NO871209L

NO871209L - DRILLING USE DEVICE.

Info

Publication number: NO871209L
Application number: NO871209A
Authority: NO
Inventors: Graham Kenneth Thornton
Original assignee: Stc Plc
Priority date: 1986-04-23
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1987-10-26
Also published as: NO871209D0; GB8609859D0

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører målinger som utføres under boring, f.eks. ved boring av en oljebrønn. The present invention relates to measurements that are carried out during drilling, e.g. when drilling an oil well.

Der benyttes to typer måleteknikker i forbindelse med boring. Den ene innbefatter å la boreoperasjonen opphøre, mens en instrumentpakke blir senket ned ved hjelp av en kabel, for å utføre målinger ved borehodestedet, og for å oppsamle seismiske og andre data som vedrører borehullet. Den annen fremgangsmåte, som er mindre utviklet, om-fatter kontinuerlig overvåkning av boreprosessen ved hjelp av en instrumentpakke og en overføringslink som er instal-lert permanent i borestrengen. Two types of measurement techniques are used in connection with drilling. One involves suspending the drilling operation while an instrument package is lowered by cable to perform measurements at the drillhead site and to collect seismic and other data relating to the borehole. The second method, which is less developed, involves continuous monitoring of the drilling process using an instrument package and a transmission link that is permanently installed in the drill string.

Etterhvert som boreoperasjonen beveger seg til større og større dybder, vil den instrumentering som baserer seg på elektronikk, begynne å lide under høye omgivende temperaturer. Omgivelsene nede i hullet innebærer også at bety-delige mekaniske vibrasjoner fra selve boreprosessen kan bevirke problemer for de elektronikkbaserte instrumenter. As the drilling operation moves to greater and greater depths, the electronics-based instrumentation will begin to suffer from high ambient temperatures. The environment down the hole also means that significant mechanical vibrations from the drilling process itself can cause problems for the electronics-based instruments.

Der foreligger fire fremgangsmåter med hensyn til å opp-There are four procedures with regard to up-

nå kommunikasjonslinker, som til nå er tilgjengelige eller under utvikling, slampulsering, elektromagnetisk, akustisk og elektrisk kabel. now communication links, which until now are available or under development, mud pulsation, electromagnetic, acoustic and electric cable.

Slampulsing innebærer en meget langsom prosess for over-føring av data, og der foreligger et behov for betydelig øket båndbredde for å stå imot målinger av f.eks. bore-skjærvibrasjon og akustisk billeddannelse av borehullet. Elektromagnetiske teknikker for dataoverføring er behef-tet med tap på grunn av den ledende egenskap hos bore-fluidene. Akustiske teknikker, hvor selve røret bærer informasjon, er utsatt for støy under boringen. Den elektriske kabel utgjør den beste kabel når pålitelig datatransmisjon med stor båndbredde er nødvendig. Sludge pulsing involves a very slow process for transferring data, and there is a need for significantly increased bandwidth to withstand measurements of e.g. drill-shear vibration and acoustic imaging of the borehole. Electromagnetic techniques for data transmission are fraught with losses due to the conductive property of the drilling fluids. Acoustic techniques, where the pipe itself carries information, are exposed to noise during drilling. The electrical cable is the best cable when reliable data transmission with high bandwidth is required.

Ulempen med en kabellink til borehodet, er at under for-løpet av boreprosessen må kabelen være frakoblet for å bidra til borestrengen. Fordi hvert borerør er tredve fot langt, vil antallet av forbindelser bli stort i forbindelse med en typisk brønn. En løsning går ut på å innrette borerøret slik at det virker som en returvei for en singel-ledermatning. Der er foreslått en rekke løsninger hvor rørendene er konstruert for å bibeholde den isolerte matning, eller er innrettet med innsatser for det samme formål (se US-patentskrift 4 012 092 som eksempel) og synes å være tilfredsstillende. The disadvantage of a cable link to the drill head is that during the course of the drilling process the cable must be disconnected to contribute to the drill string. Because each drill pipe is thirty feet long, the number of connections will be large in connection with a typical well. One solution is to arrange the drill pipe so that it acts as a return path for a single conductor feed. A number of solutions have been proposed where the pipe ends are designed to retain the isolated supply, or are fitted with inserts for the same purpose (see US patent 4 012 092 as an example) and seem to be satisfactory.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger den opp-gave å skaffe et system for måling under boring, idet u-lempene med de kjente arrangementer er redusert til et minimum eller til og med eliminert. The present invention is based on the task of providing a system for measurement during drilling, the disadvantages of the known arrangements being reduced to a minimum or even eliminated.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er der frem-skaffet en fremgangsmåte for å overvåke betingelsen ved boreenden av en borestreng under boreoparasjonen, hvilket innbefatter avføling av de parametre som representerer de nevnte betingelser under bruken av passive optiske følere, og overføring av resultatene av avfølingen langs en fiberoptisk kabel . til den øverste ende av borestrengen . According to the present invention, a method has been provided for monitoring the condition at the drill end of a drill string during the drilling operation, which includes sensing the parameters that represent the aforementioned conditions during the use of passive optical sensors, and transmitting the results of the sensing along a fiber optic cable. to the top end of the drill string.

En utførelsesform for oppfinnelsen vil nå bli omtalt under henvisning til den vedføyde sterkt skjematiske tegning. An embodiment of the invention will now be discussed with reference to the attached highly schematic drawing.

Det system som skal beskrives, gjør bruk av et målesystem som er basert fullstendig på fiberoptiske følere og trans-misjon. Begrensningen med hensyn til elektronikk-instrumentering ettersom borehullene blir dypere og varmere, er grunnen for å innføre passive optiske følere. Disse kan være meget robuste og pålitelige, og er istand til å funksjonere i lange perioder ved temperaturer opptil til ca 300°C. The system to be described makes use of a measurement system that is based entirely on fiber optic sensors and transmission. The limitation with respect to electronics instrumentation as boreholes get deeper and hotter is the reason for introducing passive optical sensors. These can be very robust and reliable, and are able to function for long periods at temperatures up to about 300°C.

På grunn av sin rene optiske natur med hensyn til føler-systemet, kan optisk overføring av data som innsamles av følersystemet, utføres via en meget kompakt kabel. Med hermetisk avtetning og et robust hylster vil en passende kabel ha en ytterdiameter på bare 1.5 mm. En slik kabel har en passende lastbærende egenskap ved bruk i forbindelse med vertikale lengder opptil 10 km, og kan motså trekk-krafter som skyldes strømmen av borevæsker i borestrengen. Due to its purely optical nature with respect to the sensor system, optical transmission of data collected by the sensor system can be performed via a very compact cable. With hermetic sealing and a robust sleeve, a suitable cable will have an outer diameter of just 1.5 mm. Such a cable has a suitable load-bearing property when used in connection with vertical lengths of up to 10 km, and can resist pulling forces caused by the flow of drilling fluids in the drill string.

En kabel med liten diameter kan pakkes på en enkel måte. Der kan benyttes opptil 10 km kabel i en dispenser som forblir i borestrengen under boringen. På tegningen er der vist en dispenserkapsel 1, som inneholder en laser-kilde for tilførsel av lys til den fiberopiske kabel 2, fo-todetektorer som reagerer på lys som blir mottatt langs kabelen fra en følerpakke 3 ved boreenden, og passende optisk-elektronikk i en annen pakke 4 ved den øvre ende av kapselen. Kapselen tilføres en liten mengde elektrisk kraft ved hjelp av et induktivt ledd 5 via rørveggen, eller ved hjelp av et sleperingsarrangement. Data fra kapselen blir overført fra denne via det samme arrangement. A cable with a small diameter can be wrapped in a simple way. Up to 10 km of cable can be used in a dispenser that remains in the drill string during drilling. The drawing shows a dispenser capsule 1, which contains a laser source for supplying light to the fiber optic cable 2, photo detectors that respond to light received along the cable from a sensor package 3 at the drill end, and suitable optical electronics in another package 4 at the upper end of the capsule. The capsule is supplied with a small amount of electrical power by means of an inductive link 5 via the pipe wall, or by means of a towing arrangement. Data from the capsule is transferred from it via the same arrangement.

Borestrengen 6 innbefatter en flerhet av rørlengder som kan være 10 meter, og som blir skrudd sammen etterhvert som boren blir senket, sammen med et borehode 7 ved den nedre ende drevet av en boremotor 8, som på sin side blir drevet av boreslam som tilføres nedover i strengen. Alternativt kan borkronen drives ved dreining av borestrengen. Kapselen 1 vist som eksempel på figuren, kan være ca. The drill string 6 includes a plurality of pipe lengths which can be 10 meters, and which are screwed together as the drill is lowered, together with a drill head 7 at the lower end driven by a drilling motor 8, which in turn is driven by drilling mud which is supplied downwards in the string. Alternatively, the drill bit can be driven by turning the drill string. The capsule 1 shown as an example in the figure can be approx.

3 meter lang, og er konstruert til å bli fastholdt på innsiden av borerøret, for derved å motstå trekk-krefter hos 3 meters long, and is designed to be retained on the inside of the drill pipe, thereby resisting the pulling forces of

borefluidet som strømmer nedover langs borestrengen. Kapselen er formet for å minimere trekket, og for å fremskaf-fe et aksepterbart lavt trykkfall i strømmen. Kabelen er konstruert ved hjelp av passende fortrekking, til å ligge i en snodd form langs innerveggen av borerøret, hvor flui-dums trømningen er tilnærmet null for minimalisering av trekk-kreftene. the drilling fluid that flows down along the drill string. The capsule is shaped to minimize draft, and to provide an acceptably low pressure drop in the flow. The cable is designed with the help of suitable pre-tensioning, to lie in a twisted shape along the inner wall of the drill pipe, where the fluid flow is almost zero to minimize the pulling forces.

Driftsteknikken går ut på å trekke dispenseren opp ettersom ytterligere borerørlengder tilføyes strengen, slik at kapselen forblir ved eller nær overflaten. Den induktive over-føring- eller sleperingssammenstilling er fastspent til yt-tersiden av borerøret og beveger seg med dispenseren. Et alternativt arrangement er å innrette den faste seksjon av borestrengen, betegnet som "Kelly", for å romme sleperingen eller induktive link. The operating technique involves pulling the dispenser up as additional lengths of drill pipe are added to the string, so that the capsule remains at or near the surface. The inductive transfer or drag assembly is clamped to the outside of the drill pipe and moves with the dispenser. An alternative arrangement is to align the fixed section of the drill string, referred to as the "Kelly", to accommodate the drag ring or inductive link.

Pakken 3 ved boreenden innbefatter følere av kjent typeThe package 3 at the drill end includes sensors of a known type

som reagerer på den betingelse som skal overvåkes bed boreenden, idet utgangene fra disse følere modulerer lysstrål-en og tilbakefører den modulerte lysstråle oppover langs kabelen. which reacts to the condition to be monitored at the drill end, as the outputs from these sensors modulate the light beam and return the modulated light beam upwards along the cable.

Hovedfordelene ved det omtalte system er:The main advantages of the mentioned system are:

a) der benyttes ren optisk instrumentering, med mulighet for å motstå forhøyede temperaturer og høye vibrasjonsni-våer, b) den kabel som benyttes, har en liten diameter, er robust og skaffer dataoverføring med lite tap og høy båndbredde, c) kabeldispenseren befinner seg innenfor røret, noe som eliminerer behovet for tilkoblere og spesielle insatser a) purely optical instrumentation is used, with the ability to withstand elevated temperatures and high vibration levels, b) the cable used has a small diameter, is robust and provides data transmission with low loss and high bandwidth, c) the cable dispenser is located inside the pipe, which eliminates the need for connectors and special inserts

for borerøret. for the drill pipe.

Claims

1. Device for monitoring the conditions at the drill end of a drill string, comprising sensor means (8) at the drill end of the string for sensing the parameters representing said conditions, as well as cable means for transferring information regarding the sensed parameters to the top end of the drill string , characterized in that the sensor elements are passive optical sensors, that the cable elements are fiber optic cable devices for transmitting light for the sensor elements from a light source at the far end to the sensor elements, that the sensor elements modulate the light that they receive via the fiber optic cable, and transmit the modulated light to the upper end of the cable, and that the means are arranged at the upper end for transforming the modulation of the light into electrical conditions representing said parameters.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that the fiber optic cable is arranged in twisted form in a capsule (1) which is placed inside the drill string, the capsule being held at the top end as the drill is lowered.

3. Device as stated in claim 2, characterized in that the fiber optic cable is pre-tensioned so as to remain close to the inside of the pipe (6) which forms the drill string as the cable is fed out from the capsule.

4.A device as stated in claim 1, 2 or 3, characterized in that the light from the top end comes from a laser.

5. Apparatus as set forth in claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the electrical conditions to which the parameters are transformed are extracted from the transforming means in the capsule inductively, or via a towing arrangement.

6. Apparatus as specified in claim 5, characterized in that the drag ring or induction arrangement is located in the fixed section of the drill string.