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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Öl- und Gasbohrung. Genauer
gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und
ein Verfahren für
das Auswählen
oder Steuern der Richtung von der Erdoberfläche aus, in der ein Bohrloch
verläuft.
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Ein
Bohrarbeiter möchte
oftmals ein Bohrloch ablenken oder seine Richtung zu einer bestimmten
Stelle innerhalb einer produzierenden Formation steuern. Dieser
Vorgang ist als Richtbohren bekannt. Ein Beispiel dafür betrifft
ein Wassereinspritzbohrloch in einem Erdölfeld, das im Allgemeinen an
den Rändern
des Feldes und an einer niedrigen Stelle in jenem Feld (oder der
Formation) positioniert ist.
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Zusätzlich zum
Steuern der erforderlichen Bohrrichtung übt die Formation, durch die
ein Bohrloch gebohrt wird, eine veränderliche Kraft auf das Bohrgestänge zu allen
Zeiten aus. Das kann zusammen mit der speziellen Konfiguration des
Bohrwerkzeuges bewirken, dass der Bohrmeißel nach oben, unten, rechts
oder links abweicht. Der industrielle Begriff, der diesem Effekt
gegeben wird, ist „Bohrlochabweichung", und viele Verfahren,
um die „Bohrlochabweichung" zu steuern oder
umzulenken, wurden in der Industrie ausprobiert. Der Effekt der
Bohrlochabweichung in einem vertikalen Loch kann durch Verändern des
Drehmomentes und des Gewichtes auf den Meißel während des Bohrens eines vertikalen
Loches gesteuert werden. Bei einem stark geneigten oder horizontalen
Bohrloch wird die Bohrlochabweichung jedoch zu einem Hauptproblem.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Um
ein Loch nach links oder rechts abzulenken, kann der Bohrarbeiter
gegenwärtig
unter einer Reihe von speziellen Bohrwerkzeugen auswählen, wie
beispielsweise Bohrmotoren, sogenannten „Neigungsübergängen" und in jüngster Zeit einem steuerbaren
Motor.
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Ein
Neigungsübergang
ist ein kurzes Rohr, das eine geringfügige Biegung nach einer Seite
aufweist, am Rohrgestänge
befestigt ist, gefolgt von einem Messgerät, von dem ein MWD-Werkzeug
(Messung während
des Bohrens, was die Bohrlochrichtungsinformation zur Erdoberfläche bringt)
ein allgemeiner Typ ist, gefolgt von einem Bohrmotor, der am Bohrmeißel befestigt
ist. Das Bohrgestänge
wird in das Bohrloch abgesenkt und gedreht, bis das MWD-Werkzeug
zeigt, dass die Anschnittsschneide des Bohrmeißels in der gewünschten
Richtung liegt. Ein Gewicht wird auf den Meißel mittels der Schwerstangen
aufgebracht, und während
Bohrflüssigkeit
durch das Bohrgestänge
gepumpt wird, dreht der Bohrmotor den Meißel.
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Das
US 3561549 betrifft eine
Vorrichtung, die eine ausreichende Steuerung gewährt, um ein geneigtes Loch
von einer vertikalen Bohrung aus abzulenken und zu beginnen, oder
um die Bohrlochabweichung in einem vertikalen Bohrloch zu steuern.
Das Bohrwerkzeug weist eine sich nicht drehende Hülse auf,
wobei eine Vielzahl von Rippen (oder Keilen) auf einer Seite unmittelbar
unterhalb eines Bohrmotors angeordnet ist, der wiederum an einem
Meißel
befestigt ist.
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Das
US 4220213 betrifft eine
Vorrichtung, die ein beschwertes Futterrohr aufweist. Das Werkzeug ist
so konstruiert, dass es einen Vorteil aus der Schwerkraft zieht,
weil die schwere Seite des Futterrohres die tiefe Seite des Loches
suchen wird. Die tiefe Seite des Bohrloches ist dabei die Seite,
die am weitesten von der Vertikalen weg ist.
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Das
US 4638873 betrifft ein
Werkzeug, das einen federbelasteten Schub und eine beschwerte schwere
Seite aufweist, die einen Messgeräteeinsatz aufnehmen kann, der
mittels einer Halteschraube an Ort und Stelle gehalten wird.
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Das
US 5220963 offenbart eine
Vorrichtung mit einem inneren sich drehenden Futterrohr, das in drei
sich nicht drehenden Elementen untergebracht ist.
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Auf
diese Weise ist bekannt, wie eine Bohrlochabweichung in einem Bohrloch
korrigiert wird. Wenn jedoch Veränderungen
bei den Kräften,
die eine Bohrlochabweichung hervorrufen, während des Bohrens auftreten,
müssen
alle Werkzeuge nach dem bisherigen Stand der Technik zurückgezogen werden,
um die Richtung des Bohrloches zu korrigieren. Die absolute Forderung
für das
Zurückziehen des
Werkzeuges bedeutet, dass ein Roundtrip durchgeführt werden muss. Das führt zu einem
Kompromiss von Sicherheit und einem hohen Aufwand an Zeit und Geld.
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Die
eigene vorherige Patentanmeldung WO 96/31679 des Anmelders und das
U.S. Patent
US 5979570 sprechen
teilweise das Problem der Bohrlochabweichung in einem geneigten
Bohrloch an. Die in dieser Patentanmeldung und dem Patent beschriebene
Vorrichtung weist exzentrisch gebohrte innere und äußere Hülsen auf.
Da die äußere Hülse frei
beweglich ist, so dass sie nach der tiefen Seite des Bohrloches
suchen kann, kann die beschwerte Seite der inneren exzentrischen
Hülse entweder
auf der rechten Seite oder der linken Seite des beschwerten Abschnittes
der äußeren exzentrischen
Hülse positioniert
werden, um in einer binären
Weise die Bohrlochabweichung zu korrigieren.
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Der
Anmelder entwickelte jetzt ein verbessertes Bohrwerkzeug, das die
Bohrlochabweichung in einem stark geneigten Bohrloch korrigieren
kann, und das in der Lage ist, sowohl die Neigung als auch die Bohrlochrichtungswinkelebene
des Bohrloches zu steuern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
für das
selektive Steuern der Richtung eines Bohrloches bereit, wobei die
Vorrichtung aufweist:
ein Futterrohr, das um eine Rotationsachse
drehbar ist; eine Richtungssteuereinrichtung, die mindestens zwei
Elemente aufweist, die längs
des Futterrohres beabstandet sind, und die so ausgebildet (konfiguriert)
sind, dass sie eine Kraft auf das Futterrohr mit einer Komponente
senkrecht zur Rotationsachse anwenden;
ein Gehäuse mit
einer exzentrischen Längsbohrung, die
eine beschwerte Seite bildet und ausgebildet ist, um sich ungehindert
unter der Schwerkraft zu drehen; und
ein Antriebsteil für das selektive
Verändern
des Winkels der Kraft relativ zur beschwerten Seite des Gehäuses um
die Rotationsachse, wobei das Antriebsteil in der Lage ist, die
zwei Teile unabhängig
voneinander zu bewegen.
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Die
Bereitstellung einer zweiteiligen Richtungssteuereinrichtung gestattet
eine stärkere
Kontrolle über
die Bohrrichtung, um in einer erforderlichen Richtung zu bohren,
und um die Bohrlochabweichung auszugleichen. Außerdem gestattet die Bereitstellung
einer zweiteiligen Richtungssteuereinrichtung, dass eine Kraft von
Null auf das Futterrohr durch Vorrücken der Richtungssteuereinrichtung
um das Futterrohr angewandt wird.
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Die
zwei Teile der Richtungssteuereinrichtung können in einer Anzahl von unterschiedlichen Weisen
ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die zwei Teile auf unterschiedlichen
Seiten der mittleren Ebene angeordnet. Eine speziell bevorzugbare
Anordnung wird bewirkt, wenn beide der zwei Teile in der Lage sind,
eine unabhängige
Kraft auf das Futterrohr anzuwenden. Beispielsweise können die
zwei Teile auf beiden Seiten der mittleren Ebene des Gehäuses angeordnet
werden. Beispielsweise können
beide Teile exzentrisch gebohrte Hülsen aufweisen.
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Bei
einer alternativen Konfiguration ist nur ein Teil in der Lage, eine
radiale Kraft auf das Futterrohr anzuwenden, wobei das andere Teil
nur in der Lage ist, eine symmetrische Kraft um das Futterrohr anzuwenden.
Beispielsweise kann ein Teil eine exzentrisch gebohrte Hülse sein,
und das andere kann eine konzentrisch gebohrte Hülse sein. Wenn die Anordnung
in Betracht gezogen wird, wo eine konzentrisch gebohrte Hülse auf
einer Seite der mittleren Ebene und eine exzentrisch gebohrte Hülse auf
der anderen angeordnet ist, dann ist es möglich, eine sogenannte „Point-the-bit"-Anordnung zu bilden.
Die exzentrisch gebohrte Hülse
kann entweder über
oder unter der mittleren Ebene des Gehäuses angeordnet werden. Zwei
exzentrisch gebohrte Hülsen,
die unter 180° zueinander
um das Futterrohr ausgerichtet sind, können ebenfalls diesen Effekt
bewirken.
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Die
Hinweise erfolgten auf das mindestens eine Teil, das exzentrisch
gebohrt ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der gleiche
Effekt mit einer Hülse
erreicht werden kann, die räumlich
symmetrisch um die Rotationsachse verläuft, die aber ein dichteres
Material oder ein Gewicht aufweist, das auf einer Seite der Hülse angeordnet
ist.
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Außerdem besteht
keine Forderung, dass die Richtungssteuereinrichtung eine Hülse ist.
Ein Nocken oder sogar ein lineares Betätigungselement könnte mit
der gleichen Wirkung wie eine exzentrische Hülse verwendet werden.
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Das
Antriebsteil ist ausgebildet, um die zwei Teile der Richtungssteuereinrichtung
unabhängig voneinander
zu bewegen. Das ist ungeachtet der Beschaffenheit der Richtungssteuereinrichtung
anwendbar, beispielsweise, wenn die Richtungssteuereinrichtung eine
Hülse,
einen Nocken, ein lineares Betätigungselement
oder ein anderes Bauteil aufweist, die das gleiche Ergebnis bewirken
können.
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Wo
die Richtungssteuereinrichtung ein lineares Betätigungselement aufweist, kann
das Betätigungselement
so montiert werden, dass sich jenes um den Umfang des Futterrohres
bewegen kann, um eine Kraft auf das Futterrohr in der erforderlichen
Position anzuwenden. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von linearen
Betätigungselementen
um den Umfang des Futterrohres angeordnet. Mehr bevorzugt werden
mindestens drei Betätigungselemente
mit gleichen Winkeln in einer Ebene um das Futterrohr verwendet.
Dabei sind die drei Betätigungselemente sind
in der Lage, eine Kraft auf das Futterrohr in einer Richtung in
einer Ebene um seine Achse anzuwenden.
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Vorzugsweise
ist das Antriebsteil ausgebildet, um die Richtung der Kraft innerhalb
einer Toleranz von höchstens
10°, mehr
bevorzugt höchstens 5°, noch mehr
bevorzugt höchstens
1° zu verändern.
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Eine
mögliche
Konfiguration des Antriebsteils und der Richtungssteuereinrichtung
können
mittels einer Antriebsrad- und Laufbahnanordnung bewirkt werden.
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Die
Laufbahn und das Antriebsrad weisen vorzugsweise eine Vielzahl von
ineinandergreifenden Zähnen
auf, um eine Bewegung dazwischen zu bewirken. Auf eine derartige
Anordnung bezieht man sich im Allgemeinen als eine Ritzel- und Antriebsradanordnung.
Diese Anordnung wird besonders bevorzugt, da, wenn sie stationär ist, das
Antriebsrad gegen die Laufbahn sperrt, was dazu dient, die innere
Hülse in
Position relativ zum Gehäuse
zu sichern. Die Laufbahn- und Antriebsradanordnung könnte ebenfalls
durch ein Antriebsrad mit einem Umfang bereitgestellt werden, der
einen hohen Reibungskoeffizienten mit der Laufbahn aufweist.
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Das
Antriebsrad kann auf einem Teil der Richtungssteuereinrichtung anordnet
werden, und das Gehäuse
kann mit einer Laufbahn auf seiner inneren Fläche versehen werden, so dass
die Bewegung des Antriebsrades eine Bewegung des Teils der Richtungssteuereinrichtung
mit Bezugnahme auf das Gehäuse
bewirkt. Alternativ kann das Antriebsrad im äußeren Gehäuse angeordnet werden, und
ein Teil der Richtungssteuereinrichtung kann mit einer Laufbahn
versehen werden, so dass die Bewegung des Antriebsrades eine relative
Bewegung zwischen dem Teil der Richtungssteuereinrichtung und dem
Gehäuse
beeinflusst. Diese Anordnung wird bevorzugt, da sie gestattet, dass
eine Energiequelle das Antriebsrad antreibt, das innerhalb des Gehäuses angeordnet
ist.
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Die
vorangehend angeführte
Antriebseinrichtung wurde in Beziehung zur Bewegung eines einzelnen
Teils der Richtungssteuereinrichtung beschrieben. Ein einzelnes
Antriebsrad könnte
jedoch verwendet werden, um die zwei Teile der Richtungssteuereinrichtung
zu bewegen. Zwei derartige Antriebseinrichtungen können verwendet
werden, um jeweils die zwei Teile der Richtungssteuereinrichtung anzutreiben.
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Das
Antriebsteil kann einen Hydraulik- oder Elektromotor oder dergleichen
aufweisen. Außerdem kann
die Antriebseinrichtung batteriebetrieben sein oder durch die Drehung
des sich drehenden Futterrohres angetrieben werden.
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Beim
Betrieb muss das Antriebsteil die Richtung der Kraft mit Bezugnahme
auf das äußere Gehäuse bewegen.
Typischerweise sind bestimmte Einrichtungen erforderlich, um das
Antriebsteil zu instruieren, die Position der Richtung der Anwendung
der Kraft auf das Futterrohr zu bewegen.
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Daher
weist die Vorrichtung außerdem
vorzugsweise eine Logikeinrichtung für das Ermitteln auf, wann die
Richtung der Kraft bewegt werden sollte, die durch die Richtungssteuereinrichtung
angewandt wird. Die Logikeinrichtung kann in der Bohrgarnitur angeordnet
werden, oder sie kann auf der Erdoberfläche mit einer Einrichtung für eine Verbindung
mit der Bohrgarnitur angeordnet werden. Wenn die Logikeinrichtung
innerhalb der Bohrgarnitur angeordnet wird, kann sie so ausgebildet
sein, dass sie eine Information zur/von der Erdoberfläche sendet und/oder
empfängt,
um zu ermitteln, wann die Richtung der Kraft bewegt werden sollte.
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Wenn
die Logikeinrichtung in der Bohrlochbaugruppe angeordnet wird und
so ausgebildet ist, dass sie eine Information von der Erdoberfläche empfängt, wird
vorzugsweise eine Information zur Logikeinrichtung bei Benutzung
eines der Parameter gesendet, die während des Bohrens leicht verfügbar sind.
Beispielsweise das Gewicht auf den Bohrmeißel und der Pumpzyklus.
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Die
Logikeinrichtung kann einen Sensor für das Ermitteln der Bohrlochflüssigkeitsimpulse
und das Dekodieren der Impulse aufweisen, um zu ermitteln, wann
die Richtung der Kraft verändert
werden sollte. Eine Reihe von Flüssigkeitsimpulsen
kann nach unten zum Bohrgestänge
gesendet werden. Die Bohrgestängeimpulse
können
benutzt werden, um die Daten zu kodieren, um sie zur Bohrgarnitur
zu senden.
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Der
Flüssigkeitsdruck
könnte
ebenfalls benutzt werden, um die Position der Kraft der Richtungssteuereinrichtung
zu ermitteln. Beispielsweise könnten
Flüssigkeitsdurchgänge bereitgestellt
werden, die sich im Allgemeinen radial durch das Futterrohr erstrecken,
wobei die Richtungssteuereinrichtung und das Gehäuse derart sind, dass, wenn
die Richtungssteuereinrichtung, die beispielsweise eine Hülse, ein
Nocken, usw. sein kann, in einer ersten Position ist, sich die Reihe
der Bohrflüssigkeitsdurchgänge miteinander
so ausrichtet, dass die Bohrflüssigkeit
leicht aus dem Inneren des Futterrohres zur Außenseite des Gehäuses strömen kann,
begleitet von einem relativ geringen Druckabfall, und, wenn die
Hülse nicht
in der ersten Position ist, die Bohrflüssigkeitsdurchgänge versetzt
sind, um so den Bohrflüssigkeitsstrom
aus dem Inneren des Futterrohres zur Außenseite des Gehäuses zu
beschränken,
begleitet von einem relativ hohen Druckabfall. Das gestattet die
Ermittlung der Position der Richtungssteuereinrichtung.
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Bei
einer bevorzugten Anordnung wird das Vorangehende durch die Bereitstellung
einer Bohrmeißeldüsen- und Öffnungskombination
erreicht, die innerhalb des im Allgemeinen radialen Durchganges im
Futterrohr benachbart der Richtungssteuereinrichtung positioniert
ist.
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Außerdem kann
die Logikeinrichtung einen Detektor für das Nachweisen der Drehung
des Bohrgestänges
aufweisen. Die Bohrgestängedrehung könnte durch
Anwendung von Magnetfeldern beispielsweise in der Weise nachgewiesen
werden, die im GB 2356207 beschrieben wird. Die Logikeinrichtung
kann ausgebildet sein, um die Frequenz der Drehung des Bohrgestänges nachzuweisen.
Das gestattet eine Größe eines
Skalarenparameters, wie beispielsweise eines Winkels, über den
die durch die Richtungssteuereinrichtung angewandte Kraft bewegt
wird. Die Logikeinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Zeitdauer
zwischen der Drehung und der Nichtdrehung des Bohrgestänges zu
ermitteln, wobei die Zeitdauer bestimmt, wann der Winkel der Kraft
mit Bezugnahme auf die beschwerte Seite des Gehäuses oder die radiale Position
des Gehäuses verändert werden
sollte.
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Die
Logikeinrichtung und das Antriebsteil können innerhalb des Gehäuses aufgenommen
werden. Alternativ kann die Logikeinrichtung innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses angeordnet
werden, das mit mindestens einem der Futterrohre, Richtungssteuereinrichtung
und Gehäuse
verbunden ist. Die Vorrichtung kann außerdem eine Energiequelle für das Zuführen von
Energie zum Antriebsteil und/oder der Logikeinrichtung aufweisen.
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Vorzugsweise
endet das sich drehende Futterrohr an beiden Enden in dem geeigneten
Standardgestängeverbinder,
der in der Bohrindustrie für eine
leichte Befestigung an Verlängerungsstücken, dem
Meißel,
anderen Bohrwerkzeugen oder dem Bohrrohr verwendet wird.
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Das
sich drehende Futterrohr wird benutzt, um die Rotationsbewegung
des Bohrrohres auf den Bohrmeißel
zu übertragen
und wirkt als Verlängerungsleitung
des Bohrrohres für
alle Bohrflüssigkeiten,
die nach unten im Bohrrohr und auf den Bohrmeißel gelangen.
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Die
vorangehende Beschreibung hat hauptsächlich das Senden einer Information
von der Erdoberfläche
zur Bohrgarnitur betrachtet, um die Position der Kraft auf das Futterrohr
zu verändern.
Während
des Bohrens wird die Bohrgarnitur jedoch tatsächlich innerhalb des Bohrloches
angeordnet; daher ist die Bohrgaritur selbst in einer weit besseren Position,
um Daten zu ermitteln, die Schichten betreffen, als jegliche auf
der Erdoberfläche
basierende Analyseeinrichtung.
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Daher
ist die Bohrgaritur mit einem Sensor für das Ermitteln einer geologischen
Information über die
zu bohrende Formation versehen.
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Die
Sensoreinrichtung weist vorzugsweise einen Sensor und eine Analyseeinrichtung
für das Analysieren
der vom Sensor gesammelten Daten auf. Wenn die Analyse von der Bohrgarnitur
durchgeführt
wird, dann wird keine Zeit damit vergeudet, die Daten zur Erdoberfläche zu senden.
Eine weitere Stufe würde
außerdem
gestatten, dass sich das Werkzeug selbst auf der Basis der Daten
steuert, die von seinen Sensoren ermittelt werden.
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Vorzugsweise
ist der Sensor ausgebildet, um Gammastrahlen nachzuweisen.
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Die
Vorrichtung kann außerdem
eine Vielzahl von Stabilisierungsschuhen aufweisen. Diese Stabilisierungsschuhe
können
peripher um ein vorgegebenes Maß in
Beziehung zum Gewicht des Gehäuses
versetzt sein. Mehr bevorzugt weist die Vorrichtung zwei Stabilisierungsschuhe
auf. Die Stabilisierungsschuhe, die Rippen, Keile, usw. sein können, erstrecken
sich radial nach außen
und seitlich längs des
Umfanges auf beiden Seiten der äußeren exzentrischen
Hülse.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird jetzt mit Bezugnahme auf die folgenden
bevorzugten nicht einschränkenden
Ausführungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
elementare aufgeschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung entsprechend
einer Ausführung
der Erfindung in einem etwas geneigten Bohrloch, das seine tiefe
Seite links aufweist,
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2 eine
elementare Seitenansicht des Werkzeuges aus 1, das eine
beschwerte Seite links aufweist und die Position der Stabilisierungsschuhe
veranschaulicht;
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3 eine
elementare Seitenansicht des Werkzeuges aus 1, um neunzig
Grad gedreht;
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4 eine
elementare Schnittdarstellung des Werkzeuges aus 3 längs A-A' und 4A eine
elementare Schnittdarstellung des Werkzeuges aus 3 längs der
Linie B-B';
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5A eine
elementare Draufsicht des Werkzeuges aus 1, das in
einem Bohrloch eingesetzt wird, wobei seine Verwendung veranschaulicht
wird, indem eine Rechtsdrehung vorgenommen wird;
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5B eine
elementare Draufsicht des Werkzeuges aus 1, das in
einem Bohrloch eingesetzt wird, wobei seine Verwendung veranschaulicht
wird, indem eine rechte Bohrlochabweichung korrigiert wird, oder
wobei alternativ seine Verwendung veranschaulicht wird, indem eine
Linksdrehung vorgenommen wird;
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6 ein
Werkzeug entsprechend einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
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7A einen
Antrieb, der mit dem inneren Futterrohr gekuppelt ist, durch eine
Motoreinrichtung betätigt;
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7B einen
Antrieb, der mit dem äußeren Gehäuse gekuppelt
ist, durch eine Motoreinrichtung betätigt;
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8 eine
elementare Schnittdarstellung, die die Flüssigkeitsdruck-Signalisierungseinrichtung für die Position
der inneren exzentrischen Hülse
veranschaulicht;
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9 eine
elementare Schnittdarstellung der Vorrichtung, die die Signalisierungseinrichtung zeigt,
längs A-A
in 8; und
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10 eine
elementare Schnittdarstellung der Vorrichtung, die eine Signalisierungseinrichtung bei
Anwendung von Magnetfeldern veranschaulicht;
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11 eine
Bohrgarnitur, die ein Werkzeug entsprechend der Erfindung, einen
Meißel,
ein MWD-Werkzeug,
Schwerstangen, usw. umfasst, die nur für die Links/Rechts-Bohrlochkorrektur
verwendet werden;
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12A eine zeichnerische Veranschaulichung für die vorgeschlagene
Bohrgarnitur aus 11, die die Vorrichtung, den
Meißel
und Stabilisierungseinrichtungen zeigt, die nur für die Links/Rechts-Bohrlochkorrektur
verwendet werden;
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12B eine vorgeschlagene zeichnerische Bohrgarnitur,
die die Vorrichtung, den Meißel
und die Stabilisierungseinrichtungen umfasst, die nur für die Aufwärts/Abwärts-Bohrlochkorrektur
verwendet werden;
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12C eine vorgeschlagene zeichnerische Bohrgarnitur,
die für
die Aufwärts/Abwärts- und Links/Rechts-Korrektur
verwendet wird;
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13 eine
elementare Schnittdarstellung einer Vorrichtung in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführung,
wo die Richtungssteuereinrichtung eine Vielzahl von linearen Betätigungselementen
aufweist; und
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14 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung entsprechend einer bevorzugten
Ausführung
der Erfindung, und die einen Sensor aufweist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bevor
die Vorrichtung beschrieben wird, wird die Erscheinung der „Bohrlochabweichung" detaillierter diskutiert.
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Die
Formation, durch die ein Bohrloch gebohrt wird, übt eine veränderliche Kraft auf das Bohrgestänge zu allen
Zeiten aus. Diese veränderliche Kraft
ist im Wesentlichen auf die Rotationsbewegung des Meißels in
Uhrzeigerrichtung, das auf den Bohrmeißel angewandte Gewicht und
die Schichten der Formation zurückzuführen. Die
Formation ist ein allgemeiner Begriff, der verwendet wird, um das
Material zu definieren, nämlich
Gestein, Sand, Schiefer, Ton, usw. – durch das das Bohrloch hindurchgehen wird,
um einen Weg oder einen Kanal zu einer produzierenden Formation
zu öffnen.
Diese veränderliche Kraft
wird zu einer variablen Änderung
der Richtung des Bohrloches führen.
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Die
Formation wird im Allgemeinen durch die Wirkung der Natur über Millionen
von Jahren schichtartig gebildet und ist nicht zwangsläufig eben.
Die Formation wird Einsattelungen aufweisen, die als eine Veränderung
der Richtung der Schichten der Formation definiert werden, die sich
entweder nach oben oder nach unten erstrecken können. Während sich der Bohrmeißel in eine
Einsattelung oder von einer An von Formation zu einer anderen bewegt,
wird sich die Kraft auf den Bohrmeißel verändern und bewirken, dass der
Bohrmeißel
nach oben, unten, rechts oder links abweicht. Dieses Abweichen ist
das natürliche
Ergebnis der Reaktion der Formation auf das Drehmoment in Uhrzeigerrichtung
und die Vorwärtsbohrkraft,
die vom Bohrmeißel
auf die Formation ausgeübt
wird. Mathematisch kann das Ergebnis als ein einfaches Vektorkreuzprodukt
zwischen der Drehmomentkraft und der Bohrkraft oder dem Gewicht
auf den Meißel
betrachtet werden. Das Kreuzprodukt führt zu einer Kraftkomponente
nach rechts von der Bohrkraft. Der industrielle Begriff, der diesem Effekt
gegeben wird, ist „Bohrlochabweichung", und viele Verfahren,
um die „Bohrlochabweichung" zu steuern oder
umzulenken, wurden in der Industrie ausprobiert.
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Die
Bohrlochabweichung ist vorhersagbar, aber die Größe und häufig die Richtung der Bohrlochabweichung
sind im Allgemeinen nicht vorhersagbar. Betrachtet man das Vektorkreuzproduktmodell,
so kann man sehen, dass, während
die Bohrkraft oder das Gewicht auf den Meißel variiert wird, das Kreuzprodukt
variiert. Oder, wenn die U/min. des Bohrgestänges variiert werden, variiert
das Kreuzprodukt. Oder, wenn sich die Formation verändert, verändert sich
das Kreuzprodukt. Beim Bohren eines Bohrloches variieren alle diese
Kräfte
konstant; daher verändert
sich die Größe der Bohrlochabweichung
konstant. Die Industrie hat gelernt, die Auswirkungen der Bohrlochabweichung
in einem vertikalen Loch zu steuern, indem das Drehmoment und das
Gewicht auf den Meißel
variiert werden, während
ein vertikales Loch gebohrt wird. In einem geneigten (nicht vertikalen)
Loch ist die Bohrlochabweichung jedoch problematischer.
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Mittels
der Definition in der Industrie, sobald ein geneigtes Loch hergestellt
wird, wird die Seite des Bohrloches, die der echten Horizontalen
am nächsten
ist, als die „tiefe
Seite" des Loches
bezeichnet. Auf die entgegengesetzte Seite des Loches bezieht man
sich als die „hohe
Seite", und sie
wird als ein Bezugspunkt durchgängig
beim Bohrvorgang des Bohrloches verwendet. Die Bohrkraft folgt der
Längsausdehnung
des Bohrloches; daher ist die Bohrkraft parallel zur und beabstandet
von der tiefen Seite des Loches. Da die Bohrlochabweichung das Ergebnis des
angewandten Drehmomentes und der Bohrkraft ist, kann dann erwartet
werden, dass die normale Bohrlochabweichung nach rechts von der
tiefen Seite des Loches erfolgen wird. Diese Definition betrifft
alle Bohrlöcher.
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In
einem vertikalen Loch oder einem etwas geneigten Loch kann die Bohrlochabweichung
dadurch gesteuert werden, dass so viel Steifigkeit wie möglich im
unteren Abschnitt des Bohrgestänges
in der Nähe
des Bohrmeißels
entfaltet wird. Das kann und wird im Allgemeinen durch Verwendung
von Bohrgestängebauteilen
von hoher Steifigkeit und Gewicht (Schwerstangen oder schweres Bohrrohr)
und Stabilisierungseinrichtungen bewirkt werden. Eine Stabilisierungseinrichtung,
die in der Industrie gut bekannt ist, ist ein rohrartiges Element
mit einer Kombination von radialen Rippen oder Keilen (worauf man sich
im Allgemeinen als Stabilisierungsschuhe oder -rippen bezieht),
die oftmals eine schraubenförmige Konfiguration
aufweisen, peripher um das Rohr angeordnet sind und sich über den
Außendurchmesser des
Rohres hinaus erstrecken. Die Verlängerung der Stabilisierungsrippen
ist auf den Durchmesser des Bohrmeißels begrenzt. Daher wird die
Stabilisierungseinrichtung in einem stabilen Loch funktionieren.
Wenn sich das Bohrloch jedoch auswäscht (der Durchmesser infolge
der Formation oder anderer mechanischer oder hydraulischer Bohrlocheffekte größer wird),
oder wo die durch die Rippen ausgeübte seitliche Kraft geringer
ist als die Drehmomentwirkung des Bohrmeißels, dann verliert die Stabilisierungseinrichtung
ihre Wirksamkeit, und es wird zur Bohrlochabweichung kommen. Daher
wird in einem stark geneigten oder horizontalen Bohrloch die Bohrlochabweichung
zu einem Hauptproblem.
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Sehr
oft möchte
der Bohrarbeiter das Bohrloch ablenken oder seine Richtung zu einer
vorgegebenen Stelle innerhalb einer produzierenden Formation steuern.
Dieser Vorgang ist als Richtbohren bekannt. Beispielsweise wird
ein Wassereinspritzbohrloch in einem Erdölfeld im Allgemeinen an den
Rändern
des Feldes und an einer niedrigen Stelle in jenem Feld (oder Formation)
positioniert. Ein vertikales Bohrloch wird hergestellt, und das
Bohrloch wird von der Vertikalen so „abgelenkt", dass sich ein geneigtes (oder sogar
horizontales) Bohrloch ergibt. Es ist jetzt erforderlich, den Bohrmeißel und
das Gestänge
zur erforderlichen Stelle in der relevanten Formation selektiv zu
führen.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine Steuerung des Bohrloches in
sowohl der vertikalen Ebene (d.h., nach oben und nach unten) als
auch in der horizontalen Richtung (d.h., nach links und nach rechts)
erforderlich.
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1 ist
eine Seitenansicht, die eine aufgeschnittene Ansicht einer Bohrvorrichtung 10 zeigt. Die
Vorrichtung wird in einem geneigten Bohrloch, gezeigt. 1 vergrößert die
tiefe Seite 2a des Loches 2, das die Industrie
als die Seite des Loches definiert, die der Erdmitte am nächsten ist.
Die tiefe Seite 2a des Loches befindet sich auf der linken
Seite des gesamten Bohrloches 2.
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Die
Vorrichtung 10 wird an einem oberen Zwischenverlängerungsstück 4 befestigt
gezeigt, das wiederum an einem Bohrgestänge (nicht gezeigt) befestigt
würde.
Das Zwischenverlängerungsstück befindet
sich am oberen Ende der Vorrichtung 10, d.h., dem Ende
der Vorrichtung 10, das der Öffnung des Bohrloches 2 am
nächsten
ist. Das Zwischenverlängerungsstück ist an
einem inneren drehbaren Futterrohr 11 befestigt. Für die Zwecke
dieser Beschreibung werden die relativen Begriffe obere und untere mit
Bezugnahme auf das Bohrloch definiert, wobei das obere Ende des
Bohrloches das offene Ende ist, wobei das untere Ende die Bohrfläche ist.
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Das
Zwischenverlängerungsstück dient
dazu, das Bohrgestänge
mit dem inneren drehbaren Futterrohr 11 zu verbinden. Das
Zwischenverlängerungsstück 4 kann
jedoch nicht erforderlich sein, wenn die Bohrstrangrohrgewindegänge zu den
Gewindegängen
der Vorrichtung 10 passen.
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Das
Futterrohr 11 weist einen länglichen mittleren Teil 11a auf,
der sich fast über
die gesamte Länge
des Werkzeuges 10 erstreckt. An beiden Enden ist der mittlere
Teil 11a des Futterrohres mit einem oberen Futterrohrabschnitt 11b und
einem unteren Futterrohrabschnitt 11c verbunden.
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Der
obere Teil 11b des Futterrohres 11 ist am oberen
Zwischenverlängerungsstück 4 befestigt.
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Der
untere Teil 11c des inneren sich drehenden Futterrohres 11 ist
direkt an einem Bohrmeißel 7 befestigt.
In der Praxis kann ein unteres Zwischenverlängerungsstück zwischen dem Futterrohr
und dem Bohrmeißel 7 angeordnet
werden, wenn die Gewindegänge
zwischen dem Futterrohr 11 und dem Bohrmeißel 7 abweichen.
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Ein
innere exzentrische Hülse 12 ist
um mindestens einen Teil des Futterrohres angeordnet. Das Futterrohr 11 kann
sich ungehindert innerhalb der inneren exzentrischen Hülse 12 drehen.
In der Praxis werden Lagerflächen
zwischen dem inneren sich drehenden Futterrohr 11 und der
inneren exzentrischen Hülse 12 vorhanden
sein, um eine Drehung des Futterrohres 11 zu gestatten.
Das Futterrohr 11 muss zu einer andauernden Drehung innerhalb
der inneren Hülse 12 in
der Lage sein. Die Lagerflächen werden
detaillierter nachfolgend in der Beschreibung diskutiert.
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Die
innere Hülse 12 des
Beispiels weist zwei Teile auf, einen oberen Teil 12a und
einen unteren Teil 12b. In der Vorrichtung 10 aus 1 weisen
sowohl das obere Teil 12a als auch das untere Teil 12b eine
exzentrische Bohrung für
das Aufnehmen des Futterrohres 11 auf. Der obere Teil 12a ist
nahe des oberen Endes der Vorrichtung 10 angeordnet, und der
untere Teil 12b ist in Richtung des unteren Teils der Vorrichtung 10 angeordnet.
Der obere und untere Teil der inneren Hülse sind voneinander entlang
der Länge
des Futterrohres 11 beabstandet.
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Ein
im Wesentlichen rohrförmiges
Gehäuse, worauf
man sich als Außengehäuse 13 bezieht,
vervollständigt
die Vorrichtung 10, wie sie im Beispiel in 1 gezeigt
wird. Im Beispiel in 1 nimmt das Außengehäuse 13 den
mittleren Teil 11a des Futterrohres 11 auf. Der
obere 12a und untere Teil 12b der inneren Hülse sind
jeweils am oberen und unteren Ende des Gehäuses 13 angeordnet,
so dass das Gehäuse 13 nur
einen Abschnitt eines jeden des oberen und unteren Teils der inneren
Hülse 12a, 12b bedeckt.
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Die
innere exzentrische Hülse 12 kann
ungehindert innerhalb eines Bogens mittels einer Antriebseinrichtung
(nicht gezeigt) innerhalb eines exzentrischen Außengehäuses 13 oder Futterrohres gedreht
werden. Die Lagerflächen
zwischen dem inneren und äußeren Futterrohr
sind nicht kritisch, da sie sich nicht in einer konstanten gegenseitigen
Drehung befinden. Sie müssen
jedoch in der Lage sein, in der Bohrumgebung sauber zu bleiben.
Abgedichtete Lagersysteme wären
geeignet.
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Das
Außengehäuse ist
auf seiner Außenseite
exzentrisch. Auf diese schwerere Seite des Gehäuses 13 bezieht man
sich als den „schweren
Abschnitt" 20.
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Der
schwere Abschnitt 20 des Außengehäuses bildet die schwere Seite
des Außengehäuses und
wird als ein Teil der äußeren Hülse hergestellt. Das
Außengehäuse 13 ist
unter der Schwerkraft frei drehbar, so dass der schwere Abschnitt 20 immer
die tiefe Seite des Bohrloches suchen wird. Beim Betrieb wird die
Position der inneren Hülsen
mit Bezugnahme auf die Position des schweren Abschnittes 20 des Außengehäuses eingestellt.
Daher ist die innere Hülse 12 mit
Bezugnahme auf das Außengehäuse beweglich.
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2 und 3 sind
Außenansichten
der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung wird ohne das obere Zwischenverlängerungsstück 4 oder
den Bohrmeißel 7 gezeigt.
Der obere und untere Teil 11b und 11c des Futterrohres
sind jeweils oben und unten bezüglich der
Vorrichtung 10 angeordnet. Benachbart dem oberen und unteren
Teil 11b und 11c des Futterrohres 11 sind
der obere und untere Teil 12a und 12b der inneren
Hülse angeordnet.
Von außen
betrachtet ist das Außengehäuse 13 zwischen
dem oberen 12a und unteren Teil 12b der inneren
Hülse angeordnet. Wie
mit Bezugnahme auf 1 erklärt wird, sind der obere und
untere Teil der inneren Hülse 12 teilweise innerhalb
des Gehäuses 13 angeordnet.
Die Position des schweren Abschnittes 20 des Gehäuses 13 wird im
Umriss gezeigt.
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Stabilisierungsschuhe 21 sind
auf der Außenseite
des Gehäuses 13 angeordnet.
Bei diesem speziellen Beispiel sind drei Stabilisierungsschuhe um
den Umfang des Gehäuses 13 angeordnet.
Die Schuhe sind länglich
und parallel zur Rotationsachse der Vorrichtung 10 ausgerichtet.
Die Schuhe 21 sind in 90° Intervallen
voneinander positioniert. Da nur drei Schuhe vorhanden sind, erstrecken
sie sich nicht um den gesamten Umfang des Außengehäuses. Die Schuhe 21 sind
so angeordnet, dass ein erster Schuh 180° weg vom beschwerten Abschnitt
vorhanden ist, wobei zwei Schuhe auf beiden Seiten des ersten Schuhs
positioniert sind. Die Schuhe 21 dienen dazu, jeglicher
gegenwirkender Drehung seitens des Außengehäuses entgegenzuwirken, die
durch eine Lagerreibung zwischen dem sich drehenden Futterrohr 11 und
der inneren exzentrischen Hülse 12 hervorgerufen
wird, und das Gehäuse 13 innerhalb
des Bohrloches 2 zu zentrieren.
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Die
Stabilisierungsschuhe sind normalerweise entfernbar und so bemessen,
dass sie dem Bohrlochdurchmesser entsprechen. Tatsächlich würden die
gleichen Verfahrensweisen, die angewandt werden, um eine Standardstabilisierungseinrichtung
zu bemessen, beim Auswählen
der Größe der Stabilisierungsschuhe
angewandt. Alternativ könnten
die Schuhe 21 zusammenhängend
mit dem Außengehäuse 13 gebildet
werden.
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Weitere
Konstruktionen, die Antidrehungsmerkmale enthalten, können ebenfalls
verwendet werden. Beispielsweise kann mindestens ein Teil der Außenfläche des
Gehäuses
mit zahnartigen Vorsprüngen
versehen werden, die mit der Seite des Bohrloches in Eingriff kommen
können.
Kupplungsmechanismen können
ebenfalls verwendet werden, um das Außengehäuse zu stabilisieren.
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3 zeigt
die Vorrichtung aus 2, um 90° gedreht. Drei sekundäre Schuhe 14 sind
um den unteren Teil 11e des Futterrohres 11 angeordnet.
Diese Stabilisierungsschuhe 14 sind symmetrisch um den
Umfang des Futterrohres mit 120° zwischen
einem jeden Schuh 14 angeordnet.
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2 und 3 zeigen
die Hauptachse des Bohrloches 2 als C/LW und
die Rotationsachse des Meißels
(oder Bohrgestänges)
als C/LD. Die Rotationsachse des Bohrgestänges und
die Hauptachse des Bohrloches werden nicht immer parallel zueinander
sein. Beispielsweise wenn die Richtung der Steuereinrichtung eine
Veränderung
in der gewünschten Bohrrichtung
bewirkt. Die Rotationsachse und die Hauptachse sind durch die Exzentrizität der inneren Hülse in 3 versetzt
und in den Ansichten in 2 und 4 zusammen
angeordnet.
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Wenn
das Werkzeug durch die Achse betrachtet wird, die durch das schwere
Gehäuse
hindurchgeht, sind die Längsachsen
versetzt; andererseits, wenn durch die Achse betrachet wird, die
durch die zwei Stabilisierungsschuhe 21 verläuft, sind
die zwei Längsachsen
zusammen angeordnet.
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Vorangehend
wurde die Forderung von Lagerflächen
zwischen der Innenfläche
der inneren Hülse
und der Außenfläche des
sich drehenden Futterrohres erwähnt.
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Die
Lager zwischen dem inneren drehbaren Futterrohr und der inneren
exzentrischen Hülse
werfen eine Anzahl von interessanten Problemen auf. Wenn das Werkzeug
beim konventionellen Bohren verwendet wird, muss sich das innere
Futterrohr mit Drehzahlen von bis zu 250 U/min. innerhalb der inneren
exzentrischen Hülse
drehen. Wenn das Werkzeug bei Bohrmotoren verwendet wird, wird die
Lagerdrehzahl von der Position des Bohrmotors mit Bezugnahme auf
das Werkzeug abhängig
sein, kann aber im Wesentlichen höher als die 250 U/min. sein, die
beim normalen Bohren angewandt werden. Der Bohrmotor kann an beiden
Enden des Werkzeuges angeordnet werden. Wenn der Motor nächst dem Meißel angeordnet
wird, dann wird die Lagerdrehzahl Null betragen. Wenn das Werkzeug
zwischen dem Bohrmotor und dem Meißel angeordnet wird, wird die Drehzahl
die gleiche sein wie die der Abtriebswelle des Bohrmotors. Diese
Drehzahl kann höher
als 250 U/min. sein, die normalerweise als die maximalen U/min.
betrachtet werden, denen man beim konventionellen Rotarybohren begegnet.
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Die
innere Futterrohr-zu-innere-Hülse-Hochleistungslager
müssen
geschmiert werden, und das Schmierfluid wird die Bohrflüssigkeit
sein, die durch das System zirkuliert. Das bedeutet, dass das Lager in
der Lage sein muss, mit einigen Feststoffen zu funktionieren, die
eine potentielle scheuernde Beschaffenheit aufweisen, die im Strom
vorhanden sind. Lager dieser Beschaffenheit werden in der Industrie
gut verstanden und werden ein geringes Problem hervorrufen. Es muss
erwartet werden, dass das Drucklager zwischen den zwei Elementen,
siehe Stelle 28 in 9, eine
Abnutzung zeigt und so ausgelegt ist, dass es in vernünftigen
Wartungsintervallen ausgewechselt werden kann, ohne dass man zu komplizierten
Wartungsmöglichkeiten
Zuflucht nimmt. Im Grunde genommen ist die Drucklagerfläche ein
Opferlager, und es sollten Pläne
erstellt werden, um dieses Lager bei jedem Meißelwechsel auszuwechseln. (Zumindestens
sollte das Lager jedes mal dann geprüft werden, wenn das Werkzeug
an die Erdoberfläche
kommt.) Eine Einrichtung kann ebenfalls bereitgestellt werden, um
die Lagerabnutzung auf der Erdoberfläche ohne Zeitverlust zu messen.
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Die
Drehung zwischen dem Außengehäuse 13 und
der inneren exzentrischen Hülse 12 wird
von der Erdoberfläche
aus gesteuert und tritt „bei
Bedarf" auf. Daher
müssen
diese Lagerflächen
nicht hohe kontinuierliche Drehzahlen aufnehmen, und normale abgedichtete
Lager können
verwendet werden.
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4 zeigt
eine Schnittdarstellung des Werkzeuges 10 durch die Linie
A-A' in 3.
In 4 ordnet sich der schwere Abschnitt 20 des
Außengehäuses 13 selbst
auf der tiefen Seite des Bohrloches 2 an. Die Stabilisierungsschuhe 21,
die sich auf dem Umfang des Außengehäuses befinden,
sind so angeordnet, dass der mittlere Schuh an der hohen Seite des
Bohrloches 2 angeordnet wird, wobei die anderen zwei Schuhe
auf der rechten und linken Seite des Bohrloches 2 angeordnet
werden. Die innere Hülse 12 befindet
sich innerhalb der Bohrung des Gehäuses 13. Vorangehend
wurde die innere Hülse 12 in
Form von zwei Teilen beschrieben, einem oberen 12a und
einem unteren Teil 12b. 4 zeigt
eben den oberen Teil 12a der Hülse. Es wird jedoch von jenen
Fachleuten erkannt werden, dass der untere Teil 12b der
Hülse 12 ebenfalls
in dieser Schnittdarstellung verwendet werden könnte. Die innere Hülse 12 ist
exzentrisch gebohrt. Das Futterrohr 11 oder, genauer, der
mittlere Teil 11a des Futterrohres ist innerhalb der Bohrung
der inneren Hülse 12 angeordnet. Die
innere Hülse 12 kann
mit Bezugnahme auf den schweren Teil 20 des Außengehäuses 13 gedreht werden,
wodurch sich die Kraft auf das Futterrohr 11 verändert.
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4A zeigt
eine Schnittdarstellung durch die Linie B-B' in 3. In diesem
Teil des Werkzeuges ist kein Außengehäuse 13 oder
innere Hülse 12 vorhanden.
Die Fig. zeigt eben das Futterrohr 11 mit seiner konzentrischen
Bohrung. Drei sekundäre
Stabilisierungsschuhe 14 sind symmetrisch um das Futterrohr 11 angeordnet.
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Die
Funktion der Vorrichtung wird jetzt mit Bezugnahme auf 5A und 5B beschrieben. 5A und 5B zeigen
Außenansichten
des Werkzeuges 10 gleich der, die in 2 und 3 gezeigt
wird. Um eine unnötige
Wiederholung zu vermeiden, werden daher gleiche Bezugszahlen verwendet,
um gleiche charakteristische Merkmale zu kennzeichnen. Die Beschreibung
derartiger charakteristischer Merkmale wird nicht wiederholt. Ein
Bohrmeißel 7 ist
am unteren Ende des Werkzeuges 10 in der Weise angeordnet,
die mit Bezugnahme auf 1 beschrieben wird. Außerdem ist
ein Zwischenverlängerungsstück 4 am
oberen Teil des Futterrohres 11 angeordnet, wie es ebenfalls
mit Bezugnahme auf 1 beschrieben wird.
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Sowohl 5A als
auch 5B zeigen eine „Draufsicht" der Vorrichtung,
d.h., die Vorrichtung 10 wird von der hohen Seite des Bohrloches
betrachtet, und der schwere Abschnitt 20 ist auf der unteren
Seite des Bohrloches unterhalb der Vorrichtung 10 angeordnet.
In 5A wird die Versetzung der oberen und unteren
Hülse 12 nach
weit rechts vom Bohrloch eingestellt. Das bedeutet, dass die dickere
Seite der inneren Hülse 12 in
Richtung der rechten Seite des Bohrloches angeordnet ist. Das bewirkt,
dass das Außengehäuse einen
Druck gegen die rechte Seite des Bohrloches 2 ausübt. Der
Drehpunkteffekt gegen die rechte Seite des Bohrloches erzeugt eine
Kraft gegen die rechte Seite des sich drehenden Futterrohres, die
den Bohrmeißel,
der daran befestigt ist, zwingt, ein Loch mit einer Linksneigung
zu bilden.
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Die
innere Hülse 12 weist
einen oberen Abschnitt 12a und einen unteren Abschnitt 12b auf.
Bei diesem spezifischen Beispiel werden beide Abschnitte zusammen
bewegt. Beide Abschnitte werden mit einer geneigten Linie gezeichnet,
die die Position der schweren Seite der inneren Hülse 12 zeigt.
Diese Linie ist ein Ergebnis der inneren Nockenform der inneren
Hülse.
Der Nocken weist notwendigerweise eine breitere Seite und eine schmalere
Seite auf.
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Der
Verdeutlichung halber, wann auch immer die radiale Anordnung des
breiteren Teils des Nockens in einer bestimmten Lage mit Bezugnahme
auf das Bohrloch ist, werden die durch den Nockenabschnitt erzeugten
Kräfte
das Bohrloch in einem Vektor von 180 Grad zur Position des breiteren
Abschnittes ablenken.
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Der
breiteste Teil des Nockens, der zum Außengehäuse 13 am nächsten ist
(wie es gezeichnet wird), definiert die Position der Neigung der
inneren Hülse.
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5B zeigt
die umgekehrte Situation zu 5A. Hierbei
wird der breitere Neigungsabschnitt der inneren Hülse in Richtung
der linken Wand des Bohrloches 2 gelenkt. Das bewirkt,
dass das Außengehäuse 13 einen
Druck gegen die linke Seite des Bohrloches ausübt. Daher bewirkt in diesem
Fall der Drehpunkteffekt gegen die linke Seite des Bohrloches, dass
der Meißel
ein Loch mit einer Rechtsneigung bildet.
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Der
vorangehend angeführte
Arbeitsgang, wobei die breitere Seite der inneren Hülse entweder zur
rechten Seite oder zur linken Seite des schweren Abschnittes 20 des
Gehäuses
verschoben werden kann, ist eine vereinfachte Arbeitsweise. Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist jedoch zu weit komplizierteren
Arbeitsgängen
in der Lage. Bei der bevorzugten Ausführung kann die Position der
Hülse auf
innerhalb einer Toleranz von 10° oder
weniger in bestimmten Fällen
gesteuert werden.
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Die
breitere Seite der inneren Hülse 12 kann sogar
180° vom
schweren Abschnitt 20 weg ausgerichtet werden. Diese Anordnung
legt die Drehpunktkraft an zwei Stellen der Baugruppe am Boden des Außengehäuses und
ebenfalls am Meißel
selbst an. Das bewirkt, dass sich der Meißel nach unten bewegt, aber
die Art und Weise des Unterschneidens des Außengehäuses. In einer gleichen Weise
könnte der
Meißel
ebenfalls nach oben getrieben werden, indem der breitere Teil der
inneren Hülse
längs einer Achse
ausgerichtet wird, die parallel zum schweren Gehäuse verläuft. Das würde bewirken, dass der Meißel nach
oben getrieben wird. Daher könnte
jegliche Kombination von Richtungssteuerung des Meißels nach
oben/unten/links/rechts bewirkt werden.
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6 zeigt
eine weitere Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Um eine unnötige Wiederholung zu vermeiden,
wurden die gleichen Bezugszahlen wie bei 1 verwendet.
Die Konstruktion des Futterrohres 11 und des Außengehäuses 13 sind
mit jenen identisch, die für 1 beschrieben
wurden. Der obere Teil der inneren Hülse weicht jedoch von dem,
der in 1 gezeigt wird, darin ab, dass der obere Teil
der inneren Hülse 12a konzentrisch
gebohrt ist. Diese Kombination einer konzentrischen oberen Hülse und
einer exzentrischen unteren Hülse 12b gestattet
eine stärkere
Kontrolle über
die Bohrrichtung und weist eine solide Anordnung mit Bezugnahme
auf die Bohrmechanik auf. Außerdem
ist diese relativ einfache Anordnung, bei der nur die Bewegung der
oberen Hülse
erforderlich ist, besonders vorteilhaft. Diese sogenannte „Point-the-bit"-Anordnung kann ebenfalls
bewirkt werden, wenn die untere Hülse 12b konzentrisch
und die obere Hülse 12a exzentrisch
ist.
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Die
Kräfte,
die bei einem „Point-the-bit"-Ablauf erzeugt werden,
können
von jenen abweichen, die genutzt werden, wenn zwei exzentrische
Nocken vorhanden sind. In einer Konfiguration, die einen exzentrischen
Nocken und einen konzentrischen inneren Hülsenabschnitt aufweist, ist
die wesentliche Wirkung das Neigen des Meißels weg von der Achse und
bewirkt daher einen gewissen Neigungsgrad betreffs des Meißelschneidaufbaus.
Eine derartige Anordnung würde
beträchtliche
Vorteile bringen, wenn das Bohrloch gebohrt wird, und kann zu einem
saubereren Profil beim Bohrloch führen, ein wünschenswerter Zustand, insbesondere,
wenn das Bohren ausgeweitet wird, um Bohrlochprofile zu erreichen.
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Wenn
der konzentrische Hülsenabschnitt
näher am
Meißel
als der Nockenabschnitt angeordnet wird, wird die wesentliche Wirkung
des Nockenabschnittes geringer sein als die, wo der Nockenabschnitt
näher am
Meißel
als der konzentrischen Hülse
angeordnet wird. Um den gleichen Grad der Bohrlochkrümmung von
beiden Konfigurationen zu erreichen, wäre daher ein stärker versetzter
Nocken erforderlich, wenn sich der Nocken am oberen Ende des Werkzeuges
befindet.
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Der
schwere Abschnitt 20 des Außengehäuses 13 stellt einen
Bezugspunkt oder „Erdungspunkt" bereit, auf den
sich die Meißelneigung
bezieht. Die tatsächlichen
Neigungskräfte
werden auf die geeignete Seite des Bohrloches durch einen der Stabilisierungsschuhe 21 angewandt.
Bei Benutzung würde sich
das Futterrohr des Werkzeuges drehen. Es ist wichtig, dass die Drehung
des Futterrohres 11 nicht die Drehung des Außengehäuses 13 bewirkt.
Daher ist es wichtig, dass das Drehmoment, das auf die äußere Hülse vom
sich drehenden Futterrohr 11 übertragen wird, nicht die selbstaufrichtende
Drehmomentmasse des Außengehäuses 13 infolge
der Schwerkraft übersteigt.
Wenn sich das Außengehäuse 13 vom
Bezugspunkt auf der tiefen Seite des Loches wegdreht, wird die Meißelneigung
nicht korrigiert, und die Richtungsqualitäten der Vorrichtung werden
versagen. Daher kann es erforderlich sein, unterschiedliche Drehzahlen
für das
Drehen des Futterrohres 11 anzuwenden, um die Massendrehmomentbeschränkungen
des Außengehäuses 13 zu überwinden.
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Paradoxerweise
wird die Masse des Gehäuses 13 wirksamer,
während
der Neigungswinkel (die Bohrlochabweichung von der Vertikalen) größer wird. Höhere Drehzahlen
können
daher in dieser Situation angewandt werden. Glücklicherweise stimmt diese Fähigkeit
der Anwendung von höheren
Drehzahlen bei größeren Neigungswinkeln
mit der Forderung nach einer schnellen Werkzeugreaktion bei einem steilwinkeligen „fast horizontalen
oder horizontalen" Bohrloch überein.
Die Bedienperson wird die Bohrlochleistung des Werkzeuges überwachen
müssen, um
zu ermitteln, ob sich das Werkzeug vom Bezugspunkt auf der tiefen
Seite wegdreht. Standardbohrlochmessvorrichtungen können diese
Information liefern. Regulierungen der Drehzahl des Futterrohres können auf
der Erdoberfläche
variiert werden, um jegliches Manko der Masse-Drehmoment-Leistung des
Außengehäuses auszugleichen.
Wie es vorangehend diskutiert wird, ist zusätzlich zum Wunsch der Bedienperson,
in einer spezifischen Richtung zu bohren, ebenfalls eine veränderliche
Kraft vorhanden, die versucht, den Meißel von der gewünschten
Bahn wegzutreiben.
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Die
Abweichungskorrektur nach dem bisherigen Stand der Technik, die
eine Wendung in der Richtung des Bohrloches erforderte, um das Abweichen
nach links/rechts (Bohrlochrichtungswinkel) oder nach oben/unten
(Neigung) vom erforderlichen Bohrlochweg zu korrigieren. Im Wesentlichen
würden ein
Neigungsübergang
und Bohrmotor (oder steuerbarer Motor) im Bohrloch angeordnet und
in der erforderlichen Richtung ausgerichtet, um die berechnete Richtungsabweichung
zu korrigieren. Diese Werkzeuge würden einen Bohrlochknick (eine
relativ scharfe Wendung im Bohrloch, verglichen mit dem gesamten
Bohrloch) an der Korrekturstelle anordnen. Sobald das Bohrloch in
der richtigen Richtung hergestellt ist, werden die normalen Bohrverfahren
wieder aufgenommen, bis die nächste
Messung eine nicht akzeptable Abweichung zeigt. Daher ist ein Bohrloch nicht
geradlinig oder gleichmäßig – es sieht
wie ein Korkenzieher aus. Die augenblickliche Vorrichtung wird eine
relativ gleichmäßige Korrektur
gestatten; daher wird das Bohrloch nicht wie ein Korkenzieher aussehen,
und es wird leichter sein, während
der gesamten Bohr-, Verrohrungs- und Produktionsarbeitsgänge hineinzukommen
und auszutreten. Das heißt, die „Qualität" des Bohrloches wird
in bedeutendem Maß gegenüber dem
gewärtigen
Stand der Technik verbessert.
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Es
sollte beachtet werden, dass die innere exzentrische Hülse mit
sich verändernden
Graden der Exzentrizität
oder Versetzung von der Mittelachse des Bohrloches hergestellt werden
kann. Die erforderliche Exzentrizität würde von der Formation, dem
Durchmesser des Bohrloches, der Geschwindigkeit des Bohrens, der
Art des Bohrens, der maximalen projektierten Kursänderung
des Bohrloches und dergleichen abhängig sein. Die Vektorwechselwirkung
des Schuhs mit der Bohrlochwand wird selektiv durch die Drehung
der inneren Hülse
gesteuert; daher wird die Größe der Versetzungskraft
durch das Verhältnis
der Exzentrizität
der inneren Hülse
bestimmt. Ein kleineres Verhältnis
gleicht dabei einer kleineren Vektorkraft, und ein größeres Verhältnis gleicht
dabei einer größeren Vektorkraft.
Die Versetzung kann von Zehnteln eines Zolls (Millimeter) bis zu
Zoll (Zentimetern) variieren und sollte idealerweise auf dem Feld
austauschbar und regulierbar sein. Je größer die Versetzung ist, desto
plötzlicher
ist die Veränderung
der Bohrlochrichtung und desto höher ist
die Belastung auf die Innenlager. Beim Bohren eines geradlinigen
Bohrloches sollte die Versetzung der Exzentrizität kleiner als etwa ½ Zoll
(1,27 cm) sein.
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Es
sollte ebenfalls daran erinnert werden, dass die innere exzentrische
Versetzung und die effektive Dicke des Werkzeuges (wobei die effektive Dicke
als der Werkzeugdurchmesser zwischen den Außenflächen der Schuhe oder dem Gehäuseberührungspunkt
und dem Innendurchmesser des Bohrloches definiert wird) miteinander
in Wechselbeziehung stehen. Daher ist es wichtig, dass die effektive Dicke
des Werkzeuges leicht auf dem Feld regulierbar ist, um sich an die
Bohrlochnennweite (die gleiche wie die effektive Dicke des Werkzeuges)
anzupassen, oder um eine gewisse unerwartete Wechselwirkung mit
dem Werkzeug zu berücksichtigen.
Beispielsweise kann es bekannt sein, dass die Formation das Werkzeug
weiter nach rechts treibt als erforderlich; daher könnte der
rechte Schuh in seiner Dicke vergrößert werden, während der
linke Schuh in seiner Dicke verkleinert werden könnte, um diese Tendenz auszugleichen.
Die gesamte effektive Dicke des Werkzeuges würde die gleiche bleiben, aber
die Seitenbohrlochkraft auf der rechten Seite des Bohrloches würde wirksam
erhöht.
Die tatsächlichen
Werte und dergleichen müssten
auf dem Feld ermittelt werden, da viele Parameter in der Bohrindustrie
vorhanden sind. Daher sind die Schuhe auf dem Feld austauschbar
und werden durch Stifte oder irgendeinen ähnlichen wirksamen Haltemechanismus
an Ort und Stelle gehalten.
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Die
Wahl der inneren Hülse
und der resultierenden Versetzung und der effektiven Dicke des Werkzeuges
kann an der Stelle der Bohranlage vorgenommen werden. Die Bohringenieure
würden
die Formationseigenschaften, das Bohrprogramm und andere gute bekannte
Parameter betrachten, um eine anfängliche Versetzung und Nennweite
zu ermitteln. Wenn das Werkzeug übermäßig oder
zu wenig korrigiert, dann würde
die innere Hülse
(oder die Schuhe) bei einer geeigneten Gelegenheit (wie beispielsweise
einem „Meißelspiel") verändert, und
das Werkzeug würde
zum Bohrloch zurückgeführt.
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Vorangehend
hat sich die Spezifikation auf die Antriebseinrichtung für das Positionieren
der inneren Hülse 12 mit
Bezugnahme auf das Gehäuse 13 bezogen. 7A und 7B zeigen
potentielle Anordnungen für
das Positionieren der inneren Hülse 12 mit
Bezugnahme auf das Außengehäuse.
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In 7A ist
das Antriebsteil innerhalb des schweren Abschnittes 20 des
Gehäuses
angeordnet. Ein Hohlraum 27 ist innerhalb des schweren
Abschnittes 20 angeordnet. Innerhalb dieses Hohlraumes
ist ein Antriebsrad 25 angeordnet. Der äußere Umfang der inneren Hülse 12 ist
mit einem Ritzel versehen. Die Zähne
auf dem Ritzel 25 sind in der Lage, mit den Zähnen auf
der Zahnstange 26 in Eingriff zu kommen, so dass die Bewegung
des Ritzels 25 eine Bewegung der Hülse 12 mit Bezugnahme
auf das Außengehäuse 13 bewirkt.
Außerdem
wird typischerweise die Einrichtung für das Antreiben des Ritzels 25,
die einen Elektro-, Hydraulikmotor oder eine andere Einrichtung
aufweisen kann, innerhalb des schweren Abschnittes 20 des
Gehäuses 13 angeordnet.
Die Stromversorgung kann durch eine Batterie bereitgestellt werden,
die ebenfalls innerhalb des schweren Gehäuses angeordnet ist, oder die
Drehung des Futterrohres 11 kann benutzt werden, um das
Ritzel 25 zu drehen.
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7B zeigt
eine Veränderung
bei der Anordnung aus 8A. Hierbei
ist eine Zahnstange um den inneren Umfang des Außengehäuses 13 vorhanden.
Die beschwerte Seite der inneren Hülse ist mit einem Ritzel 25 versehen.
Die Bewegung des Ritzels 25 bewirkt eine Bewegung des Außengehäuses 13 in einer
gleichen Weise wie der, die mit Bezugnahme auf 7A beschrieben
wurde.
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Während die
Zähne der
Zahnstange 26 und des Ritzels 25 in Wechselwirkung
stehen, werden die innere Hülse 12 und
das Außengehäuse in Position mit
Bezugnahme zueinander verriegelt, sobald das Ritzel 25 stationär wird.
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Um
die Richtung des Werkzeuges zu verändern, oder um eine Bohrlochabweichung
zu korrigieren, muss die Antriebseinrichtung betätigt werden und ihr mitgeteilt
werden, um wieviel die innere Hülse zu
bewegen ist. Eine derartige Information könnte von der Erdoberfläche signalisiert
werden. Außerdem
bevorzugt man, wenn es dort ein bestimmtes Verfahren zum Signalisieren
an die Erdoberfläche gibt,
die Position der inneren Hülse 12 zu
bestätigen.
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Es
soll möglich
sein, Messwerkzeuge zu verwenden und die Richtung des Bohrloches
zu verfolgen, und, wann auch immer die Richtung nicht richtig ist,
kann die Vorrichtung 10 von der Erdoberfläche mit Signalen
versehen werden, um die erforderliche Veränderung vorzunehmen. Beispielsweise,
um das Lagerteil der inneren Hülse
von links nach rechts oder umgekehrt oder von oben nach unten oder
umgekehrt mit einem Drehungsgrad der inneren Hülse 12 oder von Teilen
der Hülse
mit Bezugnahme zum Außengehäuse an der
Erdoberfläche
zu drehen, und danach der Bohrvorrichtung mitzuteilen, um die erforderliche
Drehung der inneren Hülse
zu bewirken.
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Der
Grad der Drehung der inneren Hülse während der
Einstellung der Vorrichtung ist bei der anfänglichen Position der Hülse und
der geforderten resultierenden Richtung des Bohrloches möglich.
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Die
bevorzugte Verfahrensweise wird für die Bewegung eines einzelnen
Teils der inneren Hülse beschrieben,
was in 8 und 9 veranschaulicht wird. Ein
Durchgang 17 ist in das sich drehende Futterrohr gebohrt,
was gestattet, dass einige Bohrflüssigkeit aus der Bohrung über weitere
versetzte Durchgänge
austritt, die in der inneren Hülse, 16,
und im Außengehäuse, 15,
gebohrt sind. Der Durchgang 17 im drehbaren Futterrohr
endet in einer Meißel-Düse/Austrittsöffnungs-Kombination 19.
Die Meißel-Düse ist in
der Lage, den Druckabfall ohne Beschädigung aufzunehmen. Eine Nut 18 ist
in die Außenfläche der inneren
exzentrischen Hülse 12 eingeschnitten,
die gestattet, dass die Bohrflüssigkeit
aus der Bohrung austritt, selbst wenn die Durchgänge 15, 16 nicht
ausgerichtet sind. Wenn die Durchgänge 15, 16 ausgerichtet
sind, ist die Geschwindigkeit der Bohrflüssigkeit, die die Bohrung verlässt, höher als
die Geschwindigkeit, wenn die Durchgänge nicht ausgerichtet sind.
Daher würde
ein Druckdifferenzsignal an der Erdoberfläche ankommen, wann auch immer
die innere Hülse
von einer Position zur anderen umgeschaltet oder geschaltet wird.
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In
der äußersten
rechten Position verlässt mehr
Flüssigkeit
die Bohrung. In der äußersten
linken Position verlässt
weniger Flüssigkeit
die Bohrung. Eine Druckveränderung
wird an der Bodenfläche
auftreten, weil mehr oder weniger Flüssigkeit am Meißel vorbeiströmt. Druckveränderungen
werden leicht in der Industrie gemessen. Wenn sich der Druck von hoch
nach niedrig verändert,
dann ist der Exzenter in der äußersten
rechten Position. Wenn sich der Druck von niedrig nach hoch verändert, dann
ist der Exzenter in der äußersten
linken Position. Die Konstruktion der Labyrinthdurchgänge, basierend
auf den vorangehenden prinzipiellen Details, kann die Fähigkeit des
Werkzeuges verbessern und gestatten, dass mehrere Hülsenpositionen
auf der Erdoberfläche
angezeigt werden.
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Andere
Verfahrensweisen könnten
angewandt werden, um den Zustand der inneren Hülse zu signalisieren, und derartige
Verfahrensweisen liegen nicht außerhalb des Bereiches dieser
Offenbarung. Beispielsweise könnte
eine Kodierung bei Verwendung einer Reihe von kodierten Impulsen
angewandt werden. Derartige Impulse würden zur Erdoberfläche während der
Bewegung der inneren Hülse
gesendet werden, die bei Anwendung von standardisierten industriellen
Verfahrensweisen dekodiert werden können, um die Ruheposition der
Hülse 12 zu
offenbaren. Es kann möglich
sein, ein elektrisches oder akustisches oder ein bestimmtes anderes
Signal zu einem sekundären
Werkzeug oder zur Messgeräteausrüstung innerhalb
der Bohrgarnitur zu übermitteln
und zu veranlassen, dass das Werkzeug die erforderliche Information
zur Erdoberfläche übermittelt. Das Übermitteln
der kodierten Information zur Erdoberfläche als eine Reihe von Spülungsimpulsen
oder anderen Telemetrievorrichtungen wird in der Industrie völlig akzeptiert
und zur Anwendung gebracht.
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In
einer gleichen Weise kann das Übermitteln
von Druckimpulsen von der Erdoberfläche zum Werkzeug angewandt
werden, um der Logik zu signalisieren, den Zustand der inneren Hülse 12 umzuschalten.
Beispielsweise ist das einfachste und bevorzugte Umschaltverfahren
das Unterbrechen des Bohrens über
eine Zeitdauer, die die Zeitdauer übersteigt, um ein Gestängerohr
hinzuzufügen.
Während dieser
Zeitdauer würde
der Spülungsdruck
abnehmen, und die Logik „sieht" das Ereignis. Die
Logik startet einen Zeitschalter, und nach der angemessenen Zeitdauer
wird der inneren Hülse
mitgeteilt, ihren Zustand umzuschalten. In Abhängigkeit von der Motoreinrichtung
würde die
Hülse umschalten
oder warten, bis der Flüssigkeitsstrom
wieder aufgenommen wird, um eine Antriebskraft zu erhalten. Diese
Verfahrensweise kann ausgedehnt werden, um einer Schrittmotor-Antriebseinrichtung
zu signalisieren, sich in eine bestimmte Position zu bewegen, oder
um individuell einer Bohrgarnitur zu signalisieren, die sowohl Aufwärts/Abwärts- als
auch Links/Rechts-Werkzeuge enthält.
Auf diese Weise könnten
irgendwelche standardisierten Spülungssignalisierungsverfahrensweisen
angewandt werden.
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Die
in Verbindung mit dem Werkzeug der Erfindung verwendete Logik kann
ein zusammenhängender
Teil des Werkzeuges sein oder vollständig separat davon angeordnet
werden. Außerdem
kann eine Energiequelle oder ein Stromversorgungsteil für das Versorgen
der Logikschaltungen innerhalb des Werkzeuges als ein Anbauteil
angeordnet werden, das sich in einem separaten Verlängerungsstück befindet
oder vollständig
davon entfernt ist.
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Eine
Verbindung zwischen der Erdoberfläche und der augenblicklichen
Vorrichtung kann ebenfalls durch Anwendung der Drehung des Bohrgestänges hergestellt
werden. Die Logikeinrichtung kann eine Einrichtung für das Nachweisen
der Bohrgestängedrehung
einschließen,
wobei die Bohrgestängedrehung
eine kodierte Information enthält,
die von den Bohrmechanismen oder der Messgeräteausstattung verstanden und
entschlüsselt
wird, die die radiale Position der inneren Hülse der Vorrichtung bestimmen.
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Ebenfalls
kann die Logikeinrichtung eine Einrichtung für das Nachweisen der Bohrgestängedrehung
und das Messen einer Zeitdauer zwischen der Drehung und der Nichtdrehung
des Bohrgestänges umfassen.
Die gemessene Zeitdauer kann benutzt werden, um zu ermitteln, wann
die innere exzentrische Hülse
mit Bezugnahme auf das Außengehäuse gedreht
werden sollte. Daher kann die Vorrichtung eine Zeitsteuervorrichtung
umfassen.
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Außerdem kann
die Logikeinrichtung ein Verfahren und eine Vorrichtung umfassen,
um die augenblickliche Vorrichtung in die Lage zu versetzen, die
Drehung des Bohrgestänges
nachzuweisen und die Drehzahl des Bohrgestänges in einer derartigen Weise
zu quantifizieren, dass die Drehzahl genau quantifiziert werden
kann, um einen Zahlenwert zu ermitteln, der bei der Ermittlung der
Hülsenposition verwendet
werden kann.
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Eine
derartige Anordnung wird in 10 gezeigt.
Die Vorrichtung 10 weist ein Außengehäuse 13 mit einer exzentrischen
Bohrung auf. Eine innere Hülse 12 befindet
sich innerhalb der Bohrung, so dass das Außengehäuse 13 drehbar um
die innere Hülse 12 gekuppelt
wird. Die innere Hülse 12 weist
ebenfalls eine exzentrische Bohrung auf, die so ausgebildet ist,
dass sie ein sich drehendes Futterrohr 11 aufnimmt, so
dass sich die innere Hülse 12 relativ
zu sowohl dem Außengehäuse 13 als
auch dem Futterrohr 11 drehen kann.
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Eine
Verbindungsvorrichtung, die einen Magneten 4 aufweist,
ist am sich drehenden Element 11 befestigt. Der Magnet
ist in einer Vertiefung am sich drehenden Element 11 angeordnet.
Diese spezifische Ausführung
benutzt den Magneten als einen Emitter. Von jenen Fachleuten wird
jedoch erkannt werden, dass der Magnet durch irgendeinen Typ eines
emittierenden Sensors ersetzt werden könnte.
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Das
Außengehäuse 13 enthält Instrumentenzylinder 6.
Die Instrumentenzylinder 6 sind mit Messeinrichtungen versehen.
Während
des Bohrens des Bohrloches 2 sucht der schwere Abschnitt
des Außengehäuses die
tiefe Seite des Bohrloches, und die Position des Außengehäuses bleibt
mit Bezugnahme auf das Bohrloch relativ stationär. Das Futterrohr 11 und
der Magnet 4 drehen sich relativ zum Außengehäuse 13. Flusslinien 5 werden
vom Magneten 4 mit einer ausreichenden Größe ausgestrahlt,
um das Umgebungsfeld der Erde zu überwinden. Die Flusslinien 5 erstrecken
sich radial über
den Instrumentenzylinder 6 hinaus, so dass Sensoren innerhalb
des Instrumentenzylinders 6 die Intensität des emittierten
Magnetfeldes nachweisen können.
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Wenn
der Magnet 4 gedreht wird, so dass er den Sensoren im Instrumentenzylinder 6 am
nächsten
ist, weisen die Sensoren eine maximale Amplitude im Magnetfeld nach.
In einer gleichen Weise, wenn der Magnet 4 vom Instrumentenzylinder 6 am entferntesten
ist, wird ein Minimum bei der Amplitude des Magnetfeldes nachgewiesen.
Das von den Sensoren nachgewiesene Feld kann sinusförmig sein, wenn
es möglich
ist, das abgestrahlte Magnetfeld zu allen Zeiten zu messen, wenn
sich das Futterrohr 11 dreht. Um das zustande zu bringen,
wird mindestens ein Teil und möglicherweise
das gesamte Bohrgestängefutterrohr
aus austenitischen Materialien oder Materialien mit gleichen nichtmagnetischen
Eigenschaften konstruiert werden müssen.
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Da
es jedoch nur erforderlich ist, die Frequenz der Drehung des Futterrohres 11 zu
messen, ist es angemessen, wenn der Sensor so ausgebildet ist, dass
er ein Maximum im Feld nachweist, wenn sich der Magnet am nächsten zum
Sensor befindet. Mit anderen Worten, der Sensor muss eben eine Reihe
von Impulsen nachweisen, wo jeder Impuls einer jeden Drehung des
Futterrohres 11 äquivalent
ist.
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Grenzwerte
können
ebenfalls festgelegt werden, die die Wirkung des Magnetfeldes der
Erde ausschalten und die als Grenzschalter dienen. Diese Grenzschalter
können
als ein Mittel der Logiksteuerung innerhalb der Sensoranordnung
oder innerhalb einer Logiksteuerunterbaugruppe verwendet werden.
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Ein
zweiter Instrumentenzylinder 6a wird ebenfalls gezeigt.
Dieser kann ebenfalls Magnetsensoren enthalten. Die Bereitstellung
von zwei Magnetsensoren gestattet, dass Fehler leichter nachgewiesen
werden.
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Der
Sensor, der innerhalb des Instrumentenzylinders isoliert ist, befindet
sich vorzugsweise in einem aus nichtrostendem Stahl bestehenden
oder anderem magnetisch durchlässigen
Druckbehälter,
so dass die Instrumentenausstattung vom Bohrlochdruck isoliert ist.
Der Instrumentenzylinder kann ein Magnetometer oder eine Hall-Effekt-Vorrichtung
oder dergleichen für
das Nachweisen des Magnetfeldes aufweisen.
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Unvermeidlich
wird Material zwischen dem Magnetsensor im Instrumentenzylinder 6 und
dem Magneten 4 vorhanden sein, der am sich drehenden Element
angeordnet ist. Dieses dazwischenkommende Material sollte, so weit
wie möglich,
magnetisch durchlässig
sein. Mit anderen Worten, das Magnetfeld sollte durch dieses Material
hindurchgehen, ohne dass es abgelenkt oder verzerrt wird. Materialien,
die diese Eigenschaften zeigen, umfassen austenitische nichtrostende
Stähle
und anderes Nichteisenmaterial.
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11 zeigt
eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 ist das
Bohrwerkzeug mit einem Bohrmeißel
und einem Zwischenverlängerungsstück 4 verbunden.
In 11 ist der untere Teil des Futterrohres 11 mit
dem Bohrmeißel 7 mittels
des Zwischenverlängerungsstückes 6 verbunden.
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Das
obere Zwischenverlängerungsstück 4 gestattet,
dass das Werkzeug 10 mit Messwerkzeugen 5 und
Schwerstangen 8 verbunden wird. Die Schwerstangen sind
am Bohrgestänge 9 befestigt. Zusätzliche
Stabilisierungseinrichtungen (nicht gezeigt) werden gemäß den standardisierten
Bohrverfahren hinzugefügt.
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12A bis 12B zeigen
eine zeichnerische Veranschaulichung einer Anordnung von Stabilisierungseinrichtungen,
die bei einem Bohrarbeitsgang verwendet werden, ohne dass die erforderlichen
Schwerstangen, Messwerkzeuge und Verlängerungsstücke gezeigt werden.
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12A ist eine zeichnerische Veranschaulichung einer
Anordnung von Stabilisierungseinrichtungen, die bei einem Bohrarbeitsgang
verwendet werden, ohne dass die erforderlichen Schwerstangen, Messwerkzeuge
und Verlängerungsstücke gezeigt
werden. Der augenblicklichen Vorrichtung 10 folgt eine
zweite Strangstabilisierungseinrichtung 23 und weitere
Stabilisierungseinrichtungen 22, die das Bohrprogramm erfordern
kann.
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Wie
es vorangehend erklärt
wird, kann das Werkzeug eine Richtungssteuerung sowohl nach oben
und unten als auch nach links bis rechts bewirken. Für die Steuerung
nach oben/unten wird die von mindestens einem der Teile der Richtungssteuereinrichtung
bewirkte Versetzung entweder neben der beschwerten Seite des Gehäuses oder
entgegengesetzt der Position der beschwerten Seite des Gehäuses bereitgestellt. 12B ist eine zeichnerische Darstellung einer Vorrichtung,
die verwendet wird, um nur nach oben/unten zu steuern. Hierbei folgt dem
Meißel 7 eine
nahe gelegene Meißelstabilisierungseinrichtung 24,
wobei das Aufwärts/Abwärts-Werkzeug
10M mit einem Abstand „1" vom Meißel angeordnet
wird. Dieser Abstand würde
sich zwischen 15 ft. (4,57 m) und 30 ft. (9,14 m) bewegen. (Die
Verwendung des Britischen Einheitssystems ist der Standard in der
Bohrindustrie; daher benutzt diese Beschreibung den Industriestandard.)
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Die
vorangehende Beschreibung hat sich in großem Umfang auf eine Vorrichtung
konzentriert, wo die Richtungssteuereinrichtung durch exzentrische
Hülsen
oder Nocken bereitgestellt wird. Die vorliegende Erfindung kann
jedoch ebenfalls realisiert werden, indem lineare Betätigungselemente
als Teil der Richtungssteuereinrichtung verwendet werden. Derartige
lineare Betätigungselemente
können
bereitgestellt werden, um so das Futterrohr in der gleichen Weise
zu neigen wie die vorangehend erwähnten Hülsen oder Nocken.
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13 zeigt
eine Schnittdarstellung der Vorrichtung, die mit linearen Betätigungselementen
ausgebildet ist.
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Um
eine unnötige
Wiederholung zu vermeiden, wo es angemessen ist, werden gleiche
Bezugszahlen verwendet, um gleiche charakteristische Merkmale zu
kennzeichnen. Vergleicht man 13 mit
den Schnittdarstellungen in 7A und 7B, so
kann man sehen, dass ein beschwertes Gehäuse 13 vorhanden ist,
das das Futterrohr 11 umgibt. Das Futterrohr 11 ist
innerhalb der Hülse 12 angeordnet. Das
Futterrohr 11 kann sich frei innerhalb der Hülse 12 bewegen.
Die Hülse 12 ist
mit dem Gehäuse 13 mittels
drei linearer Betätigungselemente 31, 33 und 35 verbunden.
Die drei linearen Betätigungselemente 31, 33 und 35 sind
in einer Ebene um das Futterrohr angeordnet und voneinander um 120° versetzt. Ein
jedes der linearen Betätigungselemente
ist so ausgebildet, dass es sich ausziehen oder zusammenziehen kann,
wie es gefordert wird.
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In 13 wird
das lineare Betätigungselement 35 vollständig ausgezogen,
das lineare Betätigungselement 33 wird
vollständig
zusammengezogen, und das lineare Betätigungselement 31 wird
teilweise ausgezogen. Bei dieser Anordnung wird das Futterrohr in
Richtung nach oben links in der Fig. in der gleichen Weise wie das
Futterrohr aus 7A geneigt. Die gestrichelten
Linien zeigen eine abweichende Position, wo das lineare Betätigungselement 35 zusammengezogen
und das Betätigungselement 33 ausgezogen
wird, um die Futterrohrposition in Richtung der rechten Seite des
Gehäuses 13 zu
neigen.
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Daher
können
die linearen Betätigungselemente
benutzt werden, um das Futterrohr mit Bezugnahme auf das beschwerte
Gehäuse 13 zu
neigen, wie es erforderlich ist, um die Bohrrichtung zu verändern.
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14 ist
eine schematische Darstellung, die eine bevorzugte Ausführung einer
Vorrichtung in Übereinstimmung
mit der Erfindung veranschaulicht, wo die Vorrichtung außerdem einen
Sensor aufweist.
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Um
eine unnötige
Wiederholung zu vermeiden, werden die gleichen Bezugszahlen wie
jene in 1 verwendet. Außerdem ist
ein Sensor 37 am unteren Futterrohr 11c angeordnet.
Der Sensor kann an anderen Positionen an der Vorrichtung angeordnet
werden.
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Der
Sensor kann ein Gammastrahlensensor und so ausgebildet sein, dass
er eine Information zur Erdoberfläche sendet, so dass das Werkzeug
von der Erdoberfläche
gesteuert werden kann, oder er kann so ausgebildet sein, dass er
die Signale analysiert, die er erfasst, so dass die Vorrichtung
diese Information benutzen kann, um ihre eigene bevorzugte Bohrrichtung
auszuwählen.