-
Gebiet der
Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft allgemein Bohranordnungen, die einen Lenkmechanismus
verwenden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Bohrvorrichtungen,
die am unteren Ende des Bohrloches angeordnet sind und eine Mehrzahl
von Kraft ausübenden
Elementen oder Kraftstützelementen
zum Führen
einer Bohrkrone aufweisen.
-
Beschreibung
der verwandten Technik
-
Wertvolle
Kohlenwasserstoffvorkommen wie Öl-
oder Gasvorkommen befinden sich häufig in unterirdischen Gesteinsformationen,
die sich Hunderte von Metern unter der Erdoberfläche befinden. Um diese Kohlenwasserstofflager
zu nutzen, werden Bohrlöcher
gebohrt, indem eine an einer Bohrvorrichtung angeordnete Bohrkrone
in Drehung versetzt wird (nachfolgend wird diese Anordnung Bohrloch-Bodenanordnung
oder BHA, für
bottom hole assembly, genannt) Eine solche Bohrvorrichtung ist am unteren
Teil eines Rohr- oder Bohrgestänges
befestigt, das aus zusammengefügten
steifen Rohren oder einer flexiblen Rohrleitung besteht, die auf
einer Spule aufgewickelt ist („coiled
tubing" = „aufgewickeltes Rohr"). Üblicherweise
dreht ein Drehtisch oder eine ähnliche
Vorrichtung an der Erdoberfläche
das Bohrrohr und lässt
damit die daran befestigte Bohrkrone rotieren. Wird ein aufgewickeltes
Rohr verwendet, dann wird üblicherweise
ein durch Spülfluid
angetriebener Motor eingesetzt, um die Bohrkrone in Drehung zu versetzen.
-
Bohrvorrichtungen
mit fortgeschrittener Technik, die manchmal als lenkbare (steerable)
Bohrvorrichtungen bezeichnet werden, verwenden zum Lenken der Bohrkrone
entlang einer gewünschten Bohrlochbahn
einen Motor und einen Lenkmechanismus, die im unteren Teil des Bohrloches
angeordnet sind. Zu solchen Bohrvorrichtungen gehören ein Bohrmotor
und eine nicht rotierende Hülse,
die mit einer Mehrzahl von Kraftstützelementen (force application
member) aus gerüstet
ist. Der Bohrmotor ist ein turbinenartiger Mechanismus, in dem Bohrfluid
mit hohem Druck zwischen einem Stator und einem rotierenden Element
(Rotor) hindurchbewegt wird und der über eine Welle mit der Bohrkrone
verbunden ist. Dieser Fluidstrom des Hochdruck-Bohrfluids lässt den
Rotor rotieren und liefert damit die Drehkraft für die damit verbundene Bohrkrone.
-
Die
Bohrkrone wird entlang einer gewünschten
Bahn geführt,
indem die Kraftstützelemente
entweder einzeln oder gemeinsam gegen die Wand des Bohrloches eine
Kraft ausüben.
Die nicht rotierende Hülse
ist im allgemeinen radförmig
um ein Lagervorrichtungsgehäuse
angeordnet, das zum Bohrmotor gehört. Diese Kraftstützelemente,
die sich radial nach außen
erstrecken, wenn sie durch eine Antriebsquelle, beispielsweise eine
elektrische Vorrichtung (z.B. einen Elektromotor) oder eine Hydraulikvorrichtung
(z.B. eine Hydraulikpumpe), betätigt
werden.
-
Gewisse
lenkbare Bohranordnungen sind so ausgelegt, dass die Bohrkrone entweder
von einer Quelle an der Erdoberfläche oder einem Motor am unteren
Ende des Bohrloches oder von beiden gleichzeitig angetrieben wird.
Bei diesen Bohranordnungen verursacht die Rotation des Bohrstranges, dass
sowohl der Bohrmotor als auch das Lagervorrichtungsgehäuse sich
gegenüber
dem Bohrloch drehen. Die nicht rotierende Hülse bleibt jedoch im allgemeinen
gegenüber
dem Bohrloch stationär,
wenn die Kraftstützelemente
betätigt
sind. Die Schnittstelle zwischen der nicht rotierenden Hülse und
dem Lagervorrichtungsgehäuse
muss also die relative Rotationsbewegung zwischen diesen beiden
Teilen aufnehmen.
-
Lenkbare
Bohranordnungen verwenden üblicherweise
Sensoren zum Evaluieren von Gesteinsformationen, Lenkungselektronik,
Motoren und Pumpen sowie weitere Ausrüstung zum Steuern des Betriebes
der Kraftstützelemente.
Zu diesen Sensoren können
Beschleunigungsmesser, Neigungsmesser, Gyroskop und andere Positions-
und Richtungsmessgeräte
gehören.
Diese elektronischen Vorrichtungen sind konventioneller Weise in
der nicht rotierenden Hülse
untergebracht und nicht in der Lagervorrichtung oder einem anderen
Abschnitt der lenkbaren Bohranordnung. Die Anordnung der Elektronik in
der nicht rotierenden Hülse
führt zu
einer Anzahl von Überlegungen.
-
Zuerst
einmal erfordert die Unterbringung von Elektronik in einer nicht
rotierenden Hülse,
dass Energie- und Verbindungsleitungen über eine Schnittstelle zwischen
der nicht rotierenden Hülse und
der Lagervorrichtung geführt
werden. Da sich die Lagervorrichtung gegenüber der nicht rotierenden Hülse drehen
kann, müssen
nicht rotierenden Hülse und
rotierendes Gehäuse
eine verhältnismäßig komplexe
Verbindung umfassen, die die Lücke
zwischen der rotierenden und der nicht rotierenden Fläche überbrückt.
-
Außerdem müssen bei
der Anordnung von elektrischen Bauteilen und von Elektronik in der
nicht rotierenden Hülse
einer Lenkanordnung Probleme bedacht werden, die durch Vibration
und Stöße auftreten
können.
Die Interaktion zwischen Bohrkrone und Gesteinsformation kann, wie
bekannt ist, außerordentlich
dynamisch sein. Um die vorhandene Elektronik zu schützen, wird
die nicht rotierende Hülse entfernt
von der Bohrkrone angeordnet. Wird der Abstand zwischen den Kraftstützelementen
und der Bohrkrone erhöht,
dann wird dadurch jedoch der Momentarm reduziert, der zum Steuern
der Bohrkrone zur Verfügung
steht. Vom praktischen Standpunkt aus gesehen erhöht also
die Vergrößerung des
Abstandes zwischen der nicht rotierenden Hülse und der Bohrkrone auch
die von den Kraftstützelementen aufzuwendende
Kraft, um die Bohrkrone in die gewünschte Richtung zu zwingen.
-
Außerdem ist
noch zu bedenken, dass die nicht rotierende Hülse so groß ausgelegt sein muss, dass
sie alle Elektronik- und elektromechanischen Ausrüstungsgegenstände aufnehmen
kann. Die Außenmaße der nicht
rotierenden Hülse
können
also ein einschränkender
Faktor bei der Auslegung der Bohranordnung sein, insbesondere bei
der Anordnung von Werkzeug und Ausrüstung in der nahen Umgebung
der Bohrkrone.
-
Die
vorliegende Erfindung soll sich mit einem oder mehreren der genannten
Problembereiche bei den konventionellen Lenkanordnungen von Bohrvorrichtungen
beschäftigen.
-
WO
98/34003 beschreibt eine Bohranordnung zum Bohren von geneigten
Bohrlöchern
mit einer Bohrkrone, einem Bohrmotor, einer Lageranordnung des Bohrmotors
und einer Lenkvorrichtung, die in die Motoranordnung integriert
ist. Die Lenkvorrichtung enthält
Kraftstützelemente
an einer äußeren Fläche der
Anordnung.
-
WO
00/28188 beschreibt eine Bohranordnung, die einen Spülmotor umfasst,
der eine Bohrkrone dreht, sowie einen Satz unabhängig voneinander ausbreitbarer
Rippen. Ein im Bohrloch oberhalb der Rippen angeordneter Stabilisator
liefert Stabilität.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die Erfindung eine Bohrvorrichtung mit einer
Bohrkrone zum Bohren eines Bohrloches mit (a) einem rotierenden,
mit der Bohrkrone gekuppelten Glied, (b) einer nicht rotierenden
Hülse,
die einen Teil des rotierenden Gliedes an ausgewählter Stelle umgibt, wobei die
Hülse mit
einer Mehrzahl von Kraftstützelementen
versehen ist, von denen jedes sich bei Zuführung von Antriebsleistung
radial nach außen
bewegt, um an einer Wand des Bohrloches anzugreifen, und (c) einer
in dem rotierenden Glied angeordneten Antriebsquelle zum Antreiben
der Kraftstützelemente.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bohren eines
Bohrloches mit den Verfahrensschritten: (a) Kuppeln eines rotierenden
Gliedes mit einer Bohrkrone, um eine Bohrvorrichtung zum Bohren
eines Bohrloches zu bilden, (b) Umgeben eines Teils des rotierenden
Gliedes mit einer nicht rotierenden Hülse, die eine Mehrzahl von Kraftstützelementen
aufweist, von denen jedes sich bei Zuführung einer Antriebsleistung
radial nach außen
erstreckt, um an einer Wand des Bohrloches anzugreifen, (c) Einsetzen
der Bohrvorrichtung in ein Bohrloch, und (d) Antreiben der Kraftstützelemente mit
einer Antriebsquelle, die in dem rotierenden Glied angeordnet ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform schafft
die vorliegende Erfindung eine Bohranordnung mit einer Lenkvorrichtung
zum Lenken der Bohrkrone in eine gewählte Richtung. Die Lenkvorrichtung
ist vorzugsweise in das Lagervorrichtungsgehäuse eines Bohrmotors integriert.
Die Lenkvorrichtung kann alternativ in einem getrennten Gehäuse untergebracht
sein, das für
den Arbeitsablauf und/oder baulich unabhängig vom Bohrmotor vorgesehen
ist. Die Lenkvorrich tung umfasst eine nicht rotierende Hülse, die
um einen rotierenden Gehäuseabschnitt
der Bohrloch-Bodenanordnung (BHA) angeordnet ist, eine Antriebsquelle
und einen Antriebskreis. Die Hülse
ist mit einer Mehrzahl von Kraftstützelementen ausgerüstet, die
sich nach außen
bewegen oder von außen
zurückziehen,
um an der Wand des Bohrloches anzugreifen oder sich davon zu lösen. Die
Antriebsquelle zum Betätigen
der Kraftstützelemente
ist ein geschlossenes System auf der Basis eines Hydraulikfluids,
das außerhalb
der nicht rotierenden Hülse
angeordnet ist. Die Antriebsquelle ist mit einem Antriebskreis gekuppelt,
der einen Gehäuseabschnitt
und einen nicht rotierenden Hülsenabschnitt
umfasst. Zu jedem Abschnitt gehören
Versorgungsleitungen und eine oder mehrere Rückführleitungen. Der Antriebskreis
enthält
außerdem
hydraulische Schleifringe und Dichtungen, die den Übergang
von Hydraulikfluid über
die rotierende Schnittstelle zwischen dem Gehäuseabschnitt und der nicht rotierenden
Hülse ermöglichen.
Alle Bauteile zum Steuern des Antriebsmediums für die Kraftstützelemente
sind außerhalb
der nicht rotierenden Hülse
angeordnet. Die Antriebsquelle zum Betätigen der Kraftstützelemente
ist ebenfalls außerhalb
der nicht rotierenden Hülse
angeordnet.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Bohrloch-Bodenanordnung (BHA) eine an der Erdoberfläche vorgesehene
Regeleinheit, einen oder mehrere BHA-Sensoren sowie einen BHA-Prozessor.
Die Bohrloch-Bodenanordnung enthält
bekannte Bauteile wie zum Beispiel Bohrgestänge, Telemetriesystem, Bohrmotor
und eine Bohrkrone. Die an der Erdoberfläche angeordnete Regeleinheit
und der BHA-Prozessor wirken zusammen bei der Führung der Bohrkrone entlang
einer gewünschten
Bahn für
das Bohrloch, indem die Lenkvorrichtung entsprechend der Parameter
gelenkt wird, die von einem oder mehreren BHA-Sensoren und/oder Sensoren an der Erdoberfläche ermittelt
werden. Die Sensoren der Bohrloch-Bodenanordnung sind so ausgelegt, dass
sie die Ausrichtung der BHA und Daten über die Formation des Erdreiches
ermitteln. Die Sensoren der Bohrloch-Bodenanordnung liefern Daten über das
Telemetriesystem, die es der Regeleinheit und/oder dem BHA-Prozessor
ermöglichen,
mindestens (a) die Ausrichtung der Bohrloch-Bodenanordnung festzustellen,
(b) die Position der Bohrloch-Bodenanordnung mit einem erwünschten
Bohrlochprofil oder einer entsprechenden Bahn und/oder Zielformation
zu vergleichen und (c) korrigierende Befehle, falls erforderlich,
auszugeben, um die BHA in das gewünschte Bohrlochprofil und/oder
in die Richtung der Zielformation zu lenken.
-
In
einer bevorzugten Betriebsweise, einer geschlossenen Regelschleife,
umfassen die Regeleinheit und der Prozessor der Bohrloch-Bodenanordnung
Instruktionen hinsichtlich des Zielprofils für das Bohrloch oder die entsprechende
Bahn und/oder erwünschte
Eigenschaften einer Zielformation. Die Regeleinheit übernimmt
die Gesamtsteuerung der Bohraktivität und übermittelt instruierende Befehle
an den BHA-Prozessor. Dieser BHA-Prozessor steuert Richtung und
Fortschritt der Bohrloch-Bodenanordnung entsprechend der Daten,
die von einem oder mehreren Sensoren der Bohrloch-Bodenanordnung und/oder
Sensoren an der Erdoberfläche
geliefert werden. Wenn beispielsweise Daten des Sensors zum Azimut
und zur Neigung anzeigen, dass die Bohrloch-Bodenanordnung von der
erwünschten Bohrlochbahn
abweicht, dann passt der BHA-Prozessor die Kraftstützelemente
der Steuervorrichtung auf eine Weise automatisch an, dass die Bohrloch-Bodenanordnung
auf die erwünschte
Bohrlochbahn gelenkt wird. Dieser Betriebsvorgang wird kontinuierlich
oder in regelmäßigen Abständen wiederholt,
wodurch ein automatisiertes Bohrsystem mit geschlossenem Regelkreis
zum Bohren von Bohrlöchern
auf Ölfeldern
geschaffen wird, das mit erhöhter Bohrgeschwindigkeit
arbeitet und eine höhere
Lebensdauer der Bohranordnung ermöglicht.
-
Die
Beispiele für
die wichtigeren Merkmale der Erfindung sind verhältnismäßig pauschal zusammengefasst
worden, um die nachfolgende detaillierte Beschreibung leichter verständlich zu
machen und die technischen Leistungen hervorzuheben. Selbstverständlich werden
auch zusätzliche
Merkmale der Erfindung nachfolgend beschrieben, die Gegenstand der
angefügten
Ansprüche
sind.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Zum
detaillierten Verständnis
der vorliegenden Erfindung sollte Bezug genommen werden auf die
nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
und gemeinsam mit dieser auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen Zeichnungen
sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
-
1 ein
schematisiertes Diagramm eines Bohrsystems mit einer Bohrloch-Bodenanordnung nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
schematisierte Schnittansicht einer bevorzugten Lenkvorrichtung,
wie sie zusammen mit einer Bohrloch-Bodenanordnung verwendet wird;
-
3 eine
schematisch dargestellte Lenkvorrichtung, die entsprechend einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
-
4 einen
schematisch dargestellten Hydraulikkreis, wie er in einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
-
5 einen
alternativen Hydraulikkreis, wie er in Verbindung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
-
6 einen
Querschnitt eines exemplarischen Systems zur Ausrichtungsermittlung,
das entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
-
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren, die
eine robuste und wirksame Führung
für eine
Bohranordnung schafft, die in einer unterirdischen Formation ein
Bohrloch herstellt. Die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
unterschiedlicher Ausformung sein. In den Zeichnungen sind spezifische
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung dargestellt – und werden nachfolgend detailliert
beschrieben – die
selbstverständlich
lediglich als Beispiele der Prinzipien der Erfindung anzusehen sind
und die Erfindung, wie sie hier dargestellt und beschrieben wird,
nicht einschränken
sollen.
-
In 1 ist
ein schematisiertes Diagramm eines Bohrsystems 10 dargestellt
mit einer Bohrloch-Bodenanordnung (BHA) oder Bohrvorrichtung 100,
die in einem Bohrloch 26 in einer Formation 95 des
Erdreiches dargestellt ist. Das Bohrsystem 10 umfasst einen
konventionellen Bohrturm 11, der auf einem Boden 12 steht,
der einen Drehtisch 14 trägt, der von einer Antriebsmaschine,
beispielsweise einem Elektromotor (nicht dargestellt), mit einer
gewünschten
Rotationsgeschwindigkeit gedreht wird. Das Bohrgestänge 20,
zu dem eine Verrohrung (Bohrrohr oder aufgewickeltes Rohr) 22 gehört, erstreckt
sich von der Oberfläche
in das Bohrloch 26 nach unten. Ein Rohrinjektor 14a wird
verwendet, um die Bohrloch-Bodenanordnung (BHA) 100 in
das Bohrloch 26 einzubringen, wenn ein aufgewickeltes Rohr
verwendet wird. Mit einer Bohrkrone 50, die an dem Bohrgestänge 20 befestigt
ist, wird die geologische Formation aufgebrochen, wenn sie zum Bohren des
Bohrloches 26 gedreht wird. Das Bohrgestänge 20 ist über eine
Kelly-Verbindung 21, eine Drehkupplung 28 und
einem Seil 29 über
eine Laufrolle 27 mit einer Zugvorrichtung 30 verbunden.
Die Betriebsweise der Zugvorrichtung 30 und des Rohrinjektors
gehören
zum Stand der Technik und werden darum hier nicht im Detail beschrieben.
-
Zu
dem Bohrsystem gehört
ebenfalls ein Telemetriesystem 39 und an der Oberfläche angeordnete
Sensoren, die kollektiv mit S2 bezeichnet werden. Das Telemetriesystem 39 ermöglicht eine
Zweiwege-Kommunikation zwischen Erdoberfläche und Bohrvorrichtung 100.
Das Telemetriesystem 39 kann eine Spülfluid-Impuls-Telemetrie, eine Akustik-Telemetrie,
eine elektromagnetische Telemetrie oder ein anderes geeignetes Kommunikationssystem
sein. Zu den Sensoren S2 an der Oberfläche gehören Sensoren, die Informationen
liefern bezüglich
der Oberflächensystemparameter
wie Fluid-Fließrate,
Drehmoment und Rotationsgeschwindigkeit des Bohrgestänges 20,
Rohrinjektionsgeschwindigkeit und Lasthakenbelastung des Bohrgestänges 20.
Die Sensoren S2 an der Oberfläche
sind auf geeignete Weise an Ausrüstungsgegenständen der
Oberfläche
angebracht, um solche Informationen zu ermitteln. Die Verwendung
dieser Informationen wird später
beschrieben. Die Sensoren erzeugen Signale, die die entsprechenden
Parameter darstellen. Diese Signale werden einem über Leitungen
angeschlossenen, auf magnetische Weise oder akustisch angekoppelten Prozessor übermittelt.
Die hier allgemein beschriebenen Sensoren gehören zum Stand der Technik und werden
darum nicht detaillierter beschrieben.
-
Während des
Bohrvorganges wird ein geeignetes Bohrfluid 31 aus einer
Schlammquelle 32 unter Druck von einer Schlammpumpe 34 durch
das Bohrgestänge 20 zirkuliert.
Das Bohrfluid fließt
von der Schlammpumpe 34 über eine Ausgleichvorrichtung (desurger) 36 und
die Fluidleitung 38 in das Bohrgestänge 20. Das Bohrfluid 31 verlässt die
Bohranordnung am Bohrlochboden 51 durch Öffnungen
in der Bohrkrone 50. Das Bohrfluid 31 zirkuliert
lochaufwärts
durch den ringförmigen
Abstand 23 zwischen dem Bohrgestänge 20 und dem Bohrloch 26 und kehrt
in die Schlammquelle 32 über eine Rückleitung 35 und ein
Bohrkleinsieb 85, das Bohrklein aus dem zurückfließenden Bohrfluid
entfernt, zurück.
Zur Optimierung des Bohrbetriebes umfasst das bevorzugte Bohrsystem 10 Prozessoren,
die zur Steuerung der Bohrloch-Bodenanordnung (BHA) 100 zusammenwirken.
-
Die
Prozessoren des Bohrsystems 10 enthalten eine Regeleinheit 40 und
einen oder mehrere BHA-Prozessoren 42, die zur Analyse
der Sensordaten zusammenwirken und programmierte Befehle ausführen, um
ein effektiveres Bohren des Bohrloches zu erzielen. Die Regeleinheit 40 und
der BHA-Prozessor 42 empfangen Signale von einem oder mehreren
Sensoren und verarbeiten solche Signale in Übereinstimmung mit Befehlen,
die zum Programm eines jeden Prozessors gehören.
-
Die
Regeleinheit 40 an der Oberfläche zeigt die gewünschten
Bohrparameter und andere Informationen auf einer Anzeigevorrichtung,
z.B. einem Monitor 44, an. Dieser Monitor wird von der
Bedienungsperson zum Steuern des Bohrbetriebes eingesetzt. Der BHA-Prozessor 42 kann
in der Nähe
der Lenkvorrichtung 200 (wie in 3 dargestellt)
angeordnet sein oder in einem anderen Abschnitt der Bohrloch-Bodenanordnung 100 (wie
in 2 dargestellt). Zu jedem der Prozessoren 40, 42 gehört ein Computer,
Speicherkapazität
zum Speichern von Daten, ein Aufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen von Daten
und andere bekannte Peripheriegeräte.
-
In 2 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt, die in einer als Beispiel
angegebenen lenkbaren Bohrvorrichtung 100 angewendet wird.
Zur Bohrvorrichtung 100 gehört das Bohrgestänge 20,
ein Bohrmotor 120, eine Lenkvorrichtung 200, der
BHA-Prozessor 42 und die Bohrkrone 50.
-
Das
Bohrgestänge 20 verbindet
die Bohrvorrichtung 100 mit der Ausrüstung an der Oberfläche wie
der Schlammpumpe und einem Drehtisch. Das Bohrgestänge 20 ist
eine hohle Röhre
durch die Bohrfluid (Schlamm) 31 unter hohem Druck zu der Bohrkrone 50 geleitet
wird. Das Bohrgestänge 20 ist außerdem so
ausgelegt, dass es eine Rotationskraft, die an der Oberfläche erzeugt
wird, an die Bohrkrone 50 überträgt. Das Bohrgestänge 20 kann
natürlich eine
Anzahl weiterer Aufgaben durchführen
wie die Gewichtsbelastung der Bohrkrone 50 und es kann
als Transmissionsmedium für
akustische Telemetriesysteme eingesetzt werden, wenn solche Systeme
verwendet werden.
-
Der
Bohrmotor 120 liefert unten im Bohrloch den Antrieb für die Rotation
der Bohrkrone 50. Der Bohrmotor 120 umfasst einen
Antriebsabschnitt 122 und eine Lageranordnung 124.
Der Antriebsabschnitt 122 umfasst eine bekannte Anordnung,
bei der ein Rotor 126 in einem Stator 127 rotiert,
wenn ein Fluid unter hohem Druck eine Reihe von Öffnungen 128 zwischen
dem Rotor 126 und dem Stator 127 passiert. Bei
dem Fluid kann es sich um Bohrfluid oder Schlamm handeln, wie es
allgemein zum Bohren von Bohrlöchern
verwendet wird, oder es kann ein Gas oder ein Flüssigkeit oder eine Gasmischung
sein. Der Rotor ist mit einer rotierbaren Welle 150 zum Übertragen
der vom Bohrmotor 120 erzeugten Drehkraft an die Bohrkrone 50 gekuppelt.
Der Bohrmotor 120 und das Bohrgestänge 20 sind so ausgelegt,
dass sie unabhängig
voneinander die Bohrkrone 50 drehen. Dementsprechend kann
die Bohrkrone 50 in irgendeiner von drei Modi rotieren:
Drehen nur durch das Bohrgestänge 20,
Drehen nur durch den Bohrmotor 120 und Drehen durch einen
kombinierten Einsatz von Bohrgestänge 20 und Bohrmotor 120.
-
Die
Lageranordnung 124 des Bohrmotors 120 liefert
axiale und radiale Unterstützung
für die Bohrkrone 50.
Die Lageranordnung 124 enthält in ihrem Gehäuse 130 ein
oder mehrere geeignete Radiallager 132, die die Antriebswelle 150 seitlich
oder radial unterstützen.
Ebenso enthält
die Lageranordnung 124 ein oder mehrere geeignete Axialdrucklager 133,
um der Bohrkrone 50 axiale (in Längsrichtung oder entlang des
Bohrlochs) Unterstützung
zu geben. Die Antriebswelle 150 ist mit dem Rotor 126 des
Bohrmotors über
eine flexible Welle 134 und geeignete Kupplungen 136 gekuppelt.
Zum Stand der Technik gehören
verschiedene Arten von Lageranordnungen; sie werden hier deshalb
nicht detaillierter beschrieben. Es soll erwähnt werden, dass die Lageranordnung 124 nur
darum als Teil des Bohrmotors 120 beschrieben wurde, um
der allgemein akzeptierten No menklatur der Industrie zu genügen. Die
Lageranordnung 124 kann ebenfalls eine Anordnung sein, deren
Betrieb und/oder Aufbau vom Bohrmotor 120 unabhängig ist.
Die vorliegende Erfindung ist also nicht auf eine bestimmte Lagerkonfiguration
beschränkt.
So ist zum Beispiel keine Mindest- oder Höchstzahl von Radial- oder Axiallagern
erforderlich, um die Lehre der vorliegenden Erfindung vorteilhaft anzuwenden.
-
Vorteilhafterweise
ist die Lenkvorrichtung 200 in das Lageranordnungsgehäuse 130 der
Bohranordnung 100 integriert. Die Lenkanordnung 200 steuert
die Bohrkrone 50 in eine Richtung, die von der Regeleinheit 40 (1)
und/oder dem BHA-Prozessor 42, entsprechend einem oder
mehreren Parametern, die im unteren Bereich des Bohrloches gemessen
wurden, und vorbestimmten Richtungsmodellen bestimmt wird. Die Lenkanordnung 200 kann alternativ
in einem getrennten Gehäuse
(nicht dargestellt) untergebracht sein, das operativ und/oder baulich
von dem Lageranordnungsgehäuse 130 unabhängig ist.
-
Die
bevorzugte, in 3 dargestellte Lenkanordnung 200 umfasst
eine nicht rotierende Hülse 220,
eine Antriebsquelle 230, einen Antriebskreis 240,
eine Mehrzahl von Kraftstützelementen 250, Dichtungen 260 und
ein Sensorpaket 270. Wie später noch erläutert wird,
sind alle Bauteile (z.B. die Steuerelektronik) zum Steuern der den
Kraftstützelementen 250 zugeführten Antriebskraft
außerhalb
der nicht rotierenden Hülse 220 angeordnet.
Solche Bauteile können
im Gehäuse 130 der
Lageranordnung angeordnet sein. Mit kurzem Bezug auf 1 können diese
Bauteile in anderen Ausführungsformen
in einem rotierenden Element wie der rotierenden Bohrwelle 22,
in einer angrenzend an den Bohrmotor 122 angeordneten Teilsohle
(sub) 102 (s. 3) und/oder an einer anderen
geeigneten Stelle in der Bohrvorrichtung 200 angeordnet
sein. Ebenso wird die Betätigungskraft,
die zum Bewegen nach außen und
Zurückbewegen
der Kraftstützelemente 250 erforderlich
ist, im Gehäuse 130 oder
an einem anderen bereits genannten Ort erzeugt. Vorzugsweise ist deshalb
die einzige Ausrüstung,
die zum Steuern der den Kraftstützelementen 250 zugeführten Antriebskraft
in der nicht rotierenden Hülse 220 angeordnet ist,
ein Abschnitt des Antriebkreises 240.
-
Die
Kraftstützelemente 250 bewegen
sich (z.B. nach außen
und zurück
nach innen), um wahlweise Kraft auf die Wand 106 des Bohrloches 26 auszuüben. Bei
den Kraftstützelementen 250 handelt
es sich vorzugsweise um rippenartige Glieder, die gemeinsam (konzentrisch)
oder unabhängig
voneinander (exzentrisch) betätigt
werden können,
um die Bohrkrone 50 in eine gegebene Richtung zu lenken. Zusätzlich können die
Kraftstützelemente 250 mit denselben
oder unterschiedlichen inkrementellen radialen Abständen angeordnet
sein. Auf die Weise können
die Kraftstützelemente 250 so
ausgelegt sein, dass sie einen ausgewählten Kraftaufwand ausüben und/oder
sich über
eine ausgewählte
Strecke (beispielsweise eine radiale Strecke) bewegen. In einer
Ausführungsform
kann eine Vorrichtung wie ein piezoelektrisches Element (nicht dargestellt)
verwendet werden, um die Lenkkraft an den Kraftstützelementen 250 zu
messen. Es können
auch andere Elemente wie Kolben oder expandierbare Balge verwendet
werden. Es ist bekannt, dass die Richtung der Bohrung durch die
Anwendung einer Kraft auf die Bohrkrone 50 (die von der
Achse der Bohrloch-Tangentenlinie abweicht) gesteuert werden kann.
Dies kann anhand eines in 3 dargestellten
Kraftparallelogramms erläutert
werden. Die Bohrloch-Tangentenlinie ist die Richtung, in die die
normale Kraft (oder der Druck) auf die Bohrkrone 50 aufgrund
des auf die Bohrkrone einwirkenden Gewichts wirkt, wie dies mit dem
Pfeil 142 angedeutet ist. Der Kraftvektor, der von dieser
Tangentenlinie abweicht, wird durch eine Seitenkraft erzeugt, die
von der Steuervorrichtung 200 auf die Bohrkrone 50 ausgeübt wird.
Wenn eine Seitenkraft, wie sie durch den Pfeil 144 (Rippengliedkraft)
angezeigt wird, auf die Bohrvorrichtung 100 ausgeübt wird,
dann wird auf der Bohrkrone 50 (Bohrkronenkraft) eine Kraft 146 erzeugt.
Der sich daraus ergebende Kraftvektor 148 liegt dann zwischen
der Kraftlinie, die für
das auf der Bohrkrone lastende Gewicht gilt, und hängt von
der Höhe
der angewendeten Rippengliedkraft ab.
-
Die
Antriebsquelle 230 liefert die zum Betätigen der Rippenglieder 250 verwendete
Antriebsleistung. Die Antriebsquelle 230 ist vorzugsweise
ein geschlossenes System auf der Basis eines Hydraulikfluids, bei
dem die Bewegung des Rippengliedes 250 mit Hilfe eines
Kolbens 252 erzielt werden kann, der von einem Hydraulikfluid
unter hohem Druck betätigt wird.
Eine getrennte Kolbenpumpe 232 steuert unabhängig den
Betrieb jedes Steuerrippengliedes 250. Jede solche Pumpe 232 ist
vorzugsweise eine Axialkolbenpumpe 232, die in dem Lageranordnungsgehäuse 130 untergebracht
ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Kolbenpumpen 232 hydraulisch von der Bohrwelle 150 (2)
betätigt,
wozu das durch das Lageranordnungsgehäuse 130 fließende Bohrfluid verwendet
wird. Alternativ kann eine gemeinsame Pumpe zum Betätigen aller
Kraftstützelemente 250 verwendet
werden. In einer weiteren Ausführungsform
kann die Antriebsquelle 230 ein Zuführsystem für elektrische Energie umfassen,
das einen Elektromotor betätigt
und beispielsweise eine Schneckenwelle antreibt, die wirksam mit
dem Kraftstützelement 250 verbunden
ist. Die Wahl der Antriebsquelle und der entsprechenden damit zusammenhängenden Anordnung
hängt von
solchen Faktoren ab wie der zum Betätigen der Kraftstützelemente
erforderlichen Antriebskraft, den Energieanforderungen der Ausrüstung im
unteren Bereich des Bohrloches und den Verhältnissen der Umgebung im unteren
Bereich des Bohrloches. Weitere Faktoren, die bei der Wahl einer Antriebsquelle
eine Rolle spielen, sind Fachleuten auf dem Gebiet bekannt.
-
Der
Antriebskreis 240 überträgt die von
der Antriebsquelle 230 erzeugte Antriebskraft an die Kraftstützelemente 250.
Wenn es sich bei der Antriebsquelle um eine hydraulisch betätigte Anordnung handelt,
wie oben beschrieben, dann enthält
der Antriebskreis 240 eine Mehrzahl von Leitungen, die
so ausgelegt sind, dass sie das unter hohem Druck stehende Fluid
an die Kraftstützelemente 250 befördern und
das Fluid von den Kraftstützelementen
in den Sumpf 234 der Antriebsquelle 230 zurück befördern. Ein
Antriebskreis 240 ist so ausgelegt, dass er einen Gehäuseabschnitt 241 sowie
einen nicht rotierenden Hülsenabschnitt 242 enthält. Jeder
Abschnitt 241, 242 enthält Versorgungsleitungen, die
kollektiv mit dem Bezugszeichen 243 gekennzeichnet sind,
sowie eine oder mehrere Rückflussleitungen,
die kollektiv mit dem Bezugszeichen 244 bezeichnet sind.
Die Antriebsquelle 230 kann einen oder mehrere Parameter des
Hydraulikfluids (z.B. Druck der Fließrate) steuern, um damit die
Kraftstützelemente 250 zu
steuern. In einer Anordnung kann der Druck des an die Kraftstützelemente 250 geleiteten
Fluids mit Hilfe eines Druckwandlers (nicht dargestellt) gemessen
werden, und diese Messungen können
zum Steuern der Kraftstützelemente 250 verwendet
werden.
-
Der
Gehäuseabschnitt 241 enthält ebenfalls ein
oder mehrere Steuerventile und Ventilbetätigungselemente, die kollektiv
mit dem Bezugszeichen 246 bezeichnet sind und zwischen
jeder Kolbenpumpe 232 und ihrem zugeordneten, steuerbaren
Rippenglied 250 angeordnet sind, um einen oder mehrere
interessierende Parameter (z.B. Druck und/Fließrate) des Hydraulikfluids
von solcher Kolbenpumpe 232 an das zugeordnete steuerbare
Rippenglied 250 zu steuern. Jedes Ventilbetätigungselement 246 steuert
die Fließrate über das
ihm zugeordnete Steuerventil 246. Das Ventilbetätigungselement 246 kann eine
Magnetspule, eine magnetostriktive Vorrichtung, ein Elektromotor,
eine piezoelektrische Vorrichtung oder eine andere geeignete Vorrichtung
sein. Um die hydraulische Kraft oder den hydraulischen Druck auf eine
spezielle steuerbare Rippe 250 zu lenken, wird das Ventilbetätigungselement 246 so
betätigt,
dass Hydraulikfluid an die Rippe 250 fließen kann.
Wird das Ventilbetätigungselement 246 deaktiviert, schließt das Steuerventil 246 und
die Kolbenpumpe 232 kann in dem Rippenglied 250 keinen
Druck erzeugen. Bei einer bevorzugten Art des Bohrens werden alle
Kolbenpumpen 232 fortlaufend von der Antriebswelle 150 betätigt. Ventile
und Ventilbetätigungselemente
können
auch Proportionalhydraulik verwenden.
-
Bei
einem bevorzugten Verfahren zum Betätigen der Rippenglieder 250 wird
das Tastverhältnis gesteuert.
Bei diesem Verfahren wird der Betriebszyklus des Ventilbetätigungselementes 246 von
einem Prozessor oder Steuerkreis (nicht dargestellt) gesteuert,
der an einem geeigneten Ort in der Bohrvorrichtung 100 angeordnet
ist. Der Steuerkreis kann an jedem anderen Ort, auch oberhalb des
Antriebabschnittes 122, angeordnet sein.
-
In 4 ist
ein Leistungskreis 240 als Beispiels dargestellt. Dieser
Leistungskreis 240 umfasst einen Hülsenabschnitt 242 und
einen Gehäuseabschnitt 241.
Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Gehäuseabschnitt 241 eine
Mehrzahl von Versorgungsleitungen 243 und Rückführleitungen 244.
Die Leitungen 243 und 244 des Gehäuseabschnittes
sind mit komplementären
Leitungen 240, 243 und 244 im Hülsenabschnitt 242 verbunden.
Wegen des Rotationskontaktes zwischen dem Gehäuse 210 und der Hülse 220 ist
zur Verbindung der Leitungen von Gehäuseabschnitt 241 und
Hülsenabschnitt 242 ein
Mechanismus wie eine hydraulische Mehrkanal-Drehkupplung oder -Schleifringanordnung 280 vorgesehen.
-
Hydraulische
Schleifringe 280 und Dichtungen 282 und 284 des
Leistungskreises 240 ermöglichen den Transport von Hydraulikfluid
mit hohem oder niedrigem Druck zwischen der Antriebsquelle 230 und
den Kraftstützelementen 250 an
der Rotations-Schnittstelle zwischen dem Gehäuseabschnitt 130 und
der nicht rotierenden Hülse 220.
Hydraulische Schleifringe 280 befördern das unter hohem Druck
stehende Hydraulikfluid von den Leitungen 243 des Leistungskreis-Gehäuseabschnitts 241 an die
entsprechenden Leitungen 243 des Leistungskreis-Hülsenabschnitts 242.
Die Dichtungen 282 und 284 verhindert Leckagen
des Hydraulikfluids und verhindern ebenso, dass Bohrfluid in den
Leistungskreis 240 eindringt. Vorzugsweise handelt es sich
bei den Dichtungen 282 um Schlamm-/Öldichtungen, die für eine Niederdruckumgebung
ausgelegt sind, und bei den Dichtungen 284 um Öldichtungen,
die für
einen Betrieb mit hohem Druck ausgelegt sind. Bei dieser Anordnung
ist berücksichtigt,
dass das zu den Kraftstützelementen 250 durch
die Leitungen 243 beförderte
Fluid unter hohem Druck steht, wohingegen in den Rückflussleitungen 244 Fluide
mit niedrigem Druck befördert
werden.
-
Selbstverständlich kann
der Leistungskreis 240 mit so vielen Versorgungsleitungen 243 ausgestattet
sein wie Kraftstützelemente
vorhanden sind. Mit Bezug auf 5 wird bemerkt,
dass die Rückflussleitungen 244 zur
Optimierung der gesamten Hydraulikanordnung entsprechend angepasst
werden können.
Zum Beispiel kann der Hülsenabschnitt 242 die
Rückflussleitungen 244 von
jeder der Kraftstützelemente 250 (6)
zu einer einzigen Leitung 245 zusammenführen, die dann mit einer einzigen Rückflussleitung 244 im
Gehäuseabschnitt 241 in Verbindung
steht. Alternativ können
eine oder mehr Versorgungsleitungen 243 für jede der
Kraftstützelemente 250 bestimmt
sein. Der Gesamtaufbau des Leistungskreises 240 hängt also
von der verwendeten Antriebsquelle ab, die zur Betätigung der
Kraftstützelemente 250 vorgesehen
ist.
-
In
den 2 und 3 ist dargestellt, dass die
nicht rotierende Hülse 220 eine
stationäre
Basis bildet, von der aus die Kraftstützelemente 250 an
der Wand 106 des Bohrloches angreifen können. Bei der nicht rotierenden
Hülse 220 handelt
es sich im allgemeinen um ein rohrförmiges Element, das teleskopartig
um das Lageranordnungsgehäuse 130 herum angeordnet
ist. Die Hülse 220 greift
am Gehäuse 130 an
den Lagern 260 an. Die Lager 260 können ein
Radiallager 262 enthalten, das den Dreh-Schleif-Vorgang
zwischen der Hülse 220 und
dem Gehäuse 130 erleichtert,
und ein Drucklager 264, das die Axiallast absorbiert, die
von dem Druck der Bohrkrone 50 gegen die Wand 106 des
Bohrloches verursacht wird. Vorteilhafterweise umfassen die Lager 260 schlammgeschmierte
Radiallager 262, die außen an der Hülse 220 vorgesehen
sind.
-
Aus 3 geht
hervor, dass das Sensorpaket 270 einen oder mehrere BHA-Sensoren S1, ein die
Ausrichtung der Bohrloch-Bodenanordnung (BHA) ermittelndes System
sowie andere Elektronik enthält,
die Informationen liefern, die von den Prozessoren 40, 42 zum
Steuern der Bohrkrone 50 verwendet werden. Das Sensorpaket 270 liefert
Daten, mit denen die Prozessoren 40, 42 in die
Lage versetzt werden, mindestens (a) die Ausrichtung der Bohrloch-Bodenanordnung 100 zu
bestimmen, (b) die Position der BHA 100 mit dem erwünschten
Bohrlochprofil oder dessen Bahn und/oder der erwünschten Zielformation zu vergleichen
und (c) Korrekturbefehle auszugeben, wenn sie erforderlich werden,
um die Bohrloch-Bodenanordnung 100 zu dem erwünschten Bohrlochprofil
und/oder der entsprechenden Zielformation zurück zu bewegen. Die BHA-Sensoren
S1 ermitteln Daten bezüglich
(a) der Parameter, die mit der Formation zusammenhängen, wie
Widerstand des Erdreiches, dielektrischer Konstante und Porosität des Erdreiches,
(b) der physikalischen und chemischen Eigenschaften des in der Bohrloch-Bodenanordnung
vorhandenen Bohrfluids, (c) der „Bohrparameter" oder „Betriebsparameter", zu denen die Bohrfluid-Fließrate, die
Rotationsgeschwindigkeit der Bohrkrone, das Drehmoment, das auf
der Bohrkrone lastende Gewicht oder die Schubkraft der Bohrkrone („WOB"), (d) des Zustandes
und der Abnutzung individueller Vorrichtungen wie des Spülmotors,
der Lageranordnung, der Bohrwelle, des Gestänges und der Bohrkrone und
(e) des Bohrgestänge-Azimuts, echter Koordinaten
und der Richtung im Bohrloch 26 (beispielsweise Positions-
und Bewegungssensoren wie Neigungsmesser, Beschleunigungsmesser,
Magnetmesser oder ein Gyroskopvorrichtung). BHA-Sensoren S1 können über die
Länge der
BHA 100 verteilt angeordnet sein. Die hier beschriebenen
Sensoren erzeugen Signale, die dem entsprechenden interessierenden
Parameter entsprechen. Diese Signale werden einem Prozessor über Leitungen,
auf magnetischem oder akustischem Wege übermittelt. Die oben allgemein
beschriebenen Sensoren sind Stand der Technik und werden deshalb
hier nicht detailliert beschrieben.
-
In 6 ist
als Beispiel ein System 300 zum Ermitteln der Ausrichtung
(beispielsweise der Ausrichtung einer Werkzeugfläche) der Hülse 220 und der Kraftstützelemente 250 gegenüber der
Bohrvorrichtung 100 dargestellt. Dieses Richtungssensorsystem 300 enthält ein erstes
Glied 302, das an der nicht rotierenden Hülse 220 angeordnet
ist, sowie ein zweites Glied 304, das an dem rotierenden
Gehäuse 130 angeordnet
ist. Das erste Glied 302 ist in einer feststehenden Beziehung
gegenüber
einem oder mehrerer der Kraftstützelemente 250 angeordnet und
liefert entweder aktiv oder passiv ein Anzeige seiner Position gegenüber dem
zweiten Glied 304. Ein vorteilhaftes Richtungssensorsystem 300 enthält einen
Magneten 302, der in einer bekannten, vorbestimmten Winkelausrichtung
auf der nicht rotierenden Hülse 220 gegenüber den
Kraftstützelementen 250 angeordnet
ist. Ein Magnetsensor 304, der am Gehäuse 130 angebracht
ist, kommt während
der Rotation mit den Magnetfeldern in Kontakt. Da die Rotationsgeschwindigkeit,
Neigung und Ausrichtung des Gehäuses
bekannt sind, kann die Position der Kraftstützelemente 250 nach
Bedarf von dem BHA-Prozessor 42 (2 und 3)
berechnet werden. Fachleuten auf diesem technischen Gebiet erkennen
ohne weiteres, dass anstelle von magnetischen Signalen andere Anordnungen
eingesetzt werden können.
Solche anderen Anordnungen zum Ermitteln der Ausrichtung umfassen
Induktionswandler (linear-variable Differentialtransformatoren),
Spulen- oder Hall-Sensoren und Kapazitätssensoren. Wieder andere Anordnungen
können
Funkwellen, elektrische Signale, akustische Signale und interferierenden
physischen Kontakt zwischen den ersten und zweiten Gliedern einsetzen.
Zusätzlich
können
Beschleunigungsmesser verwendet werden, um einen Triggerpunkt bezüglich einer
Position zu bestimmen, beispielsweise der Höhe der Lochseite, um die Ausrichtung
der Werkzeugfläche
zu korrigieren. Akustische Sensoren können außerdem verwendet werden, um
die Exzentrizität
der Bohrvorrichtung 100 gegenüber dem Bohrloch zu bestimmen.
-
Das
Sensorpaket 270 nach 3 kann die Prozessoren 40, 42 mit
einer Statusanzeige der Lenkanordnung 200 versorgen, indem
die Antriebsquelle 230 überwacht
wird, um die Menge oder Größe des hydraulischen
Drucks (beispielsweise Messungen von einem Druckwandler) für jedes
gegebene Kraftstützelement
und den Leistungskreis, dem das Kraftstützelement 250 zugeordnet
ist, zu ermitteln. Die Prozessoren 40, 42 können diese
Daten zum Bestimmen der Kraft verwenden, die die Kraftstützelemente 250 auf
die Wand 106 des Bohrloches zu einer gegebenen Zeit ausüben.
-
In
einer bevorzugten, als geschlossene Regelschleife ausgelegten Betriebsweise
gehören
zu den Prozessoren 40, 42 Instruktionen, die sich
auf das erwünschte
Bohrlochprofil oder die Bahn der Bohrung und/oder erwünschte Eigenschaften
einer Zielformation beziehen. Die Regeleinheit 40 behält die Kontrolle über Gegebenheiten
der Bohrtätigkeit wie
die Überprüfung des
Systems auf Fehlfunktionen, Aufzeichnen von Sensordaten und Anpassung der
Einstellungen für
das System 10, um beispielsweise die Durchdringungsgeschwindigkeit
zu optimieren. Die Regeleinheit 40 übermittelt entweder periodisch
oder nach Bedarf Befehle an den BHA-Prozessor 42. Entsprechend
diesem Instruktionen steuert der BHA-Prozessor 42 Richtung
und Fortschreiten der Bohrloch-Bodenanordnung 100. Während eines
als Beispiel beschriebenen Betriebes liefert das Sensorpaket 270 Ausrichtungssignale
(beispielsweise Azimut und Neigung) sowie Daten, die sich auf den
Status der Kraftstützelemente 250 beziehen,
an den BHA-Prozessor 42.
Auf der Basis einer im Speicher gespeicherten vorbestimmten Bohrlochbahn nutzt
der BHA-Prozessor 42 die Ausrichtungs- und Statusdaten,
um die Kraftstützelemente 250 neu
auszurichten und entsprechend anzupassen, um die Bohrkrone 50 entlang
einer vorbestimmten Bohrlochbahn zu führen. Während eines weiteren als Beispiel angegebenen
Betriebsvorgangs liefert das Sensorpaket 270 Daten bezüglich eines
vorbestimmten Formationsparameters, beispielsweise des Widerstandverhaltens.
Der BHA-Prozessor 42 kann diese Formationsdaten dazu nutzen,
die Nähe
der Bohrloch-Bodenanordnung 100 zu einer Lagergrenze zu ermitteln
und Lenkbefehle auszugeben, die verhindern, das die Bohrlochanordnung 100 das
Ziel verfehlt. Die automatisierte Steuerung der BHA 100 kann
eine periodische Zweiwege-Telemetriekommunikation mit der Regeleinheit 40 umfassen,
während der
der BHA-Prozessor 42 ausgewählte Sensordaten und verarbeitete
Daten übermittelt
und Instruktionsbefehle empfängt.
Die Instruktionsbefehle, die von der Regeleinheit 40 übermittelt
werden, können
beispielsweise auf Berechnungen basieren, die sich wiederum auf
Daten stützen,
die von den Sensoren S2 an der Oberfläche empfangen wurden. Wie bereits
erwähnt
wurde, können
die Sensoren S2 an der Oberfläche
Daten liefern, die für
die Lenkung der BHA 100 von Bedeutung sind, beispielsweise
Drehmoment, Rotationsgeschwindigkeit des Bohrgestänges 20,
Rohrinjektionsgeschwindigkeit und Hakenlast. In jedem Fall steuert
der BHA-Prozessor 42 die Lenkordnung 200, indem
die Veränderung
des Fördervolumens,
der Kraft oder anderer Variabler berechnet werden, die zur Neuausrichtung
der Bohrloch-Bodenanordnung 100 in die gewünschte Richtung
und zur Re-Positionierung der Kraftstützelemente erforderlich sind,
um die BHA 100 in die gewünschte Richtung zu lenken.
-
Es
ist zu erkennen, dass das Bohrsystem 10 so programmiert
werden kann, dass für
einen durchgehenden Betrieb ein oder mehrere der Bohrparameter automatisch
an die erwünschten
oder berechneten Parameter angepasst werden können. Es wird darauf hingewiesen,
dass bei diesem Betriebsmodus der BHA-Prozessor an die Regeleinheit nur eingeschränkte Daten übermittelt,
von denen einige bereits bearbeitet wurden. Es ist bekannt, dass
die Baudrate konventioneller Telemetriesysteme die Datenmenge begrenzt,
die vom BHA-Sensor an die Regeleinheit übermittelt werden können. Dementsprechend
wird dadurch, dass einige der Sensordaten im unteren Bereich des
Bohrloches verarbeitet werden, die Bandbreite des vom Bohrsystem 10 verwendeten Telemetriesystems
nicht übermäßig in Anspruch
genommen.
-
Es
wird darauf hingewiesen, dass mit den Prozessoren 40, 42 eine
wesentliche Flexibilität
bei der Steuerung des Betriebsablaufes gegeben wird. Zum Beispiel
kann das Bohrsystem 10 so programmiert sein, dass nur die
Regeleinheit 40 die BHA 100 steuert und der BHA-Prozessor 42 lediglich
gewisse bearbeitete Sensordaten an die Regeleinheit 40 liefert.
Alternativ können
die Prozessoren 40, 42 gemeinsam die Steuerung
der BHA 100 übernehmen, beispielsweise
kann die Regeleinheit 40 nur dann die Steuerung der BHA 100 übernehmen,
wenn bestimmte vorbestimmte Parameter vorliegen. Zusätzlich dazu
kann das Bohrsystem 10 so ausgelegt sein, dass die Bedienungsperson
die automatischen Einstellungen außer Betrieb setzt und die Bohrparameter
ohne vorbestimmte Grenzen für
solche Parameter manuell einstellt.
-
Es
soll auch darauf hingewiesen werden, dass die Anordnung der Elektronik
für die
Lenkanordnung in der rotierenden Lageranordnung eine größere Flexibilität bei der
Konstruktion der Elektronik und einen besseren Schutz bietet als
eine Anordnung in der nicht rotierenden Hülse. Es kann zum Beispiel die ganze
Elektronik für
die Bohrvorrichtung in einem entfernbaren Modul zusammengefasst sein,
das innerhalb der Bohrvorrichtung 100 befestigt ist. Außerdem werden,
wenn das Sensorpaket 270 und die Antriebsquelle 230 im
Gehäuse 126 angeordnet
sind, die Gesamtmaße
der nicht rotierenden Hülse 220 entsprechend
reduziert. Auch kann die nicht rotierende Hülse 220, die keine
Elektronik enthält,
näher an der
Bohrkrone 50 vorgesehen sein, weil die Instrumente, die
sonst den Stößen und
Vibrationen ausgesetzt wären,
in sicherer Entfernung innerhalb des Gehäuses 210 der Lageranordnung
angeordnet sind. Diese größere Nähe der Anordnung
erhöht
den Momentarm, der zum Lenken der Bohrkrone 50 zur Verfügung steht,
und verringert die nicht gehalterte Länge der Bohrwelle zwischen
dem Bohrmotor 120 und der Bohrkrone 50. Bei bestimmten
Ausführungsformen
kann eine begrenzte Anzahl von elektronischen Bauteilen, die ausgewählte Eigenschaften
aufweisen (die z.B. robust, schlagfest, als in sich geschlossene Einheit
ausgebildet usw. sind), in der nicht rotierenden Hülse 220 enthalten
sein, während
die Mehrzahl der elektronischen Elemente im rotierenden Gehäuse 210 bleibt.
-
Selbstverständlich sind
die Lehren der vorliegenden Erfindung nicht auf die besondere Konfiguration
der beschriebenen Bohrvorrichtung beschränkt sind. Beispielsweise kann
das Sensorpaket 270 im Bohrloch oberhalb des Bohrmotors
angeordnet sein. Ebenso kann die Antriebsquelle 230 im
Bohrloch oberhalb des Bohrmotors vorgesehen sein. Es kann auch eine
größere oder
kleinere Anzahl von Kraftstützelementen 250 vorgesehen
sein.
-
Die
voraufgegangene Beschreibung ist auf besondere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gerichtet, um diese darzustellen und
zu erläutern.
Fachleuten auf diesem Gebiet ist jedoch ersichtlich, dass viele
Modifikationen und Änderungen der
beschriebenen Ausführungsform
möglich
sind, ohne dass der Erfindungsbereich oder der Geist der Erfindung überschritten
wird. Es können
beispielsweise in sich geschlossene elektronische oder andere Ausrüstungsgegenstände an der
rotierenden Hülse
angeordnet sein, wenn zwischen der nicht rotierenden Hülse und
dem Bohrsystem für
den Betrieb solcher Ausrüstung
keine Betätigungs-,
Kommunikations- oder andere Verbindungen erforderlich sind. Die
Verwendung solcher Systeme kann selbstverständlich die betrieblichen Vorteile
der vorliegenden Erfindung beeinflussen. Das Vorhandensein solcher Ausrüstungen
kann beispielsweise eine Einschränkung
für die
Verringerung der Ge samtmaße
der nicht rotierenden Hülse
darstellen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu interpretieren;
dass sie all solche Modifikationen und Änderungen einschließen.