der Kontrolleinrichtung zeigen, die auf der Lageranordnung der
Bohranordnung angeordnet sind.
-
1C zeigt eine Rippe der
Steuerungseinrichtung von 1A in
der eingezogenen und ausgestreckten Position.
-
2 ist eine detaillierte
schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei der Stator an einem rotierenden Schaft und der
Rotor an der nicht-rotierenden Hülse
in einer ein Steuerungselement umfassenden Bodenlochanordnung angeordnet
ist.
-
3 ist eine schematische
Ansicht einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Bohranordnung.
-
1A–1B zeigen
ein schematisches Diagramm einer Steuerungseinrichtung 30,
die in eine Lageranordnung 20 eines Bohrmotors 10 integriert ist.
Der Bohrmotor 10 bildet einen Teil einer Bohranordnung 100 (2). Der Bohrmotor 10 umfasst
einen Leistungsbereich 12 und die Lageranordnung 20.
Der Leistungsbereich 12 umfasst einen Rotor 14, der
in einem Stator 16 rotiert, wenn eine Flüssigkeit 52 unter
Druck eine Reihe von Öffnungen 17 zwischen
dem Rotor 14 und dem Stator 16 durchläuft. Die
Flüssigkeit 52 kann
Bohrschlamm oder "Schlamm" sein, der normalerweise
zum Bohren von Bohrlöchern
verwendet wird oder es kann ein Gas oder eine Flüssigkeit-Gas-Mischung sein.
Der Rotor 14 ist mit einem rotierbaren Schaft 18 gekoppelt,
um durch den Bohrmotor 10 erzeugte Rotationsleistung zu
der Bohrkrone 50 zu übertragen.
-
Die
Lageranordnung 20 hat ein äußeres Gehäuse 22 und einen Durchgang 24.
Eine Antriebswelle 28, die auf dem Gehäuse 22 angeordnet
ist, ist mit dem Rotor 14 über den rotierbaren Schaft 18 gekoppelt.
Die Antriebswelle 28 ist an ihrem unteren oder untertägigen Ende
mit der Bohrkrone 50 verbunden. Während dem Bohren der Bohrlöcher bewirkt
der Bohrschlamm 52, dass der Rotor 14, der die
Welle 28 rotiert, die wiederum die Antriebswelle 28 und
somit die Bohrkrone 50 rotiert, rotiert. Es ist wichtig,
die Terminologie verbunden mit dem Bohrmotor 10 und dem elektro-magnetischen
Motor 510 (2)
nicht durcheinander zu bringen. Die Begriffe Rotor und Stator werden
in der Regel im Bezug auf jeden Motor verwendet und Fachleute sind
sich der physikalischen und operativen Unterschiede zwischen den
beiden Motoren bewusst.
-
Fortgefahren
mit 1A–1B, umfasst die Lageranordnung 20 innerhalb
ihres Gehäuses 22 geeignete
radiale Lager 56A, die lateral oder radial Unterstützung für die Antriebswelle 28 und
die Bohrkrone 50 und geeignete Drucklager 56B,
um axial (longitudinal oder entlang dem Bohrloch) Unterstützung für die Bohrkrone 50 zu
liefern, bieten.
-
Die
Antriebswelle 28 ist mit dem Schaft 18 durch eine
geeignete Kopplung 44 verbunden. Der Schaft 18 ist
ein fle xibler Schaft, um der exzentrischen Rotation des Rotors Rechnung
zu tragen. Einige geeignete Kuppelmechanismen können zum Übertragen von Rotationsleistung
von dem Rotor 14 zu der Antriebswelle verwendet werden.
Während des
Bohrens der Bohrlöcher
tritt der Bohrschlamm 52, der den Leistungsbereich 14 verlässt, in
den Durchgang 24 der Antriebswelle 28 an Durchlässen oder Öffnungen
ein und sondert sich an dem Bohrkronenboden 53 ab. Verschiedene
Typen von Lageranordnungen sind in der Fachwelt bekannt und sind aufgrunddessen
hier nicht in größerem Detail
beschrieben.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
der 1A–1B ist eine Steuerungseinrichtung,
im allgemeinen repräsentiert
durch die Nummer 30, in dem Gehäuse 22 der Lageranordnung 20 integriert.
Die Steuerungseinrichtung 30 umfasst eine Anzahl von kraftausübenden Elementen 32.
Jedes kraftausübende
Element ist vorzugsweise in einem mit einen reduzierten Durchmesser
aufweisenden Bereich 34 des Lageranordnungsgehäuses 22 planiert.
Die kraftausübenden
Elemente können
Rippen oder Segmente sein. Zum Zwecke dieser Erfindung werden die
kraftausübenden
Elemente hierin im allgemeinen als Rippen bezeichnet. Drei gleichbeabstandete
Rippen 32 in oder um die äußere Oberfläche des Gehäuses 22 fanden sich
als adäquat,
um die Bohrkrone 50 während
der Bohrtätigkeiten
geeignet zu steuern. Jede Rippe 32 ist geeignet, um radial
von dem Gehäuse 22 nach
außen
ausgestreckt zu werden. 1C zeigt
eine Rippe 32 in ihrer normalen Position 32A, auch
bezeichnet als die eingezogene oder zusammengeschobene Position,
und in einer relativ zu der Bohrlochinnenwand 38 völlig ausgestreckten
Position 32B. Eine separate Kolbenpumpe 40 kontrolliert unabhängig den
Betrieb jeder Lenkrippe 32. Für Kurzradiusbohranordnungen,
ist jede derartige Pumpe 40 vorzugsweise eine axiale Kolbenpumpe 40,
die in dem Lageranordnungsgehäuse 22 angeordnet
ist.
-
Noch
bezugnehmend auf 1A–1B, ist es bekannt, dass
die Bohrrichtung dadurch kontrolliert werden kann, dass eine Kraft
auf die Bohrkrone 50 ausgeübt wird, die von der Achse
der Bohrlochtangenten abweicht. Dies kann durch Verwendung eines in 1A dargestellten Kraftparallelogramms
erklärt werden.
Die Bohrlochtangente ist die Richtung, in welche die Normalkraft
oder der Druck auf die Bohrkrone 50 aufgrund des Gewichts
auf die Bohrkrone, wie durch den Pfeil WOB 57 gezeigt,
ausgeübt
wird. Eine auf die Bohrkrone 50 durch die Lenkeinrichtung 30 ausgeübte Seitenkraft
kreiert einen Kraftvektor, der von der Bohrlochtangentenlinie abweicht.
Wenn eine Seitenkraft oder eine Rippenkraft, so wie Pfeil 59 zeigt,
auf die Bohranordnung 100 ausgeübt wird, wird eine Kraft 54 kreiert,
die als Bohrkraft auf die Bohrkrone 50 bekannt ist. Der
resultierende Kraftvektor 55 liegt dann in Abhängigkeit
von der Größe der angewendeten
Rippenkraft zwischen den Gewicht-auf-Krone- und den Bohrkraftlinien.
-
Die
bevorzugte Ausführungsform
ist insbesondere für
sogenannte geschlossene Bohrsysteme zum Bohren abweichender Bohrlöcher mit
kleinem Durchmesser geeignet. Die geschlossenen Bohrsysteme sind
in der Regel automatisierte Richtungsbohrsysteme, die ihren eigenen
programmierten Controller und Steuerungsmechanismus, der kontinuierlich kontrolliertes
Bohren von abweichenden Löchern
bewirken kann, umfassen. In einer Art von Bohranordnung, die in
geschlossenen Bohrsystemen verwendet wird, produziert eine genau
kontrollierte Kraft auf die spreizbaren Segmente (oder Rippen) resultierende
Kraftvektoren, die die Neigungsausrichtung und Richtung innerhalb
des programmierten Bohrlochverlaufs aufrecht erhalten. Verlaufskorrekturen
werden ohne erforderliche Werkzeuganpassungen entweder periodisch
oder kontinuierlich während
des Bohrens gemacht. Echtzeitoberflä chenaufnahmen erlauben, wenn
gewünscht, Änderungen
des Bohrlochverlaufprogramms. Diese Technologie vergrößert die
Eindringgeschwindigkeit, verbessert die Lochqualität und ermöglicht bessere
ausgeweitete Reichweitenleistung. Diese Ausführungsform wird später in Bezug
auf 2 im Detail erklärt. Im allgemeinen
werden eine oder mehrere und bevorzugt drei Lenkrippen durch hydraulischen
Druck kontrolliert. Ein Motor, der auf dem rotierenden Schaft einer
Bodenlochanordnung lokalisiert ist und eine axiale Kolbenpumpe in
der nicht-rotierenden Hülse
antreibt, regelt die Generierung von hydraulischem Druck. Die Motorwindungen
sind auf dem rotierenden Schaft positioniert und ein magnetisch
polarisierter Rotor ist auf der nicht-rotierenden Hülse lokalisiert.
Vorzugsweise gäbe
es einen Motor zur Kontrolle einer hydraulischen Pumpe für jede Lenkrippe.
Jedoch kann ein Motor auch mehrere Pumpen kontrollieren und eine Pumpe
kann mehrere Lenkrippen kontrollieren. Eine Rotationskontrolle des
Motors kontrolliert den variablen Kolbendruck und es ist keine elektrische Übertragung
zu der Hülse
nötig,
um die Rippen zu kontrollieren. In der bevorzugten Ausführungsform
wird der Motor in Bohrschlamm laufen. Eine Rückkopplung hinsichtlich der
Position der nichtrotierenden Hülse wird
durch Sensoren in der nicht-rotierenden Hülse oder durch Markierer gemessen.
Diese Rückkopplungsmethoden
und die erforderlichen Sensoren sind aus dem Fachgebiet wohl bekannt.
Ein zusätzlicher Vorteil
dieser Anordnung ist, dass kein hydraulischer Druck von dem rotierenden
Schaft zu der Hülse übertragen
werden muss.
-
Bezugnehmend
nun auf 2 für eine detailliertere
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, so ist dort eine
schematische Darstellung eines Teils einer BHA (Bodenlochanordnung) 500 gezeigt,
welche ein rotierendes Element oder einen Schaft 502 und
eine nicht-rotierende Hülse 504 umfasst.
Die nicht-rotierende Hülse 504 und
der rotierende Schaft 502 sind über Lager 514 gekoppelt,
welche schlammgeschmiert sein können.
Die BHA 500 umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Motoren 510.
In dieser Ausführungsform
werden die Motoren 510 verwendet, um den Einsatz und das
Einziehen der Mehrzahl von Lenkrippen 532 zu kontrollieren, wovon
eine in der Figur gezeigt ist. Jeder Motor 510 umfasst
einen Stator 508 und einen magnetisch polarisierten Rotor 516.
Jeder Rotor 516 ist in oder an der nicht-rotierenden Hülse 504 rotierbar
angeordnet, so dass der Rotor 516 Rotationsbewegungen relativ
zu den Kräften,
die durch die Wechselwirkung zwischen dem Rotormagnetfeld und dem
elektrischen Strom innerhalb der Windungen des Stators 508 generiert
wurden, bereitstellen kann. Der Stator 508 und der Rotor 516 sind
durch einen elektrisch nichtleitenden Spalt 538, der mit
nichtleitendem Bohrschlamm oder Öl
gefüllt
werden kann, getrennt. Um den Stator 508 zu schützen wird
zwischen den Stator 508 und den Spalt 538 eine
Abschirmung 534 plaziert. In der Figur hat ein rotierender
Schaft 502, der um die zentrale Linie 506 der
BHA-Anordnung 500 rotiert, eine Mehrzahl von Statoren 508,
die auf ihm angeordnet sind. Die Statoren 508 können irgendein
geeignetes leitendes Windungsmaterial sein. Jedem Stator 508 wird
durch einen Controller (nicht gezeigt) elektrisch sinusförmige Leistung 512 geliefert.
Der Controller ist in der Lage, die Größe des jedem Stator 508 gelieferten
Stroms zu variieren und jeder Statorstrom wird in Bezug auf den
anderen Statoren gelieferten Strom unabhängig kontrolliert. Ein Prozessor
(nicht gezeigt) kann in den Controller integriert oder an einer
geeigneten Stelle des Bohrstrangs oder sogar an der Oberfläche lokalisiert
werden. Der Prozessor würde
das Bohrprofil berücksichtigen.
Eine oder mehrere Sensoren, die auf der BHA 500 montiert
sind, würden
dem Prozessor Daten senden, die die Orientierung der BHA und die
Bohrrichtung zueinander in Bezug setzen. Der Prozessor würde im Gegenzug
den Controllerstrom basierend auf der Rückmeldung von den Sensoren
anpassen. Die Controlleranpassungen würden in der Änderung
von den Statoren 508 zugeteilten Stromlevels resultieren. Die
gegenwärtige
Betriebs- und Komponentenbeschreibung der Motoren ist nicht genügend unterschiedlich,
so dass die Beschreibung hierin auf die Beschreibung von nur einem
Motor begrenzt ist.
-
Wenn
ein alternierender sinusförmiger Strom,
im allgemeinen bezeichnet als AC-Strom oder einfach Strom, den Stator 508 mit
Strom versorgt, fließt
der Strom durch die Windungen des Stators. Das Magnetfeld des Rotors 516 erstreckt
sich über den
Spalt 538 und umschließt
den Stator 508. Auf die geladenen Teilchen (Strom) in den
Statorwindungen ausgeübte
Kräfte
treffen auf gleiche Kräfte
in der von den geladenen Teilchen entgegengesetzten Richtung. Da
der Rotor rotierbar gelagert ist und der Stator nicht, ist der magnetisch
polarisierte Rotor 516 dann gezwungen, in Bewegung zu treten.
Die Kräfte dieser
Aktion sind proportional dem Strombetrag, der den Stator 508 speist,
ebenso wie der Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Schaftes 502 und
der Intensität
des Magnetfeldes des Rotors. Somit kontrolliert die Kontrolle des
den Stator 516 speisenden Stromes oder der Rotationsgeschwindigkeit
des Schaftes 502 die Kraft (oder mechanische Leistung) des
Rotors 516. Da die Rotationsgeschwindigkeit des Schaftes
typischerweise durch Parameter, wie gewünschte Eindringgeschwindigkeit
(ROP), Formationsmaterial, Art von verwendeter Bohrkrone etc., bestimmt
wird, wird das Variieren des Controller-Ausgangstroms verwendet,
um eine gewünschte
Ausgangsleistung des Motors aufrecht zu erhalten. Um das zu tun,
werden Rückkopplungssensoren,
die die Rotationsgeschwindigkeit des Schaftes 502 detektieren,
aufgefordert, die Daten zu dem Prozessor zu senden. Der Prozessor
würde die
Schaftdaten zusammen mit anderen Daten verarbeiten, um entsprechend
den Controllerstrom zu variieren. Da der durch den Controller an
den Stator 508 gelie ferte Strom die Polarität ändert, wird
dadurch die Richtung der Kräfte zwischen
dem Rotor und den geladenen Teilchen innerhalb der Statorwindungen
umgekehrt, was den Rotor 560 zwingt, sich wieder auszurichten.
Das kontinuierliche Umkehren der Polarität des Stroms in den Windungen
des Stators 508, die den Rotor zwingen sich kontinuierlich
auszurichten, kreiert rotationsmechanische Leistung in dem Rotor
516. Diese mechanische Leistung kann in jeder gewünschten
Anwendung, die mechanische Leistung erfordert, verwendet werden.
In dieser Ausführungsform
wird die mechanische Rotorleistung verwendet, um eine Pumpe 524 anzutreiben.
Die Pumpe 524 ist vorzugsweise eine axiale Kolbenpumpe,
und wird verwendet, um hydraulisch den Einsatz einer Lenkrippe 532 zu
kontrollieren. Wenn der Rippe 532 Einsatzkraft geliefert wird,
liefert die Pumpe durch Ziehen der Flüssigkeit 520 aus einem
abgedichteten Flüssigkeitsreservoir 518 Hydraulikflüssigkeit 520.
Die Pumpe 524 ist mit der Flüssigkeitsröhre 526 und die Flüssigkeitsröhre 526 mit
einem ausdehnbaren Stab-(Kolben-)Druckkasten 528 verbunden.
Ein Kolben 530, der bewegbar verbunden ist mit dem Kolbendruckkasten 528, dehnt
sich entweder relativ zu dem Druck, der durch die Flüssigkeit 520,
die in den Kolbendruckkasten 528 ein- oder austritt, erzeugt
wird, aus oder zieht sich zurück.
Die Rippe 532, die in einem vertieften Bereich 540 angeordnet
ist, liegt zwischen der Bohrlochwand 542 und dem Kolben 530.
Die Ausdehnung oder das Zurückziehen
des Kolbens 530 kontrolliert die Radialbewegung der Rippe 532.
-
Wenn
der Rotor 516 aufgrund der Gegenwart von alternierendem
Statorstrom beginnt zu rotieren, beginnt die Pumpe 524,
die mit dem Rotor 516 verbunden ist, zu laufen. Der Pumpbetrieb
setzt die Flüssigkeitsröhre 526 mit
der Hydraulikflüssigkeit 520 unter
Druck. Wenn die Pumpe 524 die Flüssigkeitsröhre 526 unter Druck
setzt, fließt
die Flüssigkeit 520 von
dem Reservoir 518 über
die Flüssigkeitsröhre 526 und
weiter zu dem Kolbendruckkasten 528. Der Kolbendruckkasten 528 füllt sich
mit Flüssigkeit 520 und übt relativ
zu der durch den Rotor 516 gelieferten Leistung Druck aus.
Wenn der Druck steigt, dehnt sich der Kolben 530 durch
gleichzeitiges Ausdehnen der Rippe 532 aus. Die ausgedehnte
Rippe 532 übt
dadurch eine Kraft auf die Bohrlochwand 542 aus. Diese
ausgeübte
Kraft tendiert dazu, die BHA 500 in eine Richtung entgegengesetzt
der Richtung der Kraft, die gegen die Bohrlochwand 542 ausgeübt wird,
zu lenken. Die rotierende Bohrkrone (nicht gezeigt in dieser Figur)
beginnt dann von der Vertikalen abzuweichen und dadurch entlang
eines Verlaufs zu bohren, der durch den Rippensteuerungsmechanismus
der bevorzugten Ausführungsform
kontrolliert wird. Wie oben beschrieben, wären drei unabhängig kontrollierte
und gleich beabstandete Rippen an oder um die BHA 500 in
dieser Weise ausreichend, um angemessen den Bohrverlauf für abweichende
Bohrlöcher
zu kontrollieren. Dies wird durch unabhängige Kontrolle der auf die
Bohrlochwand 542 ausgeübten Kraft
in einer Kombination von drei Richtungen und durch Variieren der
Größen, wie
oben beschrieben, mit Rücksicht
auf das Parallelogramm in 1B erfüllt.
-
Wenn
das Einziehen einer Lenkrippe gewünscht ist, wird der gelieferte
Strom durch den Prozessor und Controller reduziert oder abgestellt,
um die Pumpe 524 zu deaktivieren. Mit der deaktivierten Pumpe 524 strömt die Flüssigkeit 520 in
dem Kolbendruckkasten 528 zurück zu dem abgedichteten Reservoir 518.
Es gibt mehrere hydraulische Methoden, die der Fachwelt wohl bekannt
sind, um das Druckablassen von hydraulischen Systemen zu bewerkstelligen
und einige geeignete Anordnungen können verwendet werden. Bei
einer derartigen Anordnung läuft die
Flüssigkeit über eine
separate Flüssigkeitsrückkehrlinie
(nicht gezeigt) zu dem Reservoir zurück. Axiale Kolbenpumpen können ebenfalls
ein Ablassven til (nicht gezeigt) haben, um den Druck von der Flüssigkeitsröhre abzubauen.
-
3 zeigt eine Konfiguration
einer Bohranordnung 100, bei der in der Lageranordnung 20,
die mit einer Rohrwendel 202 gekoppelt ist, die Steuerungseinrichtung 30 (siehe 1A–1B und 2) der bevorzugten Ausführungsform
verwendet wird. Die Bohranordnung 100 hat die Bohrkrone 50 am
unteren Ende. Wie vorher beschrieben, trägt die Lageranordnung 20 oberhalb
der Bohrkrone 50 die Steuerungseinrichtung 30,
die eine Anzahl von Rippen hat, die unabhängig kontrolliert werden, um
die gewünschte Kraft
auf die Bohrkrone 50, während
des Bohrlochbohrens auszuüben.
Ein Neigungsmesser (z-Achse) 234 ist bevorzugt neben der
Bohrkrone 50 angeordnet, um die Neigung der Bohranordnung
zu bestimmen. Der Schlammmotor 10 liefert der Bohrkrone 50, wie
vorher im Bezug auf 1A–1B beschrieben, die erforderliche
Rotationskraft. Zwischen der Lageranordnung 20 und dem
Schlammmotor 10 kann ein Scharniergelenk 60 vorgesehen
sein. In Abhängigkeit
von den Bohranforderungen kann das Scharniergelenk 60 weggelassen
werden oder an einem anderen geeigneten Platz innerhalb der Bohranordnung 100 angeordnet
werden. Eine Anzahl von gewünschten
Sensoren, im allgemeinen bezeichnet durch Nummerierungen 232a – 232n,
können
in einem Motoranordnungsgehäuse 15 oder
an einem anderen geeigneten Platz in der Anordnung 100 angeordnet sein.
Die Sensoren 232a – 232n können einen
Widerstandssensor, einen Gammastrahlendetektor, und Sensoren zur
Bestimmung von Bohrlochparametern, wie der Flüssigkeitsdurchflussgeschwindigkeit
durch den Bohrmotor 10, Druckabfall durch den Bohrmotor 10,
Drehmoment auf den Bohrmotor 10 und Geschwindigkeit des
Motors 10, umfassen.
-
Der
Regelkreis 80 kann oberhalb des Leistungsabschnitts 12 angeordnet
sein, um den Betrieb der Steuerungseinrichtung 30 zu kontrollieren.
Ein Schleifringmesswandler 221 kann ebenfalls in dem Bereich 220 angeordnet
werden. Der Regelkreis in dem Bereich 220 kann in einer
rotierenden Kammer, die mit dem Motor rotiert, angeordnet werden.
Die Bohranordnung 100 kann eine Zahl von anderen Vorrichtungen
umfassen. Sie kann Navigationsvorrichtungen 222 umfassen,
um Informationen über
Parameter zu liefern, die untertägig
oder an der Oberfläche
benötigt
werden, um die Bohrvorgänge
und/oder den Azimut zu kontrollieren. Flexible Untereinheiten, Entlastungswerkzeuge
mit Bypasskabel, im allgemeinen hierin durch Nummerierung 224 bezeichnet, können ebenfalls
in der Bohranordnung 100 umfasst sein. Die Bohranordnung 100 kann
auch eine Zahl von zusätzlichen
Vorrichtungen, bekannt als Messung-bei-Bohrung Vorrichtungen oder
Auswertung-bei-Bohrung Vorrichtungen, zur Bestimmung verschiedener
Bohrloch- und Formationsparameter, wie bspw. der Porosität der Formationen,
der Dichte der Formation und Grenzschichtinformation, umfassen.
Der elektrische Stromkreis, der Mikroprozessoren, Speichervorrichtungen
und andere geforderte Schaltungen umfasst, ist bevorzugt in dem
Abschnitt 230 oder in einem benachbarten Bereich (nicht
gezeigt) angeordnet. Eine Zweiwegeentfernungsmessung 240 stellt
eine Zweiwegekommunikation von Daten zwischen der Bohranordnung 100 und
der Oberflächenausrüstung bereit.
Leiter 65, die entlang der Länge der Rohrwendel angeordnet
sind, können verwendet
werden, um Leistungen zu den untertägigen Einrichtungen und der
Zweiwegedatenübertragung
zu liefern.
-
Die
untertägige
Elektronik in dem Bereich 220 und/oder 230 kann
mit verschiedenen Modellen und programmierten Anweisungen zur Kontrolle
bestimmter Funktionen der untertägigen
Bohranordnung 100 ausgerüstet sein. Ein gewünschtes
Bohrprofil kann in der Bohranordnung 100 gespeichert sein.
Während
des Bohrens werden Daten/Signale des Neigungsmessers 234 und
anderer Sensoren in den Bereichen 220 und 230 verarbeitet,
um die Bohrrichtung relativ zu der gewünschten Richtung zu bestimmen.
Die Kontrolleinrichtung passt, in Reaktion auf eine derartige Information,
die Kraft auf die kraftausübenden
Elemente 32 an, um die Bohrkrone 50 dazu zu bringen,
das Bohrloch entlang des gewünschten
Verlaufs zu bohren. So kann die Bohranordnung 100 der bevorzugten
Ausführungsform
verwendet werden, um Kurzradius- und Mittelradiusbohrlöcher relativ
akkurat und, wenn gewünscht,
automatisch zu bohren.
-
Eine
alternative Ausführungsform
kann die Motorkomponenten so auf der BHA lokalisiert haben, dass
die elektrische Leistung durch Verwendung der mechanischen Leistung
in dem rotierenden Teil der BHA in der nicht-rotierenden Hülse generiert
wird. In dieser Konfiguration sind die elektrischen Motorstatoren
an oder um die nicht-rotierende Hülse angeordnet. Eine Mehrzahl
von Rotoren ist um den rotierenden Schaft angeordnet. Das konstant
rotierende magnetische Feld der Rotoren kreiert einen elektrischen Strom
in den Statorwindungen. Diese elektrische Leistung kann konditioniert
und kontrolliert sein, um elektrische Vorrichtungen in der nicht-rotierenden Hülse zu betreiben.
-
Die
voranstehende Beschreibung ist gerichtet auf spezielle Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zum Zwecke der Anschauung und Erklärung. Es
wird jedoch für
einen Fachmann offensichtlich, dass viele Modifikationen und Änderungen der
oben genannten Ausführungsform
möglich
sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es ist beabsichtigt,
dass die folgenden Ansprüche
so zu interpretieren sind, dass sie all diese Modifikationen und Änderungen
umfassen.