SE532531C2 - Förfarande och anordning för kärnborrning - Google Patents

Description

25 30 532 53% borrsträngen fram till kärnhämtningsröret för att i en opera- tiv position sammankopplas med detta, varefter fångstverktyget med sammankopplat kärnhämtningsrör och en i detta fasthållen borrkärna kan dras ut ur borrsträngen.

Kärnborrning sker många gånger på mycket stora avstånd från borriggen, i synnerhet på stora djup, upp till som exem- pel djup av 3000 m. Vid så stora avstånd upptar tiden för ned- sänkning av kàrnhämtningsröret och tiden för nedsänkning av fàngstverktyget betydande tidsrymder. Även vid betydligt kor- tare borravstånd, något hundratal meter, utgör nedsänkningen av dessa verktyg en betydande del av den totala drifttiden för borriggen.

Vid dagens kàrnborrningsförfaranden är det i stor utsträckning lagt på den enskilda operatören att avgöra när kärnhämtningsröret respektive fångstverktyget har nått sina respektive operativa positioner. Detta sker genom bl a kon- troll och observation av utrustningen på olika sätt för att avgöra när respektive verktyg nått sin respektive operativa position. Eftersom miljön vid en borrigg för kärnborrning är bullrig och utsatt för yttre okontrollerbara omständigheter har erfarenhet visat att det är svårt för operatören att avgöra när respektive verktyg nått sin operativa position och därvid nästa steg vid driften av riggen ska initieras.

Av den anledningen är det mycket vanligt att operatören för säkerhets skull fortsätter en neddrivningsfunktion, såsom nedspolning av spolvätska mot respektive verktyg, en lång period efter att de facto verktyget nått sin operativa posi- tion. Detta förfarande bidrar naturligtvis till driftsäker- heten men kan vara ekonomiskt mycket ofördelaktigt, eftersom riggens totala driftekonomi väsentligt försämras med nedsatt produktion som följd.

En annan sida av saken är att initiering av nästa steg i kärnborrningsprocessen innan ett verktyg (kärnhâmtningsrör 10 15 20 25 30 532 53% respektive fângstverktyg) nått sin operativa position medför felfunktion, eventuellt driftstopp och i vart fall en utdragen process.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL ocH vIKTIGAsTE KÅNNETECKEN Det är ett ändamål med uppfinningen att överbrygga dessa nackdelar och att anvisa ett förfarande och en anordning vid kärnborrning, vilket medför att det kan snabbt och med säker~ het konstateras att nästa operativa steg för riggen kan ini- tieras.

Enligt uppfinningen uppnås detta genom särdragen i den kännetecknande delen av respektive självständigt patentkrav.

Det har nämligen visat sig att det är möjligt att särskilja de akustiska vibrationer, som uppkommer då respektive verktyg nätt sin respektive operativa position (härvid avses med verk- tyget kärnhämtningsröret respektive fàngstverktyget), från andra akustiska vibrationer, som förekommer under verksam- heten. Detta har medfört att det snabbt och med stor säkerhet kan detekteras när respektive operativ position är intagen, varefter, utan onödiga dröjsmål, nästa steg i processen kan initieras. En utsignal från systemet med innebörden att upp- komst av vibrationer karaktäristiska för när verktyget nätt sin operativa position detekterats kan utnyttjas för att informera operatören om läget eller direkt koppla riggen till nästa steg i processen.

Genom att de akustiska vibrationerna från borrsträngen avkänns via en med borrsträngen sammankopplad maskindel, pà grund av att vibrationerna överförs väsentligen oförändrade mellan maskindelarna, kan ett adekvat okomplicerat sensor- element placeras på en lämplig, t ex skyddad och tillgänglig plats, t ex pà matarbalken eller på en matarbalkhàllare.

Signaler erhållna från avkänningen av de akustiska vibra- tionerna jämförs lämpligen med i ett minne lagrade signaler, 10 15 20 25 30 532 531 vilka är framtagna genom något ur gruppen: tester och/eller beräkningar, varvid det kan handla om fältförsök kompletterat med beräkningar för olika verktyg för olika applikationer.

Härvid handlar det om frekvensanalys och i synnerhet vibra- tionsmönsteranalys.

I synnerhet är verktyget ett rörformigt kärnhämtnings- verktyg i form av ett kàrnhämtningsrör, som förs inuti borr- strängen till en under borrning intagen, kärnmottagande, ope- rativ position intill borrkronan. Härvid avses vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin operativa position vibrationer emanerande från när kàrnhämtningsröret når ett anslag i borrningspositionen.

I synnerhet, även, är verktyget ett fångstverktyg, avsett att föras till en operativ position, där det är sammankopplat med kärnhämtningsröret, för hämtning av detta med en fast- hállen borrkärna från borrningspositionen efter utförd borr- ning. Härvid dras fàngstverktyget med sammankopplat kärnhämt- ningsrör ur borrsträngen för uttagning av borrkärnan. Vibra- tioner karaktäristiska för nàr fângstverktyget nått sin opera- tiva position är vibrationer emanerande från när det går i ingrepp med kärnhämtningsröret.

Utsignalen utnyttjas företrädesvis för en eller flera ur gruppen: avbrytande av ett verktygsnerspolningssteg (avstänät ning av vattenpump - drivmotor), start av borrning, upp- dragning av ett fàngstverktyg, alstrande av en signal att upp- fattas av en operatör.

Företrädesvis utvärderas en tidrymd från initiering av att ett verktyg förs inuti borrsträngen mot sin operativa position tills det att utsignalen erhålls med avseende på Sin rimlighet för att öka säkerheten i systemet. 10 15 20 25 30 532 53% KORTEATTAD BESKRIVNING AV RITNINGAR Uppfinningen ska nu närmare beskrivas med ledning av utföringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. 1 schematiskt visar en borrigg för kärnborrning, Fig. 2a i en axiell sektion visar en detalj av en distal del av en borrsträng med ett kärnhämtningsrör i en första position, Fig. 2b visar samma detaljer som i fig. 2a men i en andra position, Fig. 3 visar ett fångstverktyg vid änden av ett kärnhämt- ningsrör, Fig. 4 visar en detalj av sammankopplingselement i fig. 3 i större skala, Fig. 5 visar ett blockschema för illustration av en för- farandesekvens enligt uppfinningen, och Fig. 6 visar en amplitud - frekvensdiagram.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Fig. 1 visar således en borrigg 1 för kärnborrning inkluderande en på en matarbalk 3 rörlig borrmaskin 2, som under pàtryckning rotationsdriver en rörformig borrsträng 6, vilken på sin distala ände på vanligt sätt uppvisar en rör- formig borrkrona 8. Ett borrsträngstöd i änden av matarbalken 3 är indikerat med 7. En spolsvivel 36 är på sedvanligt sätt anordnad överst på borrsträngen.

Borriggen 1 uppvisar vidare ett riggstativ 4, På Vilket matarbalken 3 är ledat anordnad för medgivande av begränsad inställning av borrningsvinkeln mot horisontalplanet. Ett effektaggregat för kraftförsörjning av riggens komponenter är generellt betecknat med 5. Matarbalken 3 är fasthàllen på riggstativet 4 via ett matarbalksstöd 9, på vilket enligt UPP" 10 15 20 25 30 532 531 finningen är anordnat ett sensorelement 10 för avkänning av akustiska vibrationer i borriggen.

Sensorelementet 10 kommunicerar med en CPU 11 via en led~ ning 13. CPU har lämpligen inlagt program för styrning av borriggens 1 komponenter på i och för sig känt sätt. Av denna anledning kommunicerar CPU 11 med bl a effektaggregatet 5 via en ledning 14 och med borrmaskinen 2 via en ledning 15. Med 12 indikeras en display för visning av olika till borrningen relaterade data och med 16 betecknas en inmatningsanordning i form av ett tangentbord.

Fig. 2a visar i en axiell sektion ett kärnhämtnings- verktyg i form av ett rörformigt kärnhämtningsrör 17 i proces- sen att framföras inuti den rörformiga borrsträngen 6 till sin aktiva position, varvid dess distala anslagsyta 18 ska komma till anliggning mot en motsatt en borriktning riktad anslags- yta 19 på borrkronan 8. P betecknar framföringsriktningen, vilken vanligtvis är väsentligen vertikalt nedåt, men det ute~ sluts inte att denna riktning P kan vara mer sidoriktad eller t o m uppátriktad beroende på karaktären av applikation, vid vilket ifrågavarande berg skall borras.

Framdrivningen av det rörformiga kärnhämtningsröret 17 kan vara nedsänkning genom den på röret verkande gravitations- kraften eller genom nedspolning med spolvätska eller vatten eller en kombination av dessa. Med 22 betecknas ett område för ingreppshakar, vilka förklaras nedan, och vilka är avsedda att samverka med ett fångstverktyg, vilket utnyttjas för utdrag~ ning av det rörformiga kärnhämtningsröret 17 med fasthållen kärna efter att ett borrningsavsnitt har genomförts.

Fig. 2b visar den operativa positionen när det rörformiga kärnhämtningsröret 17 har fullföljt sin framföringsrörelse inuti borrsträngen 6 och med sin framkant kommit till anslag i ett därför avsett anliggningssäte i omrâdet av borrkronan 8.

Vid anslagstillfället mellan det rörformiga kärnhämtnings~ 10 15 20 25 30 532 53% rörets 17 anslagsyta 18 mot borrkronans anslagsyta 19 uppkom- mer ett ljud, som medför att akustiska vågor eller vibratio- ner, vilka i fig. 2b indikeras med 24, fortplantar sig genom den rörformiga borrsträngen 6 ända upp till borriggen 1, där de till yttermera visso kommer att fortplanta sig vidare genom i kontakt med borrsträngen 6 befintliga element såsom borr- strängstödet 7, borrmaskinen 2, matarbalken 3 etc. liksom även i viss utsträckning till omgivningen.

De sålunda fortplantade akustiska vågorna kan därför avkännas genom att en akustisk sensor utnyttjas, vars sensor- element 10 (fig. 1) anbringas på ett element i borriggen 1, vilket står i kontakt med den rörformiga borrsträngen 6.

I fig. 3 visas ett fàngstverktyg 20, vilket är avsett att införas i borrsträngen för att efter att en viss längd borr- ning har genomförts, bringas till ingrepp med rörformigt kärn- hàmtningsrör 17. Genom uppdragning med hjälp av en (ej visad) draglina, för vilken ett fäste 23 är inrättat på fångstverk- tyget 20, kan fängstverktyget 20 dras ut med fasthàllet kärn- hämtningsrör 17 och i detta fasthàllen borrkärna genom borr- strängen upp till borriggen. Där kan fàngstverktyget lösgöras från kärnhämtningsröret och den utborrade och uppdragna kärnan plockas ut ur kärnhämtningsröret, varefter processen kan upp- repas efter att en ytterligare sektion har anbringats på borr- strängens proximala ände för möjliggörande av ytterligare borrning en vald sträcka.

Fàngstverktygets 20 ingreppsparti 21 uppvisar i föreva- rande utföringsexempel en konformig del, med spetsen riktad i införingsriktningen och med en tvärställd basyta 21' så att en hakformig änddel av fångstverktyget 20 bildas. Kärnhämtnings- röret 17 uppvisar motsvarande ingreppshakar 22, vilka är avsedda att samverka i ingreppshänseende med ingreppspartiet 21 hos fångstverktyget 20. 10 15 20 25 30 532 53% I den i fig. 4 visade axiella sektionen av ett område inuti borrsträngen 6, har fàngstverktyget 20 med hjälp av sitt ingreppsparti 21 kommit i ingreppssamverkan med kärnhämtnings- röret 17 genom dettas ingreppshakar 22. När ingreppspartiet 21 har kommit i en position för samverkan och ingreppshakarna 22 passerat ingreppspartiets 21 konformiga del kommer ingreppe- hakarna 22 att fjädra inåt för etablering av ingreppssamverkan mellan dessa delar. Härvid uppstår karaktäristiska akustiska vibrationer, när ingreppshakarna 22 snäpper in i ingrepps- läget, vilka akustiska vibrationer, är indikerade med 25, och vilka fortplantar sig genom borrsträngen 6 på motsvarande sätt som vad som anges ovan med hänvisning till de akustiska vibra- tionerna 24 i fig. 2b. Med 26 är betecknad en borrkärna.

Enligt uppfinningen avkänns de akustiska vibrationerna, som förevar i riggen för att detektera uppkomsten av akustiska vibrationer som är karaktäristiska för å ena sidan när kärn- hämtningsröret når sin operativa position, såsom visas i fig. 2b, å andra sidan när fàngstverktyget 20 nått sin operativa position såsom visas i fig. 4. Det har visat sig vara möjligt att genom analys av på sensorelementet verkande akustiska vib- rationer detektera när sådana karaktäristiska akustiska vibra- tioner har uppstätt. Härvid har genomförts lagring av signaler från faktiska händelser, tester och/eller beräkningar av främst frekvensområden, vilka är karaktäristiska för dessa akustiska vibrationer.

I CPU finns lämpligen för detta ändamål ett filter, för bortfiltrering av icke relevanta frekvensomràden och minska för behandling avsedd datamängd, och en jämförarefunktion, vilken jämför signaler från upptagna vibrationer med i minnet lagrade signaler. När matchning konstateras avges en utsignal, vilken utnyttjas t ex till att starta eller avbyta en opera- tion eller ge en signal till operatören. Härvid kan på ett 10 15 20 25 30 532 53% säkert sätt hela borrningsförloppet snabbas upp, vilket ger stora ekonomiska fördelar.

Fig. 5 visar schematiskt ett blockschema för illustration av en förfarandesekvens enligt uppfinningen, varvid Position 27 indikerar sekvensens start, Position 28 indikerar initiering av ett kärnhämtnings~ förlopp genom införande och framförande av ett kärnhämtnings- rör genom en borrsträng, Position 29 indikerar kärnhämtningsrörets ankomst till sin operativa position, varvid karaktäristiska akustiska vib- rationer avges då kärnhämtningsröret anslår mot sitt säte i området av borrkronan, Position 30 indikerar att avkända akustiska vibrationer efter analys är identifierade som varande karaktäristiska för att kärnhàmtningsröret nått sin operativa position, genom att CPU efter analys av akustiska vibrationer, för vilka borriggen är utsatt detekterat akustiska vibrationer karaktäristiska för när kärnhämtningsröret nått sin operativa position, och avgi- vande av en första utsignal, Position 31 betecknar start av och genomförande av borr- ningsförloppet en vald sträcka, varvid en motsvarande lång borrkärna upptas i kärnhämtningsröret, Position 32 indikerar nedsänkning av ett fångstverktyg i borrsträngen fram till dess operativa position, Position 33 indikerar att karaktäristiska akustiska vibrationer uppkommer då fångstverktyget nått sin operativa position av själ som anges ovan, Position 34 indikerar att avkända akustiska vibrationer efter analys är identifierade som varande karaktäristiska för att kärnhämtningsröret nått sin operativa position, genom att CPU efter analys av akustiska vibrationer, för vilka borriggen är utsatt detekterat akustiska vibrationer karaktäristiska för 10 15 20 25 30 532 531 10 när fångstverktyget nått sin operativa position, och avgivande av en andra utsignal, och Position 35 indikerar avslutning av sekvensen genom upp- dragning av fàngstverktyget med påhakat kärnhämtningsrör utplockning av borrkärna och återgång till position 27.

I fig. 6 visas schematiskt en amplitud - frekvensdiagram, i vilket är inritat två kurvor, av vilka kl visar ett frekvensfördelningsmönster för händelsen att ett kärnhämt- ningsrör anslår mot ett säte i området av en borrkrona och kz, vilket visar ett frekvensfördelningsmönster för händelsen att ingreppshakar kommer till ingrepp med ett ingreppsparti pà ett fångstverktyg. Ah visar ett frekvensomräde, vid vilket karak- täristiska amplitudtoppar föreligger för den första händelsen.

Ah visar ett frekvensomràde, vid vilket amplitudtoppar karaktä- ristiska för den andra händelsen uppträder. Lämpligen sker jämförelsen i CPU genom att av sensorelementet upptagna akustiska vibrationer jämförs med svängningsmönster i form av respektive frekvensfördelning enligt fig. 6.

I praktiken har det visat sig lämpligt att i många applikationer ha ett enda frekvensomràde, vid vilket karak- täristiska amplitudtoppar för båda händelserna uppträder, varvid i dessa fall ett enda frekvensområde kan utnyttjas för identifiering av båda dessa händelser. Det kan även förekomma att frekvensomràdena kan vara helt skilda och att det av den anledningen är lämpligt att separera dessa frekvensområden.

Det kan även förkomma att man har flera frekvensomràden för en händelse.

Uppfinningen kan modifieras inom ramen för de efter- följande kraven. Sålunda kan de ingående komponenterna vara utförda annorlunda. T ex kan kärnhämtningsröret vara annor- lunda utformat och element motsvarande ingreppshakar ha annan form och funktion liksom ingreppspartiet på fångstverktyget. I 10 15 532 5% ll fig. l har visats en CPU, vilken har inlagt i sig funktioner för att utöva uppfinningen. Som alternativ kan en separat dator såsom en PC eller t o m en enkel râknarkrets utnyttjas för detta ändamål, vilken PC eller krets endast har en ledning till ett sensorelement anbragt pà en komponent i borriggen och medel för att uppmärksamma operatören på att en operativ P0Sí' tion nåtts.

Analysanordningen kan vara integrerad med jämföraren och CPU, PC respektive räknarkretsen och arbeta digitalt eller analogt. Signalalstraren kan vara en ljud-, ljus- eller vibra- tionsalstrare.

Det föredras att vibrationssensorns sensorelement har kontakt med en maekindel, som i sin tur är i kontakt med borr- strängen, men det utesluts inte att utnyttja en avkännings- anordning i form av en fristående mikrofon för att uppta de akustiska vibrationerna.

Claims (20)

10 15 20 25 30 532 531 12 PATENTKRAV:

1. Förfarande vid kärnborrning, varvid - en på änden av en rörformig borrstràng (6) anordnad rörfor- mig borrkrona (8) under rotation drivs mot för borrning avsett material, och varvid - i ändamål av kärnhämtning, ett verktyg (l7,20) förs inuti borrsträngen till en operativ position i området av borr- kronan, kånnetecknat av - att akustiska vibrationer (24,25) från borrsträngen avkänns när verktyget förs mot sin operativa position, - att avkända akustiska vibrationer analyseras för detektering av uppkomst av akustiska vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin operativa position, och - att en utsignal avges när uppkomst av vibrationer karaktä- ristiska för när verktyget nått sin operativa position detek- terats.

2. Förfarande enligt kravet 1, kânnetecknat av att de akus- tiska vibrationerna från borrsträngen (6) avkänflß Via an med borrsträngen sammankopplad maskindel.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2, kännetecknat av att signaler erhållna från avkänningen av de akustiska vibratio- nerna jämförs med i ett minne lagrade signaler, vilka är fram- tagna genom något ur gruppen: tester och/eller beräkningar.

4. Förfarande enligt kravet 1, 2 eller 3, kännetecknat av att ett rörformigt kärnhämtningsverktyg (17) i form av ett kärn- hämtningsrör förs inuti borrsträngen (6) till en under borr- ning intagen, kärnmottagande, operativ position intill borr- kronan. 10 15 20 25 30 532 53% 13

5. Förfarande enligt kravet 4, kännetecknat av att vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin operativa position är vibrationer emanerande från när verktyget i form av ett kärnhämtningsrör (17) når ett anslag i borrningspositionen.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid ett kärnhämtningsrör (17) är inrättat för mottagning av en borr- kärna, kännetecknat av att ett fångstverktyg (20) förs till en operativ position, där det är sammankopplat med kärnhämtnings- röret (17), för hämtning av detta med en fasthàllen borrkärna (26) från borrningspositionen efter utförd borrning.

7. Förfarande enligt kravet 6, kännetecknat av att fångst- verktyget (20) med sammankopplat kärnhämtningsrör (17) dras ur borrsträngen (6) för uttagning av borrkärnan (26).

8. Förfarande enligt krav 5, 6 eller 7, kännetecknat av att vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin opera- tiva position är vibrationer emanerande från när fångstverk- tyget (20) går i ingrepp med kärnhämtningsröret (17).

9. Förfarande enligt något av föregående krav, kånnetecknat av att utsignalen utnyttjas för en eller flera ur gruppen: avbry- tande av ett verktygsnerspolningssteg (avstängning av vatten- pump - drivmotor), start av borrning, uppdragning av ett fàngstverktyg, alstrande av en signal att uppfattas av en ope- ratör.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att en tidrymd från initiering av att ett verktyg förs inuti borrsträngen mot sin operativa position tills det att utsignalen erhålls utvärderas med avseende på sin rimlighet. 10 15 20 25 30 532 53% 14

11. Anordning vid kärnborrning, varvid en på änden av en rör- formig borrsträng (6) anordnad rörformig borrkrona (8) under rotation drivs mot för borrning avsett material, och varvid åtminstone ett verktyg (17,20) för kärnhämtning är avsett att föras inuti borrsträngen (6) till en operativ position i områ- det av borrkronan, kännetecknad av - en avkänningsanordning (10) för att avkänna akustiska vibra~ tioner från borrsträngen när verktyget förs mot sin operativa position, - en analysanordning för att analysera avkända akustiska vib- rationer för detektering av uppkomst av akustiska vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin operativa position, och - en signalalstrare (12) inrättad att avge en utsignal när uppkomst av vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin operativa position detekterats.

12. Anordning enligt kravet 11, kännetecknad av att avkän- ningsanordningen (10) är inrättad för att avkänna de akustiska vibrationerna från borrsträngen via en med borrsträngen sam~ mankopplad maskindel.

13. Anordning enligt kravet 11 eller 12, kånnetecknad av en jämförare för att jämföra signaler erhållna från avkänningen av de akustiska vibrationerna med i ett minne lagrade signa- ler, vilka är framtagna genom något ur gruppen: tester och/eller beräkningar.

14. Anordning enligt kravet 11, 12 eller 13, kånfletecknad av att verktyget år ett rörformigt kärnhämtningsverktyg i form av ett kärnhämtningsrör (17) för förande inuti borrsträngen (6) 10 15 20 25 30 532 531 15 till en under borrning intagen, kärnmottagande, operativ posi- tion intill borrkronan.

15. Anordning enligt kravet 14, varvid ett kärnhàmtningsrör är inrättat för mottagning av en borrkärna, kânnetecknad av ett fångstverktyg (20) inrättat att föras till en operativ posi- tion, där det är sammankopplat med kärnhämtningsröret (17), för hämtning av detta med en fasthâllen borrkärna (26) fran borrningspositionen efter utförd borrning.

16. Anordning enligt kravet 15, kännetecknad av en utdrag- ningsanordning för utdragning av fàngstverktyget (20) med sam- mankopplat kärnhämtningsrör (17) ur borrsträngen för uttagning av borrkärnan.

17. Anordning enligt krav 15 eller 16, kännetecknad av att vibrationer karaktäristiska för när verktyget nått sin opera- tiva position är vibrationer emanerande från när fångstverk- tyget (20) går i ingrepp med kärnhämtningsröret (17).

18. Anordning enligt något av kraven ll - 17, kännetecknad av att utsignalen är anordnad att utnyttjas för en eller flera ur gruppen: avbrytande av ett verktygsnerspolningssteg (avstäng- ning av vattenpump - drivmotor), start av borrning, uppåïag" ning av ett fángstverktyg, alstrande av en signal att upp- fattas av en operatör.

19. Anordning enligt något av kraven 11 - 17, kånneteßkflafi av en utvärderingsanordning för att med avseende på sin rimlighet utvärdera en tidrymd från initiering av att ett verktyg förs inuti borrstràngen mot sin operativa position tills det att utsignalen erhålls. 532 53? 16

20. Borrigg inkluderande en anordning enligt något av kraven ll - 19.