NO157591B - Toroidalt koblet telemetrisk apparat. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et toroidalt koblet telemetrisk apparat for bruk i et borehull for telemetri av informasjon fra målinger nede i hullet under boring fra et vektrør i en borestreng ned i jordmassen og fange opp disse signaler overført gjennom grunnen, ved overflaten på ett eller flere steder nær, men i avstand fra borestrengen.

En viktig hensikt med oppfinnelsen er å oppnå en sanntids overføring av store mengder data samtidig med boringen. Dette prinsipp oetegnes av fagfolk ofte som måling-under-boring (MWD).

Målinger 1 borehullet under boringen vil muliggjøre en sikrere, mer<*> effektiv og mer økonomisk boring såvel som undersøkelse -av brønner.

Vedvarende måling av forholdene i hullet vil muliggjøre en øyeblikkelig reaksjon på eventuelle brønnstyringsproblemer. Dette vil muliggjøre bedre slamprogrammer og mer nøyaktig valg av foringsrøranlegg og eventuelt eliminasjon av behovet for en mellomforingsrørstreng eller en kledning. Oppfinnelsen vil også eliminere kostbare boreavbrudd mens det foretas en sirkulasjon for å påvise hydrokarbonforekomster, eller mens logginger foretas for å forsøke å forutsi unormale trykksoner.

Boringen vil bli hurtigere og billigere som et resultat av sann tids målinger av parametere, så som kronevekt, dreiemoment, slitasje og lagringsbetingelse. Den hurtigere inn-trengningshastighet, bedre forløpsplanlegging, reduserte utstyrsfeil, pauser for retningsbestemmelser og eliminasjon av et behov for å avbryte boringen for måling av unormale trykk, kan føre til en 5 - 15% forbedring i den totale borehastighet.

I tillegg kan målinger i hullet under boringen redusere kostnadene for forbruksartikler, så som borefluider og kroner, og kan også hjelp til å unngå herding av rør for tidlig. Hvis MWD tillater eliminasjon av et enkelt rør i f oringsrøret, kan ytterligere besparelser oppnås, da mindre hull kan bores for å nå den ønskede horisont. Da tiden for boring av en brønn kan reduseres vesentlig, kan flere brønner bores pr. år med tilgjengelige rigger. Besparelsene som er beskrevet vil være fri kapital for videre undersøkelse og utvikling av energikilder.

Kjennskap til underjordiske formasjoner vil bli forbedret. Målinger i hullet under boringen vil tillate et mer nøyaktig valg av soner for kjerneboring, og relevant informasjon om formasjonene vil bli oppnådd mens formasjonen er frisk fremkommet og minst påvirket av slamfiltratet. Videre kan avgjørelser med hensyn til fullføring og utprøving av en brønn utføres hurtigere og mer korrekt.

Det er to prinsipielle funksjoner som må utøves av et kontinuerlig MWD-system: 1) målinger i hullet og 2) data-overføring-.

Foreliggende oppfinnelse vedrører dataoverføringstrekket med MWD. I den senere tid er flere systemer blitt i hvert fall teoretisk fremlagt for å gi en overføring av data i hullet. Disse tidligere systemer kan beskrivende kjennetegnes som: 1) slamtrykkpuls, 2) isolert leder, 3) akustiske og 4) elektromagnetiske bølger.

Ved et slamtrykkpulssystem moduleres motstanden mot strøm og slam gjennom en borestreng av innretning i en ventil-og kontrollmekanisme som er montert i en spesiell borekraveenhet nær kronen.

Kommunikasjonshastigheten er hurtig, da trykkpulsen går opp slamsøylen med eller nær hastigheten for lyden i slam, eller ca. 1219 - 1524 m/sek. Imidlertid er hastigheten for overføring av målingene relativt langsom på grunn av puls-spredning, modulasjsonshastighetsbegrensninger og andre avbrytende begrensninger, så som kravet til overføring av data i relativt støyende omgivelser.

Isolerte ledere eller hårdlederforbindelse fra kronen til overflaten er en alternativ fremgangsmåte for tilveie-bringelse av kommunikasjoner nede i hullet. Fordelen med wire- eller kabelsystemer er: 1) muligheten til en høy datamengde, 2) effekt kan sendes ned i hullet og 3) toveis-kommunikasjon er mulig. Denne type system har minst to ulemper: Den krever et spesielt borerør og den krever spesielle verktøyforbindelsesdeler.

For å overvinne disse ulemper ble det utviklet en fremgangsmåte for føring av en elektrisk kobling og kabel for å passe til sensorer i en borekraveenhet. Det ugunstige eller ulempen ved denne anordning er behovet for å trekke ut kabelen, deretter erstatte den hver gang en forbindelse i et borerør tilføyes til borestrengen. I dette og lignende systemer «r den isolerte leder tilbøyelig til feil som et resultat av de slitende betingelser i slamsystemet og den slitasje som bevirkes av rotasjonen av borestrengen. Også kabeleteknikker medfører vanligvis kompliserte håndterings-problemer, særlig ved tilføying eller fjerning av forbin-delser av borerør.

Som tidligere antydet, vil overføring av akustiske eller seismiske signaler gjennom et borerør, slamsøyle eller jorden gi en annen mulighet for kommunikasjon. Ved slike systemer vil en akustisk (eller seismisk) generator bli plassert nær kronen. Effekten til denne generator vil bli tilført ned i hullet. Den meget lave intensitet for signalet som kan dannes I hullet, sammen med den akustiske støy som dannes av boresystemet, gjør en signaldeteksjon vanskelig. Reflekter-ende og refraktiv interferens som fremkommer fra forandringer av diametre og gjengeoppbyggingen ved verktøyforbindelsene, påvirker signaldempningsproblemet for borerøroverføringen. Videre er signal/støybegrensningene for hver akustisk overføringsbane ikke veldefinert.

Den siste vesentlige tidligere kjente teknikk omfatter overføring av elektromagnetiske bølger gjennom et borerør og jorden. I denne forbindelse blir elektromagnetiske pulser som bærer data fra hullet innført i et toroid plassert hosliggende til en borkrone. En primærblnding som bærer data for overføring, vikles rundt toroidet, og en sekundærvikling dannes av borerøret. En mottager blir forbundet til marken ved overflaten hvor de elektromagnetiske data tas opp og registreres.

Ved tidligere kjente borestrengtoroidutforminger er sekundærviklingen sammensatt av en vinding som dannes av en slambærende sentral spindel i borestrengen og en krage og slamstrømmen rundt utsiden av borestrengen i boreringrommet, som også fremkommer som sekundærviklingens belastning.

En vansketighet med slike tidligere kjente systemer har vært mengden av effekt som er nødvendig for å overføre de databærende signaler til overflaten. I denne forbindelse er MWD-toroider montert i sideveggene til borekranen hosliggende til borekronen, som kan være tusen meter under jordflaten. I tillegg vil størrelsen av rommet som er tilgjengelig for batterier i en borkrage være begrenset. Videre vil stør-relsen av rommet som er tilgjengelig for toroidkjerner og viklinger være begrenset. Følgelig vil det være meget ønskelig å være istand til å øke effektiviteten med hvilken en databærende strøm kan induseres i en borestreng for overføring til overflaten. Det vil videre være ønsket å tilveiebringe et toroidalt koblet MWD-system som kan drives for å overføre databærende primærstrøm til en sekundærvikling på effektiv måte, mens det fremkommer en godtagbar belast-ningsimpedans for overføreren.

Problemene og uoppnådde ønsker som er angitt i det ovenstående, er ikke ment å være utfyllende, men mer representative for de alvorlige vanskeligheter ved teknikken med overføring av borehulldata. Andre problemer kan også eksistere, men de som er angitt ovenfor bør være tilstrekkelig til å demon-strere at rommet for vesentlige forbedringer forblir på fagområdet overføring av borehulldata.

I den ovenstående forbindelse, til tross for vesentlig økonomiske oppmuntringer og vesentlige aktiviteter og teorier av tallrike interesser i denne industri, har søkeren ikke kjennskap til eksistensen av noe kommersielt tilgjengelig system for telemetrisk måling under boring av vesentlige mengder sann "tids data fra et borehull til overflaten.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å oppheve de ovennevnte ulemper ved at det tilveiebringes et nytt apparat for telemetrisk overføring av store mengder sann tids data fra et borehull til overflaten med et et toroidalt koblet telemetrisk apparat, der den normale aktivitet i brønnen kan gjennomføres samtidig med overføring av borehulldata til overflaten.

Et annet formål med oppfinnelsen er å komme frem til et toroidalt koblet telemetrisk apparat som kan drives med øket effektivitet for induksjon av dataførende strøm til en borekrage og der effektiviteten ved omformningen av primær-strøm til en sekundærstrøm økes.

En foretrukket utførelsesform for det toroidalt koblede telemetriske apparat i henhold til oppfinnelsen innbefatter en i aksialretningen avlang ringkjerne med magnetisk permeabilitet og koaksialt montert I vektrørets vegg, flere primærviklinger viklet aksialt om ringkjernens ytterplate inne i vektrørets vegg, midler plassert i vektrøret for innføring av en variabel strøm til primærviklingene, hvilken strøm bærer data fra området nede i hullet, avfølt samtidig med og under boreoperas j onen, en elektrisk Isolert sone i vektrørveggen for dannelse av elektrisk Isolasjon mellom to områder av vektrørveggen, og en sekundærvlkllngsanordning som 1 det minste er delvis aksialt viklet om ringkjernens ytterflate, for mottagelse av variable, elektriske signaler, indusert av primærviklingene og inneholdende nede-I-hullet-data som skal overføres til overflaten.

Andre trekk og detaljer ved oppfinnelsen fremgår av under-kravene og en utførelsesform for det telemetriske apparat vil bli forklart nærmere i det følgende under henvisning til tegningene der: Figur 1 er ét perspektivriss fra nedhullsenden av en bor.e-streng som innbefatter en borekrage og et toroidalt koblet MWD-system for kontinuerlig telemetrisks overføring av sann tids data til overflaten,

figur 2 er et skjematisk riss av MWD-telemetersystemet som er beskrevet-på figur 1, innbefattende et blokkdiagram av en nedhulls elektronisk pakke, som er konstruksjonsmessig plassert i borekragen og et opphulls signalopptakssystem,

figur 3 er et planriss av opphullssystemet for opptak av MWD-datasignaler,

figur 4 er et skjematisk riss med delene trukket fra hver-andre av en toroidenhet i samsvar med foreliggende oppfinnelse, innbefattende et skjematisk riss av en isolert gapanordning, og

figur. 5 er et planriss av det foreliggende toroide trådfø-ringssystem i samsvar med en foretrukket utførelse av oppfinnelsen.

Det vises nu til tegningene hvor like henvisningstall angir like deler, og det er vist forskjellige riss av et toroidalt koblet MWD-telemetrisystem i samsvar med en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse.

Før det anføres en detaljert beskrivelse av de konstruktive trekk, kan det være verd å skissere innholdet i foreliggende oppfinnelse. I denne forbindelse og under henvisning til figur 1, er det vist en vanlig rotasjonsrigg 20 som drives for boring av et borehull gjennom forskjellige jordlag. Rotas]onsriggen 20 innbefatter en mast 24 av den type som kan drives for understøttelse av en løpeblokk 26 og forskjellig heiseutstyr. Masten er understøttet på en underkonstruksjon 28 som står tvers over ringrommet og lukkehodet for boresik-ringsventilen 30. Borerøret 32 senkes fra riggen gjennom overflateforingsrøret 34 og inn i et borehull 36. Borerøret 32 forløper gjennom borehullet til en borkrage 38, som ved sin fjerntliggende ende er utstyrt med en vanlig borkrone 40. Borkronen 40 dreies av borestrengen eller en neddykket motor og trenger inn i de forskjellige Jordlag.

Borkragen 38 er utformet for å utøve en vekt på borkronen 40 for å lette inntrengning. Følgelig er slike borkrager typisk sammensatt av tykke sidevegger og er utsatt for alvorlig strekk, kompresjon, torsjon, søylebøying, sjokk og vibra-sjonsbelastning. I foreliggende system tjener borkragen videre til å inneholde et data overf ør ingstoroid 42, som omfatter en viklingskjerne for et nedhulls data telemetrisystem. Videre tjener den foreliggende borkrage 38 også som understøttelse for opphengning av et konsentrisk opphengt telemetrisk verktøy 44 som kan drives for å detektere og overføre data i hullet til overflaten samtidig med normal operasjon av boreutstyret.

Det telemetriske verktøy 44 er sammensatt av et antall seksjonert i serie. Mer spesielt blir en batteripakke 46 etterfulgt av en føler og elektronisk dataoverføringsseksjon 48, som er konsentrisk anbragt og elektrisk isolert fra det indre av borkragen 38 av et antall radielt forløpende fingre 50 som er sammensatt av et ettergivende dielektrisk materiale .

Det vises nå til figurene 2 og 3 hvor det er vist systemdia-grammer for et toroidalt koblet MWD-telemetrisystem. I dette system blir borkrone, omgivelses- og/eller formas]onsdata tilført til verktøydataelektronikkseksjonene 48. Denne seksjon innbefatter en av/på-styring 53, en A/D-omformer 54, en modulator 56 og en mikroprosessor 58. Et antall sensorer 60, 62 etc, plassert over borstrengen, tilfører data til elektronikkseksjonen 48.

Ved mottagelse av en truykkpulskommando 66 eller utløp for en "tiden er ute"-enhet, alt etter hva som er valgt, vil elektronikkenheten energiseres, oppta de siste data fra sensorene og begynne å overføre dataene til en effektfor-sterker 68.

Elektronikkenheten og effektforsterkeren energiseres fra nikkelkadium-batterier 70, som er utformet for å gi riktig driftsspenninger og strømmer.

Driftsdata fra elektronikkenheten sendes til effektforsterkeren 68 som danner frekvensen, effekten og faseutgangen for dataene. Dataene blir så skiftet inn til effektforsterkeren 68. Forsterkerutgangen er koblet til dataoverføringstoroidet 42 som elektrisk tilnærmet er en stor omformer, hvor borestrengen 32 er sekundærviklingen.

Signalene som sendes ut fra toroidet 42 har form av elektromagnetiske bølgefronter 52 som føres gjennom jorden. Disse bølger trenger eventuelt gjennom jordflaten og opptas av et system 72 ovenfor hullet.

Systemet 72 ovenfor hullet omfatter radielt forløpende mottagerarmer 74 av elektriske ledere. Disse ledere legges direkte på jordflaten og kan utstrekke seg 91,4 - 122 m bort fra borestedet. Selv om generelt radielle mottagerarmer 74 er plassert rundt boreplattformen, slik det fremgår av figur 3, er de ikke i elektrisk kontakt med plattformen eller boringen 20.

De radielle mottagerarmer 74 krysser de elektromagnetiske bølgefronter 52 og mater tilsvarende signaler til en signal-opptaksenhet 76 som filtrerer og stryker fremmed støy som er blitt opptatt, forsterker de tilsvarende signaler og sender dem til lavnlvåmottageren 78.

En prosessor og et fremvisningssystem 80 mottar rådataut-gangen fra mottageren, utøver eventuelle nødvendige bereg-ninger og feilkorreksjoner og fremviser dataene i et anvend-bart format.

På figur 4 og 5 er det vist delvis detaljert og delvis i skjematiske riss den tidligere anførte dataoverføringstoro-idanordning 42 som omfattes av foreliggende oppfinnelse. Toroidanordningen er sammensatt av en eller flere sylindriske deler eller krager som er plassert i området 82. Ordet "toroid" og "toroidal" er uttrykt for fagområdet i industrien og viser til sylindriske konstruksjoner i motsetning til den strenge "actuate" geometriske definisjon av et legeme dannet av en sirkel. En øvre endeblokk 86 og en nedre endeblokk 88 illustrerer utformingen av mellomtoroidene. De sylindriske toroidkjerner er sammensatt av et ferromagnetisk materiale, så som silisium, permalloy etc. Endeblokkene er sammensatt av aluminium med et isolasjonsbelegg og tjener til å holde mellomtoroidkjernene i stilling og danner endedeler for mottak av toroidvindingene.

Toroidpakken er montert om en spindel 90 som forløper opp gjennom toroidkragene. På figur 4 er imidlertid spindelen brutt bort for bedre å illustrere vindingene til toroidet. Spindelen 90 har en radielt forløpende flens 92 som hviler på og er boltet til en bunndel 94, som er forbundet, med borkragen. En tilsvarende støtteanordning, ikke vist, er anordnet over en isolert avstandsring 96 og en elektrisk koblings-blokkanordning 98 for sikkert å feste og forbinde toroidsek-sjonen 42 til borkragen 38. I realitetene blir derved toroidet en del av borkragen, og borslam strømmer i en uavbrutt bane gjennom sentrum av spindelen 90 for å tillate en kontinuerlig boreoperasjon.

Som tidligere antydet er et telemetrisk verktøy 44 utformet for å plassere i borkragen 38 og henger fra borkragen med en landingskobling 110 med radielle armer 112 forbundet til en øvre del av verktøyet 44.

Batteripakken 46 er skjematisk vist innesluttet i et øvre segment av verktøyet 44. En negativ pol på batteripakken er forbundet til verktøyet 44 som er i direkte og elektrisk forbindelse med borkragen 38 og borerøret 34, se det skjematiske riss ved 114. Den positive pol på batteripakken 46 utstrekker seg langs ledningen 116 til en datakilde, som skjematisk er angitt ved 118. Nedhullsdata som skal overføres er inngangsdata til toroidsystemet ved dette punkt. Ledningen 116 mates så til en elektrisk forbindelsesføring som skjematisk er vist ved 120. Føringen kan være en spider støtteanordning som verktøy glir inn i for å tilveiebringe en elektrisk kobling mellom ledningen 116 og den elektriske kobling 122. Ledningen passerer så gjennom en elektrisk kobling 122. Ledningen passerer så gjennom en sylindrisk isolasjonshylse 124 og forbindes direkte til en primærvikling 126 på toroidet 42. PrimærviklIngen 126 er viklet et antall ganger rundt toroidkjernedelene, slik som vist. Den andre ende av toroidets primærvikling 126 utstrekker seg gjennom den elektriske forbindelsesblokks hus 98 ved 128 og forbindes med en ytre omhylling av den elektriske forbindrelsesdel 122 som står 1 forbindelse med verktøyets ytre omhylling via ledningen 129 og således tilbake til jord i borkragen ved 114.. Sekundærdelen av toroidoverføringssystemet er sammensatt av borkragen 38 og borestrengen 32. For å forhindre et overslag gjennom borkragen, er det nødvendig å anordne en isolert sone, soom skjematisk vist ved 140, 1 serie med borkragen. Som tidligere antydet, må Imidlertid borkragen være konstruksJonsmessig robust og i stand til å motstå sterke strekkrefter i hullet, kompresjon, dreiemoment, søylebøying, vibrasjon og rystelser på en udempet basis for å gi en normal borefunksjon. Forskjellige utførelser av isolerte borkrage-deler, som kan drives for fordelaktig å isolere toroidse-kundærdelen, er beskrevet i en US patentsøknad fra McDonald, med tittelen "Insulated Drill Coilar Gap Sub Assemmbly For A Toroidal Coupled Telemetry System". Denne søknad er innle-vert på samme dag som foreliggende søknad og er overdratt i fellesskap med denne. Innholdet 1 denne søknad fra McDonald et al. er her innbefattet som referanse.

Idet man går tilbake til figur 4 og 5, er det vist en sekundærvikling på de sylindriske toroidkjerner i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Mer spesielt starter et ledende bånd 150 ved et monteringspunkt 152 på den øvre endeblokk 86, forløper langs det indre av toroidkjernekragene, bemerk særlig segment 156, ned igjennom det indre, bemerk segment 158, og ender på den nedre endeblokk 88 ved et monterlngs-punkt 160. Båndet 150 er således viklet en og en halv vinding rundt toroidkjernekragen.

Monteringspunktet 160 er direkte forbundet til spindelflensen 92, som er montert på toroidbunndelen 94. Bunndelen er i direkte elektrisk kontakt med den ytre omhylling til borkragen 38, som er elektrisk sammenhengende opp til den isolerte sone 140. Følgelig er det anordnet en andre ytre vikling for sekundærviklingen av den ytre omhylling av borkragen 38, som antydet med linjen 164 på figur 4.

Den andre ende av sekundærviklingen er forbundet til borkragen over den isolerte gapdel 140. I denne, forbindelse utstrekker det seg en monteringstapp 166 gjennom koblings-blokkhuset 98 og 1 direkte elektrisk kontakt med den første ende på den sekundære vikling 150 ved punktet 152. Tappen 166 er elektrisk forbundet gjennom kobllngsblokkhuset til den ytre omhylling til den elektriske forbindelse 122. Forbin-delsen 122 på sin side er i elektrisk forbindelse med verktøyets ytre omhylling og borkragen over den isolerte sone 140, som tidligere beskrevet i forbindelse med primærviklingen.

Etter en gjennomgåelse av den ovenstående beskrivelse av de foretrukkede utførelser av oppfinnelsen i forbindelse med tegningene, vil det være klart for fagmannen at flere vesentlige fordeler er oppnådd ved hjelp av foreliggende oppfinnelse.

Uten å forsøke å gå i detalj med alle de ønskelige trekk som er spesielle og innbefattet i ovenstående, er en hovedfordel med oppfinnelsen tilveiebringelsen av en isolert borkrage-gapdelsanordning for et toroidalt koblet telemetrisystem hvor flere viklinger er anbragt på sekundær si den. Dette vil i vesentlig grad redusere volumet av høypermeabelt jern som kreves for overføring av effekt. For eksempel er det korteste praktiske toroid for 5 Hz, 100 watt og en belastning på 0,05 ohm ca. 12 m i lengde. Ved bruk av to sekundærvik-1inger kan den samme effektivitet bli oppnådd i en enhet bare 3 m lang.

Et annet vesentlig trekk ved foreliggende oppfinnelse er anvendelsen av borkrageomhyllinger som en halv vinding av sekundær siden. I dette henseende er veggtykkelsen til en vanlig borkrage bare noen få centimeter. Tar man i betrakt-ning den alvorlig mekaniske belastning en borkrage må motstå, er det kritisk å maksimalisere den ytre omhyllings tykkelse mens det tilveiebringes rom for toroidkrager og primærviklinger. Ved tilføyelse av sekundærviklInger er enhver besparelse av plass meget fordelaktig.

I beskrivelsen av oppfinnelsen er det gjort henvisninger til foretrukkede utførelser. Fagmannen, som imidlertid er familiær med innholdet i foreliggende oppfinnelse, vil kunne se tilføyelser, forandringer, modifikasjoner, erstatninger og/eller andre forandringer som vil falle innenfor rammen for foreliggende oppfinnelse som angitt i kravene.

Claims (4)

1. Toroidalt koblet telemetrisk apparat for bruk i et borehull for telemetri av informasjon fra målinger nede i hullet under boring fra et vektrør (38) i en borestreng (32) til overflaten ved å sende elektromagnetiske signaler inn i jordmassen og fange opp disse signaler, overført gjennom grunnen, ved overflaten på et eller flere steder nær, men i en avstand fra borestrengen, karakterisert ved at det innbefatter en 1 aksialretningen avlang ringkjerne (42) med magnetisk permeabilitet og koaksialt montert i vektrørets (38) vegg, flere pr imærvikl inger (126) viklet aksialt om ringkjernens (42) ytterplate Inne I vektrørets vegg, midler (44 - 68) plassert i vektrøret (38) for Innføring av en variabel strøm til primærviklingene (126), hvilken strøm bærer data fra nede I hullet, avfølt samtidig med og under en boreoperasjon, en elektrisk Isolert sone (140) i vektrørveggen for dannelse av elektrisk isolasjon mellom to områder av vektrørveggen, og en sekundærviklingsanordning (156) som I det minste er delvis aksialt viklet om ringkjernens (42) ytterflate, for mottagelse av variable, elektriske signaler indusert av primærviklingene og inneholdende nede-i-hullet-data som skal overføres til overflaten.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at sekundærviklIngen innbefatter en og en halv vinning (150) om kjernedelen (42) og en ytterligere halv vinning tilveiebragt av vektrøret (38).

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vektrøret innbefatter en indre kjerne (90) og en ytre mantel (38), idet kjernedelen (42) er plassert mellom den nevnte Indre kjerne og mantelen.

4. Apparat ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at vektrøret innbefatter en indre kjerne (90) og en ytre mantel (38), idet kjernedelen (42) er plassert mellom den nevnte indre kjerne og mantelen.