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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erhalten
einer Steuerung des Fluiddruckes eines Bohrloches und auf eine programmierbare
Steuerung zur Verwendung in einem solchen Verfahren. Das Verfahren
wird während
des Bohrens von unterirdischen Bohrlöchern angewendet, die üblicherweise
für Öl- oder
Gasbohrungen verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren verwendet
werden, um eine Kontrolle des hydrostatischen Fluiddrucks in einem
Bohrloch wieder zu gewinnen, nachdem das Bohrloch einen Einbruch
eines Fluides aus der Formation erhielt. Das Verfahren gemäß dieser
Erfindung kann ein rascheres Auspumpen des Fluideinbruchs aus dem
Bohrloch erleichtern, indem ein dichteres Fluid in das Bohrloch eingeströmt wird,
um die hydrostatische Kontrolle des Bohrloches wiederzugewinnen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Beim
Bohren unterirdischer Bohrlöcher
wird üblicherweise
ein Bohrfluid („Bohrschlamm") durch ein Bohrfluid-Zirkulationssystem
(„System") zirkuliert. Das
Zirkulationssystem kann ein Bohrgestell und eine Behandlungsausrüstung für den Bohrschlamm aufweisen,
die beide auf der Oberfläche
gelegen sind. Das Bohrfluid kann durch eine Schlammpumpe durch die
innere Passage eines Bohrstranges, durch einen Bohrmeißel und
zurück
zu der Oberfläche
des Bohrloches durch den Ringraum zwischen dem Bohrloch und dem
Bohrstrang gepumpt werden.
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Eine
wesentliche Funktion eines Bohrschlammes liegt darin, eine Kontrolle
des hydrostatischen Fluiddruckes von Fluiden in den von dem Bohrloch
durchstoßenen
Formationen aufrechtzuerhalten. Zu einem Bohrschlamm können Füllstoffe
hinzugefügt
werden, um die gewünschte
Schlammdichte zu erreichen. Herkömmliche,
mit Überschuss
arbeitende Bohrtechniken erhalten typischerweise einen hydrostatischen
Fluiddruck in der Formation aufrecht, der gleich oder geringfügig höher im Hinblick auf
den Fluiddruck in der Formation („Porendruck") ist, und zwar sowohl,
wenn der Bohrschlamm umgewälzt
beziehungsweise zirkuliert wird oder nicht. In mit Mangel arbeitenden
Bohrtechniken wird der hydrostatische Druck in dem Bohrloch durch
den Bohrschlamm auf einem Wert gehalten, der geringfügig kleiner
als der Porendruck in der Formation ist, wobei zusätzlich eine
Steuer- beziehungsweise Kontrollausrüstung an der Oberfläche des
Bohrloches verwendet wird. Wenn das Bohrloch auf eine Zone mit einem
höheren
Porendruck als dem statischen Fluiddruck in dem Bohrschlamm trifft,
kann ein Einbruch eines Formationsfluides in das Bohrloch auftreten. Ein
solches Auftreten ist bekannt als „Kick".
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In
der Bohrindustrie zum Bohren von Bohrlöchern ist es allgemeine Praxis,
während
des Verlaufs der Bohrung des Bohrloches häufig die niedrigen Pumpgeschwindigkeiten
für den
Bohrschlamm und entsprechend die Pump-Zirkulationsdrücke zu messen
und aufzuzeichnen, die erforderlich sind, um den Bohrschlamm mit
einer reduzierten Rate mit den Bohrschlammpumpen zu zirkulieren.
Solche Messungen können
in solchen Intervallen vorgenommen werden, die zum Auspumpen oder
Umwälzen
eines Kicks aus dem Bohrloch verwendet werden können, die im Bereich der Hälfte oder
eines Drittels der üblichen
Zirkulationsrate liegt. Es können
auch weitere Bestimmungen durchgeführt werden, einschließlich der
gesamten Anzahl von Pumphüben,
die notwendig sind, um die Zirkulation in dem Bohrloch aufrechtzuerhalten.
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Wenn
ein Kick erfasst wird, kann die einbrechende Flüssigkeit und/oder das Gas aus
der Formation die Dichte des Bohrfluides in dem Ringraum des Bohrloches „beschneiden", sodass dann, wenn
mehr Fluid aus der Formation in das Bohrloch einbricht, die hydrostatische
Kontrolle in dem Bohrloch verloren gehen kann. Eine solche Gegebenheit
kann an dem Bohrgestell in Form einer Änderung des Druckes in dem
Ringraum des Bohrloches, von Änderungen
der Schlammdichte und/oder einer Zunahme des Volumens des Bohrfluides
in den Systemtanks für
den Bohrschlamm („Schachtvolumen") wahrgenommen werden.
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Üblicherweise
wird dann, wenn ein Kick entdeckt oder vermutet wird, die Schlammzirkulation
angehalten und das Bohrloch eingeschlossen abgesperrt, um den Druckaufbau
in dem Ringraum des Bohrloches, den Schachtvolumengewinn und den Schließdruck des
Bohrrohres zu messen. Ebenso können
geeignete Totpump-Berechnungen
durchgeführt
werden, während
das Bohrloch abgeschlossen wird. Danach mag ein bekanntes Totpump-Verfahren folgen,
um den Kick-Einbruch aus dem Bohrloch zu pumpen, einen geeignet
gewichteten Bohrschlamm („Totbohrschlamm") in das Bohrloch
zu pumpen und sicherzustellen, dass die Kontrolle in dem Bohrloch sicher
wiedergewonnen wurde.
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Eine
der üblichsten
Techniken zum Totpumpen des Bohrloches und zum Zirkulieren eines
geeigneten Totpumpfluids ist das Verfahren mit „konstantem Sohlendruck", wobei der Sohlendruck
im Wesentlichen auf dem Niveau des oder oberhalb des Porendrucks
in der Formation gehalten wird. Es existieren zwei Varianten dieses
Verfahrens. Die erste Variante ist allgemein bekannt als das „Bohrmeister-Verfahren" (Driller's method). Das Bohrmeister-Verfahren
kann angewendet werden, wenn im Moment kein gewichtetes Totpumpfluid
für eine
Zirkulation zur Verfügung
steht. Bei dem Bohrmeister-Verfahren kann das originale Schlammgewicht dazu
verwendet werden, um die kontaminierenden Fluide aus dem Bohrloch
auszudrücken.
Danach kann gewichteter Totpumpschlamm („KWM" für „kill weight
mud") in das Bohrrohr
und das Bohrloch eingeströmt
werden. Obwohl zwei Umwälzungen
erforderlich sein können,
um dieses Bohrmeister-Verfahren wirksam auszuführen, kann das Bohrmeister-Verfahren schneller
als die im Folgenden diskutierte Variante sein.
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Die
zweite Variante des Verfahrens mit konstantem Bohrrohrdruck ist
allgemein bekannt als das Verfahren „Warten und Wichten" („wait and
weight") oder das „Ingenieursverfahren". Bei dem Verfahren „Warten
und Wichten" wird
KWM vorbereitet und dann in den Bohrstrang und in das Bohrloch eingeströmt, um die
kontaminierenden Fluide aus dem Bohrloch zu entfernen und das Bohrloch
in einer Umwälzung
totzupumpen. Dieses Verfahren kann dadurch vorteilhaft sein, dass
hierbei der niedrigste Rohrdruck aufrechterhalten werden kann, während der
Kick aus dem Bohrloch gedrückt
wird, und daher das Risiko einer Beschädigung der Verrohrung oder Aufbrechen
der Formation und Erzeugen eines Blow-Out im Untergrund minimieret
werden kann.
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Mit
beiden Verfahren kann ein im Wesentlichen konstanter Sohlendruck
aufrechterhalten werden. Bei jedem Verfahren kann der Druck auf
die Verrohrung und/oder das Bohrrohr kontrolliert werden, indem
eine Drossel eingestellt wird, die Schlamm von der Verrohrung zu
einem Schlammreservoir leitet. Um ferner zusätzlich den Druck zu steuern,
kann die Schlammpumpenrate auf einer Geschwindigkeit und einem entsprechen
Druck gehalten werden, die vorher gemessen wurden. Bei dem Bohrmeister-Verfahren
kann ein konstanter Bohrrohrdruck während der ersten Umwälzung aufrechterhalten
werden, der den Schließdruck
für das
Bohrrohr („SIDPP" für „shut-in drill
pipe pressure")
plus den Pumpendruck bei geringer Geschwindigkeit und plus einen
nominellen Sicherheitsfaktor, zum Beispiel fünfzig psig umfasst. Während der
zweiten Umwälzung
kann der Rohrdruck konstant gehalten werden, während der KWM zu dem Bohrmeißel gepumpt
wird, und anschließend der
Bohrrohrdruck konstant gehalten werden, während der KWM von dem Meißel zu der
Oberfläche
gedrückt
wird.
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Bei
dem Verfahren „Warten
und Wichten" kann
ein im Wesentlichen konstanter Sohlendruck während der einen Umwälzung des
KWM aufrechterhalten werden. KWM kann abwärts durch den Bohrstrang gedrückt werden,
während
der Bohrrohrdruck in einem berechneten vorbestimmten Druckbereich aufrechterhalten
und die Schlammpumpe auf einer konstanten Geschwindigkeit gehalten
wird. Der Bohrrohrdruck kann allmählich absinken, während KWM zu
dem Meißel
strömt.
Nachdem KWM den Meißel erreicht
hat, kann der Druck in dem Bohrrohr konstant gehalten werden, bis
der KWM die Oberfläche erreicht.
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Es
ist noch ein kombiniertes Verfahren bekannt, bei dem verschiedene
Anteile jedes der beiden obigen Verfahren kombiniert werden. Nachdem das
Bohrloch abgeschlossen ist und die Drücke aufgezeichnet sind, wird,
wenn der Kick aus dem Bohrloch ausgepumpt wird, zunächst mit
dem Pumpen des originalgewichteten Schlamms begonnen, wobei der
originalgewichtete Schlamm bis zum KWM aufgewichtet wird.
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Jedes
der oben erwähnten
Verfahren kann zeitaufwändig
sein und kann aufwendige Planungen, Berechnungen, Überwachungen,
menschliche Intervention und/oder koordinierte Regelung der Komponenten,
Geschwindigkeiten und Drücke
während
der Ausführung
des entsprechenden Verfahrens erfordern. Zudem wird bei jedem Verfahren
typischerweise eine im Wesentlichen konstante Pumpgeschwindigkeit
verwendet, um eine Kontrolle des Prozesses während der Ausführung des
entsprechenden Verfahrens aufrechtzuerhalten. Die Methode „Warten und
Wichten" kann es
auch erfordern, eine graphische oder tabellarische Pumpenliste für den Pumpdruck
in Abhängigkeit
des gepumpten Volumens einzurichten, der während des Verfahrens gefolgt
wird. Um ferner im Falle, dass es notwendig ist, die Pumpengeschwindigkeiten
zu verändern
und/oder das Pumpen während
der Ausführung
des Totpump-Verfahrens
zu unterbrechen, kann es häufig
notwendig sein, neue Schließdrücke und
neue Umwälzdrücke zu erfassen
und eine neue Pump- und/oder Druckliste zu berechnen. Eine Schlüsselkomponente
jedes Verfahrens kann es sein, an einer im Wesentlichen konstanten
Pumpengeschwindigkeit während
des Verfahrens festzuhalten und einen im Wesentlichen konstanten
Sohlendruck aufrechtzuerhalten.
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Typischerweise
ist es die Intention der Bedienungsperson, die Pumpengeschwindigkeit
konstant zu halten und die Pumpengeschwindigkeit nur zu ändern, nachdem
die Umwälzung
begonnen hat, falls einige übertriebene
und unerwünschte
Bedingungen auftreten. Zum Beispiel dann, wenn ein umgewälzter Kick
in lange, enge und/oder drosselnde Drosselleitungen eintritt, was
zum Beispiel bei einer Tiefsee-Bohrinsel
auftreten kann. Um diesem vorzubeugen, kann die Bedienungsperson
Daten für
langsame Umwälzungen
bei bis zu drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten sammeln.
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Nach
Ende des Totpumpverfahrens sollten neue Druckwerte aufgenommen werden,
wobei das Bohrloch unter hydrostatischer Kontrolle steht, sodass
der Druck in der Verrohrung im Wesentlichen als null psig gemessen
wird. Im Falle, dass der Schließdruck
in der Verrohrung und/oder der Druck in dem Bohrrohr nicht null
psig sind, kann es notwendig sein, das Totpumpverfahren zu wiederholen.
Bei einem Totpumpverfahren kann es vorkommen, dass eine vollständige Bohrlochkontrolle
nicht erreicht wird, und zwar aufgrund von ungenauen früher gemessenen
Druckwerten oder Änderungen
der Pumpengeschwindigkeit während
der Ausführung,
was in einem Einbruch von zusätzlichem
kontaminierenden Fluiden resultieren kann, und/oder weil auf andere Weise
es nicht gelingt, einen im Wesentlichen konstanten Sohlendruck höher als
der Porendruck in der Formation einzuhalten. Das Misslingen, einen
konstanten Sohlendruck aufrechtzuerhalten, kann aus einer falschen
Kommunikation, einer fehlerhaften Funktion der Drossel, Falschberechnungen
des Verfahrens und/oder ungeeigneter Funktion der Ausrüstung während des
Verfahrens resultieren.
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Das
Ausmaß der
erforderlichen menschlichen Interventionen, einschließlich dem
aufwändigen Erfassen
von Informationen über
Geschwindigkeiten und Druck, Berechnen und Auflisten eines Totpumpverfahrens,
Einhalten einer konstanten Pumpgeschwindigkeit und Koordination
der Funktion der Ausrüstung,
um die geeigneten Drücke
an der Oberfläche
und einen konstanten Sohlendruck aufrechtzuerhalten, sind jeweils
Nachteile des Standes der Technik.
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Die
U.S. 3,443,643 beschreibt eine Vorrichtung zum Steuern des Druckes
in einem Bohrloch mit einer Drossel, die mit einem Auslass aus dem
oberen Ende des Ringraumes zwischen einem Bohrloch, das eine Erdformation
durchdringt, die Fluid unter Druck enthält, und einem Bohrstrang, der
sich in das Bohrloch erstreckt, verbunden ist. Wenn ein Kick während des
Bohrens des Bohrloches auftritt, kann ein Blow-Out-Verhinderer am Bohrkopf über dem Auslass
geschlossen werden, um Bohrfluid, das durch den Bohrstrang und einen
Ringraum strömt, durch
die Drossel umzulenken. Die Drossel spricht auf ein Vorsteuer- und
ein Steuersignal an, um den Druck des Bohrfluides zu regulieren,
um die Differenz zwischen dem Sohlendruck eines solchen Bohrfluides
und dem Druck des Formationsfluides auf einem vorbestimmten Wert
zu halten. Es sind Einrichtungen vorgesehen, um ein Steuersignal
und ein Vorsteuersignal zu erzeugen, die dahingehend zusammenarbeiten,
dass die Drossel entweder den Druck des Formationsfluides in dem
Auslass automatisch in Antwort auf eine negative oder positive Abweichung von
dem vorbestimmten Differenzdruck erhöht oder absenkt, wobei sich
der Auslassdruck einem Wert annähert,
bei dem eine solche Abweichung null ist. Das Vorsteuersignal ist
ein Signal, das den Druck des Bohrfluides in einem Standrohr repräsentiert,
das mit dem oberen Ende des Bohrstranges verbunden ist, und das
Steuersignal stellt die Summe des Druckverlustes der Strömung innerhalb
des Bohrstranges, des statischen Druckes des Bohrfluides in einem
solchen Standrohr und der vorbestimmten Druckdifferenz dar.
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Erwünscht ist
ein verbessertes Verfahren zur Durchführung eines Totpumpverfahrens
für ein
Bohrloch in einer schnelleren Art und mit höherer Präzision und Wirksamkeit, als
dieses mit den vorhandenen Verfahren möglich ist. Ebenso ist ein Verfahren
erwünscht,
mit dem die Pumpgeschwindigkeit während des Totpumpverfahrens
variiert werden kann, ohne dass das System abgeschaltet und eine
revidierte Liste für
Druck Pumpgeschwindigkeit bestimmt werden muss.
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Die
Nachteile des Standes der Technik werden mit der vorliegenden Erfindung überwunden.
Im Folgenden ist ein verbessertes Verfahren und ein System zu einer
genaueren Steuerung des hydrostatischen Druckes in einem Bohrloch
beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum Erhalten einer Steuerung des Fluiddruckes
in einem Bohrloch entsprechend dem Anspruch 1 vorgesehen.
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Weitere
Merkmale sind in den Ansprüchen
2 und 4 erwähnt,
auf die hier hingewiesen wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine programmierbare Steuerung zur
Verwendung in einem solchen Verfahren vorgesehen.
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Diese
Erfindung ist insbesondere nützlich
bei der Steuerung und Kontrolle des hydrostatischen Druckes und
des Formationsdruckes in einem Bohrloch. Insbesondere werden mit
der Erfindung Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik erreicht, indem
die hydrostatische Kontrolle des Bohrloches in schnellerer Art und
mit einem verbesserten Verfahren wieder gewonnen wird. Die Erfindung
gibt Verfahren und Sys teme zum Auspumpen eines Kicks aus einem Bohrloch
und zum Wiedergewinnen der hydrostatischen Kontrolle des Bohrloches
an, wobei die Möglichkeit
gegeben ist, die Pumpengeschwindigkeit zu variieren. Auf diese Weise
kann ein Kick-Einbruch aus dem Bohrloch ausgedrückt und KWM umgewälzt werden,
was beides in einer rascheren Art und mit verbesserter Verfahrenskontrolle
im Vergleich zum Stand der Technik erfolgen kann.
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Die
programmierbare Steuerung kann einen oder mehrere ausgewählte Bohrparameter überwachen
und/oder aufzeichnen und ebenso eine automatische Steuerung eines
Totpumpverfahrens liefern. Während
des Bohrens des Bohrlochs anhand einer Basisliste kann die programmierbare
Steuerung in regelmäßigen Zeitabständen, so
zum Beispiel jeden Tag oder bei jedem Mannschaftswechsel oder nach
Erreichen einer bestimmten Meterleistung, Informationen erhalten
und aufzeichnen, die ausgewählten
Bohrparametern zugehörig
sind, die beim Ausführen
eines Totpumpverfahrens nützlich
sein könnten.
Die programmierbare Steuerung kann ausgewählte Drücke, Pumpengeschwindigkeiten
und Schachtvolumen bei dem Schlammsystem aufzeichnen. Wenn dann
ein Kick-Einbruch festgestellt wird, kann somit die programmierbare
Steuerung eingreifen, um effektiv das Verfahren zu bestimmen, um
den Kick-Einbruch aus dem Bohrloch auszudrücken, um den KWM zu zirkulieren,
und anschließend
das Verfahren kontrolliert auszuführen.
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Zusätzlich kann
die programmierbare Steuerung es erleichtern, das Totpumpverfahren
in Antwort auf Änderungen
oder Unterbrechungen in der Pumpliste selektiv zu modifizieren.
Dadurch kann die während
der Ausführung
des Totpumpverfahrens verwendete Pumpengeschwindigkeit selektiv
variiert und/oder unterbrochen werden, während ein im Wesentlichen konstanter
Sohlendruck im Bereich des Porendruckes der Formation oder darüber liegend aufrechterhalten
wird.
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Es
ist ein Merkmal dieser Erfindung, in gewählten Zeitintervallen routinemäßig und
automatisch den Strömungsdruck
in dem Bohrrohr für
einen Bereich der Umwälzraten
der Schlammpumpe zu messen und aufzuzeichnen.
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Es
ist ebenso ein Merkmal dieser Erfindung, dadurch den geeigneten
Umwälzdruck
in dem Bohrrohr zu bestimmen, der notwendig ist, einen im Wesentlichen
konstanten Sohlendruck zu jedem Zeitpunkt des Totpumpverfahrens
und bei jeder Umwälzrate
aufrechtzuerhalten, die zur Zeit wirksam ist.
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Es
ist ein Merkmal gemäß dieser
Erfindung, selektiv einen breiten Bereich von Zirkulationsraten zu
verwenden, während
ein Kick-Einbruch aus dem Bohrloch herausgedrückt wird, und die Rate wie
gewünscht
zu variieren, während
der Kick-Einbruch ausgepumpt
wird. Die Wahl der Pumpengeschwindigkeit kann manuell durch eine
Bedienungsperson oder automatisch durch die programmierbare Steuerung
oder durch beide eingestellt werden.
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Es
ist ein Vorteil dieser Erfindung, ein Steuersystem und mit Sensoren
gemessene Werte für eine
oder mehr Bohrparameter zu verwenden, um das Totpumpverfahren zu überwachen,
zu steuern und auszuführen.
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Es
ist ebenfalls ein Vorteil dieser Erfindung, schnell einen Kick-Einbruch
aus dem Bohrloch auszupumpen, um dadurch die Zeit zu verringern,
die notwendig ist, die Kontrolle in dem Bohrloch wiederzugewinnen
und die Bohrkosten für
das Bohrloch zu senken.
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Es
ist weiterhin ein Vorteil dieser Erfindung, die Steuerung der verwendeten
Ausrüstung
während des
Verfahrens zu verbessern, indem die programmierbare Steuerung verwendet
wird, um die Pumpengeschwindigkeiten und die Drosselposition zu
regulieren.
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Noch
ein weiterer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, die Möglichkeit
abzusenken, dass ein zu hoher hydrostatischer Druck in dem Bohrloch
erzeugt und die Formation aufgebrochen wird.
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Es
ist ein zusätzlicher
Vorteil dieser Erfindung, die Sicherheit bei dem Auspumpen eines Kick-Einbruches
aus einem Bohrloch und beim Totpumpen des Bohr lochs zu verbessern,
indem die programmierbare Steuerung verwendet wird. Die programmierbare
Steuerung kann mit Sensoren gemessene Messwerte des Druckes in dem
Bohrloch und in dem Bohrstrang, Zirkulationsraten, Schlammgewicht und
Bohrlochdimensionen berücksichtigen
und damit ein optimales Totpumpverfahren zu bestimmen und danach
das Verfahren kontrolliert mit einem geringen Risiko hinsichtlich
fehlerhafter Rechnungen oder manueller Steuerirrtümer auszuführen.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wobei auf
die Figur der begleitenden Zeichnung verwiesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines geeigneten Systems zum Auspumpen
eines Kick-Einbruches aus einem Bohrloch und zum Totpumpen des Bohrlochs
entsprechend der vorliegenden Erfindung das mit einer programmierbaren
Steuerung und einigen optionalen Sensoren und Reglern ausgerüstet ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 stellt
Komponenten dar, die in einem System zum Ausführen der vorliegenden Erfindung vorhanden
sein können.
Ein geeignetes System kann ein Bohrgestell 25 mit einer
Gestellstruktur 42 und einen Bohrstrang 50 aufweisen,
der zumindest teilweise von dem Bohrgestell 25 abgestützt und
sich von dem Bohrgestell durch eine Erdoberfläche 21 im Wesentlichen
dem Bohrgestell 25 zugewandt erstreckt. Ein oberes Ende
des Bohrstranges 150 kann über die Erdoberfläche 21 hinausragen,
und ein unteres Ende des Bohrstranges 250 kann sich durch
die Erdoberfläche 21 und
zumindest teilweise in ein Bohrloch 30 erstrecken, das
eine oder mehrere unterirdische Formationen 20 durchdringt.
Der Bohrstrang kann eine durchgehende Bohrung aufweisen, um ein
Bohrfluid („Bohrschlamm") durch den Bohrstrang 50 zu
leiten. Der Bohrstrang 50 kann eine Serie von miteinander verbundenen
Teilstücken
eines Bohrrohres auf weisen. Das untere Ende 250 des Bohrstranges
kann mehrere Bohrkragen 52 und einen Bohrmeißel 56 aufweisen.
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Beim
Bohren kann der Bohrmeißel 56 und zumindest
ein Teil der Bohrkragen 52 und das untere Ende des Bohrstranges 250 in
einen offenen Lochbereich 38 des Bohrloches hineinragen,
insbesondere in einen unteren Bereich des Bohrloches 230.
Ein oberer Bereich des Bohrloches 130 kann einen Rohrstrang 34 aufweisen,
der in dem Bohrloch 30 mit Zement befestigt ist. Ein unteres
Ende des Rohrstranges 34 kann einen Rohrschuh 36 nahe
am oberen Ende des offenen Rohrbereiches 38 des Bohrloches 30 aufweisen.
Der verrohrte Bereich des Bohrloches und der offene Lochbereich 38 des
Bohrloches 30 können
eine innere Kammer im Wesentlichen innerhalb der Formation 20 aufweisen.
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Ein
Bohrfluid kann in einem oder mehreren Schlammtanks eines Schlamm-Behandlungssystems 92 behandelt
und/oder gespeichert werden, welches ein Bohrfluid zu einer oder
mehreren Schlammpumpen 90 über eine Ansaugleitung 93 der Schlammpumpen
liefert. Eine Schlammpumpe 90, die nahe dem Bohrgestell 25 gelegen
ist, kann ein Bohrfluid durch eine Schlammleitung 96, dann
in das obere Ende des Bohrstranges 150, anschließend durch
ein Ventil 98 des Bohrrohres, danach durch den Bohrstrang 50 und
dann durch den Bohrmeißel 56 pumpen.
Das Bohrfluid tritt dann aus dem Bohrmeißel 56 aus und strömt von dem
unteren Ende des Bohrloches 230 durch einen Ringraum des
Bohrloches zwischen einem äußeren Durchmesser
OD des Bohrstranges 50 und einem inneren Durchmesser ID des
Bohrloches 30 zu dem oberen Ende des Bohrloches 130.
Das Bohrfluid kann dann das Bohrloch selektiv durch eine Schlamm-Rückleitung 40 oder
eine Drosselleitung 32 verlassen und in das Behandlungssystem 92 für den Bohrschlamm
fließen.
Ein Rohrstutzen 44 kann vorgesehen sein, um die rückkehrenden
Bohrfluide aus dem Ringraum in die Schlamm-Rückleitung 40 und
dann in das Schlamm-Behandlungssystem 92 zu leiten.
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Nahe
einem oberen Ende des Bohrloches 130 können ein oder mehrere ringförmige Blow-Out-Verhüter 10,
Gerätebacken 14 und 16 und/oder
Blindbacken vorgesehen werden, um das obere Ende des Bohrloches 30 einzufrieden.
In der Drossellei tung 32 kann ein selektiv einstellbarer Durchflussregler
vorgesehen sein, so zum Beispiel ein Ventil oder eine Drossel 70,
um zumindest teilweise das Bohrloch abzuschließen. Von einem Fachmann in
diesem Bereich der Technik wird es verstanden, dass die Drossel 70 hier
verwendet wird, um generell Flusssteuerungsprinzipien zu erläutern, und dass
in der Praxis eine Anordnung von mehreren Geräten vorgesehen und gesteuert
werden kann. So kann zum Beispiel eine Drossel-Rohranordnung und/oder
eine Totpump-Leitungsanordnung in Fluidkommunikation mit dem Bohrloch 30 vorgesehen sein.
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Das
untere Ende des Bohrstranges 250 kann auch eine Messapparatur 72 aufweisen,
die eine oder mehrere Bohrparameter misst, so zum Beispiel den hydrostatischen
Druck in dem Bohrloch 50, die Messwerte aufzeichnet und/oder
ein Signal entsprechend den gemessenen Parametern zurück zu dem Bohrgestell 25 überträgt. Die
Messapparatur 72 kann auch eine Messapparatur während des
Bohrens („MWD" für „measurement
while drilling")
sein, die mehrere zusätzliche
Bohrparameter misst, so zum Beispiel den Fluiddruck in dem Bohrstrang
und die Lage des Bohrmeißels 56 relativ
zu dem Bohrgestell 25. Eine Information, die den hydrostatischen
Druck in dem Bohrloch angibt, kann nützlich sein für die Bestimmung
der Dichte des Bohrschlammes.
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Eine
programmierbare Steuerung 100 und eine oder mehrere Sensoren 80, 82, 84, 94, 95 können vorgesehen
sein, um Informationen, die zu einem oder mehreren Bohrlöchern und/oder
Bohrparametern gehören,
zu messen und/oder zu empfangen und die Funktion einer oder mehrerer
Komponenten, die bei der Ausführung
der Verfahren gemäß dieser Erfindung
verwendet werden, zu steuern. Die Verfahren und Systeme dieser Erfindung
können
eine rasche Entdeckung und Korrektur von möglichen Problemen beim hydrostatischen
Druck erleichtern, die in einem Bohrloch auftreten können. Die
programmierbare Steuerung 100 kann elektronisch mit einem oder
mehreren Sensoren verbunden sein, die der programmierbaren Steuerung 100 Informationen
eingeben, die relevant für
eine oder mehrere vermessene Bohrlöcher und/oder Bohrparameter,
einschließlich
der Bohrlochbedingungen sind. Der Fachmann wird erkennen, dass diese
Erfindung, obwohl nur Bezug genommen wird auf ein Bohrloch und/oder Bohrparameter,
nicht nur für
Operationen beim Bohren von Bohrlöchern verwendbar ist, sondern
auch für andere
als Bohroperationen. Zum Beispiel können solche Parameter gemessen
oder überwacht
werden, wenn auf Bohrlöcher
bezogene Operationen durchgeführt
werden, so zum Beispiel Fertigstellungsarbeiten am Bohrloch oder
Ausbesserungsarbeiten am Bohrloch. Parameter, die gemessen und der
programmierbaren Steuerung eingegeben werden, können zum Beispiel das Volumen/Niveau
des Bohrschlammtankes, die Pumpgeschwindigkeit der Schlammpumpe
und/oder die Zählrate
der Hübe,
der Fluiddruck in dem Bohrschlammsystem und dem Bohrstrang 50,
der Druck im Bohrloch nahe der Oberfläche und/oder die Positionen
der Drossel 70 und der Blow-Out-Verhüter 10, 12, 14, 16.
Ein Hubzähler 95 kann
vorgesehen sein, um die Pumphübe
der Bohrschlammpumpe 90 zu zählen.
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Es
können
Sensoren vorgesehen und mit der programmierbaren Steuerung 100 verbunden
sein, um Warnanzeichen von Kick-Einbrüchen, Blow-Outs, Verlust der
Zirkulation und/oder möglichen
Bohrproblemen zu messen, die sich zum Beispiel auf Probleme bei
der Steuerung des hydrostatischen Druckes beziehen. Ebenso kann
ein Summenmesser 97 für das
Schachtvolumen vorgesehen sein, um einen Zuwachs und/oder Verluste
des Bohrfluidvolumens in den Schlammtanks 92 zu überwachen
oder zu messen. Die programmierbare Steuerung 100 kann
ein Densometer und/oder einen Gassensor einschließen, um
die Schlammdichte zu messen und durch Gas verdünnten Schlamm in dem Schlamm
zu detektieren, der von dem Bohrloch 30 zurückgeführt wurde.
Die Rückführleitung
für den
Schlamm kann einen Fließsensor
oder einen anderen Flusssensor haben, der Probleme bei einem Verlust
der Zirkulation oder bei einem Anstieg der Flussrate detektiert.
Eine Anzeigeeinrichtung für
das Gewicht des Bohrstranges kann in dem Bohrstrang 50 eingebaut
sein, um Änderungen
des Gewichtes des Bohrstranges zu messen. Ein Sensor kann auch in
einem Geolographen eingeschlossen sein, um einen Rohrbruch zu detektieren.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann auch mit einem oder
mehreren Sensoren und/oder Reglern verbunden sein, die von der Steuerung
bei der Kontrolle der Bohrschlammzirkulation und/oder der Drucksteuerung
verwendet werden. Die Sensoren 80, 82, 84, 94, 95 können ein
oder mehrere Signale zu der programmierbaren Steu erung 100 liefern, die
von der Steuerung 100 dazu verwendet werden, einen oder
mehrere Regler einzustellen, um eine oder mehrere Komponenten zu
steuern. Zum Beispiel können
solche gesteuerten Komponenten eine Schlammpumpe 90, einen
oder mehrere Blow-Out-Verhüter 10, 12, 14, 16 und
die Drossel 70 umfassen.
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Messen
kann Abtasten, Messen, Aufzeichnen, Detektieren und/oder Analysieren
umfassen. Jeder Sensor 80, 82, 84, 94, 95 kann
einen redundanten Sensor an der jeweiligen Messposition umfassen,
sodass jeder Messakt von zwei oder mehr Sensoren an jeder Position
ausgeführt
wird. Damit kann jede gemessene Information von jedem Sensor an
einer entsprechenden Position verglichen werden mit einer anderen
gemessenen Information an dieser entsprechenden Position, um die
Genauigkeit, Veränderlichkeit
und/oder Zuverlässigkeit
des Messwertes zu bestimmen. Um diesen Vergleich durchzuführen, können auch
statistische Prozesssteuerungstechniken verwendet werden. Solche
Sensorkonfigurationen und Sensortechniken können die Zuverlässigkeit
der Information erhöhen,
die bei der Kontrolle und Steuerung eines Zirkulations- und/oder Totpumpen-Verfahrens
verwendet werden. Der Vergleich kann durch eine programmierbare
Steuerung 100 oder durch eine Bedienungsperson ausgeführt werden.
Wenn eine Diskrepanz ausreichender Größe zwischen den redundanten
Sensoren detektiert wird, kann die Steuerung oder die Bedienungsperson
bestimmen, ob der Informationswert akzeptiert werden kann, oder
ob die Operationen unterbrochen werden musss, bis ein genauer Informationswert
bestimmt werden kann. Das Protokoll für eine solche Bestimmung kann
von der Position des Sensors abhängig sein,
dem Sensortyp, der Kritikalität
der Information und einem Vergleich der gemessenen Information in Kontext
mit der speziell ausgeführten
Operation und im Vergleich mit anderen Informationen.
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Ein
Verfahren zum Wiedergewinnen und/oder Erhalten einer Steuerung des
Fluiddruckes eines durch eine unterirdische Formation gebohrten Bohrlochs
entsprechend dieser Erfindung kann dazu verwendet werden, ein Bohrloch
totzupumpen, einen Kick-Einbruch auszupumpen und/oder Bohrfluide
in einem Bohrloch zu zirkulieren. Ein Verfahren gemäß dieser
Erfindung kann auch die Verwendung einer programmierbaren Steuerung 100 und
einer ausgewählten
Anordnung von Sensoren und/oder Reglern umfassen, die mit der Steuerung 100 verbunden sind.
Die programmierbare Steuerung 100 kann routinemäßig einige
geometrische Grundinformationen zum Bohrloch liefern, so zum Beispiel
die Bohrlochgröße, die
Tiefe, die Rohrgrößen, Längen- und
konische Konfigurationen. Die Daten des Außendurchmessers OD und des
Innendurchmessers ID der Rohre können
ebenso geliefert werden. Die Kolbengröße der Schlammpumpe, die Hublänge, die
Kolbenstangengröße und der
Pumpentyp, zum Beispiel Duplex, Triplex, Quintiplex, doppelt-wirkend,
einfach-wirkend, alle diese Werte können routinemäßig der
programmierbaren Steuerung 100 geliefert werden. Das Gewicht
des Bohrschlammes, die Viskosität,
die Gelstärke
oder das Schachtvolumen können dem
Steuerungssystem geliefert werden. Jede routinemäßige Lieferung von Informationen
an die programmierbare Steuerung 100 oder der Empfang solcher
Informationen durch die Steuerung kann an ausgewählten Zeiten erfolgen, zum
Beispiel jedes Mal, wenn ein Rohrstück des Bohrrohres zu dem Bohrstrang
hinzugeführt
wird, jeweils einmal bei einem Mannschaftswechsel oder einmal jeden
Tag. Das Fortschreiben der Information kann abhängig zumindest teilweise von
derunternommenen Bohraktivität, dem
jeweiligen Bohrloch, den geologischen Bedingungen und Umweltbedingungen
sein. Die ausgewählten
Zeitintervalle können
automatisch ausgewählt
oder können
in Antwort auf eine manuelle Instruktion zum Ausführen einer
solchen Fortschreibung eingestellt werden.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann programmiert werden,
um routinemäßig einen
festgesetzten Wert für
die Zirkulationsdrücke
in dem Bohrloch automatisch und/oder durch einen manuellen Befehl
einzustellen. Zum Beispiel kann einmal alle acht Stunden das Steuersystem
einen Befehl liefern, um automatisch mit dem Einstellen von festgesetzten
Zirkulationsdrücken
fortzufahren. Nach Empfang eines solchen Befehles kann die programmierbare
Steuerung 100 veranlassen, dass die Bohroperation kurzfristig
unterbrochen wird, der Bohrmeißel vom
Boden den Bohrloches abgehoben und die Schlammpumpe 90 veranlasst
wird, Bohrschlamm mit einer oder mehreren vorgewählten Pump-Flussraten zu pumpen.
Bei jeder gewählten
Pump-Flussrate kann
ein erster Fluidzirkulationsdruck in dem Bohrloch gemessen und von
der programmierbaren Steuerung 100 aufgezeichnet werden.
Das Bohrfluid kann durch den Bohrstrang 50, durch den Bohrmeißel 56,
durch den Ringraum 30 des Bohr loches und separat durch
die Drosselleitung 32 zirkuliert werden. Die Informationen über den
Zirkulationsdruck und die Flussraten können dann durch die programmierbare Steuerung 100 verwendet
werden, um einen Zirkulationsdruck in dem Bohrrohr für einen
variablen Bereich von Zirkulationsraten zu bestimmen. Um die Genauigkeit
der bestimmten Zirkulationsdrücke
zu verbessern, können
die gemessenen Raten und Drücke
gemessen und bei Pumpraten aufgezeichnet werden, die repräsentativ
für einen
nutzbaren Bereich dieser Raten sind. Das während der Bestimmung der festgesetzten
Werte für
die Zirkulationsdrücke
und Raten zirkulierte Fluid kann das erste Fluid sein und kann eine
erste Dichte aufweisen. Die programmierbare Steuerung 100 kann
ebenfalls ein bekanntes Verfahren ausführen, um einen Gradiententest
für den
Sitz der Verrohrung beziehungsweise deren möglichen Bruch auszuführen, um
einen oberen Grenzwert für
den hydrostatischen Druck in dem Bohrloch 30 zu bestimmen.
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In
Antwort auf ein gemessenes Warnsignal, das ein Kick-Einbruch oder
ein Problem hinsichtlich der Steuerung des hydrostatischen Druckes
in dem Bohrloch 30 vorliegt, kann die programmierbare Steuerung 100 ein
Warnsignal abgeben, einen Befehl/Steuerungsbefehl abgeben und/oder
automatisch Abschließverfahren
ausführen.
Das bestimmte Abschließverfahren,
das ausgeführt
werden soll, kann durch die Steuerung bestimmt oder automatisch
ausgewählt
werden, und zwar zumindest teilweise in Abhängigkeit von dem verwendeten
Bohrgestell 25 und der Bohroperation, die ausgeführt wird, wenn
der Kick-Einbruch detektiert wird. Zum Beispiel kann ein unbewegliches
Bohrgestell einem Abschließverfahren
folgen, das unterschiedlich zu dem bei einer Bohrinsel ist, und
es kann ein unterschiedliches Verfahren beim Bohren oder dann, wenn
der Bohrstrang abgesenkt wird, ausgeführt werden. Wenn ein Blow-Out
in geringer Tiefe auftritt, kann auch ein Verhüter-Verfahren angewendet werden.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann das ausgewählte Abschließverfahren
ausführen.
Um ein Bohrloch abzuschließen,
kann typischerweise ein BOP 10, 12, 14, 16 an
den Bohrstrang 50 geschlossen werden, und die Drossel 70 kann
geschlossen werden, wobei die Schlammpumpe 90 die Schlammzirkulation
stoppen kann. Die Abschließdrücke können in
dem Bohrstrang 50 und in dem Ringraum 30 des Bohrloches
durch Drucksensoren 82 beziehungsweise 84 gemessen
werden. Die programmierbare Steuerung 100 kann dann einen
Kick-Druck in dem Bohrloch berechnen oder bestimmen, so zum Beispiel
als Summe des Abschließdruckes
in dem Bohrrohr und dem hydrostatischen Druck. Der Kick-Druck kann
durch die programmierbare Steuerung als im Wesentlichen konstanter
Boden- oder Sohlendruck aufrechterhalten werden, während der Kick
aus dem Bohrloch ausgepumpt und ein zweites Fluid, ein gewichtetes
Totpumpfluid in das Bohrloch 30 eingepumpt wird. Ein Fachmann
wird erkennen, dass bei bestimmten Umständen, so zum Beispiel dann,
wenn ein Kick in ein Bohrloch bricht, beim ungenauen Auffüllen während des
Ein- und Ausbaus des Bohrgestänges
oder beim Schlichten, das zweite Fluid im Wesentlichen das gleiche
Fluid wie das erste Fluid sein kann. Bei Installationen des Bohrstranges mit
einem Rückschlagventil,
das eine direkte Interpretation des Kick-Druckes und des Sohlendruckes durch
einen Bohrstrang-Drucksensor 82 verhindern kann, kann die
programmierbare Steuerung ein bekanntes Verfahren ausführen, um
den Kick-Druck durch den Bohrstrang zu bestimmen, so zum Beispiel,
indem langsam in den Bohrstrang 50 eingepumpt wird.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann ebenfalls fähig sein,
das Kick-Fluid ohne ein Abschließverfahren zu entfernen, um
Daten zu erhalten. Wenn zum Beispiel ein Kick-Einbruch vermutet
wird, kann die Steuerung den Kick-Einbruch auspumpen, indem das
Bohrmeister-Verfahren mit Reibungsdaten des Bohrstranges verwendet
wird, die vorher unter der Annahme gesammelt wurden, dass noch kein Kick-Einbruch
in dem Bohrloch vorliegt, so zum Beispiel während der vorherigen neuen
Verbindung oder Entfernung eines Bohrrohrabschnittes. Nach Entfernen
des Kick-Fluides kann die programmierbare Steuerung 100 für eine gewisse
Zeit die Pumpenzirkulation abstellen, entsprechende Druckdaten sammeln
und dann das Pumpen mit dem Ingenieur-Verfahren mit höhergewichtigem Schlamm fortführen, falls
dieses gewünscht
ist. Ein Vorteil einer solchen Technik kann die Elimination eines
weiteren Kick-Einbruches während
der anfänglichen
Abschließperiode sein,
so wie dieses bei früheren
Praktiken erfahren werden konnte. Ein Nachteil, nicht den anfänglichen Abschließdruck in
dem Bohrrohr zu haben, kann ein geringeres Vertrauen in die Bestimmung
des Formationsdruckes beim Einbruch sein. Jedoch kann die gesteigerte
Sicherheit durch die Verwendung der programmierbaren Steuerung 100 und
der Fähigkeit der
programmierbaren Steuerung und der Sensoren, genau und schnell Änderungen
in den Profilen des hyd rostatischen Druckes in dem Bohrloch auszuführen, die
Techniken dieser Erfindung sicher und zuverlässiger machen.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann auch manuell geführt werden
oder automatisch eine bekannte Routine ausführen, um nach einem Einschlussdruck
in dem Bohrloch 30 zu suchen, und diesen Einschlussdruck
aus dem Bohrloch 30 abzuleiten. Das Ableiten von Einschlussdrücken aus
dem Bohrloch erleichtert eine genauere Bestimmung eines Abschließdruckes
des Bohrrohres und eines Abschließdruckes im Bohrgestänge. Dabei
kann die programmierbare Steuerung 100 genauere Berechnungen
und Bestimmungen ausführen
und kann die Genauigkeit der Berechnungen erhöhen und das Totpumpen des Bohrloches
erleichtern. Ein Einschlussdruck kann automatisch innerhalb des
Ringraumes des Bohrloches gemessen und kontrolliert durch die programmierbare
Steuerung 100 aus dem Ringraum des Bohrloches abgeführt werden.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann einen Einbruchsgradienten
für das
Kick-Fluid bestimmen, das in das Bohrloch 30 einbrach.
Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenso das Gewicht/die
Dichte für
das zweite Fluid, das heißt
das Totpumpfluid, bestimmen, die rforderlich sind, um das Bohrloch
totzupumpen oder eine hydrostatische Kontrolle wiederzugewinnen.
Danach kann die programmierbare Steuerung 100 ein bekanntes
Totpump-/Zirkulationsverfahren ausführen. Solche Totpump-/Zirkulationsverfahren
können
das Ingenieurs-Verfahren mit einer Umwälzung, das Bohrmeister-Verfahren
mit zwei Umwälzungen
oder das Kombinationsverfahren einschließen, bei dem das Pumpen unmittelbar
nach Feststellen und Aufzeichnungen der Abschließdrücke beginnen kann, wobei die Dichte
erhöht
wird, wenn der Kick-Einbruch
aus dem Bohrloch 30 ausgepumpt wird. Die programmierbare Steuerung 100 kann
die Schlammpumpe 90 steuern, sodass diese das zweite Totpumpfluid
in den Bohrstrang 50 mit einer gewählten Kill-Strömungsrate
und einem Kill-Druck beim Zirkulieren durch das Bohrrohr, dann durch
den Bohrstrang, anschließend durch
den Ringraum des Bohrloches und dann entsprechend zurück zu dem
Bohrgestell pumpt. Während
das zweite/Totpumpfluid gepumpt wird, kann der Totpumpdruck beim
Zirkulieren in dem Bohrrohr einer Drucktabelle folgen, die durch
die programmierbare Steuerung 100 bestimmt wurde. Bei der
Ausführung
des Totpump- /Zirkulationsverfahrens
kann die programmierbare Steuerung 100 einen im Wesentlichen
konstanten Sohlen-/Totpumpdruck in der Formation aufrechterhalten,
indem die Drossel 71 reguliert wird.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann auch das Pumpen des
zweiten Fluides mit der gewählten
Totpumprate als auch den Prozentsatz steuern, zu dem die Drossel
für das
Bohrfluid relativ zu einer vollen Schließstellung und der vollen Offenstellung
geöffnet
ist, sodass während
des Pumpens des zweiten/Totpumpfluids der Sohlendruck/Totpumpfluiddruck
beim Zirkulieren im Wesentlichen konstant verbleibt und zumindest
so groß wie
der Bodenloch-Kick-Druck ist. Die programmierbare Steuerung 100 kann
auch sicherstellen, dass der Sohlendruck des zirkulierenden Fluids
nicht einen Bruchdruck der Formation überschreitet, wobei dieses
entweder berechnet, geschätzt
oder durch die Steuerung vorab bestimmt wurde.
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Im
Gegensatz zu traditionellen Totpumpverfahren, die bei im Wesentlichen
konstanten ausgewählten
Totpumpflussraten ausgeführt
werden, kann die programmierbare Steuerung einen im Wesentlichen
konstanten Sohlendruck/Kill-Druck aufrechterhalten, während sie
auf Variationen der gewählten Totpump-Flussrate
anspricht, während
entweder das erste und/oder das zweite Totpumpfluid gepumpt wird.
In Antwort auf Veränderungen
in der gewählten Totpump-Flussrate
kann die programmierbare Steuerung 100 erneut die Pumptabelle
für den
Rest des Pumpverfahrens berechnen oder einstellen, sodass ein konstanter
Sohlendruck aufrechterhalten wird. Um einen im Wesentlichen konstanten
Sohlendruck aufrechtzuerhalten, kann die Steuerung die Drossel 70 in
Abhängigkeit
von Änderungen
der Totpump-Flussrate und in Abhängigkeit
von Druckänderungen
einstellen, die stromaufwärts
der Drossel während
der Durchführung
des Zirkulations-/Totpumpverfahrens auftreten. Die programmierbare Steuerung 100 kann
das Volumen des gepumpten Fluids in Abhängigkeit eines oder mehrerer
Sensoren bestimmen, so zum Beispiel eines Hubzählers 95 an der Pumpe 90,
eines Flussmeters 94 oder einer Änderung in dem Fluidniveau
in einem angegebenen Kessel, so zum Beispiel einem Totpumptank.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann ferner eine von einer
Bedienungsperson zu betätigende
Steueranordnung 104, 106, 108, so zum
Beispiel eine Steuerkonsole mit Steuerkomponenten umfassen, um selektiv
die programmierbare Steuerung 100 und/oder geregelte Komponenten
während des
Verfahrens einzustellen, so zum Beispiel die Drossel 70 und/oder
die Schlammpumpe 90. Eine Arbeitssteuerung 104 kann
vorgesehen sein, um Verfahrensänderungen,
so zum Beispiel Änderungen der
Pumpenrate während
der Ausführung
eines Steuerprozesses auszuführen,
was zum Beispiel durch die programmierbare Steuerung 100 gesteuert werden
kann. Ebenso kann eine Steuerungsprogrammiereinrichtung 106 vorgesehen
werden, um eine Änderung
des Programmes der programmierbaren Steuerung 100 zu erleichtern,
so zum Beispiel ein Umschalten von dem „Bohrmeister-Verfahren" auf das „Ingenieur-Verfahren", oder um neue Dimensionswerte
für den
Bohrstrang 50 einzugeben, so zum Beispiel die Länge eines
Segmentes des Bohrstranges 50. Es kann eine Dateneingabeeinrichtung 108, zum
Beispiel eine Tastatur vorgesehen werden, um die Eingabe von Daten
in die programmierbare Steuerung 100 zu erleichtern. Die
Dateneingabeeinrichtung und/oder die Arbeitssteuerung können aus
bekannten Dateneingabekomponenten zusammengesetzt sein, so zum Beispiel
einer Tastatur, einem Joystick, Knöpfen, Schaltern oder anderen
zu betätigenden
Einrichtungen und/oder elektronischen Signalen.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann auch eine Anzeige 102,
so zum Beispiel einen Video-Bildschirm, eine LED-Anzeige und/oder
einen Drucker zur Aufzeichnung von Parametern enthalten, um als
Funktion der Zeit oder einer anderen Variablen die visuelle Überwachung
von Drücken,
berechneten Parametern und den Fortschritt des Zirkulations-/Totpumpverfahrens
zu erleichtern. Die Anzeige 102 kann ebenfalls während eines
Arbeitsschrittes graphische, belebte, tabellarische und/oder aufgelistete
Darstellungen von Parametern und/oder Bedingungen an eine Bedienungsperson
und/oder ein anderes Steuersystem, so zum Beispiel einen automatischen
Bohrer liefern. Solche graphischen Darstellungen können die
vorhergesagten/aufgelisteten Drücke
einschließen,
wobei Geschwindigkeiten und Volumina dargestellt werden können. Die
angezeigte Information kann zum Beispiel unter anderem (a) den Zirkulations-Totpumpdruck
in dem Bohrrohr einschließen,
(b) den Fluiddruck in dem Ringraum, (c) den Kick-Druck an der Sohle,
(d) den Zirkulations-Fluiddruck an der Sohle, (e) die gewählte Totpump-Flussrate
und (f) das gepumpte Fluidvolumen.
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Eine
angezeigte Information kann auch auf einem Videoschirm und/oder
auf einem Papierausdruck dargestellt werden. Ein graphisches Diagramm einschließlich einer
repräsentativen
Darstellung des Bohrloches kann ebenfalls angezeigt werden, um dadurch
den Fortschritt des Verfahrens zu illustrieren und Verfahrensparameter
anzuzeigen, wobei dieses im Wesentlichen in Echtzeit erfolgt. Eine
solche Darstellung kann animiert und/oder periodisch während des
Verfahrens aktualisiert werden. Die programmierbare Steuerung 100 kann
ebenfalls in ein automatisches Bohrsystem integriert werden, wobei
verschiedene Komponenten des Bohrgestelltes 25, so zum
Beispiel die Hebewerkzeuge, der Drehtisch und/oder ein Kopfantrieb,
zumindest teilweise durch die programmierbare Steuerung 100 gesteuert
werden. Die programmierbare Steuerung kann eine axiale Position
des Bohrstranges 50 relativ zu dem Bohrloch 30 kontrollieren.
Wenn zum Beispiel ein Kick-Einbruch ermittelt wird, kann die programmierbare
Steuerung 100 die Hebewerkzeuge veranlassen, den Bohrstrang 50 in
dem Bohrloch 30 nach oben um eine bestimmte Distanz zu
ziehen, sodass die Backen geschlossen werden können, ohne die BOP-Backen an
einem Teilstück
in dem Bohrstrang 50 zu schließen.
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Im
Falle, dass der Bohrstrang 50 in das Bohrloch 30 eingeführt oder
aus diesem herausgezogen werden muss, kann die programmierbare Steuerung 100 die Öffnungs-/Schließ-Position
der Blow-Out-Verhüter
BOP koodiniert mit der Bewegung/Position des Bohrstranges steuern,
wenn die Rohrteilstücke
des Bohrstranges durch die BOP hindurch laufen. Die programmierbare
Steuerung 100 kann dieses Stripping-Verfahren im Einklang
mit bekannten Verfahren zum Ein- und Ausbauen von Rohren steuern,
so zum Beispiel gemäß der „volumetrischen
Methode" und der „dynamischen
Methode". Die programmierbare
Steuerung kann auch das Füllen
des Bohrloches 30 mit Bohrschlamm steuern, wenn der Bohrstrang 50 in
das Bohrloch abgesenkt beziehungsweise aus diesem herausgezogen
wird.
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Jeder
der Sensoren 84 für
den Ringraumdruck in dem Bohrloch und jeder der Sensoren 80 für den Bohrrohrdruck
kann einen oder mehrere zusätzliche
entsprechende Sensoren einschließen, um eine zweite Messung
zu liefern oder den jeweilig gemessenen Druck zu prüfen. Daher
kann eine Messung der Zuverlässigkeit
und der Qualität
der gemessenen Daten durch die programmierbare Steuerung ausgeführt werden.
Den entsprechenden Sensoren können Prioritäten zugeteilt
und in die programmierbare Steuerung 100 einprogrammiert
werden, so dass dann, wenn die Datenzuverlässigkeit fraglich ist, die programmierbare
Steuerung 100 entsprechend antworten kann, so zum Beispiel
durch Herunterfahren des Totpump-Verfahrens, bis eine Bedienungsperson einen
Befehl zum Fortfahren an die Steuerung gibt, oder die programmierbare
Steuerung 100 kann ein Warnsignal liefern, dahingehend,
dass möglicherweise
Fehler der Sensoren vorliegen. Ein Fachmann wird erkennen, dass
gewisse Sensoren zuverlässiger als
andere in bestimmten Situationen sind, und dass die programmierbare
Steuerung 100 mit Algorithmen und Routinen ausgerüstet ist,
um Komponenten einer speziellen Installation in gewünschter
Weise anzupassen.
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Die
Verfahren und Systeme gemäß dieser Erfindung
sind nicht auf Bohrinstallationen und Bohrgestelle beschränkt. Die
Verfahren und Systeme dieser Erfindung können bei Überarbeitungsverfahren verwendet
werden, wenn die Verrohrung verschoben wird, ein Bohrrohr in das
Bohrloch abgesenkt oder aus diesem herausgezogen wird, wenn Fertigstellungsarbeiten
ausgeführt
werden oder wenn spezielle Kontrollarbeiten am Bohrloch ausgeführt werden. Die
verwendete Ausrüstung
kann auch konventionelle und bekannte nicht-konventionelle Ausrüstungen einschließen, so
zum Beispiel gewickelte Rohrelemente oder Hochdruckelemente.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann gesteuerte Komponenten
des Bohrgestelles regeln, und zwar entweder elektrisch, mechanisch,
hydraulisch oder pneumatisch. Zusätzlich können einige Komponenten des
Bohrgestelles durch das Steuerungssystem betätigt werden, wohingegen weitere andere
Komponenten im Wesentlichen gleichzeitig manuell betätigt werden.
In einigen Ausführungen können verschiedene
Komponenten, so zum Beispiel die Drossel 70, die Blow-Out-Verhüter BOP 10, 12, 14, 16 und
die Schlammpumpe 90 selektiv manuell und/oder durch die
programmierbare Steuerung betätigt
werden.
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Es
ist ein Merkmal dieser Erfindung, während der Zirkulation Werte
für die
Zirkulationsraten aus einem breiten kontinuierlichen Bereich zu
verwenden und nicht auf vorbestimmte, diskrete Raten, so zum Beispiel
20, 30, 40 Hübe
pro Minute beschränkt
zu sein. Mit den Techniken dieser Erfindung kann die Wahl einer
Zirkulationsrate oder eine Änderung
der Zirkulationsrate praktisch zu jeder Zeit während des Totpump-Prozesses
entweder manuell durch eine Bedienungsperson, automatisch durch die
programmierbare Steuerung und/oder durch beide vorgenommen werden.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann bekannte statistische
Prozess-Kontrolltechniken („SPC" für „statistical
process control")
verwenden, um kontinuierlich zu bestimmen, dass die programmierbare
Steuerung 100 tatsächlich „in Kontrolle" ist. Eine programmierbare
Steuerung kann programmierte Steuerverfahren zumindest teilweise
ausführen,
indem SPC-Techniken verwendet werden, die einen „Bezugspunkt" oder Referenzwerte
mit entsprechenden gemessenen oder bestimmten Werten vergleichen.
Zum Beispiel können
Bezugspunktwerte entweder durch Messung, durch Berechnen oder durch
Eingabe einer Bedienungsperson vorbestimmt und in die programmierbare
Steuerung für
ausgewählte
Variable eingegeben werden, so zum Beispiel der gemessenee Sohlendruck,
der berechnete Sohlendruck, die Pumprate, der Druck in dem Bohrrohr und
der BOP-Druck unterhalb der Wasseroberfläche bei Bohrinseln.
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Eine
SPC-Technik kann das Merkmal einschließen, einen ersten Fluiddruck
mit einem ersten Fluiddruck-Sensor und einen zweiten Fluiddruck praktisch
gleichzeitig mit einem zweiten Fluidsensor zu messen, und zwar an
praktisch dem gleichen Punkt in dem Fluidsystem, zum Beispiel in
dem Bohrstrang oder dem Ringraum des Bohrloches. Die programmierbare
Steuerung kann verwendet werden, um selektiv den ersten gemessenen
Fluiddruck mit dem zweiten gemessenen Fluiddruck zu vergleichen, um
eine Druckabweichung oder einen Unterschied zwischen den Signalen
der beiden Sensoren zu berechnen. Die gemessene Druckabweichung
kann mit einer vorbestimmten Referenz-Druckabweichung verglichen
werden, und es kann ein Alarmsignal erzeugt werden, wenn die gemessene
Druckabweichung größer als
die vorbestimmte Referenz-Druckabweichung
ist. Wenn daher redundante Drucksensoren an einem gemeinsamen Punkt
nicht Messwerte liefern, die innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs
liegen, kann eine Bedienungsperson dahingehend gewarnt werden, dass
ein Sensor ausgefallen ist oder falsche Daten liefert. Auch wenn
bei dieser Darstellung die SPC-Variable
der Druck ist, können
SPC-Techniken auf jeden gemessenen Wert oder jede gemessene Variable
in dem Fluidsystem angewendet werden, einschließlich die Pump-Hubrate, die Schachtniveaus,
die Gasdetektion, die Flussrate des Schlammes in der Rückflussleitung
und das Schlammgewicht.
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Der
SPC-Referenzwert/-Bezugspunkt kann durch eine andere Messung erhalten
und/oder geliefert werden, so zum Beispiel eine frühere Messung der
Messsensoren, oder an die programmierbare Steuerung 100 durch
einen oder mehrere andere Sensoren geliefert werden. Der Referenzwert/Bezugspunkt
kann erhalten oder zur Verfügung
gestellt werden durch Berechnung, Programmieralgorithmen, Sensormessungen,
einem vorbestimmten Wert oder einen durch eine Bedienungsperson
eingegebenen Wert.
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Ein
möglicher
Vorteil der Verwendung der SPC-Technik ist es, dass schwierig zu
detektierende Probleme am Sohlenboden in einer frühen Entwicklungsphase
identifiziert werden können.
Beispiele für solche
Probleme umfassen zum Beispiel den Verlust der Zirkulation; Unterspülungen in
dem Bohrstrang, die Anordnung an der Sole des Loches und/oder des Drillmeißels; Verstopfen
von Schachtdüsen
oder Verstopfen des Bohrstranges. Die Fähigkeit, hydrostatische Komplikationen
frühzeitig
zu identifizieren, kann auch aus der Überlegung stammen, dass dann,
wenn die gesamte Ausrüstung
an der Oberfläche
und die Steuersysteme korrekt arbeiten, und das System nicht „in Kontrolle" ist, andere nicht
direkt messbare Faktoren, so zum Beispiel ein Problem bei dem hydrostatischen
Sohlendruck, eine wahrscheinliche Ursache für die „außer Kontrolle"-Situation sind.
Ebenso können
durch die SPC-Lösung
Probleme bei der oberirdisch gelegenen Ausrüstung, so zum Beispiel einer
Unterspülung
der Drossel, ebenfalls detektiert werden. Das Steuersystem kann
eine Folge von Alarmsignalen lie fern, die spezifisch für den gewählten Bohrloch-Steuerplan
sind, einschließlich
die folgenden Merkmale:
„Verlust
der Kontrolle" eines
kontrollierten oder gesteuerten Parameters;
Störung eines
Schlamm-Gas-Separationssystemes hinsichtlich einer sicheren Funktion,
angegeben zum Beispiel durch einen exzessiven Kesseldruck und/oder
ein darin vorliegendes exzessives hohes oder niedriges Niveau der
Flüssigkeit;
exzessiver
Druck an einem beliebigen Punkt innerhalb des Systemes, einschließlich in
dem Ringraum, der Verrohrung, den Drosselrohren und der Abfackelleitung.
Sensorausfall.
Steuerbefehle
und Funktion der Drossel; und
Temperatur und/oder Druckbedingungen
an einer Drossel, einem unter der Wasseroberfläche gelegenen BOP oder sonst
wo in dem Zirkulationssystem, durch die eine mögliche Bildung von Hydraten
angezeigt wird.
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Wenn
eine Bedienungsperson das Pump- und/oder Steuersystem manuell steuert
und ein Alarm (zum Beispiel aus der obigen Liste) auftritt, dann
kann die Bedienungsperson anstelle einer Reaktion durch ein manuelles
Absenken der Zirkulationsrate die programmierbare Steuerung 100 einschalten,
damit diese die Zirkulationsrate reduziert und automatisch das Zirkulations-/Totpump-Verfahren
steuert und/oder der Bedienungsperson neue Steuerdaten liefert,
die spezifisch für
die neue Zirkulationsrate sind.
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Wenn
die programmierbare Steuerung 100 einwandfrei funktioniert
und ein Alarm (zum Beispiel entsprechend der obigen Liste) auftritt,
kann das Kontrollsystem automatisch die Zirkulationsrate reduzieren
und die Steuerparameter automatisch einstellen. Im Gegensatz hierzu
kann das Steuersystem, wenn die programmierbare Steuerung 100 die Zirkulationsrate
in Antwort auf den Alarm reduzierte und wenn die Alarmbedingung
bereinigt ist, die Zirkulationsrate automatisch bis auf eine erwünschte oder bestimmte
Rate erhöhen.
Eine solche automatische SPC-Arbeitsstrategie erlaubt es der programmierbare
Steuerung 100, sicher und genau einen Kick-Einbruch in
reduzierter Zeitspanne und innerhalb von durch die Bedienungsperson
gesetzten Rrozessbeschränkungen,
so zum Beispiel einer maximalen Pumprate, auszupumpen.
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Eine
Bedienungsperson kann ebenso mit der programmierbaren Steuerung 100 zusammenarbeiten,
um manuell lediglich die Pumprate zu steuern, während die programmierbare Steuerung
die Drossel steuert. Bei Auftreten einer gemessenen Alarmbedingung
kann die Bedienungsperson wählen,
die manuelle Steuerung der Pumpe fortzusetzen oder er kann es dem
Steuersystem erlauben, die Pumpensteuerung zu übernehmen.
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Die
Bedienungsperson kann ebenfalls die programmierbare Steuerung 100 programmieren,
um jede der geläufigen
Steuertechniken für
ein Bohrloch zu verwenden, so zum Beispiel das Bohrmeister-Verfahren
und/oder das Ingenieur-Verfahren, und zwar in einem manuellen und/oder
automatischen Steuerungsmodus. Zum Beispiel kann die Bedienungsperson
beabsichtigen, einen Kick-Einbruch aus dem Bohrloch mit einer Zirkulationsrate
auszupumpen, was die programmierbare Steuerung 100 dann
ausführen
kann. Wenn jedoch während
dieser Ausführung
irgendwelche Komplikationen durch die Bedienungsperson oder die
programmierbare Steuerung 100 detektiert werden, dann kann
die Steuerung die Zirkulationsrate auf eine für die Bedingungen sichere Rate
reduzieren. Die programmierbare Steuerung 100 kann ebenso
programmiert werden, damit die automatische Pumprate nicht die durch
die Bedienungsperson festgesetzte Bezugs-Pumprate überschreitet.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann programmiert werden,
um Sensor-Fehler
oder fehlerhafte Daten zu detektieren. So können zum Beispiel an jeder
Messposition Doppelsensoren vorgesehen werden. Eine SPC-Überwachung
der Sensor- Ausgangssignale
kann durch die programmierbare Steuerung erfolgen, um zu bestimmen,
wenn ein ausgelesenes Ausgangssignal statistisch signifikant von
dem ausgelesenen Signal des zweiten Sensors abweicht.
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In
dem automatischen Modus kann die programmierbare Steuerung 100 einer
Bedienungsperson einen detaillierten Steuerungsplan und eine Tabelle
liefern, sodass die Bedienungsperson diesen Plan manuell ausführen kann
im Fall, dass ein Sensor oder ein Steuerungsgerät ausfällt oder ein Ausfall der Funktion
des Steuersystemes vorliegt. Ein solcher Plan kann als Back-Up-Plan
oder als primärer Steuerungsplan
verwendet werden, und kann regelmäßig während der Bohrarbeiten aktualisiert
werden. Der Plan kann aus einem Plan-Speicherbereich ermittelt werden,
und zwar auf Wunsch entweder als ausgedruckte Form oder elektronisch.
Der Steuerungsplan kann ebenfalls einen breiten Bereich von Sensoren
berücksichtigen.
So kann zum Beispiel der Zieldruck in dem Bohrrohr für einen
oder mehrere elektronische Drucksensoren oder für einen oder mehrere hydraulische
Messgeräte
definiert werden. Die geeigneten Beziehungen zwischen diesen gemessenen
Werten können
durch das System bestimmt werden.
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Im
Falle, dass die Bohrlochsteuerung nicht durch das Reduzieren der
Zirkulationsrate oder durch das Ausführen einer oder mehrerer Steuerungsverfahren
für das
Bohrloch wieder gewonnen werden kann, oder wenn die Qualität der an
die Steuerung gelieferten Daten fragwürdig oder fehlerhaft ist, kann
die programmierbare Steuerung 100 mit der Fähigkeit
ausgerüstet
werden, eine Notabschaltung („ESD" für „emergency
shut down") für die Bohrung, die
Bohrausrüstung
und/oder die Pumpenausrüstung auszuführen. Ein
ESD-Verfahren kann eine automatische Arbeitsweise einer oder mehrerer
Komponenten der Ausrüstung
einschließen
und/oder der Bedienungsperson eine Anleitung für manuelle Aktionen liefern.
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Die
programmierbare Steuerung 100 kann auch eine sekundäre Unterstützungsausrüstung als Teil
des Steuerungsschemas betätigen.
Zum Beispiel kann die programmierbare Steuerung im Falle eines exzessiven
Gas-Schlamm-Separatordruckes die Bohrung abschließen und
eine „Ausblasleitung" öffnen, um den Druck zu reduzieren.