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Die
vorliegende Erfindung betrifft Ölfeldwerkzeuge.
Genauer gesagt, die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Verwendung eines Motors in einem Rohrelement, das
in einem Bohrloch angeordnet ist.
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Historisch
gesehen werden Ölfeldbohrlöcher als
ein vertikaler Schacht zu einer unterirdischen Produktionszone gebohrt,
der ein Bohrloch bildet, das Bohrloch wird mit einem Stahlfutterrohr
ausgekleidet, und das Futterrohr wird perforiert, damit Produktionsfluid
in das Futterrohr und nach oben zur Erdoberfläche des Bohrloches strömen kann.
In den letzten Jahren hat die Ölfeldtechnologie
in zunehmendem Maß ein
technisches Ablenken oder Richtbohren zur Anwendung gebracht, um
die Ressourcen der produktiven Bereiche weiter auszunutzen. Beim
technischen Ablenken wird ein Austritt, wie beispielsweise ein Schlitz
oder ein Fenster, in ein stahlverrohrtes Bohrloch typischerweise
bei Verwendung eines Fräsers
geschnitten, wobei das Bohren durch den Austritt unter Winkeln zum
vertikalen Bohrloch fortgesetzt wird. Beim Richtbohren wird ein
Bohrloch in Schichten unter einem Winkel zum vertikalen Schacht
geschnitten, wobei typischerweise ein Bohrmeißel verwendet wird. Der Fräser und
der Bohrmeißel
sind Drehschneidwerkzeuge mit Schneidklingen oder -flächen, die
typischerweise um den Werkzeugumfang und bei einigen Modellen am
Werkzeugende angeordnet sind.
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Im
Allgemeinen werden Bauteile verwendet, die einen Anker, einen Richtkeil,
der mit dem Anker gekuppelt ist, und ein Drehschneidwerkzeug einschließen, das
sich nach unten längs
des Richtkeiles fortbewegt, um den winkeligen Austritt durch das
Futterrohr im Bohrloch zu schneiden. Der Richtkeil ist ein längliches
zylindrisches Keilelement mit einer geneigten konkaven Ablenkfläche und
führt den
Winkel des Drehschneidwerkzeuges fortschreitend nach außen, um
den Austritt zu schneiden. Ein oder mehr Bauteile werden an einem
Rohrelement befestigt, wie beispielsweise einem Bohrrohr oder einer
Rohrschlange, das benutzt wird, um die Bauteile in das Bohrloch
abzusenken. Der Anker ist typischerweise ein Brückenstopfen, ein Packer oder
ein anderes tragendes oder abdichtendes Element. Der Anker wird in
eine Abwärtsbohrlochposition
eingesetzt und erstreckt sich über
das Bohrloch, um eine Anschlagfläche
für die
Anordnung der folgenden Ausrüstung
zu bilden. Der Anker kann im Bohrloch durch mechanische oder hydraulische
Betätigung
einer Reihe von Klemmbacken gesichert werden, die nach außen in Richtung
des Futterrohres oder des Bohrloches gerichtet sind. Die hydraulische
Betätigung
erfordert im Allgemeinen eine Fluidquelle von der Erdoberfläche, die
einen Hohlraum im Anker unter Druck setzt, um die Klemmbacken zu
betätigen.
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In
der Vergangenheit wurden drei „Roundtrips" zur Anwendung gebracht,
um den Austritt in das Futterrohr zu schneiden, wobei ein Anker,
ein Richtkeil und ein Schneidwerkzeug verwendet wurden. Ein Roundtrip
umfasst im Allgemeinen das Absenken eines Rohrelementes mit einem
Schneidwerkzeug oder einem anderen Bauteil in das Bohrloch, das
Durchführen
des beabsichtigten Arbeitsganges und danach das Ziehen der Elemente
zur Erdoberfläche.
Der erste Roundtrip setzt den Anker im Bohrloch ein, der zweite
Roundtrip setzt den Richtkeil am Anker ein, und der dritte Roundtrip
betätigt
das Schneidwerkzeug, um den Austritt längs des Richtkeiles zu schneiden.
Derartige Arbeitsgänge sind
zeitaufwendig und kostspielig.
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Andere
auf dem Gebiet haben die Notwendigkeit realisiert, die Anzahl der
Roundtrips zu verringern. Ein Beispiel für das mechanische Einsetzen des
Ankers mit reduzierten Roundtrips wird im U.S.Patent Nr. 3908759
beschrieben. Ein erster Roundtrip setzt mechanisch einen Brückenstopfen mit
einem Sperrelement ein. Bei einem zweiten Roundtrip wird der Richtkeil,
der an einem Ende eines Schneidfräsers befestigt ist, mit dem
Sperrelement in Eingriff gebracht, die Verbindung zum Fräser wird
geschert, und der Fräser
kann mit dem Schneiden längs
des Richtkeiles beginnen. Der Literaturhinweis diskutiert nicht,
wie die Ausrichtung bestimmt wird, um den Richtkeil richtig in Position
bei den zwei Roundtrips einzusetzen.
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Ein
Beispiel für
eine Baugruppe aus einem hydraulischen Anker, einem Richtkeil und
einem Schneidwerkzeug, die bei einem einzigen Roundtrip eingesetzt
wird, wird im U.S.Patent Nr. 5154231 beschrieben. Der Anker und
der Richtkeil werden unter hydraulischem Druck eingesetzt und mittels
mechanischer Verriegelungen gehalten. Die Drehung des Schneidwerkzeuges
schert die Verbindung vom Richtkeil ab, und das Schneidwerkzeug
kann damit beginnen, den Austritt zu schneiden. Der Literaturhinweis
legt jedoch nicht dar, wie die Winkelausrichtung des Richtkeiles
bei dem einzigen Roundtrip bewirkt wird.
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Die
Winkelausrichtung des Richtkeiles im Bohrloch ist wichtig, um das
Bohren oder Schneiden richtig zu lenken. Die meisten Verfahren zur
Ausrichtung und Einleitung des Schneidens erfordern mehrere Roundtrips.
Einige Systeme gestatten das Ausrichten und Einsetzen des Richtkeiles
in einem einzigen Roundtrip eines Bohrgestänges in Kombination mit einem
Wireline-Messgerät.
Beispielsweise umfasst ein bekanntes System einen Anker, einen Richtkeil
und ein Schneidelement, verbunden mit einem Bohrgestänge. Ein
Wireline-Messgerät
wird durch das Bohrgestänge
eingesetzt, um die richtige Ausrichtung vor dem Einsetzen des Richtkeiles
zu ermitteln. Es ist jedoch häufig
erforderlich, dass Bohrfluid durch das Bohrgestänge mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit
zirkuliert, um das Wireline-Werkzeug von der Erdoberfläche nach
unten zum Bereich des Richtkeiles zu drücken. Der Strom kann den Anker
vorzeitig einsetzen, wenn nicht eine bestimmte Vorrichtung verwendet
wird, wie beispielsweise ein selektiv betätigtes Umgehungsventil, um den
Strom umzuleiten. Außerdem
erfordern derartige Verfahren die separate Verwendung des Wireline-Messgerätes.
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Im
Gegensatz zur Verwendung der Wireline-Messgeräte verwendet die Ölfeldindustrie
in zunehmendem Maß In-situ-Systeme,
die in der Lage sind, Daten von einer Position in der Nähe des Schneidwerkzeuges
zu erfassen und zu übermitteln, während das
Schneidwerkzeug arbeitet. Derartige Positionsmesswerkzeuge sind
als Werkzeuge für
ein Messen während
des Bohrens (MWD-Werkzeuge) bekannt und werden im Allgemeinen am
unteren Ende des Bohrgestänges über dem
Schneidwerkzeug angeordnet. Die MWD-Werkzeuge übermitteln typischerweise Signale
zu den Wandlern und der dazugehörenden
Ausrüstung
auf der Erdoberfläche,
die die Signale auswerten.
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Das
Verwenden eines MWD-Werkzeuges in einer Baugruppe mit einem hydraulischen
Anker weist jedoch Herausforderungen auf. Typische MWD-Werkzeuge
erfordern Bohrfluidströmungsgeschwindigkeiten,
die noch größer sind
als die Strömungsgeschwindigkeit,
die erforderlich ist, um das Wireline-Messgerät im Bohrloch nach unten zu
drücken,
und vergrößert die
Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Einsetzens des Ankers.
Daher kann ein Umgehungsventil mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt
werden, wie es im U.S.Patent Nr. 5443129 beschrieben wird. Das System
ist jedoch für
ein typisches Bohrgestänge
geeignet, das mittels einer konventionellen Bohrvorrichtung auf
einem Bohrgerüst
auf der Erdoberfläche
gedreht wird. Die Offenbarung spricht nicht die gegenwärtigen Trends
der Verwendung der elastischeren Rohrschlange an, der einen Bohrlochmotor
erfordert, um das Schneidwerkzeug zu drehen, ohne dass die Rohrschlange
im Wesentlichen gedreht wird.
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Die
Rohrschlange wird in zunehmendem Maß verwendet, um die Kosten
des Bohrens und Herstellens eines Bohrloches zu senken. Die Rohrschlange
ist eine kontinuierliche Rohrleitung, die auf eine Trommel auf einer
beweglichen Anlage auf der Erdoberfläche gewickelt wird, die im
Bohrloch nach unten eingesetzt werden kann, ohne dass zahlreiche Gewindeverbindungen
eines Bohrgestänges
montiert und demontiert werden müssen.
Die Rohrschlange ist jedoch nicht ausreichend starr, um ein Drehmoment
von der Erdoberfläche
des Bohrloches längs
der Rohrlänge
aufzunehmen, um das Schneidwerkzeug zu drehen, im Gegensatz zu den
Systemen, die ein Bohrrohr verwenden. Daher wird typischerweise
ein Bohrlochmotor an der Rohrschlange montiert, um ein Schneidwerkzeug
zu drehen. Bohrfluid, das durch das Innere der Rohrschlange strömt, wird
benutzt, um den Motor zu betätigen,
um das Schneidwerkzeug oder andere Elemente zu drehen.
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Ein
typischer Motor, der an der Rohrschlange angebracht wird, ist ein
progressiver Hohlraummotor. 1 ist eine
schematische Schnittdarstellung eines Leistungsabschnittes 1 eines
derartigen progressiven Hohlraummotors. 1A ist
eine schematische Schnittdarstellung des in 1 gezeigten
Bohrlochmotors. Gleiche Elemente sind gleichermaßen numeriert, und die Fig.
werden in Verbindung miteinander beschrieben. Der Leistungsabschnitt 1 umfasst einen äußeren Stator 2,
einen inneren Rotor 4, der innerhalb des Stators angeordnet
ist. Ein elastomeres Element 7 wird zwischen dem Stator
und dem Rotor gebildet und ist typischerweise ein Teil des Stators. Der
Rotor 4 umfasst eine Vielzahl von Flügeln 6, die in einem
spiralförmigen
Muster um den Umfang des Rotors ausgebildet sind. Der Stator umfasst
eine Vielzahl von Aufnahmeflächen 8,
die im elastomeren Element für
die Flügel 6 gebildet
werden. Die Anzahl der Aufnahmeflächen ist typischerweise eine
mehr als die Anzahl der Flügel.
Die Flügel 6 werden
mit passenden Flügelprofilen
und einer gleichen spiralförmigen
Steigung hergestellt, verglichen mit den Aufnahmeflächen im
Stator. Daher kann der Rotor angepasst werden an und innerhalb des
Stators eingesetzt werden. Fluid, das vom Eintritt 3 durch
den Motor strömt,
erzeugt einen hydraulischen Druck, der bewirkt, dass sich der Rotor 4 innerhalb
des Stators 2 dreht ebenso wie um den Umfang der Aufnahmeflächen 8 herum
präzessiert.
Daher wird ein progressiver Hohlraum 9 erzeugt, der vom
Eintritt 3 zum Austritt 5 fortschreitet, während der
Rotor innerhalb des Stators 2 gedreht wird. Fluid, das
innerhalb des Hohlraumes enthalten ist, wird dadurch durch den Austritt 5 ausgestoßen. Der
hydraulische Druck, der den Rotor zur Drehung veranlasst, liefert
ein Abtriebsdrehmoment für
verschiedene am Motor befestigte Werkzeuge.
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Es
ist wünschenswert,
einen Anker und einen Richtkeil mit einem Schneidwerkzeug, einem Bohrlochmotor,
einem MWD-Werkzeug und einer Bohrlochausrichtungseinrichtung, mit
der Rohrschlange gekuppelt, auszurichten, danach den Anker und den
Richtkeil einzusetzen und mit dem Schneiden eines Austrittes mit
einer minimalen Anzahl von Roundtrips zu beginnen. Das Fluid, das
jedoch durch die Rohrschlange strömt, um das MWD zu betätigen, würde ebenfalls
typischerweise den Motor betätigen. Daher
würde der
sich drehende Motor die Ausrichtung des Bohrlochankers und Richtkeiles
verändern, die
durch das MWD angezeigt wird, was die Ausrichtung im besten Fall
schwierig macht.
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Das
US-A-5363929 beschreibt eine Verbunddrehmomentwelle für eine Verwendung
bei einem progressiven Hohlraummotor. Das U5-A-5186265 beschreibt
einen ziehbaren Bohrmeißel,
der mittels eines progressiven Hohlraummotors angetrieben wird.
Das EP-A-0685628 beschreibt ein System für das Bohren eines lateralen
Bohrloches, das das Einführen
eines Positionsmesswerkzeuges, eines Richtkeiles und eines Ankers
gemeinsam in ein Bohrloch an der Rohrschlange umfasst.
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Es
besteht weiterhin eine Forderung nach einem System und einem Verfahren
zum Ausrichten und Einsetzen eines Ankers und/oder Richtkeiles bei Verwendung
einer Rohrschlange mit einem Schneidwerkzeug und einem Bohrlochmotor,
damit gekuppelt.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein System und ein Verfahren zum Ausrichten
und Einsetzen eines Ankers, eines Richtkeiles, eines Schneidwerkzeuges
und eines Bohrlochmotors, mit einem Rohrelement, wie beispielsweise
einer Rohrschlange, gekuppelt. In einem Aspekt gestattet der Motor
eine ausreichende Strömung
dort hindurch, um ein MWD- oder anderes Positionsmesswerkzeug und
eine Ausrichtungseinrichtung, wenn so ausgerüstet ist, zu betätigen und
behält
im Wesentlichen die Ausrichtung des Motors mit dem gekuppelten Richtkeil
bei. Eine erhöhte
Strömungsgeschwindigkeit
oder Druck betätigt
den Motor, sobald der Richtkeil eingesetzt ist, und die Drehung
des Schneidwerkzeuges oder einer anderen Ausrüstung kann beginnen.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betätigen
eines Bohrwerkzeuges bereitgestellt, das die folgenden Schritte
aufweist: Kuppeln des Bohrwerkzeuges mit einem Rohrelement, wobei
das Bohrwerkzeug ein Positionsmesswerkzeug aufweist, und gekennzeichnet
durch Kuppeln eines Bohrlochmotors mit dem Rohrelement und selektives
Halten des Bohrlochmotors in einem im Wesentlichen nicht betätigten Zustand,
während
ein Fluid durch den Bohrlochmotor ausreichend strömt, um das
Bohrwerkzeug zu betätigen;
und Betätigen
des Bohrwerkzeuges.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung für eine Verwendung
in einem Bohrloch bereit, die aufweist: ein Motorgehäuse; eine
Motorwelle, die mindestens teilweise innerhalb des Motorgehäuses angeordnet
ist; und einen Fluidkanal in Verbindung mit der Motorwelle und ein
Bohrwerkzeug, das unterhalb des Motorgehäuses angeordnet ist, wobei
die Motorwelle im Wesentlichen nicht betätigt wird, während Fluid
durch das Motorgehäuse strömt, um das
Bohrwerkzeug zu betätigen,
wobei die Vorrichtung außerdem
ein Positionsmesswerkzeug aufweist.
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Weitere
Aspekte und bevorzugte charakteristische Merkmale werden in den
beigefügten
Patentansprüchen
dargelegt.
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Einige
bevorzugte Ausführungen
der Erfindung werden jetzt nur als Beispiel und mit Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Leistungsabschnittes eines
progressiven Hohlraummotors;
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1A eine
schematische Schnittdarstellung des in 1 gezeigten
Leistungsabschnittes;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer Rohrschlange, der in das Bohrloch
eingesetzt wird;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung eines Ankers, der nach unten im
Bohrloch eingesetzt wird;
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4 eine
schematische Schnittdarstellung anderer Bauteile, die mit einem
Rohrelement gekuppelt sind;
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5 eine
schematische Schnittdarstellung eines Richtkeiles, der in Position
eingesetzt ist, und eines Stirnfräsers, der einen Austritt durch
das Futterrohr schneidet;
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6 eine
schematische Schnittdarstellung einer Anordnung von Bauteilen, die
einen hydraulischen Anker 38 verwendet;
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7 eine
schematische Schnittdarstellung der in 6 gezeigten
Anordnung, die einen Richtkeil, der in Position eingesetzt ist,
und einen Stirnfräser
umfasst, der einen Austritt durch das Futterrohr schneidet;
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8 eine
schematische Schnittdarstellung eines Bohrlochmotors;
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9 eine
schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausführung des
in 8 gezeigten Bohrlochmotors.
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2 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines Rohrelementes, das in
das Bohrloch eingesetzt wird. Das Bohrloch wird durch eine Erdoberfläche 11 gebohrt,
um ein Bohrloch 10 herzustellen. Typischerweise wird das
Bohrloch mit einem Futterrohr 14 verrohrt. Ein Zwischenraum 12 zwischen
dem gebohrten Bohrloch und dem Futterrohr 14 wird mit einem
verfestigenden Zuschlagstoff abgedichtet, wie beispielsweise Beton.
Eine Rolle 13 ist benachbart dem Bohrloch 10 angeordnet
und enthält
eine Menge des Rohrstranges, wie beispielsweise der Rohrschlange 15.
Die Rohrschlange 15 dreht sich typischerweise nicht in
einem bedeutenden Maß innerhalb
des Bohrloches. Die Rolle 13 der Rohrschlange liefert eine
Menge an Rohrstrang, die relativ schnell in das Bohrloch 10 eingesetzt
und daraus entfernt werden kann, verglichen mit dem Bohrrohr oder Rohr,
das in Abschnitten montiert und wieder montiert werden muss. Verschiedene
Bauteile können
mit der Rohrschlange 15 gekuppelt werden, wie es nachfolgend
beschrieben wird, beginnend am unteren Ende der Anordnung. Ein Anker 18,
wie beispielsweise ein Brückenstopfen,
Packer oder eine andere Einsetzvorrichtung, wird am Rohr im Allgemeinen
an einem unteren Ende der Anordnung befestigt. Ein Richtkeil 20 wird
am Anker 18 befestigt und umfasst eine längliche
kegelförmige
Fläche,
die das Schneidelement 22, wie beispielsweise einen Stirnfräser, nach
außen
in Richtung des Futterrohres 14 führt. Ein Schneidwerkzeug 22 wird
am Richtkeil mit einem Verbindungselement 24 befestigt.
Ein Verbindungselement 24 kann ein Stück Metall sein, das später im Bohrloch
abgeschert wird, während
das Schneidwerkzeug betätigt
wird. Ein Distanzfräser 26 kann dann
mit dem Schneidwerkzeug 22 gekuppelt werden. Der Distanzfräser 26 ist
typischerweise ein Fräser,
der verwendet wird, um das Loch oder den Austritt weiter zu definieren,
das durch das Schneidwerkzeug 22 gebildet wird. Bei weiteren
Ausführungen können andere
Arten von Schneidelementen gekuppelt werden, wie beispielsweise
Hybridmeißel,
die einen Austritt fräsen
und weiter in die Formation bohren können. Ein Beispiel für einen
Hybridmeißel
wird im U.S.Patent Serien-Nr. 5887668 offenbart und ist hierin als
Literaturhinweis eingeschlossen. Bei einigen Anordnungen wird ein
Stabilisierungsverlängerungsstück 28 an
der Rohrschlange 15 befestigt. Das Stabilisierungsverlängerungsstück 28 weist
Verlängerungen
auf, die aus der Außenfläche vorstehen, um
beim konzentrischen Halten des Rohrelementes und der Bauteile im
Bohrloch 10 zu unterstützen.
Ein Motor 30 kann an der Anordnung der Bauteile über den
Schneidelementen befestigt werden. Der Motor 30 wird benutzt,
um die Schneidelemente zu drehen, während die Rohrschlange drehungsmäßig relativ stabil
bleibt. Vorzugsweise gestattet der Motor 30, dass eine
Menge an Fluid durch den Motor ohne Drehung des Motors zu einem
ersten Zeitpunkt strömt und
gestattet danach, dass eine zweite Menge und/oder ein Druck des
Fluids durch den Motor zu einem zweiten Zeitpunkt strömt, um die Schneidelemente
zu drehen. Ein Positionsmesselement 32, wie beispielsweise
ein MWD-Werkzeug, wird über
dem Motor 30 gekuppelt. Das Positionsmesselement 32 erfordert
ein bestimmtes Strömungsniveau,
typischerweise 80 bis 100 Gallonen pro Minute (6 bis 8 Liter pro
Sekunde), um die auf der Erdoberfläche 11 angeordnete
Ausrüstung
zu betätigen
und eine Rückkopplung
zu bewirken. Eine Ausrichtungseinrichtung 34 ist mit der
Rohrschlange 15 über
dem Positionsmesselement 32 gekuppelt. Die Ausrichtungseinrichtung 34 ist
eine Vorrichtung, die eine inkrementale Winkeldrehung der Bauteile
befähigt,
um den Richtkeil in einer bestimmten Richtung auszurichten. Eine
typische Ausrichtungseinrichtung ist von Weatherford International
erhältlich.
Im Allgemeinen wird die Ausrichtungseinrichtung 34 durch
Starten der Zirkulation und Stoppen der Zirkulation des Fluids betätigt, das
in der Rohrschlange 15 nach unten strömt. Jeder Impuls des Fluids
schaltet die Ausrichtungseinrichtung im Allgemeinen um 15 bis 30° in Abhängigkeit
vom Werkzeug weiter. Daher kann die Ausrichtungseinrichtung 34 die
Anordnung, die den Richtkeil enthält, in eine gewünschte Ausrichtung
innerhalb des Bohrloches drehen, während das Positionsmesselement 32 eine
Rückkopplung
bewirkt, um die Ausrichtung zu bestimmen. Früher war die Nutzung eines MWD-Werkzeuges
mit einem Motor an einer Rohrschlange, während der Richtkeil ausgerichtet
wird, nicht verfügbar.
Die Strömung,
die zur Betätigung
der Ausrichtungseinrichtung 34 und des Positionsmesselementes 32 erforderlich
ist, würde
typischerweise den Motor 30 drehen und die Ausrichtung des
Richtkeiles 20 verändern.
Daher würde
die Genauigkeit der Ausrichtung zwischen der Ausrichtungseinrichtung
und dem Richtkeil verändert
werden, und sie wird im Bohrloch unbekannt sein.
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Es
soll verstanden werden, dass die Anordnung in 2 nur
ein Beispiel ist und daher viele Anordnungen möglich sind. Beispielsweise
kann der Anker 18 separat mit der Rohrschlange 15 gekuppelt und
bei einem Roundtrip in Position eingesetzt werden. Die anderen Bauteile,
wie beispielsweise der Richtkeil, der Fräser, der Motor, die Ausrichtungseinrichtung
und das Positionsmesselement, können dann
bei einem zweiten Roundtrip im Bohrloch eingesetzt werden. Bei anderen
Ausführungen
können
der Anker und der Richtkeil bei einem ersten Roundtrip eingesetzt
werden, und die anderen Bauteile können bei einem zweiten Roundtrip
eingesetzt werden.
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Der
Motor 30 gestattet eine Strömung ohne wesentliche Drehung
bei einer ersten Strömungsgeschwindigkeit
und/oder Druck, um eine ausreichende Strömung durch die Ausrichtungseinrichtung 34 und das
Positionsmesselement 32 ohne Betätigung des Motors zu gestatten,
wie es mit Bezugnahme auf 8 bis 9 beschrieben
wird. Die Strömung
im Rohrelement durch die Ausrichtungseinrichtung, das Positionsmesselement
und den Motor wird danach durch Öffnungen
im Stirnfräser
ausgestoßen
und strömt
nach außen
und danach nach oben durch das Bohrloch 10 zurück zur Erdoberfläche 11.
Die Strömung
durch und um den Motor 30 gestattet die Reduzierung von
mindestens einem Roundtrip beim Einsetzen des Ankers 18 und
Beginnen des Bohrens des Austrittes im Bohrloch 10.
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3 bis 5 sind
Schnittdarstellungen eines Bohrloches, die eine typische Reihenfolge
beim Einsetzen eines mechanischen Ankers, Ausrichten des Richtkeiles
und Beginnen des Schneidens eines Austrittes in zwei Roundtrips
zeigen. Verschiedene Bauteile, die einen Anker 18, einen
Richtkeil 20, ein Schneidwerkzeug 22, einen Motor 30,
ein Positionsmesselement 32 und eine Ausrichtungseinrichtung 34 einschließen, werden
mit dem Rohrelement 16 gekuppelt, wie beispielsweise der
Rohrschlange.
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3 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines Ankers, der im Bohrloch
nach unten eingesetzt wird. Ein Rohrelement 16, wie beispielsweise eine
Rohrschlange, wird nach unten durch das Bohrloch 10 und
innerhalb des Futterrohres 14 eingesetzt. Ein Anker 18,
wie beispielsweise ein mechanischer Anker, wird mit dem unteren
Ende des Rohrelementes gekuppelt. Der mechanische Anker 18 erfordert eine
mechanische Betätigung,
um den Anker in Position einzusetzen, wie jenen Fachleuten bekannt
sein wird. Nachdem der Anker 18 eingesetzt ist, wird der Anker
vom Rohrelement freigegeben, und das Rohrelement wird zur Erdoberfläche zurückgezogen.
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4 ist
eine schematische Schnittdarstellung von verschiedenen Bauteilen,
die mit dem Rohrelement 16 gekuppelt werden, nachdem der
Anker 18 eingesetzt ist. An einem unteren Ende der Anordnung
ist ein Richtkeil 20 an einem Schneidwerkzeug 22 mittels
eines Verbindungselementes 24 befestigt. Ein Distanzfräser 26 ist
mit dem Schneidwerkzeug 22 gekuppelt. Ein Stabilisierungsverlängerungsstück 28 ist
mit dem Distanzfräser 26 gekuppelt,
und ein Motor 30 ist mit dem Stabilisierungsverlängerungsstück gekuppelt.
Ein Positionsmesselement 32 ist mit dem Motor 30 gekuppelt,
und eine Ausrichtungseinrichtung 34 ist mit dem Positionsmesselement
gekuppelt. Die Ausrichtungseinrichtung ist ebenfalls mit dem Rohrelement 16 gekuppelt. Der
Begriff „gekuppelt", wie er hierin verwendet
wird, umfasst mindestens zwei Bauteile, die direkt miteinander gekuppelt
werden, oder die indirekt miteinander gekuppelt werden, wobei dazwischenliegende Bauteile
dort dazwischen gekuppelt werden.
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Das
Rohrelement 16 und die damit gekuppelten Bauteile werden
im Bohrloch nach unten abgesenkt, so dass der Richtkeil 20 dem
Anker 18 benachbart ist. Der Fluidstrom durch das Rohrelement 16 wird
benutzt, um die Ausrichtungseinrichtung 34 zu betätigen und
die Bauteile unterhalb der Ausrichtungseinrichtung drehungsmäßig in eine
gewünschte Ausrichtung
weiterzuschalten. Das Positionsmesselement 32 bewirkt eine
Rückkopplung
zur Ausrüstung,
die im Allgemeinen auf der Erdoberfläche 11 angeordnet
ist (in 2 gezeigt), um die Position
des Richtkeiles 20 für
einen Arbeiter zu ermitteln. Der Motor 30 gestattet eine
ausreichende Strömung
durch die Ausrüstungseinrichtung 34 und
das Positionsmesselement 32, um deren Betätigung ohne
Drehen des Motors 30 und der darunter befestigten Bauteile zu
gestatten. Auf diese Weise wird eine relative Ausrichtung zwischen
dem Positionsmesselement, der Ausrichtungseinrichtung, dem Motor,
den Fräsern und
dem Richtkeil beibehalten. Sobald der Richtkeil richtig ausgerichtet
ist, wird das Rohrelement 16 weiter abgesenkt, so dass
der Richtkeil 20 mit dem Anker 18 in Eingriff
kommt und in Position eingesetzt wird.
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5 ist
eine schematische Schnittdarstellung des Richtkeiles 20,
der in Position eingesetzt ist, und des Schneidwerkzeuges 22,
das einen Austritt durch das Futterrohr 14 unter einem
Winkel zum Bohrloch 10 schneidet. Während die Strömungsgeschwindigkeit
und/oder der Druck des Fluids innerhalb des Rohrelementes 16 größer wird,
wird der Motor 30 betätigt
und dreht das Schneidwerkzeug 22. Ein ausreichendes Drehmoment,
das durch den Motor 30 erzeugt wird, schert das Verbindungselement 24 zwischen
dem Richtkeil 20 und dem Schneidwerkzeug 22. Das
Schneidwerkzeug 22 beginnt sich zu drehen und wird unter
einem Winkel zum Bohrloch 10 durch den Richtkeil 20 geführt. Während das
Rohrelement 16 weiter im Bohrloch nach unten abgesenkt wird,
schneidet das Schneidwerkzeug 22 unter einem Winkel durch
das Futterrohr 14 und erzeugt einen winkeligen Austritt
dort hindurch. Bei einigen Ausführungen
kann das Futterrohr 14 nicht in einem Bohrloch 10 angeordnet
werden. Es soll verstanden werden, dass die hierin für das Schneiden
eines winkeligen Austrittes beschriebenen Anordnungen ungeachtet
dessen zur Anwendung kommen, ob das Futterrohr 14 im Bohrloch
angeordnet ist.
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Die
Ausrichtungseinrichtung 34 ist so konstruiert, dass sie
während
des Betriebes des Motors 30 drehungsmäßig stabil ist, weil der Druck
nicht von einem niedrigen zu einem hohen Druck gepulst wird, das
anderenfalls die Ausrichtungseinrichtung betätigt. Wenn die Ausrichtungseinrichtung 34 jedoch
betätigt
wird und weiterschaltet, beeinflusst die Veränderung der Ausrichtungseinrichtung
nicht die Fähigkeit
des Motors 30, das Schneidwerkzeug 22 zu betätigen, auch
nicht die Richtung des Stirnfräsers,
weil der Stirnfräser
durch den Richtkeil 20 geführt wird.
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6 ist
eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung von Bauteilen,
die einen hydraulischen Anker 38 verwendet. 6 zeigt
die Anordnung, die im Bohrloch nach unten eingesetzt wird und ein
hydraulisches Betätigungselement 35 umfasst,
das mit einer entsprechenden Reihe von Bauteilen gekuppelt ist,
wie mit Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben
wird. Die Bauteile umfassen beispielsweise einen Anker 20 und
ein Schneidwerkzeug 22, das mit dem Anker 20 mit
einem Verbindungselement 24 gekuppelt ist. Außerdem umfasst die
Anordnung einen Distanzfräser 26,
ein Stabilisierungsverlängerungsstück 28,
einen Motor 30, ein Positionsmesselement 32 und
eine Ausrichtungseinrichtung 34, die mit einem Rohrelement 16 gekuppelt ist.
Ein hydraulischer Anker 38 kann fernbetätigt werden und erfordert daher
nicht einen separaten Roundtrip, wie mit Bezugnahme auf 3 beschrieben
wird. Daher kann die in 6 gezeigte Anordnung benutzt
werden, um den Anker und den Richtkeil einzusetzen und mit dem Schneiden
eines Austrittes in einem Bohrloch in einem einzigen Roundtrip zu
beginnen. Die Anordnung wird im Bohrloch nach unten bis zu einer
geeigneten Position abgesenkt. Der Richtkeil 20 wird bei
Benutzung der Ausrichtungseinrichtung 34 in eine Position
ausgerichtet, die durch das Positionsmesselement 32 bestimmt
wird, während
der Motor 30 eine Strömung
dort hindurch ohne eine wesentliche Drehung des Motors gestattet. Der
hydraulische Anker 38 wird mit einem Hydraulikfluid eingesetzt,
das durch ein Rohr (nicht gezeigt) strömt.
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7 ist
eine schematische Schnittdarstellung der in 6 gezeigten
Anordnung. Der hydraulische Anker 38 und der Richtkeil 20 wurden
ausgerichtet und in Position eingesetzt. Der Motor 30 wird durch
eine erhöhte
Strömungsgeschwindigkeit und/oder
Druck betätigt
und dreht das Schneidwerkzeug 22 und andere Elemente, die
unterhalb des Motors 30 angeordnet sind. Während sich
das Schneidwerkzeug 22 dreht und das Rohrelement 16 im
Bohrloch nach unten abgesenkt wird, wird das Schneidwerkzeug 22 durch
den Richtkeil 20 geführt
und schneidet einen Austritt 36 durch das Bohrloch 10. Daher
können
das Einsetzen des Ankers, das Ausrichten des Richtkeiles und das
Schneiden eines Austrittes in einem einzigen Roundtrip durchgeführt werden.
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Ein
Beispiel für
einen Bohrlochmotor, der eingesetzt werden kann, wie es hierin beschrieben
wird, ist ein modifizierter progressiver Hohlraummotor. 8 ist
eine schematische Schnittdarstellung eines derartigen Motors. Der
progressive Hohlraummotor 48 umfasst ein oberes Verlängerungsstück 50 mit
einem Fluideintritt 52, einer Abtriebswelle 54 mit
einem Fluidaustritt 56 und einen dazwischen angeordneten Leistungsabschnitt 58.
Der Leistungsabschnitt umfasst einen Stator 60, der peripher
um einen Rotor 62 angeordnet ist. Der Rotor 62 weist
einen dort hindurch angeordneten Hohlraum 64 auf, der fluidisch vom
Eintritt 52 zum Austritt 56 eine Verbindung herstellt.
Ein Eintritt 66 des Leistungsabschnittes des Motors 48 gestattet,
dass Fluid in einen progressiven Hohlraum strömt, der zwischen dem Stator 60 und dem
Rotor 62 gebildet wird, während sich der Rotor um den
Stator dreht, und um einen Austritt 68 des Leistungsabschnittes
zu verlassen, wie mit Bezugnahme auf 1 und 1A beschrieben
wird.
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Ein
Kreisring 70 stromabwärts
vom Austritt 68 wird zwischen der Innenwand des Motors 48 und verschiedenen
darin angeordneten Bauteilen gebildet, der ein Strömungsweg
für das
Fluid bereitstellt, das den Austritt 68 verlässt. Ein Übertragungskanal 72 stellt
fluidisch eine Verbindung vom Kreisring 70 zu einem Loch 74,
das in der Abtriebswelle 54 angeordnet ist, und danach
zum Ausgang 56 her. Eine Drosselöffnung 75 kann zwischen
dem Hohlraum 64 und dem Kreisring 70 gebildet
werden, um den Hohlraum 64 mit dem Kreisring 70 fluidisch
zu verbinden.
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Weil
der Rotor innerhalb des Stators präzessiert, kann eine Gelenkwelle 76 zwischen
dem Rotor 62 und der Abtriebswelle 54 angeordnet
werden, so dass sich die Abtriebswelle 54 peripher innerhalb
des Motors 48 drehen kann. Die Gelenkwelle 76 kann
ein oder mehrere Gabelgelenke 78 einschließen, die
gestatten, dass der Rotor innerhalb des Stators mit den erforderlichen
Freiheitsgraden präzessiert.
Ein Lager 80 kann an einem oberen Ende einer Abtriebswelle 54 angeordnet
werden, und eine untere Lagerbaugruppe 82 kann an einem
unteren Ende einer Abtriebswelle 54 angeordnet werden.
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Eine
oder mehrere Dichtungen, wie beispielsweise die Dichtungen 84, 86,
unterstützen
das Abdichten des Fluids gegen ein Austreten durch verschiedene
Verbindungen im Bohrlochmtor 48.
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Beim
Betrieb strömt
Fluid nach unten im Rohrelement 16, wie in 3 bis 7 gezeigt
wird, und gelangt in den Eintritt 52 des oberen Verlängerungsstückes 50.
Bei einer relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeit,
wie beispielsweise 10 Gallonen pro Minute (0,8 Liter pro Sekunde),
sind die Strömungsgeschwindigkeit
und der Druck unzureichend, um den Rotor 62 innerhalb des
Stators 60 zu drehen, und das Fluid kommt am Eintritt 66 zum
Stillstand. Einiges Fluid strömt
jedoch in den Hohlraum 64 im Rotor 62 und durch
die Öffnung 75 in
den Kreisring 70 und eventuell durch den Ausgang 56 der
Abtriebswelle 54. Daher kann das Fluid von der Oberseite
des Motors durch den Motor strömen,
ohne dass im Wesentlichen der Motor betätigt wird. Die Strömung durch
den Hohlraum 64 gestattet, dass verschiedene Werkzeuge,
die stromaufwärts
und stromabwärts vom
Motor angeordnet sind, die Strömung
für das Weiterschalten,
Ausrichten oder andere Funktionen aufnehmen, wie es hierin beschrieben
wurde.
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Die
Strömungsgeschwindigkeit
und/oder der Druck können
auf ein Niveau erhöht
werden, bei dem sich der Rotor 62 innerhalb des Stators 60 dreht
und ein Drehmoment an der Abtriebswelle 54 erzeugt, so dass
der Motor stromabwärts
angeordnete Werkzeuge drehen kann, wie beispielsweise ein Schneidwerkzeug,
wie es hierin beschrieben wurde. Die Strömung durch den Hohlraum 64 erreicht
eine maximale Geschwindigkeit bei einem vorgegebenen Druck. Die Strömung durch
den Eintritt 66 und den Austritt 68 mit größeren Strömungsgeschwindigkeiten
und Drücken überwindet die Strömung durch den Hohlraum 64. Außerdem kann
der Motor durch Regulieren der Strömungen aktiviert und abgeschaltet
werden, ohne dass der Motor gezogen und wieder eingesetzt werden
muss.
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9 ist
eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung des
Bohrlochmotors 48. Gleiche Elemente in 8 werden
gleichermaßen
in 9 numeriert. Ein oberes Verlängerungsstück 50 mit einem Eintritt 52 wird
mit einem Leistungsabschnitt 58 gekuppelt, der einen Stator 60 und einen
Rotor 62 aufweist, der darin angeordnet ist. Der Leistungsabschnitt 58 ist
mit einer Abtriebswelle 54 mit einem Austritt 56 gekuppelt.
Ein Strömungsweg existiert
zwischen dem Eintritt 52 und einem Eintritt 66 zwischen dem
Stator 60 und dem Rotor 62, einem Austritt 62,
einem Kreisring 70, einem Übertragungskanal 72 und
einem Loch 74, das mit dem Austritt 56 gekuppelt
ist.
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Im
Allgemeinen strömt
Fluid durch den Eintritt 52 mit einer Strömungsgeschwindigkeit
und einem Druck, die den Rotor 62 zwingen werden, sich innerhalb
des Stators 60 zu drehen. Es ist bekannt, dass ein Prozentanteil
des Fluids bei einem vorgegebenen Druck und Strömungsgeschwindigkeit durch die
Hohlräume
austreten kann, die zwischen dem Stator 60 und dem Rotor 62 gebildet
werden, aber typischerweise beginnt sich der Rotor 62 zu
drehen, bevor eine wesentliche Menge des Fluids dort hindurch austritt.
Bei der in 9 gezeigten Ausführung wird
die Drehung des Rotors durch einen Scherbolzen 88 beschränkt. Der
Scherbolzen 88 kann in einem Loch 90, das durch
eine Außenhülle 92 des
Motors 48 gebildet wird, und in der Abtriebswelle 54 angeordnet
werden. Der Scherbolzen kann in anderen Positionen längs des
Motors 48 angeordnet werden, und die in 9 gezeigte
Position ist nur ein Beispiel. Der Scherbolzen hindert die Abtriebswelle
an einer Drehung und gestattet eine erhöhte Strömung zwischen dem progressiven
Hohlraum, der zwischen dem Stator 60 und dem Rotor 62 gebildet
wird, ohne dass sich der Rotor im Wesentlichen dreht. Auf diese Weise
kann Fluid durch den Bohrlochmotor 48 für eine Aktivierung der Werkzeuzge
sowohl stromaufwärts
als auch stromabwärts
vom Motor zum Strömen
gebracht werden, ohne dass sich der Motor im Wesentlichen dreht.
Die Fluidströmungsgeschwindigkeit
und/oder der Druck können
auf ein Niveau erhöht
werden, bei dem das am Rotor 62 erzeugte Drehmoment den
Scherbolzen 88 abschert und gestattet, dass der Rotor die
Abtriebswelle 54 dreht.
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Während das
Vorangegangene auf verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung
gerichtet ist, können
andere und weitere Ausführungen ausgedacht
werden, ohne dass man von deren grundlegendem Bereich abweicht,
und deren Bereich wird durch die Patentansprüche bestimmt, die folgen. Beispielsweise
umfassen „nach
oben", „nach unten" und Variationen
davon nicht nur eine typische Ausrichtung einer vertikalen Welle
für ein
Bohrloch, sondern umfassen ebenfalls eine laterale Welle, die durch
Richtbohren gebildet wird, so dass „nach oben" in Richtung des Anfangs des Bohrloches
und „nach unten" in Richtung des
lateralen Endes des Bohrloches gerichtet wären. Außerdem sind jegliche hierin beschriebenen
Strömungsgeschwindigkeiten
ein Beispiel und könnten
in Abhängigkeit
von den Bohrlochverhältnissen,
den verwendeten Fluids, der Größe der Werkzeuge,
u.s.w. variieren. Außerdem
können
Abwandlungen beim progressiven Hohlraummotor vorgenommen werden,
ebenso wie bei der Verwendung von anderen Motorarten, die gestatten
würden,
dass Fluid durch den Motor strömt,
so dass Werkzeuge, die stromaufwärts
und stromabwärts vom
Motor gekuppelt sind, aktivert werden können, ohne dass sich der Motor
im Wesentlichen dreht.