DE69816372T9

DE69816372T9 - Messen von Formationsdaten mit in die Formation eingebrachten Sensoren während des Bohrens

Info

Publication number: DE69816372T9
Application number: DE69816372T
Authority: DE
Inventors: Reinhart Houston Ciglenec; Jacques R. Houston Tabanou; Remi New Ulm Hutin
Original assignee: Anadrill International SA
Current assignee: Anadrill International SA
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2004-09-23
Also published as: EP0882871A3; NO982483L; DK0882871T3; CN1092745C; US6028534A; EP0882871B1; CN1208809A; NO982483D0; BR9801745A; DE69816372D1; AU725157B2; RU2178520C2; AU6809098A; EP0882871A2; CA2239280C; ID20626A; DE69816372T2; CA2239280A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Bohren von tiefen Bohrlöchern wie etwa zur Förderung von Erdölprodukten und betrifft insbesondere die Erfassung von Daten einer unterirdischen Bodenformation wie etwa den Druck der Bodenformation, die Durchlässigkeit der Bodenformation und dergleichen während laufender Bohroperationen.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei Ölbohrung-Beschreibungsdiensten handelt es sich bei einem Teil der Standard-Bodenformations-Auswertungsparameter um den Druck des Speichers und um die Durchlässigkeit des Speichergesteins. Gegenwärtige Operationen erlangen diese Parameter entweder durch Seilarbeitsprotokollierung über ein Bodenformationsprüfwerkzeug oder durch Drillstem-Tests. Beide Arten von Messungen stehen für Anwendungen in unverrohrten und in verrohrten Bohrlöchern zur Verfügung und erfordern eine zusätzliche "Fahrt". Beispielsweise offenbart US-A-5 209 104 ein Verfahren, das darin besteht, den Bohrstrang aus dem Bohrloch herauszuziehen, ein Bodenformationsprüfgerät in das Bohrloch hinabzulassen, um die Formationsdaten zu erfassen, danach das Bodenformationsprüfgerät wieder einzuholen und den Bohrstrang in das Bohrloch zurückzufahren, um das Bohren fortzusetzen. Weil das "Befahren des Bohrlochs" in dieser Weise viel teure Rüstzeit benötigt, erfolgt es üblicherweise nur dann, wenn Formationsdaten unbedingt benötigt werden, oder dann, wenn das Verfahren des Bohrstrangs für einen Bohrkronenwechsel oder aus anderen Gründen erfolgt.
Während Bohraktivitäten ist die Verfügbarkeit von Speicherformationsdaten auf einer "Echtzeitbasis" ein großer Vorzug. Der während des Bohrens in Echtzeit erfasste Bodenformationsdruck ermöglicht dem Bohringenieur oder Bohrführer, Entscheidungen, die Veränderungen des Gewichts und der Zusammensetzung des Bohrschlamms sowie Durchdringungsparameter betreffen, zu einem viel früheren Zeitpunkt zu treffen und so die Sicherheitsaspekte des Bohrens zu fördern. Die Verfügbarkeit von Echtzeit-Speicherformationsdaten ist auch wünschenswert, um eine Präzisionskontrolle des Bohrkronengewichts in Bezug auf Bodenformationsdruckänderungen und Änderungen der Durchlässigkeit zu ermöglichen, damit die Bohroperation mit ihrer maximalen Wirksamkeit ausgeführt werden kann.
Deshalb sollte ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Bohrloch-Bohren bereitgestellt werden, die die Erfassung von verschiedenen Formationsdaten aus einer interessierenden unterirdischen Zone ermöglichen, während der Bohrstrang mit seinen Bohrkränzen, seiner Bohrkrone und anderen Bohrkomponenten im Bohrloch vorhanden ist, wodurch die Notwendigkeit, die Bohreinrichtung lediglich zum Zweck des Hinablassens eines Bodenformationsprüfgeräts in das Bohrloch, um diese Bodenformationsparameter zu identifizieren, zu verfahren, entfällt oder seltener wird. Außerdem sollte ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Bohrloch-Bohren bereitgestellt werden, das die Fähigkeit zur Erfassung von Formationsdaten-Parametern wie etwa Druck, Temperatur, Durchlässigkeit usw., während das Bohren vor sich geht, besitzt, und zwar in Verbindung mit allen bekannten Verfahren für das Bohrlochbohren.
Um diesen in der Industrie seit langem gespürten Bedürfnissen zu begegnen, ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Erfassen von Daten von einer unterirdischen Bodenformation in Verbindung mit Bohrloch-Bohroperationen ohne Notwendigkeit des Hochfahrens des Bohrstrangs aus dem Bohrloch zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Erfassen von Daten von einer unterirdischen Bodenformation während Bohroperationen zu schaffen.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Erfassen von Daten von einer unterirdischen Bodenformation während das Bohren eines Bohrlochs vor sich geht, zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Erfassen von Daten von einer unterirdischen Bodenformation durch Positionieren eines entfernten Datensensors/Datensenders in einer unterirdischen Bodenformation in der Nähe eines Bohrlochs, zum wahlweisen Aktivieren des entfernten Datensensors für das Erfassen, Aufzeichnen und Senden von Formationsdaten und zum wahlweisen Empfangen gesendeter Formationsdaten durch das Drillstem-System zur Anzeige für die Bohrmannschaft zu schaffen.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung mittels eines oder mehrerer "intelligenter" Formationsdatensensoren zu schaffen, die das Senden von Formationsdaten im Wesentlichen auf Echtzeitbasis an einen Datenempfänger in einem Bohrkranz oder an eine Sonde, die eine Komponente des Bohrkranzes ist und die Fähigkeit zum Senden der empfangenen Daten durch den Bohrstrang an die Oberflächeneinrichtung zur Anzeige für die Bohrmannschaft besitzt, zu schaffen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben beschriebenen Aufgaben sowie weitere Aufgaben und verschiedene Vorteile werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung erfüllt bzw. erzielt, die das Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrstrang, der einen Bohrkranz mit einer damit verbundenen Bohrkrone aufweist, im Auge haben. Der Bohrkranz enthält ein Formationsdaten-Empfängersystem und ein oder mehrere entfernte Datensensoren, die die Fähigkeit besitzen, Formationsdaten wie etwa Temperatur, Druck, Durchlässigkeit usw. zu erfassen und Signale, die die erfassten Daten repräsentieren, zu senden. Wenn sich der Bohrkranz in der Nähe einer gewählten unterirdischen Bodenformation wie etwa einer Speicherformation befindet, wird die Bohrkranzvorrichtung aktiviert, um wenigstens einen Datensensor in der unterirdischen Bodenformation außerhalb des Bohrlochs zu positionieren, der auf Befehl Formationsdaten erfasst und sendet. Die durch den Datensensor gesendeten Formationsdaten-Signale werden von der im Bohrkranz eingebauten Empfängerschaltung empfangen und über den Bohrstrang an eine Oberflächeneinrichtung wie etwa den Bedienungsplatz des Bohrführers weitergeleitet, wo die Formationsdaten angezeigt werden. Durch Überwachen der Änderungen der erfassten und angezeigten Formationsdaten kann die Bohrmannschaft Bohrlochbedingungen wie etwa das Gewicht und die Zusammensetzung des Bohrfluids, das Bohrkronengewicht und andere Variablen schnell und wirksam einstellen, um die Sicherheit und die Wirksamkeit der Bohroperationen zu steuern.
Der intelligente Datensensor kann durch irgendwelche geeignete Mittel in der interessierenden Bodenformation positioniert werden. Beispielsweise kann ein hydraulisch betätigter Kolben den Sensor vom Bohrkranz aus mit ausreichender hydraulischer Kraft in die Bodenformation treiben, so dass er mit ausreichender Tiefe zum Erfassen von Formationsdaten in die Bodenformation eindringt. Als Alternative kann die Vorrichtung im Bohrkranz ausgefahren werden, um nach außen oder seitlich in die Bodenformation zu bohren, wobei der Sensor dann durch einen Sensoraktuator in der seitlichen Bohrung positioniert wird. Als weitere Alternative kann ein durch eine Treibladung betätigtes System in dem Bohrkranz aktiviert werden, um den Sensor mit ausreichender Kraft abzuschießen, so dass er seitlich jenseits des Bohrlochs in die Bodenformation eindringt. Der Sensor ist geeignet eingekapselt, so dass er bei seiner seitlichen Installation in die Bodenformation ungeachtet des eingesetzten Formationspositionierungsverfahrens einer Beschädigung widersteht.
Der Sensor ist, um das Erfassen und Senden von Formationsdaten durch ihn zu ermöglichen, mit einem System für elektrische Energie versehen, das ein Batteriesystem oder eine induktive Wechselstromkopplung von einem im Bohrkranz eingebauten Einsatz für Energie sein kann. Durch einen Mikrochip in der Sensor-Baueinheit kann die Sensorschaltung eine Datenspeicherung ausführen, den Messprozess für den oder die ausgewählten Formationsparameter abwickeln und die aufgezeichneten Daten an die Empfangsschaltung eines im Bohrkranz eingebauten Einsatzes für Formationsdaten senden. Die Formationsdaten-Signale werden durch eine Formationsdaten-Schaltung in dem Einsatz für Energie zu einer Form verarbeitet, die über den Bohrstrang oder ein anderes geeignetes Datenübertragungssystem an die Oberfläche gesendet werden kann, damit die Datensignale, üblicherweise an der Bohrkonsole des Bohrgestells, für die Bohrmannschaft angezeigt und von dieser überwacht werden können. Datenänderungen im Bohrloch während des Bohrvorgangs werden entweder auf Echtzeitbasis oder mit einer Häufigkeit, die von der Bohrmannschaft gewählt wird, bekannt, wodurch es möglich wird, die Bohroperation rechtzeitig auf an irgendeinem Punkt vorkommende Formationsparameter zuzuschneiden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Damit die Art und Weise, in der die oben angeführten Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung erzielt oder erfüllt werden, im Einzelnen verständlich wird, kann eine genauere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung durch Bezugnahme auf ihre bevorzugte Ausführungsform, die in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist, erhalten werden, wobei die Zeichnung als Teil dieser Patentbeschreibung aufgenommen ist.
Es sei jedoch angemerkt, dass die beigefügte Zeichnung lediglich eine typische Ausführungsform dieser Erfindung zeigt und deshalb nicht als ihren Um fang beschränkend auszulegen ist, da die Erfindung andere und gleichermaßen leistungsfähige Ausführungsformen zulässt.
In der Zeichnung:
ist 1 ein Diagramm eines Bohrkranzes, der in einem Bohrloch positioniert ist und mit einem Datensensor/Datensender-Sondenteilsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
ist 2 eine schematische Darstellung des Datensensor/Datensender-Sondenteilsystems eines Bohrkranzes, der ein hydraulisch betätigtes System besitzt, um einen entfernten Formationsdaten-Sensor/Sender unter Kraftaufbringung vom Bohrloch aus in eine gewählte unterirdische Bodenformation einzusetzen;
ist 3 ein Diagramm, das einen Bohrkranz schematisch zeigt, der einen Einsatz für Energie enthält, der mit einer elektronischen Schaltungsanordnung versehen ist, um Formationsdaten-Signale von einem entfernten Formationsdaten-Sensor/Sender zu empfangen;
ist 4 ein Blockschaltplan, der einen entfernten Sensor schematisch zeigt, der in einer gewählten unterirdischen Bodenformation des Bohrlochs, das gebohrt wird, positioniert ist und der einen oder mehrere Formationsdaten-Parameter wie etwa Druck, Temperatur und Gesteinsdurchlässigkeit erfasst, die Daten in einen Speicher setzt und auf Befehl die gespeicherten Daten zur Schaltungsanordnung des Einsatzes für Energie des Bohrkranzes sendet;
ist 5 ein Blockschaltplan, der die Empfängerspulenschaltung des entfernten Datensensors/Datensenders schematisch zeigt; und
ist 6 ein Sende-Zeitablaufplan, der eine Pulsbreitenmodulation zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In den 1–3 der Zeichnung ist zunächst allgemein bei 10 ein Bohrkranz als Komponente eines Bohrstrangs für das Bohren eines Bohrlochs gezeigt, der die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung repräsentiert. Der Bohrkranz ist mit einem Sondenteilsystem 12 versehen, das einen Einsatz für Energie 14 aufweist, der die Sender/Empfänger-Schaltungsanordnung von 3 enthält. Der Bohrkranz 10 ist außerdem mit einem Druckmesser 16 versehen, dessen Drucksensor 18 dem Bohrlochdruck über einen Bohrkranzdurchgang 20 ausgesetzt ist. Der Druckmesser erfasst den Umgebungsdruck in der Tiefe einer gewählten unter irdischen Bodenformation und wird verwendet, um die Druckkalibrierung von entfernten Sensoren zu prüfen. Elektronische Signale, die den Umgebungs-Bohrlochdruck repräsentieren, werden über den Druckmesser 16 zur Schaltungsanordnung des Einsatzes für Energie 14 gesendet, der seinerseits die Druckkalibrierung des in jener bestimmten Bohrlochtiefe ausgefahrenen entfernten Sensors vornimmt. Der Bohrkranz 10 ist außerdem mit ein oder mehreren Aufnahmeräumen 22 versehen, wovon jeder einen entfernten Sensor 24 enthält, um ihn in einer gewählten unterirdischen Bodenformation, die beim Bohren des Bohrlochs durchschnitten wird, zu positionieren.
Die entfernten Sensoren 24 sind eingekapselte "intelligente" Sensoren, die vom Bohrkranz in eine Position in der das Bohrloch umgebenden Bodenformation bewegt werden, damit sie Formationsparameter wie etwa unter anderem den Druck, die Temperatur, die Gesteinsdurchlässigkeit, die Porosität, die Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante erfassen. Die Sensoren sind in einem Sensorgehäuse mit ausreichender Festigkeit geeignet eingekapselt, so dass sie während der Bewegung vom Bohrkranz aus in einen seitlich eingebetteten Bezug zu der das Bohrloch umgebenden unterirdischen Bodenformation einer Beschädigung widerstehen. Fachleuten ist klar, dass eine solche seitlich einbettende Bewegung nicht senkrecht zum Bohrloch sein muss, sondern unter verschiedenen Angriffswinkeln in die gewünschte Bodenformationsposition vorgenommen werden kann. Das Sensorausfahren kann erfolgen, indem das folgende oder eine Kombination des folgenden angewandt wird: (1) Bohren in die Bohrlochwand und Anordnen des Sensors in der Bodenformation; (2) Schieben/Drücken der eingekapselten Sensoren in die Bodenformation durch eine Hydropresse oder eine mechanische Durchdringungs-Baueinheit; oder (3) Schießen der eingekapselten Sensoren in die Bodenformation durch Verwendung von Treibladungen.
Wie in 2 gezeigt ist, wird eine hydraulisch betätigte Presse 30 eingesetzt, um den Sensor 24 auszufahren und sein Eindringen in die unterirdische Bodenformation bis zu einer ausreichenden Stelle außerhalb des Bohrlochs zu bewirken, damit er ausgewählte Parameter der Bodenformation erfasst. Für das Sensorausfahren ist der Bohrkranz mit einer inneren zylindrischen Bohrung 26 versehen, in der ein Kolbenelement 28 mit einer Presse 30 positioniert ist, die kraftschlüssig mit dem eingekapselten entfernten intelligenten Sensor 24 angeordnet ist. Der Kolben 28 wird hydrostatischem Druck ausgesetzt, der von einem Hydrauliksystem 34 über einen Hydraulikversorgungsdurchgang 36 an eine Kol benkammer 32 übertragen wird. Das Hydrauliksystem wird durch den Einsatz für Energie 14 wahlweise aktiviert, damit der entfernte Sensor, wie oben beschrieben worden ist, in Bezug auf den Umgebungs-Bohrlochdruck in der Bodenformationstiefe kalibriert und dann von dem Aufnahmeraum 22 aus in die Bodenformation jenseits der Bohrlochwand bewegt werden kann, so dass die Formationsdruck-Parameter frei von Bohrlocheinflüssen sind.
In 3 enthält der Einsatz für Energie 14 des Bohrkranzes 10 wenigstens eine Sender/Empfänger-Spule 38 mit einer Sendeleistungssteuerung 40 in Form eines Leistungsverstärkers, dessen Frequenz F von einem Oszillator 42 bestimmt wird. Das Bohrkranz-Sondenteilsystem ist außerdem mit einem Empfänger-Resonanzverstärker 43 versehen, der so eingestellt wird, dass er Signale mit einer Frequenz von 2F empfängt, die durch den entfernten Sensor 24 des Typs "smarte Patrone" an das Sondenteilsystem des Bohrkranzes übertragen werden, wie weiter unten erläutert wird.
In 4 ist die elektronische Schaltungsanordnung des entfernten "smarten" Sensors allgemein bei 44 durch einen Blockschaltplan gezeigt und enthält wenigstens eine Sender/Empfänger-Spule 46 oder HF-Antenne, wobei der Empfänger hiervon eine Ausgabe 50 von einem Detektor 48 an eine Controller-Schaltung 52 liefert. Die Controller-Schaltung wird mit einem ihrer Steuerausgangssignale 54 versorgt, das zu einem Druckmesser 56 geschickt wird, damit dessen Ausgangssignale an einen Analog-Digital-Umsetzer ("ADC")/Speicher 58 geleitet werden, der Signale vom Druckmesser über einen Leiter 62 und außerdem Steuersignale von der Controller-Schaltung 52 über einen Leiter 64 empfängt. In der Schaltungsanordnung für entfernten Sensor 44 ist eine Batterie 66 vorgesehen, die mit den verschiedenen Schaltungskomponenten des Sensors durch Stromleiter 68, 70 und 72 gekoppelt ist. Ein Speicherausgang 74 der ADC/Speicher-Schaltung 58 ist an eine Empfängerspule-Steuerschaltung 76 geführt. Die Empfängerspule-Steuerschaltung 76 dient über den Leiter 78 als Treiberschaltung für die Sender/Empfänger-Spule 46 bei der Übertragung von Daten an die Sonde 12.
In 5 ist eine Diode 80 mit niedriger Schwelle zur Rx-Spulensteuerschaltung 76 parallel geschaltet. Unter Normalbedingungen und besonders im Schlummer- oder Schlafmodus ist der elektronische Schalter 82 geöffnet, was die Leistungsaufnahme minimiert. Wenn die Empfängerspule-Steuerschaltung 76 durch das vom Bohrkranz übertragene elektromagnetische Feld aktiviert wird, wird in ihr eine Spannung und ein Strom induziert. An diesem Punkt lässt die Diode 80 jedoch nur das Fließen von Strom in einer Richtung zu. Diese Nichtlinearität verändert die Grundfrequenz F des induzierten Stroms, der in 6 bei 84 gezeigt ist, in einen Strom mit der Grundfrequenz 2F, d. h. der doppelten Frequenz der elektromagnetischen Welle 84, wie bei 86 gezeigt ist.
Während des gesamten Sendeablaufs wird die in 3 gezeigte Sender/Empfänger-Spule 38, die mit einem auf die 2F-Frequenz abgestimmten Empfängerverstärker 43 verbunden ist, auch als Empfänger verwendet. Wenn die Amplitude des empfangen Signals maximal ist, befindet sich der entfernte Sensor 24 in nächster Nähe für eine optimale Übertragung zwischen dem Bohrkranz und dem entfernten Sensor.
FUNKTIONSWEISE
Unter der Annahme, dass sich der intelligente entfernte Sensor oder die "smarte Patrone", wie er auch genannt wird, an Ort und Stelle in der zu überwachenden Bodenformation befindet, ist die Abfolge, in der die Sende- und Erfassungselektronik im Zusammenhang mit Bohroperationen arbeitet, folgende:
Der Bohrkranz mit seinen Erfassungssensoren wird in nächster Nähe des entfernten Sensors 24 positioniert. Eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz F, die in 6 bei 84 gezeigt ist, wird von der Bohrkranz-Sender/Empfänger-Spule 38 gesendet, um den entfernten Sensor, der auch als Ziel bezeichnet wird, "einzuschalten" und zu veranlassen, dass der Sensor ein identifizierendes codiertes Signal zurücksendet. Die elektromagnetische Welle bewirkt, dass die Elektronik des entfernten Sensors in den Erfassungs- und Sendemodus geht und von Seiten des entfernten Sensors Druckdaten und andere Daten, die ausgewählte Formationsparameter repräsentieren, sowie der Identifikationscode des Sensors erhalten werden. Die Gegenwart des Ziels, d. h. des entfernten Sensors, wird durch die bei einer Frequenz von 2F, wie bei 86 in dem Sende-Zeitablaufplan von 6 gezeigt ist, von dem Ziel zurückgestreute reflektierte Welle erfasst. Gleichzeitig werden Druckmesserdaten (Druck und Temperatur) und andere ausgewählte Formationsparameter erfasst, wobei die Elektronik des entfernten Sensors die Daten in ein oder mehrere serielle digitale Daten umsetzt. Dieses digitale Signal oder diese digitalen Signale, wie es der Fall sein kann, werden von dem entfernten Sensor über die Sender/Empfänger-Spule 46 zum Bohrkranz zurückgesendet. Dies erfolgt unter Synchronisieren und Codieren jedes einzelnen Datenbits in eine spezifische Zeitsequenz, während der die Streufrequenz zwischen F und 2F umgeschaltet wird. Das Erfassen und Senden von Daten wird beendet, sobald stabile Druck- und Temperaturmesswerte erhalten und erfolgreich an die im Bohrkranz 10 eingebaute Schaltungsanordnung gesendet worden sind.
Stets dann, wenn der obige Ablauf gestartet wird, wird die Sender/Empfänger-Spule 38, die sich im Bohrkranz oder im Sondenteilsystem des Bohrkranzes befindet, durch die Sendeleistungssteuerung oder den Verstärker 40 gespeist. Eine elektromagnetische Welle wird vom Bohrkranz mit einer durch den Oszillator 42 bestimmten Frequenz F, die bei 84 in dem Zeitablaufplan von 6 angegeben ist, gesendet. Die Frequenz F kann im Bereich von 100 kHz bis 500 MHz gewählt werden. Sobald das Ziel in die Einflusszone des Kranz-Senders gelangt, strahlt die Empfängerspule 46, die sich in der smarten Patrone befindet, mittels der Empfängerspule-Steuerschaltung 76 und der Sender/Empfänger-Spule 46 eine elektromagnetische Welle mit dem Zweifachen der ursprünglichen Frequenz zurück.
Im Gegensatz zu den gegenwärtigen Operationen macht die vorliegende Erfindung Druckdaten und andere Formationsparameter während des Bohrens verfügbar und ermöglicht somit der Bohrmannschaft, Entscheidungen, die das Gewicht und der Zusammensetzung des Bohrschlamms sowie weitere Parameter betreffen, zu einem viel früheren Zeitpunkt während des Bohrvorgangs zu treffen, ohne dass das Verfahren des Bohrstrangs zum Zweck des Betriebs eines Bodenformationsprüfgeräts erforderlich wäre. Die vorliegende Erfindung benötigt sehr wenig Zeit zur Ausführung der eigentlichen Formationsmessungen; sobald ein entfernter Sensor ausgefahren ist, können Daten während des Bohrens erlangt werden, ein Merkmal, das gemäß herkömmlichen Bohrtechniken nicht möglich wäre.
Ein zeitabhängiges Drucküberwachen von durchdrungenen Bohrlochformationen kann ebenfalls erreicht werden, solange Druckdaten vom Drucksensor 18 verfügbar sind. Dieses Merkmal ist natürlich von der Kommunikationsverbindung zwischen der Sender/Empfänger-Schaltungsanordnung innerhalb des Einsatzes für Energie des Bohrkranzes und allen ausgefahrenen intelligenten entfernten Sensoren abhängig.
Die Ausgabe des entfernten Sensors kann auch mit Seilarbeitsprotokollierungswerkzeugen während Standard-Protokollierungsoperationen gelesen wer den. Dieses Merkmal der Erfindung ermöglicht das Erfassen verschiedener Datenzustände der unterirdischen Bodenformation durch die Elektronik der Protokollierungswerkzeuge neben den Echtzeit-Formationsdaten, die nun während des Bohrens von der Bodenformation erhältlich sind.
Durch Positionieren des intelligenten entfernten Sensors 24 jenseits der unmittelbaren Bohrlochumgebung gibt es wenigstens in der Anfangsperiode der Datenerfassung keine Bohrlocheinflüsse auf die aufgenommenen Druckmesswerte. Da zum Erhalten von Formationsdrücken bei Vorort-Sensoren keine Flüssigkeitsbewegung erforderlich ist, ist es möglich, in undurchlässigem Gestein Formationsdrücke zu messen. Fachleuten ist klar, dass die vorliegende Erfindung gleichfalls an eine Messung von mehreren Formationsparametern wie etwa Durchlässigkeit, Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, Gesteinsfestigkeit und dergleichen anpassbar ist und nicht auf Formationsdruckmessungen beschränkt ist.
Ferner wird es als im Umfang der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet, dass die entfernten Sensoren, sobald sie ausgefahren sind, für eine lange Zeitperiode eine Quelle für Formationsdaten schaffen können. Dazu ist es erforderlich, dass die Positionen der jeweiligen Sensoren identifizierbar sind. Deshalb enthalten die entfernten Sensoren in einer Ausführungsform radioaktive "Piep-Etiketten" ("pip-tags"), die durch ein Gammastrahlen-Erfassungswerkzeug oder eine Sonde zusammen mit einer gyroskopischen Vorrichtung in einem Werkzeugstrang, der den Ort und die einzelne räumliche Identifikation jedes ausgefahrenen Sensors in der Bodenformation hervorhebt, identifizierbar sind.
Angesichts des obigen ist augenscheinlich, dass die vorliegende Erfindung gut geeignet ist, alle oben dargelegten Aufgaben und Merkmale zusammen mit anderen Aufgaben und Merkmalen, die der hier offenbarten Vorrichtung zu Eigen sind, zu erfüllen bzw. zu erzielen.
Wie Fachleute leicht erkennen, kann die vorliegende Erfindung ohne weiteres in anderen spezifischen Formen hergestellt werden, ohne von ihrem Leitgedanken oder den Hauptmerkmalen abzuweichen. Die vorliegende Ausführungsform ist deshalb lediglich als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Der Umfang der Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche angegeben und nicht durch die vorangehende Beschreibung, weshalb alle Änderungen, die in der Auslegung und im Äquivalenzbereich der Ansprüche liegen, als darin enthalten angesehen werden.

Claims

Verfahren zum Erfassen von Daten von einer unterirdischen Bodenformation während Bohroperationen, das umfasst: (a) Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrstrang (1), der einen Bohrkranz mit einer damit verbundenen Bohrkrone besitzt, wobei der Bohrkranz einen Datensensor (24) besitzt, der so beschaffen ist, dass er in einer ausgewählten unterirdischen Formation, durch die das Bohrloch verläuft, entfernt positioniert werden kann; (b) Bewegen des Datensensors (24) von dem Bohrkranz in eine ausgewählte unterirdische Formation, um dadurch Formationsdaten zu erfassen; (c) Senden von Signalen, die die Formationsdaten repräsentieren, von dem Datensensor; und (d) Empfangen der gesendeten Formationsdaten-Signale, um verschiedene Formationsparameter zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesendeten Formationsdaten-Signale von einem Datenempfänger (38) empfangen werden, der während des Bohrens des Bohrlochs in dem Bohrkranz angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesendeten Formationsdaten-Signale von einem Seilarbeitswerkzeug während einer Bohrlochprotokollierungsoperation, die während des Bohrens eines Bohrlochs begonnen wird, empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bewegens des Datensensors umfasst: (a) Bohren einer Sensorbohrung in die Bohrlochwand; und (b) Anordnen des Datensensors (24) in der Sensorbohrung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bewegens des Datensensors (24) das Ausüben einer ausreichenden Kraft auf den Datensensor vom Bohrkranz aus, um den Datensensor dazu zu veranlassen, in die unterirdische Formation einzudringen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Ausübens einer Kraft auf den Datensensor (24) die Verwendung einer hydraulischen Kraft, die von dem Bohrkranz ausgeübt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt des Ausübens einer Kraft auf den Datensensor (24) das Schießen des Datensensors vom Bohrkranz in die unterirdische Formation als ein durch ein Treibmittel betätigtes Projektil unter Verwendung einer Treibladung, die in dem Bohrkranz gezündet wird, umfasst.
Verfahren zum im Wesentlichen kontinuierlichen Erfassen von Daten an einem Ort in einer unterirdischen Bodenformation während Bohrloch-Bohroperationen, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bohren eines Bohrlochs (1) mit einem Bohrstrang, der einen damit verbundenen Bohrkranz sowie eine Bohrkrone, die durch den Bohrstrang gegenüber der Erdformation gedreht wird, besitzt, wobei der Bohrkranz Formationsdaten-Empfangsmittel (32) besitzt und Formationsdaten-Erfassungsmittel (24) besitzt, die in Bezug auf den Bohrkranz aus einer in den Bohrkranz eingefahrenen Position in eine ausgefahrene Position, in der sie in einem Datenerfassungseingriff mit der unterirdischen Formation unterhalb des Bohrlochs sind, beweglich sind, wobei die Datenertassungsmittel (24) Formationsdaten erfassen können und eine Formationsdatenausgabe bereitstellen können, die von den Formationsdaten-Empfangsmitteln (38) empfangen werden können; (b) Bewegen der Formationsdaten-Erfassungsmittel (24) von der eingefahrenen Position in die ausgefahrene Position in der unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs, um einen Datenerfassungseingriff mit der unterirdischen Formation zu schaffen; (c) Senden von Signalen von den Datenerfassungsmitteln (24), die die hiervon erfassten Formationsdaten repräsentieren; und (d) Empfangen der gesendeten Signale durch die Formationsdaten-Empfangsmittel (38), um verschiedene Formationsparameter zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Signalsende- und Signalempfangsschritte (6) stattfinden, während der Bohrkranz während einer Bohroperation in dem Bohrloch bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Signalsendeschritt (6) stattfindet, während der Bohrkranz in dem Bohrloch während einer Bohrlochoperation gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Signalempfangsschritt (6) stattfindet, während der Bohrkranz in dem gebohrten Bohrloch unbeweglich ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die ausgefahrene Position durch Bewegen der Formationsdaten-Erfassungsmittel senkrecht zu dem Bohrloch durch die unterirdische Formation definiert ist.
Verfahren zum im Wesentlichen kontinuierlichen Erfassen von Daten an einem Ort in einer unterirdischen Bodenformation während Bohrloch-Bohroperationen, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrstrang (1), der einen damit verbundenen Bohrkranz besitzt und eine Bohrkrone, die durch den Bohrstrang gegenüber der Bodenformation gedreht wird, besitzt, wobei der Bohrkranz Formationsdaten-Empfangsmittel besitzt und Formationsdaten-Erfassungsmittel (24) besitzt, die in Bezug auf den Bohrkranz aus einer in den Bohrkranz eingefahrenen Position in eine ausgefahrene Position in einem Datenerfassungseingriff in der unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs beweglich sind, wobei die Datenerfassungsmittel (24) Formationsdaten erfassen können und eine Formationsdatenausgabe, die von den Formationsdaten-Empfangsmitteln empfangen werden können, bereitstellen können; (b) Unterbrechen von Bohrloch-Bohroperationen; (c) Bewegen der Formationsdaten-Erfassungsmittel (24) von der eingefahrenen Position in die in die unterirdische Formation ausgefahrene Position jenseits des Bohrlochs für einen Datenerfassungseingriff mit der unterirdischen Formation; (d) Fortsetzen der Bohrloch-Bohroperationen; (e) Senden von Signalen von den Formationsdaten-Erfassungsmitteln (24), die die hiervon erfassten Formationsdaten repräsentieren; (f) Bewegen des Bohrkranzes, um die Formationsdaten-Empfangsmittel in der Nähe der Formationsdaten-Erfassungsmittel (24) zu positionieren; und (g) Empfangen der gesendeten Signale von den Formationsdaten-Empfangsmitteln, um verschiedene Formationsparameter zu bestimmen.
Verfahren zum Messen von Formationsparametern während Bohrloch-Bohroperationen, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bohren eines Bohrlochs in einer unterirdischen Formation (1) mit einem Bohrstrang, der einen Bohrkranz besitzt und eine Bohrkrone besitzt, wobei der Bohrkranz eine Sonde (12) besitzt, die Erfassungsmittel (24) enthält, die aus einer in die Sonde eingefahrenen Position in eine ausgefahrene Position in der unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs beweglich sind, wobei die Erfassungsmittel eine elektronische Schaltungsanordnung besitzen, die ausgewählte Formationsparameter erfassen kann und Datenausgangssignale, die die erfassten Formationsparameter repräsentieren, bereitstellen kann, wobei die Sonde ferner Empfangsmittel (38) besitzt, die die Datenausgangssignale empfangen können; (b) wenn sich der Bohrkranz und die Sonde an einem gewünschten Ort in Bezug auf die interessierende unterirdische Formation befinden, Bewegen der Erfassungsmittel aus einer in die Sonde eingefahrenen Position in eine in die interessierende unterirdische Formation ausgefahrene Position außerhalb des Bohrlochs; (c) elektronisches Aktivieren der elektronischen Schaltungsanordnung der Erfassungsmittel (24), wodurch die Erfassungsmittel die ausgewählten Formationsparameter erfassen; (d) Veranlassen der Erfassungsmittel, Datenausgangssignale, die die erfassten Formationsparameter repräsentieren, zu senden; und (e) Empfangen der Datenausgangssignale von den Erfassungsmitteln mit den Empfangsmitteln (38).
Verfahren zum Erfassen von Formationsdaten während Bohrloch-Bohroperationen, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Positionieren wenigstens eines entfernten Datensensors (24) in einer unterirdischen Formation, durch die ein Bohrloch verläuft, um wenigstens einen Formationsdatenparameter zu erfassen und um wenigstens ein Datensignal, das den einen Formationsdaten-Parameter repräsentiert, zu senden; (b) Senden eines Aktivierungssignals an den entfernten Datensensor, um den Sensor dazu zu veranlassen, den einen Formationsparameter zu erfassen und wenigstens ein Datensignal, das den einen Formationsparameter repräsentiert, zu senden; und (c) Empfangen des einen Datensignals von dem einen entfernten Datensensor während des Bohrens des Bohrlochs.
Vorrichtung zum Erfassen ausgewählter Daten von einer unterirdischen Formation, durch die ein Bohrloch verläuft, während des Bohrens des Bohrlochs, die umfasst: (a) einen Bohrkranz (10), bei mit einem Bohrstrang verbunden ist und an seinem unteren Ende eine Bohrkrone besitzt; (b) eine Sonde (12), die sich in dem Bohrkranz (10) befindet und eine elektronische Schaltungsanordnung zum Senden und Empfangen von Signalen besitzt, wobei die Sonde einen Sensoraufnahmeraum (22) besitzt; (c) einen entfernten intelligenten Sensor (24), der sich in dem Sensor-Aufnahmeraum (22) der Sonde befindet und eine elektronische Sensorschal tungsanordnung (3–6) zum Erfassen der ausgewählten Daten besitzt und eine elektrische Schaltungsanordnung zum Empfangen der von der Sende- und Empfangsschaltungsanordnung der Sonde gesendeten Signale sowie zum Senden von Formationsdaten-Signalen zu der Sende- und Empfangsschaltungsanordnung der Sonde besitzt; und (d) Mittel (28, 32, 34) in der Sonde, die den entfernten intelligenten Sensor aus dem Sensor-Aufnahmeraum seitlich an einen Ort in der unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs ausfahren.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Mittel zum seitlichen Ausfahren des entfernten intelligenten Sensors ein Hydraulikaktuator-System (34) in der Sonde umfassen, das einen mit hydraulischer Energie beaufschlagten Ausfahrkolben besitzt, der so angeordnet ist, dass er mit dem entfernten intelligenten Sensor in Eingriff gelangen kann, wobei das Hydraulikaktuator-System durch die Sende- und Empfangsschaltungsanordnung (4) der Sonde wahlweise gesteuert wird, um den entfernten intelligenten Sensor (24) aus dem Sensor-Aufnahmeraum (22) in eine eingebettete Position in der unterirdischen Formation, die von dem Bohrloch ausreichend weit entfernt ist, um die ausgewählten Formationsdaten zu erfassen, hydraulisch zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Sonde einen Druckmesser (16) und ein Sensorkalibrierungssystem zum Kalibrieren des entfernten intelligenten Sensors in Bezug auf den umgebenden Bohrlochdruck bei der Tiefe der ausgewählten unterirdischen Formation, in die der entfernte intelligente Sensor (24) ausgefahren werden soll, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der: (a) die Sende- und Empfangsschaltungsanordnung der Sonde Befehlssignale mit einer Frequenz F senden und Datensignale mit einer Frequenz 2F empfangen kann (6); und (b) die Empfangs- und Sendeschaltungsanordnung des entfernten intelligenten Sensors Befehlssignale mit einer Frequenz F empfangen kann und Datensignale mit einer Frequenz 2F senden kann (6).
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der: (a) der entfernte intelligente Sensor eine elektronische Speicherschaltung zum Erfassen von Formationsdaten über eine Zeitspanne (3–6) enthält; und (b) die Datenerfassungs-Schaltungsanordnung des entfernten intelligenten Sensors enthält: Mittel, die Formationsdaten in die elektronische Speicherschaltung eingeben, und eine Spulensteuerschaltung, die die Ausgabe der elektronischen Speicherschaltung empfängt, um die Empfangs- und Sendeschaltungsanordnung des entfernten intelligenten Sensors zu aktivieren, damit sie Signale, die die erfassten Formationsdaten repräsentieren, von dem ausgefahrenen Ort des entfernten intelligenten Sensors zu der Sende- und Empfangsschaltungsanordnung der Sonde senden.