DE69914838T9

DE69914838T9 - Formationsdruckmessung mit Fernsensoren in verrohrten Bohrlöchern

Info

Publication number: DE69914838T9
Application number: DE69914838T
Authority: DE
Inventors: Reinhart Houston Ciglenec; Jacques R. Houston Tabanou
Original assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Current assignee: Schlumberger Holdings Ltd
Priority date: 1998-08-18
Filing date: 1999-08-09
Publication date: 2005-06-30
Also published as: EP0984135A2; NO993947D0; NO993947L; US6070662A; AU758816B2; DE69914838D1; BR9903775A; ID23247A; CA2278080C; DE69914838T2; EP0984135A3; NO316539B1; CN1199001C; AU4015399A; EP0984135B1; RU2169837C2; CN1249392A; CA2278080A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein die Bestimmung verschiedener Parameter in einer von einem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Formation und insbesondere auf eine Bestimmung nach der Installation eines Futterrohrs in dem Bohrloch mittels Kommunikation über die Wand des Futterrohrs mit Sensoren, die vor der Installation des Futterrohrs in der Formation fern entfaltet wurden.
Beschreibung der verwandten Technik
Die Bohrung nach Erdöl beinhaltet heutzutage das ständige Überwachen von verschiedenen Bohrlochparametern. Einer der kritischsten Parameter, die zur Sicherstellung einer stetigen Produktion benötigt werden, ist der Druck der Lagerstätte, der auch als Formationsdruck bekannt ist. Das ständige Überwachen von Parametern wie etwa des Drucks der Lagerstätte gibt die zeitliche Änderung des Formationsdrucks an und ist erforderlich, um die Förderkapazität und die erwartete Dauer der Förderung aus einer unterirdischen Formation vorherzusagen. Typischerweise werden Formationsparameter einschließlich des Drucks mit Seilarbeit-Formationsprüfwerkzeugen wie etwa jenen, die in den US-Patenten Nrn. 3,934,468, 4,860,581, 4,893,505, 4,936,139 und 5,622,223 beschrieben sind, überwacht.
Das '468-Patent, das an Schlumberger Technology Corporation, den Anmelder der vorliegenden Erfindung, übertragen worden ist, beschreibt einen lang gestreckten rohrförmigen Körper, der in einem unverrohrten Bohrloch angeordnet wird, um eine interessierende Formationszone zu prüfen. Der rohrförmige Körper enthält ein Dichtungskissen, das an der Formationszone durch sekundäre mit dem Schacht in Eingriff befindliche und dem Dichtungskissen gegenüberliegende Kissen sowie eine Reihe von hydraulischen Stellgliedern in einen abdichtenden Eingriff mit dem Bohrloch gebracht wird. Der Körper ist mit einem Fluidzuführmittel, das eine bewegliche Sonde enthält, die mit einer zentralen Öffnung in dem Dichtungskissen in Verbindung steht und durch diese hindurch Proben von Formationsfluiden gewinnt, ausgerüstet. Eine solche Fluidkommunikation und Fluid probenahme ermöglicht das Sammeln von Formationsparameterdaten einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, des Formationsdrucks. Die bewegliche Sonde des '468-Patents ist zum Prüfen von Formationszonen, die eine unterschiedliche und unbekannte Tauglichkeit oder Stabilität aufweisen, besonders geeignet.
Die '581- und '139-Patente, die ebenfalls an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden sind, offenbaren modulare Formationsprüfwerkzeuge, die zahlreiche Fähigkeiten einschließlich der Formationsdruckmessung und Probenahme in unverrohrten Bohrlöchern aufweisen. Diese Patente beschreiben Werkzeuge, die durch ein einmaliges Einfahren des Werkzeugs an mehreren Formationszonen Messungen durchführen und Proben nehmen können.
Das '505-Patent, das an Western Atlas International Inc. übertragen worden ist, offenbart in ähnlicher Weise ein Formationsprüfwerkzeug, das an mehreren Formationszonen den Druck und die Temperatur der von einem unverrohrten Bohrloch durchdrungenen Formation messen sowie Fluidproben sammeln kann.
Das '223-Patent, das an die Firma Halliburton übertragen worden ist, offenbart ein weiteres Seilarbeit-Formationsprüfwerkzeug zur Entnahme eines Formationsfluids aus einer interessierenden Zone in einem unverrohrten Bohrloch. Das Werkzeug verwendet ein aufblasbares Dichtungsstück und soll verwendbar sein, um vor Ort den Typ und den Blasenpunktdruck des zu entnehmenden Fluids zu bestimmen und wahlweise Fluidproben zu sammeln, die im Wesentlichen frei von Schlammfiltraten sind.
Jedes der oben erwähnten Patente ist insofern beschränkt, dass die darin beschriebenen Formationsprüfwerkzeuge Formationsdaten nur erfassen können, solange sich die Werkzeuge in dem Bohrloch in physischem Kontakt mit der interessierenden Formationszone befinden.
Die US-Patentanmeldung Nr. 09/019,466, die ebenfalls auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfalten von intelligenten Datensensoren wie etwa Drucksensoren von einer Schwerstange in dem Bohrstrang aus in die unterirdische Formation jenseits des Bohrlochs während der Ausführung von Bohrvorgängen. Die Positionierung solcher Datensensoren während der Bohrphase einer Erdölbohrung erfolgt durch Mittel wie entweder Schießen, Bohren, hydraulisches Pressen oder anderweitiges Entfalten der Sensoren in die Formation, wie in der '466-Anmeldung, die hier in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt ist, be schrieben ist.
Die '466-Anmeldung offenbart ferner die Verwendung von Mitteln zum Identifizieren des Ortes solcher Datensensoren lange nach der Entfaltung, insbesondere durch die Verwendung von Gammastrahlen-Zackenmarkierungen (gamma-ray pip-tags) in den Sensoren. Diese Gammastrahlen-Zackenmarkierungen senden verschiedene radioaktive "Signaturen" aus, die von den Gammastrahlen-Hintergrundprofilen oder Signaturen der örtlichen jeweiligen unterirdischen Formation leicht unterscheidbar sind und dadurch das Bestimmen des Ortes jedes Sensors in der Formation ermöglichen.
In einem bestimmten Stadium der Abschlussphase des Schachts wird in dem Bohrloch ein Futterrohrstrang installiert. Nach der Verrohrung des Bohrlochs und der gegebenenfalls erforderlichen Zementierung der Verrohrung ist eine standardmäßige elektromagnetische Kommunikation aus dem Bohrloch mit den einzelnen fernen Sensoren außerhalb des Futterrohrs nicht mehr möglich. Wenn es kein wirksames Mittel zur Kommunikation mit einem jenseits des verrohrten Bohrlochs in der Formation eingebetteten Datensensor gibt, hat dieser keinen Zweck. Somit muss, um die ständigen Formationsüberwachungsfähigkeiten der ein oder mehreren Datensensoren für die Dauer der Förderung aus dem Bohrloch zu erhalten, eine Kommunikation mit den Datensensoren wiederhergestellt werden. Ferner muss zur Optimierung der Kommunikation mit dem einen oder den mehreren Datensensoren nach der Verrohrung und Zementierung des Bohrlochs der Ort der Sensoren identifiziert werden.
Die in den oben erwähnten '468-, '581-, '139-, '505- und '223-Patenten beschriebenen Werkzeuge und Verfahren sind nicht für die Verwendung in verrohrten Bohrlöchern gedacht und im Allgemeinen nicht ständig mit dem Bohrloch oder der Formation verbunden. Jedoch sind Formationsprüfwerkzeuge und -verfahren, die zur Verwendung in verrohrten Bohrlöchern vorgesehen sind, auf dem Fachgebiet wohlbekannt, wie durch die US-Patente Nrn. 5,065,619, 5,195,588 und 5,692,565 veranschaulicht wird.
Das '619-Patent, das an Halliburton Logging Services Inc. übertragen worden ist, offenbart ein Mittel zum Prüfen des Drucks einer Formation hinter dem Futterrohr in einem die Formation durchdringenden Bohrloch. Von einer Seite einer Seilarbeit-Formationsprüfeinrichtung aus wird ein "Sicherungsschuh" hydraulisch ausgefahren, der mit der Futterrohrwand in Kontakt gelangt, während von der anderen Seite der Prüfeinrichtung eine Prüfsonde hydraulisch ausgefahren wird. Die Sonde enthält einen umgebenden Dichtungsring, der eine Abdichtung gegen die dem Sicherungsschuh gegenüberliegende Futterrohrwand herstellt. In der Mitte des Dichtungsrings ist eine kleine Hohlladung angeordnet, um das Futterrohr und die umgebende Zementschicht, falls vorhanden, zu perforieren. Durch die Perforation und den Dichtungsring strömt Formationsfluid in eine Strömungsleitung zur Abgabe an einen Drucksensor und ein Paar von Fluidaufbereitungs- und Probenahmebehältern.
Das '588-Patent, das ebenfalls an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, verbessert die Formationsprüfeinrichtungen, die das Futterrohr perforieren, um Zugang zu der Formation hinter dem Futterrohr zu gewinnen, indem ein Mittel zum Verstopfen der Futterrohrperforation vorgesehen ist. Insbesondere offenbart das '588-Patent ein Werkzeug, das eine Perforation verstopfen kann, während sich das Werkzeug noch an der Stelle befindet, an der die Perforation ausgeführt wurde. Das rechtzeitige Verschließen der ein oder mehreren Perforationen durch Verstopfen verhindert ein möglicherweise starkes Entweichen von Bohrlochfluid in die Formation und/oder eine Verschlechterung der Formation. Es verhindert außerdem das unkontrollierte Eindringen von Formationsfluiden in das Bohrloch, das im Fall einer Gasintrusion gefährlich sein kann.
Das '565-Patent, das ebenfalls an Schlumberger Technology Corporation übertragen worden ist, beschreibt eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Probenahme hinter einem verrohrten Bohrloch, wobei die Erfindung eine flexible Bohrwelle verwendet, um eine gleichmäßigere Futterrohrperforation als mit einer Hohlladung zu erzeugen. Die gleichmäßige Perforation führt zu einer größeren Zuverlässigkeit, dass das Futterrohr korrekt verstopft wird, weil Hohlladungen zu ungleichmäßigen Perforationen führen, die schwer zu verstopfen sind und häufig sowohl einen festen Stopfen als auch eine nicht feste Dichtungsmasse erfordern. In dieser Weise erhöht die durch die flexible Bohrwelle erzeugte Perforation die Zuverlässigkeit der Verwendung von Stopfen zum Abdichten des Futterrohrs. Sobald die Futterrohrperforationen verstopft sind, gibt es jedoch kein Mittel zur Kommunikation mit der Formation, ohne den Perforationsprozess zu wiederholen. Selbst dann ist eine solche Formationskommunikation nur möglich, solange die Formationsprüfeinrichtung in das Bohrloch gebracht wird und die Futterrohrperforation offen bleibt.
Ein weiteres bekanntes Patent ist das US-Patent Nr. 4,446,433, das ein durch Seilarbeit befördertes Bruchvermessungswerkzeug beschreibt, das verwen det wird, um Bruchrichtungs- und Bruchlängeneigenschaften von hydraulisch herbeigeführten Brüchen in unterirdischen Formationen zu bestimmen. Das Werkzeug ist in verrohrten Bohrlöchern einsetzbar und verwendet Antennenvorrichtungen, die durch in dem Futterrohr geschaffene Perforationen hindurch stabähnliche Antennen in Brüche in der Formation schieben, wobei die Antennen eine dreidimensionale Vermessung der Brucheigenschaften ausführen. Obwohl das '433-Patent die Verwendung von Antennen aufzeigt, die zu Formationsuntersuchungszwecken durch eine Futterrohrwand hindurch positioniert werden, sagt es nichts über das Problem der Kommunikation durch das Futterrohr hindurch aus und erklärt keine Lösung für eine Kommunikationsverbindung mit einem anderen Sensor, der in der Formation eingebettet ist. Es gibt auch keine andere Offenbarung oder einen anderen Vorschlag für das dauerhafte Installieren einer solchen Antenne in der Futterrohrwand zur Datenübermittlung nach Bedarf.
Das US-Patent Nr. 4,893,505 beschreibt eine Vorrichtung zum Sammeln von Fluidproben, jedoch offenbart es keine Techniken zur Kommunikation oder zur Erlangung von Daten von einer Formation aus einem verrohrten Bohrloch. Insbesondere erkennt das '505-Patent nicht das Problem des Übermittelns oder Gewinnens von Daten durch das Futterrohr hindurch, insbesondere von einem in der Formation entfalteten Sensor. Das '505-Patent liefert auch keine Lösung für das Perforieren des Futterrohrs und das Vorsehen einer Antenne, um durch dieses hindurch zu kommunizieren.
EP 0 791 723 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Probenahme an einer Erdformation durch ein verrohrtes Bohrloch hindurch. Dieses Patent offenbart eine Perforationsvorrichtung zur Prüfung und Probenahme durch das Futterrohr hindurch. Jedoch greift das '723-Patent weder das Problem der Kommunikation durch das Futterrohr hindurch noch die Lösung für das Vorsehen einer Antenne zum Senden von Signalen durch eine Perforation in dem Futterrohr hindurch auf.
Um den Problemen und Nachteilen der verwandten Technik zu begegnen, ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wiederherstellen der Kommunikation mit fernentfalteten Datensensoren durch die Futterrohrwand und die Zementschicht eines verrohrten Bohrlochs hindurch zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Ortes eines jeden solchen Datensensors in der unterirdischen Formation in Bezug auf die Futterrohrwand zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Öffnung in der Futterrohrwand und in der Zementschicht, die ein verrohrtes Bohrloch verkleiden, in der Nähe des Ortes eines Datensensors oder einer Gruppe von Datensensoren zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, für die Kommunikation mit dem einen oder den mehreren Datensensoren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Installieren einer Antenne in der erzeugten Öffnung in einem abgedichteten Verhältnis mit der Futterrohrwand zu schaffen.
Eine nochmals weitere Aufgabe ist es, für die Überwachung des Bohrlochs ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Senden von Befehlssignalen an die fernen Datensensoren und zum Empfangen von Datensignalen von den fernen Datensensoren über die installierte Antenne zu schaffen.
Eine nochmals weitere Aufgabe ist es, einen Datenempfänger, der einen Mikrowellenhohlraum verwendet und der im Bohrloch positioniert werden kann, um mit dem einen oder den mehreren Datensensoren über die eine oder die mehreren installierten Antennen zu kommunizieren, bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben beschriebenen Aufgaben sowie weitere verschiedene Aufgaben und Vorteile werden durch ein Verfahren und eine Anordnung nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 9, die eine Kommunikation ermöglicht, nachdem in einem Bohrloch ein Futterrohr installiert worden ist, wobei vor der Installation des Futterrohrs in einer von dem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Formation ein Datensensor bei der Entfaltungstiefe entfaltet wurde, erfüllt bzw. erreicht. Die Kommunikation wird durch Installieren einer Antenne in der Futterrohrwand und dem anschließenden Einführen eines Datenempfängers in das verrohrte Bohrloch hergestellt, um mit dem Datensensor über die Antenne zu kommunizieren und von dem Datensensor erfasste und gesendete Formationsdatensignale zu empfangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vor der Installation der Antenne der Ort des Datensensors in der unterirdischen Formation identifiziert, so dass die Antenne in einer Öffnung in der Futterrohrwand in der Nähe des Ortes des Datensensors installiert werden kann. Ebenso vorzugsweise ist der Datensensor mit Mitteln zum Senden eines Signatursignals ausgerüstet, die durch Erfassen des Signatursignals das Identifizieren des Ortes des Datensensors ermöglichen. In dieser Hinsicht ist der Datensensor vorzugsweise mit einer Gammastrahlen-Zackenmarkierung zum Senden eines Zackenmarkierungs-Signatursignals versehen. Der Ort des Datensensors wird identifiziert, indem zuerst ein Gammastrahlenprotokoll für offene Löcher erzeugt wird, dann anhand des Gammastrahlenprotokolls und des Zackenmarkierungs-Signatursignals des Datensensors die Tiefe des Datensensors bestimmt wird, und danach unter Verwendung eines Gammastrahlendetektors und des Zackenmarkierungs-Signatursignals der Azimutwinkel des Datensensors relativ zu dem Bohrloch bestimmt wird. Der Azimutwinkel wird vorzugsweise unter Verwendung eines einer Kollimation unterworfenen Gammastrahlendetektors bestimmt.
Die Antenne wird vorzugsweise in einer Öffnung in dem Futterrohr unter Verwendung eines Seilarbeitswerkzeugs installiert und abgedichtet. Das Seilarbeitswerkzeug enthält Mittel zum Identifizieren des Azimutwinkels relativ zu dem Bohrloch, Mittel zum Drehen des Werkzeugs in den identifizierten Azimutwinkel, Mittel zum Bohren oder anderweitigen Erzeugen einer Öffnung durch das Futterrohr und zum Zementieren in dem identifizierten Azimutwinkel und Mittel zum Installieren der Antenne in der Öffnung in einem abgedichteten Verhältnis mit dem Gehäuse.
Der Datenempfänger wird vorzugsweise an einer Seilarbeit in das verrohrte Bohrloch eingeführt und enthält einen Mikrowellenhohlraum.
In einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung das Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrstrang, der eine Schwerstange und eine Bohrkrone enthält, vor. Die Schwerstange enthält einen Datensensor, der für das ferne Positionieren innerhalb einer durch das Bohrloch durchschnittenen gewählten unterirdischen Formation geeignet ist, um Datensignale, die für verschiedene Parameter der Formation kennzeichnend sind, zu erfassen und zu senden. Vor dem vollständigen Verrohren des Bohrlochs wird der Datensensor von der Schwerstange aus in die gewählte unterirdische Formation geschoben. Nach der Installation des Futterrohrs in dem Bohrloch wird in einer in der Futterrohrwand gebildeten Öffnung eine Antenne installiert. Anschließend wird ein Datenempfänger in das verrohrte Bohrloch eingeführt, der mit dem Datensensor über die Antenne kommuniziert, um von dem Datensensor erfasste und gesendete Formationsdatensignale zu empfangen.
In einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Schwerstange vor, die ein Werkzeug enthält, das Erfassungsmittel enthält, die von einer in das Werkzeug zurückgefahrenen Position in eine in der unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs entfaltete Position bewegt werden kann. Die Erfassungsmittel enthalten eine elektronische Schaltungsanordnung, die gewählte Formationsparameter erfassen und Datenausgangssignale liefern kann, die die erfassten Formationsparameter repräsentieren. Wenn die Schwerstange und das Werkzeug an einem gewünschten Ort in Bezug auf eine interessierende unterirdische Formation positioniert sind, werden die Erfassungsmittel von einer in das Werkzeug zurückgefahrenen Position in eine in der interessierenden unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs entfaltete Position, die von der Schwerstange entfernt ist und sich außerhalb des Bohrlochs befindet, bewegt. Nach der Installation des Futterrohrs in dem Bohrloch wird der Ort des Datensensors in der unterirdischen Formation identifiziert und in der Nähe des Ortes des Datensensors in einer seitlichen Öffnung durch die Futterrohrwand eine Antenne in einem abgedichteten Verhältnis mit dem Futterrohr installiert. Danach wird ein Empfangsmittel in das verrohrte Bohrloch eingeführt und elektronisch die elektronische Schaltungsanordnung aktiviert, wodurch veranlasst wird, dass die Erfassungsmittel die gewählten Formationsparameter erfassen und Datensignale, die für die erfassten Formationsparameter repräsentativ sind, senden. Die gesendeten Datensignale werden dann von den Empfangsmitteln empfangen.
In einem nochmals weiteren Aspekt enthält die vorliegende Erfindung eine Schwerstange, die für den Anschluss in einem Bohrstrang geeignet ist und eine Sensoraufnahme aufweist. In der Sensoraufnahme der Schwerstange ist ein intelligenter Fernsensor angeordnet, der eine elektronische Schaltungsanordnung zum Erfassen gewählter Formationsdaten, Empfangen von Befehlssignalen und Senden von Datensignalen, die für die erfassten Formationsdaten repräsentativ sind, enthält. Der intelligente Fernsensor ist für eine seitliche Entfaltung von der Sensoraufnahme an einen Ort in der unterirdischen Formation jenseits des Bohrlochs geeignet. Der Installation des Futterrohrs in dem Bohrloch nachfolgend wird eine Antenne zur Kommunikation mit dem intelligenten Fernsensor mit Mitteln befördert, die außerdem eine Öffnung in der Futterrohrwand in der Nähe des intelligenten Fernsensors erzeugen und die Antenne in die geschaffene Öffnung in einem abgedichteten Verhältnis mit der Futterrohrwand einführen können. Außerdem ist ein Datenempfänger, der in das Bohrloch eingeführt werden kann und eine elektronische Schaltungsanordnung zum Senden von Befehlssignalen über die Antenne nach ihrer Installation und zum Empfangen von Formationsdatensignalen von dem intelligenten Fernsensor über die Antenne enthält, vorgesehen.
Vorzugsweise kann die Sende- und Empfangsschaltungsanordnung des Datenempfängers Befehlssignale mit einer Frequenz F senden und Datensignale mit einer Frequenz 2F empfangen, während die Empfangs- und Sendeschaltungsanordnung des intelligenten Fernsensors Befehlssignale mit einer Frequenz F empfangen und Datensignale mit einer Frequenz 2F senden kann.
Vorzugsweise enthält der intelligente Fernsensor eine elektronische Speicherschaltung, um über eine längere Zeitperiode Formationsdaten zu erfassen. Die Datenerfassungsschaltungsanordnung des intelligenten Fernsensors enthält vorzugsweise Mittel zum Eingeben von Formationsdaten in die elektronische Speicherschaltung und eine Spulensteuerschaltung zum Empfangen der Ausgabe der elektronischen Speicherschaltung und zum Aktivieren der Empfangs- und Sendeschaltungsanordnung des intelligenten Fernsensors, um an die Sende- und Empfangsschaltungsanordnung des Datenempfängers Signale zu übertragen, die für die erfassten Formationsdaten von dem Entfaltungsort des intelligenten Fernsensors repräsentativ sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit die Art und Weise, in der die oben angeführten Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung erfüllt bzw. erreicht werden, im Einzelnen verständlich wird, kann eine speziellere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung durch Bezugnahme auf deren bevorzugte Ausführungsform, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, erhalten werden, wobei die Zeichnungen als Teil dieser Patentbeschreibung aufgenommen sind.
Es wird jedoch angemerkt, dass die beigefügte Zeichnungen lediglich eine typische Ausführungsform dieser Erfindung zeigen und deshalb nicht als deren Umfang eingrenzend auszulegen sind, da die Erfindung andere gleich wirksame Ausführungsformen zulässt.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Aufriss eines Bohrstrangabschnitts in einem Bohrloch, der eine Schwerstange und einen fern positionierten Datensensor zeigt, der von einer Schwerstange aus in eine interessierende unterirdische Formation entfaltet wurde;
2 eine Schnittansicht der unterirdischen Formation nach der Installa tion eines Futterrohrs in dem Bohrloch, wobei in einer Öffnung durch die Wand des Futterrohrs und die Zementschicht in der Nähe des fern entfalteten Datensensors eine Antenne installiert wurde;
3 eine schematische Darstellung eines Seilarbeitswerkzeugs, das in dem Futterrohr positioniert wurde und obere und untere Drehwerkzeuge und ein dazwischen liegendes Antenneninstallationswerkzeug umfasst;
4 eine längs der Linie 4-4 in 3 aufgenommene schematische Darstellung des unteren Drehwerkzeugs;
5 ein in einer gewählten Bohrlochtiefe aufgenommenes seitliches Strahlungsprofil, um die Gammastrahlen-Signatur einer Datensensor-Zackenmarkierung gegen die Gammastrahlensignatur des Hintergrunds der unterirdischen Formation zu kontrastieren;
6 eine schematische Schnittansicht eines Werkzeugs zum Erzeugen einer Perforation in dem Futterrohr und zum Installieren einer Antenne in der Perforation für die Kommunikation mit dem Datensensor;
6A ein Paar Führungsplatten, die in dem Antenneninstallationswerkzeug zur Beförderung einer für die Perforation des Futterrohrs benutzen flexiblen Welle verwendet werden;
7 einen Ablaufplan für den Betrieb des in 6 gezeigten Werkzeugs;
8 eine Schnittansicht eines alternativen Werkzeugs zum Perforieren des Futterrohrs;
die 9A–9C aufeinander folgende Schnittansichten, die die Installation einer Ausführungsform der Antenne in der Futterrohrperforation zeigen;
9D eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der in der Futterrohrperforation installierten Antenne;
10 eine detaillierte Schnittansicht des unteren Teils des Antenneninstallationswerkzeugs, insbesondere des Antennenmagazins und des Installationsmechanismus für die in den 9A–9C gezeigte Antennenausführungsform;
11 eine schematische Darstellung des in dem Futterrohr positionierten Datenempfängers für die Kommunikation mit dem fern entfalteten Datensensor über eine installierte Antenne durch die Perforation in der Futterrohrwand hindurch, die die elektrischen und magnetischen Felder in einem Mikrowellenresonator oder Mikrowellenhohlraum des Datenempfängers zeigt;
12 eine Aufzeichnung der Datenempfänger-Resonanzfrequenz über der Mikrowellenhohlraumlänge;
13 eine schematische Darstellung des mit dem Datensensor kommunizierenden Datenempfängers, die einen Blockschaltplan der Datenempfängerelektronik umfasst;
14 einen Blockschaltplan der Datensensorelektronik; und
15 ein Impulsbreitenmodulationsdiagramm, das die Zeitsteuerung der Datensignalübertragung zwischen dem Datensensor und dem Datenempfänger zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Wie in den Zeichnungen und zunächst in 1 gezeigt ist, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Bohren eines Bohrlochs WB mit einem Bohrstrang DS, der eine Schwerstange 12 und eine Bohrkrone 14 aufweist. Die Schwerstange weist mehrere intelligente Datensensoren 16 auf, die zur Einführung in das Bohrloch während Bohrvorgängen von ihr getragen werden. Wie weiter unten noch beschrieben wird, enthalten die Datensensoren 16 eine integrierte elektronische Messschaltungsanordnung, um gewählte Formationsparameter zu erfassen und eine elektronische Schaltungsanordnung, um gewählte Befehlssignale zu empfangen und Datenausgangssignale, die die erfassten Formationsparameter repräsentieren, zu liefern.
Jeder Datensensor 16 kann zum Erfassen und Senden von Datensignalen, die für verschiedene Parameter wie etwa den Formationsdruck, die Formationstemperatur und die Formationsdurchlässigkeit der gewählten Formation repräsentativ sind, aus seiner an der Schwerstange 12 zurückgefahrenen oder zurückversetzten Position 18 in eine entfernte Position in einer von dem Bohrloch WB durchschnittenen gewählten unterirdischen Formation 20 entfaltet werden. Wenn die Schwerstange 12 durch den Bohrstrang DS an einem gewünschten Ort in Bezug auf die unterirdische Formation 20 positioniert worden ist, wird der Datensensor 16 somit durch die Kraft eines Treibmittels oder einer Hydropresse oder durch eine von der Schwerstange ausgehende und auf den Datensensor einwirkende gleiche Kraft in eine entfaltete Position in der unterirdischen Formation 20 außerhalb des Bohrlochs WB bewegt. Eine solche erzwungene Bewegung ist in der US-Patentanmeldung Nr. 09/019,466 im Zusammenhang mit einer Schwerstange, die ein Entfaltungssystem besitzt, näher beschrieben.
Die Entfaltung einer gewünschten Anzahl solcher Datensensoren erfolgt in verschiedenen, durch das gewünschte Formationsdatenniveau bestimmten Bohrlochtiefen. Solange das Bohrloch offen oder unverrohrt bleibt, können die entfalteten Datensensoren mit der Schwerstange, einer Sonde oder einem Seilarbeitswerkzeug, die einen Datenempfänger, wie ebenfalls in der '466-Anmeldung beschrieben ist, direkt kommunizieren, um Daten, die für die Formationsparameter kennzeichnend sind, an ein Speichermodul an dem Datenempfänger zur vorübergehenden Speicherung oder über den Datenempfänger an die Oberfläche zu senden.
An einem bestimmten Punkt der Fertigstellung des Schachts ist das Bohrloch vollständig verrohrt und die Verrohrung üblicherweise an Ort und Stelle zementiert. Ab diesem Punkt ist eine normale Kommunikation mit entfalteten Datensensoren 16, die in der Formation 20 jenseits des Bohrlochs WB liegen, nicht mehr möglich. Somit muss die Kommunikation mit den entfalteten Datensensoren durch die Futterrohrwand und gegebenenfalls durch die Zementschicht hindurch, die das Bohrloch verkleiden, wiederhergestellt werden.
Wie nun in 2 gezeigt ist, wird die Kommunikation wiederhergestellt, indem eine Öffnung 22 in der Futterrohrwand 24 und in der Zementschicht 26 geschaffen wird und danach eine Antenne 28 in der Öffnung 22 in der Futterrohrwand installiert und abgedichtet wird. Jedoch sollte zur optimalen Kommunikation die Antenne 28 an einer Stelle in der Nähe des entfalteten Datensensors positioniert werden. Um eine wirksame elektromagnetische Kommunikation zu ermöglichen, wird die Antenne vorzugsweise in einem Abstand von 10–15 cm zu dem jeweiligen Datensensor oder den jeweiligen Datensensoren in der Formation positioniert. Somit muss der Ort der Datensensoren relativ zu dem verrohrten Bohrloch identifiziert werden.
Identifikation des Ortes eines Datensensors
Um das Identifizieren des Ortes der Datensensoren zu ermöglichen, sind die Datensensoren mit Mitteln ausgerüstet, die jeweilige identifizierende Signatursignale senden. Genauer ausgedrückt sind die Datensensoren mit einer Gammastrahlen-Zackenmarkierung 21 zum Senden eines Zackenmarkierungs-Signatursignals versehen. Die Zackenmarkierung ist ein kleiner Streifen aus papierartigem Material, der mit einer radioaktiven Lösung gesättigt und in dem Datensensor 16 angeordnet ist, um Gammastrahlen zu emittieren.
Der Ort eines jeden Datensensors wird in einem zweistufigen Prozess identifiziert. Zuerst wird unter Verwendung eines Gammastrahlenprotokolls für offene Löcher, das nach der Entfaltung von Datensensoren 16 für das Bohrloch erzeugt wird, und des bekannten Zackenmarkierungs-Signatursignals des Datensensors die Tiefe des Datensensors bestimmt. Der Datensensor ist in dem Protokoll für offene Löcher identifizierbar, weil die radioaktive Emission der Zackenmarkierung 21 bewirkt, dass sich der örtliche, umgebende Gammastrahlenhintergrund im Bereich des Datensensorortes verstärkt. Somit unterscheiden sich Hintergrundgammastrahlen in dem Protokoll an dem Sensorort von den Formationszonen oberhalb und unterhalb des Sensors. Dies erleichtert das Identifizieren der vertikalen Tiefe und Position des Datensensors.
Danach wird unter Verwendung eines Gammastrahlendetektors und des Zackenmarkierungs-Signatursignals des Datensensors der Azimutwinkel des Datensensors relativ zum Bohrloch bestimmt. Der Azimutwinkel wird unter Verwendung eines einer Kollimation unterworfenen Gammastrahlendetektors, der weiter unten im Zusammenhang mit einem multifunktionalen Seilarbeitswerkzeug beschrieben wird, bestimmt.
Die Antenne 28 wird vorzugsweise unter Verwendung eines Seilarbeitswerkzeugs in der Öffnung 22 installiert und abgedichtet. Das Seilarbeitswerkzeug, das in den 3 und 4 allgemein mit 30 bezeichnet ist, ist eine komplexe Vorrichtung, die mehrere Funktionen ausführt und obere und untere Drehwerkzeuge 34, 36 und ein dazwischen liegendes Antenneninstallationswerkzeug 38 enthält. Fachleuten auf dem Gebiet ist klar, dass das Werkzeug 30, obwohl es hier auf eine Seilarbeitswerkzeug-Ausführungsform eingegrenzt ist, für wenigstens einige seiner beabsichtigten Zwecke als Bohrstranguntereinheit oder -werkzeug gleich effektiv sein könnte.
Das Seilarbeitswerkzeug 30 wird an einer Drahtleitung oder einem Kabel 31, deren Länge die Tiefe des Werkzeugs 30 in dem Bohrloch bestimmt, abgesenkt. Zur Messung der Verschiebung des Kabels über einen Stützmechanismus wie etwa eine Seilscheibe können Tiefenmesser verwendet werden, die somit die Tiefe des Seilarbeitswerkzeugs in einer Weise angeben, die im Fachgebiet wohlbekannt ist. In dieser Weise wird das Seilarbeitswerkzeug 30 in der Tiefe des Datensensors 16 positioniert. Die Tiefe des Seilarbeitswerkzeugs 30 kann auch durch elektrische, nukleare oder andere Sensoren gemessen werden, die die Tiefe mit in dem Bohrloch erlangten Messwerten oder mit der Bohrlochverroh rungslänge korrelieren. Das Kabel 31 stellt außerdem ein Mittel zur Kommunikation mit der an der Oberfläche positionierten Steuer- und Verarbeitungseinrichtung über in dem Kabel geführte Schaltkreise dar.
Das Seilarbeitswerkzeug enthält ferner Mittel in Form der oberen und unteren Drehwerkzeuge 34, 36 zum Drehen des Seilarbeitswerkzeugs 30 in den identifizierten Azimutwinkel, nachdem es, wie im ersten Schritt des Datensensorort-Identifikationsprozesses bestimmt worden ist, in die richtige Datensensortiefe abgesenkt worden ist. Eine Ausführungsform eines einfachen Drehwerkzeugs, wie es durch das obere Drehwerkzeug 34 in den 3 und 4 veranschaulicht ist, enthält einen zylindrischen Körper 40 mit einer Gruppe aus zwei koplanaren Antriebsrädern 42, 44, die sich durch eine Seite des Körpers erstrecken. Die Antriebsräder werden in herkömmlicher Weise durch Betätigen eines hydraulischen Sicherungskolbens 46 gegen das Futterrohr gedrückt. So drückt das Ausfahren des hydraulischen Kolbens 46 das Rad 48 in einen Kontakt mit der inneren Futterrohrwand. Da das Futterrohr 24 in dem Bohrloch WB zementiert und so an der Formation 20 befestigt worden ist, zwingt das fortgesetzte Ausfahren des Kolbens 46, nachdem das Pressrad 48 Kontakt mit der inneren Futterrohrwand aufgenommen hat, die Antriebsräder 42, 44 gegen die dem Pressrad gegenüber liegende Futterrohrwand.
Die zwei Antriebsräder jedes Drehwerkzeugs werden jeweils über einen Getriebezug wie etwa die Getriebe 45a und 45b von einem Servomotor 50 angetrieben. Das Primärgetriebe 45a ist mit der Motorabtriebswelle verbunden, um sich mit dieser zu drehen. Die Drehkraft wird über das Sekundärgetriebe 45b auf die Antriebsräder 42, 44 übertragen, wobei die Reibung zwischen den Antriebsrädern und der inneren Futterrohrwand das Seilarbeitswerkzeug 30 dazu bringt, sich zu drehen, wenn die Antriebsräder 42, 44 um die Innenwand des Futterrohrs 24 "kriechen". Diese Antriebswirkung geht sowohl von den oberen als auch von den unteren Drehwerkzeugen 34, 36 aus, um eine Drehung der gesamten Seilarbeitswerkzeuganordnung 30 innerhalb des Futterrohrs 24 um die Längsachse des Futterrohrs zu ermöglichen.
Das Antenneninstallationswerkzeug 38 enthält ein Mittel zum Identifizieren des Azimutwinkels des Datensensors 16 relativ zu dem Bohrloch WB in Form eines einer Kollimation unterworfenen Gammastrahlendetektors 32, der für den zweiten Schritt des Datensensorort-Identifikationsprozesses bereitsteht. Wie zuvor angegeben worden ist, ist der Kollimations-Gammastrahlendetektor 32 zum Erfas sen der Strahlungssignatur irgendeines Gegenstands, der sich in seiner Erfassungszone befindet, einsetzbar. Der Kollimations-Gammastrahlendetektor, der im Bergbau wohlbekannt ist, ist mit einem abschirmenden Material, das mit Ausnahme einer kleinen offenen Fläche an dem Detektorfenster um einen Thalliumaktivierten Natriumiodid-Kristall angeordnet ist, versehen. Die offene Fläche ist zur genauen Identifizierung des Datensensor-Azimutwinkels gekrümmt und schmal gehalten.
So ergibt eine Drehung des Seilarbeitswerkzeugs 30 in dem Futterrohr 24 um 360 Grad durch das Abtriebsdrehmoment des Motors 50 ein seitliches Strahlungsmuster in irgendeiner speziellen Tiefe, in der das Seilarbeitswerkzeug oder genauer der Kollimations-Gammastrahlendetektor positioniert ist. Durch das Positionieren des Gammastrahlendetektors in der Tiefe des Datensensors 16 enthält das Strahlungsmuster die Gammastrahlensignatur des Datensensors gegenüber einer gemessenen Basislinie. Die gemessene Basislinie ist auf die Stärke der erfassten Gammastrahlen entsprechend des jeweiligen örtlichen Formationshintergrunds bezogen. Die Zackenmarkierung eines jeden Datensensors 16 ergibt ein starkes Signal oberhalb dieser Basislinie und identifiziert den Azimutwinkel, unter dem sich der Datensensor befindet, wie in 5 gezeigt ist. In dieser Weise kann das Antenneninstallationswerkzeug 38 sehr genau auf den interessierenden Datensensor "gerichtet" werden.
Der weitere Betrieb des Werkzeugs 38 wird durch den Ablaufplan von 7 herausgestellt, der nun beschrieben wird. An diesem Punkt ist das Seilarbeitswerkzeug 30 in der richtigen Tiefe positioniert und im richtigen Azimutwinkel orientiert, wie im Block 800 in 7 angegeben ist, und zum Bohren oder anderweitigen Erzeugen einer seitlichen Öffnung 22 durch das Futterrohr 24 und die Zementschicht 26 in der Nähe des identifizierten Datensensors 16 korrekt angeordnet. Zu diesem Zweck verwendet die vorliegende Erfindung eine modifizierte Version des Formationsprobenahmewerkzeugs, das in dem US-Patent Nr. 5,692,565, das ebenfalls an den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist, beschrieben ist. Das '565-Patent ist hier in seiner Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt.
Futterrohrperforation und Antenneninstallation
6 zeigt eine Ausführungsform eines Perforationswerkzeugs 38 zum Erzeugen der seitlichen Öffnung in dem Futterrohr 24 und Installieren einer Antenne darin. Das Werkzeug 38 ist innerhalb des Seilarbeitswerkzeugs 30 zwischen den oberen und unteren Drehwerkzeugen 34, 36 positioniert und enthält einen zylindrischen Körper 217, der ein inneres Gehäuse 214 und zugeordnete Komponenten umschließt. Um das Werkzeugdichtungsstück 217b gegen die Innenwand des Futterrohrs 24 zu drücken, eine druckfeste Abdichtung zwischen dem Antenneninstallationswerkzeug 38 und dem Futterrohr 24 zu bilden und das Werkzeug 30 zu stabilisieren, wie im Block 801 in 7 angegeben ist, werden in herkömmlicher Weise Ankerkolben 215 hydraulisch betätigt.
3 zeigt schematisch eine Alternative zu dem Dichtungsstück 217b in Form einer hydraulischen Dichtungsstückanordnung 41, die an einer Stützplatte, die durch Hydrokolben in einen dichten Eingriff mit dem Futterrohr 24 bewegt werden kann, ein Dichtungskissen aufweist. Fachleuten ist klar, dass andere, gleichwertige Mittel zum Schaffen einer Abdichtung zwischen dem Antenneninstallationswerkzeug 38 und dem Futterrohr in der Umgebung des zu perforierenden Bereichs ebenso geeignet sind.
Wie wiederum in 6 gezeigt ist, wird das innere Gehäuse 214 zur Verschiebung innerhalb des Körpers 217 längs der Achse des Körpers durch einen Gehäuseverschiebekolben 216 geführt, wie weiter unten noch näher beschrieben wird. Das Gehäuse 214 enthält drei Untersysteme: Mittel zum Perforieren des Futterrohrs, Mittel zum Prüfen der Druckdichtung an dem Futterrohr und Mittel zum Installieren der Antenne in der Perforation. Die Verschiebung des inneren Gehäuses 214 mittels des Verschiebekolbens 216 positioniert die Komponenten jedes der drei Untersysteme des inneren Gehäuses über der angedichteten Futterrohrperforation.
Das erste Untersystem des inneren Gehäuses 214 enthält eine flexible Welle 218, die durch zusammenpassende Führungsplatten 242, wovon eine in 6A gezeigt ist, befördert wird. Eine Bohrkrone 219 wird von einem Antriebsmotor 220, der durch eine Motorklammer 221 gehalten wird, mittels der flexiblen Welle 218 angetrieben. Die Motorklammer 221 ist mittels einer Gewindewelle 223, die mit einer mit der Motorklammer 221 verbundenen Mutter 221a in Eingriff ist, an dem Verschiebemotor 222 befestigt. Somit dreht der Verschiebemotor 222 die Gewindewelle 223, um den Antriebsmotor 220 in Bezug auf das innere Gehäuse 214 und das Futterrohr 24 nach oben und nach unten zu verschieben. Die Abwärtsbewegung des Antriebsmotors 220 übt eine Abwärtskraft auf die flexible Welle 218 aus, wodurch die Geschwindigkeit, mit der der Bohrer 219 das Futterrohr 24 durchdringt, ansteigt. Ein in den Führungsplatten 242 gebildeter J-förmiger Kanal 243 wandelt die auf die Welle 218 ausgeübte Abwärtskraft in eine Seitenkraft an dem Bohrer 219 um und verhindert außerdem, dass sich die Welle 218 unter der Schublast, die sie auf den Bohrer ausübt, knickt. Wenn der Bohrer das Futterrohr durchdringt, stellt er eine saubere, gleichmäßige Perforation her, die weitaus vorteilhafter ist als jene, die mit Hohlladungen erhalten werden. Der Bohrvorgang ist durch den Block 802 in 7 wiedergegeben. Nach dem Bohren der Futterrohrperforation wird der Bohrer 219 durch Umkehr der Richtung des Verschiebemotors 222 herausgezogen.
Das zweite Untersystem des inneren Gehäuses 214 bezieht sich auf das Prüfen der Druckdichtung an dem Futterrohr. Zu diesem Zweck wird der Gehäuseverschiebekolben 216 von der Oberflächensteuervorrichtung über Schaltkreise, die durch das Kabel 31 führen, mit Energie versorgt, um das innere Gehäuse 214 nach oben zu verschieben und somit das Dichtungsstück 217c um die Öffnung in dem Gehäuse 217 zu schieben. Danach wird der Dichtungsstücksetzkolben 224b betätigt, um das Dichtungsstück 217c gegen die Innenwand des Gehäuses 217 zu drücken und einen abgedichteten Durchgang zwischen der Futterrohrperforation und der Strömungsleitung 224 zu bilden, wie im Block 803 angegeben ist. Der Formationsdruck kann dann in herkömmlicher Weise gemessen werden und, falls erwünscht, eine Fluidprobe gewonnnen werden, wie im Block 804 angegeben ist. Sobald die richtigen Messwerte und Proben genommen worden sind, wird der Kolben 224b zurückgefahren, um das Dichtungsstück 217c zurückzuziehen, wie im Block 805 angegeben ist.
8 zeigt ein alternatives Mittel zum Bohren einer Perforation in das Futterrohr, das ein rechtwinkliges Getriebe 330, das das von der mit Gelenken versehenen Antriebswelle 332 gelieferte Drehmoment in ein Drehmoment an dem Bohrer 331 umwandelt. Durch einen (nicht gezeigten) Hydrokolben, der durch Fluid, das über die Fließleitung 333 geliefert wird, angetrieben wird, wird ein Schub auf den Bohrer 331 bewirkt. Der Hydrokolben wird in herkömmlicher Weise betätigt, um über ein Stützelement 334, das so beschaffen ist, dass es sich in einem Kanal 335 gleitend verschiebt, ein Schaltgetriebe 330 in Richtung des Bohrers 331 zu bewegen. Sobald die Futterrohrperforation vollendet ist, werden das Schaltgetriebe 330 und der Bohrer 331 unter Verwendung des Hydrokolbens aus der Perforation herausgezogen.
Der Gehäuseverschiebekolben 216 wird dann betätigt, um das innere Gehäuse 214 nach oben zu schieben und im Weiteren das Antennenmagazin 226 an Ort und Stelle über der Futterrohrperforation auszurichten, wie im Block 806 angegeben ist. Der Antennensetzkolben 225 wird danach betätigt, um eine Antenne 28 aus dem Magazin 226 in die Futterrohrperforation zu drücken. Die Abfolge des Anbringens der Antenne ist in den 9A–9C und 10 näher gezeigt.
Wie zunächst in den 9A–9C gezeigt ist, enthält die Antenne 28 zwei sekundäre Komponenten, die für einen vollständigen Einbau in der Futterrohrperforation vorgesehen sind: eine rohrförmige Buchse 176 und ein sich verjüngender Körper 177. Die rohrförmige Buchse 176 ist aus einem elastomeren Material gebildet, das so beschaffen ist, dass es der rauen Umgebung in einem Bohrloch widersteht, und weist eine zylindrische Öffnung in ihrem hinteren Ende und eine konische zulaufende Öffnung mit einem kleinen Durchmesser in ihrem vorderen Ende auf. Die rohrförmige Buchse ist außerdem mit einer hinteren Lippe 178, die das Ausmaß des Verfahrens der Antenne in die Futterrohrperforation begrenzt, und mit einer Zwischenrippe 179 zwischen gerillten Bereichen zur Unterstützung beim Schaffen einer druckfesten Abdichtung an der Perforation versehen.
10 zeigt einen detaillierten Abschnitt der Antennenanbringeinheit in der Nähe des Antennenmagazins 226. Der Setzkolben 225 umfasst einen äußeren Kolben 171 und einen inneren Kolben 180. Das Anbringen der Antenne in der Futterrohrperforation ist ein zweistufiger Prozess. Während des Anbringprozesses werden anfänglich beide Kolben 171, 180 betätigt, um eine Antenne 28 durch den Hohlraum 181 hindurch zu schieben und in die Futterrohrperforation zu drücken. Dieser Vorgang bewirkt, dass sowohl der verjüngte Antennenkörper 177, der bereits teilweise in die Öffnung am hinteren Ende der rohrförmigen Buchse 176 innerhalb des Magazins 226 eingeführt ist, als auch die rohrförmige Buchse 176 in Richtung der Futterrohrperforation 22 geschoben werden, wie in 9A gezeigt ist. Wenn die hintere Lippe 178 mit der Innenwand des Futterrohrs 24 in Eingriff gelangt, wie in 9B gezeigt ist, stoppt der äußere Kolben 171, jedoch bewirkt das fortgesetzte Beaufschlagen der Kolbenanordnung mit hydraulischem Druck, dass der innere Kolben 180 die Kraft einer Federanordnung 182 überwindet und sich durch die zylindrische Öffnung am hinteren Ende der rohrförmigen Buchse 176 vorwärts bewegt. In dieser Weise ist der verjüngte Körper 177 vollständig in die rohrförmige Buchse 176 eingeführt, wie in 9C gezeigt ist.
Der verjüngte Antennenkörper 177 ist mit einem lang gestreckten Antennenstift 177a, einer sich verjüngenden Isolierbüchse 177b und einer äußeren Isolationsschicht 177c versehen, wie in 9C gezeigt ist. Der Antennenstift 177a erstreckt sich mit beiden Enden über die Weite der Futterrohrperforation 22 hinaus, um Datensignale von dem Datensensor 16 zu empfangen und die Signale an einen in dem Bohrloch befindlichen Datenempfänger zu übermitteln, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Die Isolierbüchse 177b ist in der Nähe des vorderen Endes des Antennenstifts verjüngt, um einen keilartigen Presssitz in der konisch zulaufenden Öffnung in dem vorderen Ende der rohrförmigen Buchse 176 zu bilden, wodurch für eine druckfeste Abdichtung an der Antenne/Perforations-Grenzfläche gesorgt ist.
Das in 10 gezeigte Magazin 226 bewahrt mehrere Antennen 28 auf und führt die Antennen während des Installationsvorgangs zu. Nach dem Installieren einer Antenne 28 in einer Futterrohrperforation wird die Kolbenanordnung 225 vollständig zurückgefahren und durch die Feder 186 einer Ausstoßvorrichtung 183 eine weitere Antenne nach oben gedrückt. In dieser Weise können mehrere Antennen in dem Futterrohr 24 installiert werden.
In 9D ist eine alternative Antennenstruktur gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der Antennenstift 312 ständig in der Isolierbüchse 314 eingesetzt, die ihrerseits ständig in einem Einschiebekonus 316 eingesetzt ist. Die Isolierbüchse 314 besitzt eine zylindrische Form, während der Einschiebekonus 316 eine konische Außenfläche mit einer darin ausgebildeten zylindrischen Bohrung aufweist, die zur Aufnahme des Außendurchmessers der Büchse 314 bemessen ist. Eine Einschiebebüchse 318 weist eine konische Innenbohrung auf, die so bemessen ist, dass sie die konische Außenfläche des Einschiebkonus 316 aufnimmt, während die Außenfläche der Büchse 318 leicht verjüngt ist, um ihre Einführung in die Futterrohrperforation 22 zu erleichtern. Durch Ausüben entgegen gerichteter Kräfte auf den Konus 316 und die Büchse 318 wird zur Abdichtung der Antennenanordnung 310 in der Perforation 22 ein metallischer (Metall auf Metall) Presssitz erreicht. Das Aufbringen von Kraft über entgegen gerichtete hydraulisch betätigte Kolben in Richtung der in 9D gezeigten Pfeile zwingt die Außenfläche der Büchse 318 dazu, sich aufzuweiten, und die Innenfläche des Konus 316 dazu, sich zusammenzuziehen, was zu einer metallischen Dichtung an der Perforation oder der Öffnung 22 für die Antennenanordnung führt.
Die Unversehrtheit der installierten Antenne, ob diese nun in der Konfiguration in den 9A–9C, in der Konfiguration in 9D oder in einer ande ren Konfiguration, an die die vorliegende Erfindung gleichfalls anpassbar ist, vorliegt, kann wiederum durch Verschieben des inneren Gehäuses 214 mit dem Verschiebkolben 216, um dadurch das Messdichtungsstück 217c über die seitliche Öffnung in dem Gehäuse 217 zu bewegen, und erneutes Ansetzen des Dichtungsstücks mit dem Kolben 224b, wie im Block 808 in 7 angegeben ist, geprüft werden. Der Druck über die Strömungsleitung 224 kann dann, wie im Block 809 angegeben ist, nach Leckagen überwacht werden, indem ein Herunterziehkolben oder dergleichen verwendet wird, um den Strömungsleitungsdruck zu reduzieren. Falls ein Herunterziehkolben verwendet wird, wird durch das Ansteigen des Strömungsleitungsdrucks über den Herabziehdruck, nachdem der Herabziehkolben deaktiviert worden ist, ein Leck angezeigt. Sobald die Druckprüfung abgeschlossen ist, werden die Ankerkolben 215 zurückgefahren, um das Werkzeug 38 und das Seilarbeitswerkzeug 30 von der Futterrohrwand freizugeben, wie im Block 810 angegeben ist. An diesem Punkt kann das Werkzeug 30 zur Installation weiterer Antennen erneut in dem Futterrohr positioniert werden oder aus dem Bohrloch entfernt werden.
Datenempfänger
Nachdem die Antenne 28 installiert und korrekt an Ort und Stelle abgedichtet worden ist, wird zur Kommunikation mit einem Datensensor 16 über eine Antenne 28 ein den Datenempfänger 60 enthaltendes Seilarbeitswerkzeug in das verrohrte Bohrloch eingeführt. Der Datenempfänger 60 enthält eine Sende- und Empfangsschaltungsanordnung zum Senden von Befehlssignalen über eine Antenne 28 an einen intelligenten Datensensor 16 und zum Empfangen von Formationsdatensignalen über die Antenne von dem intelligenten Sensor.
Wie in 11 gezeigt ist, erfolgt die Kommunikation zwischen dem Datenempfänger 60 innerhalb des Futterrohrs 24 und dem außerhalb des Futterrohrs befindlichen Datensensor 16 in einer bevorzugten Ausführungsform speziell über zwei kleine Schleifenantennen 14a und 14b. Die Antennen sind in einer Antennenanordnung 28 eingebettet, die von dem Antenneninstallationswerkzeug 38 in der Öffnung 22 angebracht wurde. Die erste Antennenschleife 14a ist parallel zur Futterrohrachse angeordnet, während die zweite Antennenschleife 14b senkrecht zur Futterrohrachse angeordnet ist. Folglich spricht die erste Antenne 14a auf magnetische Felder an, die zur Futterrohrachse senkrecht sind, während die zweite Antenne 14b auf magnetische Felder anspricht, die zur Futterrohrachse parallel sind.
Der Datensensor 16, der auch als smarte Patrone (smart bullet) bekannt ist, enthält in einer bevorzugten Ausführungsform zwei ähnliche Schleifenantennen 15a und 15b. Die Schleifenantennen besitzen dieselbe Orientierung zueinander wie die Schleifenantennen 14a und 14b. Jedoch sind die Schleifenantennen 15a und 15b in Reihe geschaltet, wie in 11 angegeben ist, so dass die Kombination dieser zwei Antennen auf beide Richtungen der von den Schleifenantennen 14a und 14b abgestrahlten Magnetfelder anspricht.
Der Datenempfänger in dem Werkzeug innerhalb des Futterrohrs verwendet einen Mikrowellenresonator oder Mikrowellenhohlraum 62 mit einem Fenster 64, das für eine enge Positionierung gegen die Innenfläche der Futterrohrwand 24 geeignet ist. Der Krümmungsradius des Hohlraums entspricht dem Innenradius des Futterrohrs oder kommt diesem sehr nahe, so dass ein großer Teil der Fensterfläche mit der Futterrohrinnenwand in Kontakt ist. Das Futterrohr verschließt den Mikrowellenhohlraum 62 wirksam, mit Ausnahme der gebohrten Öffnung 22, gegen die die Vorderseite des Fensters 64 positioniert ist. Diese Positionierung kann durch die Verwendung von Komponenten erreicht werden, die den oben im Hinblick auf das Seilarbeitswerkzeug 30 beschriebenen Komponenten wie etwa den Drehwerkzeugen, dem Gammastrahlendetektor und den Ankerkolben gleichen. (Eine weitere Beschreibung dieser Datenempfängerpositionierung entfällt an dieser Stelle.) Durch die Ausrichtung des Fensters 64 auf die Perforation 22 kann Energie wie etwa Mikrowellenenergie über die Antenne durch die Öffnung in dem Futterrohr hindurch in beiden Richtungen abgestrahlt werden, wodurch ein Mittel für eine Zweiwegekommunikation zwischen dem abfühlenden Mikrowellenresonator 62 und den Datensensorantennen 15a und 15b bereitgestellt ist.
Die Kommunikation von dem Mikrowellenresonator erfolgt mit einer Frequenz F, die einem spezifischen Resonanz-Wellentyp entspricht, während die Kommunikation von dem Datensensor mit der zweifachen Frequenz oder 2F erfolgt. Die Abmessungen des Hohlraums sind so gewählt, dass er eine Resonanzfrequenz besitzt, die nahe bei 2F liegt. In 11 sind relevante elektrische Felder 66, 68 und magnetische Felder 70, 72 gezeigt, die die Hohlraumfeldmuster verdeutlichen sollen. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der zylindrische Hohlraum 62 einen Radius von 5 cm und eine vertikale Weite von etwa 30 cm. Zur Darstellung eines physischen Ortes innerhalb des Hohlraums wird ein Zylinder koordinatensystem (z, ρ, ϕ) verwendet. Das elektromagnetische (EM) Feld, das in dem Hohlraum erregt wird, enthält ein elektrisches Feld mit den Komponenten Ez, Eρ und Eϕ und ein magnetisches Feld mit den Komponenten Hz, Hρ und Hϕ.
In der Sendebetriebsart wird der Hohlraum 62 durch Mikrowellenenergie angeregt, die von einem Senderoszillator 74 und einem Leistungsverstärker 76 über eine Verbindung 78, eine Koaxialleitung, die mit einem kleinen elektrischen Dipol, der sich an der Oberseite des Hohlraums 62 des Datenempfängers 60 befindet, verbunden ist, zugeführt wird.
In der Empfangsbetriebsart wird die in dem Hohlraum 62 mit einer Frequenz 2F erregte Mikrowellenenergie von dem vertikalen Magnetdipol 80, der mit einem auf 2F abgestimmten Empfängerverstärker 82 verbunden ist, erfasst.
Die Tatsache, dass Mikrowellenresonatoren zwei grundlegende Resonanz-Wellentypen besitzen, ist wohlbekannt. Der erste Wellentyp wird als quer und magnetisch oder "TM" (transverse magnetic) (Hz = 0) bezeichnet, während der zweite Wellentyp als quer und elektrisch oder "TE" (transverse electric) (Ez = 0) bezeichnet wird. Diese zwei Wellentypen sind deshalb orthogonal und können nicht nur durch Frequenztrennung, sondern auch durch die physische Orientierung eines elektrischen oder magnetischen Dipols, der innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, um diesen zu erregen oder zu detektieren, unterschieden werden, ein Merkmal, das die vorliegende Erfindung verwendet, um mit einer Frequenz F erregte Signale von mit einer Frequenz 2F erregten Signalen zu trennen. Bei Resonanz zeigt der Resonator ein hohes Q (Dämpfungsverlusteffekt) an, wenn die Frequenz des EM-Feldes im Hohlraum nahe bei der Resonanzfrequenz liegt, und zeigt ein sehr niedriges Q an, wenn die Frequenz des EM-Feldes im Hohlraum von der Resonanzfrequenz des Hohlraums sehr verschieden ist, was zu einer zusätzlichen Verstärkung jedes Wellentyps und einer Trennung zwischen verschiedenen Wellentypen führt.
Die elektrischen (E) und magnetischen (H) Feldkomponenten der TM- und TE-Wellentypen lassen sich mathematisch durch die folgenden Ausdrücke angeben:

Für TM-Wellentypen:

Ez = λ_ni ²/R²J_n(λ_ni/Rρ)cos(nϕ)cos(mπz/L)
Eρ = –mΠλ_ni/LRJ_n'(λ_ni/Rρ)cos(nϕ)sin(mπz/L)
Eϕ = nmΠ/LρJ_ni(λ_ni/Rρ)sin(nϕ)sin(mπz/L)

Hz = 0
Hρ = jnk/ρ(ε/μ)^½J_n(λ_ni/Rρ)sin(nϕ)cos(mπz/L)
Hϕ = –jnkλ_ni/R(ε/μ)^½J_n'(λ_ni/Rρ)cos(nϕ)cos(mπz/L)

mit der Resonanzfrequenz F_TMnim = c/2((λ_ni/πR)² + (m/L)²)^½;

und für die TE-Wellentypen:

Ez = 0
Eρ = –jnk/ρ(μ/ε)^½J_n(σ_ni/Rρ)sin(nϕ)sin(mπz/L)
Eϕ = jkσ_ni/R(μ/ε)^½J_n'(σ_ni/Rρ)cos(nϕ)sin(mπz/L)

Hz = σ_ni ²/R²J_n(σ_ni/Rρ)cos(nϕ)sin(mπz/L)
Hρ = mπσ_ni/LRJ_n'(σ_ni/Rρ)cos(nϕ)cos(mπz/L)
Hϕ = –nmπ/LρJ_n(σ_ni/Rρ)sin(nϕ)cos(mπz/L)

mit der Resonanzfrequenz F_TEnim = c/2((σ₁/πR)² + (m/L)²)^½;

wobei:
Q = Dämpfungskoeffizient;
n, m = ganze Zahlen, die die unendliche Reihe von Resonanzfrequenzen für azimutale (ϕ) und vertikale (z) Komponenten kennzeichnen;
i = Wurzelgrad der Gleichung;
c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum;
μ, ε = magnetische bzw. dielektrische Eigenschaft des Mediums im Hohlraum;
F = Frequenz;
ω = 2πF;
k = Wellenzahl = (ω²με + iωμσ)^½;
R, L = Radius bzw. Länge des Hohlraums;
J_n = Besselfunktion der Ordnung n;
J_n' = δJ_n/δρ;
λ_ni = Wurzel von J_n(λ_ni) = 0; und
σ_ni = Wurzel von J_n(σ_ni) = 0.
Die Abmessungen des Hohlraums (R und L) sind so gewählt, dass: FTEnim = c/2((σ1/ΠR)2 + (m/L)2)½ = 2FTMnim = c((λni/πR)2 + (m/L)2)½
Eine der Lösungen für F_TMnim besteht darin, den TM-Wellentyp entsprechend n = 0, i = 1, m = 0 und λ₀₁ = 2,40483, das dem TM-Wellentyp mit der niedrigsten Frequenz entspricht (das Absenken der Frequenz verringert den Hohlraumdämpfungsverlust), zu wählen. Diese Wahl ergibt die folgenden Ergebnisse:

Ez = λ₀₁ ²/R²J₀(λ₀₁/Rρ)
Eρ = 0
Eϕ = 0

Hz = 0
Hρ = 0
Hϕ = –jkλ₀₁/R(ε/μ)^½J₀'(λ₀₁/Rρ)

mit F_TM010 = c/2λ₀₁/πR.
Eine Lösung für F_TEnim besteht darin, den TE-Wellentyp entsprechend n = 2, i = 1, m = 1 und σ₂₁ = 3,0542 zu wählen. Diese Wahl ist zu der obigen TM010-Wellentyp-Wahl orthogonal und erzeugt eine Frequenz für den TE-Wellentyp, die dem Zweifachen der TM010-Frequenz entspricht. Die folgenden Ergebnisse werden durch diese TE-Wellentyp-Wahl erzielt:

Ez = 0
Eρ = –j2k/ρ(μ/ε)^½J₂(σ₂₁/Rρ)sin(2ϕ)sin(πz/L)
Eϕ = jkσ₂₁/R(μ/ε)^½J₂'(σ₂₁/Rρ)cos(2ϕ)sin(πz/L)

Hz = σ₂₁ ²/R²J₂(σ₂₁/Rρ)cos(2ϕ)sin(πz/L)
Hρ = Πσ₂₁/LRJ₂'(σ₂₁/Rρ)cos(2ϕ)cos(πz/L)
Hϕ = –2Π/LρJ₂(σ₂₁/Rρ)sin(2ϕ)cos(πz/L)

mit F_TE211 = c/2((σ₂₁/πR)² + (1/L)²)^½.
Der TM-Wellentyp kann entweder durch einen vertikalen elektrischen Dipol (Ez) oder einen horizontalen magnetischen Dipol (vertikale Schleife Hϕ) erregt werden, während der TE-Wellentyp durch einen vertikalen magnetischen Dipol (horizontale Schleife Hz) erregt werden kann.
In 12 sind 2F_TM010 und F_TE211 als Funktion der Hohlraumlänge L bei einem Hohlraumradius R = 5 cm aufgezeichnet. Für L ≌ 28 cm schwingt der TE-Wellentyp mit dem Zweifachen des TM-Wellentyps, wobei bei den gegebenen Hohlraumabmessungen die folgenden Resonanzfrequenzen ermittelt werden:
F_TM010 = 494 MHz und F_TEn211 = 988 MHz.
Fachleute, denen diese Offenbarung von Nutzen ist, erkennen, dass bei einer Änderung der Form, der Abmessungen und des Füllmaterials des Hohlraums die genauen Werte der Resonanzfrequenzen von den oben angegebenen verschieden sein können. Selbstverständlich sind die beiden zuvor beschriebenen Wellentypen nur eine mögliche Gruppe von Resonanz-Wellentypen, während es im Prinzip unendlich viele Gruppen gibt, aus denen eine gewählt werden kann. In jedem Fall geht der bevorzugte Frequenzbereich für diese Erfindung von 100 MHz bis 10 GHz. Selbstverständlich könnte der Frequenzbereich außerhalb dieses bevorzugten Bereichs liegen, ohne vom Leitgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es ist außerdem wohlbekannt, dass ein Hohlraum durch richtige Anordnung eines elektrischen Dipols, eines magnetischen Dipols, einer Blende oder Öffnung (d. h. eines isolierten Schlitzes in einer leitenden Oberfläche) oder einer Kombination von diesen in dem Hohlraum oder an der Außenfläche des Hohlraums erregt werden kann. Beispielsweise könnten die gekoppelten Schleifenantennen 14a und 14b durch elektrische Dipole oder durch eine einfache Öffnung ersetzt sein. Die Datensensor-Schleifenantennen könnten auch durch einen einzelnen elektrischen und/oder magnetischen Dipol und/oder eine einzelne Öffnung oder eine Kombination aus diesen ersetzt sein.
13 zeigt eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung, die ein Blockschaltbild der Datenempfängerelektronik umfasst. Wie oben festgestellt worden ist, arbeitet ein abstimmbarer Mikrowellenoszillator 74 mit einer Frequenz F, um den Mikrowellen-Leistungsverstärker 76, der mit dem elektrischen Dipol 78, der sich in der Nähe der Mitte einer Seite des Datenempfängers 60 befindet, anzusteuern. Der Dipol ist mit der z-Achse ausgerichtet, um eine maximale Kopplung mit der Ez-Komponente des Wellentyps TM010 (Gleichung (1)) weiter unten (Ez ist maximal, wenn ρ = 0)) zu bewirken.
Um zu bestimmen, ob die Oszillatorfrequenz F auf die TM010-Resonanzfrequenz des Hohlraums 62 abgestimmt ist, ist ein horizontaler magnetischer Dipol 88, eine kleine vertikale Schleife, die auf Hϕ_TM010 (Gleichung (2) unten) anspricht, über ein Koaxialkabel mit einem Schalter 81 und über den Schalter 81 mit einem Mikrowellenempfängerverstärker 90, der auf F abgestimmt ist, verbunden. Die Frequenz F wird mittels einer Rückkopplung 83 justiert, bis in dem abgestimmten Empfänger 90 ein maximales Signal empfangen wird. EzTM010 = λ01 2/R2J(λ01ρ/R) (1) HϕTM010 = –jkλ01/R(ε/μ)½J0'(λ01ρ/R) (2) F = cλ01/2πR (3) HzTE211 = σ21 2/R2J2(σ21ρ/R)sin(2ϕ)cos(πz/L) (4) 2F = c/2((σ21ρ/R)2 + (1/L)2)½ (5)
Um den Hohlraum auf die TE212-Wellentyp-Frequenz 2F abzustimmen, wird in einer Abstimmungsschaltung 84 durch Gleichrichten eines Signals mit der Frequenz F, das über den Schalter 85 von dem Oszillator 84 kommt, mittels einer Diode, die der im Zusammenhang mit dem Datensensor 16 verwendeten Diode 19 gleicht, ein 2F-Abstimmungssignal erzeugt. Der Ausgang der Abstimmeinrichtung 84 ist über ein Koaxialkabel mit dem vertikalen magnetischen Dipol 86, einer kleinen horizontalen Schleife, die auf Hz von TM211 (Gleichung (4) oben) anspricht, verbunden, um den TE211-Wellentyp mit der Frequenz 2F zu erregen. Ein ähnlicher horizontaler magnetischer Dipol 80, eine kleine horizontale Schleife, die ebenfalls auf Hz von TM211 (Gleichung (4)) anspricht, ist mit einer Mikrowellenempfängerschaltung 82, die auf 2F abgestimmt ist, verbunden. Der Ausgang des Empfängers 82 ist mit einer Motorsteuerung 92 verbunden, die einen Elektromotor 94 ansteuert, der einen Kolben 96 bewegt, um die Länge L des Hohlraums in der Weise, die bei abstimmbaren Mikrowellenresonatoren bekannt ist, zu verändern, bis ein maximales Signal empfangen wird und der Empfänger 82 abgestimmt ist. Fachleuten auf diesem Gebiet ist klar, dass eine einzelne Schleifenantenne die mit den beiden Schaltungen 82 und 84 verbundenen Schleifenantennen 80 und 86 ersetzen könnte.
Sobald sowohl die TM-Frequenz F als auch die TE-Frequenz 2F abgestimmt sind, kann unter der Voraussetzung, dass das Fenster 64 des Hohlraums 62 in Richtung des Datensensor 16 angeordnet ist und die Antenne 28, die die Schleifenantennen 14a und 14b oder andere gleichwertige Kommunikationsmittel enthält, korrekt in der Futterrohröffnung 22 installiert wurde, der Messzyklus beginnen. Eine maximale Kopplung kann für den TE211-Wellentyp erreicht werden, wenn der Datenempfänger 60 so positioniert ist, dass die Antenne 28 etwa auf gleicher Höhe mit der vertikalen Mitte des Mikrowellenresonators 62 ist. Diesbezüglich sei angemerkt, dass Hϕ_TM010 von z unabhängig ist, jedoch Hz_TE211 für z = L/2 maximal ist.
Formationsdatenmessung- und -erfassung
Der Formationsdatenmessungs- und -erfassungsablauf wird durch Zufuhr von Mikrowellenenergie in den Hohlraum 62 unter Verwendung eines Oszillators 74, eines Leistungsverstärkers 76 und eines elektrischen Dipols 78 ausgelöst. Die Mikrowellenenergie wird in die Schleifenantennen 15a und 15b des Datensensors oder der smarten Patrone über die Koppel-Schleifenantennen 14a und 14b in der Antennenanordnung 28 eingekoppelt. In dieser Weise wird die Mikrowellenenergie mit der Frequenz F, die durch die Oszillatorfrequenz bestimmt ist und in dem Zeitdiagramm von 15 bei 120 gezeigt ist, vom Futterrohr nach außen abgestrahlt. Die Frequenz F kann, wie oben beschrieben worden ist, in dem Bereich von 100 MHz bis 10 GHz gewählt sein.
Wie wiederum in 13 gezeigt ist, strahlen die Empfänger-Schleifenantennen 15a und 15b, die sich in der smarten Patrone befinden, eine elektromagnetische Welle mit 2F oder der zweifachen Ausgangsfrequenz zurück, wie bei 121 in 15 angegeben ist, sobald die smarte Patrone 16 durch die übertragene Mikrowellenenergie gespeist wird. Eine Diode 18 mit niedriger Schwelle ist zu den Schleifenantennen 15a, 15b parallel geschaltet. Unter normalen Bedingungen und speziell im "Schlummer"-Modus ist der elektronische Schalter 17 geöffnet, um den Energieverbrauch zu minimieren. Wenn die Schleifenantennen 15a, 15b durch das übertragene elektromagnetische Mikrowellenfeld aktiviert werden, wird in diesen eine Spannung induziert, wodurch im Ergebnis Strom durch die Antennen fließt. Jedoch lässt die Diode 19 das Fließen von Strom lediglich in einer Richtung zu. Diese Nichtlinearität verhindert das Induzieren von Strom bei der Grundfrequenz F und erzeugt bei der Grundfrequenz 2F Strom. Während dieser Zeit wird der Mikrowellenresonator 62 auch als Empfänger verwendet, wobei er mit dem auf 2F abgestimmten Empfängerverstärker 82 verbunden ist.
Genauer ausgedrückt und wie nun in 14 gezeigt ist, wechselt der smarte Datensensor 16, wenn von der auf 2F abgestimmten Datensensor-Erfassungsschaltung 100 ein Signal erfasst wird, das einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, vom Schlummerzustand in einen aktiven Zustand. Seine Elektronik wird in die Erfassungs- und Sendebetriebsart geschaltet und der Controller 102 getriggert. Zu diesem Zeitpunkt werden auf den Befehl des Controllers 102 hin Druckinformationen, die von einer Druckmesseinrichtung 104 erfasst werden, oder andere durch geeignete Detektoren erfasste Informationen von der Analog-Digital-Umsetzer-(ADC)-Speicherschaltung 106 in digitale Informationen umgesetzt und gespeichert. Der Controller 102 triggert dann die Sendefolge durch Umsetzen der digitalen Informationen der Druckmesseinrichtung in ein serielles digitales Signal, das das Ein- und Ausschalten des Schalters 17 mittels einer Empfängerspule-Steuerschaltung 108 induziert.
Es sind verschiedene Verfahren für die Datenübertragung möglich. Zur Veranschaulichung ist in 15 ein Impulsbreitenmodulations-Übertragungsverfahren gezeigt. Ein Übertragungsablauf startet mit dem Senden eines Synchronisationsmusters durch das Ein- und Ausschalten des Schalters 17 während einer vorgegebenen Zeit Ts. Die Bits 1 und 0 entsprechen einem ähnlichen Muster, jedoch mit einem anderen "Ein/Aus"-Zeitablauf (T1 und T0). Das von dem Datensensor mit 2F zurück geworfene Signal wird nur gesendet, falls der Schalter 17 geöffnet ist. Im Ergebnis werden von dem digitalen Decodierer 110 in der in 13 gezeigten Werkzeugelektronik einige eindeutige Muster empfangen und decodiert. Diese Muster sind unter den Bezugszeichen 122, 123 und 124 in 15 gezeigt. Das Muster 122 wird als Synchronisationsbefehl interpretiert, 123 als Bit 1 und 124 als Bit 0.
Nachdem die Informationen von der Druckmesseinrichtung oder andere Informationen erfasst und in der Datenempfängerelektronik gespeichert worden sind, wird der Werkzeug-Leistungssender abgeschaltet. Der Ziel-Datensensor wird nicht mehr gespeist und in seinen "Schlummer"-Modus zurück versetzt, bis von dem Datenempfängerwerkzeug die nächste Erfassung ausgelöst wird. Eine kleine Batterie 112, die sich in dem Datensensor befindet, speist die zugehörige Elektronik während der Erfassung und Übertragung.
Fachleuten ist klar, dass, sobald Ferndatensensoren wie etwa die hier beschriebene bevorzugte "smarte Patrone"-Ausführungsform in der Bohrlochformation entfaltet worden sind und durch Messungen wie etwa Druckmessungen während des Bohrens in einem offenen Bohrloch Datenerfassungsfähigkeiten entwickelt haben, die Verwendung der Datensensoren fortgesetzt werden sollte, nachdem ein Futterrohr in dem Bohrloch installiert worden ist. Die hier offenbarte Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kommunikation mit den Datensensoren hinter dem Futterrohr, was eine Verwendung solcher Datensensoren für ein fortgesetztes Überwachen von Formationsparametern wie etwa des Drucks, der Temperatur und der Durchlässigkeit während des Erzeugens des Bohrlochs zulässt.
Fachleuten ist ferner klar, dass die häufigste Verwendung der vorliegenden Erfindung wohl in 8½-Zoll-Bohrlöchern in Verbindung mit 6¾-Zoll-Schwerstangen vorkommt. Zur Optimierung und zum sicheren Erfolg der Entfaltung von Datensensoren 16 müssen mehrere zusammenhängende Parameter modelliert und bewertet werden. Diese umfassen: Formationsdurchdringungswiderstand als Funktion der geforderten Formationseindringtiefe, Entfaltungs-"Kanonen"-System-Parameter und -Anforderungen als Funktion des verfügbaren Raums in der Schwerstange, Geschwindigkeit des (smarten) Datensensors als Funktion der Stoßverlangsamung und dergleichen.
Bei Bohrlöchern, die größer als 8½ Zoll sind, sind die geometrischen Anforderungen weniger streng. In dem Entfaltungssystem können insbesondere in geringen Tiefen, in denen der Durchdringungswiderstand der Formation kleiner ist, größere Datensensoren verwendet werden. Somit kommt bei Bohrlöchern über 8½ Zoll in Betracht, dass die Datensensoren: größer ausgelegt sind, mehr elektrische Merkmale vereinigen, für eine Kommunikation über eine größere Entfernung von dem Bohrloch geeignet sind, mehrfache Messungen wie etwa des spezifischen elektrischen Widerstands durchführen, als Sonde für die magnetische Kernresonanz dienen oder Beschleunigungsmesserfunktionen versehen können und als Datenübermittlungsstationen für Sensoren, die sich noch weiter von dem Bohrloch entfernt befinden, dienen können.
Jedoch besteht die Auffassung, dass eine künftige Entwicklung von miniaturisierten Komponenten solche mit der Bohrlochgröße zusammenhängenden Einschränkungen wahrscheinlich verringert oder beseitigt.
Angesichts des oben Beschriebenen ist deutlich geworden, dass die vorliegende Erfindung gut geeignet ist, alle oben dargelegten Aufgaben zusammen mit Aufgaben, die der hier offenbarten Vorrichtung zu Eigen sind, zu erfüllen.
Wie Fachleuten klar ist, kann die vorliegende Erfindung ohne weiteres in anderen spezifischen Formen geschaffen werden, ohne von deren Leitgedanken oder wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die vorliegende Ausführungsform ist deshalb lediglich als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Der Umfang der Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche, jedoch nicht durch die obige Beschreibung gekennzeichnet, so dass sämtliche Änderungen, die im Umfang der Ansprüche liegen, deshalb als darin umfasst anzusehen sind.

Claims

Verfahren zur Kommunikation, nachdem in einem Bohrloch ein Futterrohr (24) installiert worden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Fernentfalten eines Datensensors vor der Installation des Futterrohrs (24) in einer von dem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Formation (20), Installieren einer Antenne (28) in der Futterrohrwand (24); und Vorsehen eines Datenempfängers (60) in dem verrohrten Bohrloch (WB), wobei der Datenempfänger (60) für eine drahtlose Kommunikation mit dem Datensensor (16) über die Antenne (28) und für den Empfang von von dem Datensensor (16) gesendeten Formationsdatensignalen geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Identifizieren des Ortes des Datensensors (16) in der unterirdischen Formation (20); und Erzeugen einer Öffnung (22) in der Futterrohrwand (24) in der Nähe des Ortes des Datensensors (16).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Datensensor (16) mit Mitteln (21) zum Senden eines Signatursignals ausgerüstet ist und der Ort des Datensensors (16) durch Erfassen des Signatursignals identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Datensensor (16) mit einer Gammastrahlen-Zackenmarkierung (gamma-ray pip-tag) (21) zum Senden eines Zackenmarkierungs-Signatursignals ausgerüstet ist und der Schritt des Identifizierens des Ortes des Datensensors (16) die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen der Tiefe des Datensensors (16) unter Verwendung von Gammastrahlenprotokollen für offene Löcher und des Zackenmarkierungs-Signatursignals des Datensensors (16); und Bestimmen des Azimutwinkels des Datensensors (16) relativ zu dem Bohrloch unter Verwendung eines Gammastrahlendetektors (32) und des Zackenmarkierungs-Signatursignals.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Azimutwinkel des Datensensors (16) unter Verwendung eines einer Kollimation unterworfenen Gammastrahlendetektors (32) bestimmt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei dem die Antenne (28) in der Öffnung (22) in dem Futterrohr unter Verwendung eines Seilarbeitwerkzeugs (30) installiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Datenempfänger (60) einen Mikrowellenresonator (62) enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Identifizierens des Ortes des Datensensors (16) die Schritte des Identifizierens der Tiefe und des Azimutwinkels des Datensensors (16) relativ zu dem Bohrloch (WB) umfasst.
Anordnung zur Kommunikation, nachdem ein Futterrohr (24) installiert worden ist, die umfasst: einen fernentfalteten Datensensor (16), der vor der Installation des Futterrohrs (24) in einer von dem Bohrloch durchdrungenen unterirdischen Formation (20) fernentfaltet worden ist, eine Antenne (28), die in einer in der Wand des in dem Bohrloch installierten Futterrohrs (24) ausgebildeten Öffnung (22) installiert werden kann; und einen Datenempfänger (22), der in das verrohrte Bohrloch (WB) eingeführt werden kann und ferner für eine drahtlose Kommunikation mit dem fernentfalteten Datensensor (16) über die Antenne (28) und für den Empfang von von dem Datensensor (16) gesendeten Formationsdatensignalen geeignet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, die ferner umfasst: Mittel (32), die den Ort des Datensensors (16) in der unterirdischen Formation (20) identifizieren; Mittel (38), die eine Öffnung (22) in der Futterrohrwand (24) in der Nähe des Ortes des Datensensors (16) erzeugen; und Mittel (38), die die Antenne (28) in der Futterrohrwandöffnung (22) installieren.
Anordnung nach Anspruch 9, die ferner umfasst: Mittel (32), die den Ort des Datensensors (16) in der Formation (20) identifizieren; Mittel (38), die eine Perforation in dem Futterrohr in der Nähe des identifizierten Ortes des Datensensors (16) erzeugen; und Mittel (225), die die Antenne (28) in die Perforation (22) im Futterrohr (24) einführen.
Anordnung nach Anspruch 11, die ferner ein Gehäuse (214) umfasst, das sich durch das verrohrte Bohrloch (WB) bewegen kann und in dem die Ortsidentifizierungsmittel (32), die Perforationserzeugungsmittel (38), die Antenne (28) und die Antenneneinführungsmittel (225) gehalten werden.
Anordnung nach Anspruch 12, bei der das Gehäuse (214) an einer Seilarbeit (31) aufgehängt ist, die das Gehäuse (214) in dem Bohrloch (WB) anheben und absenken kann.
Anordnung nach Anspruch 11, bei der der Datensensor (16) ein bestimmtes Strahlungssignal aussendet und die Ortsidentifizierungsmittel (32) umfassen: Strahlungsprotokolle für offene Löcher, die die Tiefe des Datensensors (16) bestimmen; und einen Strahlungsdetektor (32), der den Azimutwinkel des Datensensors (16) relativ zu dem Bohrloch (WB) bestimmt.
Anordnung nach Anspruch 12, bei dem das Gehäuse (214) eine seitliche Öffnung aufweist und die Vorrichtung ferner Mittel (34, 36) zum Drehen des Gehäuses (214) relativ zu dem verrohrten Bohrloch (WB) umfasst, um die Öffnung in dem Gehäuse (214) im Wesentlichen auf den Azimutwinkel des Datensensors (16) auszurichten.
Anordnung nach Anspruch 15, bei der die Perforationserzeugungsmittel (38) umfassen: Mittel (215) zum Befestigen des Gehäuses an einem festen Ort in dem verrohrten Bohrloch (WB); ein Bohrmittel (218, 219), das in dem Gehäuse (214) getragen wird, um in dem Gehäuse (24) des Bohrlochs (WB) eine Perforation zu erzeugen; und Mittel (220), die in dem Gehäuse (214) getragen werden, um das Bohrmittel (215) zu betätigen.
Anordnung nach Anspruch 16, bei der das Bohrmittel (218, 219) umfasst: eine Bohrkrone (219), die das Futterrohr (24) perforieren kann; Mittel (218, 220), die die Bohrkrone (219) relativ zu dem Futterrohr (24) drehen, um darin die Perforation zu erzeugen; und Mittel (242), die mit dem Gehäuse verbunden sind, um die Bohrkrone (219) mit einer Kraft quer zum Bohrloch (WB) zu beaufschlagen, um so die Bohrkrone (219) durch das Futterrohr (24) zu treiben, wenn sie durch die Drehmittel (218, 220) gedreht wird.
Anordnung nach Anspruch 12, bei der die Antenneneinführungsmittel (225) umfassen: Mittel (226), die im Gehäuse (214) getragen werden, um mehrere Anten nen (28) aufzubewahren, die für die Kommunikation mit dem Datensensor (16) geeignet sind; Mittel (183, 186), die eine Antenne (28) an eine Position bewegen, um sie in die Perforation einführen zu können; und Mittel (171, 180, 181, 182), die die eine Antenne (28) durch die Öffnung in dem Gehäuse (214) in die Perforation in dem Futterrohr (24) drängen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Identifizieren des Ortes des Datensensors (16) in der unterirdischen Formation (20); Erzeugen einer Öffnung (22) in der Futterrohrwand (24), um die Antenne (28) darin in der Nähe des Ortes des Datensensors (16) zu installieren; elektronisches Aktivieren des Datensensors (16), wodurch die Erfassungsmittel des Datensensors (16) dazu veranlasst werden, ausgewählte Formationsparameter zu erfassen, und der Datensensor dazu veranlasst wird, die Datensignale, die die erfassten Formationsparameter repräsentieren, zu senden; und Empfangen der von dem Datensensor (16) gesendeten Datensignale mit dem Datenempfänger (60).
Anordnung nach Anspruch 10, bei der der Datensensor (16) mit Mitteln (21) zum Senden eines Signatursignals, das von den Ortsidentifizierungsmitteln (32) genutzt wird, ausgerüstet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, bei der der Datensensor (16) mit einer Gammastrahlen-Zackenmarkierung (gamma-ray pip-tag) (21) ausgerüstet ist, um ein Zackenmarkierungs-Signatursignal zu senden, und die Ortsidentifizierungsmittel (32) umfassen: ein Gammastrahlenprotokoll für offene Löcher zum Bestimmen der Tiefe des Datensensors (16); und einen Gammastrahlendetektor (32), der den Azimutwinkel des Datensensors (16) relativ zu dem Bohrloch (WB) bestimmt.
Anordnung nach Anspruch 21, bei der der Gammastrahlendetektor (32) ein einer Kollimation unterworfener Gammastrahlendetektor (32) ist.
Anordnung nach Anspruch 10, bei der die Antenneninstallationsmittel (38) in einem Seilarbeitwerkzeug (30) enthalten sind.
Anordnung nach Anspruch 23, bei der das Seilarbeitwerkzeug (30) umfasst: Mittel (32) zum Identifizieren des Azimutwinkels des Datensensors (16) relativ zu dem Bohrloch; Mittel (34, 36) zum Drehen des Seilarbeitwerkzeugs zu dem identifizierten Azimutwinkel; Mittel (38) zum Erzeugen einer Öffnung (22) durch das Futterrohr und durch den Zement bei dem identifizierten Azimutwinkel; und Mittel (38) zum Installieren der Antenne (28) in der Öffnung (22) im Futterrohr (24).
Anordnung nach Anspruch 10, bei der der Datenempfänger (60) in dem verrohrten Bohrloch (WB) in der Nähe der Antenne (28) positioniert werden kann, um mit dem Datensensor (16) über die Antenne (28) zu kommunizieren, um die von dem Datensensor (16) gesendeten Formationsdatensignale zu empfangen.