NO335617B1

NO335617B1 - System og fremgangsmåte for selvstendig operering av et brønnverktøy nær en forhåndsbestemt posisjon i et brønnhull

Info

Publication number: NO335617B1
Application number: NO20043480A
Authority: NO
Inventors: Gordon R Mackenzie
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2015-01-12
Also published as: GB2400876B; GB0415347D0; CA2473495C; WO2003062598A1; NO20043480L; US6843317B2; GB2400876A; CA2473495A1; US20030141078A1

Abstract

Et autonomt system for å utføre en brønnoperasjon ved en forutbestemt posisjon i et brønnhull, omfatter en verktøystreng som har minst ett brønnverktøy, en drivanordning for å føre verktøyet gjennom brønnhullet, og et styresystem innrettet for å posisjonere verktøystrengen nær den forutbestemte posisjonen. Styresystemet omfatter (i) et avfølingssystem for å detektere masseuregelmessigheter i brønnhullet og (ii) et prosessorsystem med en prosessor med lager for lagring av minst én brønnlogg. Prosessoren virker under programmerte instruksjoner til å sammenligne sensorsignaler med den lagrede brønnloggen for å bestemme posisjonen til verktøystrengen i brønnhullet. Styresystemet inneholder også kretser for styring av driften av brønnverktøyet og drivanordningen.

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt avslutning, vedlikehold og ombygging av undergrunnsbrønner, og mer spesielt, et selvstendig system for å operere et brønnverktøy i et brønnhull med det formål å avslutte, vedlikeholde og omarbeide.

Beskrivelse av beslektet teknikk

Ved boring og avslutning av olje- og gass-brønner blir et brønnhull boret inn i en produserende undergrunnsformasjon. En streng med foringsrør blir vanligvis så sementert inn i brønnhullet. En ytterligere rørstreng, vanligvis kjent som produksjons-rørstrengen, kan anordnes inne i foringsrørstrengen og blir brukt til å føre produksjons-fluider ut av brønnhullet. Brønnhullstrengen av foringsrør består av et antall rør-seksjoner som er gjenget sammen. Rørforbindelsene, også kalt krager, har øket masse sammenlignet med rørseksjonene. Etter at rørstrengene er blitt sementert inn i brønnen, blir loggeverktøy kjørt for å bestemme posisjonen til foringsrørkragene. Loggeverktøyene som anvendes, innbefatter en rørforbindelseslokalisator, slik at dybdene til hver av rørskjøtene som loggeverktøyene passerer gjennom, blir registrert. Loggeverktøyene innbefatter generelt også en gammastråleloggingsanordning som registrerer dybdene og nivåene til naturlig forekommende gammastråler som utsendes fra forskjellige brønnformasjoner. Foringsrørkragen og gammastrålingsloggene blir korrelert med tidligere logger fra det åpne hullet, noe som resulterer i en meget nøyak-tig registrering av dybden til rørskjøtene over undergrunnssonene som er av interesse, og blir typisk referert til som skjøt- og telle-logg. Etter at ytterligere brønnhulls-avslutningsutstyr er installert, slik som pakninger eller sikter, kan ytterligere skjøt- og tellelogger kjøres for å lokalisere disse brønnhullselementene for fremtidig referanse.

Selv om moderne olje- og gass-brønnproduksjon har utviklet seg til en fin kunst, kan en rekke vanskelige problemer fremdeles påtreffes under brønnavslutning, produksjon, vedlikehold og nyarbeider, og det er ofte nødvendig å lokalisere nøyaktig en eller flere av foringsrørskjøtene eller andre brønnhullselementer i en brønn. Disse situasjonene må nødvendigvis gjennomføres fra brønnplattformen for brønner til sjøs, eller fra brønnhodet for brønner på land. Hver brønn utgjør en unik utfordring som er avhengig av brønntypen, dvs. olje eller gass, og den handling som skal gjennomføres. Typiske problemer som krever korreksjon i en brønn, er: knuste områder i rør-ledningen, sandbroer eller ansamlinger av parafin, avleiringer, rust eller annet produk-sjonsavfall. Vedlikeholdsprosedyrer som også må utføres fra overflaten, innbefatter, men er ikke begrenset til, behovet for å sette eller fjerne låsestammer, broplugger, krageanslag eller sikkerhetsventiler. Kommersielt tilgjengelige verktøyer er spesielt blitt utviklet for hver av disse vedlikeholdsoppgavene eller problemløsningene.

For å utføre disse avhjelpende operasjonene blir brønnverktøyet utplassert i brønnhullet ved å bruke en rekke forskjellige metoder. Verktøyet kan utplasseres på en kabel eller en rørledning. Uttrykket rørledning refererer til enten sammenføyde rør eller oppkveilingsrør. Verktøyet kan alternativt pumpes ned. Dybden til en spesiell foringsrørskjøt ved eller nær den ønskede posisjon der verktøyet skal posisjoneres, kan lett finnes på den tidligere registrerte skjøt- og telle-loggen for brønnen.

US-patent 5,947,213 beskriver nedihullsverktøy som bruker kontrollutstyr basert på kunstig intelligens og for utføring av en ønsket operasjon i et brønnhull.

WO 98/02634 A2 vedrører et nedihulls apparat, verktøy og en fremgangsmåte for logging og/eller utbedringsoperasjoner i et brønnhull i et hydrokarbonreservoar.

Hver av utplasseringsteknikkene som er nevnt, krever betydelig utstyr og mann-skap for å utplassere verktøyet i brønnhullet. For å realisere en betydelig kostnads-besparelse under utførelse av disse avhjelpende operasjonene, finnes det et behov for et selvstendig system for utførelse av de nødvendige brønnoperasjonene.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et selvstendig system og en fremgangsmåte for bruk til å operere et brønnverktøy nær en forutbestemt posisjon i et brønnhull, som overvinner ulempene ved teknikkens stand.

Hovedtrekkene ved oppfinnelsen fremgår av de selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

I en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et selvstendig system for å operere et brønnverktøy i nærheten av en forutbestemt posisjon i et brønnhull. Systemet omfatter en verktøystreng med minst ett brønnverktøy for å utføre minst én brønnoperasjon i brønnhullet; en drivanordning for å få verktøystrengen til å trenge inn i brønnhullet; og et styresystem innrettet for å posisjonere verktøystrengen i nærheten av den forutbestemte borehullsposisjonen. Styresystemet inneholder minst én sensor for å detektere masseuregelmessigheter forårsaket av brønnhullsproduk- sjonselementer, innbefattende, men ikke begrenset til, foringsrørkrager; broplugger; krageanslag; sikkerhetsventiler; og pakninger. Sensoren kan også detektere masseuregelmessigheter forårsaket av et perforert foringsrør. Styresystemet har også et prosessorsystem med en prosessor og et lager for lagring av minst én brønnlogg i lageret i det selvstendige systemet. Styresystemet sammenligner sensorsignalene med brønnloggen for å lokalisere verktøyet i nærheten av den forutbestemte brønn-hullsposisjonen. Styresystemene styrer også driften av drivanordningen og brønn-verktøyet.

En annen foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for selvstendig å utføre en brønnoperasjon i nærheten av en forutbestemt brønnhullsposisjon. Fremgangsmåten omfatter å lagre en brønnlogg i et lager i en prosessor i et styresystem i en borestreng. Borestrengen blir ført gjennom brønnhullet under selvstendig styring av styresystemet. Minst én parameter av interesse blir avfølt i brønnhullet, og et signal relatert til denne blir generert. Det avfølte signalet blir sammenlignet med den lagrede brønnloggen for å identifisere den forutbestemte posisjonen i brønnhullet. Brønnverktøyet blir operert under selvstendig styring av styresystemet i nærheten av den forutbestemte posisjonen.

Et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for selvstendig å utføre en brønnoperasjon i nærheten av en forutbestemt posisjon i et brønn-hull. Fremgangsmåten omfatter å lagre i lageret i en prosessor i et styresystem antallet masseuregelmessigheter som skal passeres for å nå en forutbestemt posisjon i brønn-hullet. Verktøystrengen blir ført gjennom brønnhullet under selvstendig styring av styresystemet. Antallet masseuregelmessigheter som passeres i brønnhullet, blir avfølt for å lokalisere verktøyet i nærheten av den forutbestemte brønnhullsposisjonen. Et brønnverktøy blir operert under selvstendig styring av styresystemet i nærheten av den forutbestemte posisjonen.

En annen fremgangsmåte for selvstendig utførelse av en brønnoperasjon i nærheten av en forutbestemt posisjon i et brønnhull, omfatter å lagre i lageret til en prosessor i et styresystem, en sensorsignatur for å identifisere en forutbestemt masseuregelmessighet relatert til en forutbestemt posisjon i brønnhullet. Verktøystrengen blir ført gjennom brønnhullet under selvstendig styring av styresystemet. Masseuregelmessighetene som passeres i brønnhullet blir avfølt, og et signal relatert til disse blir generert. Verktøyet blir lokalisert i nærheten av den forutbestemte brønnhulls-posisjonen ved å identifisere den forutbestemte masseuregelmessigheten ved å sammenligne sensorsignalet med den lagrede signatur ved å bruke signalsammenligningsteknikker. Brønnverktøyet blir operert under selvstendig styring av styresystemet i nærheten av den forutbestemte posisjonen.

Eksempler på de viktigste trekkene ved oppfinnelsen er blitt oppsummert ganske bredt, slik at den detaljerte beskrivelsen som følger bedre kan forstås, og slik at bidragene til teknikken på området lettere kan forstås. Det er selvsagt ytterligere trekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det følgende og som vil utgjøre innholdet i de vedføyde patentkrav.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

For å få en detaljert forståelse av foreliggende oppfinnelse, skal det refereres til den følgende detaljerte beskrivelse av den foretrukne utførelsesform, tatt i forbindelse med de vedføyde tegninger, hvor like elementer er blitt gitt like henvisningstall, og hvor: fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av et selvstendig system for å utføre en brønnoperasjon i henhold til en utførelsesform av foreliggende oppfinnelsen; og

fig. 2 er et blokkskjema som viser vekselvirkning mellom styresystemet og andre komponenter i den selvstendige verktøystrengen i henhold til en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

BESKRIVELSE AV DEN FORELIGGENDE UTFØRELSESFORM

På fig. 1 er et brønnhull 1 i henhold til en foretrukket utførelsesform skjematisk illustrert som gjennomtrenger en undergrunnsformasjon 2. Brønnhullet 1 er avsluttet med en foringsrørstreng 3 på vanlig måte. Foringsrørstrengen omfatter flere rør-seksjoner skjøtt sammen ved hjelp av foringsrørkrager 5 ved hver skjøt. Brønnhullet 1 er vist med en avvikende bunnhullseksjon 15 som ikke er uvanlig. Det systemet som beskrives her, er imidlertid også egnet for bruk i hovedsakelig vertikale brønner. På fig.

1 er det også vist en lateral sidebrønn 20 som er avsluttet med en pakning 21. Slike sidebrønner er blitt vanlige under boring. Foringsrørkragene 5 og annet brønnhulls-utstyr, slik som pakningen 21, frembringer masseuregelmessigheter sammenlignet med den relativt jevne massen til foringsrøret 3. Perforeringer 8 skaper også masseuregelmessigheter ved å fjerne masse fra foringsrøret. Under foringen og avslutningen av brønnen blir disse masseuregelmessighetene logget, typisk ved å bruke elektro-magnetiske sensorer som er kjent på området, og et signal som ganske enkelt indikerer forekomsten av en masseuregelmessighet, blir lagret i en skjøt- og telle-logg. Denne loggen kan presenteres i rørformede og/eller grafiske formater og gjøres tilgjengelig i et elektronisk, digitalt format. Alternativt kan sensorsignalkarakteristikkene lagres for å generere en logg med hovedsakelig unik signatur for forskjellige typer masseuregelmessigheter. Alternativt kan en hvilken som helst annen egnet sensor brukes til å detektere masseuregelmessighetene, innbefattende, men ikke begrenset til, akustiske sensorer, ultrasoniske sensorer og nukleære sensorer.

Anbrakt i bunnhullseksjonen 15 er en selvstendig verktøystreng 30 (ATS, autonomous tool string). ATS 30 omfatter en drivanordning 6, slik som f.eks. en brønn-hullsdrivanordning med flere hjulelementer 7, for inngrep med foringsrøret 3 og/eller den uforede brønnhullsveggen (ikke vist), og tilveiebringer drivkraft for å bevege ATS 30 gjennom brønnhullet 1. Enhver egnet fremdriftsanordning kan brukes for formålene med foreliggende oppfinnelse. Se f.eks. US-patent 6,273,189 utstedt til Gissler m.fl. Andre slike fremdriftsanordninger er kjent på området og blir ikke nærmere diskutert. Koplet til drivanordningen 6 er en elektronikkmodul 9 som inneholder et styresystem 40 (se fig. 2), som har kretser, sensorer og behandlingsanordninger, beskrevet mer detaljert nedenfor, for å bestemme posisjonen til ATS 30. Kraftmodulen 10 er koplet til elektronikkmodulen 9 og inneholder egnede elektriske kraftlagringsanordninger for å energisere ATS 30. Kraftmodulen 10 inneholder batterier (ikke vist) for å levere elektrisk kraft til å drive drivanordningen 6, elektronikkmodulen 9 og for å drive brønn-verktøyet 11.

Verktøyet 11 er koplet til kraftmodulen 10 og utfører en egnet operasjon i brønnen som bestemt av styresystemet 40. Typiske brønnverktøyer innbefatter, men er ikke begrenset til, broplugger, krageanslag, sikkerhetsventiler, perforerings-anordninger, og pakninger. Selv om bare ett brønnverktøy 11 er vist på fig. 1, kan mer enn ett brønnverktøy 11 være innsatt i ATS 30. Kraftmodulen kan inneholde tilstrekkelig elektrisk energi til å aktivere brønnverktøyet 11. Alternativt kan brønnverktøyet 11 aktiveres ved å åpne en strømningsåpning til et lavtrykkskammer i brønnverktøyet 11, under styring av styresystemet 40, for å få brønnhullstrykket til å drive mekanismer (ikke vist) i brønnverktøyet 11 for å utføre den ønskede brønnoperasjon. Slike teknikker er velkjente på området og vil ikke bli diskutert nærmere. En annen foretrukket utførelsesform benytter en eksplosiv ladning (ikke vist) tent under styring av styresystemet 40. En slik ladning tilveiebringer tilstrekkelig kraft til å drive brønn-verktøyet 11.

I en annen foretrukket utførelsesform er et trykkompensert, forseglet, hydraulisk system (ikke vist) lokalisert i ATS 30 koplet til brønnverktøyet 11, drevet av en kraftmodul 10, og som virker under styring av styresystemet 40 for å aktivere brønnhulls-verktøyet 11.

Elektronikkmodulen 9 inneholder et styresystem 40 som omfatter et avfølings-system 45 og et behandlingssystem 50. Avfølingssystemet 45 inneholder en sensor 46 som detekterer masseuregelmessighetene mens ATS 30 føres gjennom brønnhullet 1, og genererer et signal som reaksjon på dette. I en foretrukket utførelsesform benytter avfølingssystemet 45 en elektromagnetisk sensor lik den som brukes til å detektere foringsrørkrager, og som vanligvis brukes til å generere skjøt- og telle-loggen, for å generere et signal når hver masseuregelmessighet passeres, og signalet som genereres blir behandlet ved hjelp av egnede kretser 47 og overført til prosesseringssystemet 50. Prosesseringssystemet 50 inneholder en prosessor 51 og et lager 52 innrettet for å lagre programinstruksjoner, skjøt- og telle-logginformasjon og sensor-data. Prosesseringssystemet 50 innbefatter også egnede kretser for styring av driften av drivanordningen 6 og brønnverktøyet 11. Prosessoren 51, som virker i henhold til programmerte instruksjoner, er programmert for å styre ATS 30 til å passere gjennom brønnhullet 1 til en forutbestemt posisjon, og så til å operere brønnverktøyet 11 til å utføre en brønnoperasjon. Prosessoren 51 sammenligner sensorsignalet, i sann tid, med de lagrede skjøt- og telle-loggedataene for å bestemme posisjonen til ATS 30.

I en foretrukket utførelsesform er prosessorlageret 52 i ATS 30 lastet ned med en enkel telling av masseuregelmessigheter mellom overflaten og den forutbestemte brønnhullsposisjonen. Prosessoren 51 i ATS 30 akkumulerer en telling av masseuregelmessighetene som passeres, og bestemmer når den akkumulerte telling stemmer overens med den nedlastede tellingen. Styresystemet 40 kan så styre drivanordningen 6 for å lokalisere brønnverktøyet 11 i en forutbestemt avstand fra den sist detekterte masseuregelmessighet.

I en annen foretrukket utførelsesform er karakteristiske sensorsignaturer relatert til spesifikke masseuregelmessigheter lagret i lageret 52 i prosessoren 51. For-skjellene i geometriske og relative masser for disse brønnhullselementene, resulterer i unike sensorsignaler, også kalt signaturer, for hver type masseuregelmessighet eller hver type element. Disse elementsignaturene kan lagres i lageret til prosessoren 51 i ATS 30, som tidligere beskrevet. Disse lagrede signatursignalene blir sammenlignet med de signalene som genereres mens ATS 30 blir beveget gjennom brønnhullet 1, ved å bruke krysskorrelasjon eller andre signalsammenligningsteknikker som er kjent på området. Når et spesielt avslutningselement blir identifisert, handler styresystemet 40 i henhold til programmerte instruksjoner for å lokalisere brønnverktøyet 11 i en forutbestemt avstand fra det identifiserte elementet og for å sette brønnverktøyet 11 i gang med å utføre sin tilsiktede funksjon.

I en annen foretrukket utførelsesform kan en gammastrålesensor (ikke vist) og tilhørende kretser (ikke vist) for å detektere naturlige gammastråler utsendt fra under-grunnsformasjonene, være innbefattet i brønnhullssystemet. De hydrokarbonførende formasjonene oppviser vanligvis øket gammastrålingsutsendelse i forhold til ikke-hydrokarbonførende soner. Denne informasjonen blir brukt til å identifisere de forskjellige produksjonssonene for å sette produksjonsverktøy. En hvilken som helst gammadetektor som er kjent på området kan brukes, innbefattende, men ikke begrenset til, scintillasjonsdetektorer og geigerrør-detektorer. Gammastrålings-sensoren kan være innbefattet i avfølingssystemet 45 i styresystemet 40, eller kan alternativt befinne seg i en separat modul (ikke vist) og koplet mekanisk og elektrisk til ATS 30 ved å bruke teknikker som er kjent på området. Gammastrålingslogger blir typisk generert under avslutningsloggesekvensen samtidig som merke- eller telle-loggen. Denne gammastrålingsloggen 60 kan innføres i lageret 52 i prosessoren 51 for sammenligning med gammastrålingsmålinger tatt mens ATS 30 passerer gjennom brønnhullet. Krysskorrelasjon eller en hvilken som helst annen signalsammenligningsteknikk som er kjent på området, kan brukes til å sammenligne det lagrede gamma-strålingssignalet med den lagrede loggen. Denne teknikken kan brukes i forbindelse med de tidligere nevnte masseuregelmessighetsdeteksjonsteknikkene. Alternativt kan teknikken med gammastrålingssammenligning brukes for seg selv i åpne avslutninger hvor det ikke nødvendigvis er tilstrekkelige masseuregelmessigheter å detektere.

Den foregående beskrivelse er spesielt rettet mot utførelsesformen av foreliggende oppfinnelse med det formål å illustrere og forklare. Det vil imidlertid være opplagt for en fagkyndig på området at mange modifikasjoner og endringer av den angitte utførelsesform er mulig, uten å avvike fra oppfinnelsens ramme ifølge patent-kravene. Det er ment at de følgende patentkrav skal tolkes til å omfatte alle slike modifikasjoner og endringer.

Claims

1. Selvstendig system for å operere et brønnverktøy (11) i nærheten av en forutbestemt posisjon i et brønnhull (1), omfattende: a. en verktøystreng (30) som har minst ett brønnverktøy (11) for å utføre en brønnoperasjon i brønnhullet (1); b. en drivanordning (6) i verktøystrengen (30) som får verktøystrengen (30) til å bevege seg gjennom brønnhullet (1); og c. et styresystem (40) innrettet for selvstendig å posisjonere verktøystrengen (30) i nærheten av den forutbestemte posisjon i brønnhullet (1),karakterisert vedat styresystemet (40) omfatter:

1. et avfølingssystem (45) som har minst én sensor (46) for å detektere minst én parameter av interesse relatert til brønnhullet (1) og som genererer minst ett signal som reaksjon på dette; og ii. et prosessorsystem (50) som har en prosessor (51) med et lager (52) for å lagre minst én brønnlogg (60), idet prosessoren virker i henhold til programmerte instruksjoner for å sammenligne det minst ene sensorsignal med den minst ene brønnlogg for å bestemme en verktøystreng-posisjon i brønnhullet (1), hvor prosessorsystemet (50) har kretser (53) innrettet for å styre brønnverktøyet (11) og drivanordningen (6).

2. System ifølge krav 1, videre omfattende en kraftmodul (10) som tilveiebringer i det minste én av: (i) elektrisk kraft, og (ii) hydraulisk kraft for å energisere brønn-verktøyet, drivanordningen og elektronikkmodulen.

3. System ifølge krav 1 eller 2, hvor den minst ene sensor (46) er valgt fra: (i) en elektromagnetisk sensor, (ii) en sonisk sensor, (iii) en ultrasonisk sensor, og (iv) en gammastrålingssensor.

4. System ifølge et av krav 1-3, hvor den minst ene brønnloggen (60) er en av: (i) en skjøt- og telle-logg, (ii) en logg over unike massesignaturer, og (iii) en gamma-strålingslogg.

5. System ifølge et av krav 1-4, hvor den minst ene parameter av interesse er en av: (i) endringen til et elektromagnetisk felt forårsaket av en masseuregelmessighet i et brønnhull, og (ii) en formasjonsgammastrålingsutsendelse.

6. Fremgangsmåte for selvstendig utførelse av en brønnoperasjon ved en forutbestemt posisjon i et brønnhull (1), karakterisert vedfølgende trinn: a. å lagre minst én brønnlogg (60) i et lager (52) i en prosessor (51) for et styresystem (40) i en verktøystreng (30); b. å føre verktøystrengen (30) gjennom brønnhullet (1) under selvstendig styring av styresystemet (40); c. å avføle minst én parameter av interesse i brønnhullet (1), og generere minst ett signal relatert til denne; d. å sammenligne, ved å bruke en signalsammenligningsteknikk, det avfølte signalet med minst én lagret brønnlogg (60) for å identifisere den forutbestemte posisjonen i brønnhullet (1), og e. å operere et brønnverktøy (11) for å utføre brønnoperasjonen ved den forutbestemte posisjon i brønnhullet (1).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, hvor den minst ene brønnloggen (60) er en av: (i) en skjøt- og telle-logg, (ii) en logg over unike massesignaturer, og (iii) en gammastrålings-logg-

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7, hvor den minste ene parameter av interesse er en av: (i) endringen til et elektromagnetisk felt forårsaket av en masseuregelmessighet i et brønnhull, og (ii) en formasjonsgammastrålingsutsendelse.

9. Fremgangsmåte ifølge ethvert av krav 6-8, hvor signalsammenligningsteknikken er krysskorrelasjon.

10. Fremgangsmåte ifølge ethvert av krav 6-9, hvor avfølingen av den minst ene parameter av interesse utføres ved bruk av minst en sensor (46) som er valgt fra: (i) en elektromagnetisk sensor, (ii) en sonisk sensor, (iii) en ultrasonisk sensor, og (iv) en gammastrålingssensor.