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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf das Bohren tiefer Bohrlöcher wie
etwa für
die Produktion von Erdölprodukten
und betrifft insbesondere die Erfassung von Druckdaten unterirdischer
Formationen, während
die Bohroperationen im Gang sind.
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Beschreibung des verwandten
Stands der Technik:
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Das
heutige Ölbohren
beruht stark auf der ununterbrochenen Überwachung verschiedener Bohrlochparameter.
Eine der wichtigsten Eingaben, die benötigt werden, um ein sicheres
Bohren sicherzustellen, ist der Formationsdruck. Derzeit wird während des
Bohrens keine Formationsdruckmessung ausgeführt; es wird lediglich der
Kreisringdruck gemessen. Momentan sind verschiedene Arten als "Formationstester" bekannter Drahtleitungswerkzeuge
im Gebrauch, die Drucksensoren mit unterirdischen Formationen verbinden,
durch die ein Bohrloch verläuft.
Der Betrieb dieser Formationstester erfordert ein "Auslösen", mit anderen Worten,
das Entfernen des Bohrstrangs aus dem Bohrloch, das Verlegen des
Formationstesters in das Bohrloch zum Erfassen der Formationsdaten
und möglicherweise
das Verlegen des Bohrstrangs zurück
in das Bohrloch zum weiteren Bohren nach Auslesen des Formationstesters.
Da das "Auslösen des
Bohrlochs" auf diese
Weise erhebliche Dauern an Bohrlochausrüstungszeit verbraucht, die
sehr teuer ist, werden Drahtleitungsformationstester typisch nur
unter jenen Umständen
betrieben, unter denen die Formationsdaten absolut notwendig sind
oder das Auslösen
des Bohrstrangs bereits für
einen Bohrerwechsel oder aus anderen Gründen wie etwa das Erreichen
der gewünschten
Tiefe erfolgt.
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Die
Verfügbarkeit
von Lagerstätten-Formationsdruckdaten
auf "Echtzeit"-Grundlage während Bohraktivitäten ist
außerdem
eine wertvolle Ressource zum sicheren Bohren eines Bohrlochs. Das
Bohrschlammgewicht, das zum Steuern des Bohrlochdrucks verwendet
wird, wird typisch lediglich anhand der Bohrertiefe und der Bohrgeschwindigkeiten
eingestellt. Der während
des Bohrens erhaltene Echtzeit-Formationsdruck ermöglicht,
dass ein Bohringenieur oder Bohrarbeiter Entscheidungen, die Änderungen
des Bohrschlammgewichts und der Zusammen setzung sowie der Eindringparameter
betreffen, zu einem viel früheren
Zeitpunkt trifft, um sicherere Bedingungen während des Bohrens zu fördern.
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Die
Verfügbarkeit
von Echtzeit-Lagerstätten-Formationsdaten
ist außerdem
erwünscht,
um eine genaue Steuerung des Gewichts an dem Bohrer in Bezug auf
Formationsdruckänderungen
und Änderungen
der Permeabilität
zu ermöglichen,
so dass die Bohroperation mit ihrer maximalen Effizienz durchgeführt werden
kann.
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Somit
ist es wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren zu schaffen, die die Erfassung
von Formationsdaten wie etwa Druckdaten von einer interessierenden
unterirdischen Zone ermöglichen,
während
der Bohrstrang mit seinen Bohrkränzen,
seinen Bohrern und seinen weiteren Bohrkomponenten im Bohrloch vorhanden
ist, und somit die Notwendigkeit eines Auslösens der Bohrausrüstung allein
für den
Zweck des Verlegens von Formationstestern in das Bohrloch zur Messung
eines Formationsparameters zu beseitigen oder zu minimieren.
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Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren
und eine neue Vorrichtung zu schaffen, um unterirdische Formationsdaten
zu erfassen, während
das Bohren eines Bohrlochs im Gang ist, ohne dass ein Auslösen des
Bohrstrangs aus dem Bohrloch erforderlich ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, unterirdische Formationsdaten
in einer zeiteffizienten Weise zu erfassen, um die Wahrscheinlichkeit
zu verringern, dass der Bohrstrang in dem Bohrloch stecken bleibt,
und die Unterbrechung von Bohrstrangoperationen zu verringern oder
zu beseitigen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches
neues Verfahren und eine solche neue Vorrichtung mittels eines Fühlers zu
schaffen, der von einem Bohrlochwerkzeug wie etwa einem Bohrkranz
oder einer Drahtleitungssonde in eine ausgefahrene Position in Eingriff
mit der Formation beweglich ist.
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Es
ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, einen solchen Fühler zu
schaffen, der geeignet ist, an der Wand des Bohrlochs im Wesentlichen eine
Dichtung zu bilden, wenn der Fühler
mit der Formation in Eingriff gebracht ist.
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Bekannte
mit der Drahtleitung transportierte Formationstester besitzen ein
torusförmiges
Kautschukdichtungsstück,
durch das eine Fühlerdüse gegen
die Bohrlochwand gepresst wird. Nachdem um den Dichtungsstückbereich
eine lokale Abdichtung erreicht ist, wird über den Fühler eine Hydraulikverbindung
hergestellt und der Formationsdruck gemessen. Wenn diese Kautschukdichtungsstücke nicht gut
geschützt
sind, zerfallen sie unter Standardbohrbedingungen schnell. Außerdem stützt sich
die Integrität
einer Dichtungsstückdichtung
auf das Vorhandensein von Bohrschlamm und "Schlammmasse", mit der die Bohrlochwand ausgefuttert
ist. Während der
Bohrprozesse wird der Schlamm durch den Kreisring zwischen der Bohrlochwand
und dem Bohrstrang umgewälzt,
was die Menge der zum Bilden einer effektiven Dichtung an der Bohrlochwand
verfügbaren
Schlammmasse verringert.
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Es
sind Techniken entwickelt worden, um Fühler zum Ausführen von
Tests in die Formation auszufahren. Zum Beispiel offenbart
US2747401 ein Instrument
mit einem Fühler,
der zwischen einer zurückgezogenen
und einer ausgefahrenen Position beweglich ist. Der Fühler wird
in die Formation eingeführt,
um einen Fluidfluss herzustellen und eine Druckdifferenz zwischen
dem Fluid in der Formation und dem Bohrfluid in dem Bohrloch zu
messen. Trotz dieser Vorteile bleibt ein Bedarf an der Schaffung
eines Fühlers,
der leicht in die Formation eingeführt wird und eine Hydraulikdichtung
in der Formation herstellt.
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Somit
ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Messen von Formationsparametern wie etwa des Drucks zu
schaffen, die die Notwendigkeit von Elastomerdichtungsstücken oder
dergleichen beseitigen, um eine Hydraulikdichtung um einen druckübermittelnden
Fühler
zu erreichen, und die während
Bohroperationen, wenn der Umfang des Bohrschlamms, mit dem die Bohrlochwand
ausgefuttert ist, verringert ist, eine solche Dichtung an der Bohrlochwand
bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
oben beschriebenen Aufgaben sowie verschiedene Aufgaben und Vorteile
werden durch eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer
unterirdischen Formation, durch die ein Bohrloch verläuft, gelöst bzw.
erreicht. Die Vorrichtung betrachtet die Verwendung eines Werkzeugkörpers, der eine
Bewegung durch das Bohrloch ausführen
kann. Von dem Werkzeugkörper
werden Betätigungsmittel getragen
und durch die Betätigungsmittel
wird ein Fühler
angetrieben, um den Fühler
zwischen einer zurückgezogenen
Position im Bohrloch und einer ausgefahrenen Position, in der er
eine Wand des Bohrlochs durchdringt, damit er mit der Formation
in Eingriff gelangt, zu bewegen. Der Fühler ist so beschaffen, dass
er an der Wand des Bohrlochs im Wesentlichen eine Dich tung erzeugt,
wenn er in die ausgefahrene Position bewegt ist, wobei der Fühler in sich
Mittel enthält,
um die Eigenschaft der Formation in dem Bereich, mit dem er in Eingriff
ist, oder in dessen Nähe
zu messen.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die Messmittel einen Durchlass auf,
der sich von einem Anschluss angrenzend an eine sich verjüngende Nase
des Fühlers
zu einer Messabzweigung in dem Fühler
oder den Betätigungsmitteln
oder dem Werkzeugkörper
erstreckt, um Fluid von der Formation an die Messabzweigung zu übertragen.
Mit dem Durchlass des Fühlers
steht über
die Messabzweigung ein Sensor in Verbindung, um die Eigenschaft
der Formation zu messen.
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Der
Sensor kann z. B. ein Drucksensor sein, der mit dem Durchlass des
Fühlers über die
Messabzweigung in Verbindung steht, um den Druck der Formation zu
messen. In diesem Fall können
die Messmittel eine Hydraulikgrenzfläche wie etwa eine Membran enthalten,
um den Formationsfluiddruck eher als das Formationsfluid an den
Drucksensor zu übertragen.
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Der
Sensor kann im Fühler
oder woanders wie etwa in den Betätigungsmitteln oder in dem Werkzeugkörper angeordnet
sein. Außerdem
kann der Sensor an verschiedenen Orten im Fühler, in den Betätigungsmitteln
oder in dem Werkzeugkörper
positioniert sein.
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Die
vorliegende Erfindung ist zur Verwendung während des Bohrens sowie während Drahtleitungsoperationen
anpassbar, so dass der Werkzeugkörper
ein Bohrkranz sein kann, der in einem Bohrstrang oder in einer Drahtleitungssonde,
die an einer Drahtleitung in dem Bohrloch aufgehängt ist, positioniert ist.
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Die
Betätigungsmittel
umfassen vorzugsweise einen Hydraulikkolben, der durch Hydraulikfluid betätigt wird,
um den Fühler
zwischen der zurückgezogenen
und der ausgefahrenen Position zu bewegen. In einer Ausführungsform
bilden der Fühler
und der Hydraulikkolben eine monolithische Struktur.
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Außerdem besitzt
der Fühler
vorzugsweise eine sich verjüngende
Nase, die so geformt ist, dass die Kraft, die von den Betätigungsmitteln
gefordert wird, um den Fühler
in die ausgefahrene Position zu bewegen, verringert wird. Diesbezüglich ist
die Nase vorzugsweise konisch und besitzt insbesondere einen Konusneigungswinkel,
der nicht größer als
45° ist.
Außerdem
ist der Fühler
vorzugsweise mit einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt,
der mit der sich verjüngenden
Nase verbunden ist, und mit einem sich verjüngenden Abschnitt, der mit
dem zylindrischen Abschnitt verbunden ist, versehen.
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In
einer Ausführungsform
enthält
der Fühler außer einer
Nase einen Schwanzabschnitt, wobei er mit einem sich verjüngenden
Abschnitt zwischen der Nase und dem Schwanzabschnitt versehen ist,
um im Wesentlichen die Dichtung in der Bohrlochwand zu erzeugen,
während
der Fühler
aus der zurückgezogenen
Position in die ausgefahrene Position bewegt ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält der
Fühler
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen vorderen Abschnitt,
einen Schwanzabschnitt, einen sich verjüngenden Abschnitt zwischen
dem vorderen Abschnitt und dem Schwanzabschnitt, um an der Wand
des Bohrlochs im Wesentlichen eine Dichtung zu bilden, wenn der
Fühler
in die ausgefahrene Position bewegt ist, und einen Durchlass, der durch
den sich verjüngenden
Abschnitt verläuft,
um die Eigenschaft der Formation zu messen. Der Durchlass verläuft von
einem Anschluss vor dem sich verjüngenden Abschnitt des Fühlers zu
einer Messabzweigung hinter dem sich verjüngenden Abschnitt des Fühlers, um
Fluid aus der Formation an die Messabzweigung zu übertragen,
wenn der Fühler
in die ausgefahrene Position bewegt ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält der
Fühler
der vorliegenden Erfindung ein erstes Element mit einer ersten Bohrung
darin und mit einer sich verjüngenden äußeren Oberfläche. Das
erste Element wird durch die Betätigungsmittel
zur Bewegung des ersten Elements zwischen einer zurückgezogenen
Position des ersten Elements im Bohrloch und einer ausgefahrenen
Position des ersten Elements, in der die sich verjüngende äußere Oberfläche wenigstens
teilweise in die Wand des Bohrlochs eindringt, angetrieben. Ferner
enthält
der Fühler
dieser Ausführungsform
ein zweites Element, das in der ersten Bohrung angeordnet ist und
in dem eine zweite Bohrung vorhanden ist und das eine konische Nase
aufweist. Ein Anschluss in dem zweiten Element steht mit der zweiten
Bohrung in Verbindung. Das zweite Element wird durch die Betätigungsmittel angetrieben,
um das zweite Element durch die erste Bohrung zwischen einer zurückgezogenen
Position des zweiten Elements im Bohrloch und einer ausgefahrenen
Position des zweiten Elements, in der die konische Nase in die Formation
eindringt und der Anschluss jenseits des ersten Elements positioniert
ist, zu bewegen. Ferner enthält
der Fühler
dieser Ausführungsform
ein drittes Element, dass in der zweiten Bohrung angeordnet ist
und in dem wenigstens ein Abschnitt des Durchlasses vorhanden ist.
Das dritte Element wird durch die Betätigungsmittel angetrieben,
um das dritte Element durch die zweite Bohrung zwischen einer Position,
in der der Durchgang geschlossen ist, und einer Position, in der
der Durchlass geöffnet
ist, um einem Formationsfluid zu ermöglichen, den Durchlasses über den
Anschluss zu erreichen, um die Eigenschaft der Formation zu messen, zu
bewegen.
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In
einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren,
das den Schritt des Bewegens eines Werkzeugkörpers durch das Bohrloch zu
der Tiefe einer gewünschten
Formation, durch die ein Bohrloch verläuft, enthält. Der Werkzeugkörper ist
mit einem Fühler
ausgestattet, der eine sich verjüngende
Nase sowie Fluidverbindungsmittel enthält. Ein weiterer Schritt erfordert
das Bewegen des Fühlers
aus einer zurückgezogenen
Position im Bohrloch in eine ausgefahrene Position, die eine Wand
des Bohrlochs in Eingriff mit der Formation durchdringt, so dass
der sich verjüngende
Abschnitt des Fühlers
im Wesentlichen eine Dichtung an der Wand des Bohrlochs bildet.
Ferner enthält
das Verfahren den Schritt des Leitens von Fluid von der Formation
durch die Fluidverbindungsmittel in dem Fühler zu einem Sensor, um die
Formationseigenschaft zu messen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Anhand
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, die in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind, kann eine genauere Beschreibung
der oben kurz zusammengefassten Erfindung gegeben werden, so dass
die Art und Weise ausführlich
verstanden werden kann, in der die oben genannten Merkmale, Vorteile
und Aufgaben der vorliegenden Erfindung erreicht bzw. gelöst werden.
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Allerdings
wird angemerkt, dass die beigefügten
Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen dieser Erfindung
veranschaulichen und somit nicht als Beschränkung ihres Umfangs betrachtet werden
soll, da die Erfindung weitere, ebenso wirksame Ausführungsformen
zulassen kann.
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In
den Zeichnungen sind:
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1 ein
Diagramm eines Abschnitts eines Bohrstrangs, der in einem Bohrloch
positioniert und mit einem Bohrkranz und Betätigungsmitteln, die einen Fühler in
Eingriff mit einer unterirdischen Funktion bewegen können, ausgestattet
ist, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Abschnitts des Bohrkranzes mit hydraulisch
erregten Betätigungsmitten
zum erzwungenen Bewegen des Fühlers
zwischen einer zurückgezogenen
Position in dem Bohrkranz und einer aus gefahrenen Position in Eingriff
mit einer ausgewählten
unterirdischen Formation;
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3A–3D aufeinander
folgende Darstellungen im Querschnitt einer Ausführungsform des Fühlers in
der zurückgezogenen
Position, in einer Zwischenposition und in der ausgefahrenen Position sowie
des Messens einer Formationseigenschaft wie etwa des Drucks durch
einen Durchlass in dem Fühler
in der ausgefahrenen Position;
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4A, 4D und 4E aufeinander
folgende Darstellungen im Querschnitt einer zweiten Ausführungsform
des Fühlers
in der zurückgezogenen
Position und in der ausgefahrenen Position sowie des Messens einer
Formationseigenschaft durch den Durchlass in dem Fühler in
der ausgefahrenen Position;
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4B ein
Querschnitt längs
der Schnittlinie 4B-4B in 4A; 4C ein ähnlicher
Querschnitt wie 4B mit einer zweiten Ausführungsform
des Fühlers,
der in einer Zwischenposition positioniert ist.
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5A–5C sind
jeweils aufeinander folgende Darstellungen im Querschnitt einer
dritten Ausführungsform
des Fühlers
in der zurückgezogenen
Position, des Fühlers
in der ausgefahrenen Position und des Messens einer Formationseigenschaft durch
den Durchlass in dem Fühler
in der ausgefahrenen Position; und
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6 ist
eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Fühlereindringtiefe
d und der Eindringkraft Fp für einen
gegebenen Fühlerradius
a0 veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie
in 1 gezeigt ist, betrifft die vorliegende Erfindung
eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft wie etwa des Drucks
einer unterirdischen Formation 12, durch die ein Bohrloch
WB verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform
nutzt die Vorrichtung einen zur Bewegung durch das Bohrloch WB angepassten
Werkzeugkörper
in Form eines Bohrkranzes 10, der in einem Bohrstrang DS
verbunden ist, der in dem Bohrloch angeordnet ist. Die Vorrichtung
ist aber ebenso gut zur Verwendung in anderen Werkzeugkörpern wie
etwa einer Drahtleitungssonde, die von einer Drahtleitung aufgehängt ist,
geeignet.
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Der
Bohrkranz 10 enthält
allgemein als 14 bezeichnete Betätigungsmittel, die einen Fühler 16 antreiben,
um den Fühler 16 zwischen
einer zurückgezogenen
Position im Bohrloch und einer ausgefahrenen Position, in der er
eine Wand des Bohrlochs durchdringt, so dass der Fühler mit
der Formation in Eingriff gelangt, antreibt. Die ausgefahrene Position des
Fühlers
ist für
verschiedene Ausführungsformen der
Erfindung, wie sie im Folgenden beschrieben werden, in den 1, 3C, 3D, 4D, 4E, 5B und 5C veranschaulicht.
Die Bewegung des Fühlers 16 kann
dadurch erreicht werden, dass eines oder eine Kombination der folgenden
Betätigungsmittel
genutzt werden: eine Hydraulikkolbenbaueinheit, eine mechanische
Hebelbaueinheit, ein Spindelantrieb oder ähnliche Einsatzverfahren.
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2 veranschaulicht
eine Ausführungsform
des Fühlers 16 und
der Betätigungsmittel 14 im Bohrkranz 10,
bei der ein hydraulisch erregter Dorn 20 verwendet wird,
um den Fühler
zwischen der in 2 gezeigten zurückgezogenen
Position und der in 1 gezeigten ausgefahrenen Position
zur Messung des Drucks der Formation 12 anzutreiben. Der Dorn 20 muss
ausreichend Antriebskraft auf den Fühler 16 ausüben, um
zu veranlassen, dass der Fühler
die unterirdische Formation in eine ausreichende Tiefe außerhalb
des Bohrlochs WB durchdringt, so dass er den Formationsdruck ohne
wesentlichen Einfluss von den Bohrlochfluiden abtastet. Wie genauer
in 3D gezeigt ist, ist der Fühler so konstruiert, dass er
die Schlammmasse 30, die die Bohrlochwand 31 in
der Bohrlochformation 12 ausfuttert, mehrere Zoll, vorzugsweise
aber zwischen einem und drei Zoll, durchdringt. Damit die Erfindung
ihren beabsichtigten Zweck erfüllt,
muss der Fühler
die Schlammmasse aber nur weit genug durchdringen, um einen Abtastanschluss
wie etwa eine im Folgenden beschriebene Fühleröffnung 48 auf der
Formationsseite der Schlammmasse anzuordnen.
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Wie
wieder in 2 gezeigt ist, ist der Bohrkranz 10 mit
einer zylindrischen Innenbohrung 26 versehen, in der ein
Kolbenelement 18 mit einem Dorn 20 angeordnet
ist, der in antreibender Beziehung mit dem gekapselten Fühler 16 verbunden
ist, damit diese Eindringwirkung auftritt. Der Kolben 18 wird
Hydraulikdruck ausgesetzt, der von einem Hydrauliksystem 28 über einen
Hydraulikfluidversorgungsdurchlass 29 an eine Kolbenkammer 22 übermittelt
wird. Das Hydrauliksystem wird selektiv durch eine Leistungskartusche 34 aktiviert,
die der Bohrkranz 10 ebenfalls trägt.
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Ferner
ist der Bohrkranz mit einem Drucksensor 36 versehen, der über Bohrkranzdurchlässe 38 und 40 gegenüber dem
Bohrlochdruck frei liegt. Der Drucksensor 36 tastet den
Umgebungsbohrlochdruck in der Tiefe der ausgewählten unterirdischen Formation
ab und wird verwendet, um den Druck des Bohrschlamms in dem Kreisring
zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch zu messen. Vom Drucksensor 36 werden
an die Schaltungsanordnung in der Leistungs kartusche 34 elektronische
Signale übertragen,
die den Umgebungsbohrlochdruck repräsentieren, wobei die Schaltungsanordnung
in der Leistungskartusche 34 wiederum die Kreisringschlamm-Druckdaten
speichert oder auf bekannte Weise wie etwa über Schlammimpulstelemetrie
an die Oberfläche überträgt.
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Die 3A–3D veranschaulichen
die eine Ausführungsform
des Fühlers 16 zusammen
mit einer anderen Ausführungsform
der Betätigungsmittel 14 als
der in 2 gezeigten ausführlicher. Der Fühler ist
mit einem vorderen Abschnitt oder Nasenabschnitt 42, mit
einem hinteren Abschnitt oder Schwanzabschnitt 44 und mit
einem sich verjüngenden
Abschnitt 46 zwischen dem vorderen Anschnitt und dem hinteren
Abschnitt ausgestattet. Der vordere Abschnitt ist so geformt, dass
er die Kraft verringert, die von den Betätigungsmitteln 14 erforderlich ist,
um den Fühler
in die Formation 12 zu pressen. Die Form des Fühlers, insbesondere
im sich verjüngenden
Abschnitt 46, stellt eine im Wesentlichen hydraulische
Abdichtung zwischen dem Fühler
und der Formation 12 in der Bohrlochwand 31 sicher,
die im Wesentlichen unabhängig
vom Umfang der Futterwand 31 der Schlammmasse 30 ist,
was ein Dichtungsstück
oder ein Dichtungskissen außerhalb
unnötig
macht. Somit kann der Fühler 16 unabhängig eine
Dichtung in der Wand 31 des Bohrlochs WB erzeugen, während der
Fühler
in die ausgefahrene Position bewegt ist.
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Zwischen
dem vorderen Abschnitt 42 und dem sich verjüngenden
Abschnitt 46 ist in dem lang gestreckten zylindrischen
Abschnitt 49 des Fühlers ein
Anschluss 48 vorgesehen. Der Anschluss 48 kann
sich ansonsten näher
bei dem sich verjüngenden
Abschnitt 46 oder am Nasenabschnitt 42 befinden,
wobei der in den 3A–3D gezeigte
Ort derzeit aber bevorzugt ist. Ein Durchlass 50, der einen
lang gestreckten Abschnitt 50a und einen Versatzabschnitt 50b enthält, verläuft vom
Anschluss 48 durch den sich verjüngenden Abschnitt 46 zu
einer Druckabzweigung 52 im vorderen Abschnitt 44,
um den Druck der Formation 12 von dem Anschluss an die
Druckabzweigung zu übermitteln.
Ferner verläuft der
Durchlass 50 für
im Folgenden beschriebene Zwecke über die Druckabzweigung 52 hinaus
durch einen Kolbenkörper 70 zu
einer Rückwand 60.
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Ferner
enthält
der Fühler 16 im
vorderen Abschnitt 44 einen Drucksensor 54, der über die
Druckabzweigung 52 mit dem Durchlass 50 des Fühlers in Verbindung
steht, um den Druck der Formation zu messen, mit der der Fühler in
Eingriff ist. Der Drucksensor kann wie in den 3A–3D gezeigt
im Fühler
angeordnet sein, kann aber auch anderswo wie etwa im Bohrkranz 10 oder
wie in 2 bei 54' angegeben
in den Betätigungsmitteln 14 angeordnet sein.
Vorzugsweise ist der Drucksensor 54 von dem Typ, der in
der US-Patentanmeldung Nr. 09/019.466 beschrieben ist, die auf den
Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde und deren gesamter Inhalt
hier durch Literaturhinweis eingefügt ist. Somit besitzt der Sensor 54 die
Fähigkeit
zum Abtasten und Aufzeichnen von Druckdaten und zum Übertragen von
Signalen, die diese Druckdaten repräsentieren, an eine Empfängerschaltungsanordnung
im Datenempfänger 55 im
Bohrkranz 10 zur weiteren Übertragung auf eine im Gebiet
bekannte Weise wie etwa über
Schlammimpulstelemetrie über
den Bohrstrang DS. Obgleich der Sensor 54 hier nur zur
Verwendung mit Druckdaten beschrieben wird, betrachtet die vorliegende
Erfindung ferner die Verwendung von Sensoren, die an das Abtasten,
Aufzeichnen und Übertragen
von Daten angepasst sein können,
die andere Formationsparameter wie etwa Temperatur und Permeabilität repräsentieren.
Ein solcher Sensor braucht lediglich an einem Punkt in dem Fluidflussdurchlass, der
ermöglicht,
dass der Sensor die gewünschten Formationsparameterdaten
erfasst, mit anderen Worten an einer Messabzweigung, in Kontakt
mit dem Formationsfluid angeordnet zu sein.
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Für den Fachmann
auf dem Gebiet ist ferner klar, dass der Sensor 54 mit
dem Datenempfänger 55 wie
etwa durch Erstrecken einer Verdrahtung von dem Sensor durch den
Kolbendorn oder Kolbenkörper,
der den Fühler
bewegt, durch die Bohrung, durch die sich der Kolben bewegt, und
durch einen abgedichteten Durchlass im Körper des Bohrkranzes 10 zum
Empfänger 55 fest
verdrahtet sein könnte.
Eine solche Verdrahtung hätte
eine Länge,
die der Bewegung des Fühlers 16 und
des Kolbens quer zum Bohrkranz angepasst ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrachtet die Verwendung weiterer Fluidleitungsmittel
neben einem Durchlass wie etwa dem Durchlass 50. Zum Beispiel betrachtet
die vorliegende Erfindung die Verwendung verschiedener Hydraulikgrenzflächenmittel
wie etwa einer Membran oder Blase, die an einer Öffnung an der Fühleroberfläche positioniert
ist und an der ein Sensor wie etwa ein Dehnmessstreifen oder ein
Piezokristall befestigt ist, um eine Eigenschaft des Formationsfluids
wie etwa den Druck anzugeben. Für den
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist klar, dass diese Hydraulikgrenzflächenmittel
auch mit einem Durchlass ähnlich
dem Durchlass 50 kombiniert sein könnten, um Eigenschaften wie
etwa den Formationsfluiddruck zu übermitteln.
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Wie
oben angegeben wurde, veranschaulichen die 3A–3D eine
zweite Ausführungsform
der Betätigungsmittel 14 zum
Bewegen des Fühlers
zwischen der zurückgezogenen
und der ausgefahrenen Position. Der zylindrische Kolbenkörper 70 ist
in der zylindrischen Bohrung 72 angeordnet und mit dem
Fühler 16 verbunden,
um den Fühler entlang
der Achse der Bohrung 72 kräftig unter Hydraulikdruck zu
bewegen. Vorzugsweise sind der Kolben 70 und der Fühler 16 als
eine im Wesentlichen monolithische Struktur gefertigt. Mit anderen Worten,
der Kolben und der Fühler
einer Ausführungsform
sind im möglichen
Umfang aus einem einzelnen Materialstück hergestellt.
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3A zeigt
den Fühler
in der zurückgezogenen
Position, die die gewünschte
Position für
das Verlegen des Bohrkranzes 10 in das und aus dem Bohrloch
WB ist. In dieser Position können
die Bohrfluide in dem Bohrloch frei in den vorderen Abschnitt der
Bohrung 72 eintreten und die Bohrung mit Druck beaufschlagen,
wobei sie gegen den nach außen vergrößerten Kolbenringabschnitt 74,
der einen O-Ring 76 trägt,
eine Kraft ausüben,
um den vorderen Abschnitt der Bohrung abzudichten. Die Kraft gegen
den Ringabschnitt 74 hält
die Fühler-Kolben-Baueinheit
tief in der Bohrung 72 und gegen die Rückwand 78 der Bohrung
anliegend. Andernfalls könnten
für diesen
Zweck mechanische Mittel wie etwa lösbare Halter verwendet werden,
die den Kolben 70 gegen die Rückwand 78 halten.
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Der
Kolben 70 wird hydraulisch durch Öffnen eines Ventils 61,
das normalerweise geschlossen ist, unter Verwendung eines Signalleiters 62 betätigt. Der Signalleiter übermittelt
von der Leistungskartusche 34 Steuersignale zum Öffnen des
Ventils 61, wobei er das isolierte Bohrungsgebiet 80 über den
Durchlass 29 mit Hydraulikfluid aus dem Hydrauliksystem 28 mit Druck
beaufschlagt. Das Bohrungsgebiet 80 ist durch einen nach
außen
vergrößerten Kolbenringabschnitt 82,
der den O-Ring 84 trägt,
getrennt. Der Druck des in das getrennte Gebiet 80 eintretenden
Hydraulikfluids übt
auf den Ringabschnitt 82 eine Querkraft aus, die die Querkraft,
die auf den Ringabschnitt 74, auf den Nasenabschnitt 42 und
auf den sich verjüngenden
Abschnitt 46 von dem Bohrlochfluid ausgeübt wird, übersteigt,
um die Kolben-Fühler-Baueinheit zur
Formation 12 und wie in 3B gezeigt
in Kontakt mit der Schlammmasse 30 und mit der Wand 31 des
Bohrlochs WB zu bewegen.
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Während sich
der Kolben 70 durch die Bohrung 72 bewegt, wird
das getrennte Gebiet 80 geöffnet, während sich die Rückwand 90 des
Kolbens von der Rückwand 78 der
Bohrung 72 wegbewegt. Während
die Kolben-Fühler-Baueinheit durch
die Bohrung 72 vorgeschoben wird, gelangt der Nasenabschnitt 42 aufeinander
folgend mit der Schlammmasse 30, mit der Bohrlochwand 31 und
mit der Formation 12 in Eingriff. Wie im Folgenden ausführlicher
beschrieben wird, ist der Nasenabschnitt vorzugsweise konisch, wobei
er einen verhältnismäßig spitzen
Winkel β von
45° oder
weniger zeigt. Dieser spitze Winkel erleichtert den Eintritt des
Fühlers 16 in
die Formation 12 gemäß der über das
Hydrauliksystem 28 und den Durchlass 29 der Betätigungsmittel 14 gelieferten Hydraulikleistung.
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Während sich
der Fühler 16 in
die Formation bewegt, wird das Bohrlochfluid in dem vorderen Gebiet
der Bohrung 72 durch den Vorschub des Ringabschnitts 74 und
der begleitenden Dichtung 76 herausgetrieben. Der Durchlass 98 ermöglicht das
weitere Heraustreiben des Bohrlochfluids aus dem Bohrungsgebiet 96,
wie in 3C zu sehen ist, das getrennt
ist, nachdem der Kolbenkörper 70 mit
dem nach innen vergrößerten Bohrungsringabschnitt 100, der
den O-Ring 102 trägt,
in Eingriff bewegt worden ist.
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Somit
veranschaulicht 3C den Fühler, der in seine ausgefahrene
Position bewegt worden ist, in der der sich verjüngende Abschnitt 46 hydraulisch
in der Bohrlochwand 31 abgedichtet ist, was das Eindringen
von Bohrlochfluiden in die Formation in dem Eingriffsbereich beschränkt. Die
Dichtung wird bei der Wechselwirkung der Schlammmasseschicht 30,
der Wand 31 und der Formation 12 um den Durchmesser
des sich verjüngenden
Abschnitts 46 ausgebildet.
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Wenn
durch Positionieren des Fühlers 16 in der
ausgefahrenen Position das Durchdringen der Formation 12 ausgeführt worden
ist, ist der nächste Schritt
das Öffnen
des Durchlasses 50 im Fühler,
um zu ermöglichen,
dass Formationsfluide in den Fühler eintreten.
Zunächst
ist der Kolben 70 anhand von 3C in
der ausgefahrenen Position des Fühlers
im Wesentlichen durch die Bohrung 72 bewegt worden, so
dass das zwischen den Ringabschnitten 82 und 74 ausgebildete
getrennte Gebiet 92 zur Verbindung mit dem mit dem Ventil 63 verbundenen
Durchlass 94 positioniert ist. Daraufhin wird das Ventil 63 geöffnet, um
zu ermöglichen,
dass Hydraulikfluid vom Durchlass 29 in den Durchlass 94,
in das Gebiet 92 und in den Durchlass 104 und
in den getrennten Bereich 110, der zwischen dem nach innen
verlaufenden Kolbenringabschnitt 106, der den O-Ring 108 trägt, und dem
nach außen
verlaufenden Stiftringabschnitt 112, der den O-Ring 114 trägt, ausgebildet
ist, eintritt. Die Druckbeaufschlagung des getrennten Gebiets 110 übt gegen
den Ringabschnitt 112 eine Kraft aus, die den Stift 51 wie
in 3D gezeigt zur Rückwand 60 des Kolbendurchlasses 50 bewegt.
Während
dies geschieht, wird Formationsfluid über den Anschluss 48 und
den Durchlassversatz 50b in den Fühlerdurchlassabschnitt 50a gezogen.
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Der
Stift 51 wird normalerweise ans vordere Ende des Durchlasses 50 gedrängt, so
dass er, wie in den 3A–3C gezeigt
ist, unter der Kraft der nachgiebigen Schraubenfeder 120 den
Durchlassversatzabschnitt 50b berührt. Die Rückwärtsbewegung des Stifts 51 drückt die
Feder 120, wie in 3D zu
sehen ist, zusammen und öffnet
die Druckabzweigung 52 zum Durchlass 50, so dass
das Formationsfluid, dass den Durchlass 50 füllt, mit
dem Drucksensor 54 in Verbindung tritt. Die tatsächliche Flüssigkeitsmenge,
die während
des Druckmessprozesses durch den Durchlass 50 bewegt wird,
ist sehr klein. Somit wird der Endeinschlussdruck sehr schnell gemessen.
Wie zuvor angegeben wurde, übermittelt
der Sensor 54 daraufhin die Druckdaten an den Empfänger 55 zur
weiteren Übertragung
an die Oberflächenausrüstung.
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Wenn
die gewünschten
Formationsdruckdaten oder anderen Daten gesammelt worden sind, wird
der Druck im Hydraulikdurchlass 29 durch Öffnen eines
(nicht gezeigten) Entlastungsventils im Hydrauliksystem 28 verringert.
Da die Ventile 61 und 63 geöffnet bleiben, verringert dies
den Druck des Hydraulikfluids in den getrennten Abschnitten des
Kolbendurchlassabschnitts 50a und der Bohrkranzbohrung 72,
was zu zwei Aktionen führt.
Während
der Druck in dem durch die Ringabschnitte 112 und 106 getrennten
Abschnitt des Durchlasses 50 verringert wird, übt zunächst an
einem gewissen Punkt die potentielle Energie in der Feder 120 eine
Kraft auf den Ringabschnitt 112 aus, die die Kraft des
Hydraulikfluids übersteigt.
Wenn dies auftritt, dehnt sich die Feder 120 unter ihrer
eigenen Energie aus, um den Stift 51 in die in 3C gezeigte
Position zurückzustellen.
Diese Rückwirkung
bewirkt, dass das Formationsfluid im Durchlass 50 ausgestoßen wird.
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Da
der Druck in dem Gebiet der Bohrung 72 zwischen der Bohrungsrückwand 78 und
der Kolbenrückwand 90 und
dem Ringabschnitt 82 verringert ist, fällt zweitens an einem gewissen
Punkt die nach vorn gerichtete Querkraft auf den Kolben 70,
die sich aus diesem Druck ergibt, unter die nach hinten gerichtete Querkraft,
die von dem in dem getrennten Gebiet 96 vorhandenen Bohrungsfluid
auf den Kolben ausgeübt
wird. Allerdings muss die durch das Bohrungsfluid auf den Kolbenringabschnitt 82 ausgeübte Kraft außerdem die
Haftkraft überwinden,
die auf den Fühler 16 wirkt
und die sich aus dem Eingriff des Fühlers mit der Schlammmasse 30 und
mit der Formation 12 ergibt. Somit muss der Druck in dem hinteren
Abschnitt der Bohrung 72 wesentlich verringert werden, damit
der Bohrlochdruck den Kolben 16 aus seiner ausgefahrenen
Position zurückzieht
und den Kolben in die zurückgezogene
Position aus 3A zurückstellt. Der Fachmann auf
dem Gebiet erkennt, dass der auf dass Bohrungsgebiet 96 ausgeübte Druck
ergänzt
werden kann, indem für
dieses Gebiet ein zusätzlicher
Hydraulikflussdurchgang bereitgestellt wird, der durch ein Ventil
gesteuert wird, um sicherzustellen, dass auf den Kolben 70 ausreichend
Druck ausgeübt
wird, um den Fühler 16 aus
der Formation zu befreien.
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Die 4A–4E veranschaulichen
eine zweite Ausführungsform
des Fühlers
und der Betätigungsmittel
der vorliegenden Erfindung. Der Fühler 216 dieser Ausführungsform
enthält
ein erstes Element 218, in dem eine erste Bohrung 220 vorhanden ist.
Wie im Folgenden beschrieben wird, ist das erste Fühlerelement 218 für die gleitende
Bewegung im Bohrkranz 10 angeordnet. Die erste Bohrung 220 ist im
Wesentlichen zylindrisch, zeigt aber einen veränderlichen Durchmesser, der
im hinteren zylindrischen Abschnitt 219 des ersten Elements
ein größerer Durchmesser
und im sich verjüngenden
vorderen Abschnitt 222 des ersten Elements ein kleinerer Durchmesser
ist. Die sich verjüngende äußere Oberfläche des
vorderen Abschnitts 222 ist so beschaffen, dass sie im
Wesentlichen eine Dichtung in der Bohrlochwand 31 erzeugt,
und somit funktional gleichwertig dem sich verjüngenden Abschnitt 46 des
Fühlers 16.
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Das
zweite Fühlerelement 224 ist
für die
gleitende Bewegung in der ersten Bohrung 220 angeordnet
und in ihm ist eine zweite Bohrung 226 vorhanden. Die zweite
Bohrung 226 ist ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch und
zeigt einen veränderlichen Durchmesser,
der im vorderen zylindrischen Abschnitt 228 des zweiten
Fühlerelements 224 ein
größerer Durchmesser
ist und im vorderen zylindrischen Abschnitt 230 des zweiten
Fühlerelements
ein kleinerer Durchmesser ist. Ferner ist das zweite Fühlerelement 224 mit
einem konischen Nasenabschnitt 231 ausgestattet, der funktional
gleichwertig dem Nasenabschnitt 42 des Fühlers 16 ist.
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Das
dritte Fühlerelement 232 ist
für die
gleitende Bewegung in der zweiten Bohrung 226 angeordnet
und in ihm ist eine dritte Bohrung 234 vorhanden. Wie im
Folgenden beschrieben wird, dient die dritte Bohrung 234 als
ein Abschnitt eines Durchlasses zum Leiten von Fluid aus der Formation
zum Messen einer Eigenschaft wie etwa des Formationsdrucks.
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Die
Betätigungsmittel 214,
die Arbeitsfolgeventile und eine Reihe von Flussleitungen und Durchlässen im
Bohrkranz 10 und im Fühler 216 enthalten, treiben
jeweils das erste, das zweite und das dritte Fühlerelement gemäß einer
vorgegebenen Folge zwischen einer ausgefahrenen Position und einer
zurückgezogenen
Position an. 4B ist eine Schnittansicht des
Bohrkranzes 10 und des Fühlers 216 längs der
Schnittlinie 4B-4B in 4A. Somit ist der Fühler 216 im
Schnitt von oben wie in der Bohrung 235 des Bohrkranzes 10 angeordnet
gezeigt. Das erste Fühlerelement 218 ist
mit radial verlaufenden Elementen 238a und 238b ausgestattet,
die für
die gleitende Bewegung in Nuten 236a und 236b in
der Bohrung 235 positioniert sind. Somit beschränken die
radial verlaufenden Elemente 238a, 238b den Fühler 216 und
insbesondere das erste Fühlerelement 218 auf
eine lineare Bewegung entlang der Achse der Bohrung 235 in
einer vorgegebenen Höhe in
Bezug auf den Bohrkranz 10.
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Die
Elemente 238a und 238b sind jeweils mit Hydraulikdornen 240a und 240b verbunden,
die wiederum jeweils mit Kolben 242a und 242b verbunden sind.
Das Hydraulikfluid wird vom Hydrauliksystem 28 über ein
(nicht gezeigtes) einzelnes Steuerventil zu den parallelen Einstellleitungen 244a, 244b geleitet,
die die Kammern 246a, 246b mit Druck beaufschlagen
und dadurch die Kolben 242a, 242b, die Dorne 240a, 240b und
die Elemente 238a, 238b nach vorn antreiben. Diese
Aktion treibt das erste Fühlerelement 218 in
die Formation 12 an.
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Das
zweite Fühlerelement 224 ist
wie oben erwähnt
in der ersten Bohrung 220 angeordnet. Das zweite Fühlerelement 224 bildet
an der Grenzfläche des
hinteren Abschnitts 228 und des vorderen Abschnitts 230 ein
radial verlaufendes Ringelement 225, das dichtend mit der
ersten Bohrung 220 in Eingriff ist. In einer Rille in der
Nähe des
hinteren Endes 242 des ersten Fühlerelements 218 ist
ein Spaltring oder Sprengring 240 angeordnet. Außerdem ist
in der Bohrung 220 zwischen dem Sprengring 240 und
dem Ringelement 225 ein Trennring 244 positioniert,
dessen Durchmesser so bemessen ist, dass er im Wesentlichen gleich
dem Durchmesser des Ringelements 225 ist. Somit erzeugt
die Kombination des Sprengrings 240 und des Trennrings 244 ein
zweites Fühlerelement 224,
das sich mit dem ersten Fühlerelement 218 nach
vorn bewegt, während
die Kammern 246a, 246b durch das Hydrauliksystem 28 mit
Druck beaufschlagt werden.
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Während der
Fühler 216 durch
die Betätigungsmittel 214 nach
vorn angetrieben wird, gelangt der Nasenabschnitt 231 unter
der über
den Sprengring 240 übertragenen
Kraft zuerst mit der Formation und mit den Bohrungen durch die Formationswand 31 in
Eingriff. Kurz nachdem die Nase 231 die Formation 12 durchdrungen
hat, gelangt der vordere, sich verjüngende Abschnitt 222 des
ersten Fühlerelements 218 mit
der Schlammmasse 30 und mit der Bohrlochwand 31 in
Eingriff. Die Verjüngung
der äußeren Oberfläche des
vorderen Abschnitts 222 erstreckt sich vom vorderen Rand
dieses Abschnitts zu der Grenzfläche
der sich verjüngenden
Oberfläche mit
dem hinteren Abschnitt 219. Diese Ausdehnung besitzt die
Wirkung, eine wesentliche Zunahme des vorderen Oberflächenbereichs
des Fühlers
zu veranlassen, der durch die Formation 12 angetrieben
wird, während
der sich verjüngende
Abschnitt 222 die Bohrlochwand 31 durchquert,
und erhöht
dadurch den Druck in den Kammern 246a, 246b und
in den Einstellleitungen 244a, 244b. Das (nicht
gezeigte) Steuerventil, das das Hydraulikfluid steuert, das an die
parallelen Einstellleitungen 244a, 244b geliefert wird,
tastet den Druckanstieg ab und ist so beschaffen, dass es den Fluss
abschaltet, wenn der Druck einen vorgegebenen Punkt erreicht hat.
Auf diese Weise wird das erste Fühlerelement 218 bis
zu dem Punkt nach vorn angetrieben, an dem der sich verjüngende Abschnitt 222 im
Wesentlichen in Eingriff mit der Bohrlochwand 31 positioniert
ist, aber nicht vollständig
durch die Bohrlochwand angetrieben worden ist. 4C zeigt
die Eingriffsposition des sich verjüngenden Abschnitts 222 mit
der Bohrlochwand 31, wobei der Fühler 216 eine Dichtung
mit dem Bohrloch bildet, die verhindert, dass Fluide die Bohrlochwand an
dem Eindringpunkt durchqueren.
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Der
nächste
Schritt betrifft den Vortrieb des zweiten Fühlerelements 224 aus
einer zurückgezogenen
Position in Bezug auf das erste Fühlerelement 218, wie
sie in 4C zu sehen ist, in eine ausgefahrene
Position, wodurch der Nasenabschnitt 231, wie in 4D zu
sehen ist, im Wesentlichen vor dem sich verjüngenden Abschnitt 222 ist.
Anhand von 4D wird dieser Vortrieb dadurch
ausgeführt,
dass die Einstellleitung 248 mit Hydraulikfluid aus dem
Hydrauliksystem 28 mit Druck beaufschlagt wird. Das Hydraulikfluid
wird durch die Einstellleitung 248 an die Kammer 250 und
an die Druckkammer 250 geliefert.
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Der
Trennring 244 ist mit O-Ringen ausgestattet, um den Trennring 244 in
abgedichtetem Eingriff mit dem vorderen Anschnitt 219 des
ersten Fühlerelements
und mit der äußeren zylindrischen
Oberfläche
des vorderen Abschnitts 228 des zweiten Fühlerelements
anzuordnen. Außerdem
enthält
das Ringelement 225 einen O-Ring für den dichtenden Eingriff mit
dem vorderen Abschnitt 219. Im Ergebnis wird die Kammer 250 abgedichtet,
wobei das Druckhydraulikfluid in der Kammer auf das Ringelement 225 eine
nach vorn gerichtete Vortriebskraft ausübt, die das zweite Fühlerelement 224 durch
das erste Fühlerelement 218 in
die For mation 12 nach vorn drängt.
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Der
nächste
Schritt in der Folgeoperation des Fühlers 216 umfasst
das Zurückziehen
des dritten Fühlerelements 232.
Wie wieder in 4D gezeigt ist, steigt der Hydraulikfluiddruck
in der Kammer 250 an, wenn das zweite Fühlerelement 224 den
wie durch die Bohrung 220 definierten Umfang seiner Vorwärtsbewegung
erreicht. An einem vorgegebenen Punkt erreicht der Druck in der
Kammer 250 einen ausreichenden Pegel für ein (nicht gezeigtes) mit der
Flussleitung 248 verbundenes Arbeitsfolgeventil, um einen
Flussweg zum Durchlass 252 zu öffnen, das Hydraulikfluid an
die Kammer 254 (siehe 4E) zu
liefern und auf das dritte Fühlerelement 232 eine
nach hinten gerichtete Kraft auszuüben, die das Element in die
zweite Bohrung 226 nach hinten drängt. Während das dritte Fühlerelement 232 aus der
ausgefahrenen Position aus 4D in
die zurückgezogene
Position aus 4E angetrieben wird, ist die
rohrförmige
Verlängerung 256 des
zweiten Fühlerelements 224 vollständig mit
der Bohrung 234 in Eingriff. Wenn dies geschieht, wird
das Fluid aus der Formation 12 durch den Anschluss 257 in
den durch die Bohrung 260 ausgebildeten Fluiddurchlass 258 gezogen.
Daraufhin fließt
das Formationsfluid aufeinander folgend durch das Siebfilter 261 in
den Kreisring 262, in den ringförmigen Durchlass 264,
in die Bohrung 266, in die Bohrung 234, in die
Bohrung 268, in die Kammer 270 und in die Flussleitung 271. Der
Drucksensor 274 ist an der Messabzweigung 272 mit
der Flussleitung 271 verbunden, um Daten, die den Formationsfluiddruck
angeben, zu lesen und an die Oberfläche zu übertragen.
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Wenn
die richtige Druckablesung oder Ablesung anderer Daten stattgefunden
hat, wird die Betriebsfolge des Fühlers 216 umgekehrt,
um den Fühler
in seiner zurückgezogenen
Position im Bohrloch und im Bohrkranz 10 anzuordnen. Wieder
anhand von 4E wird die Rückziehleitung 276 mit
Hydraulikfluid aus dem Hydrauliksystem 28 mit Druck beaufschlagt,
um die ringförmige
Kammer 278 hinter dem dritten Fühlerelement 232 mit
Druck zu beaufschlagen. Der Druck in der Kammer 278 übt eine
Kraft gegen den radial vergrößerten hinteren
Abschnitt 233 des dritten Fühlerelements 232 aus,
der das Element 232 nach vorn in die Bohrung 260 drängt. Diese
Vorwärtswirkung
des dritten Fühlerelements
hat die Wirkung, das Formationsfluid durch den Anschluss 357 zurück in die
Bohrung 260 auszustoßen.
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Wenn
das Element 232 in seine in 4D gezeigte
vordere Stellung zurückgekehrt
ist, ist es gegenüber
weiterer Vorwärtsbewegung
beschränkt, wobei der
Fluiddruck in der Kammer 278 zu steigen beginnt. Die Kammer 278 ist
durch Fluid mit den Durchlässen 280 und 282 im
zweiten Fühlerelement 224 verbunden.
Wenn der Druck in der Kammer 278 einen vorgegebenen Pegel
erreicht, öffnet
das Arbeitsfolgeventil 215, was einen Fluidfluss aus der Kammer 278 über die
Durchlässe 280, 282 in
die Kammer 284 und daraufhin in die Durchlässe 286, 288 und
schließlich
wie in 4D gezeigt in die ringförmige Kammer 290 ermöglicht.
Der Fluiddruck in der Kammer 290 übt eine Kraft gegen das zweite Fühlerelement 224 aus,
die das Element 224 in der ersten Bohrung 220 in
die zurückgezogene
Position aus 4C nach hinten drängt. Wenn
das zweite Fühlerelement
die zurückgezogene
Position erreicht, grenzt es an den Trennring 244 an, wobei
der Fluiddruck in der Kammer 290 steigt. Wenn ein vorgegebener
Druckpegel erreicht ist, schließt
das Arbeitsfolgeventil 215 den Hydraulikfluidfluss durch
den Durchlass 282, was die Kammer 290 abdichtet,
wodurch das zweite Fühlerelement 224 in
der zurückgezogenen
Position druckverriegelt wird.
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Der
nächste
Schritt in der Zurückziehfolge
ist das Zurückziehen
des ersten Fühlerelements 218. Zu
diesem Zweck werden parallele Rückziehleitungen 292a und 292b mit
Hydraulikfluid aus dem Hydrauliksystem 28 mit Druck beaufschlagt.
Diese Aktion beaufschlagt die Kammern 294a, 294b mit
Druck und übt
Kräfte
aus, die die Kolben 242a, 242b nach hinten drängen und
das erste Fühlerelement 218 in die
zurückgezogene
Position aus 4A und 4B ziehen,
wobei die Bohroperationen zu dieser Zeit wieder aufgenommen werden
können.
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Die 5A–5C veranschaulichen
eine dritte Ausführungsform
des Fühlers
und der Betätigungsmittel
der vorliegenden Erfindung. Der Fühler 316 dieser Ausführungsform
enthält
ein erstes Element 318, in dem eine erste Bohrung 320 vorhanden ist.
Wie im Folgenden beschrieben wird, ist das erste Fühlerelement 318 zur
gleitenden Bewegung im Bohrkranz 10 angeordnet. Die erste
Bohrung 320 ist im Wesentlichen zylindrisch, wobei sie
aber einen veränderlichen
Durchmesser zeigt, der im vorderen zylindrischen Abschnitt 319 und
im längsgerichteten Mittelabschnitt 321 des
ersten Fühlerelements
ein größerer Durchmesser
ist, während
er im sich verjüngenden
vorderen Abschnitt 322 des ersten Fühlerelements ein kleinerer
Durchmesser ist. Wie in den oben erwähnten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist
die sich verjüngende äußere Oberfläche des
vorderen Abschnitts 322 so beschaffen, dass sie im Wesentlichen
eine Dichtung an der Bohrlochwand 31 erzeugt und somit
funktional gleichwertig dem sich verjüngenden Abschnitt 46 des
Fühlers 16 und
dem sich verjüngenden
Abschnitt 222 des Fühlers 216 ist.
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Das
zweite Fühlerelement 324 ist
zur gleitenden Bewegung in der ersten Bohrung 320 angeordnet,
wobei in ihm eine zweite Bohrung 326 vorhanden ist. Anders
als die erste Bohrung 320 ist die zweite Bohrung 326 zylindrisch
und weist einen konstanten Durchmesser auf. Ferner ist das zweite
Element 324 mit einem konischen Nasenabschnitt 331 ausgestattet,
der funktional gleichwertig dem Nasenabschnitt 42 des Fühlers 16 und
dem Nasenabschnitt 231 des Fühlers 216 ist.
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Das
dritte Fühlerelement 332 ist
für die
gleitende Bewegung in der zweiten Bohrung 326 angeordnet,
wobei in ihm eine dritte Bohrung 334 vorhanden ist. Wie
im Folgenden beschrieben wird, dient die dritte Bohrung 334 als
ein Abschnitt eines Durchlasses, um Fluid aus der Formation zu leiten,
um eine Eigenschaft wie etwa den Formationsdruck zu messen.
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Die
Betätigungsmittel 314,
die Arbeitsfolgeventile und eine Reihe von Flussleitungen und Durchgängen im
Bohrkranz 10 und im Fühler 316 enthalten,
treiben jeweils das erste, das zweite und das dritte Fühlerelement
gemäß einer
vorgegebenen Folge zwischen einer ausgefahrenen und einer zurückgezogenen
Position. Das erste Fühlerelement 318 ist mit
einem radial vergrößerten vorderen
Abschnitt 319 ausgestattet, der für die dichtende gleitende Bewegung
entlang der Bohrung 336 im Bohrkranz 10 positioniert
ist. Somit beschränkt
der Abschnitt 319 den Fühler 316 und
insbesondere das erste Fühlerelement 318 auf
eine lineare Bewegung entlang der Achse der Bohrung 336.
Das zweite Fühlerelement 324 ist
wie oben erwähnt
in der ersten Bohrung 320 angeordnet. Insbesondere bildet
der vordere Abschnitt 328 ein radial verlängertes
ringförmiges
oder Ringelement, das mit der ersten Bohrung 320 dichtend
in Eingriff ist. Der erste Schritt beim Betätigen des Fühlers 316 umfasst
den Vortrieb des zweiten Fühlerelements 324 aus
der zurückgezogenen
Position, die in 5A zu sehen ist, in eine ausgefahrene Position,
wie sie in 5B zu sehen ist. Dieser Vortrieb
wird dadurch ausgeführt,
dass die Einstellleitung 344 mit Hydraulikfluid aus dem
Hydrauliksystem 28 mit Druck beaufschlagt wird. Das Hydraulikfluid wird über die
Einstellleitung 344 an eine im Bohrkranz 10 ausgebildete
Kammer 350 geliefert, wobei es die Kammer mit Druck beaufschlagt.
Das Ringelement 328 enthält einen O-Ring für den dichtenden Eingriff
mit der ersten Bohrung 320. Im Ergebnis übt das mit
Druck beaufschlagte Hydraulikfluid in der Kammer eine nach vorn
gerichtete Vortriebkraft auf das Ringelement 328 aus, die
das zweite Fühlerelement 324 durch
das erste Fühlerelement 318 in
die Formation 12 nach vorn drängt
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An
einer Schulter 323 ist die Bohrung 320 in der
Nähe der
Grenzfläche
des vorderen, sich verjüngenden
Abschnitts 322 und des mittleren Abschnitts 321 auf
einen kleineren Durchmesser reduziert. An einem gewissen Punkt während des
Vorwärtsvortriebs
des zweiten Fühlerelements 324 durch
die Betätigungsmittel 314 wird
das Ringelement 328 mit der Schulter 323 in Eingriff
bewegt. Wenn dies geschieht, wird das erste Fühlerelement 318 durch
den Druck in der Kammer 350, die sich weiter ausdehnt,
ebenfalls nach vorn angetrieben. Außerdem wird das erste Fühlerelement 318 durch
das Fluid in der Kammer 350 nach vorn gedrängt, wobei
es in den nicht abgedichteten Zwischenraum zwischen der Rückwand des
hinteren Abschnitts 319 und dem Bohrkranz 10 eindringt.
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Der
Nasenabschnitt 331 gelangt zuerst mit der Formation 12 in
Eingriff, wobei er sich unter der über die Betätigungsmittel 314 übertragenen
Kraft durch die Formationswand 31 bohrt. Im Wesentlichen nachdem
die Nase 331 die Formation 12 durchdrungen hat,
gelangt der vordere, sich verjüngende
Abschnitt 322 des ersten Fühlerelements 318 wie
in 5B gezeigt mit der Schlammmasse 30 und
mit der Bohrlochwand 31 in Eingriff.
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Die
Verjüngung
der äußeren Oberfläche des vorderen
Abschnitts 322 erstreckt sich von ihrem vorderen Rand zur
Grenzfläche
der sich verjüngenden Oberfläche mit
dem mittleren Abschnitt 319. Diese Erstreckung bewirkt,
dass veranlasst wird, dass eine wesentliche Zunahme des vorderen
Oberflächenbereichs
des Fühlers
durch die Formation 12 angetrieben wird, während der
Abschnitt 322 die Bohrlochwand 31 durchquert,
wodurch der Druck in der Kammer 350 und in der Einstellleitung 344 zunimmt.
Ein (nicht gezeigtes) Steuerventil, das das an die Einstellleitung 344 gelieferte
Hydraulikfluid steuert, tastet den Druckanstieg ab und ist so konstruiert,
dass es den Fluss abschaltet, wenn der Druck einen vorgegebenen
Punkt erreicht. Auf diese Weise wird das erste Fühlerelement 318 zu
dem Punkt, an dem der sich verjüngende
Abschnitt 322 im Wesentlichen im Eingriff mit der Bohrlochwand 31 ist,
nach vorn angetrieben, aber nicht vollständig durch die Bohrlochwand
angetrieben. 5B zeigt die Eingriffsposition des
sich verjüngenden
Abschnitts 322 mit der Bohrlochwand 31, wodurch
der Fühler 316 mit
dem Bohrloch eine Dichtung bildet, die verhindert, dass Fluide die
Bohrlochwand am Eindringpunkt durchqueren.
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Der
nächste
Schritt in der Folgeoperation des Fühlers 316 betrifft
das Zurückziehen
des dritten Fühlerelements 332.
Zu diesem Zweck erstreckt sich ein Metallschlauch 300,
von dem ein Abschnitt ausführlich
in 5D gezeigt ist, von der Rückwand der Kammer 350 zum
Verbinder 301, der die Leitung mit dem hinteren Ende des
zweiten Fühlerelements 324 verbindet.
Der Schlauch 300 leitet Hydraulikfluid über die Flussleitung 302,
um die Kammer 354 mit Druck zu beaufschlagen. Der Druck
in der Kammer 354 übt auf
das dritte Fühlerelement 332 eine
nach hinten gerichtete Kraft aus, die dieses Element in der zweiten Bohrung 326 nach
hinten drängt.
Während
das dritte Fühlerelement 232 aus
der ausgefahrenen Position aus 5B in
die zurückgezogene
Position aus 5C angetrieben wird, ist die
rohrförmige
Verlängerung 356 des
zweiten Fühlerelements 324 mit
der Bohrung 334 vollständig
in Eingriff. Wenn dies geschieht, wird das Fluid aus der Formation 12 durch den
Anschluss 357 in den Fluiddurchlass gezogen, der durch
den Querdurchlass 360, durch die Bohrung 362,
durch die Kammer 364, durch den Umgehungsdurchlass 366,
durch die Bohrung 334, durch die Bohrung 368 und
durch die Flussleitung 304 ausgebildet ist. Außerdem ist
die Flussleitung 304 wie in 5D gezeigt
durch den biegsamen Schlauch 300 geleitet. Wie wieder in 5C gezeigt
ist, ist der Drucksensor 374 an der Messabzweigung 372 mit der
Flussleitung 304 verbunden, um die Daten, die den Formationsfluiddruck
angeben, abzulesen und an die Oberfläche zu übertragen.
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Wenn
die richtige Ablesung des Drucks oder anderer Daten stattgefunden
hat, wird die Betriebsfolge des Fühlers 316 umgekehrt,
um den Fühler
in seiner zurückgezogenen
Position im Bohrloch und im Bohrkranz 10 anzuordnen. Die
Zurückziehleitung 305,
ebenfalls in dem Schlauch 300 (siehe 5D), wird
mit Hydraulikfluid aus dem Hydrauliksystem 28 mit Druck
beaufschlagt, um die ringförmige
Kammer 378 hinter dem dritten Fühlerelement 332 mit
Druck zu beaufschlagen. Der Druck in der Kammer 378 übt gegen
den radial vergrößerten hinteren
Abschnitt 333 des Elements 332 eine Kraft aus,
die das Element 332 nach vorn zur Bohrung 362 drängt. Diese Vorwärtswirkung
des dritten Fühlerelements
bewirkt, dass das Formationsfluid in der Kammer 364 durch den
Anschluss 357 wieder ausgestoßen wird.
-
Wenn
das Element 332 in seine in 5B gezeigte
Vorwärtsposition
zurückgekehrt
ist, ist der nächste
Schritt das Zurückziehen
des ersten Fühlerelements 318 aus
seiner ausgefahrenen Position. Zu diesem Zweck wird die Rückziehleitung 392 mit
Hydraulikfluid aus dem Hydrauliksystem 28 mit Druck beaufschlagt.
Diese Aktion beaufschlagt die Kammer 394 mit Druck und übt eine
Kraft aus, die das erste Fühlerelement 318 nach
hinten drängt
und das erste Fühlerelement
in seine zurückgezogene
Position zurückbringt.
Während
dies geschieht, übt
die Schulter 323 des ersten Fühlerelements eine Kraft gegen
das Ringelement 328 aus, die das zweite Fühlerelement 324 wenigstens
teilweise aus der Formation 12 herauszieht.
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Der
letzte Schritt in der Rückziehfolge
ist das Zurückziehen
des zweiten Fühlerelements 324 aus seiner
ausgefahrenen Position in Bezug auf das erste Fühlerelement. Zu diesem Zweck
wird Hydraulikfluid aus dem Hydrauliksystem 28 durch die
Flussleitung 306 zugeführt,
um die Kammer 390 mit Druck zu beaufschlagen. Der Fluiddruck
in der Kammer 390 übt gegen
das zweite Fühlerelement 324 eine
Kraft aus, die das Element 324 in der ersten Bohrung 320 in
die zurückgezogene
Position aus 5A zurückdrängt. Zu diesem Punkt ist der
Fühler
vollständig
im Bohrkranz 10, wobei die Bohroperationen wieder aufgenommen
werden können.
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Analyse der
Fühlernase
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Wie
oben angegeben wurde, ist der Nasenabschnitt des Fühlers
16 vorzugsweise
so geformt, dass die Kraft, die von den Betätigungsmitteln erforderlich
ist, um den Fühler
in die ausgefahrene Position zu bewegen, verringert ist. Insbesondere
kann die Nase konisch mit einem Konusneigungswinkel β nicht größer als
45° sein.
Damit ein Fühler
einen Nasenkegel-Neigungswinkel β kleiner
als 45° hat,
was als eine "spitze" Nase betrachtet
wird, ist das Geschwindigkeitsfeld um die Spitze des Nasenabschnitts
zylindrisch radial. Der Eindringdruck für einen Fühler mit spitzer Nase p sharp / p ist
beschrieben als:
wobei
p
c =
zylindrischer Kavitationsdruck,
β = Kegelneigungswinkel (siehe
3A)
und
ψ =
Grenzflächenreibungswinkel
ist.
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Kavitationsdruck
wird hier zur Bezeichnung des Drucks verwendet, bei dem ein unbeschränktes Wachstum
eines Hohlraums stattfindet, die durch einen eindringenden Fühler mit
einem konischen Kopf erzeugt wird. Der Kavitationsdruck ist für stumpfe Werkzeuge
(β > 45°) als sphärischer Kavitationsdruck und
für spitze
Werkzeuge (β < 45°) als zylindrischer
Kavitationsdruck charakterisiert. Da der Eindringdruck proportional
zu dem Kavitationsdruck ist, kann eine Druckskalierung (Wirkung
der Druckverhältnisse)
berücksichtigt
werden. Somit kann der Eindringdruck definiert werden als: psharpp = qΠp,wobei
q = die unbeschränkte Belastung
(Pound-Force/Zoll2 oder N/mm2),
die die Verstärkungswirkung
der In-situ-Belastung berücksichtigt,
und
Πp = der dimensionslose Eindringdruck ist.
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Folglich
kann die Eindringkraft (Pound-Force oder N) geschrieben werden als: Fp = πa0 2qΠp,wobei
a0 =
der Nennradius (Zoll oder Millimeter) des eindringenden Objekts
(des Fühlers 16, 216, 316)
ist.
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Der
dimensionslose Eindringdruck Πp ist eine Funktion mehrerer Gesteinsformationseigenschaften einschließlich des
Elastizitätsmoduls,
des Poissonschen Beiwerts, der einachsigen Druckfestigkeit, des Winkels
der inneren Reibung und des Dilatanz- oder Volumenvergrößerungswinkels.
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4 ist eine idealisierte graphische Darstellung
für ein
reibungsloses Material, die die Entwicklung der Kraft Fp zeigt,
die ausgeübt
werden muss, um ein Eindringen eines zylindrischen Objekts mit der
Eindringtiefe d zu veranlassen. Für den Fachmann auf dem Gebiet
ist klar, dass der Fühler
für diese
Diskussion im Wesentlichen als zylindrisch angenommen wird, worauf
die vorliegende Erfindung aber nicht beschränkt ist. Fp wird
durch die Querschnittsfläche
des zylindrischen Fühlers
mal der einachsigen Druckfestigkeit (entlang der Eindringachse)
der durchdrungenen Gesteinsformation skaliert, wobei die Eindringtiefe
d durch den Radius a0 des Fühlers skaliert
wird. Die Kraft-Eindringtiefe-Beziehungen sind für ein typisches Lagerstättengestein
in Abwesenheit einer In-situ-Belastung berechnet. Der obere und
der untere Grenzwert, die in 4 dargestellt sind,
entsprechen zwei äußersten
Werten eines Parameters, der die inelastische Volumenänderung
des Gesteins charakterisiert. Die Änderung der Eindringkraft über den
Eindringtiefebereich, der als 'Übergang' bezeichnet ist,
stützt
sich nicht auf ir gendwelche Modelle, sondern repräsentiert
eine Schätzung der
Kraft-Eindringtiefe-Beziehung zwischen einem Eindringtiefebereich,
wo lediglich der Nasenabschnitt des Fühlers in die Formation eindringt
(die Kraft Fp nimmt mit der Tiefe d rasch
zu), und einem Eindringtiefebereich, in dem der Nasenabschnitt vollständig in
der Formation ist (die Kraft F im Wesentlichen konstant ist).
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Eine
Analyse der Eindringdrücke
für verschiedene
Nasenkegel-Neigungswinkel und typische Gesteinseigenschaftswerte
gibt an, dass der dimensionslose Eindringdruck für realistische Werte des Grenzflächenreibungswinkels
(ψ < 30°) für stumpfe Werkzeuge
größer als
für spitze
ist. Tatsächlich
kann der maximale Eindringwiderstand(-druck), der von einem stumpfen
Fühler überwunden
werden muss, der in eine beschränkte
Formation im Bohrloch, mit anderen Worten in eine hoch komprimierte
Formation wie etwa die, die Tausende Fuß unter der Oberfläche in derzeitigen Ölbohrungen
angetroffen wird, eindringt, so hoch wie das 20-fache der Kompressionsstärke einer
nicht beschränkten
Formation sein. Die Kräfte auf
ein scharfes Werkzeug, z. B. auf einen Fühler mit einer konischen Nase
mit einem Winkel von 45° oder weniger,
während
eines quasistatischen Eindringens sind erheblich kleiner.
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Der
Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass durch Nutzung dieser Offenbarung
unter Verwendung eines Bohrwerkzeugs mit einem eindringenden Fühler, wie
er hier beschrieben wurde, Druckmessungen während des Bohrens auf unproblematische, schnelle
und zuverlässige
Weise erhalten werden können.
Die Zuverlässigkeit
des Fühlers
wird durch die Tatsache verbessert, dass der Fühler in seiner zurückgezogenen
Position in einem Hohlraum des Bohrkranzes (oder eines anderen Einsatzwerkzeugs wie
etwa einer Drahtleitungssonde) ist und vor der Bohrumgebung geschützt ist.
Außerdem
kann der Fühler
der vorliegenden Erfindung während
eines einzelnen Auslösens
mehrfach verwendet werden, um den Formationsdruck oder andere Parameter
in mehreren Bohrlochtiefen abzutasten.
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Angesichts
des Vorstehenden ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung
ganz so beschaffen ist, dass sie alle oben dargelegten Aufgaben
und Merkmale zusammen mit weiteren Aufgaben und Merkmalen, die in
der hier offenbarten Vorrichtung enthalten sind, löst bzw.
aufweist.
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Wie
für den
Fachmann auf dem Gebiet leicht klar ist, kann die vorliegende Erfindung
leicht in anderen spezifischen Formen hergestellt werden, ohne von
ihrem Erfindungsgedanken oder von ihren Grundeigenschaften abzuweichen.
Zum Beispiel kann an dem Fühlerdurchlass
eine Hydraulikverbindung vorgesehen sein, die ermöglicht,
Formationsfluidabtastwerte zu nehmen. Außerdem könnte der Fühler in verschiedenen anderen
Konfigurationen verkörpert
sein, die die Vorteile der vorliegenden Erfindung schaffen.
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Somit
wird die vorliegende Ausführungsform lediglich
als erläuternd
und nicht als einschränkend betrachtet.
Der Umfang der Erfindung ist eher durch die folgenden Ansprüche als
durch die vorstehende Beschreibung angegeben, womit alle Änderungen, die
in der Bedeutung und dem Bereich der Entsprechung der Ansprüche liegen,
darin enthalten sein sollen.
