DE69105943T2

DE69105943T2 - Verfahren zur bestimmung der drehgeschwindigkeit eines bohrmeissels.

Info

Publication number: DE69105943T2
Application number: DE69105943T
Authority: DE
Inventors: Elyes Draoui
Original assignee: Societe National Elf Aquitaine
Current assignee: Societe National Elf Aquitaine
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2011-08-31
Also published as: FR2666374A1; NO921750L; EP0498876A1; WO1992004527A1; JPH05502489A; NO921750D0; CA2072139C; DK0498876T3; OA09591A; CA2072139A1; JP3195600B2; FR2666374B1; ATE115680T1; DE69105943D1; EP0498876B1; ES2068605T3; NO303915B1; US5277061A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl eines Bohrwerkzeugs und insbesondere auf ein Verfahren zum Bestimmen dieser Drehzahl in Echtzeit aus an einem Punkt des Bohrgestänges erfaßten Meßdaten.
Bei einer Erdölbohrung dreht sich der Bohrgestänge-Antriebsmotor, der auf Höhe der Erdoberfläche angeordnet ist, mit einer konstanten Drehzahl von 50 bis 150 U/min. Doch kam die Reibung, die zwischen dem Bohrwerkzeug und der Bohrung oder zwischen dem Gestänge und der Seitenwand der Bohrung auftritt, Verzögerungen oder sogar einen zeitweiligen Stillstand des Werkzeugs hervorrufen. Da sich während dieser Zeit am einen Ende des Bohrgestänges der Motor weiterdreht, verdrillt sich dann normalerweise das Bohrgestänge um seine Längsachse, bis die einwirkende Kraft größer ist als die das Werkzeug aufhaltende Reibung. Zu diesem Zeitpunkt entspannt sich das Bohrgestänge und das Werkzeug dreht sich weiter, wobei es Spitzendrehzahlen von zwischen 150 und 400 U/min erreichen kann. Da die Bohrungen oft einen biegungsreichen Verlauf haben, entsteht ziemlich oft ein Kontakt zwischen dem Bohrgestänge und der Seitenwand.
Es versteht sich von selbst, daß das Verhalten des Werkzeugs eine wichtige Auswirkung auf den Fortschritt der Bohrung hat. Es ist also wünschenswert, daß der Bohrmeister über die periodischen Drehzahl-Instabilitäten des Werkzeugs informiert ist, damit er die Bohrparameter - Drehzahl des Motors, Schlammausstoß oder auf das Werkzeug wirkendes Gewicht - ändern und so eine optimale Bohrung garantieren kann.
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem in Echtzeit, ausgehend von auf einem Punkt des Bohrgestänges erfaßten Daten, die Drehzahl eines Bohrwerkzeugs bestimmt werden kann.
Um dies durchzufuhren, wird durch die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl eines Bohrwerkzeugs vorgeschlagen, wobei das Werkzeug am einen Ende eines Bohrgestänges angeordnet ist und das andere Ende in Drehung versetzt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Messen der Axialbeschleunigung an einem Punkt des Bohrgestänges,
- Verarbeiten des Meßergebnisses dieser Messung zum Bestimmen des Energiegehaltes der Beschleunigung,
- Anwenden einer Korrektur auf diesen Energiewert, um so die Drehzahl zu bestimmen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Bohrvorrichtung;
Fig. 2 und 3 Blockdiagramme der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt eine Bohrvorrichtung einen Bohrturm 10, der in bekannter Weise mit einem Haken 12 versehen ist, an dem ein insgesamt mit 14 bezeichnetes Bohrgestänge aufgehängt ist. Das Bohrgestänge 14 weist ein Bohrwerkzeug 16 auf, Schwerstangen 18 und Bohrstangen 20, die zusammen ein Bohrgestänge genanntes Ensemble bilden. Bei dem gezeigten Beispiel wird das Bohrgestänge 14 durch einen Drehtisch 22 in Drehung versetzt. Das Bohrgestänge 14 weist einen Beschleunigungsmesser 24 und einen Drehzahl-Meßfühler 26 auf.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Drehzahl des Werkzeugs 16 aus der Beschleunigung des Werkzeugs bestimmt, die am unteren Ende der Bohrung gemessen wird. Es muß beachtet werden, daß die Drehzahlmeßvorrichtungen für die Werkzeugdrehzahl, die in Nachbarschaft zu den Schwerstangen 18 installiert werden sollen, sehr kompliziert sind und große Abmessungen haben, während ein Beschleunigungsmesser im allgemeinen eine einfache Konstruktion und Funktion aufweist. Bei dieser ersten Ausführungsform wird ein Beschleunigungsmesser 28 in Nachbarschaft zu den Schwerstangen 18 angebracht, der eine Daten-Übertragungsleitung 30 zur Erdoberfläche aufweist.
Wenn die der Axialbeschleunigung des Werkzeugs 16 entsprechenden Daten an der Erdoberfläche angekommen sind, ist es notwendig, sie zum Feststellen der Werkzeugdrehzahl zu verarbeiten. In Fig. 2 sind die Datenverarbeitungsschritte dargestellt.
In einem ersten Schritt werden die Meßwerte der axialen Beschleunigung gefiltert, so daß nur die zwischen 20 und 130 Hz liegenden Frequenzen durchgelassen werden. Die Meßwerte werden dann durch einen Gleichrichter und einen Integrator geleitet, damit der Energiegehalt der axialen Beschleunigung festgestellt werden kann. Der Wert für die Energie der axialen Beschleunigung wird dann korrigiert, indem die folgende Formel angewendet wird, um die Drehzahl am unteren Ende der Bohrung festzustellen.
P(X) = - 12,83 * X» + 33,94 * X - 0,11
Somit kann gemäß der Erfindung ausgehend von den am unteren Ende der Bohrung gemessenen axialen Beschleunigungen des Bohrwerkzeugs die Drehzahl des Werkzeugs festgestellt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es trotzdem in einer zweiten Ausführungsform möglich, ausgehend von am Bohrgestänge an der Erdoberfläche gemessenen Axialbeschleunigungsmeßwerten, die Drehzahl des Werkzeugs zu bestimmen.
Die Verarbeitung der am Bohrgestänge an der Erdoberfläche gemessenen Axialbeschleunigungsmeßwerte macht es notwendig, den Energie-Dämpffaktor der axialen Schwingungsenergie im Bohrgestänge zwischen dem Bohrwerkzeug und der Erdoberfläche zu kennen. Die Daten der Berechnung sind die folgenden:
POL (X) = a * X» + * X As -T Af -T Vf
(1) HYPOTHESE : Y Verstärker
(2) VORAUSSETZUNG : mittlere (Vs) = mittlere (Vf)
(3) UNBEKANNTE : Koeffizient Y
(4) Y x As = Af
(5) POL (Af) = Vf
Abkürzungen:
Vf : Drehzahl am unteren Ende der Bohrung
Vs : prehzahl an der Erdoberfläche
As : axiale Beschleunigungsenergie an der Erdoberfläche
Af : axiale Beschleunigungsenergie am unteren Ende der Bohrung.
Die Lösung der Berechnung wird wie folgt erreicht:

GLEICHUNGEN

(5) -T a * Af» + b * Af + c = Vf
(4) -T Y * As = Af
(2) -T mittlere (Vs) = mittlere (Vf)

LÖSUNG

(5) -T mittlere (a * Af» + b * Af + c) = mittlere (Vf) (5)' a*mitt (As)»*Y»+b*mitt (As)*Y+c=mitt(Vs)
(5)' + (4) + (2)
Gleichung zweiten Grades in Y.
Lösung der Gleichung zum Erreichen des Verstärkungskoeffizienten : eine einzige der beiden Lösungen ist physikalisch sinnvoll.
In Fig. 3 sind die verschiedenen Schritte der Datenverarbeitung dargestellt.
Zunächst ist es günstig, die Funktionsweise des Werkzeugs zu bestimmen. Es gibt drei Möglichkeiten. Erstens: Das Werkzeug 16 dreht sich frei mit einer Drehzahl, die gleich der Drehzahl des Drehtischs 22 ist; diese Situation nennt man stabile Funktionsweise. In einem zweiten Fall kann die Reibung zwischen dem Werkzeug und dem unteren Ende der Bohrung oder zwischen dem Gestänge und der Bohrungsinnenwand in bekannter Weise unregelmäßige Verzögerungen der Drehbewegung des Werkzeugs hervorrufen. Diese Situation nennt man instabile Funktionsweise. Im letzten Fall erfährt das Gestänge periodische Rotations-Instabilitäten, die unter der Bezeichnung "Stick Slip" besser bekannt sind. Diese drei Funktionsweisen sind durch die Pfade A, B bzw. C in Fig. 3 dargestellt.
Im Fall der periodischen Rotationsinstabilitäten, Pfad C, ist die anfängliche Datenverarbeitung ungefähr die gleiche wie bei der ersten Durchführungsweise. Da an einem vom unteren Ende der Bohrung entfernten Ort gemessen wird, muß der Meßwert mit einem Koeffizienten multipliziert werden, der von der Lage des Meßpunktes abhängt, um die Daten des Energiegehalts an diejenigen anzugleichen, die am unteren Ende der Bohrung erfaßt werden.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen der Drehzahl eines Bohrwerkzeugs, wobei das Werkzeug am einen Ende eines Bohrgestänges angeordnet ist und das andere Ende in Drehung versetzt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Messen der Axialbeschleunigung an einem Punkt des Bohrgestänges,

- Verarbeiten des Meßergebnisses dieser Messung zum Bestimmen des Energiegehaltes der Beschleunigung,

- Anwenden einer Korrektur auf diesen Energiewert, um so die Drehzahl zu bestimmen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbeschleunigung entfernt vom Werkzeug an einem beliebigen Punkt des Gestänges gemessen wird, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfaßt, bei dem ein Multiplikationskoeffizient angewendet wird, der von der Lage des Punkts im Verhältnis zum unteren Ende abhängt, um aus dem Energiegehalt die am unteren Ende auftretende Beschleunigungsenergie abzuleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbeschleunigung am oberen Ende des Bohrgestänges gemessen wird, wobei das Verfahren den zusätzlichen Schritt umfaßt, bei dem die Betriebsart des Bohrgestänges festgestellt wird.