DE69204396T2 - Verfahren zum automatischen überwachen der vibrationen eines bohrgestänges. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Überwachung des Vibrationszustands eines Bohrgestänges.
• Die Forschung auf dem Gebiet der Ölindustrie hat dazu geführt, daß am oberen Ende die Bohrgestänge mit zahlreichen Erfassungseinrichtungen versehen werden, wie zum Beispiel Beschleunigungs- und/oder Belastungsmesser, durch die Größen wie Torsions-, Axial- oder Querbeschleunigungen, die Axialkraft, das Drehmoment und die Biegungsmomente verfügbar werden.
• Auf jeden Fall birgt die von den Erfassungseinrichtungen kommende Vibrationsinformation eine scheinbare Komplexität für den Nicht-Fachmann, der sie auswerten will. Tatsächlich bringen bisher die Spektrenanalysatoren im allgemeinen nur Kurven hervor, deren Analyse nicht ins Auge springt. Das heißt also, daß der Bohrmeister sofort das Vibrationsverhalten seines Gestänges und insbesondere eine eventuelle Instabilität im Verhalten einschätzen können muß, damit er so schnell und so gut wie möglich die verschiedenen Parameter der Bohrung nachstellen kann, wie zum Beispiel das auf dem Werkzeug lastende Gewicht, die Drehzahl sowie den Schlammausstoß.
• Die Instabilitäten ergeben sich, weil das Gestänge eine mechanische Anordnung mit ihren eigenen Eigenschaften ist, die auf die verschiedenen während der Bohrung einsetzenden mechanischen Manipulationen reagiert, so wie z.B. auf die Arbeit des Werkzeugs im Gestein und die Interaktionen zwischen der Bohrung und dem Gestänge, was axial genauso zutrifft wie seitlich oder als Torsion.
• Solche Instabilitäten sind zu vermeiden, da sie zu einer zusätzlichen Belastung des Materials führen und Gefahr laufen, einen Bruch des Gestänges zu verursachen; außerdem verbrauchen sie einen Teil der Energie, die besser direkt an das Werkzeug übertragen würde, wobei sie sich in das Gestein zerstörende Energie umwandeln würde, was zu einer effizienteren Fortführung der Bohrung beitragen würde.
• Das Dokument WO 90/12195 beschreibt eine Vorrichtung, die dem Benutzer auf akustische oder visuelle Weise die mechanischen Phänomene einer Bohrung darstellt. Die Vorrichtung weist eine Beschleunigungs-Erfassungsvorrichtung oben am Bohrgestänge auf, die ein Signal aussendet, das nach einer Verarbeitung durch Filter in ein akustisches oder visuelles Signal umgewandelt wird.
• In der Patentschrift US 4,150,568 ist ein Analyseverfahren für unten in der Bohrung im Bohrgestänge erzeugte Vibrationen beschrieben. Das die Vibrationen darstellende Signal wird in einer Abfolge von Maßnahmen schrittweise filtriert. Die Größe und die Frequenz der Vibrationen in dem jeweils hindurchgelassenen Band werden durch zwei Gleichstromsignale dargestellt.
• Im Dokument US-Re-28,436 ist ein Erfassungsverfahren für die Abnutzung des Werkzeugs beschrieben, mit dem vermieden wird, daß das Werkzeug unten in der Bohrung bricht. Das Verfahren beruht auf der Erfassung charakteristischer Oszillationen des Bohrgestänges, wobei die Oszillationen eine vorbestimmte Amplitude und Frequenz haben. Wenn solche Oszillationen erfaßt werden, wird der Benutzer durch einen Alarm gewarnt.
• Im Dokument US 4 903 245 ist ein Verfahren zur Erfassung von Vibrationen beschrieben, die für das Bohrgestänge schädlich sein können oder die den Bruch desselben nach sich ziehen können.
• Die vorliegende Erfindung hat also die Aufgabe, ein Verfahren zur automatischen Überwachung des Vibrationszustands eines Bohrgestänges vorzusehen, das die Nutzung der durch eine oben auf dem Bohrgestänge angebrachte Anordnung von Meßeinrichtungen gelieferten Meßwerte erlaubt, insbesondere indem ein Benutzer bei eventuell auftretenden Instabilitäten auf der Ebene dieser Größen auf einfache Weise gewarnt wird. Zur Durchführung dieser Aufgabe ist in dieser Erfindung ein Verfahren zur automatischen Überwachung des Vibrationszustands eines Bohrgestänges (16) mit Erfassungseinrichtungen (14) vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
• - Aufnehmen eines Referenzspektrums (32) für jede Erfassungseinrichtung (14),
• - Aufnehmen eines Spektrums für jede Erfassungseinrichtung (14) in der aktuellen Situation;
• - Vergleichen der beiden Spektren zum Erfassen eventueller Instabilitäten auf der Ebene der von den Erfassungseinrichtungen gemessenen Größen,
• - Anzeigen der Instabilitäten mittels akustischer Einrichtungen (34) und/oder visueller Einrichtungen (36), dadurch gekennzeichnet, daß
• die Verarbeitung der Spektren in einem Frequenzbereich von mindestens 0,1 Hz bis 400 Hz vorgenommen wird und dadurch, daß die erhaltenen Ergebnisse einem Anwender angezeigt werden, damit dieser die Bohrung in einer der folgenden Weisen steuern kann:
• - Wenn das Verhältnis zwischen dem aktuellen Spektrum und dem Referenzspektrum einen Sicherheitswert nicht übersteigt, wird an den Benutzer signalisiert, daß die Bohrparameter beibehalten werden können,
• - wenn das Verhältnis zwischen dem Echtzeitspektrum und dem Referenzspektrum zwischen dem Sicherheitswert und dem Alarmwert liegt, wird dieser Zustand dem Benutzer signalisiert, damit dieser gegebenenfalls die Bohrparameter verändern kann,
• - wenn das Verhältnis zwischen dem Echtzeitspektrum und dem Referenzspektrum einen Alarmwert übersteigt, wird dieser Zustand dem Benutzer angezeigt, damit dieser aktiv werden und die Bohrparameter verändern kann.
• Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der Beschreibung anhand der Figuren ersichtlich. Es zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung des gesamten Überwachungssystems;
• Fig. 2 einen Ablaufplan einiger Schritte der Anzeige an den Benutzer und
• Fig. 3a, 3b und 3c Kurven, die die vorliegende Erfindung erklären.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, weist das Überwachungssystem eine Anordnung programmierbarer Filter 8 auf sowie Wandler mit quadratischem Mittelwert, die unter der Bezeichnung "root mean square" RMS 10 bekannt sind, oder Anti-Aliasing-Filter 12, durch die die von den auf dem Bohrgestänge 16 angebrachten Erfassungseinrichtungen 14 kommenden Signale verarbeitet werden können; die von den Wandlern 10 kommenden Daten werden in einem Multiplexer 18 umgruppiert und dann an einen analogen/numerischen Wandler 20 und schließlich an eine oder mehrere Prozessoren 22 weitergeleitet. Der Mikroprozessor oder die Mikroprozessoren 22 werden gegebenenfalls durch einen oder mehrere Signalverarbeitungseinrichtungen 24 ergänzt und werden an eine Schnittstelle 26 gekoppelt; der Benutzer kann Informationen an den/die Prozessor(en) 22 über eine Tastatur 28 und eine Kommunikationsverbindung 30 eingeben. In der Schnittstelle 26 können bestimmte Informationen über die die jeweiligen Erfassungseinrichtungen betreffenden Referenzspektren 32 eingegeben werden, wobei die Schnittstelle 26 mit den akustischen 34 und/oder den visuellen 36 Signalisationseinrichtungen verbunden ist.
• Um eventuelle Instabilitäten bei den durch die Erfassungseinrichtungen gemessenen Werten zu erfassen, ist es günstig nach den folgenden Schritten vorzugehen:
• - Aufnehmen eines Referenzspektrums für jede Erfassungseinrichtung:
• Dazu sind zwei Verfahren möglich: Der Bohrmeister bestimmt im ersten Fall einen Zustand, den er für eine effiziente Bohrung für angemessen hält, wobei er eventuell von einem Bohrungsvibrationsspezialisten Hilfestellung bekommt. Diesem Zustand entsprechen verschiedene durch die Erfassungseinrichtungen gelieferte Vibrationsmeßwerte, wobei die Meßwerte in der folgenden Weise zum Erhalten von Referenzspektren für die jeweiligen Erfassungseinrichtungen verarbeitet werden. Die Verarbeitung der Vibrationsmeßwerte kann entweder auf grobe Weise erfolgen, das heißt, daß sie mit einer geringen Frequenz abgetastet werden, z.B. mit 0,1 Hz, und daß allein ihr Effektivwert gespeichert wird, oder feiner, nämlich dadurch, daß sie nach einer sorgfältigen Anti-Aliasing- Filterung mit einer über 400 Hz liegenden Frequenz abgetastet werden.
• Im zweiten Fall erzeugt ein Simulationsprogramm, dem mechanische Informationen über das Bohrgestänge geliefert werden, Spektren für die jeweiligen Erfassungseinrichtungen, wobei das Simulationsprogramm gegebenenfalls in das System selbst integriert sein kann. Die so erzeugte Information wird mittels einer Kommunikationsschnittstelle in den oder die Prozessoren eingespeist, wobei der Prozessor von da an nur noch unter Heranziehung des Vergleichs mit diesen Referenzelementen arbeitet.
• - Aufnahme eines Spektrums in Echtzeit:
• Dazu werden die von den Erfassungseinrichtungen gelieferten Vibrationsmeßwerte in der gleichen Weise verarbeitet wie für die Aufnahme des Referenzspektrums, wobei das entsprechende Verfahren oben beschrieben ist; bei dem dargestellten Beispiel sind die von den Erfassungseinrichtungen gemessenen Meßwerte die dynamische Komponente der auf den Haken wirkenden Kraft (FCD), die Längsbeschleunigung (AL), die dynamische Komponente des Drehmoments (CD), die Torsionsbeschleunigung (AT) bzw. die Biegebeschleunigung (AF). Die Information wird also nach einer analogen/numerischen Umwandlung an den Prozessor übertragen.
• - Vergleich der Daten und Signalisation eventueller Instabilitäten:
• Dieser Vergleich kann entweder ausschließlich auf der Ebene der Effektivwerte geschehen oder auf der des gesamten Spektrums.
• Bei den Effektivwerten vergleicht der Prozessor den Wert mit dem vorbestimmten Referenzwert, wobei der Vergleich in der Form des Verhältnisses der beiden Werte angestellt wird, wodurch ein sich immer schwierig gestaltendes Abtasten der Erfassungseinrichtungen vermieden werden kann.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, wird, solange kein Effektivwert das 10-fache seines Referenzwertes übersteigt, die Situation als stabil angesehen und dem Bohrmeister nichts angezeigt.
• Wenn das Niveau bei einem Meßwert zwischen dem 10- und dem 100-fachen seines Referenzwerts liegt, wird der Bohrmeister alarmiert, der dann nach Gutdünken die Bohrparameter verändern kann.
• Wenn das Niveau bei einem Meßwert mindestens das 100- fache seines Referenzwertes übersteigt, wird dem Bohrmeister angezeigt, daß eine sehr instabile Situation vorliegt, die aufs schnellste behoben werden muß.
• Die Verarbeitung auf der Ebene des Spektrums geschieht in der gleichen Weise. Die für jeden Meßwert vom Prozessor erstellten Spektren werden Linie für Linie mit den Referenzspektren verglichen. Genauso wie bei den Effektivwerten, werden die Verhältniswerte von dem 10- bzw. 100-fachen der Referenz bei dem dargestellten Beispiel beibehalten. In beiden Fällen sind jedenfalls die Werte von 10 und 100 willkürlich und können geändert werden.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, ist es durch die vorliegende Erfindung auf einfache Weise möglich, dem Bohrmeister das Niveau der Instabilität der verschiedenen von den Erfassungseinrichtungen gemessenen Daten anzuzeigen. Bei dem dargestellten Beispiel wird eine Sichtanzeigeanordnung verwendet, genauso wie bei klassischen Verkehrsampeln, sowie verschiedene akustische Signale.
• Beim dargestellten Beispiel zeigt eine grüne Sichtanzeige dem Bohrmeister an, daß eine stabile Situation vorliegt, eine gelbe Sichtanzeige zusammen mit einem abschaltbaren unterbrochenen Tonsignal zeigt ihm eine relativ instabile Lage an und eine rote Sichtanzeige zusammen mit einem Dauerton zeigt ihm eine hohe Instabilität an.
• Die Fig. 3a, 3b und 3c sind die vorliegende Erfindung erläuternde Kurven. Die Kurven 3a und 3b sind durch die gleiche Erfassungseinrichtung erfaßte Spektren, wobei das eine, 3A, ein Referenzspektrum und das andere, 38, ein momentanes, einer tatsächlichen Situation entsprechendes Spektrum ist, wobei sich die Spektren über einen Frequenzbereich von 0,5 bis 50 Hz erstrecken. Die Kurve 3C stellt das Verhältnis des momentanen Spektrums zum tatsächlichen Spektrum über den obigen Frequenzbereich dar. Ausgehend von den verschiedenen Werten dieses Verhältnisses, ist die Vorrichtung in der Lage, dem Benutzer anzuzeigen, ob es gegebenenfalls nötig ist, eine Veränderunen der verschiedenen Bohrparameter herbeizuführen.
• Es ist zu beachten, daß dieses Überwachungssystem mit zahlreichen Algorithmen versehen werden kann, die zu einer beträchtlichen Erweiterung der Möglichkeiten führen. Es kann so auch ein eventueller Schwund von Vibrationen erfaßt werden, wobei ein Verhältnis von 1/10 zwischen dem tatsächlichen Spektrum und dem Referenzspektrum einem relativen Schwund und ein Verhältnis von 1/100 einem beträchtlichen Schwund entspricht. Der Schwund der Vibrationen stellt sich als genauso beunruhigend heraus wie die Erhöhung der Amplituden, da er unter anderem ein Einbrechen des Bohrschachts über dem Werkzeug anzeigt.
• Außerdem können beim erfindungsgemäßen System am unteren Ende der Bohrung von einem geeigneten Instrument gemessene und ausgesendete Daten, die durch ein beliebiges Meßverfahren während der Bohrung an die Oberfläche übertragen werden, verarbeitet werden.
• So kann der Bohrmeister, ausgehend von verschiedenen ihn warnenden akustischen und/oder visuellen Signalen, gegebenenfalls ihm notwendig erscheinende Veränderungen bei den verschiedenen Bohrparametern herbeiführen, wie z.B. beim auf dem Werkzeug lastenden Gewicht, bei der Drehzahl und beim Schlammausstoß.

Claims (3)

1. Verfahren zum automatischen Überwachen des Vibrationszustands eines Bohrgestänges (16) mit Erfassungseinrichtungen (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Aufnehmen eines Referenzspektrums (32) für jede Erfassungseinrichtung (14),

- Aufnehmen eines Spektrums für jede Erfassungseinrichtung (14) in der aktuellen Situation;

- Vergleichen der beiden Spektren zum Erfassen eventueller Instabilitäten auf der Ebene der von den Erfassungseinrichtungen gemessenen Größen,

- Anzeigen der Instabilitäten mittels akustischer Einrichtungen (34) und/oder visueller Einrichtungen (36),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Verarbeitung der Spektren in einem Frequenzbereich von mindestens 0,1 Hz bis 400 Hz vorgenommen wird und dadurch, daß die erhaltenen Ergebnisse einem Anwender angezeigt werden, damit dieser die Bohrung in einer der folgenden Weisen steuern kann:

- Wenn das Verhältnis zwischen dem aktuellen Spektrum und dem Referenzspektrum einen Sicherheitswert nicht übersteigt, wird an den Benutzer signalisiert, daß die Bohrparameter beibehalten werden können,

- wenn das Verhältnis zwischen dem Echtzeitspektrum und dem Referenzspektrum zwischen dem Sicherheitswert und dem Alarmwert liegt, wird dieser Zustand dem Benutzer signalisiert, damit dieser gegebenenfalls die Bohrparameter verändern kann,

- wenn das Verhältnis zwischen dem Echtzeitspektrum und dem Referenzspektrum einen Alarmwert übersteigt, wird dieser Zustand dem Benutzer angezeigt, damit dieser aktiv werden und die Bohrparameter verändern kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Erfassungseinrichtungen (14) gelieferten Daten nacheinander durch programmierbare Filter (8), RMS-Wandler (10) oder Anti-Aliasing-Filter (12), einen Multiplexer, einen analogen numerischen Wandler (20) und einen oder mehrere Prozessoren (22) geleitet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich entweder ausschließlich auf der Ebene der Effektivwerte oder auf der Ebene des gesamten Spektrums durchgeführt wird.