DE112008000354T5

DE112008000354T5 - Anordnung zum Bohren und Vermessen, Verfahren zum Bohren und Vermessen und Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren

Info

Publication number: DE112008000354T5
Application number: DE112008000354T
Authority: DE
Inventors: Trond Bolas; Tage Rosten
Original assignee: Statoil ASA
Current assignee: Equinor Energy AS
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2010-03-18
Also published as: NO20070769L; RU2454524C2; US20100212962A1; AU2008213158B2; US8479841B2; RU2009133790A; NO330103B1; WO2008097101A1; AU2008213158A1

Abstract

Anordnung zum Bohren und Vermessen mit
einer Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren (EPD-Vorrichtung), mindestens einer Vorrichtung zum Empfang von akustischen Signalen, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung weiter mindestens eine Vorrichtung zum Empfang von elektromagnetischen Signalen enthält, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Bohren und Vermessen, insbesondere zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus unterirdischen Formationen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zum Bohren und Vermessen, ein Verfahren zum Bohren und Vermessen und eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren, die zur Durchführung des Verfahrens besonders gut geeignet sind.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die meisten Lagerstätten von Gas und/oder flüssigen Kohlenwasserstoffen sind versteckt in Schichten von Felssedimenten im Untergrundbereich zu finden. Das Bohren in den Untergrundbereich, das ein Fördern von Kohlenwasserstofffluiden aus kohlenwasserstoffhaltigen Formationen ermöglicht, ist sehr kostenintensiv. Um die Möglichkeit zu erhöhen, dass die Bohrung ein kohlenwasserstoffhaltiges Reservoir trifft, wird der Untergrund vor dem Bohrvorgang so intensiv wie möglich kartiert. Für dieses Kartieren werden seismische Techniken und, in geringerem Maße, elektromagnetische Techniken angewendet.
Aber auch während des Bohrvorgangs besteht ein großes Interesse daran, Informationen über die Bodenbeschaffenheit zu bekommen, um den Bohrvorgang besser planen und steuern zu können, mit dem ein angenommenes oder identifiziertes Kohlenwasserstofflager gefördert werden kann. Für eine verbesserte Planung und Steuerung des Bohrvorgangs ist es von Vorteil, wenn diese Informationen so detailliert und korrekt wie möglich sind.
Das Bohren wird im Allgemeinen mit einem Bohrgestänge durchgeführt, das von der Oberfläche aus in Drehung versetzt wird. Ein alternatives Verfahren besteht darin, einen Motor im Bohrloch nahe der Bohrspitze zum Drehen der Bohrspitze einzusetzen. Der Motor kann beispielsweise von dem zirkulierenden Bohrschlamm angetrieben werden.
Ein drittes Bohrverfahren ist das Elektroimpulsbohren, das sogenannte EPD-Verfahren (Electro Pulse Drilling). Beim Elektroimpulsbohren werden statt rein mechanischer Bearbeitung, wie bei traditionellen Bohrprozessen, starke elektrische Impulse zum Aufbrechen der Formation eingesetzt. Genauer gesagt werden mindestens zwei Elektroden verwendet, die durch ein Isoliermaterial voneinander getrennt sind; eine Elektrode wird auf ein hohes elektrisches Potential aufgeladen, während die andere Elektrode mit Erdpotential gekoppelt ist. Bei ausreichend hoher Aufladung bildet sich ein kräftiger Funke und die Elektroden werden kurzgeschlossen, wobei der Strom den Weg des geringsten Widerstandes von der aufgeladenen Elektrode zur mit Erdpotential gekoppelten Elektrode nimmt. Eine Bohrspitze zum Elektroimpulsbohren enthält mindestens die beiden genannten Elektrodenarten in unterschiedlichen Konfigurationen und kann zusätzlich eine oder mehrere zusätzliche Elektroden aufweisen, die während des Betriebs Potential zwischen den genannten Elektroden annehmen, sogenannte Elektroden mit freiem Potential (floating electrodes). Es sind eine hohe Spannung, üblicherweise mehrere Kilovolt, und ein hoher Strom erforderlich, um die zum Aufbrechen der Formation vor der Bohrspitze, wo die Elektroden angeordnet sind, erforderliche Energie zu erzeugen. Um eine ausreichende Wirkung zu erzielen, ist eine leistungsfähige Elektrizitätszufuhr erforderlich, zu der üblicherweise eine Anzahl von Elementen zum Aufladen und nachfolgendem Entladen der elektrischen Energie gehört, welche Elemente üblicherweise in Form von Kondensatoren vorgesehen sind. Abhängig von der Formation und den Betriebsparametern bildet der elektrische Funke in dem Bohrfluid vor der Bohrspitze eine Druckwelle oder einen Plasmakanal in oder an der Formation, was in beiden Fällen zum Aufbrechen der Formation führt.
Das Elektroimpulsbohren wird in mehreren Patentanmeldungen beschrieben, von denen drei nachfolgend beschrieben werden.
In der Patentveröffentlichung US 4.741.405 wird eine Vorrichtung zum fokussierten Elektroimpulsbohren beschrieben, die eine Mehrzahl von Elektroden enthält. Die Bohrspitze enthält mindestens eine erste Elektrode, die mit einer impulsbildenden Leitung positiv gekoppelt ist, eine zweite Elektrode, die mit Massepotential gekoppelt ist, und eine Anzahl von dritten Elektroden, die in der Nähe von erster und zweiter Elektrode angeordnet sind, wobei es sich bei den dritten Elek-troden um Elektroden mit freiem Potential handelt. Beim Laden der ersten Elek-trode wird unter den richtigen Bedingungen ein Funke zwischen der ersten Elek-trode und einer der dritten Elektroden erzeugt, weiter zu einer nächsten der dritten Elektroden bis der Funke schließlich auf die an Masse angeschlossene zweite Elektrode überspringt. Die Bohrspitze ist gegenüber der Formation von einem Arbeitsfluid umgeben, und die Funken erzeugen eine Druckwelle in dem Fluid, die auf das aufzubohrende Material gerichtet ist. Es wird angenommen, dass sich in dem Arbeitsfluid Plasmakanäle bilden, die zu Druckwellen führen, die wiederum ausreichend Energie haben, um das aufzubohrende Material aufzubrechen. Mit Hilfe einer ausgeklügelten Schaltkopplung der impulsbildenden Leitungen zwischen einer elektrischen Versorgung und ausgewählten ersten Elektroden in der Bohrspitze kann ein Fokussieren der Druckwelle erreicht werden, so dass der Bohrer gesteuert und ausgerichtet werden kann. Die Hochspannungsleistung kann den impulsbildenden Leitungen entweder im Bohrloch oder von der Oberfläche aus zugeführt werden. Es werden mehrere Mittel für diesen Zweck beschrieben, unter anderem die Verwendung eines Marx-Generators als Hochspannungsquelle. Weiterhin wird beschrieben, beispielsweise in Spalte 4, Zeilen 32 bis 46, dass der Elektroimpulsbohrer als solcher als eine Quelle für seismische Impulse verwendet werden kann, um die Position der Bohrspitze zu bestimmen und damit die Position der Bohrlochbohrung. Genauer gesagt werden Druckwellen, die von der Bohrspitze erzeugt werden, als seismische Impulse verwendet, die von einem Netz aus seismischen Empfangseinheiten, die an der Oberfläche in der Nähe des Bohrlochs positioniert sind, empfangen werden können. Seismische Zeit-Entfernung-Daten können in Echtzeit verarbeitet werden, und bei Nutzung einer dafür eingerichteten Einheit kann eine fortlaufende Darstellung der Bohrposition und der von einem Normalwert abweichenden Werte dargestellt werden. Die Abweichungen können dann für eine Korrektur und zum Steuern der Bohrvorrichtung verwendet werden, indem Steuersignale von der Oberfläche aus erzeugt werden. In der Patentveröffentlichung gibt es nur eine kurze Beschreibung einer seismischen Zeit/Entfernung-Analyse zur Bestimmung der Position, es wird nichts über das Kartieren von Formationseigenschaften auf der Basis von empfangenen seismischen Daten oder von anderen Daten erwähnt.
In der Patentveröffentlichung RU 2167991 C2 wird das Elektroimpulsbohren in Form von Rotationsbohren mit einem mechanischen Werkzeug beschrieben, wobei elektrische Hochspannungsimpulse über den Boden des Bohrlochs wandern, um die Festigkeit der Formation zu verringern. Dadurch wird ein wirksameres Bohren erreicht.
In der Patentveröffentlichung WO 03/069110 A1 wird das Elektroimpulsbohren in Form von Plasmakanalbohren beschrieben. Genauer gesagt werden eine Einrichtung und ein Verfahren beschrieben, bei denen ein gepulster Hochspannungsgenerator mit einer Elektrodenanordnung gekoppelt ist, die an einer Materialabräumstation für die Einrichtung angeordnet ist, das heißt unten in einem Bohrloch, wobei die Einrichtung dazu ausgelegt ist, elektrische Impulse zum Bilden eines Plasmakanals in oder an der Oberfläche eines Materials zu erzeugen, und zwar pro Sekunde mehrere Male, so dass Material durch sehr schnelle Ausdehnung jedes Plasmakanals, der den Materialkörper zerbricht und fragmentiert, entfernt wird. Es werden 1 bis 100 Impulse pro Sekunde angewendet, üblicherweise 5 bis 25 Impulse pro Sekunde, die 1 bis 50 Mikrosekunden andauern und eine Anstiegszeit von weniger als 150, üblicherweise von unter 100 Nanosekunden haben, wobei die Hochspannung im Bereich von 10 bis 50 kV liegt und ein Spitzenwert von 1 bis 100 MW bewirkt wird. Die Spannung ist auf etwa 50 kV begrenzt, um allzu umfassende Anforderungen an die Isolierung zu vermeiden. Es können Löcher mit einem Durchmesser bis zu 100 mm gebohrt werden. Ein Bohren in einem „trockenen” Bohrloch ist ebenfalls möglich, siehe Seite 6, Zeile 22, vorzugsweise wird jedoch ein Bohrfluid mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Wasser, eingesetzt, was zum Entfernen von Fragmenten vorzuziehen ist. Die Elektroden sind konzentrisch angeordnet, wobei die an Masse angeschlossenen außen angeordnet sind. Die Veröffentlichung bietet eine gute und umfassende Beschreibung der mit dem Elektroimpulsbohren in Verbindung stehenden physikalischen Parameter. Die Bedeutung von dielektrischen Eigenschaften des Fluids und der Formation vor der Bohrspitze wird in Relation zu verschiedenen Arbeitsparametern beschrieben. Unter anderem wird beschrieben, das bei einer relativ hohen Spannung der elektrische Durchschlag in der Formation stattfindet statt in dem die Bohrspitze umgebenden Fluid. Die 6 und 7 stellen einen Durchschlag des isolierenden Dielektrikums (entweder die Formation, die aufgebohrt wird, oder das die Bohrspitze umgebende Fluid) dar als Funktion von Spannung oder Spannungsfeld und der Zeit zum Entladen. Die Bedeutung des Abstands zwischen den Elektroden wird ebenfalls dargestellt und beschrieben. Auf Seite 16, Zeilen 7 bis 21, die sich mit Betriebsparametern beschäftigen, die zu dem elektrischen Durchschlag in der Formation anstelle in dem Fluid führen, wird erläutert, wie die Plasmakanäle allmählich die Formation über die gesamte Fläche der Bohrspitze in Bohrrichtung aufbrechen, weil der Plasmakanal versucht, den Weg des geringsten Widerstands zu gehen, der dadurch über die Formation geht. Die Plasmakanalbildung rotiert im Laufe der Zeit um 360° um die Bohrspitzenfläche, wodurch Material vor der vollen Bohrspitze aufgebrochen wird und es nicht erforderlich ist, die Bohrspitze mit Elektroden per se zu rotieren. Weiter wird beschrieben, dass der Impulsgenerator vorzugsweise einen Hochspannungsimpuls mit einer Wellenform erzeugen kann, die der kritischen gedämpften Reaktion der Schaltung nahekommt, die gebildet wird, wenn der Plasmakanal erzeugt wird. Das Bilden eines Plasmakanals führt zu einem Zusammenbruch des dielektrischen Widerstandes, weshalb mit der Bildung eines folgenden Plasmakanals gewartet werden sollte, bis der dielektrische Widerstand wieder aufgebaut wurde. In der Veröffentlichung wird Elektroimpulsbohren und gleichzeitiges Vermessen in keiner Weise diskutiert.
Measurement while drilling, MWD, also Messen während des Bohrvorgangs bedeutet, Daten über Druck, Temperatur und dreidimensionale Daten über den Bohrpfad während oder in Verbindung mit der Bohrung zu sammeln. Das Messen während des Bohrvorgangs zum Zweck der Kartierung der Formation selbst wird im Allgemeinen als loggingwhile drilling, LWD, also Vermessen während des Bohrvorgangs bezeichnet, wozu das Messen von Parametern wie Widerstand, Porosität, Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Schallwelle und Gammastrahlung gehört. In der Patentveröffentlichung US 5.881.310 ist eine nähere Beschreibung von LWD und MWD enthalten. In der genannten Veröffentlichung wird beschrieben, dass das Bohrgestänge und die Bohrspitze als Quelle akustischer Signale genutzt werden können, das Elektroimpulsbohren wird nicht erwähnt.
In der Patentveröffentlichung WO 2004/083898 A1 werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Eigenschaften von Lagerstätten im Erdreich beschrieben, die einen elektromagnetischen Sender und einen seismischen Sender am im Wesentlichen identischen Ort auf dem Erdreich oder dem Meeresboden einsetzen, welche Sender Signale erzeugen, die von einem Elektromagnet-Empfänger und einem seismischen Empfänger empfangen werden, welche Empfänger im Wesentlichen am identischen Ort auf dem Erdreich oder dem Meeresboden angeordnet sind, getrennt von den Sendern. Um eine möglichst gute Reichweite zu haben, werden vorzugsweise niedrige akustische und elek-tromagnetische Frequenzen im Bereich von 0,1 bis 20 Hz verwendet. Durch Analyse und Vergleich verschiedener Komponenten der Elektromagnetfeld- und Akustikreaktion, insbesondere von Refraktionskomponenten, können Daten identifiziert und analysiert werden, die das Vorhandensein einer Kohlenwasserstofflagerstätte anzeigen.
In der Patentanmeldung WO 02/14906 A1 werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften von Lagerstätten im Erdreich beschrieben. Vom Meeresboden aus wird ein elektromagnetisches Feld mit Hilfe eines Dipolantennen-Senders angelegt, welches Feld mit Hilfe eines Dipolantennen-Empfängers erkannt wird. Es werden Messungen mit dem Antennen-Empfänger sowohl in einer Reihe liegend als auch parallel dazu durchgeführt, und die Differenz zwischen den beiden Messungssätzen zeigt an, ob und wo Interesse besteht. Abhängig von dem Auftreffwinkel und dem Polarisationszustand kann eine auf eine Schicht hohen Widerstands auftreffende elektromagnetische Welle einen kanalisierten oder geführten Wellenmodus in der Schicht anstoßen. Bei einer solchen Schicht hohen Widerstands kann es sich um eine Kohlenwasserstoff enthaltende Schicht handeln. Der kanalisierte (ducted) Wellenmodus breitet sich seitlich entlang der Schicht aus und lässt Energie zurück in das darüber befindliche Erdreich und die auf dem Meeresboden positionierten Empfänger entweichen. Der kanalisierte Wellenmodus wird nur bei einer auftreffenden Welle mit transversaler magnetischer (TM) Polarisation erregt, was bedeutet, dass das Magnetfeld senkrecht zur Auftreffebene liegt, und bei Auftreffwinkeln, die dem Brewster-Winkel und dem kritischen Winkel (dem Winkel totaler Reflektion) nahe kommen. Bei elektromagnetischen Wellen mit transversaler elektrischer Polarisation (TE) wird der kanalisierte Modus nicht erregt. Der Sender erzeugt sowohl TE- als auch TM-Wellen, aber durch ein Verändern der Ausrichtung des Senders, wozu wahlweise orthogonal ausgerichtete Empfängerantennen verwendet werden, können die beiden Wellenmodi mit unterschiedlicher Empfindlichkeit empfangen werden.
Die oben erwähnten Verfahren zum Kartieren des Erdreichs sind umfangreich und teuer. Häufig enthalten die Signale Störungen aufgrund der Störungen und gegenseitigen Beeinflussungen unter anderem durch andere Quellen, lange Signalpfade und aufgrund von Problemen mit schwachem Kontakt mit dem Meeresboden und störenden Einflüssen durch das umgebende Meereswasser. Es besteht ein Bedarf an besserer Technologie zum Vermessen, insbesondere bei gleichzeitig ablaufendem Bohrvorgang, und insbesondere auf eine Weise, dass umfangreiche Datenmengen von vorzugsweise unabhängigen Daten gesammelt werden können. Es besteht außerdem ein Bedarf an einer Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren, die insbesondere zum Elektroimpulsbohren und gleichzeitigem Erzeugen von Signalen für die Vermessung geeignet ist.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.
Zusammenfassung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung zum Bohren und Vermessen bereitgestellt, die eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren (EPD-Vorrichtung) und mindestens eine Vorrichtung zum Empfang von akustischen Signalen enthält, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anordnung weiter mindestens eine Vorrichtung zum Empfang von elektromagnetischen Signalen enthält, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden. Der Ausdruck akustisches Signal bedeutet jede Art von elastischem oder seismischem Signal, das durch die EPD-Vorrichtung generiert wird. Der Ausdruck elektromagnetische Signale bezeichnet jede Art von elektrischen, elektromagnetischen und magnetischen Signalen, die durch die EPD-Vorrichtung generiert werden.
Der Ausdruck Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren umfasst jede Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren, beispielsweise solche, wie sie in der Einleitung beschrieben wurden, vorzugsweise jedoch eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren entsprechend der vorliegenden Erfindung, die später detaillierter beschrieben wird. Die Vorrichtungen zum Empfang von durch die EPD-Vorrichtung generierten akustischen bzw. elektromagnetischen Signalen sind von beliebiger, bekannter Art und für eine örtliche Anordnung ausgelegt, die geeignet ist, die genannten Signale zu empfangen.
Die Anordnung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise akustische Empfänger, die drei Verschiebungsvektoren und eine Druckkomponente messen, wobei die Empfänger in einer oder mehreren der folgenden Positionen angeordnet sind: auf dem Meeresboden, auf einer Erdoberfläche, im Wasser oberhalb des Meeresbodens, in einem oder mehreren getrennten Bohrlöchern, in dem Bohrloch, in dem die EPD-Vorrichtung benutzt wird. Dadurch können die Scher- und Druckkomponenten der akustischen Wellen be stimmt werden. Es ist zweckdienlich, dreiaxiale piezoelektrische Empfänger, Unterwasserhorchgeräte und Geophone zu verwenden.
Die Anordnung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise Elektromagnet-Empfänger, die in einer oder mehreren der folgenden Positionen angeordnet sind: auf dem Meeresboden, der Erdoberfläche, im Wasser oberhalb des Meeresbodens, in einem oder mehreren getrennten Bohrlöchern, in dem Bohrloch, in dem die EPD-Vorrichtung benutzt wird. Der Ausdruck Elektromagnet-Empfänger bezeichnet Elektrofeld-Empfänger, Elektromagnet-Empfänger und Magnetfeldempfänger. Elektrofeld-Empfänger umfassen beispielsweise verschiedene Arten von Elektrodenantennen wie zum Beispiel Silber-Silberchlorid-, karbongefüllte Elektroden, Faseroptiksensoren, Dipolantennen und dielektrische Flächenantennen. Elektromagnet-Empfänger umfassen zum Beispiel Ringantennen und Spulen mit oder ohne ferromagnetischen Kern und Induktionsspulenmagnetometer. Magnetfeldempfänger können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: (1) Magnetometer für H < 1 mT und (2) Gauss-Meter für H >1 mT. Magnetometer können in zwei Untergruppen eingeteilt werden: (a) Vektor, zum Beispiel Suchspule, Flussdichtemesser, Squid, Magnetfeldwiderstand- und Faseroptikmagnetometer, und (b) skalare, zum Beispiel optische Pump- und Proton-Präzisionsmagnetometer. Gauss-Meter sind beispielsweise Hall-Effekt-Magnetowiderstands-, Magneto-Dioden und Magneto-Transistor-Gauss-Meter. Die Empfänger können vorzugsweise in Paaren oder als Drei und Drei angeordnet werden, um alle Komponenten des elektromagnetischen Feldes zu messen. Wegen der einfachen Herstellung, der niedrigen Kosten und guter Messergebnisse sind Silber-Silberchlorid-Dipolelektroden oder -spulen mit ferromagnetischem Kern zum Messen der elektrischen bzw. magnetischen Feldstärke auf der Oberfläche am günstigsten. Für Bohrlochbohrungen sind Ringantennen wie beispielsweise Schleifenantennen oder Kreisantennen zum elektromagnetischen Messen aus den gleichen Gründen am günstigsten. Die oben genannten Empfänger werden vorzugsweise in Gruppen zusammen angeordnet, so dass mehrere Messarten aus derselben Position vorgenommen werden können, was die Analyse der Messdaten vereinfacht. Weiter ist es von Vorteil, viele Gruppen von Empfängern anzuordnen, insbesondere auf dem Meeresboden, um mehrere Messungssätze und eine gute Positionsgenauigkeit bereitzustellen. Es ist von Vorteil, dass die Empfänger elektrische, akustische, elektromagnetische oder optische Signale sowie Funksignale generieren, die in Form von Rohdaten oder verarbeiteten Daten über Kabel oder mit Hilfe anderer Mittel an eine Position an der Oberfläche geliefert werden, und zwar vorzugsweise in Echtzeit zu lesen und zu verarbeiten. In dem Bohrloch, wo die EPD-Vorrichtung benutzt wird, sind Empfänger vorzugsweise in Paaren angeordnet, beispielsweise entlang eines Bohrgestänges nahe beieinander und zusätzlich diametral gegenüber um ein Bohrgestänge, um unerwünschte Signale leichter identifizieren und entfernen zu können und die Position interessanter Reflexe oder Signale bestimmen zu können. Die Messvorrichtungen messen Datenreihen über die Zeit mit einer Messfrequenz, die gegenüber der Frequenz der erzeugten Wellen angepasst ist.
Die Anordnung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise eine Vorrichtung, die mit den Empfängern gekoppelt ist, um die von den Empfängern kommenden Daten aufzuzeichnen, zu speichern und zu verarbeiten, und die Vorrichtung ist mit der EPD-Vorrichtung gekoppelt oder von einer Bedienungsperson der EPD-Vorrichtung abzulesen, um das Elektroimpulsbohren auf der Basis der Messungen und/oder der verarbeiteten Daten entweder manuell oder automatisch zu steuern.
Die Anordnung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise eine EPD-Vorrichtung mit einstellbarer Wirksamkeit, so dass die wählbare Plasmabildung entweder in einem Bohrfluid vor der Bohrspitze oder in einer Formation oder auf einer Formationsoberfläche vor der Bohrspitze erfolgt. Das ist nicht nur für den Bohrprozess und seine Steuerung von Bedeutung, sondern auch für die Erzeugung verschiedener Datenarten. Es gibt Gründe, anzunehmen, dass eine Plasmakanalbildung in oder auf der Formation andere elektromagnetische und akustische Signaturen ergibt als eine Plasmakanalbildung in einem Bohrfluid. Die Plasmakanalbildung in einem Bohrfluid ergibt eine Druckwelle und eine elektromagnetische Welle, von denen aufgrund von Reflektionen an der Schnittstelle zur Formation angenommen wird, dass sie weniger tief in die Formation eindringen und einen unterschiedlichen Anteil von Scher- und Transversalkomponenten für die generierten Wellenfelder aufweisen als eine Plasmakanalbildung in der (und möglicherweise auf der) Formation. Außerdem ist die Ausgangswirkung bei einer Plasmakanalbildung in einem Bohrfluid geringer und die Art und Weise des physikalischen Mechanismus, mit dem die die Formation fragmentiert wird, ist unterschiedlich.
Die Anordnung gemäß der Erfindung enthält vorzugsweise eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren mit mindestens drei Elektroden zum Aufladen auf eine hohe Spannung (Ladeelektroden) und zum nachfolgenden Entladen, die innerhalb des Umfangs winkelmäßig getrennt angeordnet sind, wobei mindestens eine Elektrode mit Erdpotential gekoppelt ist, und dass die Elektroden sind vorzugsweise in einer Bohrfläche einer Bohr spitze angeordnet, wobei die Elektroden voneinander isoliert und die Ladeelektroden einzeln an eine in der Wirksamkeit steuerbare elektrische Hochspannungsversorgung anschaltbar sind. Mit mindestens drei Ladeelektroden, die vorzugsweise gleichmäßig um den Umfang angeordnet sind, und mit einer auswählbaren Wirksamkeit für die Hochspannungsquelle, die gesteuert werden kann, um eine Plasmakanalbildung entweder in oder auf der Formation oder innerhalb des Bohrfluid bereitzustellen, werden sowohl eine verbesserte Steuerung der Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren als auch der Erzeugung unterschiedlicher Arten akustischer und elektromagnetischer Signale erzielt.
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zum Elektroimpulsbohren und Vermessen bereit, bei dem eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren in ein Bohrloch entweder am Ende eines Bohrgestänges oder am Ende eines Kabels oder eines aufgewickelten Rohrs eingeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Elektroimpulsbohren in die Formation unter gleichzeitiger Erzeugung von elektromagnetischen und akustischen Signalen durchgeführt wird, dass akustische Signale mit mindestens einer Vorrichtung zum Empfang solcher Signale empfangen werden, dass elektromagnetische Signale mit mindestens einer Vorrichtung zum Empfang solcher Signale empfangen werden und dass die empfangenen Signale entweder direkt oder in verarbeiteter Form zur Steuerung des Elektroimpulsbohrens benutzt werden.
Schließlich stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens drei Elektroden zum Aufladen auf Hochspannung (Ladeelektroden) und zum nachfolgenden Entladen enthält, die innerhalb des Umfangs in winkelmäßig getrennten Sektoren angeordnet sind, wobei mindestens eine Elektrode mit Erdpotential gekoppelt ist, und dass die Elektroden in der Bohrfläche einer Bohrspitze angeordnet sind, wobei die Elektroden voneinander isoliert und die Ladeelektroden einzeln an eine in der Wirksamkeit steuerbare elektrische Hochspannungsquelle anschaltbar sind.
Die vorliegende Erfindung bietet dadurch Vorteile, dass die Signalquelle zum Vermessen gleichzeitig die Vorrichtung zum Bohren ist, und die erzeugten Signale einen kürzeren Weg zurücklegen als wenn sie an der Oberfläche erzeugt würden, wodurch die Dämpfung geringer und das Auftreten von Störsignalen seltener ist. Außerdem kann von einer Quelle ein unabhängiges Signal in Form von akustischen und elektromagnetischen Signalen bereitgestellt werden, und die elektromagnetischen und akustischen Signale können durch verschiedene Betriebsparameter generiert werden und unabhängige Sätze von Messungen bereitstellen. Auf die Weise kann bei verhältnismäßig geringen Kosten eine große Menge an Daten aus identischen und/oder unabhängigen Messungen bereitgestellt werden, was Daten mit guter statistischer Bedeutung bietet. Es ist möglich, die Anwendung der Erfindung ausschließlich mit bekannter Ausrüstung durchzuführen.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch drei Figuren illustriert, dabei zeigt
1 insbesondere eine Anordnung gemäß der Erfindung,
2A und 2B insbesondere die Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren gemäß der Erfindung und
3 einen Querschnitt, der die Anordnung von Empfangsvorrichtungen und der EPD-Vorrichtung der Anordnung und das erfindungsgemäß Verfahren illustriert.
Detaillierte Beschreibung
1 stellt eine Anordnung 1 gemäß der Erfindung dar, die eine Vorrichtung 2 zum Elektroimpulsbohren (EPD-Vorrichtung), mindestens eine Vorrichtung 3 zum Empfangen von akustischen, von der EPD-Vorrichtung generierten Signalen und mindestens eine Vorrichtung 4 zum Empfangen elektromagnetischer, von der EPD-Vorrichtung generierter Signale enthält. Die Vorrichtungen 3, 4 zum Empfangen von akustischen bzw. elektromagnetischen Signalen sind wirksam mit einer Einheit 2a gekoppelt, die die Signale zur Nutzung der gemessenen Daten bei der manuellen oder automatischen Steuerung der Elektroimpulsbohrung empfängt und verarbeitet. Auf die Weise kann die Elektroimpulsbohrung so gesteuert werden, dass sie eine Kohlenwasserstofflagerstätte trifft und in sie eindringt, da die gemessenen Daten Informationen über das örtliche Verhältnis von Bohrung und Lagerstätte bieten. Um die bestmögliche Funktionalität zu erzielen, ist es erforderlich, eine EPD-Vorrichtung einzusetzen, die besonders gut geeignet ist, Messdaten von einer Qualität zu liefern, die das Eingrenzen und die Bestimmung einer Kohlen wasserstofflagerstätte erlauben. Eine solche EPD-Vorrichtung wird mit der Erfindung geschaffen und wird in den 2A und 2B dargestellt.
Insbesondere stellt 2A eine Vorrichtung 2 zum Elektroimpulsbohren dar, die drei Elektroden 2B zum Aufladen auf eine hohe Spannung (Ladeelektroden) und zum nachfolgenden Entladen enthält, die in winkelmäßig getrennten Sektoren innerhalb des Umfangs angeordnet sind, und die mindestens eine Elektrode 2c enthält, die mit Erdpotential gekoppelt ist, wobei die Elektroden in einer Bohrfläche 2d einer Bohrspitze angeordnet und die Elektroden gegeneinander isoliert sind und die Ladeelektroden einzeln an eine in der Wirksamkeit steuerbare elektrische Hochspannungsquelle 2e anzuschalten sind. Es sind drei Ladeelektroden 2b dargestellt, die innerhalb des Umfangs der Bohrfläche 2d um 120° voneinander getrennt angeordnet sind. Das reicht aus, um das Elektroimpulsbohren in jede Richtung zu fokussieren, indem Ladeelektroden wechselweise so zu laden sind, dass der Elektroimpulsbohrer in den gewünschten Winkel umgelenkt wird. Um den Durchmesser des Bohrlochs und den Bohrflächenbereich zu vergrößern und die Steuerungsmöglichkeit zu verbessern, ist es jedoch von Vorteil, vier oder mehr Ladeelektroden zu verwenden, die innerhalb des Umfangs der Bohrfläche angeordnet sind, wie es in 2B dargestellt ist. Die in 2B dargestellte Bohrspitze zum Elektroimpulsbohren umfasst insgesamt acht Ladeelektroden und zwei konzentrische, mit Erdpotential gekoppelte Elektroden. Die Bohrfläche enthält ebenfalls Isolierung 2f zwischen den Elektroden und Öffnungen 2g für die Zirkulation von Bohrfluid. Die Elektroden sind mit impulsbildenden Leitungen 2h mit einer Elektrizitätsversorgung 2e gekoppelt, die wiederum mit einer Einheit 2a zum Empfang und zur Verarbeitung von Daten von Empfängern für elektromagnetische und akustische Signale gekoppelt ist, die durch die EPD-Vorrichtung generiert werden, wie dies aus 2A hervorgeht. Der Übersichtlichkeit halber sind die Figuren nicht maßstabsgerecht gezeichnet und nicht alle Bezugszeichen eingeführt. Die Elektrizitätsversorgung 2e kann Ladung abgeben, die nur zum Ausbilden von Plasmakanälen in oder auf der Formation führt, und Ladung, die nur zur Plasmakanalbildung in dem Bohrfluid vor der Bohrspitze führt, und sie kann zum gezielten Fokussieren der Bohrwirkung eingestellt werden. Diese Fokussierung wird dadurch erreicht, dass Ladeelektroden oder Sektionen oder Gruppen von Ladeelektroden so ausgewählt werden, dass die Bohrwirkung winkelmäßig in die gewünschte Richtung fokussiert wird, indem der Elektroimpulsbohrer nicht mit gleichmäßiger Rate über die ganze Bohrfläche bohrt. Wird beispielsweise in Sandstein gebohrt und liegen 5 cm zwischen den Elektroden, dann ist ein Aufladen bis mindestens 250 kV erforderlich, damit in den Sandstein hinein oder auf dem Sandstein eine Plasmakanalbildung stattfindet anstelle in einem Bohrfluid aus Wasser, wie es gemäß 6 der Patentveröffentlichung WO 03/069110 beschrieben ist. Beim fokussierten Bohren in Sandstein wird darum ein Aufladevorgang unter 250 kV ausgewählt sowie Elektroden, die die gewünschte Umlenkung der Bohrrichtung bieten. In der einleitend beschriebenen Patentanmeldung WO 03/069110 ist eine weitere Anleitung für geeignete Betriebsparameter zu finden, wozu insbesondere auf die 6 bis 8 und den dazugehörigen Text in der Beschreibung verwiesen wird. Die Elektrizitätsversorgung kann einfach ein angepasster Marx-Generator sein. Bei den impulsbildenden Leitungen kann es sich zweckdienlicherweise um impulsbildende Leitungen nach Blumlein handeln. Die Ladespannung kann vorzugsweise von 0 bis mindestens 300 kV einzustellen sein, vorzugsweise so, dass die Plasmakanalbildung in jeder Art Formation stattfinden kann, die bei dem aktuellen Abstand zwischen den Elektroden durchbohrt wird. Es ist zweckdienlich, dass die Isolierung zwischen den Elektroden in keramischem Material ausgeführt ist. Weitergehende Hinweise auf impulsbildende Leitungen, Elektrizitätsversorgung, Ladespannung und die Wirkung von Elektrodentrennung sind in den Patentveröffentlichungen WO 03/069110 und US 4.741.405 zu finden.
3 ist ein Querschnitt, der die Anordnung von Empfangsvorrichtungen und die EPD-Vorrichtung der Anordnung und das Verfahren gemäß der Erfindung darstellt. Eine größere Anzahl von Empfangsvorrichtungen 3, 4 sind dargestellt, welche Empfangsvorrichtungen im Allgemeinen eine Gruppe von Empfangsvorrichtungen sind, die aus akustischen und elektromagnetischen Empfangsvorrichtungen ausgewählt sind. Die Empfangsvorrichtungen 3, 4 sind insbesondere im Meer 5 oberhalb eines Meeresbodens 6, auf dem genannten Meeresboden 6, in geologischen Schichten 7, 8 und tiefer als der Meeresboden in getrennten Bohrlöchern und in dem Bohrloch 13, wo die EPD-Vorrichtung im Einsatz angeordnet ist. Unter einer Kappe 10 werden Gas 11 und Öl 12 gefunden. Mit der EPD-Vorrichtung 2 wird das Bohrloch 13 weiter ausgebohrt, so dass das Bohrloch 13 auf den Gas- und Ölvorrat trifft, um anschließend das Gas und das Öl durch das Bohrloch zu fördern.
Die EPD-Vorrichtung erzeugt während des Betriebs akustische und elektromagnetische Wellen, deren Frequenz von der Schalt- und Entladefrequenz bestimmt wird, und Energie- und Komponenteninhalte, die von dem Entladeeffekt und Entlademodus für die Plasmakanalbildung abhängen (in einem Bohrfluid oder in oder auf einer Formation). Genauer gesagt enthalten die akustischen Wellen sowohl Druck- und als Scherkompo nenten und die elektromagnetischen Wellen umfassen TE- und TM-Komponenten. Die EPD-Vorrichtung sendet anfangs eine kurze Reaktion mit zufälliger Form und zeitlich begrenzt und als ein kontinuierliches Frequenzspektrum akustischer und elektromagnetischer Wellen aus, die die Zeitbereichsdaten ergibt. Die spätere Übertragung von Langzeitsignalen von der EPD-Vorrichtung ergibt prinzipiell diskontinuierliche Frequenzspektra, die zu Frequenzbereichsdaten führen. Prinzipiell ist es das Ziel, alle Arten von Daten zu verwenden, die von der EPD-Vorrichtung generiert werden können, sowohl Zeitbereichsdaten als auch Frequenzbereichsdaten.
Die Empfänger für akustische und elektromagnetische Signale empfangen einen umfassenden Satz von Signalen mit direkten, reflektierten, gebrochenen, umgelenkten und angeregten Komponenten. Bei den Signalen wird insbesondere nach Komponenten gesucht, die Informationen ergeben, die geeignet sind, die Eigenschaften interessanter Zonen in der Lagerstätte abzugrenzen und zu bestimmen. Akustische Scherkomponenten, die direkt von der EPD-Vorrichtung oder durch Reflektionen gebildet werden, breiten sich in begrenztem Ausmaß durch eine Fluid enthaltende Lagerstätte aus, da Fluids Scherwellen nicht übertragen. Zonen, die Fluid enthalten, insbesondere Öl und Gas enthaltende Zonen, weisen typischerweise einen Widerstand auf, der von dem der umgebenden Bereiche und von dem darüber befindlichen Erdreich abweicht. Elektromagnetische TM-Komponenten können abhängig vom Auftreffwinkel in einer Schicht hohen Widerstands einen kanalisierten Wellenmodus erregen, was in der Patentveröffentlichung WO 02/14906 A1 beschrieben ist. Es ist von Vorteil, viele Empfänger zu verwenden, die an unterschiedlichen Orten angeordnet sind, um eine gute Genauigkeit zur Bestimmung von Positionen durch Pfad-Zeit-Analyse zu erreichen. Der Sender (EPD-Vorrichtung) und die Empfänger müssen in Echtzeit synchronisiert sein, beispielsweise durch GPS, und die Übertragungsfunktion von Sender und Empfängern muss gemessen oder geschätzt werden. Bei Empfängern, die die Signale vorübergehend speichern, muss die Zeit zusammen mit den empfangenen Daten aufgezeichnet werden, um jede Zeitabweichung zu korrigieren. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn Messungen über ein Bohrintervall aufgenommen werden, damit sich Komponenten ausbilden, die besonders geeignet für die Bestimmung von Eigenschaften interessanter Zonen sind. Es ist von Vorteil, viele Messungen durchzuführen, um Daten zu erhalten, die auf dem Wege der Durchschnittbildung verarbeitet werden können, und Störgeräusche und unerwünschte Signalbestandteile nach Bedarf herauszufiltern. Die Analyse und das Verarbeiten der Messdaten ist ein umfassender Arbeitsvorgang, der hohe Ansprüche stellt. Die Datenanalyse kann unter Anwendung bestehender Techniken durchgeführt werden, wie sie beispielsweise in den Patentveröffentlichungen WO 02/14906 A1 und WO 2004/083898 A1 beschrieben sind, oder mit Techniken, die noch zu entwickeln sind.
Beim Bohren eines Bohrlochs kann es von Vorteil sein, konventionelle Bohrtechnik für die oberen Teile des Bohrlochs anzuwenden, die einen größeren Durchmesser haben, als er mit einer Elektroimpulsbohrung zu erzielen ist, dann jedoch auf das Elektroimpulsbohren umzustellen, wenn das Bohrloch in die Nähe einer identifizierten Lagerstätte kommt. Um die durch die EPD-Vorrichtung erzeugten Kräfte aufzunehmen und um einen guten Zugang bis tief in umgelenkte Bohrlöcher hinein sicherzustellen, kann die EPD-Vorrichtung als Bohrlochbodenanordnung am Ende eines Bohrgestänges angeordnet sein.
Zusammenfassung
Anordnung zum Bohren und Vermessen mit einer Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren (EPD-Vorrichtung), mit mindestens einer Vorrichtung zum Empfang von akustischen Signalen, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anordnung mindestens eine Vorrichtung zum Empfang von elektromagnetischen Signalen enthält, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden. Verfahren zum Bohren und Vermessen sowie Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4741405 [0008, 0031]
- RU 2167991 C2 [0009]
- WO 03/069110 A1 [0010]
- US 5881310 [0011]
- WO 2004/083898 A1 [0012, 0034]
- WO 02/14906 A1 [0013, 0034, 0034]
- WO 03/069110 [0031, 0031, 0031]

Claims

Anordnung zum Bohren und Vermessen mit einer Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren (EPD-Vorrichtung), mindestens einer Vorrichtung zum Empfang von akustischen Signalen, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter mindestens eine Vorrichtung zum Empfang von elektromagnetischen Signalen enthält, die durch die EPD-Vorrichtung erzeugt werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie akustische Empfänger enthält, die drei Verschiebungsvektoren und eine Druckkomponente messen, und dass die Empfänger in einer oder mehreren der folgenden Positionen angeordnet sind: auf dem Meeresboden, der Erdoberfläche, im Wasser oberhalb des Meeresbodens, in einem oder mehreren getrennten Bohrlöchern, in dem Bohrloch, in dem die EPD-Vorrichtung benutzt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie elektromagnetische Empfänger enthält, die in einer oder mehreren der folgenden Positionen angeordnet sind: auf dem Meeresboden, der Erdoberfläche, im Wasser oberhalb des Meeresbodens, in einem oder mehreren getrennten Bohrlöchern, in dem Bohrloch, in dem die EPD-Vorrichtung benutzt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Silber-Silberchlorid-Dipolelektroden und Spulen mit ferromagnetischem Kern zum Messen elektrischer bzw. magnetischer Signale an der Oberfläche oder dem Meeresgrund enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Schleifenantennen zum Messen von elektromagnetischen Signalen in einem Bohrloch enthält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung enthält, die mit den Empfängern gekoppelt ist, um die von den Empfängern kommenden Daten aufzuzeichnen, zu speichern und zu verarbeiten, dass die Vorrichtung mit der EPD-Vorrichtung gekoppelt oder von einer Bedienungsperson der EPD-Vorrichtung ablesbar ist, um das Elektroimpulsbohren auf der Basis der Messungen und/oder der verarbeiteten Daten entweder manuell oder automatisch zu steuern.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine EPD-Vorrichtung mit einstellbaren Arbeitsdaten enthält, so dass eine wählbare Plasmabildung entweder in einem Bohrfluid vor der Bohrspitze oder in einer Formation oder auf einer Formationsfläche vor der Bohrspitze einsetzbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren mit mindestens drei Elektroden zum Aufladen auf eine hohe Spannung (Ladeelektroden) und zum nachfolgenden Entladen enthält, die innerhalb des Umfangs winkelmäßig getrennt angeordnet sind, wobei mindestens eine Elektrode mit Erdpotential gekoppelt ist, und dass die Elektroden in einer Bohrfläche einer Bohrspitze angeordnet sind, wobei die Elektroden voneinander isoliert und die Ladeelektroden einzeln an eine in der Wirksamkeit steuerbare elektrische Hochspannungsversorgung anschaltbar sind.
Verfahren zum Elektroimpulsbohren und Vermessen, bei dem eine Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren in ein Bohrloch entweder am Ende eines Bohrstranges oder am Ende eines Kabels oder eines aufgewickelten Rohrs eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroimpulsbohren in die Formation unter gleichzeitiger Erzeugung von elektromagnetischen und akustischen Signalen durchgeführt wird, dass akustische Signale mit mindestens einer Vorrichtung zum Empfang solcher Signale empfangen werden, dass elektromagnetische Signale mit mindestens einer Vorrichtung zum Empfang solcher Signale empfangen werden und dass die empfangenen Signale entweder direkt oder in verarbeiteter Form zur Steuerung des Elektroimpulsbohrens benutzt werden.
Vorrichtung zum Elektroimpulsbohren, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens drei Elektroden zum Aufladen auf eine hohe Spannung (Ladeelek-troden) und zum nachfolgenden Entladen enthält, die innerhalb des Umfangs in winkelmäßig getrennten Sektoren angeordnet sind, wobei mindestens eine Elek-trode mit Erdpotential gekoppelt ist, und dass die Elektroden in der Bohrfläche einer Bohrspitze angeordnet sind, wobei die Elektroden voneinander isoliert und die Ladeelektroden einzeln an eine in der Wirksamkeit steuerbare elektrische Hochspannungsquelle anschaltbar sind.