DE69102789T2

DE69102789T2 - Verfahren und System zum Steuern der Vibrationen einer Einrichtung im Bohrloch.

Info

Publication number: DE69102789T2
Application number: DE69102789T
Authority: DE
Inventors: Johan Dirk Jansen; Ivo Petrus Jozef M Stulemeijer; Walstijn Bartholomeus Gera Van; Robert Nicholas Worrall
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: DE69102789D1; NZ237021A; NO178590C; AU7087291A; EP0443689A2; BR9100660A; US5117926A; EG19323A; MY104800A; CN1054813A; OA09282A; AU627644B2; CA2035823C; TR24946A; CN1049718C; EP0443689B1; NO910666D0; NO178590B; RU2087701C1; CA2035823A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zum Kontrollieren bzw. Regulieren von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung, die ein Bündel von Rohren und ein damit verbundenes Antriebssystem aufweist.
In einer Bohrlochausrüstung können während der Bohrung des Schachtes oder Operationen bei der Produktion zahlreiche Vibrationen auftreten. Wenn die Ausrüstung einen drehbaren Bohrstrang umfaßt, können durch alternierend gleitende und stockende Bewegungen, sogenannte Slip-Stick-Bewegungen, des Bohrstranges entlang der Bohrlochwand Torsions- und Längsvibrationen hervorgerufen werden durch fluktuierende Wechselwirkungskräfte zwischen der Bohrspitze und den Felsen und durch Druckimpulse in dem Bohrfluid, die durch die Schlammpumpen erzeugt werden.
In verschiedenen Situationen ist es erforderlich, diese Vibrationen zu dämpfen, um Schockbelastungen auf die Ausrüstung zu reduzieren, aber in einigen Situationen kann es erforderlich sein, diese Belastungen zu erhöhen, zum Beispiel um einen Resonanzruck zum Befreien eines steckengebliebenen Bohrrohres zu erzeugen.
Verschiedene Konzepte sind auf diesem Gebiet zum Dämpfen oder Erhöhen von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung bekannt.
Das US-Patent 4,535,972 zeigt ein System zum Steuern von vertikalen Bewegungen eines Bohrstranges mit Hilfe eines hydraulischen Zylinders, der zwischen dem wandernden Block und der Spitze des Bohrstranges angeschlossen ist. Obwohl das bekannte System so entworfen ist, daß Gewicht an der Spitze innerhalb gewünschter Bereiche zu halten, wird es nicht als ein reaktions- bzw. rückkoppelungsgesteuerter Vibrationsdämpfer betrieben.
Die SPE-Schrift 18049 "Torque feedback used to cure slip-stick motion" von G.W. Halsey et al. vom Rogaland Research Institute von der SPE-Konferenz in Houston (USA) im Oktober 1988 beschreibt ein System, das den Wert der Geschwindigkeit des Rotationsantriebs einer Bohrausrüstung auf Basis einer Messung des Drehmoments auf dem Drehtisch anpaßt. Das bekannte System ist in der Lage, eine Drehgeschwindigkeitskorrektur proportional zum negativen Wert des gemessenen Drehmoments durchzuführen.
Die Messung des Drehmoments auf dem Drehtisch während tatsächlicher Drehoperationen ist ungünstig und neigt zu Fehlern, da sie eine Ausrüstung, z. B. Spannungs- bzw. Belastungsmeßgeräte verwendet, die empfindlich gegenüber Vibrationen und Schockbelastungen ist.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteil des bekannten Systems zu vermeiden, indem sie ein Verfahren zum Steuern von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung schafft, wobei die Ausrüstung einen länglichen Körper, der sich in ein Bohrloch erstreckt, das in einer Erdformation ausgebildet ist, und ein dazugehöriges Antriebssystem zum Antreiben des länglichen Körpers umfaßt, wobei das Verfahren beinhaltet: das Steuern des Energieflusses durch den Antriebsmotor, um innerhalb ausgewählter Grenzwerte zu sein, wenn das Antriebssystem den länglichen Körper antreibt, wobei der Energiefluß definiert werden kann als das Produkt einer Quer-Variablen und einer Durchgangs-Variablen, indem Fluktuationen in dem Motor in wenigstens einer der Variablen gemessen werden und wenigstens die andere der Variablen entsprechend den gemessenen Fluktuationen in der wenigstens einen der Variablen eingestellt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß Vibrationen in einem physikalischen System als Variationen des Energieflusses durch das System ausgedrückt werden können, und daß dieser Energiefluß immer in Ausdrücken von zwei Variablen ausgedrückt werden kann, wie Spannung mal Stromstärke, Druck mal Flußrate, Lineargeschwindigkeit mal Kraft, Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit, oder allgemein ausgedrückt "Quer-Variable" mal "Durchgangs-Variable".
Weiterhin wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Steuern von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung geschaffen, wobei die Ausrüstung einen länglichen Körper, der sich in ein in einer Erdformation ausgebildetes Bohrloch erstreckt, und ein dazugehöriges Antriebssystem zum Antreiben des länglichen Körpers umfaßt, wobei das Verfahren die Steuerung des Energieflusses durch den Antriebsmotor umfaßt, so daß er zwischen ausgewählten Grenzen liegt, wenn das Antriebssystem den länglichen Körper antreibt, wobei der Energiefluß als Produkt einer Quer- Variablen und einer Durchgangs-Variablen definiert ist, indem Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit irgendeines der rotierenden Teile gemessen werden und das Drehmoment eingestellt wird, das von dem Antriebsmotor entsprechend der gemessenen Winkelgeschwindigkeit ausgeübt wird.
Zusätzlich wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum Steuern von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung vorgesehen, wobei die Ausrüstung eine Bohrausrüstung ist, die einen Drehbohrstrang, der an seinem oberen Ende an eine Drehantriebsvorrichtung angeschlossen ist, und ein dazugehöriges Antriebssystem zum Antreiben des Bohrstrangs aufweist, wobei sich der Bohrstrang in ein Bohrloch erstreckt, das in einer Erdformation ausgebildet ist, wobei das Verfahren eine Dämpfung von Torsionsvibrationen in der Bohrausrüstung aufweist, indem der Energiefluß, der von dem Drehantrieb an den Bohrstrang ausgeübt bzw. abgegeben wird, zwischen ausgewählten Grenzen liegt, wenn das Antriebssystem den Bohrstrang antreibt, wobei der Energiefluß als das Produkt einer Quer-Variablen und einer Durchgangs- Variablen definiert werden kann, indem Fluktuationen in wenigstens einer der Variablen gemessen werden und wenigstens die andere der Variablen entsprechend den gemessenen Fluktuationen in der wenigstens einen der Variablen eingestellt werden, wobei der Bohrstrang durch einen Dieselmotor angetrieben wird, und wobei der Energiefluß in dem Bohrstrang gesteuert wird, indem ein reaktions- bzw. rückkoppelungsgesteuerter elektrischer oder hydraulischer Motorgenerator an die Antriebswelle des Motors mittels eines Differentials angeschlossen ist.
Basierend auf der Erkenntnis der vorliegenden Erfindung können verschiedene Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung auf eine genaue Weise gesteuert werden.
Wenn zum Beispiel die Bohrlochausrüstung eine Bohrausrüstung ist, die einen Drehbohrstrang aufweist, der an seinem oberen Ende an eine Drehantriebsvorrichtung angeschlossen ist, können Torsionsvibrationen in der Anordnung gedämpft werden, indem der Energiefluß, der von der Drehantriebsvorrichtung an den Bohrstrang abgegeben wird, zwischen ausgewählten Grenzen gehalten wird. Mit anderen Worten, Vibrationen, die in Aufwärtsrichtung durch den Bohrstrang wandern, werden in die Drehantriebsvorrichtung und weiter in ihre Energieversorgung übertragen, anstatt an dem oberen Ende des Bohrstrangs zurückreflektiert zu werden.
Wenn der Bohrstrang durch einen elektrischen Motor angetrieben wird, kann der Motorstrom als die Durchgangs-Variable definiert werden, während die Motorspannung als die Quervariable gewählt werden kann.
Wenn der Bohrstrang durch einen hydraulischen Motor angetrieben wird, kann die Flußrate in dem Motor als die Durchgangs-Variable ausgewahlt werden, während der Fluiddruck in dem Motor als die Quer-Variable gewählt werden kann.
Wenn der Bohrstrang durch einen Dieselmotor angetrieben wird, kann der Energiefluß in dem Bohrstrang gesteuert bzw. geregelt werden, indem ein rückkopplungsgesteuerter bzw. -geregelter elektrischer oder hydraulischer Motorgenerator an den Antriebsschaft der Maschine mittels eines Differentials angeschlossen wird.
Mit jeder Art einer elektrischen, hydraulischen oder mechanischen Drehantriebsvorrichtung kann die Winkelgeschwindigkeit in einem Drehteil der Anordnung als die Quer-Variable ausgewählt werden und das Drehmoment, das von dem Drehantrieb abgegeben wird, als die Durchgangs-Variable, während der Energiefluß durch die Anordnung zwischen ausgewählten Grenzen gehalten werden kann, indem Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit gemessen werden und indem das Drehmoment, das von dem Drehantrieb abgegeben wird, veranlaßt wird, ansprechend auf die gemessenen Geschwindigkeitsfluktuationen zu fluktuieren.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Drehbohranordnung ist, die mit einem System entsprechend der Erfindung ausgestattet ist, welches dazu dient, die Torsionsvibrationen zu steuern;
Fig. 2 einen elektronischen Schaltkreis zur Verwendung in dem System von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 schematisch eine Drehbohranordnung zeigt, die mit einer anderen Ausführungsform eines Systems entsprechend der Erfindung zum Steuern der Torsionsvibrationen ausgerüstet ist;
Fig. 4 einen elektronischen Schaltkreis zur Verwendung in dem System von Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 ein Detail eines elektronischen Schaltkreises zur Verwendung in einem System nach der Erfindung zeigt; und
Fig. 6 eine weitere andere Ausführungsform eines Systems entsprechend der Erfindung zum Steuern von Torsionsvibrationen zeigt.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Drehbohrstrang-Antriebsvorrichtung, die einen Drehtisch R mit einem Trägheitsmoment Jt, einen Getriebekasten G mit einer Untersetzung bzw. Übersetzungsverringerung 1:n und einen elektrischen Nebenschlußmotor M mit einem Trägheitsmoment Jr aufweist, der mit einem Vibrationssteuersystem nach der Erfindung ausgestattet ist.
Das Steuer- bzw. Regelsystem umfaßt einen Subtrahierer S zum Vergleichen der tatsächlichen Rotationsgeschwindigkeit Ω mit der nominellen Rotationsgeschwindigkeit Ωr und einem Rückführungskreis L1, der Fluktuationen in der Motorspannung V als Eingangs-Quer-Variable verwendet, und das System den Motorstrom I auf eine solche Weise steuert, daß das Drehmoment T, das von dem Motor abgegeben wird, auf eine vorbestimmte Weise ansprechend auf Fluktuationen in der Drehgeschwindigkeit Ω des Motors derartig variiert, daß der Energiefluß durch den Bohrstrang so gesteuert wird, daß er zwischen gewählten Grenzen liegt.
Eine Eigenschaft des Nebenschlußmotors ist es, daß T proportional zu I ist und daß Ω proportional zu V ist.
In Fig. 1 stellt Tp das Bohrrohrdrehmoment dar.
Die Beziehung zwischen der gemessenen Quer-Variablen V und der gesteuerten bzw. geregelten Durchgangs-Variablen I in dem aktiven Dämpfungssystem von Fig. 1, die derartig ist, daß deren Produkt V.I zwischen gewählten Grenzen bleibt, wird mit Hilfe einer Rückkopplungsfunktion definiert. Die Rückkopplungsfunktion beeinflußt in starker Weise den Dämpfungswert des Systems. Es ist möglich, die Dämpfungseigenschaften des Systems unter Verwendung einer angemessenen Rückkopplungsfunktion zu optimieren. Diese Rückkopplungsfunktion kann von der folgenden Folge von Berechnungen abgeleitet werden.
Die Drehimpedanz Z des Antriebssystems kann als das Verhältnis des Drehmoments T an der Motorwelle und der resultierenden Drehgeschwindigkeit Ω des Motors definiert werden:
Wenn das Drehmoment T, das von dem elektrischen Motor abgegeben wird, von der Winkelgeschwindigkeit Ω unter Verwendung einer komplexen Rückkopplungsfunktion F&sub1;(β) = - T/Ω abhängig gemacht wird, ist die Drehimpedanz der Motorwelle
Z = - F&sub1;(β) (2),
wobei
β = Frequenz der Änderungen der Variablen.
Alternativ dazu kann man die Winkelgeschwindigkeit Ω in Abhängigkeit von dem Drehmoment T unter Verwendung einer komplexen Rückkopplungsfunktion F&sub2;(β) = - Q/T setzen.
Die Impedanz bei dem Drehtisch ist
Zrt = iβJt + n² (iβJr + Z) (3),
wobei
i = Imaginäreinheit -1.
Die äquivalente Drehtischträgheit Jt' ist definiert als
Jt' = Jt + n² Jr (4)
Aus Gleichungen (2) bis (4) folgt:
Zrt = iβJt' - n²F&sub1;(β) (5)
Zrt ist als ein vorgewählter Wert α gegeben, um Torsionsvibrationen auszudämpfen. Für die erforderliche Rückkopplungsfunktion folgt:
F&sub1;(β) = (- α + iβJt')/n² (6).
Diese Funktion ist die gewünschte Rückkopplungsfunktion für den Frequenzbereich, in dem die Vibrationen bevorzugt auftreten. Für sehr niedrige Frequenzen, insbesondere für die statischen Komponenten der Geschwindigkeit, ist es wünschenswert, daß der Antrieb sich wie ein konventioneller steifer Antrieb verhält, d. h. α muß sehr groß werden, um dem Bohrer zu ermöglichen, die Rotationsgeschwindigkeit der Bohranordnung langsam zu variieren, ohne daß statische Komponenten der Geschwindigkeit von dem Drehmoment (der statischen Komponenten des Drehmoments) abhängig werden. Dies kann erreicht werden, indem α in der obigen Gleichung (6) ersetzt wird durch
wobei eine Zeitkonstante ist.
Diese Impedanz wird unendlich, wenn die Frequenz sich Null nähert, oder sie nähert sich α für hohe Frequenzen. Die Umkehrfrequenz, d. h. die Frequenz, bei welcher der Absolutwert der Impedanz auf α 2 angestiegen ist, liegt bei f = 1/2π .
Eine Substitution des obigen Impedanzausdrucks in Gleichung (6) ergibt die neue Rückkopplungsfunktion:
Ein geeigneter elektronischer Schaltkreis zum Ändern des Motorstroms I und des Motordrehmoments T in Abhängigkeit von gemessenen Fluktuationen in der Winkelgeschwindigkeit Ω der Spitze des Bohrschaftes in Übereinstimmung mit der obigen Rückkopplungsfunktion F&sub1;(β) ist in Fig. 2 gezeigt.
Der Schaltkreis von Fig. 2 weist drei Operationsverstärker A1, A2 und A3 auf, wobei jeder Verstärker einen ersten und einen zweiten Eingang hat; zwei Kondensatoren C1 und C2; und sieben Widerstände R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7. Ein Eingang 1 des Schaltkreises ist über R1 an den ersten Eingang von A1 angeschlossen, wobei der erste Eingang über R2 und C2 an den Ausgang von A1 angeschlossen ist. Der Ausgang von A1 ist über R3 an den ersten Eingang von A2 angeschlossen. Der Eingang 1 des Schaltkreises ist auch über R7 und C1 an den ersten Eingang von A2 angeschlossen, der über R4 an den Ausgang von A2 angeschlossen ist. Der Ausgang von A2 ist über R5 an den ersten Eingang von A3 angeschlossen, wobei der erste Eingang über R6 an den Ausgang von A3 und den Ausgang 2 des Schaltkreises angeschlossen ist. Der zweite Eingang jedes Verstärkers ist an die Erde angeschlossen.
Während des normalen Betriebs des in Fig. 2 gezeigten Schaltkreises wird ein Motorstromrückkopplungssignal an den Ausgang 2 des Schaltkreises zu dem Motor M ansprechend auf eine Variation in dem Ausgangssignal eines Tachometers an der Motorwelle abgegeben, wobei das Ausgangssignal proportional zu der Motorspannung ist und an den Eingang 1 des Schaltkreises abgegeben wird.
Es sei bemerkt, daß die gesteuerten bzw. geregelten und die gemessenen Variablen in Spannungen ausgedrückt werden. Diese Spannungen dienen als Informationsträger und sollten nicht mit den Variablen verwechselt werden, die den zu steuernden bzw. regelnden Energiefluß definieren.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Drehstrangantriebsvorrichtung, die aufweist: einen Drehtisch oder eine Antriebsvorrichtung R mit einem Trägheitsmoment Jt, einen Getriebekasten G mit einer Getriebeuntersetzung 1:n, und einen Nebenschlußelektromotor M mit einem Trägheitsmoment Jr, wobei der Motor mit einem Vibrationssteuersystem nach der Erfindung ausgestattet ist.
Das Steuerungssystem umfaßt einen Subtrahierer S zum Vergleichen der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit Ω mit der nominellen Drehgeschwindigkeit Ωr und einen Rückkopplungskreis L2, welcher Fluktuationen in dem gemessenen Motorstrom I als Eingabe-Durchgangs-Variable verwendet, und das System steuert die Motorspannung V derartig, daß das Produkt V.I, oder in anderen Worten der Fluß elektrischer Energie durch den Motor, zwischen gewählten Grenzen bleibt.
Die Beziehung zwischen der gemessenen Durchgangs-Variablen I und der gesteuerten Quer-Variablen V ist derart, daß ihr Produkt zwischen gewählten Grenzen bleibt, und wird mit Hilfe einer Rückkopplungsfunktion F&sub2; definiert, welche das Reziproke von F&sub1; ist.
Ein geeigneter elektronischer Schaltkreis zum Variieren der Motorspannung V ansprechend auf die gemessenen Fluktuationen in dem Rotorstrom I entsprechend der Rückkopplungsfunktion F&sub2; ist in Fig. 4 gezeigt.
Der Schaltkreis von Fig. 4 weist zwei Operationsverstärker A4 und AS auf, wobei jeder Verstärker einen ersten und einen zweiten Eingang hat; weiterhin zwei Kondensatoren C3 und C4; und vier Widerstände R8, R9, R10 und R11. Ein Eingang 3 des Schaltkreises ist über R8 an den ersten Eingang von A4 angeschlossen. Der Ausgang von A4 ist an einen Ausgang 4 des Schaltkreises, über C3 an den ersten Eingang A4 und über R11 an den ersten Eingang von A5 angeschlossen. Der erste Eingang von A5 ist über C4 und R10 an den Ausgang von A5 angeschlossen, wobei dieser Ausgang über R9 an den ersten Eingang von A4 angeschlossen ist.
Während der normalen Verwendung des in Fig. 4 gezeigten Schaltkreises wird ein Motorspannungsrückkopplungssignal am Ausgang 4 des Schaltkreises an den Motor M ansprechend auf ein Signal abgegeben, das Variationen in dem Motorstrom, der an den Eingang 3 des Schaltkreises abgegeben wird, repräsentiert. Das Motorspannungsrückkopplungssignal wird an den in Fig. 3 gezeigten Subtraktor S eingegeben.
Für den Fall, daß der elektrische Motor, der den Drehtisch antreibt, ein Gleichstrom-Nebenschlußmotor ist, besteht eine einfache Beziehung zwischen dem Motorstrom und dem Drehmoment und zwischen der Motorspannung und der Drehgeschwindigkeit. Für andere Motortypen, so wie einen Reihenschlußmotor oder einen Verbund- (bzw. Compound- oder Doppelschluß-)Motor ist die Beziehung komplizierter, da sowohl das Drehmoment als auch die Drehgeschwindigkeit Funktionen von Quadraten und Kreuzprodukten des Motorstroms und der Motorspannung sind.
Ein geeigneter elektronischer Schaltkreis zum Bestimmen des Motordrehmoments T aus dem Motorstrom I, der Motorspannung V und der Motorgeschwindigkeit Ω ist in Fig. 5 gezeigt. Der Schaltkreis weist auf: einen Multiplizierer M1 mit einem ersten Eingang 8 und einem zweiten Eingang 9, einen Multiplizierer M2 mit einem ersten Eingang 10 und einem zweiten Eingang 11 und einen Operationsverstärker A6. Der Ausgang von M1 ist an einen ersten Eingang von A6 angeschlossen, und der Ausgang von M2 ist an einen zweiten Eingang von A6 angeschlossen. Der Ausgang von A6 ist an einen ersten Eingang von M2 angeschlossen.
Während der normalen Verwendung des in Fig. 5 gezeigten Schaltkreises wird ein die Motorspannung V repräsentierendes Signal an den ersten Eingang 8 von M1 eingegeben, ein Signal, das den Motorstrom I repräsentiert, wird in den zweiten Eingang 9 von M1 eingegeben, und ein Signal, das die Motorgeschwindigkeit Ω repräsentiert, wird in den ersten Eingang 10 von M2 eingegeben. Der Schaltkreis stellt sich selbst auf eine Weise ein, daß an dem Ausgang des Verstärkers A6 ein Signal, das das Drehmoment T darstellt, gewonnen wird, da gilt:
V.I. = T.Ω.
Ein geeignetes Steuer- bzw. Regelsystem zur Verwendung in Verbindung mit den anderen Motortypen (d. h. ein Reihenschluß- oder Verbundmotor) ist in Fig. 6 gezeigt, wobei das Steuerungssystem aufweist: einen Multiplizierer M3 mit einem ersten Eingang 12 und einem zweiten Eingang 13, einen Multiplizierer M4 mit einem ersten Eingang 14 und einem zweiten Eingang 15, und einen Operationsverstärker A7, einen Rückkopplungskreis L3 mit einer Rückkopplungsfunktion F&sub3;, einen Leistungsantrieb D und einen Subtrahierer S, welcher die tatsächliche Motordrehgeschwindkeit Ω mit der nominellen Motordrehgeschwindigkeit Ωr vergleicht. Der erste Eingang 12 von M3 ist an den Ausgang von L3 angeschlossen, und der zweite Eingang 13 von M3 ist an den Ausgang eines konventionellen Tachometers (nicht gezeigt) an der Drehwelle des Motors M angeschlossen. Der Ausgang von M3 ist an einen Eingang von A7 angeschlossen. Der erste Eingang 14 von M4 ist an einen ersten Ausgang 16 von D angeschlossen, und der zweite Eingang 15 von M4 ist an einen zweiten Ausgang 17 von D angeschlossen. Der Ausgang von M4 ist an einen anderen Eingang von A7 angeschlossen. Der Ausgang von A7 ist an einen Eingang 18 des Leistungsantriebs D angeschlossen.
Während der normalen Verwendung des in Fig. 6 gezeigten Steuerungs- bzw. Regelsystems wird ein die Motorspannung repräsentierendes Signal von der Leistungsantriebsvorrichtung D an ihrem Ausgang 16 ausgegeben, und ein den Motorstrom repräsentierendes Signal wird von der Leistungsantriebsvorrichtung D an ihrem Ausgang 17 ausgegeben. Ein die Motorgeschwindigkeit darstellendes Signal wird von dem Tachometer an den Eingang 13 von M3 abgegeben. Das System stellt sich selbst auf eine Weise ein, daß ein das Motordrehmoment repräsentierendes Signal an den Eingang 12 von M3 abgegeben wird. Rückkopplungsfunktion F³ kann unter Verwendung des Schaltkreises mit Bezug auf Fig. 2 realisiert werden.
Aus der obigen Beschreibung mit Bezug auf die Figuren wird ersichtlich, daß der Energiefluß in einem physikalischen System in Ausdrücken eines Produkts einer Quer-Variablen und einer Durchgangs-Variable ausgedrückt werden kann. Eine aktive Dämpfung von Vibrationen erfordert die Steuerung bzw. Regelung wenigstens einer der zwei Variablen auf Basis von Messungen der Fluktuationen in wenigstens der anderen Variablen.
Die folgenden Kombinationen von Quer- und Durchgangs- Variablen sind insbesondere geeignet für die Verwendung in einem System entsprechend der Erfindung zum Steuern von Torsionsvibrationen in einem Bohrstrang:
1) Anpassung des Drehmoments, das von einer elektrischen, mechanischen oder hydraulischen Drehantriebsvorrichtung auf Basis einer Messung der Winkelgeschwindigkeit eines der rotierenden Teile an der Spitze oder dem Drehantrieb oder dazwischen, wie z.B. an dem Bohrrohr, dem Drehtisch, dem Getriebekasten, der Antriebswelle etc., abgegeben wird.
2) Anpassung der Spannung, die an eine elektrische Drehantriebsvorrichtung auf Basis einer Messung des durch den Motor fließenden Stromes eingegeben wird, oder umgekehrt.
3) Anpassung des Drucks auf eine hydraulische Drehantriebsvorrichtung auf Basis einer Messung der Flußrate in dem hydraulischen Motor oder umgekehrt.
Es wurde festgestellt, daß die Anpassung der Variablen auf eine solche Weise durchgeführt werden kann, daß die aktive Dämpfung als eine Fluktuation in dem Energieverbrauch der Drehantriebsvorrichtung erscheint. Eine andere Weise, um die erforderlichen Anpassungen zu erreichen, ist es, eine zusätzliche Vorrichtung zu verwenden, die Energie sowohl speichern als auch erzeugen kann. Zum Beispiel können Anpassungen des Drehmoments, das an den Drehtisch von einer Dieselantriebsvorrichtung abgegeben wird, mit Hilfe eines geregelten elektrischen Motors/Generators oder eines hydraulischen Motors/Akkumulators, der an die Drehwelle über ein Differential angeschlossen ist, gemacht werden.
Es wurde weiterhin festgestellt, daß Fluktuationen in einer Variablen indirekt durch Messung der Fluktuation in einer abgeleiteten Variablen gemessen werden können. Zum Beispiel können Fluktuationen in der Geschwindigkeit durch Messen der Versetzung oder der Beschleunigung gewonnen werden.
Weiterhin wurde festgestellt, daß die Steuerung bzw. Regelung einer Variablen auch indirekt erreicht werden kann, zum Beispiel kann das von einem elektrischen Motor abgegebene Drehmoment durch Steuern des Motorstroms gesteuert werden.
Das Konzept der aktiven Dämpfung von Bohrstrangvibrationen wie oben beschrieben kann ausgeweitet werden, um Axialbohrstrangvibrationen zu umfassen. Das Dämpfen von Axialvibrationen ist während der Bohrung sowie während eines Rumpelns oder Bewegens des Gehäuses von Bedeutung. Zum Dämpfen von Axialvibrationen kann von dem in dem US-Patent 4,535,972 gezeigten System Gebrauch gemacht werden, um die Vertikalbewegungen eines Bohrstrangs mit Hilfe eines hydraulischen Zylinders zu steuern, der zwischen dem wandernden Block und dem Bohrrohr angeschlossen ist. Axialvibrationen können auch aktiv gedämpft werden, indem hebe- bzw. senkbewegungskompensierende Systeme verwendet werden, welche aus einem hydraulischen System bestehen, das so ausgelegt ist, daß es vertikale Bewegungen eines ein Bohrgerüst tragenden Behälters kompensiert. Eine andere mögliche hydraulische Anordnung zum aktiven Vibrationsdämpfen besteht aus einem teleskopartigen Teil eines Bohrstrangs mit einer aktiv gesteuerten bzw. geregelten variablen Ausdehnung. Eine solche Anordnung kann an jedem Teil des Bohrstranges angeordnet werden, d. h. oberhalb oder unterhalb des Bodens. Weiterhin kann eine aktive Dämpfung von axialen Bohrstrangvibrationen durch einen geregelten Betrieb des Förderungsgetriebes erreicht werden. Das Dämpfungssystem kann unter Verwendung einer hydraulischen Einrichtung auf die Grenzwertverankerung wirken oder es kann auf die Antriebsvorrichtung der Hebevorrichtung oder die Bremse der Hebevorrichtung wirken. Das Konzept der aktiven Dämpfung kann auch auf die Bewegung von Absaugstangen und die Verwendung von Absaugstangen zum Antreiben von Plungerkolbenhebepumpen angewandt werden. Im folgenden werden mögliche Quer- und Durchgangs-Variablen für die Regelungssysteme zur Verwendung in solchen aktiven Axialvibrationsdämpfern beschrieben:
1) Anpassung der Kraft, die von der Dämpfvorrichtung (d. h., dem hydraulischen Zylinder, dem Hebekompensationssystem, dem elektrischen Motor, der die Hebevorrichtung antreibt, etc.) aufgebracht wird, auf Basis einer Messung der Geschwindigkeit von einem der Bohrstrangteile an oder zwischen der Spitze und der Dämpfvorrichtung oder umgekehrt.
2) Anpassung des Drucks auf eine hydraulische Dämpfvorrichtung auf Basis einer Messung der Flußrate in dieser Vorrichtung oder umgekehrt.
3) Anpassung der Spannung, die in den elektrischen Motor eingegeben wird, der die Hebevorrichtung antreibt, auf Basis einer Messung des Stroms, der durch den Motor fließt, oder umgekehrt.
Eine andere Anwendung aktiver Dämpfungssysteme kann in der Dämpfung von Druckimpulsen liegen, die von Pumpen erzeugt werden. Dies kann entweder durch Steuern des Antriebs der Pumpen oder durch Verwenden einer zusätzlichen Vorrichtung, die an das Fluidsystem angeschlossen ist, wie z.B. ein aktiv gesteuerter hydraulischer Zylinder, getan werden. Eine aktive Dämpfung kann nun durch Anpassung der Flußrate in dem Fluidsystem auf Basis von Messungen des Drucks in dem Fluidsystem erreicht werden, oder umgekehrt.
Eine andere Weise zur Verwendung aktiver Dämpfung ist genau entgegengesetzt zu den oben beschriebenen Anwendungen. Nun schafft das Steuerungssystem eine "negative Dämpfung" und reflektiert Energie in das System, statt sie zu zerstreuen bzw. abzuleiten. Auf diese Weise konnte die Wirkung von Werkzeugen wie Resonanzrütteln (unten im Loch oder an der Oberfläche) drastisch verbessert werden: mittels aktiver, gesteuerter bzw. geregelter, Reflexion von Spannungs- bzw. Druckwellen in dem vibrierenden Bohrstrang kann eine kleine Resonanz, die von der Resonanzerschütterung ausgelöst bzw. getriggert wird, in großem Umfang verstärkt werden.

Claims

1. Ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung, die einen länglichen Körper, der sich in ein in einer Erdformation ausgebildetes Bohrloch erstreckt, und ein dazugehöriges Antriebssystem zum Antreiben des länglichen Körpers umfaßt, wobei das Verfahren die Steuerung bzw. Regelung des Energieflusses durch den Antriebsmotor umfaßt, so daß er zwischen gewählten Grenzwerten liegt, wenn das Antriebssystem den länglichen Körper antreibt, wobei der Energiefluß als das Produkt einer Quer-Variablen und einer Durchgangs-Variablen definiert werden kann, indem Fluktuationen in dem Motor in wenigstens einer der Variablen gemessen werden, und wenigstens die andere der Variablen ansprechend auf die gemessenen Fluktuationen in wenigstens einer der Variablen eingestellt wird.

2. Ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung, die einen länglichen Körper, der sich in ein in einer Erdformation ausgebildetes Bohrloch erstreckt, und ein dazugehöriges Antriebssystem zum Antreiben des länglichen Körpers umfaßt, wobei das Verfahren die Steuerung bzw. Regelung des Energieflusses durch den Antriebsmotor umfaßt, so daß er zwischen ausgewählten Grenzwerten liegt, wenn das Antriebssystem den länglichen Körper antreibt, wobei der Energiefluß als das Produkt einer Quer-Variablen und einer Durchgangs-Variablen definiert werden kann, indem Fluktuationen der Winkelgeschwindigkeit eines der rotierenden Teile gemessen werden und das von dem Antriebsmotor ansprechend auf die gemessene Winkelgeschwindigkeit abgegebene Drehmoment eingestellt wird.

3. Ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von Vibrationen in einer Bohrlochausrüstung, die eine Bohranordnung ist, die einen Drehbohrstrang, der an seinem oberen Ende an eine Drehantriebsvorrichtung angeschlossen ist, und ein dazugehöriges Antriebssystem zum Antreiben des Bohrstrangs aufweist, wobei der Bohrstrang sich in ein in einer Erdformation ausgebildetes Bohrloch erstreckt, wobei das Verfahren das Dämpfen von Drehvibrationen in der Bohranordnung umfaßt, indem der Energiefluß, der von dem Drehantrieb an den Bohrstrang abgegeben wird, zwischen ausgewählten Grenzen gehalten wird, wenn das Antriebssystem den Bohrstrang antreibt, wobei der Energiefluß als das Produkt einer Quer-Variablen und einer Durchgangs-Variablen definiert werden kann, indem Fluktuationen in wenigstens einer der Variablen gemessen werden und wenigstens die andere der Variablen ansprechend auf die gemessenen Fluktuationen in der wenigstens einen Variablen eingestellt werden, wobei der Bohrstrang durch einen Dieselmotor bzw. eine Dieselmaschine angetrieben wird und der Energiefluß in dem Bohrstrang durch Anschließen eines geregelten elektrischen oder hydraulischen Motor-Generators an die Antriebswelle des Motors mittels eines Differentials angeschlossen wird.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochausrüstung eine Bohranordnung ist, die einen Drehbohrstrang aufweist, der an seinem oberen Ende an eine Drehantriebsvorrichtung angeschlossen ist, und wobei Torsionsvibrationen in der Bohranordnung gedämpft werden, indem der Energiefluß, der von der Drehantriebsvorrichtung an den Bohrstrang abgegeben wird, zwischen ausgewählten Grenzwerten gehalten wird.

5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Bohrstrang durch einen elektrischen Motor angetrieben wird, wobei der Motorstrom als die Durchgangs-Variable und die Motorspannung als die Quer-Variable ausgewählt werden, und wobei der Energiefluß durch die Ausgangswelle des Motors zwischen ausgewählten Grenzwerten gehalten wird, indem Fluktuationen in wenigstens einer der Variablen gemessen werden und wenigstens eine andere der Variablen dazu veranlaßt wird, auf eine vorbestimmte Weise ansprechend auf die gemessenen Fluktuationen zu fluktuieren.

6. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Bohrstrang durch einen hydraulischen Motor angetrieben wird, die Flußrate des Fluids in dem Motor als die Durchgangs-Variable und der Fluiddruck in dem Motor als die Quer-Variable ausgewählt werden.

7. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Drehgeschwindigkeit in einem drehenden Teil der Anordnung als die Quer-Variable ausgewählt und das von dem rotierenden Teil abgegebene Drehmoment als die Durchgangs-Variable ausgewählt wird.

8. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochausrüstung eine Bohranordnung ist, die einen Drehbohrstrang aufweist, der an seinem oberen Ende an eine Drehantriebsvorrichtung angeschlossen ist, und wobei Vibrationen in dem Bohrstrang durch Korrigieren des Energieflusses, der von der Drehantriebsvorrichtung an den Bohrstrang abgegeben wird, auf eine vorbestimmte Weise zwischen ausgewählten Grenzwerten wiedergegeben werden.

9. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der längliche Körper aus der Gruppe ausgewählt wird von länglichen Strängen von Bohrrohren, Gehäusen und Absaugstangen zum Antreiben von Plungerkolbenhebepumpen und wobei Longitudinalvibrationen in dem Strang durch Steuern bzw. Regeln des Energieflusses durch den Strang gesteuert bzw. geregelt werden.

10. Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Strang von einem Kabel getragen bzw. gehalten wird, das auf eine Winde oder Hebevorrichtung aufgewickelt ist, die von einem elektrischen Motor angetrieben wird, wobei an den Motor eingegebene Spannung als die Quer-Variable und die Stromstärke des durch den Motor fließenden Stroms als die Durchgangs-Variable ausgewählt wird.

11. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochausrüstung einen Rohrstrang umfaßt, durch welchen Fluid mittels einer Pumpe gepumpt wird, und Fluidvibrationen in dem Rohrstrang, die durch von der Pumpe erzeugten Druckimpulsen herbeigeführt werden, gedämpft werden, indem die Flußrate des Fluids in dem Strang als die Durchgangs-Variable und der Fluiddruck in dem Strang als die Quer-Variable ausgewählt werden.

12. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochausrüstung einen Drehbohrstrang, der durch einen elektrischen Motor angetrieben wird, aufweist, wobei die Quer-Variable die Motorspannung ist und die Durchgangs-Variable der Motorstrom (bzw. -stromstärke) ist, und wobei die Einrichtung zum Steuern bzw. Regeln des Energieflusses durch die Bohrlochausrüstung einen Rückkopplungskreis aufweist, der einen Eingang zum Empfangen von elektrischen Signalen, die Fluktuationen der Motorspannung repräsentieren, und einen Ausgang zum Ausgeben von elektrischen Signalen aufweist, die Einstellungen bzw. Änderungen des Motorstroms ansprechend auf gemessene Fluktuationen der Motorspannung repräsentieren.

13. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochausrüstung einen Drehbohrstrang, der von einem elektrischen Motor angetrieben wird, aufweist, wobei die Quer-Variable die Motorspannung und die Durchgangs-Variable der Motorstrom (bzw. die - stromstärke) ist, und wobei die Einrichtung zum Steuern bzw. Regeln des Energieflusses durch die Bohrlochausrüstung einen Rückführungskreis aufweist, der einen Eingang zum Empfang elektrischer Signale, die Fluktuationen der Motorspannung repräsentieren, und einen Ausgang zum Ausgeben von elektrischen Signalen, die Einstellungen bzw. Änderungen an der Motorspannung ansprechend auf die gemessenen Fluktuationen des Motorstroms darstellen, aufweist.

14. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochausrüstung aufweist: einen Drehbohrstrang, der von einem elektrischen Motor angetrieben wird, der Leistung von einer Leistungsantriebsvorrichtung empfängt, wobei die Quer-Variable die Motorspannung und die Durchgangs-Variable die Motorstromstärke ist, und wobei die Einrichtung zum Steuern bzw. Regeln des Energieflusses durch die Bohrlochausrüstung einen Rückführungskreis aufweist, der einen Eingang zum Empfang von elektrischen Signalen, die Fluktuationen der Motorspannung repräsentieren, und einen Ausgang zum Ausgeben von elektrischen Signalen, die Einstellungen bzw. Änderungen des Motorstroms ansprechend auf gemessene Fluktuationen der Motorspannung darstellen, aufweist, einen ersten elektrischen Multiplizierer mit einem ersten Eingang, der an den Ausgang des Rückführungskreises angeschlossen ist, und einen zweiten Eingang zum Empfangen von elektrischen Signalen, die die Motorspannung repräsentieren, einen zweiten elektrischen Multiplizierer mit einem ersten Eingang zum Empfangen elektrischer Signale, die den Motorstrom repräsentieren, und einem zweiten Eingang zum Empfangen elektrischer Signale, die die Motorspannung darstellen, und einen Operationsverstärker mit einem ersten Eingang, der an einen Ausgang des ersten Multiplizierers angeschlossen ist, einen zweiten Eingang, der an einen Ausgang des zweiten Multiplizierers angeschlossen ist, und einen Ausgang, der an einen Eingang der Leistungsantriebsvorrichtung angeschlossen ist.