-
GEBIET DER ERFINDUNG:
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Bohrlochmessungen.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Systeme und Verfahren
zum Ausführen
von Messungen in einem Bohrloch und zum Verarbeiten und Senden derselben.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
-
Es
gibt allgemein zwei Typen von im Bohrloch ausgeführten Messungen – Messungen
des das Bohrloch umgebenden Gesteins (häufig als Formationsbewertung
bezeichnet) und Messungen des Bohrlochs und der Bohranordnung (häufig als
Bohrüberwachung
bezeichnet). Beispiele der Bohrüberwachung
umfassen das Folgende:
- – Winkelverlagerung (Gleichstrom-Magnetometer oder
-Gravimeter) oder Umdrehungsgeschwindigkeit (Winkeländerungsgeschwindigkeit
oder direkt abgeleitet von Radialbeschleunigungsmessern) der Bohrstranganordnung
entweder oberhalb oder unterhalb des Motors.
- – Beschleunigungen – gemessen
mittels Beschleunigungsmessern; an jedem Ort längs des Bohrstrangs gibt es
3 Linearbeschleunigungsrichtungen und eine Drehbeschleunigungsrichtung.
- – Belastungen – im Allgemeinen
mittels Kombinationen von Dehnungsmessstreifen gemessen – wie etwa
Gewicht, Drehmoment und Biegemoment. Auch Belastung von Komponenten
wie etwa Meißel-
oder Bohreransätzen
(cutter lugs).
- – Drücke – Absolutdrücke, gemessen
innerhalb und außerhalb
des Bohrstrangs, und Differenzdrücke
zwischen der Innenseite der BHA bzw. BSA und dem Ringraum oder am
Bohrmotor oder anderen Bohrlochvorrichtungen.
- – Drehzahlen
und Drehmomente von sich drehenden Komponenten – wie etwa Turbinen, Bohrmotoren
und Schlammimpulsgebern.
- – Durchflussmengen – im Allgemeinen
sind diese von anderen Mess werten wie etwa der Turbinendrehzahl
abgeleitet.
- – Temperaturen – Schlammtemperaturen
sowohl innerhalb als auch außerhalb
des Bohrstrangs und Komponententemperaturen (wie etwa von Bohrerlagern).
-
Bohrüberwachungsdaten
wie diese sowie andere Typen von Bohrüberwachungsdaten müssen vor
der Übertragung
zur Oberfläche
mittels Telemetrie während
des Bohrens im Allgemeinen irgendeiner Form von Datenverarbeitung
unterzogen werden. Abgesehen davon, dass die Abtastfrequenz so verkleinert
wird, dass sie mit der Übertragungsgeschwindigkeit
kompatibel ist, sind verschiedene Mittel zum Erfassen bestimmter
Einzelheiten der hochfrequenten Daten in geringen Mengen, die mittels verfügbarer Telemetrie übertragen
werden können, vorgeschlagen
worden. Herkömmliche
Verarbeitungstechniken können
aus einfachen Verfahren (wie etwa Mittelwert, Standardabweichung,
Maxima und Minima) oder komplizierteren Verfahren (Spektral- oder
Wavelet-Analyse) bestehen. Die Motivation für diese Verfahren ist der Datenengpass,
der sich aus der langsamen Telemetriegeschwindigkeit ergibt.
-
Beispielsweise
offenbart das US-Patent 4.216.536 das Berechnen verschiedener Eigenschaften
(Mittelwert, positive und negative Scheitel- bzw. Spitzenwerte,
Standardabweichung, Grund- und Oberschwingungsfrequenzen und -amplituden) und
das Übertragen
einer Auswahl von diesen während
des Bohrens. Das US-Patent 5.663.929 offenbart die Verwendung der
Wavelet-Transformation, um
die Datenmenge zu verkleinern.
-
Obwohl
diese beiden Typen von Verfahren die Funktion der Datenreduktion
innerhalb eines einzigen Datenkanals erfüllen, wird die Nützlichkeit
des Bewahrens hochfrequenter Informationen, die zeigen, wie verschiedene
Kanäle
miteinander zusammenhängen,
nicht erkannt. Im Allgemeinen ist im Stand der Technik nicht erkannt
worden, dass Informationen über
die quantitative Beziehung zwischen mehreren Kanälen bei Frequenzen, die weit über die Abtastfrequenz
hinausgehen, erfasst werden könnten.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
-
Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein
Verfahren zu schaffen, die ermöglichen,
bei relativ wenig aus dem Bohrloch übertragenen Daten eine Mehrkanal-Dateneinhüllende (multi-channel
data envelope) zu erzeugen.
-
Gemäß der Erfindung
ist ein System zum Ausführen
von Messungen in einem Bohrloch während des Errichtens des Bohrlochs
geschafften. Das System umfasst einen ersten Sensor, der sich im Bohrloch
befindet und so beschaffen ist, dass er einen ersten Bohrlochparameter
misst, und einen zweiten Sensor, der sich im Bohrloch befindet und
so beschaffen ist, dass er einen zweiten Bohrlochparameter misst.
Das System verwendet einen Bohrlochprozessor, der mit dem ersten
und mit dem zweiten Sensor kommuniziert, um eine statistische Beziehung
zwischen dem ersten und dem zweiten Bohrlochparameter zu berechnen.
Um die berechnete statistische Beziehung zur Oberfläche zu senden, wird
ein Sender verwendet, der sich im Bohrloch befindet und mit dem
Bohrlochprozessor kommuniziert.
-
Die
statistische Beziehung ist vorzugsweise eine Kovarianz, wobei vorzugsweise
auch die Standardabweichung und/oder der Mittelwert berechnet werden.
Die Bohrlochparameter sind vorzugsweise das Drehmoment und das Gewicht
auf die Bohrerspitze, der Druck und das Gewicht auf die Bohrerspitze,
die Werkzeugfläche
und das Gewicht auf die Bohrerspitze oder der Ringraumdruck und
die Durchflussmenge im Bohrloch.
-
Das
System umfasst vorzugsweise auch einen Empfänger, der sich an der Oberfläche befindet und
so positioniert und konfiguriert ist, dass er die von dem Sender
gesendete berechnete statistische Beziehung empfängt, und einen Prozessor an
der Oberfläche,
der mit dem Empfänger
kommuniziert und so programmiert ist, dass er die berechnete statistische
Beziehung analysiert. Anhand der Analyse werden vorzugsweise Bohr-Betriebsparameter
geändert.
-
Die
Erfindung ist außerdem
durch ein Verfahren zum Ausführen
von Messungen in einem Bohrloch verkörpert.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
-
1 zeigt
simulierte Gewichts- und Drehmomentdaten für eine Bohrerspitze, wobei
beiden Daten unabhängig
Rauschen hinzugerechnet ist;
-
2 zeigt
die aus den in 1 gezeigten Daten berechneten
Mittelwerte, Varianzen und Kovarianzen;
-
3 zeigt
eine Superposition der Ellipsen auf den Datenpunkten von 1;
-
4 zeigt
ein System zum Verarbeiten und Senden von Bohrloch-Messwerten gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung;
-
5 zeigt
schematisch die Organisation und Kommunikation in der Bohrlochsohlen-Baugruppe
(bottom hole assembly, BHA) gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung; und
-
6 ist
ein Ablaufplan, der verschiedene Schritte zum Messen, Verarbeiten
und Senden von im Bohrloch gemessenen Daten gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung zeigt.
-
GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um entweder die Kovarianz
der Kanäle
oder den Regressionskoeffizienten (Kovarianz geteilt durch das Produkt aus
den Standardabweichungen) in Kombination mit einzelnen Kanal-Mittelwerten
und Kanal-Varianzen (oder alternativ Kanal-Standardabweichungen)
zu berechnen und zu senden.
-
Allgemeiner
können
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung die Daten in jedem Kanal durch eine lineare Transformation
transformiert werden – und
kann nach der Transformation die Kovarianz berechnet werden. Ein
Beispiel dafür
ist die Fourier-Transformation.
-
Nun
werden ein System und ein Verfahren für die Bohrlochdatenverarbeitung
von Bohrüberwachungsmesswerten
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform,
die eine Kovarianzberechnung im Zeitbereich verwenden, erläutert. Betrachtet
werden zwei Kanäle
x und y, die bei n Abtastwerten/Sekunde abgetastet werden. Die über N Sekunden
berechnete Kovarianz C
xy ist gegeben durch
wobei <x> den
Mittelwert von x über
die N Sekunden bedeutet, während <y> den Mittelwert von
y über
die N Sekunden bedeutet.
-
Ein äquivalenter
Ausdruck für
die Kovarianz ist
-
-
Der
Regressionskoeffizient für
die zwei Kanäle
ist gegeben durch die Kovarianz geteilt durch die einzelnen Kanal-Standardabweichungen.
Dies hat den Vorteil, dass er stets zwischen –1 und 1 liegt.
-
Der
Nutzen der Kovarianzberechnung ist der, dass sie die beste lineare
Beziehung (im Sinne der Fehlerquadratmethode) zwischen zwei abzuleitenden
Messwerten sowie das Bereitstellen eines Maßes für die Anpassung (des Regressionskoeffizienten)
ermöglicht.
Daher können
Bohrlochbedingungen besser geschätzt
und bestimmt werden. Wenn beispielsweise die zwei Kanäle das Drehmoment
und das Gewicht auf die Bohrerspitze sind, ermöglicht die Erfindung eine bessere
Interpretation des Bohrerspitzenverschleißes. In einem weiteren Beispiel,
bei dem die Kanäle
die Werkzeugfläche
und das Gewicht auf die Bohrerspitze sind, ermöglicht die Erfindung eine bessere
Steuerung der Bohrrichtung während
des Gleitens durch Ändern
des Gewichts auf die Bohrerspitze.
-
Das
Minimieren der Fehler bezüglich
y ergibt sich in diesem Fall als Ausgleichslinie oder Best-Fit-Linie
-
Ein ähnlicher
Ausdruck existiert für
die linearen Ausgleichsbeziehungen oder Best-Fit-Beziehungen zwischen
mehr als zwei Kanälen,
die das Übertragen
der einzelnen Kanal-Mittelwerte und Kanal-Standardabweichungen (oder
Kanal-Varianzen) und
sämtlicher
Kovarianzen zwischen den verschiedenen Kanälen erfordert.
-
Nun
werden ein Verfahren und ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, die eine Berechnung der zeitverzögerten Kovarianz
verwenden. Ein weiterer Satz von Bohrloch-Kovarianzen, der berechnet werden kann,
bezieht Daten in einem Kanal auf zeitverzögerte Daten von einem anderen
Kanal. Für
die zwei Kanäle
x und y werden Kovarianzen erhalten wie etwa
-
Wenn
diese Kovarianzen für
k = –1,
0, 1 berechnet werden, können
lineare Beziehungen zwischen x und der Änderungsrate von y (oder umgekehrt)
abgeleitet werden.
-
Nun
werden ein Verfahren und ein System gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, die eine Kovarianzberechnung im Frequenzbereich (oder
eine Kanalfilterung) verwenden, beschrieben.
-
Kovarianzberechnungen
im Zeitbereich zeigen einfache Beziehungen zwischen Kanälen auf (beispielsweise
ist x proportional zu y zuzüglich
eines Versatzes). Manchmal sind allgemeinere Frequenzbereichskovarianzen
nützlich,
wenn es unklar ist, welche Art von linearem Modell zwei oder mehr
Kanäle
in eine Beziehung setzt, oder um Klarheit zu verschaffen, dass kein
gutes lineares Modell existiert. Wenn beispielsweise große Schwankungen
des Drehmoments gemessen werden, die von großen Veränderungen des Drucks im Bohrloch
begleitet sind, würde
wahrscheinlich bestimmt werden, wenn eine starke Beziehung zwischen
den zwei Kanälen besteht,
was angeben würde,
dass eine gemeinsame Ursache möglicherweise
mit Bedingungen in der Nähe
der Bohrkrone zusammenhängt,
anstatt durch mehrere Ursachen an verschiedenen Orten innerhalb
des Bohrlochs bedingt ist. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird irgendeine Berechnung im Frequenzbereich ausgeführt, die
Teil einer allgemeinen Klasse von komplizierteren Einkanal-Datentransformationen
ist. Nach dieser Berechnung wird die Kovarianz der Daten in verschiedenen
Kanälen
berechnet.
- 1. Wähle ein Zeitfenster (N Abtastwerte)
- 2. Nehme alle N/2 Abtastwerte die vorhergehenden N Abtastwerte
- 3. Multipliziere durch eine Fensterfunktion (Kosinusglocke,
Parabel)
- 4. Fülle
mit N Nullen auf
- 5. Nehme die Fourier-Transformierte der Länge 2N.
-
Dies
erzeugt alle N/2 Abtastwerte N komplexe Zahlen pro Kanal, so dass
eine Überabtastung
der Daten besteht. Von Interesse unter den Daten sind nicht die
Phase jedes Kanals, sondern die Amplitude und die relative Phase
zwischen Kanälen.
-
Ähnlich wie
zuvor können
den M Fenstern Fourier-transformierte Daten entnommen werden (d. h.
Zeitbereichsdaten von den vorhergehenden (M + 1)N/2 Abtastwerten
wiedergewonnen werden), wobei für
jede Frequenz f und jedes Paar von Kanälen x und y
berechnet werden.
-
Hier
bedeuten die kleinen Querstriche die komplexe Konjugation.
-
Aus
diesen Mittelwerten kann die Best-Fit-Transferfunktion von x nach
y (und umgekehrt) abgeleitet werden.
-
Ebenso
wie "Güterwagen
(box car)"-Mittelwerte
wie etwa jene, die oben gezeigt worden sind, können andere Mittelwertbildungsverfahren
wie etwa das Kombinieren der Summierung mit einer Gewichtungsfunktion
oder die rekursive, exponentielle Filterung verwendet werden.
-
Ebenso
wie das Bereitstellen von Mittelwerten für die quantitative Bewertung
von Beziehungen zwischen Variablen ermöglicht das Bereitstellen von Kovarianzinformationen
zusätzlich
zu den Mittelwerten und Varianzen das Erkennen der qualitativen,
visuellen Beziehung, wie das folgende Beispiel demonstriert, bei
dem ein System und ein Verfahren, die Kovarianzberechnungen verwenden,
auf Gewicht und Drehmoment angewendet werden.
-
1 zeigt
simulierte Gewichts- und Drehmomentdaten über 200 Sekunden für eine Bohrspitze,
wobei beiden Daten unabhängig
Rauschen hinzugerechnet ist. Die Gewicht-Drehmoment-Beziehung ist
bei niedrigen Gewichten linear und wird dann immer flacher.
-
2 zeigt
die aus den in 1 gezeigten Daten berechneten
Mittelwerte, Varianzen und Kovarianzen. Bei 2 beträgt die Berechnungsperiode 20
Sekunden. Die Positionen der Kreuze sind durch die Gewichts- und
Drehmomentmittelwerte über
der Periode gegeben. Die vertikale und die horizontale Ausdehnung
jeder Ellipse ist das 1,5-fache der Standardabweichung des Drehmoments
bzw. des Gewichts, wobei das Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse
der Ellipse von dem Regressionskoeffizienten (der Kovarianz dividiert
durch das Produkt aus den Standardabweichungen) hergeleitet ist.
-
Wenn
der Regressionskoeffizient Null ist, ist das Verhältnis das
Verhältnis
der Standardabweichungen. Mit zunehmendem Absolutwert des Regressionskoeffizienten
wird die Ellipse einer Geraden immer ähnlicher.
-
3 zeigt
eine Superposition der Ellipsen auf den Datenpunkten von 1.
Es ist zu sehen, dass die Ellipse die Position der ursprünglichen
Daten genau widerspiegelt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
an der Oberfläche
die Daten mit Daten, die von versetzten Bohrlöchern erlangt worden sind,
für einen
Vergleich der Leistung von verschiedenen Bohrspitzen oder zu anderen
Zwecken verglichen werden.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden anhand des Profils des Bohrspitzenverhaltens,
das in einem Bild wie es in 2 gezeigt
ist, erhalten wird, die Bohr-Betriebsparameter geändert. Beispielsweise
zeigt 2 deutlich, dass dann, wenn die optimale Bohrspitzenleistung
in jenem Regime oder Bereich, in dem die Bohrspitze-Drehmoment-Beziehung
linear ist, erhalten wird, das Gewicht auf die Bohrerspitze auf
Werte unter 20 beschränkt
werden sollte. Wenn die Mittelwerte (die Kreuze) in 2 untersucht
werden, ist klar, dass diese Schlussfolgerung nicht anhand der Mittelwerte allein
gezogen werden kann.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
auch an der Oberfläche ähnliche mechanische
Messungen – insbesondere
des Gewichts auf die Bohrerspitze und des Drehmoments – sowie
andere Messungen wie etwa der Eindringrate oder Eindringgeschwindigkeit,
die im Bohrloch nicht ausgeführt
werden können,
ausgeführt
werden. Die Messungen an der Oberfläche sind bei hohen Drehzahlen
verfügbar,
jedoch können
sie sowohl von der Bohrspitze als auch dem Bohrstrang Beiträge enthalten.
Beispielsweise sind sowohl das Gewicht auf die Bohrerspitze als
auch das Drehmoment, die an der Oberfläche gemessen werden, durch
Reibungseffekte im Bohrloch bedingt, größer als jene, die im Bohrloch
gemessen werden.
-
Durch
Anwenden einer ähnlichen
Verarbeitung auf Oberflächen-Messwerte, wie sie
an den Bohrloch-Messwerten ausgeführt wird, können die zwei Sätze von
Messwerten verglichen und die Reibungskorrektur geschätzt werden,
womit von der Oberfläche
aus das Gewicht und das Drehmoment im Bohrloch geschätzt werden
können.
Ebenso wie die Berechnung im Bohrloch der Kovarianzen von Messwerten
wie etwa des Gewichts und des Drehmoments gegeneinander, ermöglicht das
oberirdische Berechnen und Übertragen
der Kovarianz dieser Messwerte gegenüber der Zeit das Abgleichen von
Oberflächen-Messwerten mit Bohrloch-Messwerten ähnlicher
Größen oder
ist dabei besonders nützlich.
-
Der
Vergleich der Varianzen der Oberflächen- und Bohrloch-Messwerte
ermöglicht
außerdem
das Ausführen
von Fehlerabschätzungen
der Genauigkeit der Reibungskorrektur.
-
Ebenso
wie die Verarbeitung von Oberflächen-Messwerten,
die zu den Bohrloch-Messwerten äquivalent
sind, ermöglicht
die Berechnung von Mittelwerten, Varianzen und Kovarianzen von Oberflächen-Messwerten
(wie etwa des Gewichts) mit jenen, die nur an der Oberfläche verfügbar sind
(wie etwa die Eindringrate) das Erklären weiterer Aspekte des Bohrspitzenverhaltens.
Sobald die Beziehung zwischen dem Oberflächen-Gewicht und dem Bohrloch-Gewicht
ermittelt worden ist, kann beispielsweise die Beziehung zwischen
dem Gewicht auf die Bohrerspitze und der Eindringrate abgeleitet
werden.
-
Nun
werden ein System und ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zum Beziehen des Gewichts auf die Bohrerspitze auf
die Werkzeugfläche
beschrieben. Während des
Gleitbohrens muss die Orientierung des Bohrstrangs so gesteuert
werden, dass das Bohren in der gewünschten Richtung fortschreitet.
Obwohl die Orientierung des oberen Teils des Bohrstrangs durch die Oberflächen-Rotationsvorrichtung
(Top-Drive oder Drehtisch) direkt gesteuert wird, bedeutet das durch das
Bohren bedingte reaktive Drehmoment, dass der wirkliche Werkzeugflächenwinkel
bei einem langen Bohrstrang ganz anders ist. Da das reaktive Drehmoment
mit dem auf die Bohrspitze aufgebrachten Gewicht (WOB, weight on
bit) zusammenhängt,
muss dann, wenn das WOB verändert
wird, zur Kompensation auch die Oberflächen-Werkzeugfläche verändert werden. Wenn an einer
Verbindung eine Überwachung
vorgenommen wird und die Oberflächen-Werkzeugfläche ohne
ein auf die Bohrspitze aufgebrachtes Gewicht eingestellt wird, muss
der Bohrführer
das erwartete reaktive Drehmoment kompensieren – wobei dann, wenn sich zu
Beginn des Bohrens die Bohrloch-Werkzeugfläche wesentlich von der gewünschten
Werkzeugfläche
unterscheidet, weitere Einstellungen vorgenommen werden müssen, was
den Bohrprozess verzögert.
-
Gemäß der Erfindung
werden Daten zur Oberfläche
gesendet, die zeigen, wie sich die Werkzeugfläche mit einer Änderung
des Gewichts verändern
würde,
wodurch das Ausbalancieren der Werkzeugfläche bei WOB-Änderungen
leichter wird.
-
Gemäß dieser
Ausführungsform
sind die zwei Bohrlochkanäle,
deren Kovarianz gefordert wird, die Werkzeugfläche und das WOB. Die Werkzeugflächenkorrektur
ist proportional zum Bohrspitzendrehmoment – jedoch ist das Bohrspitzendrehmoment
keine Größe, die
der Bohrführer
direkt von der Oberfläche
aus steuern kann. Das Bohrspitzendrehmoment hängt direkt, häufig in
nahezu linearer Weise, vom WOB ab, jedoch ändert sich die Proportionalitätskonstante
mit dem gebohrten Gestein sowie mit anderen Faktoren wie etwa der
Durchflussmenge. Das Senden der Mittelwerte und der Varianz der
WOB- und Werkzeugflächen-Kanäle zur Oberfläche zusammen
mit ihrer Kovarianz während
des Bohrens ermöglicht
das Überwachen
der Beziehung und außerdem
das Ausführen
genauer kleiner Werkzeugflächenkorrekturen
durch Einstellen des WOB. Es ermöglicht
außerdem
das Ausführen
einer besseren Korrektur des erwarteten reaktiven Drehmoments, wenn
Werkzeugflächeneinstellungen
bei null Gewicht auf die Bohrspitze vorgenommen werden.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum Herstellen einer
Beziehung zwischen der Durchflussmenge und dem Ringraumdruck vorgesehen.
Während
des Bohrens ist normalerweise im Ringraum, wenn gepumpt wird, im
Vergleich dazu, wenn kein Fluidfluss stattfindet, ein überschüssiger Druck
infolge des durch den Fluidfluss im Ringraum erzeugten Reibungsdrucks
vorhanden. Der Druck ist eine Funktion der Fluiddurchflussmenge,
wobei er, obwohl er sich bei den kleinen Fluidflussschwankungen,
die normalerweise während
des Bohrens erfahren werden, nichtlinear verändern kann, nahezu linear ist. Die
Korrelation zwischen der Durchflussmenge und dem Ringraumdruck kann
verwendet werden, um die Auswirkungen der Änderung der Durchflussmenge dem
Wesen nach vorherzusagen – entweder
unter direktem Verwenden der linearen Korrelation oder durch Verwenden
der linearen Korrelation zum Kalibrieren eines nichtlinearen Modells.
Normalerweise kann die Pumpensteuereinheit eine sehr stetige Durchflussmenge
aufrechterhalten. Als Erweiterung dieser Ausführungsform kann die Oberflächen-Durchflussmenge
frei, jedoch langsam über
einen Bereich, verändert
werden, um einen guten Bohrloch-Messwert
der Korrelation zu liefern. Diese Korrelation kann auch gemessen
werden, wenn die Pumpen beim Start einer Verbindung abgeschaltet sind
und die Bohrloch-Durchflussmenge über mehre Sekunden auf Null
abfällt.
-
4 zeigt
ein System zum Verarbeiten und Senden von Bohrloch-Messwerten gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung. Ein Bohrstrang 58 ist innerhalb eines Bohrlochs 46 gezeigt. Das
Bohrloch 46 befindet sich in der Erde 40 mit einer
Oberfläche 42.
Das Bohrloch 46 wird durch die Einwirkung einer Bohrkrone 54 gebohrt.
Die Bohrkrone 54 ist am fernen Ende der Bohrlochsohlen-Baugruppe 56,
die am unteren Abschnitt des Bohrstrangs 58 befestigt ist
und jenen bildet, angeordnet. Die Bohrlochsohlen-Baugruppe 56 enthält mehrere
Vorrichtungen einschließlich
verschiedener Unterbaugruppen. Gemäß der Erfindung sind in den
Unterbaugruppen 62 Unterbaugruppen für das Messen während des
Bohrens (measurement-while-drilling, MWD) enthalten. Beispiele von
typischen MWD-Messwerten umfassen die Richtung, die Neigung, Überwachungsdaten,
den Bohrlochdruck (jenen innerhalb des Gestängerohrs und jenen außerhalb
des Gestängerohrs,
den Ringraumdruck), den spezifischen elektrischen Widerstand, die
Dichte und die Porosität.
Außerdem
ist eine Unterbaugruppe 60 für das Messen des Drehmoments
und des Gewichts auf die Bohrerspitze enthalten. Falls ein lenkbares Rotary-Bohren
ausgeführt
wird, sind in einer Unterbaugruppe 66 weitere Messungen
wie etwa jene der Werkzeugfläche
(Orientierung) vorgesehen. Obwohl diese Beispiele angegeben sind,
können
gemäß der vorliegenden
Erfindung selbstverständlich
Messwerte von sehr unterschiedlichen Typen von Sensoren im Bohrloch
verarbeitet werden und übertragen
werden. Die Signale von den Unterbaugruppen 60, 62 und 68 werden
vorzugsweise in einem Prozessor 66 verarbeitet. Der Prozessor 66 führt eine
statistische Verarbeitung im Bohrloch aus wie etwa die Kovarianz,
wie oben bei den verschiedenen Ausführungsformen beschrieben worden
ist. Nach der Verarbeitung werden die Informationen vom Prozessor 66 an die
Impulsgeber-Baugruppe 64 übermittelt.
Die Impulsgeber-Baugruppe 64 setzt die Informationen vom Prozessor 66,
in manchen Fällen
zusammen mit Signalen direkt von einer oder mehreren der Unterbaugruppen 68, 62 und/oder 60,
in Druckimpulse im Bohrfluid um. Die Druckimpulse werden in einem
besonderen Muster, das die Daten von den Unterbaugruppen 68, 62 und/oder 60 repräsentiert,
erzeugt. Die Druckimpulse wandern durch das Bohrfluid in der zentralen Öffnung im
Bohrstrang nach oben in Richtung des Oberflächensystems. Die Unterbaugruppen in
der Bohrlochsohlen-Baugruppe 56 können auch eine Turbine oder
einen Motor zum Liefern von Leistung zum Drehen der Bohrkrone 54 umfassen.
-
Das
Bohr-Oberflächensystem 100 umfasst einen
Bohrturm 68 mit Hebesystem, ein Drehsystem und ein Schlammzirkulationssystem.
Das Hebesystem, an dem der Bohrstrang 58 aufgehängt ist,
umfasst ein Rotary-Hebewerk 70, einen Haken 72 und einen
Spülkopf 74.
Das Drehsystem umfasst eine Mitnehmerstange 76, einen Bohrwerks-
oder Drehtisch 88 und Motoren (nicht gezeigt). Das Drehsystem
verleiht dem Bohrstrang 58 eine Drehkraft, wie an sich
bekannt ist. Obwohl das System in 4 mit einer
Mitnehmerstange und einem Drehtisch gezeigt ist, können Fachleuten
erkennen, dass die vorliegende Erfindung auch auf Top-Drive-Bohranordnungen anwendbar
ist. Obwohl das Bohrsystem in 4 als an
Land befindlich gezeigt ist, können
Fachleute erkennen, dass die vorliegende Erfindung auf Meeresumgebungen
gleichfalls anwendbar ist.
-
Das
Schlammzirkulationssystem pumpt Bohrfluid die zentrale Öffnung im
Bohrstrang hinab. Das Bohrfluid wird oft Schlamm genannt und ist
typischerweise ein Gemisch aus Wasser oder Dieselkraftstoff, speziellen
Lehmen und anderen Chemikalien. Der Bohrschlamm wird in einer Schlammgrube 78 gelagert.
Der Bohrschlamm wird durch Schlammpumpen (nicht gezeigt) angesaugt,
die ihn durch das Standrohr 86 in die Mitnehmerstange 76 und
durch den Spülkopf 74,
der einen Rotor-Dichtsatz enthält, pumpen.
Die Erfindung ist auch auf das Bohren unterhalb des Gleichgewichts
(underbalanced) anwendbar. Wenn unterhalb des Gleichgewichts gebohrt
wird, wird an irgendeinem Punkt vor dem Eintritt in den Bohrstrang
Gas mittels eines Einpresssystems (nicht gezeigt) in den Bohrschlamm
eingeleitet.
-
Der
Schlamm geht durch den Bohrstrang 58 und durch die Bohrkrone 54.
Wenn die Zähne
der Bohrkrone die Erdformation in Bohrabfälle zermahlen und ausmeißeln, wird
der Schlamm aus Öffnungen oder
Düsen im
Bohrer mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck ausgestoßen. Diese
Schlammstrahlen heben die Bohrabfälle von der Sohle des Lochs
an und führen
sie im Ringraum zwischen dem Bohrstrang 58 und der Wand
des Bohrlochs 46 vom Bohrer weg in Richtung der Oberfläche.
-
An
der Oberfläche
verlassen der Schlamm und die Bohrabfälle das Bohrloch durch einen
seitlichen Auslass im Blow-Out-Preventer bzw. Bohrlochschieber 99 und
durch die Schlammrückführleitung (nicht
gezeigt). Der Bohrlochschieber 99 umfasst eine Drucksteuervorrichtung
und einen Rotor-Dichtsatz.
Die Schlammrückführleitung
führt den
Schlamm in einen Separator (nicht gezeigt), der den Schlamm von
den Bohrabfällen
trennt. Vom Separator wird der Schlamm zur Lagerung und Wiederverwendung
in die Schlammgrube 78 zurückgeführt.
-
An
dem Oberflächensystem 100 sind
verschiedene Sensoren angeordnet, um verschiedene Parameter zu messen.
Beispielsweise wird die Hakenlast durch einen Hakenlastsensor 94 gemessen, während das
Oberflächen-Drehmoment
durch einen Sensor am Drehtisch 88 gemessen wird. Signale
von diesen Messungen werden an einen zentralen Prozessor 96 an
der Oberfläche übermittelt.
Außerdem werden
Schlammimpulse, die den Bohrstrang hoch wandern, durch einen Drucksensor 92 erfasst,
der am Standrohr 86 angeordnet ist. Der Drucksensor 92 umfasst
einen Messwandler, der den Schlammdruck in elektronische Signale
umsetzt. Der Drucksensor 92 ist mit dem Oberflächen-Prozessor 96 verbunden, der
das Signal von dem Drucksignal in eine digitale Form umsetzt und
das Digitalsignal speichert und in verwendbare MWD-Daten demoduliert.
Gemäß verschiedenen
oben beschriebenen Ausführungsformen wird
der Oberflächen-Prozessor 96 dazu
verwendet, die gesendete statistische Beziehung wie etwa die Kovarianz
zu analysieren und Vergleiche mit gemessenen Oberflächendaten
wie etwa der Hakenlast und dem Oberflächen-Drehmoment anzustellen.
-
5 zeigt
schematisch die Organisation und Kommunikation in der Bohrlochsohlen-Baugruppe
gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung. In diesem Beispiel gibt es vier Bohrlochsensoren 102, 106, 110 und 114,
jedoch kann es im Allgemeinen irgendeine Anzahl von Sensoren geben, die
zum Ausführen
von Messungen im Bohrloch verwendet werden. Jedem der Sensoren sind
lokale Prozessoren 103, 108 und 112 zugeordnet.
In diesem Beispiel teilen sich die Sensoren 110 und 114 einen
gemeinsamen lokalen Prozessor 112. Die lokalen Prozessoren
werden verwendet, um sowohl den Sensor zu steuern als auch die gemessenen
Signale in eine digitale Form umzusetzen. Die lokalen Prozessoren übermitteln
die Digitalsignale, die die Bohrloch-Messwerte repräsentieren,
an den Prozessor 66, der verwendet wird, um die hier beschriebene statistische
Verarbeitung auszuführen.
Der Prozessor 66 übermittelt
dann die im Bohrloch verarbeiteten Daten an die Impulsgeber-Baugruppe 64 zur Übertragung
an die Oberfläche.
-
6 ist
ein Ablaufplan, der verschiedene Schritte zum Messen, Verarbeiten
und Senden von im Bohrloch gemessenen Daten gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung zeigt. In den Schritten 200 und 210 wird
ein erster und ein zweiter Parameter gemessen, wie hier beschrieben
worden ist, wobei diese Messwerte im Allgemeinen irgendwelche Bohrloch-Messwerte
sein können.
Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
können
die Parameter das Drehmoment, das Gewicht auf die Bohrerspitze,
der Innendruck, der Ringraumdruck, die Werkzeugfläche oder
die Schlamm-Durchflussmenge sein. Im Schritt 212 wird durch
einen Bohrloch-Prozessor die statistische Beziehung zwischen den
zwei gemessenen Parametern, vorzugsweise die Kovarianz, berechnet.
Im Schritt 214 wird die berechnete statistische Beziehung,
vorzugsweise mittels irgendeiner Form von Schlammimpulstelemetrie, zur
Oberfläche
gesendet. Im Schritt 216 wird die statistische Beziehung
an der Oberfläche
empfangen und analysiert. Im Schritt 218 wird die statistische
Beziehung mit an der Oberfläche
erlangten Daten wie etwa der Hakenlast und/oder dem an der Oberfläche gemessenen
Drehmoment verglichen. Schließlich werden
im Schritt 220 auf der Grundlage der Analyse der statistischen Beziehung
dank des besseren Verständnisses
der Bohrlochbedingungen ein oder mehrere Oberfläche-Betriebsparameter verändert, wie oben
beschrieben worden ist. Anhand der Kovarianz von Bohrloch-Drehmoment
und Gewicht auf die Bohrerspitze kann beispielsweise ermittelt werden,
dass der Bohrspitzenverschleiß einen
bestimmten Punkt erreicht hat, worauf die Bohrparameter entsprechend geändert werden
können.
Falls der Bohrspitzenverschleiß einen
vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat, wird die Bohrspitze ersetzt.
-
Obwohl
die Erfindung oben in Verbindung mit den exemplarischen Ausführungsformen
beschrieben worden ist, werden Fachleuten, wenn sie diese Offenbarung
erhalten, viele äquivalente
Abänderungen
und Abwandlungen offenbar. Daher werden die oben dargelegten exemplarischen
Ausführungsformen
der Erfindung als veranschaulichend und nicht als einschränkend angesehen.
An den beschriebenen Ausführungsformen
können
verschiedene Änderungen
vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen spezifiziert
ist, abzuweichen.
