NO316335B1

NO316335B1 - Fremgangsmåte og anordning for logging under boring

Info

Publication number: NO316335B1
Application number: NO19962372A
Authority: NO
Inventors: Gregory N Gilbert; Martin Leslie Tomek
Original assignee: Halliburton Co
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 2004-01-12
Also published as: NO962372L; NO962372D0; US5626200A; EP0747568A3; EP0747568A2; EP0747568B1

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører verktøy for logging mens det bores, samt en fremgangsmåte ved betjening av et verktøy for logging mens det bores, som angitt i ingressen til krav 1 og 5, respektivt

Verktøy for logging mens det bores (LWD) blir brukt for å tilveiebringe sanntids kvantitativ analyse av underjordiske formasjoner under den faktiske boreoperasjon Vanligvis innbefatter disse kvantitative målinger formasjonsresistivitet, nøytron- og densitetsporøsitet og akustisk utbredelsestid i formasjonene som er av interesse På grunn av den kjensgjerning at LWD-verktøystrengen er en integrert del av brønnhull-anordmngen, er det upraktisk å forbinde en kabelstreng (dvs vaierhne) fra overflaten for å levere den elektriske kraft som er krevet av de ulike LWD-komponenter

Innenfor den kjente teknikk, har det vært primært to kilder for elektrisk kraft for brønn-LWD-verktøy Disse innbefatter 1) litium battener, og 2) nedihulls turbin/altemator-krafttilførsler Litiumbattener har blitt brukt pålitelig ved både LWD- og målinger-mens-det-bores-apphkasjoner (MWD) i temmelig lang tid Hovedmanglene ved litiumbattener er 1) batteriene har en bestemt levetid, 2) de har en begrenset maksimal strømkapasitet, 3) når batteriene er "tømt", er det vanskeligheter forbundet med korrekt avhending av de tømte celler, og 4) batteriene har tilbøyelighet til å være en sikkerhetsbekymnng om de feilhåndteres På grunn av de forholdsvis store kraftbehov i moderne LWD-verktøy blir turbin/altemator-krafttilførsler vanlig benyttet I turbin/altemator-krafttilførsler bhr mekanisk kraft trukket ut fra strømmen av borefluid ved hjelp av en fluidturbm Rotasjonsutgangen fra turbinen blir koplet til inngangen til en permanentmagnet-alternator som, ved hjelp av elektronisk regulering, blir brukt til å drive LWD-verkøtystrengen Turbin/alteraator-kraftlevennger har den fordel av å levere forholdsvis store mengder elektrisk kraft Dette skyldes det faktum at strømmen av borefluid gir en ekstra stor mengde av mekanisk kraft tilgjengelig for omdanning Også, turbin/altemator kraftleveringer kan levere elektrisk kraft teoretisk så lenge som borefluid sirkulerer, som dermed forlenger brønnhull-levetiden for LWD verktøystrengen 1 GB 2 081 983 A beskrives en nedihulls turbindrevet elektrisk generator plassert i en borestreng, men som ikke omfatter en oppstrøms deflektor

Det har vært mange mangler med turbin/alternator-krafttilførsler På grunn av den kjensgjerning at turbinen trekker ut mekanisk kraft direkte fra borefluidstrømmen påstøtes vanligvis en stor erosjonsmengde på og nær inntil turbinens rotasjonselementer Avhengig av LWD-verktøystørrelsen (utvendig diameter) må et stort spenn av borefluidsrrømmng opptas For å oppta det brede strømningsspekter som vanligvis påstøtes i LWD-verktøy, må flere turbinbladarrangementer bh tilpasset turbin/altemator krafttilførselen Dette tillegger åpenbart systemets totalkostnad og eventuelt den menneskelige feil ved korrekt valg av turbinbladarrangement som er påkrevet for en gitt boretilstand (dvs strømningsmengde) Også på grunn av at turbinbladene er plassert direkte i banen for borefluidstrømmen er de ektremt utsatte for forkiling eller tilstopping av etterlatenskaper slik som røravskahng eller "lost sirculation materials" vanligvis påstøtt i boremiljøene

Som en ytterligere mangel er turbiner til vanlig benyttede nedihulls turbm-alternator-krafttilførsler utstyrt med blader som opptar hele strømmngsnngrommet Disse

"fullbonngs" turbiner er svært utsatte for tilstopping eller forkiling av rusk og rask som er tilstede i strømmen I et fremstøt for å redusere faren for ventilstopping i eksisterende turbiner er bladene i seg selv utformet med store klaringer, både radielt ved bladtuppene av turbinrotoren og aksielt mellom turbinstatoren og- rotoren, for å tillate passering av rusk og rask Som et resultat av disse store bladklannger er turbinene i seg selv forholdsvis ineffektive og svært utsatte for erosjon på grunn av dannelsen av virvler

Det foreligger et behov innenfor teknikken om et forbedret LWD-verktøy/rurbinarrangement

Det finnes et annet behov innenfor teknikken for et turbinarrangement som er mindre utsatt for forkiling eller pluggmg av rusk og rask, slik som røravskalhng eller "lost circulation materials", som vanligvis påtreffes i boremiljøene

Det Finnes til og med andre behov innenfor teknikken for et LWD-verktøyturbinarrangement som har forbedret effektivitet i forhold til tidligere kjente LWO-verktøyturbin-arrangementer

Disse og andre behov innenfor teknikken vil fremkomme for fagmannen ved en studie av denne patentspesifikasjon, innbefattende dens krav og tegninger

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et forbedret LWD-verktøy/turbinarrangement

Det er et annet formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et turbinarrangement som er mindre utsatt for forkiling eller tilstopping av rusk slik som rørflak eller "lost circulation materials" som vanligvis påtreffes i boremiljøene

Det er nok et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et LWD-verktøy turbinarrangement som har forbedret virkningsgrad i forhold til tidligere kjente LWD-verktøy turbmarrangementer

Disse og andre formål ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå for fagmannen ved en studie av denne patentspesifikasjon, innbefattende dens krav og tegninger

I samsvar med en utførelse av den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et verktøy for logging mens det bores for tilkopling til en hul borestreng for bruk i en brønnboring, hvilken streng er tilpasset for å motta et fluid som kan strømme derigjennom, hvilket er kjennetegnet ved å omfatte (a) et langstrakt verktøylegeme som delvis definerer en ringformet fluidstrømnings-passasje den som er i fluidkommunikasjon med den hule borestrengen, (b) borestrengskopling festet til en øvre ende av verktøylegemet for å kople verktøyet til borestrengen,

(c) måleelektronikk festet til verktøylegemet for å samle brønnbonngsmformasjon,

(d) en altemator festet til verktøylegemet for å generere elektnsk kraft for måleelektromkken, (e) en turbin festet til verktøylegemet, og med blader tilpasset for å bh drevet av fluidet som passerer gjennom den ringformede fluidstrømnmgspassasje, og (f) en deflektor plassert i verktøyet mellom den øvre ende og turbinen, og tilpasset til å forårsake at en del av fluidet ledes utenom turbinbladene, hvilken deflektor er en sil

I samsvar med nok en utførelse av den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt

en fremgangsmåte ved betjening av et verktøy for logging mens det bores koplet til en hul borestreng i en brønnbonng, kjennetegnet ved å innbefatte tonnene å innføre et verktøy ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, og

pumpe fluid inn i borestrengen for å drive bladene til turbinen

Fig 1 viser en illustrasjon over en typisk boreoperasjon som viser boreriggen og

et verktøy for logging mens det bores (LWD)

Fig 2 viser et forstørret smttnss av LWD-verktøyet 100 ifølge fig 11 området av kraven 16, som viser elektronikkenheten 14, turbinenheten 12, filen 30, alternatoren 38, turbinen 39 og bypassenheten 31 Fig 3 viser en illustrasjon av et forstørret isometnsk parti av LWD-verktøyet 100 ifølge fig 1 i området av kraven 16, som viser elektronikkenheten 14, turbinenheten 12, silen 30, alternatoren 38, turbinen 39 og bypassenheten 31

Den foreliggende oppfinnelse vil først bh forklart med henvisnmg til fig 1, som er en illustrasjon over en typisk boreoperasjon som viser boreriggen 42 og verktøyet 100 for logging mens det bores (LWD)

Boreriggen 42 er vanligvis en rotasjonsborengg som er godt kjent innenfor boretekmkken, og omfatter et tårn 47 som rager over bakken 5 Rotasjonsborenggen 42 er utstyrt med løftevinsj fra hvilken det henger en borestreng 2 dannet av en mengde borerør 3 som er skrudd til hverandre, og som i sin nedre ende har en borkrone 49 i den hensikt av å bore en brønnboring 8

Boreslam blir injisert i brønnboringen 8 via de hule rør 3 i borestrengen 2 Boreslam blir vanligvis sugd fra en slamgrop som kan mates med overskuddsslam fra brønnboringen 8

LWD-verktøyet 100 befinner seg nær bunnen av borestrengen 2, og kan festes til borestrengen 2 på enhver egnet måte som er kjent for fagmannen, innbefattende koplingen 44 som vist

LWD-verktøyet inkluderer LWD-verktøyhuset 37 hvon krafttilførselsenheten 10 befinner seg Selvom det ikke er vist, innbefatter verktøyet 100 enhver ønsket instrumentering for å måle formasjonsmotstanden, nøytron- og densitetsporøsiteten og akustisk bevegelsestid i formasjonene som har interesse Disse data blir behandlet i elektronikkenheten 14 Elektrisk kraft for LWD-verktøyet 100 blir levert av krafttilførselsenheten 10 som innbefatter en turbin/alternatorenhet 12 Turbin/altematorenheten 12 innbefatter en alternatorenhet 18 som har alternatoren 38 plassert inne i alternatorhuset 19 Turbin/altematorenheten 12 innbefatter videre turbinen 39, som har lagerhuset 23, turbinakselen 20, turbinstatoren 26, avskjermingen 29, tetmngsenheten 22 og turbinrotoren 28

Det vises i tillegg til fig 2 hvor det er vist et forstørret snittparti av LWD-verktøyet 100 ifølge fig 1, og i fig 3 er det vist et forstørret isometnsk parti av LWD-verktøyet 100 ifølge fig 1

Som det er vist i fig 1 til 3, er turbin/alternatorenheten 12 plassert innenfor den innvendige diameter av borekraven 16, der alternatorenheten 18 er holdt innenfor alternatorhuset 19 og turbinaksellagrene 51 og tetmngsenheten 22 holdes inne i lagerhuset 23

Turbin/altematorenheten 12 er plassert inne i kraven 16 slik at strømmen av borefluid er i nngrommet 22 dannet mellom den indre diameter av kraven 16 og utsiden av turbin/altematorenheten 12 Som vist i fig 2 strømmer slammet eller borefluidet i retning nedad som indikert med pilene M Ved en gitt strømningsmengde er den midlere hastighet på strømmen M direkte proporsjonal med tverrsnittsarealet til strømmngsnngrommet 55 I området A er strømningsnngrommet 55 avgrenset av den innvendige diameter til kraven 16 og den utvendige diameter hl alternatorhuset 19 Etter hvert som strømmen M skrider nedad til området B kommer slamstrømmen i kontakt med den slissede, konisk utformede sil/deflektor 30 Samtidig er slamstrømmen innrettet innenfor et område med øket tverrsnitts-strømningsareal, på grunn av det faktum at etterhvert som slamstrømmen fortsetter nedad langs turbin/alternatorenheten 12, i det øyeblikk at strømmen kommer i kontakt med sil/deflektoren 30, påstøter den også den reduserte utvendige diameter av lagerhuset 23 som øker det ringformede tverrsnittsareal utsatt for strømmen Denne brå økning i tverrsmttareal skaper et relativt stagnasjonsområde i strømmngsfeltet Ved dette punkt deles strømmen, en andel av strømmen fortsetter videre gjennom den koniske sil/deflektor 30 og en gjenværende del strømmer gjennom strømmngsbypassen 32 ved den utvendige diameter av bypasshylsen 34 Den andel av slamstrømmen som passerer gjennom sil/deflektoren 30 fortsetter gjennom den innvendige diameter av bypasshylsen 34 og gjennom turbinstatoren 26 og rotoren 28 ved hvilket punkt mekanisk rotasjonsenergi blir hentet ut fra strømmen for å drive alternatorenheten 38 En hovedfordel med det relative stagnasjonsområdet som strømmen utsettes for når den når sil/deflektoren 30 er at den tillater at den andel av strømmen som passerer gjennom silen å tilslutt spre seg over hele det åpne areal av silen Dette hindrer i sin tur for store lokale strømningshastigheter gjennom silen, som drastisk reduserer erosjon

Nærværet av strømningsbypassen 32 og bypasshylsen 34 tillater tilpasning av den slissede, komsk utformede sil/deflektor 30 til turbin/alternatorenheten 12 Silen/deflektoren 30 tillater kun filtrert strømning å passere gjennom turbinbladene 26 og 28, som dermed drastisk reduserer faren for tilstopping eller forkiling av rusk og rask Eventuelle partikler som er for store til å passere gjennom den slissede sil/deflektor 30 blir harmløst avledet til utsiden av bypasshylsen 34 og gjennom strømningsbypassen 32

Anvendelsen av den slissede sil/deflektor 30, som i den foreliggende oppfinnelse, hindrer etterlatenskaper generert ved boreoperasjonen fra å komme i kontakt med turbinbladene 53, og tillater dermed bruken av svært effektiv bladutforming med liten klaring I tillegg, for ytterligere å eliminere dannelsen av eroderende tuppvirvler på turbinrotoren, er en tilfestet sylindrisk tynnvegget avskjerming 29 anordnet på utsiden av rotoren 28 Denne "avskjermede" rotordesign forbedrer drastisk slitasjeegenskapene for rotoren 28 og tilstøtende gods, og øker dermed i stor utstrekning den nedihulls dnftslevetid for hele systemet

I dnft, etterhvert som fluid strømmer gjennom turbinstatoren 26 og rotoren 28, påstøtes et trykkfall i strømmen Dette betyr at trykket ved innløpet av turbinstatoren 26 er høyere enn trykket ved utgangen fra turbinrotoren 28 Dette fall i trykk over turbinbladene er relatert til den faktiske mekaniske kraft hentet ut fra strømmen av turbinen Det finnes en mimmumsterskel for den påkrevde mekaniske kraft generert av turbinen for adekvat dnft av alternatoren og dermed LWD-systemet Denne mimmumsterskel tilsvarer en minimum akseptabel strømningsmengde gjennom de aktuelle turbmblader som i den foreliggende turbin/altematorenhet 12 er 473,2 l/min På grunn av eksistensen av strømningsbypassen 32 for enhver gitt LWD-verktøystørrelse (dvs 17,15 cm, 24,13 cm) vil den faktiske strømningsmengde gjennom turbinbladene være den samme F eks kan den minimums strømningsmengde for en typisk 17,15 cm LWD- utforming være omlag 946,4 I/min, ved hvilken, på grunn av nærværet av strømingsbypassen 32, omknng 473,2 l/min passerer gjennom den koniske sil/deflektor 30 og gjennom turbinbladene 53, og de gjenværende omlag 473,2 l/min passerer gjennom strømningsbypassen 32 Likeledes kan den maksimale strømningsmengde for et typisk 17,15 cm LWD-system være omlag 2839 l/mm, ved hvilket omlag 1419,5 l/min passerer gjennom turbinen og de resterende omlag 1419,5 l/min passerer gjennom strømningsbypassen 32 Dette betyr at 117,15 cm-systemet passerer omlag 50% av strømmen gjennom turbinen 39 og omlag 50% gjennom bypassenheten 31 For å hindre for stor erosjon er strømningsbypassen oppbygd slik at tverrsnittsarealet vinkelrett på strømmen gjennom bypassen er tilstrekkelig stort til å hindre høye midlere hastigheter F eks er for 17,15 cm-utførelsen vist i fig 3 bladene 531 bypassen 32 spiralført for å skape en passende balanse i trykkfall mellom den forbiførte strømning og strømmen som passerer gjennom sil/deflektoren 30 og turbinbladene 26 og 28

For større LWD verktøydimensjoner (dvs 20,32 cm og 24,13 cm) er prosentandelen av den totale strøm som passerer gjennom turbinbladene 53 redusert sammenlignet med de 50% av strømningen benyttet 117,15 cm-utformingen F eks kan i et typisk 20,32 cm verktøy strømningsbypassen utformes slik at omlag 33% av den totale strøm passerer gjennom turbinbladene 53 og omlag 67% blir ledet utenom Som et annet eksempel er i det typiske 24,13 cm verktøy strømningsbypassen utformet slik at kun omlag 25% av den totale strømning passerer gjennom turbinbladene mens de gjenværende omlag 75% blir ledet utenom I begge eksempler, er de typiske 20,32 cm- og 24,13 cm-utforminger, er tveTTsnitts-stiørnmngsarealene for bypassarrangementene tilstrekkelige til å hindre for stor erosjon ved de respektive maksimale strømningsgrenser I hvilke som helst av de tre gitte eksempler på verktøystørrelser blir det samme strømningsområdet ledet gjennom silen/deflektoren 30 og turbinbladene 53 for kraftgenerenng Således vil den faktiske prosentandel av strømningsbypassen generelt bh variert mellom forskjellige verktøystørrelser

Claims

1 Verktøy (100) for logging-under-bonng for tilkobling til en hul borestreng (2) i en brønnboring (8), hvilken streng (2) er tilpasset for å motta et fluid som kan strømme derigjennom, hvilket verktøy (100) omfatter (a) et langstrakt verktøylegeme (37) som delvis definerer en ringformet fluidstrømningspassasje (55) den som er i fluidkommumkasjon med den hule borestrengen (2), (b) borestrengskophng (44) festet til en øvre ende av verktøylegemet (37) for å kople verktøyet (100) til borestrengen (2), (c) måleelektromkk (14) festet til verktøylegemet (37) for å samle brønnbonngs-lnformasjon, (d) en alternator (38) festet til verktøylegemet (37) for å generere elektnsk kraft for måleelektromkken (14), (e) en turbin (39) festet til verktøylegemet (37), og med blader (53) tilpasset for å bh drevet av fluidet som passerer gjennom den nngformede fluidstrømningspassasje (55), og karakterisert ved(f) en deflektor (30) plassert i verktøyet (100) mellom den øvre ende og turbinen (39), og tilpasset til å forårsake at en del av fluidet ledes utenom turbinbladene (53), hvilken deflektor (30) er en sil

2 Verktøy ifølge krav l, karakterisert ved at deflektoren (30) er en slisset sil

3 Verktøy ifølge krav 1, karakterisert ved at turbinen videre omfatter en avskjerming (29) rundt turbinbladene

4 Verktøy ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at tverrsnittsarealet til den ringformede strømningspassasjen (55) oppstrøms av deflektoren (30) er mindre enn tverrsntitsarealet til den ringformede strømningspassasjen (55) ved deflektoren (30)

5 Fremgangsmåte ved betjening av et verktøy (100) for logging-under-bonng koplet til en hul borestreng (2) i en brønnboring, karakterisert ved å innbefatte trinnene å innføre et verktøy (100) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, og pumpe fluid inn i borestrengen (2) for å drive bladene (53) til turbinen (39)