NO324447B1 - Lukket sloyfe-boringsenhet med elektronikk utenfor en ikke-roterende hylse - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt boringsenheter som benytter en styremekanisme. Mer spesielt angår foreliggende oppfinnelse brønnboringsenhe-ter som benytter et antall kraftpåvirkningsorganer for å føre borkronen.

Beskrivelse av beslektet teknikk

Verdifulle hydrokarbonavsétninger, slik som de som innholder olje og gass, blir ofte funnet i undergrunnsformasjoner som befinner seg mange tusen fot under jordoverflaten. For å utvinne disse hydrokarbonavsetningene blir borehull eller brønnhull boret ved å rotere en borkrone som er festet til en boringsenhet (her også kalt en "bunnhullsanordning" eller "BHA"). En slik boringsenhet er festet til brønnhullsenden av en rørledning eller borestreng sammensatt av sammenføyde, stive rør eller en fleksibel rørledning oppkveilet på en spole ("oppkveilingsrør")-Vanligvis dreier et rotasjonsbor eller en lignende overflatekilde borerøret og roterer derved den påfestede borkrone. En brønnhullsmotor, typisk en slammotor, blir brukt til å rotere borkronen når det benyttes oppkveilingsrør.

Sofistikerte boringsenheter, noen ganger kalt styrbare boringsenheter, benytter en brønnhullsmotor og en styringsmekanisme til å dirigere borkronen langs en ønsket brønnhullsbane. Slike boringsenheter innbefatter en boremotor og en ikke-roterende hylse forsynt med et antall kraftpåføringsorganer. Boremotoren er en mekanisme av turbintypen hvor borefluid under høyt trykk passerer mellom en stator og et roterende element (rotor) som er forbundet med borkronen via en aksel. Denne strømmen av borefluid under høyt trykk roterer rotoren og fremskaffer derved rotasjonskraft til den tilkoplede borkrone.

Borkronen blir styrt langs en ønsket bane ved hjelp av kraftpåføringsorgan-ene som, enten samlet eller uavhengig, påfører en kraft på veggen i brønnhullet. Den ikke-roterende hylse er vanligvis anordnet på en hjullignende måte omkring et lagerhus tilknyttet boremotoren. Disse kraftpåføringsorganene utvider seg radialt når de energiseres av en kraftkilde slik som en elektrisk innretning (f.eks. en elektrisk motor) eller en hydraulisk innretning (f.eks. en hydraulisk pumpe).

Visse styrbare boringsenheter er innrettet for å rotere borkronen ved hjelp av enten en overflatekilde eller boremotoren i brønnhullet, eller ved hjelp av begge samtidig. I disse boringsenhetene forårsaker rotasjon av borestrengen at boremotoren så vel som lagerhuset, roterer i forhold til brønnhullet. Den ikke-roterende hylse forblir imidlertid vanligvis stasjonær i forhold til brønnhullet når kraftpåfør-ingsorganene er aktivert. Grenseflaten mellom den ikke-roterende hylse og lagerhuset må således romme den relative rotasjonsbevegelse mellom disse to delene.

Styrbare boringsenheter benytter vanligvis formasjonsevalueringssensorer, føringselektronikk, motorer og pumper og annet utstyr for å styre driften av kraftpå-føringsorganene. Disse sensorene kan innbefatte akselerometere, inklinometer-gyroskoper og annet posisjons- og retnings-avfølende utstyr. Disse elektroniske innretningene er konvensjonelt plassert inne i den ikke-roterende hylse istedenfor i lagerhuset eller en annen seksjon av den styrbare boringsenhet. Plasseringen av elektronikk inne i den ikke-roterende hylse medfører et antall betraktninger.

En ikke-roterende hylse forsynt med elektronikk krever for det første at kraft- og kommunikasjons-ledninger føres over grenseflaten mellom den ikke-roterende hylse og lagerenheten. Fordi lagerheten kan rotere i forhold til den ikke-roterende hylse, må den ikke-roterende hylse og det roterende hus innbefatte en forholdsvis kompleks forbindelse over gapet mellom den roterende og den ikke-roterende overflate.

I tillegg medfører en styringsenhet som innbefatter elektriske komponenter og elektronikk i den ikke-roterende hylse, betraktninger med hensyn til støt og vibrasjon. Som kjent kan vekselvirkningen mellom borkronen og formasjonen være meget dynamisk. For å beskytte den ombordværende elektronikk blir følgelig den ikke-roterende hylse plassert i avstand fra borkronen. Økning av avstanden mellom kraftpåføringsorganene og borkronen reduserer imidlertid den momentarm som er tilgjengelig for å styre borkronen. Ut fra et praktisk standpunkt øker dermed også økningen av avstanden mellom den ikke-roterende hylse og borkronen, den kraft som kraftpåføringsorganene må generere for å tvinge borkronen i ønsket retning.

Nok en annen betraktning er at den ikke-roterende hylse må være dimen-sjonert for å romme all den ombordværende elektronikk og det elektromekaniske utstyr. De totale dimensjonene til den ikke-roterende hylse kan således være en begrensende faktor ved utformingen av en boringsenhet, og spesielt arrangementet av verktøy og utstyr i nærheten av borkronen.

WO 98/34003 angir en boresammenstilling for boring av avvikende brønn-hull, der boresammenstillingen omfatter en borekrone, en boremotor samt en sty-reanordning som er integrert i motorsammenstillingen. Styreanordningen omfatter kraftpåføringsorganer på en ytre overflate av sammenstillingen.

WO 00/28188 angir en boresammenstilling som omfatter en slammotor som roterer en borekrone samt et sett av uavhengig ekspanderbare ribber. Et stabilise-ringsorgan anordnet over ribbene tilveiebringer stabilitet.

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot å ivareta én eller flere av de ovenfor fastslåtte betraktninger vedrørende konvensjonelle styringsenheter som benyttes i forbindelse med boringsenheter.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Ifølge ett aspekt tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en boringsenhet som har en styringsenhet for å styre borkronen i en valgt retning. Styringsenheten er fortrinnsvis integrert i lagerhuset til en boremotor. Styringsenheten kan alternativt være anordnet i et separat hus som er driftsmessig og/eller strukturmessig uavhengig av boremotoren. Styringsenheten innbefatter en ikke-roterende hylse anordnet omkring en roterende husdel av BHA, en kraftkilde og en kraftkrets. Hylsen er forsynt med et antall kraftpåføringsorganer som utvider seg og trekker seg sammen for å komme inngrep med og komme ut av inngrep med borehullsveggen i brønnhullet. Kraftkilden for energisering av kraftpåføringsorganene er et lukket, hydraulisk, fluidbasert system som er lokalisert utenfor den ikke-roterende hylse. Kraftkilden er koplet til en kraftkrets som innbefatter en husseksjon og en ikke-roterende hylseseksjon. Hver seksjon innbefatter forsyningsledninger og én eller flere returledninger. Kraftkretsen innbefatter også hydrauliske glideringer og pakninger som muliggjør overføring av hydraulisk fluid over den roterende grenseflate mellom husseksjonen og den ikke-roterende hylse. Eventuelle komponenter for styring av kraftforsyningen til kraflpåføringsorganet er anordnet utenfor den ikke-roterende hylse. Kraftkildekraften for å aktivere kraftpåføringsorganet er likeledes anordnet utenfor den ikke-roterende hylse.

I en foretrukket utførelsesform innbefatter bunnhullsanordningen (BHA) en overflatestyringsénhet, én eller flere BHA-sensorer og en BHA-prosessor. BHA innbefatter kjente komponenter slik som en borestreng, et telemetrisystem, en boremotor og en borkrone. Overflatestyringsenheten og BHA-prosessoren samvirker for å lede borkronen langs en ønsket brønnbane ved å operere styringsenheten som reaksjon på parametere detektert av én eller flere BHA-sensorer og/eller overflatesensorer. BHA-sensorene er utformet for å detektere BHA-orienterings-og formasjons-data. BHA-sensorene fremskaffer data via telemetirsystemet som gjør det mulig for styringsenheten og/eller BHA-prosessoren i det minste (a) å opp-rette orienteringen av bunnhullsanordningen (BHA), (b) å sammenligne BHA-posisjonen med en ønsket brønnprofil eller -bane og/eller en målformasjon, bg (c) å avgi korrigerende instruksjoner om nødvendig, for å styre BHA'en til den ønskede brønnprofil og/eller mot målformasjonen.

I én foretrukket lukket driftsmåte innbefatter styringsenheten og BHA-prosessoren instruksjoner vedrørende den ønskede brønnprofil eller bane og/eller ønskede karakteristikker ved en målformasjon. Styringsenheten opprettholder full-stendig styring over boringsaktiviteten og sender kommandoinstruksjoner til BHA-prosessoren. BHA-prosessoren styrer retningen og fremgangen til BHA som reaksjon på data fremskaffet fra én eller flere BHA-sensorer og/eller overflatesensorer. Hvis f.eks. asimut- og inklinasjons-sensordata indikerer at BHA avviker fra den ønskede brønnbane, så justerer BHA-prosessoren automatisk kraftpåføringsorga-nene til styringsenheten på en måte som styrer BHA mot den ønskede brønnbane. Operasjonen blir gjentatt kontinuerlig eller periodisk for derved å fremskaffe et automatisk, lukket boresystem for boring av oljefeltbrønnhull med forbedrede bor-ingshastigheter og med forlenget levetid av boringsenheten.

Det skal bemerkes at eksempler på de viktigste trekk ved oppfinnelsen er blitt oppsummert ganske generelt slik at den følgende detaljerte beskrivelse kan forstås bedre, og for at bidragene til området kan anerkjennes. Det er selvsagt ytterligere trekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det følgende og som vil utgjøre grunnlaget for de vedføyde patentkrav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For å få en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse vises det til den følgende detaljerte beskrivelse av den foretrukne utførelsesform i forbindelse med de vedføyde tegninger, hvor like elementer er blitt gitt samme henvisningstall, og hvor: fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av et boresystem med en bunnhullsanordning i henhold til en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

fig. 2 viser en skjematisk tverrsnittsskisse av en foretrukket styringsenhet anvendt i forbindelse med en bunnhullsanordning;

fig. 3 illustrerer skjematisk en styringsenhet i samsvar med en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse;

fig. 4 skjematisk illustrerer en hydraulisk krets anvendt i en foretrukket utfør-elsesform av oppfinnelsen;

fig. 5 skjematisk illustrerer en alternativ hydraulisk krets benyttet i forbindelse med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; og

fig. 6 viser en tverrsnittsskisse av et eksempel på et orienteringsdeteksjons-system i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSESFORM

Foreliggende oppfinnelse angår innretninger og fremgangsmåter for å tilveiebringe robust og effektiv styring av en boringsenhet innrettet for å danne et brønnhull i en undergrunnsformasjon. Foreliggende oppfinnelse kan anvendes i forbindelse med utførelsesformer av forskjellige slag. På tegningene er det vist, og her vil det bli beskrevet i detalj, spesielle utførelsesf ormer av foreliggende oppfinnelse under den forutsetning at foreliggende beskrivelse kun skal betraktes som en eksemplifisering av prinsippene bak oppfinnelsen og ikke er ment å begrense oppfinnelsen til det som er illustrert og beskrevet her.

Det vises innledningsvis til fig. 1 hvor det er vist et skjematisk diagram av et boresystem 10 med en bunnhullsanordning (BHA) eller boringsenhet 100 vist inn-ført i et borehull 26 som er dannet i en formasjon 95. Boresystemet 10 innbefatter et konvensjonelt boretårn 11 på et dekk 12 som understøtter et rotasjonsbord 14 som dreies av en hoveddrivanordning, slik som en elektrisk motor (ikke vist) ved en ønsket rotasjonshastighet. Borestrengen 20 som innbefatter en rørledning

(borerør eller oppkveilingsrør) 22, strekker seg ned fra overflaten inn i brønnhullet 26. En rørledningsinjektor 14a blir brukt til å injisere BHA 100 inn i brønnhullet 26 når det benyttes et oppkveilingsrør. En borkrone 50 festet til borestrengen 20 bry-ter opp de geologiske formasjoner når det blir rotert for å bore borehullet 26. Borestrengen 20 er koplet til et heiseverk 30 via en drivrørskjøt 21, en svivel 28 og en linje gjennom en remskive 27. Virkemåten til heiseverket 30 og rørledningsinjekto-ren er kjent på området og blir derfor ikke beskrevet detaljert her.

Boringssystemet innbefatter også et telemetrisystem 39 og overflatesensorer, kollektivt referert til med S2. Telemetrisystemet 39 muliggjør toveis kommunikasjon mellom overflaten og boringsenheten 100. Telemetrisystemet 39 kan være slampuls-telemetri, akustisk telemetri, elektromagnetisk telemetri eller et annet egnet kommunikasjonssystem. Overflatesensorene S2 innbefatter sensorer som fremskaffer informasjon vedrørende overflatesystemparametere slik som fluid-strømningshastighet, dreiemoment og rotasjonshastigheten til borestrengen 20, rørinjeksjonshastighet og kroklast for borestrengen 20. Overflatesensorene S2 blir på passende måte posisjonert på overflateutstyret for å detektere slik informasjon. Bruken av denne informasjon vil bli diskutert nedenfor. Disse sensorene genererer signaler som er representative for deres tilsvarende parametere, hvilke signaler blir overført til en prosessor ved hjelp av en ledning, magnetisk eller akustisk kopling. Sensorene som er beskrevet generelt ovenfor, er kjent på området og blir derfor ikke beskrevet mer detaljert her.

Under boring blir et passende borefluid 31 fra en slamgrop (kilde) 32 sirku-lert under trykk gjennom borestrengen 20 ved hjelp av en slampumpe 34. Borefluidet passerer fra slampumpen 34 inn i borestrengen 20 via en trykkutjevnings-anordning 36 og fluidledningen 38. Borefluidet 31 kommer ut ved bunnen 51 av borehullet gjennom åpninger i borkronen 50. Borefluidet 31 sirkuleres opp gjennom borehullet gjennom ringrommet 23 mellom borestrengen 20 og borehullet 26 og returnerer til slamgropen 32 via en returledning 35 og borkakssilen 85 som fjer-ner borkaks fra det tilbakevendende borefluid. For å optimalisere boringsoperasjo-nen innbefatter det foretrukne boresystem 10 prosessorer som samvirker for å

styre driften av BHA 100.

Prosessorene i boresystemet 10 innbefatter en styringsenhet 40 og én eller flere BHA-prosessorer 42 som samvirker for å analysere sensordata og utføre programmerte instruksjoner for å oppnå mer effektiv boring av brønnhullet. Styringsenheten 40 og BHA-prosessoren 42 mottar signaler fra én eller flere sensorer og behandler slike signaler i henhold til programmerte instruksjoner levert til hver av de respektive prosessorer.

Overflatestyringsenheten 40 viser ønskede boreparametere og annen informasjon på en skjerm/monitor 44, som blir benyttet av en operatør til å styre bore-operasjonene. BHA-prosessoren 42 kan være posisjonert nær styringsenheten 200 (som vist på fig. 3) eller posisjonert i en annen seksjon av BHA 100 (som vist på fig. 2). Hver prosessor 40, 42 inneholder en datamaskin, et minne for lagring av data, en registreringsanordning for registrering av data og andre kjente periferien-heter.

Det vises nå til fig. 2 hvor det er vist en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse benyttet i et eksempel på en styrbar boringsenhet 100. Boringsenheten 100 innbefatter borestrengen 20, en boremotor 120, en styringsenhet 200, BHA-prosessoren 42 og borkronen 50.

Borestrengen 20 forbinder boringsenheten 100 med overflateutstyr slik som siampumper og et rotasjonsbor. Borestrengen 20 er en hul rørledning gjennom hvilken borefluid ("slam") 31 under høyt trykk blir levert til borkronen 50. Borestrengen 20 er også innrettet for å overføre en rotasjonskraft generert på overflaten til borkronen 50. Borestrengen 20 kan selvsagt utføre et antall andre oppgaver slik som å tilveiebringe vekt på borkronen for borkronen 50 og virke som et overfør-ingsmedium for akustiske telemetrisystemer (hvis slike brukes).

Boremotoren 120 utgjør en rotasjonsmessig drivkilde for borkronen 50 i brønnhullet. Boremotoren 120 inneholderen kraftseksjon 122 og en lagerenhet 124. Kraftseksjonen 122 innbefatter et kjent arrangement hvor en rotor 126 roterer i en stator 127 når et fluid under høyt trykk passerer gjennom en rekke åpninger 128 mellom rotoren 126 og statoren 127. Fluidet kan være et borefluid eller "slam" som vanligvis brukes ved boring av brønnhull, eller det kan være en gass eller en væske og gass-blanding. Rotoren er koplet til en roterbar aksel 150 for overføring av rotasjonskraft generert av boremotoren 120 til borkronen 50. Boremotoren 120 og borestrengen 20 er utformet for uavhengig å rotere borkronen 50. Borkronen 50 kan følgelig roteres på én av tre måter: rotasjon med bare borestrengen 20, rotasjon med bare boremotoren 120 og rotasjon med kombinert bruk av borestrengen 20 og boremotoren 120.

Lagerenheten 124 for boremotoren 120 tilveiebringer aksial og radial under-støttelse for borkronen 50. Lagerenheten 124 inneholder i sitt hus 130 ett eller flere egnede radial- eller aksel-lagre 132 som tilveiebringer lateral eller radial und-erstøttelse av drivakselen 150. Lagerenheten 124 inneholder også ett eller flere egnede trykklagre 133 for å tilsveiebringe aksial understøttelse (longitudinal eller langs brønnhullet) for borkronen 50. Drivakselen 150 er koplet til boremotoren 126 ved hjelp av en fleksibel aksel 134 og egnede koplinger 136. Forskjellige typer lag-erenheter er kjent på området og blir derfor ikke beskrevet mer detaljert her. Det skal bemerkes at lagerenheten 124 er blitt beskrevet som en del av boremotoren 120 bare for å følge den generelt aksepterte numenklatur på området. Lagerenheten 124 kan alternativt være en innretning som er driftsmessig og/eller konstruksjonsmessig uavhengig av boremotoren 120. Foreliggende oppfinnelse er således ikke begrenset til noen spesiell lagerkonstruksjon. Det er f.eks. ikke noe spesielt minste eller største antall radial- eller aksial-lagre som må være til stede for med fordel å anvende læren i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Styringsenheten 200 er fortrinnsvis integrert i lagerenhetshuset 130 i boringsenheter! 100. Styringsenheten 200 styrer borkronen 50 i en retning bestemt av styringsenheten 40 (fig. 1) og/eller BHA-prosessoren 42 som reaksjon på én eller flere målte brønnhullsparametere og forutbestemte retningsmodeller. Styringsenheten 200 kan alternativt være rommet i et separat hus (ikke vist) som er driftsmessig og/eller konstruksjonsmessig uavhengig av lagerenhetshuset 130.

Det vises nå til fig. 3 hvor den foretrukne styringsenhet 200 innbefatter en ikke-roterende hylse 220, en kraftkilde 230, en kraftkrets 240, et antall kraftpåfør-ingsorganer 250, pakninger 260 og en sensormodul 270. Som forklart nedenfor er eventuelle komponenter (f.eks. styringselektronikk) for styring av den kraft som leveres til kraftpåføringsorganet 250 lokalisert utenfor den ikke-roterende hylse 220. Slike komponenter kan være plassert i lagerenhetshuset 130. Det vises kort til fig. 1 hvor disse komponentene i andre utførelsesformer kan være posisjonert i et roterende organ slik som den roterende boreaksel 22, i en undermodul 102 posisjonert i nærheten boremotoren 122 (fig. 3). en tilstøtende ikke-roterende anordning 104 og/eller på andre egnede steder i boringsenheten 200. Likeledes kan den operative kraft som er nødvendig for å strekke ut og trekke sammen kraftpå-føringsorganet 250 også være anordnet i huset 130 eller ett av de tidligere disku-terte steder. Derfor er fortrinnsvis det eneste utstyr for regulering av den kraft som leveres til kraftpåføringsorganene 250 som er plassert inne i den ikke-roterende hylse 220, en del av kraftkretsen 240.

Kraftpåføringsorganene 250 beveges (f.eks. strekkes ut og trekkes sammen) for selektivt å påføre kraft på borehullsveggen 106 i brønnhullet 26. Kraftpå-føringsorganene 250 er fortrinnsvis ribber som kan aktiveres sammen (konsen-trisk) eller uavhengig (eksentrisk) for å styre borkronen 50 i en gitt retning. Kraftpå-føringsorganene 250 kan i tillegg være posisjonert ved de samme eller forskjellige inkrementale radiale avstander. Kraftpåføringsorganene 250 kan således være utformet for å tilveiebringe en valgt kraftmengde og/eller bevege seg en valgt avstand (f.eks. en radial avstand). I én utførelsesform kan en anordning, slik som piezo-elektriske elementer (ikke vist) brukes til å måle styrekraften ved kraftpåfør-ingsorganene 250. Andre konstruksjoner slik som stempler eller utvidbare blærer kan også brukes. Det er kjent at boreretningen kan reguleres ved å påføre en kraft på borkronen 50 som avviker fra tangentlinjen til borehullsaksen. Dette kan forkla-res ved bruk av et kraftparallellogram som skissert på fig. 3. Borehullets tangent-linje er den retning som den nominelle kraft (eller trykk) blir påført borkronen 50 på grunn av vekten på borkronen som vist ved pilen 142. Kraftvektoren som avviker fra denne tangentlinjen blir skapt av en sidekraft påført borkronen 50 av styrings-anordningen 200. Hvis en sidekraft slik som den som er vist ved pil 144 (ribbekraft), blir påført boringsenheten 100, skaper det en kraft 146 på borkronen 50 (kronekraft). Den resulterende kraftvektor 148 ligger så mellom kraftlinjen for vekten på kronen (kronekraften) avhengig av størrelsen på den påførte ribbekraft.

Kraftkilden 230 tilveiebringer den kraft som brukes til å aktivere ribbene 250. Kraftkilden 230 er fortrinnsvis et lukket, hydraulisk, fluidbasert system hvor bevegelsen av ribben 250 kan utføres ved hjelp av et stempel 252 som blir drevet av det hydrauliske høytrykksfluid. En separat stempelpumpe 232 styrer også uavhengig driften av hver styringsribbe 250. Hver slik pumpe 232 er fortrinnsvis en aksialstempelpumpe 232 anordnet i lagerhuset 130.

I en foretrukket utførelsesform blir stempelpumpene 232 drevet hydraulisk av boreakselen 150 (fig. 2) under anvendelse av borefluidet som strømmer gjennom lagerhuset 130. Alternativt kan en vanlig pumpe brukes til å energisere alle kraftpåføringsorganene 250.1 nok en annen utførelsesform kan kraftkilden 230 innbefatte et elektrisk kraftleveringssystem som energiserer en elektrisk motor og, f.eks., en gjenget drivaksel som er operativt forbundet med kraftpåføringsorgan-ene 250. Valget av et spesielt kraftkildearrangement er avhengig av slike faktorer som den kraftmengde som er nødvendig for å energisere kraftpåføringsorganene, kraftbehovet for annet brønnhullsutstyr og forholdene i brønnhullsmiljøet. Andre faktorer som påvirker valget av kraftkilde, vil være kjent for vanlige fagkyndige på området.

Kraftkretsen 240 sender den kraft som genereres av kraftkilden 230 til kraft-påføringsorganene 250. Når kraftkilden er et hydraulisk drevet arrangement, som beskrevet ovenfor, innbefatter kraftkretsen 240 et antall ledninger som er innrettet for å transportere høytrykksfluidet til kraftpåføringsorganene 250 og for å tilbake-føre fluidet fra kraftpåføringsorganene 250 til en sump 234 i kraftkilden 230. En kraftkrets 240 som er utformet på denne måten, innbefatter en husseksjon 241 og en ikke-roterende hylseseksjon 242. Hver seksjon 241, 242 innbefatter forsyningsledninger kollektivt betegnet med henvisningstall 243 og én eller flere returledninger kollektivt referert til med henvisningstall 244. Kraftkilden 250 kan styre én eller flere parametere for det hydrauliske fluid (f.eks. trykk eller strømningshastighet) for derved å styre kraftpåføringsorganene 250.1 et arrangement kan trykket til det fluid som leveres til kraftpåføringsorganene 250, måles ved hjelp av en trykktransduser (ikke vist) og disse målingene kan brukes til å styre kraftpåførings-organene 250.

Husseksjonen 241 innbefatter også én eller flere styreventil- og ventil-drivanordninger, kollektivt referert til med henvisningstall 246, anordnét mellom hver stempelpumpe 232 og dens tilhørende styringsribbe 250 for å styre én eller flere parametere av interesse (f.eks. trykk og/eller strømningshastighet) for det hydrauliske fluid fra denne stempelpumpen 232 til den tilhørende styringsribbe 250. Hver ventildrivanordning 246 styrer strømningshastigheten gjennom sin til-hørende styreventil 246. Ventildrivanordningen 246 kan være en solenoid, en magnetostriktiv anordning, en elektrisk motor, en piezoelektrisk anordning eller en hvilken som helst annen egnet anordning. For å levere den hydrauliske kraft eller trykket til en spesiell styringsribbe 250, blir ventildrivanordningen 246 aktivert for å tillate hydraulisk fluid å strømme til ribben 250. Hvis ventildrivanordningen 246 blir deaktivert, blir styreventilen 246 blokkert og stempelpumpen 232 kan ikke skape trykk i ribben 250.1 en foretrukket boringsmåte blir alle stempelpumper 232 drevet kontinuerlig av drivakselen 150. Ventilene og ventildrivanordningene kan også benytte proporsjonalhydraulikk.

En foretrukket fremgangsmåte for energisering av ribbene 250 benytter en arbeidssyklus. Ved denne metoden blir arbeidssyklusen til ventildrivanordningen 246 styrt av en prosessor eller styrekrets (ikke vist) anordnet på en egnet plass i boringsenheten 100. Styrekretsen kan være plassert på et hvilket som helst annet sted, innbefattende et sted over kraftseksjonen 122.

Det vises nå til fig. 4 hvor det er vist et eksempel på en kraftkrets 240. Kraftkretsen 240 innbefatter en hylsedel 242 og en husseksjon 241.1 den illustrerte ut-førelsesform innbefatter husseksjonen 241 et antall forsyningsledninger 243 og returledninger 244. Husseksjonsledninger 243 og 244 er forbundet med komple-mentære ledninger 240, 243 og 244 i hylseseksjonen 242. Fordi det er rotasjons-kontakt mellom huset 210 og hylsen 220, blir en mekanisme slik som en flerkan-als, hydraulisk svivel eller slepering 280 brukt til å forbinde ledningene i husseksjonen 241 og hylseseksjonen 242.

Hydrauliske sleperinger 280 og pakningene 282 og 284 i kraftkretsen 240 muliggjør overføring av hydraulisk høytrykks- og lavtrykks-fluid mellom kraftkilden 230 og kraftpåføringsorganene 250 ved den roterende grenseflate mellom husseksjonen 130 og den ikke-roterende hylse 220. Hydrauliske sleperinger 280 transporterer det hydrauliske høytrykksfluid fra ledningene 243 i kraftkretshusseksjonen 241 til de tilsvarende ledninger 243 i hylseseksjonen 242. Pakningene 282 og 284 hindrer lekkasje av det hydrauliske fluid og hindrer også borefluid fra å invadere kraftkretsen 240. Pakningene 282 er fortrinnsvis slam/olje-pakninger innrettet for et lavtrykksmiljø og pakningene 284 er oljepakninger innrettet for et høytrykks-miljø. Dette arrangementet tar hensyn til at det fluid som transporteres til kraftpå-føringsorganene 250 via ledningene 243, er under høyt trykk mens returledningene 244 transporterer fluider ved lavt trykk.

Man vil forstå at kraftkretsen 240 kan ha så mange forsyningsledninger 243 som det er kraftpåføringsorganer. Det vises nå til fig. 5 hvor returledningene 244 kan være modifisert for å optimalisere det totale hydrauliske arrangement. Hylseseksjonen 242 kan f.eks. konsolidere returledningene 244 fra hvert av kraftpåfør-ingsorganene 250 (fig. 6) til en enkelt ledning 245 som så kommuniserer med en enkelt returledning 244 i husseksjonen 241. Alternativt kan én eller flere forsyningsledninger 243 være utpekt for hvert av kraftpåføringsorganene 250. Den totale arkitekturen til kraftkretsen 250 er således avhengig av den kraftkilde som brukes til å drive kraftpåføringsorganene 250.

Det vises nå til fig. 2 og 3 hvor den roterende hylse 220 tilveiebringer en stasjonær base fra hvilken kraftpåføringsorganene 250 kan bringes i kontakt med borehullsveggen 106. Den ikke-roterende hylse 220 er generelt et rørformet element som er teleskopisk anordnet omkring lagerhuset 130. Hylsen 220 er i kontakt med huset 130 ved lageret 260. Lagrene 260 kan innbefatte et radiallager 262 som letter den rotasjonsmessige glidevirkning mellom hylsen 220 og huset 130, og et aksiallager 264 som absorberer de aksiale belastninger som forårsakes av skyvkraften til borkronen 50 mot borehullsveggen 106. Lagrene 260 innbefatter slamsmurte aksiallagre 260 anordnet utover på hylsen 220.

Det vises nå til fig. 3 hvor sensormodulen 270 innbefatter én eller flere BHA-sensorer Si, et BHA-orienteringsavfølingssystem og annen elektronikk som fremskaffer den informasjon som brukes av prosessorene 40,42 til å styre borkronen 50. Sensormodulen 270 leverer data som gjør det mulig for prosessorene 40, 42 i det minste (a) å etablere orienteringen til BHA 100, (b) å sammenligne BHA-posisjonen med den ønskede brønnprofil eller bane og/eller målformasjon, og (c) å avgi korrigerende instruksjoner om nødvendig for å tilbakeføre BHA 100 til den ønskede brønnprofil og/eller mot målformasjonen. BHA-sensorene Si detekterer data vedrørende: (a) formasjonsrelaterte parametere slik som formasjonsresistivi-tet, dielektristetskonstant og formasjonsporøsitet; (b) de fysiske og kjemiske egenskaper for borefluidet som befinner seg i BHA; (c) "boreparametere" eller "drifts-parametere" som innbefatter borefluidets strømningshastighet, borkronens rotasjonshastighet, dreiemoment, vekt på borkronen og skyvkraften på borkronen ("WOB"); (d) tilstanden og slitasjen til enkelte anordninger slik som slammotoren, lagerenheten, boreakselen, rørledningen og borkronen; og (e) borestrengens asimut, virkelige koordinater og retningen i brønnhullet 26 (f.eks. posisjons- og bevegelses-sensorer slik som et inklinometer, akselerometere, magnetometere eller en gyroskopisk anordning). BHA-sensorene Si kan være anordnet over leng-den av BHA 100. De ovenfor beskrevne sensorer genererer signaler som er representative for dens tilsvarende parametere av interesse, idet signalene blir overført til en prosessor ved hjelp av ledninger, magnetisk eller akustisk kopling. Sensorene som er generelt beskrevet ovenfor, er kjente på området og blir derfor ikke beskrevet mer detaljert her.

Det vises nå til fig. 6 hvor det er vist et eksempel på et orienteringsavføl-ende system 300 for å bestemme orienteringen (f.eks. verktøyflate-orienteringen) til hylsen 220 og kraftpåføringsorganene 250 i forhold til boringsenheten 100. Det orienteringsavfølende system 300 innbefatter et første organ 302 posisjonert på den ikke-roterende hylse 220 og et annet organ 304 posisjonert på det roterende hus 130. Det første organ 302 er posisjonert i en fast relasjon i forhold til ett eller flere av kraftpåføringsorganene 250 og tilveiebringer enten aktivt eller passivt en indikasjon på sin posisjon i forhold til det annet organ 304. Et foretrukket orienter-ingsavfølende system 300 innbefatter en magnet 302 posisjonert ved en kjent, forhåndsbestemt vinkelmessig orientering på den ikke-roterende hylse 220 i forhold til kraftpåføringsorganene 250. En magnetisk føler 304 som er montert på huset 130, vil komme i kontakt med magnetfeltene til magnetene under rotasjon. Fordi rotasjonshastigheten, helningen og orienteringen av huset er kjent, kan posisjonen til kraftpåføringsorganene 250 beregnes etter behov av BHA-prosessoren 42 (fig. 2 og 3). Det vil være klart for en vanlig fagkyndig på området at andre arrangementer kan brukes istedenfor magnetiske signaler. Slike andre arrangementer for å detektere orientering innbefatter induktive transdusere (lineære, variable differensialtransformatorer), spole eller Hall-sensorer og kapasitetssensorer. Også andre arrangementer kan benytte radiobølger, elektriske signaler, akustiske signaler og interfererende fysisk kontakt mellom de første og andre organer. I tillegg kan akselerometere brukes til å bestemme et utløsningspunkt i forhold til en posisjon, slik som en høy hullside, for å korrigere for verktøyflate-orientering. Dessuten kan akustiske sensorer brukes til å bestemme eksentrisiteten til enheten 100 i forhold

til brønnhullet.

Det vises nå til fig. 5 hvor sensormodulen 270 kan forsyne prosessoren 40, 42 med en indikasjon på tilstanden til styringsenheten 200 ved å overvåke kraftkilden 230 for å bestemme mengden eller størrelsen av det hydrauliske trykk (f.eks. målinger fra en trykktransduser) for et hvilket sorti helst gitt kraftpåføringsorgan og arbeidssyklusen som vedkommende kraftpåføringsorgan 250 kan underkastes. Prosessorene 40,42 kan benytte disse dataene til å bestemme den kraftmengde som kraftpåføringsorganene 250 påfører borehullsveggen 106 til enhver tid.

I én foretrukket, lukket driftsmåte innbefatter prosessorene 40, 42 instruksjoner vedrørende den ønskede brønnprofil eller bane og/eller ønskede karakteristikker for en målformasjon. Styringsenheten 40 opprettholder styring over aspek-ter ved boringsaktiviteten, slik som overvåkning av feilfunksjoner i systemet, registrering av sensordata og justering av systeminnstilling for å optimalisere, f.eks., inn-trengningshastigheten. Styringsenheten 40 overfører enten periodisk eller etter behov, kommandoinstruksjoner til BHA-prosessoren 42. Som reaksjon på kommandoinstruksjonene styrer BHA-prosessoren 42 retningen og fremføringen av BHA 100. Under et eksempel på en operasjon fremskaffer sensormodulen 270 orienter-ingsavlesninger (f.eks. asimut og inklinasjon) og data vedrørende tilstanden til kraftpåføringsorganene 250 til BHA-prosessoren 42. Ved å bruke en forutbestemt brønnhullsbane som er lagret i en minnemodul, bruker BHA-prosessoren 42 orien-terings- og tilstands-dataene til å reorientere og justere kraftpåføringsorganene 250 for å føre borkronen 50 langs den forutbestemte brønnhullsbane. Under et annet eksempel på en operasjon fremskaffer sensormodulen 270 data vedrørende en forutbestemt formasjonsparameter (f.eks. resistivitet). BHA-prosessoren 42 kan bruke disse formasjonsdataene til å bestemme hvor nær BHA 100 er en laggrense og avgi styringsinstruksjoner som hindrer BHA 100 fra å komme ut av målformasjonen. Denne automatiske styringen av BHA 100 kan innbefatte periodisk toveis telemetrikommunikasjon med styringsenheten 40 hvor BHA-prosessoren 42 over-fører valgte sensordata og behandlede data og mottar kommandoinstruksjoner. Kommandoinstruksjonene som er overført av styringsenheten 40, kan f.eks. være basert på beregninger basert på data mottatt fra overflatesensorene S2. Som nevnt tidligere tilveiebringer overflatesensorene S2 data som kan være relevante for styring av BHA 100, f.eks. dreiemoment, rotasjonshastigheten til borestrengen 20, rørledningsinjeksjonshastigheten og kroklasten. I alle fall styrer BHA-prosessoren 42 styringsenheten 200 og beregner endringen i forskyvning, kraft og andre variable som er nødvendige for å reorientere BHA 100 i den ønskede retning og reposisjonere kraftpåføringsorganene for å få BHA 100 til å bevege seg i den ønskede retning.

Som man kan se, kan boresystemet 10 være programmert for automatisk å justere én eller flere av boreparameterne til de ønskede eller beregnede parametere for fortsatte operasjoner. Man vil forstå at med denne driftsmåten sender BHA-prosessoren bare begrensede data, hvorav noen allerede er blitt behandlet, til styreenheten. Som kjent begrenser dataoverføringshastigheten til konvensjonelle telemetrisystemer den mengde med BHA-sensordata som kan overføres til styreenheten. Ved å behandle noen av sensordataene nede i hullet, blir følgelig bånd-bredden til telemetrisystemet som benyttes av boresystemet 100, bevart.

Det skal bemerkes at prosessorene 40,42 frembringer betydelig fleksibilitet ved styring av boreoperasjoner. Boresystemet 10 kan f.eks. være programmert slik at bare styreenheten 40 styrer BHA 100 og BHA-prosessoren 42 bare leverer visse behandlede sensordata til styreenheten 40. Alternativt kan prosessorene 40, 42 dele styringen av BHA 100; f.eks. kan styreenheten 40 bare ta styring over BHA 100 når visse forutbestemte parametere er tilstede. I tillegg kan boresystemet 10 være utformet slik at operatøren kan overstyre de automatiske justeringene og manuelt justere boreparameterne innenfor forutbestemte grenser for slike parametere.

Det skal også bemerkes at plassering av styringsenhetselektronikken i den roterende lagerenhet istedenfor i den ikke-roterende hylse gir større fleksibilitet med hensyn til elektronikkutforming og beskyttelse. All boringsenhet-elektronikken kan f.eks. være konsolidert i en modul som er løsbart festet inne i boringsenheten 100. Ved å plassere sensormodulen 270 og kraftkilden 230 i huset 126, blir videre den totale størrelsen til den ikke-roterende hylse 220 redusert tilsvarende. Videre kan den elektronikkfrie, ikke-roterende hylse 220 plasseres nærmere borkronen 50 fordi instrumenteringen som ellers ville være utsatt for støt og vibrasjon, blir holdt på sikker avstand inne i lagerhuset 210. Denne nærmere plasseringen øker den momentarm som er tilgjengelig for å styre borkronen 50 og reduserer også den ikke understøttede lengde av boreakselen mellom boremotoren 120 og borkronen 50.1 visse utførelsesf ormer kan en begrenset mengde med elektronikk som har valgte karakteristikker (f.eks. robust, støtbestandig, selvdrevne, osv.) være innbe-fattet i den ikke-roterende hylse 220 mens hoveddelen av elektronikken forblir i det roterende hus 210.

Man vil forstå at læren i henhold til foreliggende oppfinnelse ikke er begrenset til den spesielle utforming av boringsenheten som er beskrevet. Sensormodulen 230 kan f.eks. flyttes oppover i forhold til boremotoren. Likeledes kan kraftkilden 230 flyttes over boremotoren. Det kan også være et større eller mindre antall kraftpåføringsorganer 250.

Den foregående beskrivelse er rettet mot spesielle utførelsesf ormer av foreliggende oppfinnelse med det formål å illustrere og forklare. Fagkyndige på området vil imidlertid forstå at mange modifikasjoner og endringer av den ovenfor beskrevne utførelsesform er mulig uten å avvike fra oppfinnelsens ramme. Visse selvstendige elektronikkretser eller annet utstyr kan f.eks. være anordnet på den roterende hylse så lenge ingen kraft, kommunikasjon eller annen forbindelse mellom den ikke-roterende hylse og boresystemet er nødvendig for å drive slikt utstyr. Bruken av slike systemer kan selvsagt påvirke de driftsmessige fordeler ved foreliggende oppfinnelse. Slikt utstyr kan f.eks. begrense i hvilken grad den totale ikke-roterende hylse kan reduseres. Det er ment at de etterfølgende patentkrav skal tolkes slik at de omfatter alle slike modifikasjoner og endringer.

Claims (32)

1. Boringsenhet forsynt med en borkrone (50) for å bore et brønnhull, omfattende: (a) et roterende organ (130, 20, 22,102) koplet til borkronen; (b) en ikke-roterende hylse (220) som omgir en del av det roterende organ ved en valgt posisjon på dette, hvor hylsen har et antall kraftpåføringsorga-ner (250) der hvert organ strekker seg radialt utover for kontakt med en vegg i brønnhullet, når det forsynes med kraft; der boringsenheten er karakterisert ved: (c) en kraftkilde (230) posisjonert i det roterende organ for å levere kraft til kraftpåføringsorganene.

2. Boringsenhet ifølge krav 1, videre omfattende en prosessor (42) for å styre én av (i) en kraft utøvet mot brønnhullsveggen av kraftpåføringsorganene (250), (ii) en posisjon av kraftpåføringsorganene og (iii) bevegelse av kraftpåføringsorga-nene.

3. Boringsenhet ifølge krav 2, hvor prosessoren (42) styrer kraftpåføringsor-ganene (250) som reaksjon på målinger fra minst én sensor, hvor den minst ene sensor er utformet for å detektere én av (a) orienteringen av boringsenheten, (b) en parameter av interesse vedrørende formasjonen, og (c) en parameter av interesse vedrørende boringsenheten.

4. Boringsenhet ifølge krav 2, hvor prosessoren (42) er programmert for å styre boringsenheten på en lukket sløyfe-måte.

5. Boringsenhet ifølge krav 1, videre omfattende overflatestyreenhet (40) og en brønnhullsprosessor (42), hvor overflatestyreenheten og brønnhullsprosesso-ren samvirker om å styre boringsenheten langs en valgt brønnbane.

6. Boringsenhet ifølge krav 1, videre omfattende elektronikk for styring av den kraft som leveres til kraftpåføringsorganene (250) av kraftkilden (230), idet elektronikken er posisjonert utenfor den ikke-roterende hylse (220).

7. Boringsenhet ifølge krav 6, hvor elektronikken er isolert i en fjernbar modul posisjonert utenfor den ikke-roterende hylse (220).

8. Boringsenhet ifølge krav 2, hvor prosessoren (42) er koplet til kraftkilden (230), idet prosessoren er utformet for å bestemme en tilstand for kraftpåførings-organene (250) ved å overvåke kraftkilden.

9. Boringsenhet ifølge krav 1, hvor kraftpåføringsorganene (250) blir drevet ved hjelp av et hydraulisk fluid; og hvor kraftkilden (230) omfatter en pumpe innrettet for selektivt å levere det hydrauliske fluid til kraftpåføringsorganene.

10. Boringsenhet ifølge krav 9, videre omfattende en hydraulisk krets (240) innrettet for å transportere det hydrauliske fluid mellom pumpen og kraftpåførings-organene (250).

11. Boringsenhet ifølge krav 10, hvor den hydrauliske krets (240) omfatter minst én ventil og minst én tilhørende ventildrivanordning innrettet for å styre én av (i) strømning og (ii) trykk i det hydrauliske fluid.

12. Boringsenhet ifølge krav 11, hvor ventilen (246) og ventildrivanordningen (246) blir styrt ved å benytte én av (i) en arbeidssyklus og (ii) proporsjonalhydraulikk.

13. Boringsenhet ifølge krav 11, hvor den hydrauliske krets (240) videre omfatter minst én hydraulisk svivel for å transportere hydraulisk fluid mellom huset og hylsen.

14. Boringsenhet ifølge ethvert av kravene 9 til 13, hvor kraftkilden (230) innbefatter en pumpe for hvert kraftpåføringsorgan (250).

15. Boringsenhet ifølge ethvert av de foregående krav, videre omfattende en boremotor (120) for å rotere borkronen (50), og hvor det roterende organ (130,20, 22,102) innbefatter et lagerhus (130) tilknyttet boremotoren.

16. Fremgangsmåte for boring av en brønn, omfattende de trinn: (a) å kople et roterende organ (130, 20, 22,102) til en borkrone (50) for å danne en boringsenhet egnet for boring av et brønnhull; (b) å omgi en del av det roterende organ med en ikke-roterende hylse (220) som har et antall kraftpåføringsorganer (250), hvor hvert organ strekker seg radialt utover for kontakt med en vegg i brønnhullet når det energiseres; (c) å transportere boringsenheten inn i en brønn; og (d) å energisere kraftpåføringsorganene med en kraftkilde (230) posisjonert i det roterende organ.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, videre omfattende det å posisjonere elektronikk for å styre energiseringen av kraftpåføringsorganene utenfor den ikke-roterende hylse.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, videre omfattende det å isolere elektronikk tilknyttet boringsenheten i en fjernbar modul.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 16,17 eller 18, videre omfattende det å styre kraftpåføringsorganene med en prosessor (42) for å styre borkronen i en valgt retning.

20. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 16 til 19, videre omfattende: (a) å bestemme orienteringen av boringsenheten; (b) å sammenligne posisjonen til boringsenheten med én av en ønsket brønnprofil og en målformasjonsposisjon; og (c) å avgi korrigerende instruksjoner som reposisjonerer i det minste ett kraftpåføringsorgan for å styre borkronen i en ønsket retning.

21. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 16 til 20, videre omfattende å detektere en parameter av interesse; og å styre boringsenheten i en valgt retning som reaksjon på den detekterte parameter.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 16, hvor kraftpåføringsorganene (250) blir energisert ved å motta trykksatt hydraulisk fluid.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 21, der kraftkilden (230) er en pumpe og der pumpen opereres med en arbeidssyklus.

24. Boresystem for å danne et brønnhull i en undergrunnsformasjon, omfattende: (a) et boretårn (11) reist et sted på overflaten; (b) en borestreng (20) understøttet av boretårnet inne i brønnhullet; (c) en slamkilde for å levere borefluid via borestrengen; der en boringsenhet er koplet til én ende av borestrengen og innbefattende en borkrone og der boringsenheten omfatter: (i) et roterende organ (130, 20, 22,102) koplet til borkronen; (ii) en ikke-roterende hylse (220) som omgir en del av det roterende organ ved en valgt posisjon på dette, hvor hylsen har et antall kraftpåføringsorga-ner (250) der hvert organ strekker seg radialt utover for kontakt med en vegg i brønnhullet, når det forsynes med kraft; der boringsenheten er karakterisert ved: (iii) en kraftkilde (230) posisjonert i det roterende organ for å levere kraft til kraftpåføringsorganene.

25. System ifølge krav 24, hvor kraftpåføringsorganene (250) blir aktivert ved hjelp av hydraulisk trykkfluid levert av kraftkilden (230).

26. System ifølge krav 24, videre omfattende minst et første organ posisjonert på den ikke-roterende hylse (220), og minst et annet organ posisjonert på huset, hvor de første og andre organer samvirker for å tilveiebringe en indikasjon på orienteringen av de kraftpåførende organer (250).

27. System ifølge krav 26, hvor det første organ innbefatter en magnet og det annet organ innbefatter en magnetisk føler.

28. System ifølge ethvert av kravene 24 til 27, videre omfattende et telemetrisystem (39) som danner en toveis telemetriforbindelse mellom boringsenheten og et overflatested.

29. System ifølge ethvert av kravene 24 til 28, videre omfattende minst en brønnhullssensor innrettet for å detektere én av (a) formasjonsrelaterte parametere; (b) borefluid-egenskaper; (c) boringsparametere; (d) boringsenhet-tilstander; (e) orientering av den ikke-roterende hylse; og (f) orientering av styringsenheten.

30. System ifølge ethvert av kravene 24 til 29, videre omfattende en prosessor (42) innrettet for å styre boringsenheten i en valgt retning.

31. System ifølge ethvert av kravene 24 til 31, videre omfattende en overflatestyreenhet (40) og en prosessor (42) posisjonert i nærheten av huset, hvor overflatestyreenheten og prosessoren samvirker for å styre boringsenheten langs en forutbestemt brønnbane.

32. System ifølge ethvert av kravene 24 til 31, videre omfattende en boremotor (120) for å rotere borkronen (50), hvor boremotoren blir energisert av borefluidet.