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Gebiet
der Erfindung – Diese
Erfindung bezieht sich auf das Testen von unterirdischen Formationen
oder Speichern bzw. Lagerstätten.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Isolieren eines Downhole-Speichers und zum Testen
der Formation und des Fluids des Speichers.
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Hintergrundinformationen – Während des Bohrens
eines Bohrlochs zur Erschließung
von Kohlenwasserstoffreserven werden zahlreiche unterirdische Speicher
und Formationen angetroffen. Um Informationen über die Formationen wie etwa
jene, ob die Speicher Kohlenwasserstoffe enthalten, herauszufinden,
sind Registriergeräte
in Bohrstränge
aufgenommen worden, um verschiedene Eigenschaften dieser Speicher
zu bewerten. Es sind Systeme für
die Messung während
des Bohrens (im Folgenden: MWD, measurement while drilling) entwickelt
worden, die Leitwert- und Kernstrahlungsregistriergeräte enthalten,
die einige dieser Eigenschaften ständig überwachen, während das
Bohren ausgeführt
wird. Die MWD-Systeme können
Daten erzeugen, die Daten über
das Kohlenwasserstoffvorkommen, Sättigungspegel und die Porosität umfassen.
Außerdem sind
Telemetriesysteme zur Verwendung mit den MWD-Systemen entwickelt
worden, um die Daten an die Oberfläche zu übertragen. Ein gebräuchliches
Telemetrieverfahren ist das Schlammimpulssystem, wovon sich ein
Beispiel im US-Patent 4.733.233 finden lässt. Ein Vorteil eines MWD-Systems
ist die Echtzeitanalyse der unterirdischen Speicher hinsichtlich
einer weiteren wirtschaftlichen Nutzung.
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WO
96/30628 betitelt mit "Formation
Isolation and Testing Apparatur and Method" beschreibt eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Erlangung von Proben von jungfräulichem Formationsfluid mit Hilfe
eines Arbeitsstrangs, der dazu vorgesehen ist, andere Bohrlocharbeit
wie etwa das Bohren, Wiederaufwältigungsvorgänge und
Wiedereintrittsvorgänge (Re-entry-Vorgänge) auszuführen. Ein
ausdehn- bzw. ausfahrbares Element fährt gegen die Formationswand
aus, um die jungfräuliche
Fluidprobe zu erlangen. Solange das Test- bzw. Prüfwerkzeug
im Bereitschaftszustand ist, ist das ausfahrbare Element in den
Arbeitsstrang zurückgezogen,
wo es durch eine weitere Struktur während der Betätigung des
Arbeitsstrangs geschützt
ist. Die Vorrichtung wird dazu verwendet, Bohrlochbedingungen zu
erfassen, wobei ein Arbeitsstrang verwendet wird und die vorgenommenen
Messungen dazu verwendet werden können, die Arbeitsfluideigenschaften
einzustellen, ohne den Arbeitsstrang aus dem Bohrloch herauszuziehen. Wenn
das ausfahrbare Element ein Packer ist, kann die Vorrichtung dazu
verwendet werden, zu verhindern, dass ein Rückstoß oder Kick die Oberfläche erreicht,
die Dichte des Bohrfluids einzustellen und danach die Verwendung
des Arbeitsstrangs fortzusetzen.
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Die
Erschließung
von Kohlenwasserstofffeldern erfordert große Mengen an Kapital. Vor Beginn der
Felderschließung
sollten Bohrführer
möglichst viele
Daten haben, um die Lagerstätte
hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit bewerten zu können. Trotz
der Fortschritte bei der Datenerfassung während des Bohrens mittels der
MWD-Systeme ist es häufig
erforderlich, ein weiteres Testen der Kohlenwasserstoffspeicher
durchzuführen,
um zusätzliche
Daten zu erlangen. Daher werden die Kohlenwasserstoffzonen, nachdem
das Bohrloch gebohrt worden ist, häufig mit einer weiteren Prüfeinrichtung
getestet.
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Eine
Art von Test nach dem Bohren beinhaltet das Erzeugen von Fluid aus
dem Speicher, das Sammeln von Proben, das Verschließen des
Bohrlochs und das Zulassen, dass sich der Druck auf einen statischen
Pegel aufbaut. Diese Abfolge kann bei mehreren verschiedenen Speichern
innerhalb eines gegebenen Bohrlochs mehrmals wiederholt werden. Dieser
Typ von Test ist als Druckaufbau-Test bekannt. Einer der wichtigen
Aspekte der während
eines solchen Tests gesammelten Daten beruht auf den nach dem Herabziehen
des Drucks gesammelten Druckaufbauinformationen. Aus diesen Daten können Informationen
hinsichtlich der Permeabilität und
der Größe des Speichers
abgeleitet werden. Ferner müssen
aktuelle Proben des Speicherfluids erhalten werden, wobei diese
Proben geprüft
werden müssen,
um Druck-, Volumen- und Temperaturdaten, die für die Kohlenwasserstoffverteilung
des Speichers relevant sind, zu sammeln.
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Zur
Durchführung
dieser wichtigen Tests ist es gegenwärtig notwendig, den Bohrstrang
aus dem Bohrloch herauszufahren. Danach wird ein anderes Werkzeug,
das für
das Testen entworfen ist, in das Bohrloch eingefahren. Häufig wird
ein Drahtseil (wireline) verwendet, um das Prüfwerkzeug in das Bohrloch abzusenken.
Das Prüfwerkzeug
verwendet manchmal Packer, um den Speicher zu isolieren. Es sind
zahlreiche Kommunikationseinrichtungen entworfen worden, die zur
Handhabung der Prüfbaugruppe
dienen oder alternativ eine Datenübertragung von der Prüfbaugruppe
bereitstellen. Einige jener Entwürfe
umfassen das Signalisieren mit Druckimpulsen durch das Fluid im
Bohrloch von der Erdoberfläche
aus oder von einem Bohrloch-Mikroprozessor aus, der sich in der
Prüfbaugruppe
befindet oder dieser zugeordnet ist. Alternativ kann ein Drahtseil
von der Oberfläche
aus in ein Landebehältnis
(landing receptable), das sich in der Prüfbaugruppe befindet, abgesenkt
werden und eine elektrische Signalkommunikation zwischen der Oberfläche und
der Prüfbaugruppe
hergestellt werden. Ungeachtet des Typs der gegenwärtig verwendeten
Prüfeinrichtung
und ungeachtet des Typs des verwendeten Kommunikationssystems ist
der zum Herausfahren des Bohrstrangs und zum Einfahren einer zweiten
Prüf-Bohrgarnitur
in das Bohrloch erforderliche Zeit- und Geldaufwand groß. Ferner
kann bei einem stark abweichenden bzw. abgelenkten Bohrloch kein
Drahtseil verwendet werden, um das Testen durchzuführen, da das
Prüfwerkzeug
nicht tief genug in das Bohrloch eindringen kann, um die gewünschte Formation
zu erreichen.
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Es
besteht zudem ein anders geartetes Problem, das mit den Bohrloch-Druckbedingungen,
die während
des Bohrens eintreten können,
zusammenhängt.
Um unter Beibehaltung der Sicherheit eine maximale Bohrleistung
zu erreichen, wird die Dichte des Bohrfluids berechnet, wobei diese
von der gewünschten
Beziehung zwischen dem Gewicht der Bohrschlammsäule und den Bohrlochdrücken, die angetroffen
werden, abhängt.
Da während
des Bohrens verschiedene Formationen durchdrungen werden, können sich
die Bohrlochdrücke
stark ändern. Mit
der gegenwärtig
verfügbaren
Einrichtung besteht keine Möglichkeit,
den Formationsdruck genau zu erfassen, wenn der Bohreinsatz die
Formation durchdringt. Der Formationsdruck könnte niedriger als erwartet
sein, was das Absenken der Schlammdichte zulässt, oder der Formationsdruck
könnte
höher als erwartet
sein, was möglicherweise
gar zu einem Druckrückstoß führt. Da
diese Informationen für
den Bohrführer
nicht ohne weiteres verfügbar
sind, kann folglich der Bohrschlamm hinsichtlich einer maximalen
Leistung und einer maximalen Sicherheit auf einer zu hohen oder
zu niedrigen Dichte gehalten sein.
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Daher
besteht ein Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, die
eine Druckprüfung
und eine Fluidprobenahme bei potentiellen Kohlenwasserstoffspeichern
ermöglichen,
sobald das Bohrloch in den Speicher gebohrt ist, ohne den Bohrstrang
herauszuziehen. Ferner besteht ein Bedarf nach einem Verfahren und
einer Vorrichtung, die das Einstellen der Bohrfluiddichte als Reaktion
auf Veränderungen der
Downhole- bzw. Bohrlochdrücke
ermöglichen. Schließlich besteht
noch ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, die das
Verhindern einer Eruption im Bohrloch ermöglichen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Testen
einer Formation geschaffen, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Testen einer Formation geschaffen, wie sie in Anspruch 5 beansprucht
wird.
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Die
Vorrichtung ist an einem Arbeitsstrang zur Verwendung in einem mit
Fluid gefüllten
Bohrloch angebracht. Dieser kann ein für Bohr-, Wiedereintritts- oder
Wiederaufwältigungsanwendungen
entworfener Arbeitsstrang sein. Wie es für viele dieser Anwendungen
gefordert wird, kann der Arbeitsstrang der Art sein, dass er in
stark abweichende Löcher, horizontal
oder gar bergauf gehen kann. Um die Zwecke der vorliegenden Erfindung
voll erfüllen
zu können,
muss der Arbeitsstrang der Art sein, dass er in das Bohrloch gezwungen
werden kann, anstatt wie ein Drahtseil (wireline) fallen gelassen
zu werden. Der Arbeitsstrang kann ein System für die Messung während des
Bohrens oder andere operative Elemente enthalten. Die Formationstestvorrichtung
kann Mittel zum Bewegen von Fluid wie etwa eine Pumpe, um Formationsfluid
aufzunehmen, eine nicht drehende Muffe, ein ausfahrbares Stabilisatorschwert,
ein Kernbohrvorrichtung und wenigstens einen Sensor zum Messen einer
Eigenschaft des Fluids aufweisen. Die Testvorrichtung enthält außerdem eine
Steuereinrichtung zum Steuern der verschiedenen Ventile oder Pumpen,
die zum Steuern des Fluidflusses verwendet werden. Die Sensoren sowie
die weitere Instrumentierung und Steuereinrichtung müssen von dem
Werkzeug getragen werden. Das Werkzeug kann ein Kommunikationssystem
haben, das mit der Oberfläche
kommuniziert, wobei Daten an die Oberfläche telemetriert oder in einem
Bohrloch-Speicher für
ein späteres
Abrufen gespeichert werden können.
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Das
Verfahren betrifft das Bohren eines Bohrlochs oder das erneute Eindringen
in ein solches und das Auswählen
einer geeigneten unterirdischen Formation. Der Druck oder eine andere
Eigenschaft des Fluids im Bohrloch in der Lagerstätte, dem
Gestein oder in beidem kann dann gemessen werden. Das ausdehn- bzw.
ausfahrbare Element wie etwa ein Packer oder eine Prüfsonde wird
an der Wand des Bohrlochs angesetzt, um einen Abschnitt des Bohrlochs
oder wenigstens einen Abschnitt der Bohrlochwand zu isolieren. In
der Ausführungsform
mit der nicht drehbaren Muffe kann der Bohrstrang das Drehen und
Vorwärtsbewegen
fortsetzen, wobei die Muffe während
der Durchführung
des Tests stationär gehalten
wird.
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Die
Verwendung von zwei Packern schafft in dem Bohrloch einen oberen
Ringraum, einen unteren Ringraum und einen dazwischen liegenden
Ringraum. Das Bohrlochfluid, primär Bohrschlamm, kann dann mit
der Pumpe aus dem Zwischenringraum abgesaugt werden. Außerdem kann
Druck aufgebracht werden, um die Formation zu zerbrechen. Außerdem können ausdehn-
oder ausfahrbare Elemente vorgesehen sein, um mehr als zwei durchlässige Zonen
zu isolieren. Dies ermöglicht
das Pumpen von Fluid aus einer oder mehreren Zonen in mehr als eine
andere Zone.
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Aus
der Testvorrichtung wird ein Kolben oder eine Prüfsonde ausgefahren, die die
Bohrlochwand in abdichtender Weise kontaktiert; es kann auch ein anderes
ausdehn- oder ausfahrbares Element ausgefahren werden, um eine Zone
zu schaffen, der im Wesentlichen jungfräuliches Fluid entzogen werden kann.
Dies könnte
dadurch erfolgen, dass auf einer Seite des Prüfwerkzeugs ein Fixierarm oder
eine Stabilisatorrippe ausgefahren wird, um die entgegengesetzte
Seite des Prüfwerkzeugs
in einen Kontakt mit der Bohrlochwand zu zwingen und dadurch eine
Probenöffnung
dem Formationsfluid auszusetzen. Ungeachtet der verwendeten Vorrichtung
ist das Ziel das Einrichten einer Zone jungfräulichen Formationsfluids, aus
der eine Formations- oder
Kernprobe entnommen werden kann oder in der Eigenschaften des Fluids
gemessen werden können.
Dies kann durch verschiedene Mittel vorgenommen werden. Das oben
zuerst erwähnte
Beispiel ist die Verwendung aufblasbarer bzw. befüllbarer
Packer, um einen Abschnitt des gesamten Bohrlochs zu isolieren,
und das anschließende
Absaugen von Bohrfluid aus dem isolierten Abschnitt, bis es mit
Formationsfluid gefüllt
ist. Die weiteren angegebenen Beispiele erreichen das Ziel, indem
das Element gegen eine Stelle an der Bohrlochwand ausgedehnt- oder
ausgefahren wird, wodurch die Formation direkt kontaktiert und Bohrfluid
ausgeschlossen wird.
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Ungeachtet
der verwendeten Vorrichtung muss sie so konstruiert sein, dass sie
während
der Durchführung
der primären
Operationen, für
die der Arbeitsstrang gedacht ist, wie etwa des Bohrens, des Wiedereintritts
(Re-entry) und der Wiederaufwältigung
geschützt
ist. Die ausfahrbare Sonde kann sich in das Werkzeug zurückziehen
oder durch benachbarte Stabilisatoren geschützt sein oder beides sein. Ein
Packer oder ein anderes ausdehn- oder ausfahrbares elastomeres Element
kann sich in eine Vertiefung im Werkzeug zurückziehen oder kann durch eine
Muffe oder eine andere Art von Abdeckung geschützt sein.
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Neben
dem oben erwähnten
Drucksensor kann die Formationstestvorrichtung einen Leitwertsensor
zum Messen des spe zifischen elektrischen Widerstands des Bohrlochfluids
oder andere Typen von Sensoren enthalten. Der spezifische elektrische Widerstand
des Bohrfluids unterscheidet sich deutlich vom spezifischen elektrischen
Widerstand des Formationsfluids. Der spezifische elektrische Widerstand
des aus dem Zwischenringraum zwischen zwei Packern gepumpten Fluids
kann überwacht
werden, um zu bestimmen, wann das gesamte Bohrfluid aus dem Zwischenringraum
abgesaugt ist. Wenn ein Fluss von der isolierten Formation in den
Zwischenringraum hervorgerufen wird, wird der spezifische elektrische
Widerstand des aus dem Zwischenringraum gepumpten Fluids überwacht.
Sobald sich der spezifische elektrische Widerstand des austretenden Fluids
vom spezifischen elektrischen Widerstand des Bohrlochfluids hinreichend
unterscheidet, wird angenommen, dass das Formationsfluid den Zwischenringraum
aufgefüllt
hat und der Fluss beendet ist. Dies kann auch dazu verwendet werden,
eine korrekte Abdichtung der Packer zu überprüfen, da ein Entweichen von
Bohrfluid hinter die Packer dazu führen würde, den spezifischen elektrischen
Widerstand auf dem Niveau des Bohrfluids zu halten. Andere Sensortypen,
die enthalten sein können,
sind Durchflussmessvorrichtungen, Viskositätssensoren, Dichtemessvorrichtungen,
Vorrichtungen zum Messen der dielektrischen Eigenschaft und optische
Spektroskope.
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Nach
dem Verschließen
der Formation kann der Druck im Zwischenringraum überwacht
werden. Das Pumpen kann ebenfalls wieder aufgenommen werden, um
bei einer gemessenen Fördermenge Formationsfluid
aus dem Zwischenringraum abzusaugen. Das Pumpen von Formationsfluid
und das Messen des Drucks können
wie gewünscht
aufeinander folgen, um Daten bereitzustellen, die zum Berechnen
verschiedener Eigenschaften der Formation wie etwa der Permeabilität und der
Größe verwendet werden
können.
Falls ein direkter Kontakt mit der Bohrlochwand verwendet wird,
anstatt ein Teilstück des
Bohrlochs zu isolieren, können ähnliche
Tests durchgeführt
werden, wenn Prüfkammern
in der Testvorrichtung aufgenommen sind. Die Prüfkammern können auf atmosphärischem
Druck gehalten sein, während
der Bohrstrang gedreht oder in das Bohrloch abgesenkt wird. Dann
kann, wenn das ausdehn- oder ausfahrbare Element in einen Kontakt
mit der Formation gebracht ist, wobei eine Prüföffnung bzw. ein Prüfanschluss
dem Formationsfluid ausgesetzt ist, eine Prüfkammer wahlweise mit der Prüföffnung in
Fluidverbindung gebracht werden. Da das Formationsfluid einen Druck
aufweist, der viel höher
als der atmosphärische
Druck ist, strömt
das Formationsfluid in die Prüfkammer.
In dieser Weise können
mehrere Prüfkammern
verwendet werden, um verschiedene Drucktests durchzuführen oder
Fluidproben zu entnehmen.
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In
einigen Ausführungsformen,
die ausdehnbare Packer verwenden, enthält die Formationstestvorrichtung
einen Bohrfluid-Rückströmdurchgang, der
einen Rückfluss
des Bohrfluids aus dem unteren Ringraum in den oberen Ringraum ermöglicht.
Wenigstens eine Pumpe, die eine Venturipumpe oder ein anderer geeigneter
Pumpentyp sein kann, kann ebenfalls enthalten sein, um die Bildung
eines Überdrucks
in einem Zwischenringraum zu verhindern. Das Entstehen von Überdruck
kann unerwünscht sein
wegen des möglichen
Verlustes des Packerabdichtung oder aufgrund dessen, dass der Überdruck die
Betätigung
der ausdehn- oder ausfahrbaren Elemente, die durch den Differenzdruck
zwischen der Innenbohrung des Arbeitsstrangs und dem Ringraum oder
durch eine Fluidpumpe betätigt
werden können, behindert.
Um das Entstehen eines Überdrucks
zu verhindern, wird Bohrfluid die longitudinale Innenbohrung des
Arbeitsstrangs hinab, durch das untere Ende des Arbeitsstrangs (das
im Allgemeinen der Bohrer oder Bohreinsatz ist) hindurch bis zum
Ringraum gepumpt. Dann wird das Fluid durch den Rückströmdurchgang
und die Venturipumpe gelei tet, was an dem Venturi eine Niederdruckzone
erzeugt, so dass das Fluid im Zwischenringraum auf einem Druck gehalten
wird, der niedriger als jener des Fluids im Rückströmdurchgang ist.
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Die
Vorrichtung kann außerdem
ein Zirkulations- oder Umwälzventil
zum Schließen
und Öffnen der
Innenbohrung des Arbeitsstrangs enthalten. Im Arbeitsstrang kann
eine Bypass-Klappe bzw. ein Abzweig-Ventil angeordnet sein, die
dem Zirkulationsventil funktional zugeordnet ist, um einen Fluss
von der Innenbohrung des Arbeitsstrangs zum Ringraum um den Arbeitsstrang
zuzulassen, wenn das Zirkulationsventil geschlossen ist. Diese Ventile
können während des
Betriebs der Testvorrichtung als Blow-out-preventer bzw. Bohrlochsicherung verwendet
werden.
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Falls
ein Einbruch von Speicherfluiden das Bohrloch überflutet, was manchmal als "Kick" bezeichnet wird,
umfasst das Verfahren die Schritte, in denen die ausdehnbaren Packer
gesetzt werden und danach das Zirkulationsventil in die geschlossene Stellung
versetzt wird. Die Packer werden an eine Stelle gesetzt, die sich über der
Einbruchszone befindet, damit die Einbruchszone isoliert wird. Als
Nächstes
wird die Bypass-Klappe in die geöffnete
Stellung versetzt. Dem Bohrfluid können Zusätze beigegeben werden, wodurch
sich die Dichte des Schlamms erhöht.
Der schwerere Schlamm wird den Arbeitsstrang hinab und durch die
Bypass-Klappe hindurch umgewälzt,
um den Ringraum zu füllen.
Sobald die Umwälzung
des dichteren Bohrfluids abgeschlossen ist, können die Packer gelöst und das
Zirkulationsventil geöffnet
werden. Danach kann das Bohren wieder aufgenommen werden.
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Ein
Vorteil der bevorzugten Ausführungsform umfasst
die Verwendung der Druck- und Leitwertsensoren zusammen mit dem
MWD-System, um eine Echtzeit-Datenübertragung jener Messwerte
zu ermöglichen.
Ein weiterer Vorteil ist der, dass die bevorzugte Ausführungsform
das Erlangen statischer Drücke,
den Druckaufbau und das Herabziehen des Drucks mit dem Arbeitsstrang
wie etwa einem Bohrstrang an Ort und Stelle ermöglicht. Die Berechnung der
Permeabilität
und anderer Speicherparameter anhand der Druckmesswerte kann vorgenommen werden,
ohne den Bohrstrang herauszuziehen.
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Die
Packer können
mehrmals bzw. mehrfach gesetzt werden, so dass das Testen mehrerer
Zonen möglich
ist. Indem eine Messung der Bohrlochbedingungen in Echtzeit ermöglicht wird,
können
optimale Bohrfluidbedingungen bestimmt werden, was zur Bohrlochreinigung,
Bohrlochsicherheit und Bohrgeschwindigkeit beiträgt. Wenn ein Einbruch von Speicherfluid
und Gas in das Bohrloch erfolgt, ist der hohe Druck im unteren Teil
des Bohrlochs eingeschlossen, was die Gefahr, an der Oberfläche diesen
Drücken ausgesetzt
zu sein, wesentlich verringert. Außerdem ist durch das Verschließen des
Bohrlochs unmittelbar über
der kritischen Zone der Umfang des Einbruchs in das Bohrloch wesentlich
geringer.
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Nun
werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung ausschließlich
beispielhalber und mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben,
worin:
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1 eine
Teilschnittansicht der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wie sie zusammen mit einem schwimmenden
Bohrturm verwendet würde;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, die ausdehnbare Packer enthält;
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3 eine
Schnittansicht einer Anordnung ist;
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4 eine
Schnittansicht der Anordnung von 3 bei Hinzufügung einer
Probenkammer ist;
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5 eine
Schnittansicht der Anordnung von 3 ist, die
den Strömungspfad
des Bohrfluids zeigt;
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6 eine
Schnittansicht eines Zirkulationsventils und einer Bypass-Klappe
ist, die in der bevorzugten Ausführungsform
integriert sein können;
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7 eine
Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist, die die Verwendung einer Zentrifugalpumpe zum Entleeren
des Zwischenringraums zeigt;
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8 eine
Skizze des Steuersystems und des Kommunikationssystems ist, die
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
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9 eine
Teilschnittansicht der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die mehr als zwei ausdehn- oder
ausfahrbare Elemente zeigt;
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10 eine
Teilschnittansicht der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die eine Ausführungsform der Kernbohrvorrichtung
zeigt;
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11 eine
perspektivische Ansicht der Vorrichtung der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, die eine nicht drehende Muffe zeigt;
und
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12 eine
Schnittansicht der in 11 gezeigten Aus führungsform
ist.
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In 1 ist
ein typischer Bohrturm 2 mit einem Bohrloch 4,
das sich von diesem erstreckt, gezeigt, wie es von Fachleuten auf
dem Gebiet gut verstanden wird. Der Bohrturm 2 besitzt
einen Arbeitsstrang 6, der in der gezeigten Ausführungsform
ein Bohrstrang ist. Am Arbeitsstrang 6 ist ein Bohreinsatz 8 zum
Bohren des Bohrlochs 4 angebracht. Die vorliegende Erfindung
ist auch bei anderen Typen von Arbeitssträngen nützlich und nützlich zusammen
mit einer zusammengefügten
Verrohrung sowie einer gewendelten Verrohrung oder einem anderen
Arbeitsstrang mit kleinem Durchmesser wie etwa einem Halterohr (snubbing
pipe). 1 zeigt den Bohrturm 2, wie er an einem
Bohrschiff S mit einer sich von dem Bohrschiff S zum Meeresboden
F erstreckenden Steigrohrleitung positioniert ist.
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Falls
anwendbar kann der Bohrstrang 6 einen Downhole- bzw. Bohrloch-Bohrmotor 10 aufweisen.
Oberhalb des Bohreinsatzes 8 ist im Bohrstrang 6 ein
Schlammtelemetriesystem 12 aufgenommen, das wenigstens
einen Sensor 14 wie etwa ein Kernstrahlungsmessinstrument
enthalten kann. Die Sensoren 14 erfassen Bohrloch-Eigenschaften des
Bohrlochs, der Bohrerspitze und des Speichers, wobei solche Sensoren
an sich bekannt sind. Der untere Teil der Bohrgarnitur (Bottom Hole
Assembly) enthält außerdem die
Formationstestvorrichtung 16 der bevorzugten Ausführungsform,
die im Folgenden näher beschrieben
wird. Wie zu sehen ist, sind vom Bohrloch 4 ein oder mehrere
Speicher 18 durchschnitten.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der Formationstestvorrichtung 16 in einer perspektivischen Ansicht,
mit ausdehnbaren Packern 24, 26, die in Vertiefungen
im Körper
des Werkzeugs zurückgezogen
sind. Zwischen den Packern 24, 26 sind außerdem Stabilisatorrippen 20 gezeigt,
die um den Umfang des Werkzeugs angeordnet sind und sich radial nach
außen
erstrecken. Außerdem
sind die Einlassöffnungen
zu mehreren Bohrfluid-Rückströmdurchgängen 36 und
ein Herabziehdurchgang 41 gezeigt, die noch näher beschrieben
werden.
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In 3 ist
eine Anordnung der Formationstestvorrichtung 16 in einer
zum Speicher 18 benachbarten Position gezeigt. Die Testvorrichtung 16 enthält einen
oberen ausdehnbaren Packer 24 und einen unteren ausdehnbaren
Packer 26 für
einen abdichtenden Eingriff mit der Wand des Bohrlochs 4. Die
Packer 24, 26 können durch irgendwelche an sich
bekannte Mittel ausdehnbar sein. Auf dem Fachgebiet sind aufblasbare
bzw. befüllbare
Packer bekannt, wobei das Aufblasen bzw. Befüllen durch Injizieren eines
mit Druck beaufschlagten Fluids in den Packer erfolgt. Außerdem können optionale
Abdeckungen für
die ausdehnbaren Packerelemente enthalten sein, die diese vor den
beschädigenden
Auswirkungen der Drehung im Bohrloch, dem Aufprall an der Wand des
Bohrlochs und anderen Kräften,
die während
des Bohrens oder anderer durch den Arbeitsstrang ausgeführter Arbeit
auftreten.
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Zwischen
der longitudinalen Innenbohrung 7 und einem Ausdehnungselement-Steuerventil 30 ist ein
Hochdruck-Bohrfluiddurchgang 27 ausgebildet. Ein Inflations-
bzw. Befüll-Fluiddurchgang 28 leitet Fluid
von einem ersten Anschluss des Steuerventils 30 zu den
Packern 24, 26. Der Befüll-Fluiddurchgang 28 verzweigt
in einen ersten Zweig 28A, der mit dem befüllbaren
Packer 26 verbunden ist, und einen zweiten Zweig 28B,
der mit dem befüllbaren
Packer 24 verbunden ist. Ein zweiter Anschluss des Steuerventils 30 ist
mit einem Antriebsfluiddurchgang 29 verbunden, der zu einem
im Körper
des Testwerkzeugs 16 ausgebildeten Zylinder 35 führt. Ein
dritter Anschluss des Steuerventils 30 ist mit einem Niederdruckdurchgang 31 verbunden,
der zu einem der Rückströmdurchgänge 36 führt. Alternativ
könnte
der Niederdruckdurchgang 31 zu einer Venturipumpe 38 oder
einer Zentrifugalpumpe 53 führen, die weiter unten besprochen
werden. Das Steuerventil 30 und die anderen noch zu besprechenden
Steuerelemente sind durch ein elektronisches Bohrloch-Steuersystem 100,
das in 8 zu sehen ist und im Folgenden näher besprochen
wird, betätigbar.
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Es
ist erkennbar, dass das Steuerventil 30 wahlweise so gestellt
werden kann, dass es den Zylinder 35 oder die Packer 24, 26 mit
Hochdruck-Bohrfluid, das in der longitudinalen Bohrung 7 fließt, beaufschlagt.
Dies kann dazu führen,
dass der Kolben 45 in einen Kontakt mit der Wand des Bohrlochs 4 ausfährt oder
sich die Packer 24, 26 in einen Kontakt mit der
Wand des Bohrlochs 4 ausdehnen. Sobald dieses Ausfahren
oder Ausdehnen erfolgt ist, kann ein Verstellen des Steuerventils 30 das
ausgedehnte- oder ausgefahrene Element an Ort und Stelle verriegeln.
Es ist außerdem
erkennbar, dass das Steuerventil 30 wahlweise so gestellt
werden kann, dass der Zylinder 35 oder die Packer 24, 26 mit
einem Durchgang niedrigen Drucks wie etwa dem Rückströmdurchgang 36 in Fluidverbindung
gesetzt werden. Falls in dem Zylinder 35 oder den Packern 24, 26 Federrückstellmittel
verwendet werden, wie es an sich bekannt ist, zieht sich der Kolben 45 in
den Zylinder 35 zurück,
während
sich die Packer 24, 26 in ihre jeweiligen Vertiefungen
zurückziehen.
Alternativ, wie weiter unten bei der Besprechung von 7 erläutert wird,
kann der Niederdruckdurchgang 31 mit einem Absaugmittel
wie etwa einer Pumpe verbunden werden, um den Kolben 45 in
den Zylinder 35 zurückzuziehen
oder die Packer 24, 26 in ihre Vertiefungen zurückzuziehen.
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Sobald
die befüllbaren
Packer 24, 26 befüllt worden sind, sind ein Zwischenringraum 33 und
ein unterer Ringraum 34 gebildet. Dies ist in 5 deutlicher
erkennbar. Die befüllten
Packer 24, 26 isolieren das dem zu prüfenden Speicher 18 benachbarte Bohrloch 4.
Sobald die Packer 24, 26 gegen die Wand des Bohrlochs 4 gesetzt
sind, kann ein genaues Volumen innerhalb des Zwischenringraums 33 berechnet
werden, was bei Druckprüftechniken
sinnvoll ist.
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Die
Testvorrichtung 16 enthält
außerdem
wenigstens ein Fluidsensorsystem 46, um Eigenschaften der
verschiedenen angetroffenen Fluide zu erfassen. Das Sensorsystem 46 kann
einen Leitwertsensor zum Bestimmen des spezifischen elektrischen Widerstands
enthalten. Außerdem
können
ein dielektrischer Sensor zum Erfassen der dielektrischen Eigenschaften
des Fluids und ein Drucksensor zum Erfassen des Fluiddrucks enthalten
sein. Weitere Typen von Sensoren, die integriert sein können, sind Durchflussmessvorrichtungen,
Viskositätssensoren, Dichtemessvorrichtungen
und optische Spektroskope. Außerdem
ist eine Folge von Durchgängen 40A, 40B, 40C und 40D vorgesehen,
um verschiedene Ziele zu erreichen, wie etwa das Entnehmen einer jungfräulichen
Formationsfluidprobe durch den Kolben 45, das Leiten des
Fluids zu einem Sensor 46 und das Zurückführen des Fluids zum Rückströmdurchgang 36.
Ein Probenfluiddurchgang 40A führt durch den Kolben 45 von
einer Außenfläche 47 zu
einem seitlichen Anschluss 49. An der Außenfläche 47 des
Kolbens 45 kann ein Abdichtelement vorgesehen sein, um
sicherzustellen, dass die erhaltene Probe jungfräuliches Formationsfluid ist.
Dieses isoliert tatsächlich
einen Abschnitt des Bohrlochs vom Bohrfluid oder von irgendwelchen
Schmutzstoffen oder Druckquellen.
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Wenn
der Kolben 45 aus dem Werkzeug ausgefahren ist kann sich
der seitliche Anschluss 49 auf einen seitlichen Anschluss 51 im
Zylinder 35 ausrichten. Ein Pumpeneinlassdurchgang 40B verbindet den
seitlichen Anschluss 51 des Zylinders mit dem Einlass einer
Pumpe 53. Die Pumpe 53 kann eine durch ein Turbinenrad 55 angetriebene
Zentrifugalpumpe oder eine andere geeignete Antriebsvorrichtung
sein. Das Turbinenrad 55 kann über einen Umgehungsdurchgang 84 zwischen
der longitudinalen Bohrung 7 und der Rückströmdurchgang 36 durch Strömung angetrieben
sein. Alternativ kann die Pumpe 53 ein anderer Typ einer
geeigneten Pumpe sein. Zwischen den Auslass der Pumpe 53 und
das Sensorsystem 46 ist ein Pumpenauslassdurchgang 40C geschaltet.
Zwischen den Sensor 46 und den Rückströmdurchgang 36 ist
ein Probenfluid-Rückflussdurchgang 40D geschaltet.
Der Durchgang 40D enthält
ein Ventil 48, das ihn öffnet
und schließt.
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Wie
in 4 zu sehen ist, kann ein Probensammeldurchgang 40E vorhanden
sein, der die Durchgänge 40A, 408, 40C und 40D mit
dem unteren Probenahmemodul, das allgemein bei 52 zu sehen ist,
verbindet. Der Durchgang 40E führt zu dem verstellbaren Vordrosselmittel 74 und
zur Probenkammer 56 für
das Sammeln einer Probe. Der Probensammeldurchgang 40E enthält ein Kammereinlassventil 58 zum Öffnen und
Schließen
des Eintritts in die Probenkammer 56. Die Probenkammer 56 kann eine
bewegliche Ablenkplatte 72 enthalten, um das Probenfluid
von einem kompressiblen Fluid wie etwa Luft zu trennen und das Absaugen
der Probe zu erleichtern, wie weiter unten besprochen wird. Außerdem ist
ein Auslassdurchgang von der Probenkammer 56 vorgesehen,
der ein Kammerauslassventil 62 enthält, das ein manuelles Ventil
sein kann. Außerdem
ist ein Probenausstoßventil 60 vorgesehen,
das ein manuelles Ventil sein kann. Die Durchgänge von den Ventilen 60 und 62 sind
mit (nicht gezeigten) äußeren Anschlüssen am
Werkzeug verbunden. Die Ventile 62 und 60 ermöglichen
das Entfernen des Probenfluids, sobald der Arbeitsstrang 6 aus
dem Bohrloch gezogen worden ist, wie weiter unten besprochen wird.
Alternativ kann die Probenkammer 56 durch Mittel, die an
sich bekannt sind, so beschaffen sein, dass sie durch ein Drahtseil
(wireline) eingeholt werden kann.
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Wenn
die Packer 24, 26 gefüllt bzw. aufgebläht sind,
dichten sie an der Wand des Bohrlochs 4 ab, wobei sie sich,
da sie sich zugunsten eines festen Sitzes weiter ausdehnen, etwas
in den Zwischenringraum 33 ausdehnen. Wenn im Zwischenringraum 33 Fluid
eingefangen ist, kann diese Ausdehnung dazu führen, dass sich der Druck im
Zwischenringraum 33 auf einen Pegel erhöht, der über dem Druck im unteren Ringraum 34 und
im oberen Ringraum 32 liegt. Zur Betätigung von ausdehn- oder ausfahrbaren
Elementen wie etwa des Kolbens 45 sollte der Druck in der
longitudinalen Bohrung 7 des Bohrstrangs 6 höher als
der Druck im Zwischenringraum 33 sein. Daher wird eine
Venturipumpe 38 verwendet, um das Entstehen eines Überdrucks
im Zwischenringraum 33 zu verhindern.
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Der
Bohrstrang 6 enthält
mehrere Bohrfluid-Rückströmdurchgänge 36,
um einen Rückfluss des
Bohrfluids vom unteren Ringraum 34 zum oberen Ringraum 32 zu
ermöglichen,
wenn die Packer 24, 26 ausgedehnt sind. In wenigstens
einem der Rückströmdurchgänge 36 ist
eine Venturipumpe 38 vorgesehen, deren Struktur so entworfen
ist, dass sie eine Niederdruckzone erzeugt, die verwendet werden kann,
um über
den Herabziehdurchgang 41 und das Herabzieh-Steuerventil 42 das
Entstehen eines Überdrucks
im Zwischenringraum 33 zu verhindern. Ähnlich könnte die Venturipumpe 38 mit
dem Niederdruckdurchgang 31 verbunden sein, so dass die durch
die Venturipumpe 38 erzeugte Niederdruckzone dazu verwendet
werden könnte,
den Kolben 45 oder die Packer 24, 26 zurückzuziehen.
Alternativ, wie weiter unten bei der Besprechung von 7 erläutert wird,
könnte
zu diesem Zweck ein anderer Pumpentyp verwendet werden.
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Wie
in 2 gezeigt ist, können mehrere Rückströmdurch gänge vorgesehen
sein. Ein Rückströmdurchgang 36 wird
dazu verwendet, die Venturipumpe 38 zu betreiben. Wie in 3 und
in 4 zu sehen ist, besitzt der Rückströmdurchgang 36 einen
im Allgemeinen konstanten Innendurchmesser, bis auf die Venturieinschnürung 70 gestoßen wird. Wie
in 5 gezeigt ist, wird das Bohrfluid die longitudinale
Bohrung 7 des Arbeitsstrangs 6 hinab gepumpt,
um in der Nähe
des unteren Endes des Bohrstrangs am Bohreinsatz 8 auszutreten
und den Ringraum hoch zurückzukehren,
wie durch die Strömungspfeile
angedeutet ist. Unter der Annahme, dass die befüllbaren Packer 24, 26 angesetzt
sind und eine Abdichtung am Bohrloch 4 erreicht worden ist,
wird die Ringraumströmung
auf die Rückströmdurchgänge 36 verteilt.
Wenn die Strömung
die Venturieinschnürung 70 erreicht,
tritt ein Druckabfall ein, so dass der Venturieffekt eine Niederdruckzone
im Venturi erzeugt. Diese Niederdruckzone kommuniziert durch den
Herabziehdurchgang 41 mit dem Zwischenringraum 33 und
verhindert jegliches Entstehen eines Überdrucks im Zwischenringraum 33.
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Der
Rückströmdurchgang 36 enthält außerdem ein
Einlassventil 39 und ein Auslassventil 80, die ihn
schließen
bzw. öffnen,
so dass der obere Ringraum 32 vom unteren Ringraum 34 isoliert
werden kann. Der Umgehungsdurchgang 84 verbindet die longitudinale
Bohrung 7 des Arbeitsstrangs 6 mit dem Rückströmdurchgang 36.
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In 6 ist
nun ein mögliches
Merkmal der bevorzugten Ausführungsform
gezeigt, wobei in dem Arbeitsstrang 6 ein Zirkulationsventil 90 zum Öffnen und
Schließen
der Innenbohrung 7 des Arbeitsstrangs 6 eingebaut
ist. Außerdem
ist eine Bypass-Klappe 92 im Neben- oder Bypass-Durchgang 94 angeordnet,
das den Fluss von der Innenbohrung 7 des Arbeitsstrangs 6 zum
oberen Ringraum 32 ermöglicht.
Das Übrige
der Formationstestvorrichtung gleicht dem, was oben beschrieben
worden ist.
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Das
Zirkulationsventil 90 und die Bypass-Klappe 92 sind
funktional dem Steuersystem 100 zugeordnet. Um das Zirkulationsventil 90 zu
betätigen,
wird ein Schlammimpulssignal nach unten in das Bohrloch übertragen,
wodurch dem Steuersystem 100 signalisiert wird, die Stellung
des Ventils 90 zu verändern.
Der gleiche Ablauf wäre
notwendig, um die Bypass-Klappe 92 zu betätigen.
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7 zeigt
ein alternatives Mittel zur Ausübung
der von der Venturipumpe 38 ausgeübten Funktionen. Der Einlass
der Zentrifugalpumpe 53 kann mit dem Herabziehdurchgang 41 und
dem Niederdruckdurchgang 31 verbunden sein. Im Pumpeneinlassdurchgang
zum Zwischenringraum bzw. zum Kolben sind ein Herabziehventil 57 und
ein Probeneinlassventil 59 vorgesehen. Der Pumpeneinlassdurchgang ist
außerdem
mit der Niederdruckseite des Steuerventils 30 verbunden.
Dies ermöglicht
die Verwendung der Pumpe 53 oder einer anderen ähnlichen Pumpe
zum Absaugen von Fluid aus dem Zwischenringraum 33 über das
Ventil 57, zum Absaugen einer Probe des Formationsfluids
direkt aus der Formation über
das Ventil 59 oder zum Aus- oder Abpumpen des Zylinders 35 oder
der Packer 24, 26.
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7 zeigt
außerdem
ein Mittel zum Beaufschlagen der Formation mit Fluiddruck entweder über den
Zwischenringraum 33 oder über das Probeneinlassventil 59.
Der Zweck des Aufbringens dieses Fluiddrucks kann entweder das Zerbrechen
der Formation oder die Vornahme einer Druckprüfung der Formation sein. Im
Einlass bzw. im Auslass der Pumpe 53 sind ein Pumpeneinlassventil 120 und
ein Pumpenauslassventil 122 vorgesehen. Das Pumpeneinlassventil 120 kann,
wie gezeigt ist, so gestellt werden, dass der Pumpeneinlass auf
den Niederdruckdurchgang 31 ausrichtet ist, wie es für die oben beschriebenen
Operationen er forderlich ist. Alternativ kann das Pumpeneinlassventil 120 vom
Steuersystem 100 um eine Viertel Umdrehung im Uhrzeigersinn
gedreht werden, um den Pumpeneinlass auf den Rückströmdurchgang 36 auszurichten. Ähnlich kann
das Pumpenauslassventil 122, wie gezeigt ist, so gestellt
werden, dass der Pumpenauslass auf den Rückströmdurchgang 36 ausgerichtet
ist, wie es für die
oben beschriebenen Operationen erforderlich ist. Alternativ kann
das Pumpenauslassventil 122 vom Steuersystem 100 um
eine Viertel Umdrehung im Uhrzeigersinn gedreht werden, um den Pumpenauslass
auf den Niederdruckdurchgang 31 auszurichten. Wenn das
Pumpeneinlassventil 120 so ausgerichtet ist, dass es den
Pumpeneinlass mit dem Rückströmdurchgang 36 verbindet,
und das Pumpenauslassventil 122 so ausgerichtet ist, dass
es den Pumpenauslass mit dem Niederdruckdurchgang 31 verbindet,
kann die Pumpe 53 betätigt
werden, um Fluid vom Rückströmdurchgang 31 abzusaugen
und die Formation über
den Niederdruckdurchgang 31 mit Druck zu beaufschlagen.
Die Beaufschlagung der Formation mit Druck kann bei geöffnetem
Probeneinlassventil 59 und geschlossenem Herabziehventil 57 durch
den ausfahrbaren Kolben 45 geschehen. Alternativ kann die
Beaufschlagung der Formation mit Druck bei geschlossenem Probeneinlassventil 59 und
geöffnetem
Herabziehventil 57 über
den Ringraum 33 geschehen.
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Wie
in 8 gezeigt ist, schließt die bevorzugte Ausführungsform
die Verwendung eines Steuersystems 100 ein, das die verschiedenen
Ventile und Pumpen steuert und die Ausgabe des Sensorsystems 46 empfängt. Das
Steuersystem 100 kann die Sensorinformationen mit dem Bohrloch-Mikroprozessor/Controller 102 verarbeiten
und die Daten zur Kommunikationsschnittstelle 104 liefern,
damit die verarbeiteten Daten mittels herkömmlicher Technik an die Oberfläche telemetriert
werden können.
Es sei angemerkt, dass verschiedene Formen von Übertragungsenergie wie etwa Schlammimpulsenergie, akustische
Energie, optische Energie oder elektromagnetische Energie verwendet
werden könnten. Die
Kommunikationsschnittstelle 104 kann durch eine Bohrloch-Stromversorgungsquelle 106 gespeist sein.
Die Energiequelle 106 speist auch das Fließlinien-Sensorsystem 46,
den Mikroprozessor/Controller 102 und die verschiedenen
Ventile und Pumpen.
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Die
Kommunikation mit der Erdoberfläche kann über den
Arbeitsstrang 6 in Form von Druckimpulsen oder anderen
Mitteln ausgeführt
werden, wie es an sich bekannt ist. Im Fall der Schlammimpulserzeugung
wird der Druckimpuls über
die Zweiwege-Kommunikationsschnittstelle 108 an der Oberfläche empfangen.
Die so empfangenen Daten werden zur Interpretation und Anzeige an
den Oberflächen-Computer 110 geliefert.
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Durch
die Kommunikationsschnittstelle 108 können Befehlssignale die Fluidsäule hinab
gesendet werden, um von der Bohrloch-Kommunikationsschnittstelle 104 empfangen
zu werden. Die so empfangenen Signale werden an den Bohrloch-Mikroprozessor/Controller 102 geliefert.
Der Controller 102 steuert dann für den Betrieb wie gewünscht die
richtigen Ventile und Pumpen an.
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Der
Bohrloch-Mikroprozessor/Controller 102 kann außerdem eine
programmierte Folge von Schritten, die auf vorgegebenen Kriterien
basieren, enthalten. Daher würde
der Controller, wenn die Bohrlochdaten wie etwa Druck, spezifischer
elektrischer Widerstand, Durchfluss, Viskosität, Dichte, Spektralanalyse
oder andere Daten von einem optischen Sensor oder Dielektrizitätskonstanten
empfangen werden, automatisch Befehlssignale über die Steuerungsmittel senden,
um die verschiedenen Ventile und Pumpen zu steuern.
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Wie
in 9 gezeigt ist, kann es nützlich sein, zwei oder mehr
Sätze ausdehnbarer
Packer zu haben, mit einer dazwischen vorgesehenen zugeordneten
Testvorrichtung 16. Ein Satz von Packern kann eine erste
Formation isolieren, während
ein weiterer Satz von Packern eine zweite Formation isolieren kann.
Die Vorrichtung kann dann verwendet werden, um Formationsfluid aus
der ersten Formation in die zweite Formation zu pumpen. Diese Funktion
kann von einem Ringraum 33 bei der ersten Formation zu einem
weiteren Ringraum 33 bei der zweiten Formation ausgeführt werden,
wobei die ausgedehnten Packer zur Isolation der Formationen verwendet
werden. In einer alternativen Anordnung kann diese Funktion über die
Probenfluiddurchgänge 40A in
den zwei Sätzen
von Testvorrichtungen 16 ausgeführt werden, wobei die ausgefahrenen
Kolben 45 zur Isolation der Formationen verwendet werden.
Wie wiederum in 7 gezeigt ist, können beispielsweise
bei der Testvorrichtung 16 des ersten Satzes das Probeneinlassventil 59 geschlossen
und das Herabziehventil 57 geöffnet sein. Wenn die Pumpeneinlass- und
Pumpenauslassventile 120, 122 wie in 7 gezeigt
ausgerichtet sind, kann die Pumpe 53 so betrieben werden,
dass sie Formationsfluid aus dem Ringraum 33 an der ersten
Formation in den Rückströmdurchgang 36 pumpt.
Der Rückströmdurchgang 36 kann
durch den Arbeitsstrang 6 zur zweiten Testvorrichtung 16 des
zweiten Satzes an der zweiten Formation führen. Dort können genau
wie bei der Testvorrichtung 16 des ersten Satzes das zweite
Probeneinlassventil 59 geschlossen und das zweite Herabziehventil 57 geöffnet sein.
Jedoch können
bei der Testvorrichtung 16 des zweiten Satzes die Pumpeneinlass-
und Pumpenauslassventile 120, 122 um eine Viertel
Umdrehung im Uhrzeigersinn gedreht sein, um zu ermöglichen,
dass die zweite Pumpe 53 das Fluid der ersten Formation
vom Rückströmdurchgang 36 über das
zweite Herabziehventil 57 und über den Ringraum 33 in
die zweite Formation pumpt. Varianten dieses Pro zesses können verwendet
werden, um Formationsfluid aus ein oder mehreren Formationen in
ein oder mehrere andere Formationen zu pumpen. Am unteren Ende des
Arbeitsstrangs 6 ist gegebenenfalls nur ein einziger ausdehnbarer
Packer zum Isolieren des unteren Ringraums erforderlich.
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Wie
in 10 gezeigt ist, kann es auch nützlich sein, eine Formations-Kernbohrvorrichtung 124 in
die Testvorrichtung 16 der bevorzugten Ausführungsform
aufzunehmen. Die Kernbohrvorrichtung 124 kann durch eine
Einrichtung, die der oben für
das Ausfahren des Kolbens 45 beschriebenen Einrichtung
gleicht, in die Formation ausgefahren werden. Die Kernbohrvorrichtung 124 kann
durch eine Turbine 126 gedreht werden, die durch Bohrfluid über die zentrale
Bohrung 7 und eine Turbineneinlassöffnung 128 betätigt wird.
Der Auslass der Turbine 126 kann über einen Auslassdurchgang 130 und
ein Turbinen-Steuerventil 132, das durch das Steuersystem 100 gesteuert
wird, erfolgen. Wenn die Packer 24, 26 ausgedehnt
sind, wird die Kernbohrvorrichtung 124 ausgefahren und
gedreht, um eine jungfräuliche Kernprobe
aus der Formation zu erhalten. Die Kernprobe kann dann in den Arbeitsstrang 6 abgesaugt werden,
wo, falls erforderlich, irgendeine chemische Analyse durchgeführt werden
kann, wobei die Kernprobe zur Extraktion nach der Rückführung der
Testvorrichtung 16 an die Oberfläche in ihrem jungfräulichen
Zustand, in dem sie das jungfräuliche
Formationsfluid enthält,
bewahrt werden kann.
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Wie
in 11 gezeigt ist, kann die Vorrichtung der bevorzugten
Ausführungsform
durch Verwendung einer gleitenden, nicht drehenden Muffe 200 modifiziert
sein, die es ermöglicht,
dass das Testen stattfindet, während
das Bohren oder eine andere Drehung des Bohrstrangs fortgesetzt
wird. An jener Seite des Prüfwerkzeugs,
die der Prüföffnung gegenüberliegt,
kann zum Zweck, die Prüföff nung gegen die
Bohrlochwand zu schieben, falls kein Kolben verwendet wird, oder
zum Zweck, das Prüfwerkzeug
im Bohrloch zu zentrieren, ein ausfahrbares Stabilisatorschwert 216 angeordnet
sein. Am Arbeitsstrang 6 können obere Stabilisatoren 220 und
untere Stabilisatoren 222 angefügt sein, um den drehenden Abschnitt
des Arbeitsstrangs getrennt zu stabilisieren.
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12 ist
eine Längsschnittsansicht
der Ausführungsform
der Testvorrichtung 16 mit einer gleitenden, nicht drehenden
Muffe 200. Die zylindrische nicht drehende Muffe 200 ist
in eine Vertiefung in der äußeren Oberfläche des
Arbeitsstrangs 6 gesetzt. Der Raum zwischen der nicht drehenden
Muffe 200 und dem Arbeitsstrang ist durch obere drehende Dichtungen 202 und
untere drehende Dichtungen 204 abgedichtet. Zum Abdichten
von Fluiddurchgängen,
die von der Innenbohrung 7 des Arbeitsstrangs 6 zur
Testvorrichtung 16 führen,
kann in Abhängigkeit von
der bestimmten Konfiguration der verwendeten Testvorrichtung eine
Anzahl weiterer drehenden Dichtungen 206, 208, 210, 212, 214 verwendet
werden. Die nicht drehende Muffe 200 ist kürzer als
die Vertiefung, in die sie gesetzt ist, um eine axiale Bewegung
des Arbeitsstrangs 6 in Bezug auf die stationäre Muffe 200 zu
ermöglichen,
wenn sich der Arbeitsstrang 6 während des Bohrens vorwärts bewegt. Zwischen
dem oberen Ende der Muffe 200 und dem oberen Ende der Vertiefung
ist eine Feder 223 vorgesehen, die die Muffe nach unten
in Bezug auf den Arbeitsstrang 6 vorbelastet.
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An
der nicht drehenden Muffe 200 können auf der zum Prüfkolben 45 oder
zur Prüföffnungsrippe 20 entgegengesetzten
Seite ein oder mehrere Stabilisatorschwerter bzw. -klingen oder
-rippen vorgesehen sein. In einem Durchgang 219, der von
der Arbeitsstrangbohrung 7 zu einer Expansionskammer 221 führt, in
der sich die ausfahrbare Rippe 216 befindet, kann ein fern
betätigtes
Rippenausfahrventil 218 vorgesehen sein. Das Öffnen des
Rippenausfahrventils 218 führt mit Druck beaufschlagtes
Bohrfluid in die Expansionskammer 221, wodurch die ausfahrbare
Rippe 216 dazu gezwungen wird, sich nach außen zu bewegen,
um die Bohrlochwand zu kontaktieren. An der ausfahrbaren Rippe 216 und
der nicht drehenden Muffe 200 können (nicht gezeigte) Stoßschultern
oder andere an sich bekannte Begrenzungsvorrichtungen vorgesehen
sein, um den Hub der ausfahrbaren Rippe 216 zu begrenzen.
Ferner kann eine (nicht gezeigte) Feder oder ein anderes Vorbelastungselement
vorgesehen sein, um die ausfahrbare Rippe 216 nach Wegnahme
des Hydraulikdrucks in ihre Lagerposition zurückzubringen.
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Im
Betrieb wird die Formationstestvorrichtung 16 in der Nähe einer
ausgewählten
Formation oder Lagerstätte
positioniert. Als Nächstes
wird mittels des Drucksensors, der innerhalb des Sensorsystems 46 vorhanden
ist, ein hydrostatischer Druck gemessen sowie der spezifische elektrische
Widerstand des Bohrfluids an der Formation bestimmt. Dies wird erreicht,
indem Fluid in das Probensystem 46 gepumpt wird und dann
angehalten wird, um den Druck und den spezifischen elektrischen
Widerstand zu messen. Die Daten werden im Bohrloch verarbeitet und
dann gespeichert oder mittels des MWD-Telemetriesystem aus dem Bohrloch
nach oben übertragen.
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Als
Nächstes
dehnt der Bohrführer
die befüllbaren
bzw. aufblähbaren
Packer 24, 26 aus und setzt diese an. Dies geschieht
durch Stationärhalten
des Arbeitsstrangs 6 und Umwälzen des Bohrfluids die Innenbohrung 7 hinab,
durch den Bohreinsatz 8 hindurch und hoch zum Ringraum.
Die Ventile 39 und 90 sind geöffnet, weshalb der Rückströmdurchgang 36 offen
ist. Das Steuerventil 30 ist so gestellt, dass der Hochdruckdurchgang 27 auf
die Befüll-Fluiddurchgänge 28A, 28B ausgerichtet
ist und Bohrfluid in die Packer 24, 26 strömen kann.
Wegen des Druckabfalls vom Innenraum der Innenbohrung 7 über den Bohreinsatz 8 zum
Ringraum ist ein großer
Druckunterschied vorhanden, um die Packer 24, 26 zu
befüllen
und eine gute Abdichtung zu verschaffen. Je höher der Durchfluss des Bohrfluids
ist, desto höher
ist der Druckabfall und desto stärker
ist die auf die Packer 24, 26 ausgeübte Ausdehnungskraft.
In der Ausführungsform
mit nicht drehender Muffe kann die Ausdehnung der Packer 24, 26 verwendet
werden, um die Drehung der Testvorrichtung 16 zu stoppen und
zu verhindern. Wenn die Packer 24, 26 zurückgezogen
sind, ruht die Muffe 200 auf dem unteren Ende der Vertiefung
im Arbeitsstrang 6. Die Packer 24, 26 werden
durch ein hydraulisches System, das durch die Bohrlochelektronik
gesteuert wird, aktiviert. Wenn sich der Arbeitsstrang 6 während des
Bohrens vorwärts
bewegt, bleibt die Muffe 200 stationär in Bezug auf das Bohrloch
und drückt
die Feder 223 zusammen. Somit ist die Muffe 200 von
der Bewegung des Arbeitsstrangs 6 im Wesentlichen entkoppelt, wodurch
die Ausführung
von Formationstestmessungen möglich
sind, ohne durch die Bewegung des Arbeitsstrangs 6 beeinflusst
zu sein. Daher besteht keine Anforderung, den Bohrprozess zu unterbrechen. Sobald
der Formationstest abgeschlossen ist, werden die Packer 24, 26 zurückgezogen.
Die Feder 223 oder eine andere auf dem Fachgebiet bekannte
Vorbelastungsvorrichtung drückt
dann die Muffe 200 gegen das untere Ende der Vertiefung
im Arbeitsstrang 6. Neben der Ausdehnung der Packer wird
ein anderes ausdehn- oder ausfahrbares Element wie etwa der Kolben 45 durch
geeignetes Stellen des Steuerventils 30 ausgefahren, um
die Wand des Bohrlochs zu kontaktieren. Wenn keine Packer ausgedehnt werden,
kann die ausfahrbare Rippe 216 allein verwendet werden,
um die nicht drehende Muffe 200 stationär zu halten.
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Das
obere Packerelement 24 kann weiter bzw. breiter als der
untere Packer 26 sein und dadurch mehr Volumen enthalten.
Folglich wird der untere Packer 26 zuerst gesetzt. Dies
kann ein Einfangen von Schutt zwischen den Packern 24, 26 verhindern.
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Die
Venturipumpe 38 kann verwendet werden, um ein Entstehen
von Überdruck
im Zwischenringraum 33 zu verhindern, oder die Zentrifugalpumpe 53 kann
betätigt
werden, um Bohrfluid aus dem Zwischenringraum 33 zu entfernen.
Dies wird durch Öffnen
des Herabziehventils 41 in der in 3 gezeigten
Anordnung oder durch Öffnen
der Ventile 82, 57 und 48 in der in 7 gezeigten
Ausführungsform erreicht.
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Wenn
das Fluid aus dem Zwischenringraum 33 gepumpt wird, können der
spezifische elektrische Widerstand und die Dielektrizitätskonstante
des abgesaugten Fluids ständig
durch das Sensorsystem 46 überwacht werden. Die so gemessenen
Daten können
im Bohrloch verarbeitet werden und über das Telemetriesystem aus
dem Bohrloch nach oben übertragen
werden. Der spezifische elektrische Widerstand und die Dielektrizitätskonstante
des hindurchströmenden
Fluids verändern
sich von jenen des Bohrfluids über
jene des Bohrfluidfiltrats zu jenen des jungfräulichen Formationsfluids.
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Um
die Formationsdruckaufbau- und Herabziehtests durchzuführen, schließt der Bohrführer das Pumpeneinlassventil 57 und
das Umgehungsventil 82. Dies stoppt die Entleerung des
Zwischenringraums 33 und ermöglicht unmittelbar, dass sich
der Druck auf den jungfräulichen
Formationsdruck aufbaut. Der Bohrführer kann das Fortsetzen des
Umwälzens
wählen,
um die Druckergebnisse aus dem Bohrloch nach oben zu telemetrieren.
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Um
eine Probe des Bohrfluids zu entnehmen, könnte der Bohrführer das
Kammereinlassventil 58 öffnen,
damit das Fluid im Durchgang 40E in die Probenkammer 56 eindringen
kann. Die Probenkammer kann leer oder mit irgendeinem kompressiblen Fluid
gefüllt
sein. Wenn die Probenkammer 56 leer ist und Umgebungsbedingungen
herrschen, wird die Ablenkplatte 72 nach unten gezwungen,
bis die Kammer 56 gefüllt
ist. Zum Regulieren des Flusses in die Kammer 56 ist ein
verstellbares Vordrosselmittel 74 enthalten. Der Zweck
des verstellbaren Vordrosselmittels 74 ist der, die Änderung
des Drucks an den Packern zu steuern, wenn die Probenkammer geöffnet wird.
Wenn kein Vordrosselmittel 74 vorhanden wäre, könnte die
Packerabdichtung infolge der plötzlichen Änderung,
die durch das Öffnen
des Probenkammer-Einlassventils 58 hervorgerufen wird,
verloren gehen. Ein weiterer Zweck des Vordrosselmittels 74 wäre das Steuern
des Prozesses des Strömens von
Fluid in das System, um zu verhindern, dass der Druck unter den
Fluid-Blasenpunkt
abfällt,
und dadurch zu verhindern, dass Gas aus dem Fluid verdampft.
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Sobald
die Kammer 56 gefüllt
ist, kann das Ventil 58 wieder geschlossen werden, was
einen weiteren Druckaufbau ermöglicht,
der durch den Drucksensor überwacht
wird. Falls erwünscht
können
mehrere Druckaufbautests durchgeführt werden, indem wiederholt
zum Zwischenringraum 33 hinab gepumpt wird oder indem wiederholt
zusätzliche
Probenkammern befüllt
werden. Die Formationspermeabilität kann berechnet werden, indem
später
die Daten des Drucks über
der Zeit wie etwa durch ein Horner-Diagramm, das an sich wohlbekannt
ist, analysiert werden. Natürlich
können
die Daten analysiert werden, bevor die Packer 24 und 26 entleert
werden. Die Probenkammer 56 könnte dazu verwendet werden,
ein festes, gesteuertes Herabziehvolumen zu erhalten. Das Volumen
an abgesaugtem Fluid könnte
auch aus einem Bohrloch-Turbinenmesser im geeigneten Durchgang erhalten
werden.
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Sobald
der Bohrführer
entweder für
das Vorwärtsbohren
oder alternativ für
das Testen eines weiteren Speichers bereit ist, können die
Packer 24, 26 entleert und zurückgezogen werden, wodurch die Testvorrichtung 16 in
einen Bereitschaftsbetriebsart zurückkehrt. Der Kolben 45,
falls er verwendet wird, kann eingefahren werden. Die Packer 24, 26 können entleert
werden, indem das Steuerventil 30 so gestellt wird, dass
der Niederdruckdurchgang 31 auf den Befülldurchgang 28 ausgerichtet
ist. Der Kolben 45 kann eingefahren werden, indem das Steuerventil 30 so
gestellt wird, dass der Niederdruckdurchgang 31 auf den
Zylinderdurchgang 29 ausgerichtet ist. Um jedoch die Packer
oder den Zylinder total zu entleeren, kann die Venturipumpe 38 oder
die Zentrifugalpumpe 53 verwendet werden.
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Die
Probenkammer 56 kann, sobald sie sich an der Oberfläche befindet,
vom Arbeitsstrang 6 getrennt werden. Um die Probenkammer
zu entleeren, wird ein Behälter
zur Aufnahme der Probe (die noch unter Formationsdruck steht) am
Auslass des Kammerauslassventils 62 angebracht. Eine Druckluftquelle
wird am Ausstoßventil 60 angebracht.
Mit dem Öffnen
des Auslassventils 62 wird der Innendruck weggenommen,
jedoch befindet sich die Probe noch immer in der Probenkammer. Die
am Ausstoßventil 60 angeschlossene
Druckluft schiebt die Ablenkplatte 72 in Richtung zum Auslassventil 62,
wodurch die Probe aus der Probenkammer 56 gezwungen wird. Die
Probenkammer kann durch erneutes Befüllen mit Wasser oder Lösungsmittel
durch das Auslassventil 62 und Hin- und Herfahren der Ablenkplatte
mittels Druckluft über
das Ausstoßventil 60 gereinigt
werden. Das Fluid kann dann hinsichtlich der Kohlenwasserstoffzahlverteilung,
des Blasenpunktdrucks oder anderer Eigenschaften analysiert werden.
Alternativ kann der Proben kammer 56 eine Sensorpackung
zugeordnet sein, damit die gleichen Messungen an der Fluidprobe,
während
sie noch im Bohrloch ist, durchgeführt werden können. Danach
kann die Probe im Bohrloch entsorgt werden.
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Sobald
der Bohrführer
entscheidet, die Bohrfluiddichte einzustellen, umfasst das Verfahren
die Schritte, in denen der hydrostatische Druck des Bohrlochs an
der Zielformation gemessen wird. Danach werden die Packer 24, 26 so
gesetzt, dass ein oberer 32, ein unterer 34 und
ein dazwischen liegender Ringraum 33 im Bohrloch gebildet
sind. Als Nächstes wird
das Bohrlochfluid aus dem Zwischenringraum 33 abgesaugt,
wie bereits beschrieben worden ist, und der Druck der Formation
im Zwischenringraum 32 gemessen. Die anderen Ausführungsformen
der ausdehn- oder
ausfahrbaren Elemente können
ebenfalls verwendet werden, um den Formationsdruck zu bestimmen.
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Das
Verfahren umfasst ferner die Schritte, in denen die Dichte des Bohrfluids
entsprechend den Druckablesungen der Formation so eingestellt wird, dass
das Schlammgewicht des Bohrfluids ziemlich genau mit dem Druckgradienten
der Formation übereinstimmt.
Dies ermöglicht
eine maximale Bohrleistung. Als Nächstes werden die befüllbaren
Packer 24, 26 entleert, wie bereits erläutert worden
ist, und wird mit einem Bohrfluid optimaler Dichte das Bohren wieder
aufgenommen.
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Der
Bohrführer
würde das
Bohren bis zu einer zweiten unterirdischen waagerechten Zone fortsetzen
und würde
dann eine weitere hydrostatische Druckmessung vornehmen, danach
die Packer 24, 26 entleeren und den Zwischenringraum 33 absaugen,
wie bereits dargelegt worden ist. Die Dichte des Bohrfluids kann
wieder entsprechend der Druckmessung eingestellt werden, während die
befüllbaren
Packer 24, 26 gelöst werden und das Bohren des
Bohrlochs bei dem korrekten Übergewicht
wieder aufgenommen werden kann.
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Die
hier beschriebene bevorzugte Ausführungsform kann auch als Blow-out-preventer
oder Bohrlochsicherung in der Nähe
des Bohreinsatzes verwendet werden. Wenn sich ein Ausbruch (Blow-out)
ereignet, würde
der Bohrführer
die befüllbaren
Packer 24, 26 setzen, das Ventil 39 in
die geschlossene Stellung versetzen und damit beginnen, das Bohrfluid
durch die offenen Ventile 80 und 82 den Arbeitsstrang
hinab umzuwälzen.
Es sei angemerkt, dass bei einer Ausbruchsverhinderungsanwendung der
Druck im unteren Ringraum 34 überwacht werden kann, indem
die Ventile 39 und 48 geöffnet und die Ventile 57, 59, 30, 82 und 80 geschlossen
werden. Der Druck im oberen Ringraum kann überwacht werden, während über die
Bypass-Klappe unter Öffnen
des Ventils 48 direkt zum Ringraum umgewälzt wird.
Außerdem
kann der Druck im Innendurchmesser 7 des Bohrstrangs während des
normalen Bohrens überwacht
werden, indem sowohl das Einlassventil 39 als auch das
Auslassventil 80 im Durchgang 36 geschlossen und
das Umgehungsventil 82 geöffnet werden, wobei alle anderen
Ventile geschlossen sind. Außerdem
würde der
Bypass-Durchgang 84 dem Bohrführer ermöglichen, Fluid höherer Dichte umzuwälzen, um
den Rückstoß oder Kick
zu kontrollieren.
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Falls
die in 6 gezeigte Ausführungsform verwendet wird,
würde alternativ
der Bohrführer
die ersten und zweiten befüllbaren
Packer 24, 26 setzen und das Zirkulationsventil 90 in
die geschlossene Stellung bringen. Die befüllbaren Packer 24, 26 werden
an eine Stelle gesetzt, die über
der Einbruchszone liegt, so dass diese isoliert ist. Die am Arbeitsstrang 6 vorhandene
Bypass-Klappe 92 wird in die geöffnete Stellung versetzt. Dem
Bohrfluid können dann
an der Oberfläche
Zusätze
hinzugegeben werden, wodurch sich die Dichte erhöht. Das schwerere Bohrfluid
wird über
die Bypass-Klappe 92 den Arbeitsstrang 6 hinab
gewälzt.
Sobald das dichtere Bohrfluid das leichtere Fluid ersetzt hat, können die befüllbaren
Packer 24, 26 gelöst und das Zirkulationsventil 90 in
die geöffnete
Stellung versetzt werden. Das Bohren kann dann wieder aufgenommen werden.
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Obwohl
die besondere Erfindung, wie sie hier im Einzelnen gezeigt und offenbart
worden ist, völlig
geeignet ist, die Aufgaben zu erfüllen und die Vorteile zu bieten,
wie sie oben angeführt
worden sind, ist diese Offenbarung selbstverständlich ein bloße Veranschaulichung
der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, wobei keine anderen Beschränkungen als jene, die in den
beigefügten
Ansprüchen
beschrieben sind, beabsichtig sind.