DE69636054T2

DE69636054T2 - Drehbohrsystem in geschlossener schleife

Info

Publication number: DE69636054T2
Application number: DE69636054T
Authority: DE
Inventors: W. John Spring HARRELL; Vladimir Houston DUBINSKY; James Houston LEGGETT
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: US6233524B1; WO1997015749A3; NO320888B1; DK0857249T3; NO981802D0; EP0857249B1; EP0857249A2; DE69636054D1; CA2235134C; CA2235134A1; WO1997015749A2; US6021377A; NO981802L

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich insgesamt auf ein automatisiertes Bohrsystem mit geschlossener Schleife zum Bohren von Bohrlöchern zur Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Untertage-Formationen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und insbesondere auf ein Bohrsystem mit geschlossener Schleife, das eine Anzahl von Vorrichtungen und Sensoren zum Bestimmen des Betriebszustands der Bohranordnung, einschließlich des Bohrmeißels, eine Anzahl von Formationsbewertungsvorrichtungen und Sensoren zum Bestimmen der Art und des Zustands der Formation, durch welche das Bohrloch zu bohren ist, und Prozessoren zum Berechnen bestimmter Betriebsparameter im Bohrloch aufweist, die zu einem Übertage-System übermittelt werden, das Fehlfunktionen in Bezug auf Bohrlochbetriebszustände anzeigt und dem Bohringenieur eine Aktion empfiehlt, die vorzunehmen ist, um solche Dysfunktionen zur Optimierung des Bohrens des Bohrloches zu mildern. Diese Erfindung stellt auch ein automatisiertes Verfahren mit geschlossener Schleife zum Bohren eines Bohrlochs in einem Ölfeld nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17 bereit.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Um Kohlenwasserstoffe, wie Öl und Gas, zu erhalten, werden Bohrlöcher gebohrt, indem ein Bohrmeißel, der an einem Bohrstrangende befestigt ist, gedreht wird. Ein großer Anteil der gegenwärtigen Bohraktivität betrifft das direktionale Bohren, d.h. das Bohren von abgelenkten und horizontalen Bohrlöchern, um die Kohlenwasserstoffgewinnung zu steigern und/oder zusätzliche Kohlenwasserstoffe aus den Erdformationen abzuziehen. Moderne Direktionalbohrsysteme verwenden im Allgemeinen einen Bohrstrang mit einer Bohrsohlenanordnung (BHA) und einem Bohrmeißel an dessen Ende, die von einem Bohrmotor (Schlammmotor) und/oder dem Bohrstrang gedreht wird. Eine Anzahl von Bohrlochvorrichtungen, die in unmittelbarer Nähe des Bohrmeißels angeordnet sind, messen bestimmte, dem Bohrstrang zugeordnete Bohrlochbetriebsparameter. Zu solchen Vorrichtungen gehören gewöhnlich Sensoren zum Messen der Temperatur und des Drucks im Bohrloch, Azimut- und Inklinationsmessvorrichtungen sowie Messvorrichtungen für den spezifischen Widerstand, um das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen und Wasser zu bestimmen. Häufig werden zusätzliche Bohrlochinstrumente, die als Geräte zum Messen während des Bohrens ("LWD") bekannt sind, an dem Bohrstrang befestigt, um die Geologie und Fluidzustände der Formation während der Bohrvorgänge zu bestimmen.
In das Bohrrohr wird unter Druck stehendes Bohrfluid (gewöhnlich bekannt als "Schlamm" oder "Bohrschlamm") gepumpt, um den Bohrmotor zu drehen und um für eine Schmierung der verschiedenen Elemente des Bohrstrangs einschließlich des Bohrmeißels zu sorgen. Das Bohrrohr wird von einem Hauptantrieb, beispielsweise einem Motor, angetrieben, um das direktionale Bohren zu erleichtern und um vertikale Bohrlöcher zu bohren. Der Bohrmeißel ist gewöhnlich mit einer Lageranordnung gekoppelt, die eine Antriebswelle hat, die ihrerseits den daran befestigten Bohrmeißel dreht. Radial- und Axiallager in der Lageranordnung sorgen für eine Aufnahme der radialen und axialen Kräfte des Bohrmeißels.
Bohrlöcher werden gewöhnlich längs vorgegebener Wege gebohrt, und das Bohren eines typischen Bohrlochs geht durch verschiedene Formationen hindurch. Der Bohringenieur steuert gewöhnlich die über Tage kontrollierten Bohrparameter, wie das Gewicht am Meißel, den Bohrfluidstrom durch das Bohrrohr, die Bohrstrangdrehzahl (UpM des mit dem Bohrrohr gekoppelten Übertage-Motors) sowie die Dichte und Viskosität des Bohrfluids, um die Bohrvorgänge zu optimieren. Die Betriebsbedingungen im Bohrloch ändern sich kontinuierlich, und die Bedienungsperson muss auf solche Änderungen reagieren und die über Tage gesteuerten Parameter justieren, um die Bohrvorgänge zu optimieren. Für das Bohren eines Bohrlochs in einem unberührten Bereich hat die Bedienungsperson gewöhnlich seismische Vermessungspläne, die ein Makrobild der Untertage-Formationen sowie einen vorgeplanten Bohrweg ergeben. Zum Bohren von Mehrfachbohrlöchern in der gleichen Formation hat die Bedienungsperson auch Informationen bezüglich der vorher gebohrten Bohrlöcher in der gleichen Formation. Zusätzlich liefern verschiedene Bohrlochsensoren und zugehörige elektronische Schaltungen, die in der BHA verwendet werden, der Bedienungsperson kontinuierlich Informationen über bestimmte Bohrlochbetriebsbedingungen, den Zustand verschiedener E lemente des Bohrstrangs und Informationen über die Formation, durch welche das Bohrloch gebohrt werden soll.
Zu den Informationen, die der Bedienungsperson gewöhnlich während des Bohrens bereitgestellt werden, gehören

(a) Druck und Temperatur im Bohrloch,
(b) Bohrparameter, wie WOB, Drehzahl des Bohrmeißels und/oder des Bohrstrangs sowie der Bohrfluiddurchsatz.

In manchen Fällen erhält der Bohringenieur auch ausgewählte Informationen über den Zustand der Bohrsohlenanordnung (Parameter), wie das Drehmoment, den Schlammmotor-Differenzdruck, das Drehmoment, die Bohrmeißelfederung und -wirbelung, usw.
Die Bohrlochsensordaten werden gewöhnlich im Bohrloch in einem bestimmten Ausmaß verarbeitet und durch elektromagnetische Einrichtungen oder durch Senden von Druckimpulsen durch das zirkulierende Bohrfluid hindurch nach über Tage übertragen. Häufiger wird jedoch die Schlammimpuls-Telemetrie verwendet. Ein solches System ist in der Lage, nur wenige (eins bis vier) Informationsbits pro Sekunde zu übertragen. Aufgrund einer solchen niedrigen Übertragungsrate ging die Industrie dazu über, die Verarbeitung größerer Datenmengen im Bohrloch zu versuchen und ausgewählte berechnete Ergebnisse oder "Antworten" nach über Tage zur Verwendung durch den Bohringenieur zum Steuern der Bohrvorgänge zu übermitteln.
Die US 4,854,397 offenbart ein System zum direktionalen Bohren und ein zugehöriges Anwendungsverfahren, die einen Bohrstrang benutzen, der in einem Bohrloch aufgehängt ist. Nach diesem Verfahren werden gewünschte Grenzen der zugeordneten Bohrparameter in einen Speicher eingegeben, der mit einem programmierbaren digitalen Rechner verbunden ist. Während des Bohrens des Bohrlochs werden übertragene Werte der zugeordneten Bohrparameter in den Speicher eingegeben. Wenn die übertragenen Werte außerhalb der gewünschten Grenzen liegen, werden erforderliche Justierungen berechnet und dann in Gewicht-am-Bohrmeißel-, UPM- und/oder Bohrstrang-Azimuthausrichtung umgewandelt, um die übertragenen Werte in die gewünschte Grenze zu bringen.
"The Oil and Gas Jornal", Band 71, Nr. 39, Seiten 132 bis 141, offenbart eine Steuerkonsole zum Steuern von Bohrfunktionen in einer Bohranordnung. Jede Bohrfunktion auf dem Konso lenfeld ist auf einem linearen, vertikalen Analogmessgerät unter einer horizontalen Anzeige des entsprechenden Werts gezeigt. Die digitale Ablesung vermittelt dem Bohringenieur den exakten Wert einer jeden Bohrfunktion, und die entsprechende vertikale Anzeige ist erforderlich, um den Trend dieser Werte zu zeigen.
Aus der US 5,341,886 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Vorwärtsbewegungsrichtung eines Drehbohrers zur Erzeugung eines Bohrlochprofils bekannt, das im Wesentlichen mit einer minimalen Krümmung vorgeplant ist, während die optimale Bohrleistung aufrechterhalten wird. Ein solches System hat einen Bohrstrang, einen drehbaren Bohrmeißel, der an dem Bohrstrang gehalten wird, wobei eine entsprechende Unteranordnung in dem Bohrstrang die Änderungen in der Richtung des Bohrens des Bohrlochs erleichtert. Das System hat innerhalb der entsprechenden Unteranordnung eine Vielzahl von Sensoren zum Messen der Festigkeit und zum Erzeugen von Datensignalen, die der Dehnungsmessung entsprechen. Das Steuersystem ist so betätigt, dass es die Datensignale verwendet, um die Richtung des Bohrlochs zu ändern, indem auf den Bohrmeißel eine Scherkraft ausgeübt wird.
Die jährliche technische Konferenz und Messe vom 22. Oktober 1995 in Dallas, TX, USA, offenbart auf Seite 743 bis 757, SPE 30523, M. Hutchinson et al., "An MWD Downhole Assistant Driller", ein Verfahren für Bohrvorgänge mit geschlossener Schleife, die es dem Bohringenieur erlauben, den Bohrprozess aufgrund der Fähigkeit zu optimieren, Informationen über den Bohrprozess an dem Bohrturmboden anzuzeigen. Für diesen Zweck müssen die Bohrerscheinungen genau diagnostiziert und dem Bohringenieur in Ist-Zeit übermittelt werden.
Obwohl sich die Qualität und Art der nach über Trage übertragenen Informationen seit der Verwendung von Mikroprozessoren im Bohrloch stark verbessert hat, stellen die gegenwärtigen Systeme für die Bedienungsperson keine Informationen über Fehlfunktionen bezogen auf wenigstens die kritischen Bohrstrangparameter in einer leicht verwendbaren Form bereit und bestimmen auch nicht, welche Aktionen die Bedienungsperson während des Bohrvorgangs durchführen soll, um das Auftreten solcher Fehlfunktionen zu verringern oder zu unterbinden, damit die Bedienungsperson die Bohrvorgänge optimieren und die Funktionslebensdauer der Bohrsohlenanordnung verbessern kann. Man möchte deshalb ein Bohrsystem haben, das der Bedienungsperson eine einfache visuelle Anzeige der Wichtigkeit wenigstens bestimmter kritischer Bohrparameter und für die Aktionen, die die Bedienungsperson ausführen sollte, gibt, um die über Tage gesteuerten Parameter zur Verbesserung des Bohrwirkungsgrads zu verändern.
Während des Bohrens ist die hohe Ausfallrate der Bohrsohlenanordnung und der übermäßige Bohrmeißelverschleiß aufgrund zu starken Aufprallens des Meißels der Bohrsohlen-Anordnungswirbelung, das Biegen des BHA-Rückgleitphänomens, des Drehmoments, von Stößen, usw. Besorgnis erregend. Übermäßige Werte solcher Bohrstrangparameter und andere sich auf die Bohrvorgänge beziehenden Parameter werden als Funktionsstörungen bezeichnet. Viele Bohrstrang- und Bohrmeißelstörungen und andere Bohrprobleme können durch geeignetes Überwachen des dynamischen Verhaltens der Bohrlochsohlenanordnung und des Bohrmeißels während des Bohrens und durch Ausführen erforderlicher Korrekturen an den Bohrparametern in Ist-Zeit verhindert werden. Ein solcher Prozess kann die Bohranordnungsstörungen beträchtlich verringern und dadurch die Bohrstranglebensdauer ausdehnen und den Gesamtbohrwirkungsgrad einschließlich der Eindringrate verbessern.
Die internationale Patentanmeldung WO 9306330 offenbart die Verwendung einer Vorrichtung, die im Bohrloch in der Nähe des Bohrmeißels angeordnet ist, um Daten aus bestimmten Bohrlochsensoren im Bohrloch zu verarbeiten und zu bestimmen, wann die bestimmten Bohrfehlfunktionen auftreten und um solche Fehlfunktionen nach über Tage zu übertragen. Die Vorrichtung verarbeitet die Bohrdaten und stellt verschiedene Diagnosen zusammen, die für das globale oder individuelle Verhalten des Bohrwerkzeugs, des Bohrstrangs und des Bohrfluids spezifisch sind, und überträgt diese Diagnosen über das Telemetriesystem nach über Tage. Die Bohrlochsensordaten werden dadurch verarbeitet, dass bestimmte Algorithmen verwendet werden, die in der Vorrichtung zum Berechnen der Fehlfunktionen gespeichert sind.
Unabhängig von der Art des zu bohrenden Bohrlochs reagiert gegenwärtig die Bedienungsperson kontinuierlich auf die spezifischen Bohrlochparameter und führt Bohrvorgänge basierend auf solchen Informationen und den Informationen über andere Bohrlochbetriebsparameter, beispielsweise Meißelaufprall, Gewicht am Meißel, Bohrstrangverschiebung, Abbaustrecke, usw. aus, um Entscheidungen über die von der Bedienungsperson gesteuerten Parameter zu treffen. Somit gründen die Bedienungspersonen ihre Bohrentscheidungen auf den oben erwähnten Informationen und auf ihrer Erfahrung. Das Bohren von Bohrlöchern in einem unberührten Bereich erfordert eine größere Vorbereitung und ein stärkeres Verständnis für die erwarteten Unter-Tage-Formationen verglichen mit einem Bereich, wo viele Bohrlöcher erfolgreich gebohrt worden sind. Der Bohrwirkungsgrad kann deutlich verbessert werden, wenn die Bedienungsperson die Bohraktivitäten für verschiedene Arten von Formationen simulieren kann. Zusätzlich kann der Bohrwirkungsgrad weiter verstärkt werden, indem das Bohrverhalten des von der Bedienungsperson zu bohrenden spezifischen Bohrlochs simuliert wird.
Die vorliegende Erfindung spricht die vorstehend erwähnten Nachteile an und stellt ein automatisiertes Bohrsystem mit geschlossener Schleife zum Bohren von Bohrlöchern in einem Ölfeld mit erhöhten Eindringgeschwindigkeiten und mit verlängerter Lebensdauer der im Bohrloch befindlichen Bohranordnung bereit. Das System hat einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel, einer Vielzahl von Sensoren zum Liefern von Signalen bezogen auf den Bohrstrang und Formationsparameter sowie eine Bohrlochvorrichtung, die bestimmte Sensoren enthält, die Sensorsignale zur Bestimmung von Funktionsstörungen bezüglich der Bohrvorgänge verarbeitet und Informationen über Funktionsstörungen zu einer Übertage-Steuereinheit überträgt. Die Übertage-Steuereinheit zeigt die Ernsthaftigkeit solcher Funktionsstörungen an, bestimmt eine Korrekturaktion, die erforderlich ist, um solche Funktionsstörungen zu mildern, basierend auf einer programmierten Instruktion, und zeigt dann die erforderliche Korrekturaktion auf einer Anzeige zur Verwendung durch die Bedienungsperson an.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein interaktives System bereit, welches dynamische Bohrparameter für eine Vielzahl von Untertage-Formationen sowie Bohrlochbetriebszustände für eine Anzahl von unterschiedlichen Bohrstrangkombinationen und über Tage gesteuerten Parametern anzeigt. Das System ist so ausgelegt, dass eine Bedienungsperson Bohrzustände für verschiedene Formationen und Bohrausrüstungskombinationen simulieren kann. Das System zeigt die Stärke der Funktionsstörung an, wenn die Bedienungsperson die Bohrbedingungen simuliert, und zeigt eine Korrekturaktion an, die die Bedienungsperson zum Optimieren des Bohrens während einer solchen Simulation ausführen soll.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein automatisiertes Bohrsystem mit geschlossener Schleife zum Bohren von Bohrlöchern in einem Ölfeld mit erhöhten Eindringgeschwindigkeiten und mit verlängerter Lebensdauer für die Bohranordnungen im Bohrloch bereit. Eine Bohranordnung mit einem Bohrmeißel an einem Ende wird in das Bohrloch durch einen geeigneten Rohrstrang, ein Bohrrohr oder einen Wickelbohrstrang gefördert. Die Bohranordnung hat eine Vielzahl von Sensoren zum Erfassen von ausgewählten Bohrparametern und zum Erzeugen von Daten, die die Bohrparameter darstellen. Ein Rechner mit wenigstens einem Prozessor empfängt Signale, welche die Daten wiedergeben. Eine Kraftaufbringvorrichtung legt eine vorgegebene Kraft an den Bohrmeißel (Gewicht am Meißel) innerhalb eines Bereichs von Kräften an. Eine Kraftsteuerung steuert den Betrieb der Kraftaufbringvorrichtung zum Anlegen der vorgegebenen Kraft an dem Meißel. Eine über Tage befindliche Quelle an unter Druck stehendem Bohrfluid führt Bohrfluid in den Rohrstrang und somit die Bohranordnung. Eine Fluidsteuerung steuert den Betrieb der Fluidquelle zur Zuführung von Bohrfluid mit einem gewünschten vorgegebenen Druck und Durchsatz. Eine Dreheinrichtung, beispielsweise ein Schlammmotor oder ein Drehtisch, versetzt den Bohrmeißel mit einer vorgegebenen Drehzahl innerhalb eines Bereichs von Drehzahlen in Drehung. Ein dem Rechner zugeordneter Empfänger empfängt Signale, die die Daten wiedergeben, und ein dem Rechner zugeordneter Sender sendet Steuersignale, die die Kraftsteuerung, die Fluidsteuerung und die Dreheinrichtungssteuerung so steuern, dass die Kraftaufbringvorrichtung, die Quelle von unter Druck stehendem Bohrfluid und die Dreheinrichtung so betätigt werden, dass erhöhte Eindringgeschwindigkeiten und eine vergrößerte Lebensdauer der Bohranordnung erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein automatisiertes Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs in einem Ölfeld mit einem Bohrsystem, das eine Bohranordnung mit einem Bohrmeißel an ihrem einen Ende hat, mit erhöhten Bohrgeschwindigkeiten und mit verlängerter Lebensdauer der Bohranordnung bereit. Die Bohranordnung ist durch einen Rohrstrang in das Bohrloch förderbar und hat eine Vielzahl von Bohrlochsensoren zum Bestimmen von Parametern bezüglich des physikalischen Zustands der Bohranordnung. Das Verfahren weist die Schritte auf: (a) Fördern der Bohranordnung mit dem Bohrstrang in das Bohrloch zum Weiterbohren des Bohrlochs, (b) Einleiten des Bohrens des Bohrlochs mit der Bohranordnung unter Verwendung einer Vielzahl bekannter Anfangsbohrparameter, (c) Bestimmen von Parametern bezüglich des Zustands der Bohranordnung aus den Bohrlochsensoren während des Bohrens des Bohrlochs, (d) Bereitstellen eines Modells zur Verwendung durch das Bohrsystem, um einen neuen Wert für die Bohrparameter zu berechnen, der, wenn er für das weitere Bohren benutzt wird, ein Bohren des Bohrlochs mit einer gesteigerten Bohrgeschwindigkeit und mit einer erhöhten Lebensdauer der Bohranordnung ergibt, und (e) Weiterbohren des Bohrlochs unter Verwendung der neuen Werte der Bohrparameter.
Das System der vorliegenden Erfindung berechnet auch Funktionsstörungen bezogen auf die Bohranordnung und ihre entsprechende Ernsthaftigkeit bezüglich der Bohrvorgänge und überträgt Informationen über solche Funktionsstörungen und/oder ihre Ernsthaftigkeitsniveaus zu einer Übertage-Steuereinheit. Die Übertage-Steuereinheit bestimmt die relativen Korrekturaktionen, die erforderlich sind, um solche Funktionsstörungen zu mildern, basierend auf programmierten Instruktionen, und zeigt dann die Art und das Ausmaß solcher Funktionsstörungen und die Korrekturaktion auf einer Anzeige zur Verwendung für die Bedienungsperson an. Die programmierten Instruktionen enthalten Modelle, Algorithmen und Informationen von früher gebohrten Bohrlöchern, geologische Informationen über Untertage-Formationen und den Bohrloch-Bohrweg.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein interaktives System bereit, welches dynamische Bohrparameter für eine Vielzahl von Untertage-Formationen sowie Bohrlochbetriebsbedingungen für eine Anzahl von unterschiedlichen Bohrstrangkombinationen anzeigt. Das System ist so angepasst, dass es es einer Bedienungsperson ermöglicht, Bohrzustände für unterschiedliche Formationen und Bohrausrüstungskombinationen zu simulieren. Dieses System zeigt das Ausmaß der verschiedenen Funktionsstörungen an, wenn die Bedienungsperson die Bohrzustände simuliert, und zeigt eine Korrekturaktion an, die die Bedienungsperson zu unternehmen hat, um das Bohren während einer solchen Simulation zu optimieren.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein alternatives Verfahren zum Bohren von Bohrlöchern im Ölfeld bereit, das die Schritte aufweist: (a) Bestimmen von Funktionsstörungen bezüglich des Bohrens eines Bohrlochs für eine vorgegebene Art von Bohrlochsohlenanordnung, Bohrlochprofil und über Tage gesteuerten Parametern, (b) Anzeigen der Funktionsstörungen auf einer Anzeige und (c) Anzeigen der Korrekturaktionen, die zu unternehmen sind, um die Funktionsstörungen zu mildern.
Beispiele für wichtigere Merkmale der Erfindung wurden ziemlich breit zusammengefasst, um die folgende detaillierte Beschreibung leichter zu verstehen, damit die Beiträge zum Stand der Technik gewürdigt werden können. Es gibt natürlich zusätzliche Merkmale der Erfindung, die nachstehend beschrieben werden und die den Gegenstand der anliegenden Ansprüche bilden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein detailliertes Verstehen der vorliegenden Erfindung sollte Bezug auf die folgende, ins Einzelne gehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen genommen werden, in denen gleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen haben, und
1 eine schematische Darstellung eines Bohrsystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, das einen Bohrstrang mit einem Bohrmeißel, einem Schlammmotor, eine richtungsbestimmende Vorrichtung, Vorrichtungen zum Messen während des Bohrens und ein im Bohrloch befindliches Telemetriesystem aufweist,
2a und 2b einen Längsschnitt durch eine Motoranordnung mit einem Schlammmotor und einer nicht abgedichteten oder schlammgeschmierten Lageranordnung sowie die bevorzugte Art der Anordnung bestimmter Sensoren der Motoranordnung zum kontinuierlichen Messen von bestimmten Betriebsparametern der Motoranordnung nach der vorliegenden Erfindung zeigen,
2c einen Längsschnitt einer abgedichteten Lageranordnung und die bevorzugte Art der Anordnung bestimmter Sensoren daran zur Verwendung mit dem in 2a gezeigten Schlammmotor zeigt,
3 eine schematische Darstellung einer Bohranordnung zur Verwendung mit einem Übertage-Drehsystem zum Bohren von Bohrlöchern zeigt, wobei die Bohranordnung einen nicht drehenden Bund zur Bewirkung von Richtungsänderungen im Bohrloch aufweist,
4 ein Blockschaltbild zur Verarbeitung von Signalen bezogen auf bestimmte Bohrlochsensorsignale zur Verwendung in der Bohrlochsohlenanordnung zeigt, die bei dem in 1 gezeigten Bohrsystem verwendet wird,
5 ein Blockschaltbild zur Verarbeitung von Signalen bezogen auf bestimmte Bohrlochsensorsignale zur Verwendung in der Bohrlochsohlenanordnung zeigt, die in dem in 1 gezeigten Bohrsystem verwendet wird,
6 eine Funktionsblockdarstellung einer Ausführungsform eines Modells zum Bestimmen von Funktionsstörungen zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung zeigt,
7 eine Blockdarstellung einer funktionellen Beziehung verschiedener Parameter zeigt, die in dem Modell von 5 verwendet werden,
8a ein Beispiel eines Anzeigeformats für die Stärke von Funktionsstörungen bezogen auf bestimmte ausgewählte Bohrparameter und für die Anzeige bestimmter anderer Bohrparameter zur Verwendung in dem System der vorliegenden Erfindung zeigt,
8b ein weiteres Beispiel des Anzeigeformats zur Verwendung in dem System der vorliegenden Erfindung zeigt,
8c eine dreidimensionale graphische Darstellung des Gesamtverhaltens des Bohrvorgangs zeigt, das zur Optimierung von Bohrvorgängen verwendet werden kann,
8d in einer graphischen Darstellung den Effekt auf den Bohrwirkungsgrad als Funktion ausgewählter Bohrparameter zeigt, nämlich Gewicht am Meißel und Bohrmeißeldrehzahl, für einen gegebenen Satz aus Bohrstrang und Bohrlochparametern,
9 eine allgemeine Bohranordnung zur Verwendung im System der vorliegenden Erfindung zeigt, und
10 eine Funktionsblockdarstellung der Gesamtbeziehungen verschiedener Arten von Bohr-, Formations-, Bohrloch- und Bohranordnungsparametern zeigt, die bei dem Bohrsystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um automatische Bohrvorgänge mit geschlossener Schleife nach der vorliegenden Erfindung zu bewirken.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Insgesamt stellt die vorliegende Erfindung ein Bohrsystem zum Bohren von Erdölbohrlöchern oder Brunnenbohrungen unter Verwendung eines Bohrstrangs bereit, der eine Bohranordnung hat, die ins Bohrloch durch eine Verrohrung (gewöhnlich ein Bohrrohr oder ein gewickelter Rohrstrang) befördert wird. Die Bohranordnung hat eine Bohrlochsohlenanordnung (BHA) und einen Bohrmeißel. Die Bohrlochsohlenanordnung enthält Sensoren zum Bestimmen des Betriebszustands der Bohranordnung (Bohranordnungsparameter), Sensoren zum Bestimmen der Position des Bohrmeißels und der Bohrrichtung (direktionale Parameter), Sensoren zum Bestimmen des Bohrlochzustandes (Bohrlochparameter), Formationsbewertungssensoren zum Bestimmen von Eigenschaften der die Bohranordnungen umgebenden Formationen (Formationsparameter), Sensoren zum Bestimmen von Bettgrenzen und anderen geophysikalischen Parametern (geophysikalische Parameter) sowie Sensoren in dem Bohrmeißel zum Bestimmen der Leistung und des Verschleißzustands des Bohrmeißels (Bohrmeißelparameter). Das System misst auch Bohrparameter oder Betriebsparameter einschließlich Bohrfluiddurchsatz, Drehzahl des Bohrstrangs, des Schlammmotors und Bohrmeißels sowie Gewicht am Bohrmeißel oder Druckkraft auf den Bohrmeißel.
Im Bohrloch und über Tage sind ein oder mehrere Modelle gespeichert, von denen einige dynamische Modelle sind. Ein dynamisches Modell ist ein Modell, das basierend auf Informationen aktualisiert wird, die während der Bohrvorgänge erhalten und dann beim weiteren Bohren des Bohrlochs verwendet werden. Zusätzlich enthalten die Prozessoren im Bohrloch und die Übertage-Steuereinheit programmierte Instruktionen zum Behandeln verschiedener Arten von Daten und für ein Zusammenwirken mit den Modellen. Die im Bohrloch befindlichen Prozessoren und die Übertage-Steuereinheit verarbeiten Daten bezogen auf die verschiedenen Arten von oben erwähnten Parametern und verwenden die Modelle zur Bestimmung und Berechnung der Bohrparameter für ein fortgesetztes Bohren, die eine erhöhte Eindringgeschwindigkeit und eine verlängerte Lebensdauer der Bohranordnung geben. Das System kann aktiviert werden, um die Bohrloch-Navigationsvorrichtungen zur Aufrechterhaltung des Bohrens längs eines gewünschten Bohrlochwegs zu aktivieren.
Die Informationen über bestimmte ausgewählte Parameter, beispielsweise bestimmte Funktionsstörungen bezogen auf die Bohranordnung, und die laufenden Betriebsparameter werden zusammen mit den berechneten Betriebsparametern, die von dem System bestimmt werden, einem Bohringenieur vorzugsweise in Form einer Anzeige auf einem Bildschirm dargeboten. Das System kann so programmiert werden, dass es automatisch einen oder mehrere der Bohrparameter auf die gewünschten oder berechneten Parameter für fortgesetzte Abläufe einstellt. Das System kann auch so programmiert werden, dass die Bedienungsperson die automatischen Einstellungen übersteuern und die Bohrparameter von Hand innerhalb vorgegebener Grenzen für solche Parameter einstellen kann. Aus Sicherheits- und anderen Gründen ist das System vorzugsweise so programmiert, dass es optische und/oder akustische Alarme gibt und/oder den Bohrvorgang abschaltet, wenn bestimmte vorgegebene Zustände während der Bohrvorgänge vorhanden sind.
Bei einer Ausführungsform des Bohrsystems der vorliegenden Erfindung stellt eine Subanordnung nahe am Bohrmeißel (worauf hier als "dynamische Bohrlochmess"-Vorrichtung oder "DDM"-Vorrichtung Bezug genommen ist), die eine ausreichende Anzahl von Sensoren und Schaltkreise enthält, Daten bezüglich bestimmter Bohranordnungs-Funktionsstörungen während der Bohrvorgänge bereit. Das System berechnet auch die gewünschten Bohrparameter für fortgesetzte Vorgänge, die einen verbesserten Bohrwirkungsgrad in Form einer erhöhten Eindringgeschwindigkeit bei verlängerter Lebensdauer der Bohranordnung ergeben. Das System hat auch ein Simulationsprogramm, das die Auswirkung einer Abweichung eines Bohrparameters oder einer Kombination von Bohrparametern von ihren laufenden Werten auf den Bohrwirkungsgrad simuliert. Der Übertage-Rechner ist so programmiert, dass er automatisch die Wirkung der Änderung der laufenden Bohrparameter auf die Bohrvorgänge einschließlich der Eindringgeschwindigkeit sowie die Wirkung auf bestimmte Parameter, die sich auf die Bohranordnung beziehen, beispielsweise den Bohrmeißelverschleiß, simuliert. Alternativ kann die Bedienungsperson den Simulator aktivieren und die Größe der Veränderung der Bohrparameter gegenüber ihren laufenden Werten eingeben und die entsprechende Wirkung auf die Bohrvorgänge bestimmen und schließlich die Bohrparameter zur Verbesserung des Bohrwirkungsgrads einstellen. Das Simulatormodell kann auch, wie oben beschrieben, online oder off-line zur Simulierung der Wirkung der Benutzung unterschiedlicher Werte der Bohrparameter für eine gegebene Bohranordnungsausgestaltung auf das Bohren von Bohrlöchern längs Bohrwegen durch verschiedene Arten von Erdformationen verwendet werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bohrsystems 10 mit einer Bohranordnung 90, die in ein Bohrloch 26 zum Bohren des Bohrlochs hineinbefördert gezeigt ist. Das Bohrsystem 10 hat einen herkömmlichen Bohrturm 11, der auf einem Boden 12 errichtet ist, der einen Drehtisch 14 trägt, der von einem Hauptantrieb, wie einem Elektromotor (nicht gezeigt), mit einer gewünschten Drehzahl gedreht wird. Der Bohrstrang 20 hat ein Bohrrohr 22, das sich nach unten von dem Drehtisch 14 aus in das Bohrloch 26 erstreckt. Ein an dem Bohrstrangende befestigter Bohrmeißel 50 verkleinert die geologischen Formationen, wenn er für das Bohren des Bohrlochs 26 in Drehung versetzt wird. Der Bohrstrang 20 ist mit einem Hebewerk 30 über eine Mitnehmerstangenverbindung 21, einen Wirbel 28 und ein Seil 29 über eine Schei be 23 verbunden. Während des Bohrvorgangs wird das Hebewerk 30 so betätigt, dass es das Gewicht am Bohrmeißel steuert, was ein wesentlicher Parameter ist, der die Eindringgeschwindigkeit beeinflusst. Die Arbeitsweise des Hebewerks 30 ist bekannt und wird deshalb hier nicht im Einzelnen beschrieben.
Während der Bohrvorgänge wird ein geeignetes Bohrfluid 31 aus einer Schlammgrube (Quelle) 32 unter Druck durch den Bohrstrang 20 durch eine Schlammpumpe 34 umlaufen gelassen. Das Bohrfluid 31 gelangt von der Schlammpumpe 34 in den Bohrstrang 20 über einen Druckstoßunterdrücker 36, eine Fluidleitung 38 und die Mitnehmerstangenverbindung 21. Das Druckfluid 31 wird an der Bohrlochsohle 51 durch eine Öffnung in dem Bohrmeißel 50 gefördert. Das Bohrfluid 31 zirkuliert durch den Ringraum 27 zwischen dem Bohrstrang 20 und dem Bohrloch 26 nach oben und kehrt in die Schlammgrube 32 über eine Rückführleitung 35 zurück. Ein Sensor S₁, der vorzugsweise in der Leitung 38 angeordnet ist, liefert Informationen über den Fluiddurchsatz. Ein Übertage-Drehmomentsensor S₂ und ein Sensor S₃, der dem Bohrstrang 20 zugeordnet ist, liefern jeweils Informationen über das Drehmoment und die Drehzahl des Bohrstrangs. Zusätzlich wird ein der Leitung 2 zugeordneter Sensor (nicht gezeigt) dazu verwendet, die Hakenlast des Bohrstrangs 20 anzugeben.
Bei einigen Ausgestaltungen wird der Bohrmeißel 50 nur durch das Drehen des Bohrrohrs 22 in Drehung versetzt. Bei vielen anderen Anwendungen wird jedoch ein Bohrlochmotor 55 (Schlammmotor) in der Bohranordnung 90 angeordnet, um den Bohrmeißel 50 zu drehen, während das Bohrrohr 22 üblicherweise zur Ergänzung der Drehleistung, falls erforderlich, gedreht wird, und um Änderungen in der Drehrichtung zu bewirken. In jedem Fall hängt die Eindringgeschwindigkeit (ROP) des Bohrmeißels 50 in das Bohrloch 26 für eine gegebene Formation und eine gegebene Bohranordnung in großem Umfang von dem Gewicht am Bohrmeißel und der Bohrmeißeldrehzahl ab.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung von 1 ist der Schlammmotor 55 mit dem Bohrmeißel 50 über eine Antriebswelle (nicht gezeigt) gekoppelt, die in einer Lageranordnung 56 angeordnet ist. Der Schlammmotor 55 dreht den Bohrmeißel 50, wenn das Bohrfluid 31 durch den Schlammmotor 55 unter Druck hindurchgeht. Die Lageranordnung 57 nimmt die radialen und axialen Kräfte des Bohrmeißels 50, den Abwärtsdruck des Bohrmotors und die reaktive Aufwärtsbelastung von dem auf den Meißel aufgebrachten Gewicht auf. Ein mit der Lageranord nung 57 gekoppelter Stabilisator 58 wirkt als ein Zentralisator für den untersten Teil der Schlammmotoranordnung.
Eine Übertage-Steuereinheit 40 empfängt Signale von den Bohrlochsensoren und- vorrichtungen über einen Sensor 43, der in der Fluidleitung 38 angeordnet ist, und Signale von den Sensoren S₁, S₂, S₃, dem Hakenlastsensor und irgendwelchen anderen Sensoren, die in dem System verwendet werden, und verarbeitet solche Signale in Übereinstimmung mit den programmierten Instruktionen, die für die Übertage-Steuereinheit 40 bereitgestellt werden. Die Übertage-Steuereinheit 40 zeigt gewünschte Bohrparameter und andere Informationen auf einem Display/Monitor 42 an und wird von einer Bedienungsperson zum Steuern der Bohrvorgänge verwendet. Die Übertage-Steuereinheit 40 enthält einen Rechner, einen Speicher zum Speichern von Daten, eine Aufzeichnungseinrichtung zum Aufzeichnen von Daten und andere periphere Einrichtungen. Die Übertage-Steuereinheit 40 weist auch ein Simulationsmodell auf und verarbeitet Daten in Übereinstimmung mit den programmierten Instruktionen und spricht auf Nutzerbefehle an, die durch eine geeignete Einrichtung, wie eine Tastatur, eingegeben werden. Die Steuereinheit 40 ist vorzugsweise zur Aktivierung von Alarmen 44 ausgelegt, wenn bestimmte unsichere oder unerwünschte Betriebsbedingungen auftreten. Der Einsatz des Simulationsmodells wird später im Einzelnen beschrieben.
Bei einer Ausführungsform der Bohranordnung 90 enthält die BHA eine DDM-Vorrichtung 59 vorzugsweise in Form eines Moduls oder einer abnehmbaren Unteranordnung, die nahe dem Bohrmeißel 50 angeordnet ist. Die DDM-Vorrichtung 59 enthält Sensoren, Schaltungseinrichtungen und Verarbeitungs-Software sowie Algorithmen zur Bereitstellung von Informationen über gewünschte dynamische Bohrparameter bezogen auf die BHA. Zu solchen Parametern gehören vorzugsweise der Bohrmeißelaufprall, das Klemm-Rutschen der BHA, die Rückwärtsdrehung, das Drehmoment, Stöße, BHA-Wirbel, BHA-Beulen, Bohrloch- und Ringraumdruckanomalien sowie übermäßige Beschleunigung und Beanspruchung und können andere Parameter, wie BHA- und Bohrmeißel-Seitenkräfte, sowie Bohrmotor- und Bohrmeißelzustände und -wirkungsgrade aufweisen. Die DDM-Vorrichtung 59 verarbeitet die Sensorsignale zur Bestimmung des Relativwerts oder der Stärke eines jeden solchen Parameters und überträgt solche Informationen auf die Übertage-Steuereinheit 40 über ein geeignetes Telemetriesystem 72. Die Verarbeitung von Signalen und Daten, die von den Sensoren in dem Modul 59 erzeugt werden, wird nachstehend unter Bezug auf 5 beschrieben. Der Bohr meißel 50 kann Sensoren 50a zum Bestimmen des Bohrmeißelzustands und seines Verschleißes enthalten.
Gemäß 1 enthält die BHA vorzugsweise auch Sensoren und Vorrichtungen zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Sensoren. Zu solchen Vorrichtungen gehört eine Vorrichtung zum Messen des spezifischen Widerstands der Formation in der Nähe und/oder vor dem Bohrmeißel, eine Gammastrahlenvorrichtung zum Messen der Gammastrahlenstärke der Formation sowie Vorrichtungen zum Bestimmen der Neigung und des Azimuts des Bohrstrangs.
Die Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands der Vorrichtung ist vorzugsweise über der unteren Anfahr-Unteranordnung 62 angeschlossen, die Signale liefert, aus denen der spezifische Widerstand der Formation in der Nähe oder vor dem Bohrmeißel 50 bestimmt wird. Eine Vorrichtung zum Messen des spezifischen Widerstands ist in dem US-Patent 5,001,675 beschrieben, das auf die Zessionarin übertragen ist und hier als Referenz eingeschlossen ist. Dieses Patent beschreibt eine Doppelfortpflanzungs-Widerstandsvorrichtung ("DPR") mit einem oder mehreren Paaren von Sendeantennen 66a und 66b, die von einem oder mehreren Paaren von Empfangsantennen 68a und 68b beabstandet sind. Es werden magnetische Dipole verwendet, die in der Mediumsfrequenz und dem niedrigeren Hochfrequenzspektrum arbeiten. In Betrieb werden die übertragenen elektromagnetischen Wellen gestört, wenn sie sich durch die Formation fortpflanzen, die die Widerstandsvorrichtung 64 umgibt. Die Empfangsantennen 68a und 68b erfassen die gestörten Wellen. Der spezifische Widerstand der Formation wird aus der Phase und Amplitude der erfassten Signale abgeleitet. Die erfassten Signale werden durch eine im Bohrloch befindliche Schaltung verarbeitet, die vorzugsweise in einem Gehäuse 70 über dem Schlammmotor 55 angeordnet ist, und an die Übertage-Steuereinheit 40 unter Verwendung eines geeigneten Telemetriesystems 72 übertragen.
Der Neigungsmesser 74 und die Gammastrahlenvorrichtung 76 sind geeigneterweise längs der Vorrichtung 64 zum Messen des spezifischen Widerstands angeordnet, um jeweils die Neigung des Teils des Bohrstrangs nahe an dem Bohrmeißel 50 und die Gammastrahlenstärke der Formation zu bestimmen. Für die Zwecke dieser Erfindung kann jeder geeignete Neigungsmesser und jede geeignete Gammastrahlenvorrichtung verwendet werden. Zusätzlich kann eine Azimut-Vorrichtung (nicht gezeigt), wie ein Magnetometer oder eine Gyroskopvor richtung, verwendet werden, um den Azimut des Bohrstrangs zu bestimmen. Solche Vorrichtungen sind bekannt und werden deshalb hier im Einzelnen nicht beschrieben. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführung überträgt der Schlammmotor 55 Leistung auf den Bohrmeißel 50 über eine oder mehrere Hohlwellen, die durch die Vorrichtung 64 zur Messung des spezifischen Widerstands verlaufen. Die Hohlwelle ermöglicht den Durchgang von Bohrfluid vom Schlammmotor 55 zum Bohrmeißel 50. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Bohrstrangs 20 kann der Schlammmotor 55 unter der Vorrichtung 64 zur Messung des spezifischen Widerstands oder an irgendeiner anderen geeigneten Stelle angekoppelt werden.
Das auf die Zessionarin übertragene US-Patent 5,325,714, das hier als Referenz eingeschlossen ist, offenbart die Anordnung einer Widerstandsvorrichtung zwischen dem Bohrmeißel 50 und dem Schlammmotor 55. Die vorstehend beschriebene Widerstandsvorrichtung, die Gammastrahlenvorrichtung und der Neigungsmesser sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, das mit dem Motor so verbunden werden kann, wie es in dem US-Patent 5,325,714 beschrieben ist. Außerdem offenbart die US-Patentanmeldung Ser. No. 08/212,230, das auf die Zessionarin übertragen und hier als Referenz eingeschlossen ist, ein Modulsystem, bei welchem der Bohrstrang Modulanordnungen mit einer Modulsensoranordnung, einer Motoranordnung und Anlaufunteranordnungen aufweist. Die Modulsensoranordnung ist zwischen dem Bohrmeißel und dem Schlammmotor, wie vorstehend beschrieben, angeordnet. Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise das Modulsystem, wie es in der US-Anmeldung Ser. No. 08/212,230 offenbart ist.
Gemäß 1 können während des Bohrens messende Vorrichtungen, beispielsweise Vorrichtungen zum Messen der Porosität, Permeabilität und Dichte der Formation, über dem Schlammmotor 64 in dem Gehäuse 78 angeordnet werden, um Informationen bereitzustellen, die für die Bewertung und das Prüfen von Untertage-Formationen längs des Bohrlochs 26 zweckmäßig sind. Das US-Patent 5,134,285, das auf die vorliegende Zessionarin übertragen und hier als Referenz eingeschlossen ist, offenbart eine Informationsdichtevorrichtung, die eine Gammastrahlenquelle und einen Detektor verwendet. Bei der Anwendung treten die von der Quelle emittierten Gammastrahlen in die Formation ein, wo sie mit der Formation interagieren und gedämpft werden. Die Dämpfung der Gammastrahlen wird durch einen geeigneten Detektor gemessen, von dem die Formationsdichte bestimmt wird.
Das vorliegende System verwendet vorzugsweise eine Messvorrichtung für die Formationsporosität, wie sie in dem US-Patent 5,144,126 offenbart ist, das auf die vorliegende Zessionarin übertragen und hier als Referenz eingeschlossen ist, wobei eine Neutronenemissionsquelle und ein Detektor zum Messen der sich ergebenden Gammastrahlen zum Einsatz kommen. Dabei werden Hochenergie-Neutronen in die umgebende Formation emittiert. Ein geeigneter Detektor misst die Neutronenenergieverzögerung aufgrund der Interaktion mit in der Formation vorhandenen Wasserstoffatomen. Andere Beispiele für nukleare Messvorrichtungen sind in den US-Patenten 5,126,564 und 5,083,124 offenbart.
Die oben erwähnten Vorrichtungen übertragen Daten auf das Bohrloch-Telemetriesystem 72, das seinerseits die erhaltenen Daten nach oben zur Übertage-Steuereinheit 40 überträgt. Das Bohrloch-Telemetriesystem 72 empfängt auch Signale und Daten von der Übertage-Steuereinheit 40 und überträgt solche empfangenen Signale und Daten auf die geeigneten Bohrlochvorrichtungen. Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise eine Schlammimpuls-Telemetrietechnik zur Vermittlung von Daten von im Bohrloch befindlichen Sensoren und Vorrichtungen während der Bohrvorgänge. Ein in der Schlammzuführleitung 38 angeordneter Wandler 43 erfasst die Schlammimpulse ansprechend auf die Daten, die von der Bohrloch-Telemetrie 72 übertragen werden. Der Wandler 43 erzeugt elektrische Signale ansprechend auf die Bohrlochdruckänderungen und überträgt jedes Signal über einen Leiter 45 an die Übertage-Steuereinheit 40. Für die Zwecke dieser Erfindung können auch andere Telemetrietechniken, wie elektromagnetische und akustische Techniken oder andere geeignete Techniken, Verwendung finden.
Das insoweit beschriebene Bohrsystem bezieht sich auf solche Bohrsysteme, die ein Bohrrohr als Einrichtung zum Fördern der Bohranordnung 90 in das Bohrloch 26 verwenden, wobei das Gewicht am Meißel, einer der wesentlichen Bohrparameter, von über Tage gesteuert wird, gewöhnlich durch Steuern des Betriebs der Hebewerke. Jedoch verwendet eine große Anzahl der gegenwärtigen Bohrsysteme, insbesondere zum Bohren von Bohrlöchern mit hoher Abweichung oder von horizontalen Bohrlöchern, einen Wickelrohrstrang zum Befördern der Bohranordnung ins Bohrloch. Bei einer solchen Anordnung wird manchmal eine Schubeinrichtung für den Bohrstrang verwendet, um die erforderliche Kraft auf den Bohrmeißel auszuüben. Für die Zwecke dieser Erfindung wird der Ausdruck "Gewicht am Bohrmeißel" so verwendet, dass er die Kraft am Meißel bezeichnet, die auf den Bohrmeißel während des Bohrvorgangs ausgeübt wird, wobei sie entweder durch das Einstellen des Gewichts des Bohr strangs oder durch Schubeinrichtungen oder durch andere Einrichtungen aufgebracht wird. Bei Verwendung eines Wickelrohrstrangs wird der Rohrstrang nicht durch einen Drehtisch gedreht, sondern stattdessen in das Bohrloch durch eine geeignete Einführeinrichtung eingeführt, während der Bohrlochmotor, wie der Schlammmotor 55, den Bohrmeißel 50 dreht.
In den verschiedenen individuellen Vorrichtungen der Bohranordnung wird auch eine Anzahl von Sensoren angeordnet. Beispielsweise wird eine Vielzahl von Sensoren in dem Schlammmotor, der Lageranordnung, der Bohrwelle, dem Rohrstrang und dem Bohrmeißel angeordnet, um den Zustand solcher Elemente während des Bohrens und die Bohrlochparameter zu bestimmen. Es wird nun die bevorzugte Einsatzart bestimmter Sensoren in verschiedenen Bohrstrangelementen beschrieben.
Das bevorzugte Verfahren der Anbringung verschiedener Sensoren zur Bestimmung der Motoranordnungsparameter und das Verfahren zur Steuerung der Bohrvorgänge ansprechend auf solche Parameter werden im Einzelnen unter Bezug auf 2a bis 4 beschrieben. 2a und 2b zeigen eine Schnittansicht eines Schlammmotor-Leistungsabschnitts 100 mit zwangsweiser Verdrängung, der mit einer schlammgeschmierten Lageranordnung 140 zur Verwendung in dem Bohrsystem 10 gekoppelt ist. Der Leistungsabschnitt 100 enthält ein langgestrecktes Gehäuse 110 mit einem hohlen elastomeren Stator 112 in ihm, der eine Innenfläche 114 mit einer Wendelerhebung aufweist. In dem Stator 112 ist drehbar ein Metallrotor 116 angeordnet, der vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist und eine Außenfläche 118 mit einer Wendelerhebung aufweist. Der Rotor 116 hat vorzugsweise eine nicht durchgehende Bohrung 115, die an einer Stelle 122a unter dem oberen Ende des Rotors endet, wie es in 2a gezeigt ist. Die Bohrung 115 bleibt in Fluidverbindung mit dem Fluid unter dem Rotor über einen Kanal 122b. Die Erhebungsprofile sowohl des Rotors als auch des Stators sind ähnlich, wobei der Rotor eine Erhebung weniger als der Stator hat. Die Rotor- und Statorerhebungen und ihre Wendelwinkel sind so beschaffen, dass Rotor und Stator an diskreten Intervallen abdichten, was zur Erzeugung von axialen Fluidkammern oder Hohlräumen führt, die mit dem unter Druck stehenden Bohrfluid gefüllt werden.
Die Wirkung des unter Druck stehenden, zirkulierenden Fluids, das von der Oberseite des Motors zu seiner Unterseite strömt, wie es durch Pfeile 124 gezeigt ist, versetzt den Rotor 116 innerhalb des Stators 112 in Drehung. Modifizierungen der Erhebungsanzahlen und der Geo metrie ergeben eine Änderung der Motoreingangs- und -ausgangscharakteristika zur Anpassung an unterschiedliche Bohrvorgangsanforderungen.
Gemäß 2a und 2b erfasst ein Differenzdrucksensor 150, der vorzugsweise in der Leitung 115 angeordnet ist, an seinem einen Ende den Druck des Fluids 124, bevor es durch den Schlammmotor über eine Fluidleitung 150a hindurchgeht, und an ihrem anderen Ende den Druck in der Leitung 115, der der gleiche ist wie der Druck des Bohrfluids, nachdem es um den Rotor 116 herumgegangen ist. Der Differenzdrucksensor liefert so Signale, die die Druckdifferenz über den Rotor 116 darstellen. Alternativ kann ein Paar von Drucksensoren P₁ und P₂ in einem festgelegten Abstand voneinander, einer in der Nähe des Bodens des Rotors an einer geeigneten Stelle 120a und der andere in der Nähe der Oberseite des Rotors an einer geeigneten Stelle 120b, vorgesehen werden. Ein weiterer Differenzdrucksensor 122 (oder ein Paar von Drucksensoren) kann an einer Öffnung 123 in dem Gehäuse 110 angeordnet werden, um die Druckdifferenz zwischen dem Fluid 124, das durch den Motor 110 strömt, und dem Fluid zu bestimmen, das durch den Ringraum 27 (siehe 1) zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch strömt.
Zum Messen der Drehzahl des Rotors im Bohrloch und somit des Bohrmeißels 50 ist ein geeigneter Sensor 126a mit dem Leistungsabschnitt 100 verbunden. Zur Bestimmung der Motordrehzahl kann ein Vibrationssensor, ein magnetischer Sensor, ein Hall-Effekt-Sensor oder irgendein anderer geeigneter Sensor verwendet werden. Alternativ kann ein Sensor 126b in der Lageranordnung 140 zum Überwachen der Drehzahl des Motors (siehe 2b) angeordnet werden. Ein Sensor 128 zum Messen des Rotordrehmoments wird vorzugsweise an der Unterseite des Rotors angeordnet. Zusätzlich können ein oder mehrere Temperatursensoren in geeigneter Weise in dem Leistungsabschnitt 100 angeordnet werden, um die Temperatur des Stators 112 laufend zu überwachen. Hohe Temperaturen können sich aufgrund des Vorhandenseins einer hohen Reibung der sich bewegenden Teile ergeben. Eine hohe Statortemperatur kann den elastomeren Stator unbrauchbar werden lassen und verringert somit die Betriebslebensdauer des Schlammmotors. In 2a sind drei beabstandete Temperatursensoren 134a bis 134c gezeigt, die in dem Stator 112 zum Überwachen der Statortemperatur angeordnet sind.
Jeder der vorstehend beschriebenen Sensoren erzeugt Signale für einen entsprechenden Schlammmotorparameter, die zu der stromab befindlichen Steuerschaltung, die in dem Ab schnitt 70 des Bohrstrangs 20 angeordnet ist, über massive Drähte, die zwischen den Sensoren und der Steuerschaltung angeschlossen sind, oder durch bekannte magnetische oder akustische Koppelungseinrichtungen oder durch andere gewünschte Einrichtungen für die weitere Verarbeitung solcher Signale und die Übertragung der verarbeiteten Signale und Daten nach über Tage über die Bohrloch-Telemetrie übertragen werden. Das US-Patent 5,160,925, das auf die vorliegende Zessionarin übertragen und hier als Referenz eingeschlossen ist, offenbart eine modulares Verbindungsglied, das in dem Bohrstrang angeordnet ist, zum Empfang von Daten aus den verschiedenen Sensoren und Vorrichtungen und zum Übertragen solcher Daten stromauf. Das System der vorliegenden Erfindung kann auch eine solche Kommunikationsverbindung zum Übertragen von Sensordaten der Steuerschaltung oder dem Übertage-Steuersystem verwenden.
Die Drehkraft des Schlammmotors wird von der Lageranordnung 140 über eine mit dem Rotor 116 gekoppelte Welle 132 übertragen. Die in einem Gehäuse 130 angeordnete Welle 132 beseitigt alle exzentrischen Bewegungen des Rotors und die Wirkungen von stationären oder gebogenen einstellbaren Gehäusen, während auf die Antriebsunteranordnung 142 der Lageranordnung 140 Drehmoment und Abwärtsdruck übertragen werden. Die Art der verwendeten Lageranordnung hängt von der speziellen Verwendung ab. Besonders häufig werden in der Industrie jedoch zwei Arten von Lageranordnungen verwendet, nämlich eine schlammgeschmierte Lageranordnung, wie die in 2a gezeigte Lageranordnung 140, und eine abgedichtete Lageranordnung, beispielsweise die in 2c gezeigte Lageranordnung 170.
Gemäß 2b enthält eine schlammgeschmierte Lageranordnung gewöhnlich eine Antriebswelle 142, die in einem äußeren Gehäuse 145 angeordnet ist. Die Antriebswelle 142 endet mit einer Meißelmuffe 143 am unteren Ende, die den Bohrmeißel 50 (siehe 1) aufnimmt, und ist mit der Welle 132 am oberen Ende 144 durch einen geeigneten Anschluss 144' verbunden. Das Bohrfluid strömt aus dem Leistungsabschnitt 100 zu der Meißelmuffe 143 über ein Loch 142' in der Antriebswelle 142. Die Radialbewegung der Antriebswelle 142 wird durch ein geeignetes unteres Radiallager 142a, das im Inneren des Gehäuses 142 nahe an seinem unteren Ende angeordnet ist, und durch ein oberes Radiallager 142b beschränkt, das im Inneren des Gehäuses nahe an seinem oberen Ende angeordnet ist. Zwischen dem Gehäuse 145 und der unmittelbaren Umgebung des unteren Radiallagers 142a sowie zwischen dem oberen Radiallager 142b und dem Inneren des Gehäuses 145 sind jeweils schmale Spalte oder Spielräume 146a bzw. 146b vorgesehen. Der radiale Spielraum zwischen der Antriebswelle und dem Gehäuseinneren ändert sich etwa zwischen 0,15 mm bis 0,30 mm, was von der gewählten Konstruktion abhängt.
Während der Bohrvorgänge beginnen die Radiallager, wie sie beispielsweise in 2b gezeigt sind, zu verschleißen, wodurch sich der Spielraum ändert. Abhängig von der Anforderung an die Konstruktion kann das Radiallager die Antriebswelle zum Wackeln bringen, wodurch es schwierig ist, den Bohrstrang auf dem gewünschten Kurs zu halten, wobei es in einigen Fällen dazu kommen kann, dass verschiedene Teile der Lageranordnung aus ihrer Position verlagert werden. Da das untere Radiallager 142a sich nahe an dem Bohrmeißel befindet, kann auch eine relativ kleine Zunahme des Spielraums am unteren Ende den Bohrwirkungsgrad verringern. Zum kontinuierlichen Messen des Spielraums zwischen der Antriebswelle 142 und dem Gehäuseinnenraum sind jeweils Verschiebungssensoren 148a und 148b an geeigneten Stellen im Gehäuseinneren angeordnet. Die Sensoren sind so positioniert, dass sie die Bewegung der Antriebswelle 142 bezüglich der Innenseite des Gehäuses 145 messen. Signale von den Verschiebungssensoren 148a und 148b können zu der Bohrlochsteuerschaltung durch Leiter, die längs des Gehäuseinnenraums angeordnet sind (nicht gezeigt), oder durch irgendwelche andere Einrichtungen übertragen werden, wie sie vorstehend unter Bezug auf 2a beschrieben wurden.
Gemäß 2b ist zwischen dem oberen und unteren Radiallager zur Steuerung der Axialbewegung der Antriebswelle 142 ein Drucklagerabschnitt 160 vorgesehen. Die Drucklager 160 nehmen den Abwärtsdruck des Rotors 116, den Abwärtsdruck aufgrund des Fluiddruckabfalls über der Lageranordnung 140 und die reaktive Aufwärtsbelastung von dem auf den Meißel aufgebrachten Gewicht auf. Die Antriebswelle 142 überträgt sowohl die Axial- als auch die Torsionsbelastung auf den Bohrmeißel, der mit der Meißelmuffe 143 verbunden ist. Wenn der Spielraum zwischen dem Gehäuse und der Antriebswelle einen sich neigenden Spalt aufweist, wie es beispielsweise durch das Bezugszeichen 149 gezeigt ist, kann der gleiche Verschiebungssensor 149a verwendet werden, um sowohl die Radial- als auch die Axialbewegung der Antriebswelle 142 zu bestimmen. Alternativ kann ein Verschiebungssensor an irgendeiner anderen geeigneten Stelle zum Messen der Axialbewegung der Antriebswelle 142 angeordnet werden. Hochpräzise Verschiebungssensoren, die für den Einsatz beim Bohrlochbohren geeignet sind, sind im Handel erhältlich, so dass ihre Arbeitsweise nicht im Einzelnen beschrieben wird. Aus der bisherigen Erörterung wird klar, dass das Gewicht auf den Meißel ein wesentlicher Steuerparameter für das Bohren von Bohrlöchern ist. An einer geeigneten Stelle in der Lageranordnung 142 (stromab von den Drucklagern 160) ist ein Belastungssensor 152, beispielsweise ein Dehnungsmesser, angeordnet, um das Gewicht am Meißel fortlaufend zu messen. Alternativ kann ein Sensor 152' in dem Lageranordnungsgehäuse 145 (stromauf von den Drucklagern 160) oder in dem Statorgehäuse 110 (siehe 2a) angeordnet werden, um das Gewicht am Meißel zu überwachen.
Abgedichtete Lageranordnungen werden gewöhnlich für ein Präzisionsbohren verwendet und haben verglichen mit den schlammgeschmierten Lageranordnungen viel engere Toleranzen. 2c zeigt eine abgedichtete Lageranordnung 170, die eine Antriebswelle 172 enthält, die in einem Gehäuse 173 angeordnet ist. Die Antriebswelle ist mit der Motorwelle über ein geeignetes Universalgelenk 175 am oberen Ende verbunden und hat am unteren Ende eine Meißelmuffe 168 für die Aufnahme eines Bohrmeißels. Ein unteres und ein oberes Radiallager 176a bzw. 176b sorgen für eine radiale Abstützung an der Antriebswelle 172, während ein Drucklager 177 für eine axiale Abstützung sorgt. Es können ein oder mehrere geeignet angeordnete Verschiebungssensoren verwendet werden, um die radiale und axiale Verschiebung der Antriebswelle 172 zu messen. Zur Vereinfachung, jedoch nicht als Beschränkung, ist in 2c nur ein Verschiebungssensor 178 zum Messen der Radialverschiebung der Antriebswelle gezeigt, wobei die Größe des Spielraums 178a gemessen wird.
Wie vorstehend erwähnt, haben Antriebsunteranordnungen in der Bauweise mit abgedichtetem Lager viel engere Toleranzen (so niedrig wie ein Radialspiel von 0,001 Zoll zwischen der Antriebswelle und dem äußeren Gehäuse), wobei die Radial- und Drucklager fortlaufend durch ein geeignetes Betriebsöl 179 geschmiert werden, das in einem Zylinder 180 angeordnet ist. Zur Unterbindung eines Leckstroms von Öl während der Bohrvorgänge sind untere und obere Dichtungen 164a und 164b vorgesehen. Aufgrund der feindlichen Bedingungen im Bohrloch und des Verschleißes der verschiedenen Bauelemente leckt jedoch das Öl häufig, so das sich der Speicherbehälter 180 leert und dadurch Lagerstörungen verursacht. Zur Überwachung des Ölpegels ist ein Differenzdrucksensor 186 in einer Leitung 187 angeordnet, die zwischen eine Ölleitung 188 und das Bohrfluid 189 geschaltet ist, um die Differenz im Druck zwischen dem Öldruck und dem Bohrfluiddruck bereitzustellen. Da der Differenzdruck für eine neue Lageranordnung bekannt ist, kann eine Verringerung im Differenzdruck während des Bohrbetriebs dazu benutzt werden, die Menge des Öls zu bestimmen, die in dem Speicherbehälter 180 verblieben ist. Zusätzlich können in der Lageranordnung 170 Temperaturensensoren 190a bis 190c angeordnet werden, um jeweils die Temperatur des unteren und obe ren Radiallagers 176a, 176b und der Drucklager 177 zu bestimmen. Vorzugsweise wird auch ein Drucksensor 192 in der Fluidleitung in der Antriebswelle 172 angeordnet, um das Gewicht am Meißel zu bestimmen. Signale von dem Differenzdrucksensor 186, den Temperatursensoren 190a bis 190c, dem Drucksensor 192 und dem Verschiebungssensor 178 werden auf die Bohrlochsteuerschaltung in der vorher unter Bezug auf 2a beschriebenen Weise übertragen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Drehbohranordnung 255, die in das Bohrloch durch ein Bohrrohr (nicht gezeigt) beförderbar ist, das eine Vorrichtung zur Änderung der Bohrrichtung ohne Anhalten der Bohrvorgänge zur Verwendung in dem in 1 gezeigten Bohrsystem 10 aufweist. Die Bohranordnung 255 hat ein äußeres Gehäuse 256 mit einem oberen Anschluss 157a zur Verbindung mit dem Bohrrohr (nicht gezeigt) und einem unteren Anschluss 157b zur Aufnahme eines Bohrmeißels 55. Während der Bohrvorgänge drehen sich das Gehäuse und somit der Bohrmeißel 55, wenn das Bohrrohr durch den Bohrtisch über Tage gedreht wird. Das untere Ende 158 des Gehäuses 256 hat reduzierte Außenabmessungen 258 und eine durchgehende Bohrung 259. Das Ende 258 mit reduzierter Abmessung hat eine Welle 260, die mit dem unteren Ende 257b verbunden ist, sowie einen Durchgang 261, der Bohrfluid zum Bohrmeißel 55 hindurchströmen lässt. An der Außenseite des Endes 258 mit reduzierter Abmessung ist eine nicht drehende Hülse 262 angeordnet, so dass, wenn das Gehäuse 256 zum Drehen des Bohrmeißels 55 gedreht wird, die nicht drehende Hülse 262 in ihrer Position verbleibt. An der Außenseite der nicht drehenden Hülse 262 ist eine Vielzahl von unabhängig einstellbaren oder ausfahrbaren Stabilisatoren 264 angeordnet. Jeder Stabilisator 264 wird vorzugsweise hydraulisch durch eine Steuereinheit in der Bohranordnung 255 betätigt. Durch selektives Ausfahren oder Einziehen der einzelnen Stabilisatoren 264 während der Bohrvorgänge kann die Bohrvorrichtung im Wesentlichen kontinuierlich und relativ genau gesteuert werden. An der nicht drehenden Hülse 262 ist vorzugsweise eine Neigungsvorrichtung 266, beispielsweise ein oder mehrere Magnetometer oder Gyroskope, zum Bestimmen der Neigung der Hülse 262 angeordnet. Zum Bestimmen der Bohrmeißelposition während des Bohrens, vorzugsweise der x-, y- und z-Achse des Bohrmeißels 55, kann eine Gammastrahlvorrichtung 270 oder irgendeine andere Vorrichtung verwendet werden. Oberhalb der Hülse 262 sind im Bohrloch vorzugsweise ein Wechselstromgenerator und eine Ölpumpe 272 angeordnet, um den verschiedenen im Bohrloch befindlichen Komponenten, einschließlich der Stabilisatoren 264, eine hydraulische und elektrische Leistung bereitzustellen. An einem oder mehreren geeigneten Plätzen sind in der Bohranordnung 255 Batterien 274 zum Speichern und Bereitstellen elektrischer Leistung im Bohrloch angeordnet.
Die Bohranordnung 255, wie die in 1 gezeigte Bohranordnung 90, kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen und Sensoren zur Ausführung anderer Funktionen aufweisen und die gewünschten Daten über die verschiedenen Arten von Parametern bezogen auf das hier beschriebene Bohrsystem bereitstellen. Die Bohranordnung 255 hat vorzugsweise eine Widerstandsvorrichtung zum Bestimmen des spezifischen Widerstands der die Bohranordnung umgebenden Formationen, weitere Formationsbewertungsvorrichtungen, wie Porositäts- und Dichtevorrichtungen (nicht gezeigt), einen Richtungssensor 271 nahe am oberen Ende 257a sowie Sensoren zum Bestimmen der Temperatur, des Drucks, des Fluiddurchsatzes, des Gewichts am Meißel, der Drehzahl des Bohrmeißels, radialer und axialer Schwingungen, Stöße und Wirbel. Die Bohranordnung kann auch positionsempfindliche Sensoren zum Bestimmen der Bohrstrangposition bezüglich der Bohrlochwände aufweisen. Solche Sensoren können aus einer Gruppe ausgewählt werden, die akustische Abstandssensoren, Kaliber-, elektromagnetische und Nuklearsensoren aufweist.
Die Bohranordnung 255 hat vorzugsweise eine Anzahl von nichtmagnetischen Stabilisatoren 276 in der Nähe des oberen Endes 257a, um dem Bohrstrang während der Bohrvorgänge eine seitliche oder radiale Stabilität zu geben. Zwischen einem Abschnitt 280, der die verschiedenen, oben erwähnten Formationsbewertungsvorrichtungen enthält, und der nicht-drehenden Hülse 262 ist eine flexible Verbindung 278 angeordnet. Die Bohranordnung 256, die eine Steuereinheit oder Steuerschaltungen mit einem oder mehreren Prozessoren aufweist, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 284 bezeichnet sind, verarbeitet die Signale und Daten von den verschiedenen Bohrlochsensoren. Gewöhnlich weisen die Formationsbewertungsvorrichtungen zweckbestimmte Elektroniken und Prozessoren auf, da das Datenverarbeitungsbedürfnis während des Bohrens für eine jede solche Vorrichtung relativ ausgedehnt sein kann. In dem Abschnitt 280 sind auch andere gewünschte elektronische Schaltungen eingeschlossen. Die Verarbeitung von Signalen wird insgesamt in der nachstehend anhand von 4 beschriebenen Weise ausgeführt. An einer geeigneten Stelle in der Bohranordnung 255 ist eine Telemetrievorrichtung in Form einer elektromagnetischen Vorrichtung, einer akustischen Vorrichtung, einer Schlammimpulsvorrichtung oder in Form irgendeiner anderen geeigneten Vorrichtung angeordnet, die hier insgesamt mit dem Bezugszeichen 286 bezeichnet ist
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Teils einer beispielsweisen Schaltung, die zur Ausführung der Signalverarbeitung, der Datenanalyse und von Verbindungsoperationen bezüglich des Motorsensors und anderer Bohrstrangsensorsignale verwendet werden kann. Die Differenzdrucksensoren 125 und 150, das Sensorpaar P1 und P2, der RPM-Sensor 126b, der Drehmomentsensor 128, die Temperatursensoren 138a bis 138c und 154a bis 154c, die Bohrmeißelsensoren 50a, der WOB-Sensor 152 oder 152' und andere in dem Bohrstrang 20 eingesetzte Sensoren stellen Analogsignale bereit, die für die von derartigen Sensoren gemessenen Parameter repräsentativ sind. Die Analogsignale von jedem solchen Sensor werden verstärkt und einem Analog-Digital-(A/D-)Wandler zugeführt, der entsprechend seinem jeweiligen Eingangssignal ein digitales Ausgangssignal bildet. Die digitalisierten Sensordaten werden einem Datenbus 210 zugeführt. Eine mit dem Datenbus 210 gekoppelte Mikrosteuerung 220 verarbeitet die Sensordaten im Bohrloch entsprechend einer programmierten Instruktion, die in einem Nur-Lese-Speicher (ROM) 224 gespeichert ist, der mit dem Datenbus 210 gekoppelt ist. Ein mit dem Datenbus 210 verbundener Schreib-Lese-Speicher (RAM) 222 wird von der Mikrosteuerung 220 zur Bohrlochspeicherung der verarbeiteten Daten benutzt. Der Mikrospeicher 220 steht mit anderen Bohrlochschaltungen über eine Eingabe/Ausgabe-(I/O-)Schaltung 226 (Telemetrie) in Verbindung. Die verarbeiteten Daten werden der Übertage-Steuereinheit 40 (siehe 1) über die Bohrloch-Telemetrie 72 übermittelt. Beispielsweise kann die Mikrosteuerung den Motorbetrieb im Bohrloch, einschließlich Blockieren, und Zustände mit zu niedriger und zu hoher Drehzahl, wie sie im Zweiphasen-Bohren mit Untergleichgewicht auftreten kann, analysieren und solche Zustände der Übertage-Einheit über das Telemetriesystem übermitteln. Die Mikrosteuerung 220 kann so programmiert werden, dass sie (a) die Sensordaten in dem Speicher 222 speichert und die Übermittlung der Daten im Bohrloch nach oben erleichtert, (b) Analysen der Sensordaten ausführt, um Antworten zu errechnen und um niedrige Bedingungen zu erfassen, (c) im Bohrloch befindliche Vorrichtungen aktiviert, um Korrekturhandlungen vorzunehmen, (d) Informationen nach über Tage liefert, (f) Befehls- und Alarmsignale im Bohrloch nach oben übermittelt, um die Übertage-Steuereinheit 40 zu veranlassen, bestimmte Aktionen vorzunehmen, und (g) die Bohringenieur-Informationen zur Ausführung geeigneter Aktionen zur Steuerung der Bohrvorgänge liefert.
5 zeigt ein bevorzugtes Blockschaltbild für die Verarbeitung von Signalen aus den verschiedenen Sensoren aus der DDM-Vorrichtung 59 (1) und für die Messwertübermittlung der Ernsthaftigkeit oder des relativen Pegels der zugeordneten Bohrparameter, die entspre chend den im Bohrloch gespeicherten programmierten Instruktionen berechnet wurden. Wie in 2 gezeigt ist, werden die Analogsignale bezüglich des WOB aus dem WOB-Sensor 402 (beispielsweise einem Dehnungsmesser) und bezüglich des Sensors 404 für das Drehmoment am Meißel (beispielsweise ein Dehnungsmesser) durch ihre zugehörigen Dehnungsmessverstärker 402 und 404a verstärkt und einem digital gesteuerten Verstärker 405 zugeführt, der die verstärkten Analogsignale digitalisiert und die digitalisierten Signale einem Multiplexer 430 einer CPU-Schaltung 450 zuführt. In gleicher Weise werden Signale von den Dehnungsmessern 406 und 408, die sich jeweils auf die orthogonalen Biegemomentkomponenten BMy und BMx beziehen, von ihren zugehörigen Signalkonditionierern 4ß6a und 408a verarbeitet, von dem digital gesteuerten Verstärker 405 digitalisiert und dann dem Multiplexer 430 zugeführt. Außerdem werden Signale von dem Sensor 410 für den Bohrloch-Ringraumdruck und von dem Sensor 412 für den Bohrstrangbohrdruck durch einen zugeordneten Signalkonditionierer 410a verarbeitet und dann dem Multiplexer 430 zugeführt. Sensoren 414, 416 und 418 für radiale und axiale Beschleunigung erzeugen Signale bezüglich der BHA-Vibrationen, die von dem Signalkonditionierer 414a verarbeitet und dem Multiplexer 430 zugeführt werden. Zusätzlich werden Signale von dem Magnetometer 420, von dem Temperatursensor 422 und anderen gewünschten Sensoren 424, beispielsweise einem Sensor zum Messen des Differenzdrucks über dem Schlammmotor, durch ihre jeweiligen Signalkonditionierschaltungen 420a bis 420c verarbeitet und dem Multiplexer 430 zugeführt.
Der Multiplexer 430 führt die verschiedenen empfangenen Signale in einer vorgegebenen Reihenfolge einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 432 zu, der die empfangenen analogen Signale in digitale Signale umwandelt und die digitalisierten Signale einem gemeinsamen Datenbus 434 zuführt. Die digitalisierten Sensorsignale werden vorübergehend in einem geeigneten Speicher 436 gespeichert. Ein zweiter Speicher 438, vorzugsweise ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), speichert Algorithmen und ausführbare Instruktionen zur Verwendung durch eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 440. Die Mehrheit der mathematischen Berechnungen, die mit der Verarbeitung der Daten verbunden sind, die den unter Bezug auf 2 beschriebenen Sensoren zugeordnet sind, führt eine digitale Signalverarbeitungsschaltung 460 (DSP-Schaltung) aus, die mit dem gemeinsamen Datenbus 434 verbunden ist. Die DSP-Schaltung hat einen Mikroprozessor zur Verarbeitung von Daten, einen Speicher 464, vorzugsweise in Form eines EPROM, zum Speichern von Instruktionen (Programm) zur Verwendung durch den Mikroprozessor 462 und einen Speicher 466 zum Speichern von Daten zur Verwendung durch den Mikroprozessor 462. Die CPU 440 arbeitet mit der DSP-Schaltung über den gemeinsamen Bus 434 zusammen, gewinnt die gespeicherten Daten aus dem Speicher 436 zurück, verarbeitet sie entsprechend den programmierten Instruktionen in dem Speicher 438 und übermittelt die verarbeiteten Signale der Übertage-Steuereinheit 40 über ein Kommunikationssteuerprogramm 442 und die Bohrloch-Telemetrie 72 (1).
Die CPU 440 ist vorzugsweise so programmiert, dass sie die Werte der berechneten Parameter oder Antworten übermittelt. Der Wert eines Parameters bildet den jeweiligen Pegel oder die Stärke eines solchen Parameters. Der Wert eines jeden Parameters wird vorzugsweise in eine Vielzahl von Pegeln (beispielsweise 1 bis 8) aufgeteilt, und die relativen Pegel bilden die Stärke des Bohrzustands, der einem solchen Parameter zugeordnet ist. Beispielsweise können die Pegel 1 bis 3 für das Meißeldrehmoment am Meißel als akzeptabel oder Nicht-Funktionsstörung definiert werden, während die Pegel 4 bis 6 eine Anzeige für eine bestimmte Funktionsstörung und die Pegel 7 bis 8 eine Anzeige für eine ernsthafte Funktionsstörung sind. Die Stärke der anderen Bohrparameter ist ähnlich definiert. Aufgrund der strengen Beschränkungen der Datenübertragungsrate ist die CPU 440 vorzugsweise so programmiert, dass sie nur den Stärkepegel eines jeden Parameter im Bohrloch nach oben übermittelt. Die CPU 440 kann auch so programmiert sein, dass sie die Funktionsstörungen in der Reihenfolge ihres relativen negativen Effekts auf die Bohrleistung oder nach irgendeinem anderen gewünschten Kriterium rangmäßig einteilt und dann eine solche Funktionsstörungsinformation in dieser Reihenfolge überträgt. Dies ermöglicht es der Bedienungsperson oder dem System, die stärkste Funktionsstörung zuerst zu korrigieren. Alternativ kann die CPU 440 so programmiert werden, dass sie Signale, die sich nur auf die Funktionsstörungen beziehen, zusammen mit den Mittelwerten der ausgewählten Bohrlochparameter überträgt, beispielsweise WOB im Bohrloch, des Bohrlochdrehmoments am Meißel, des Differenzdrucks zwischen dem Ringraum und dem Bohrstrang. Kein Signal kann keine Funktionsstörung bedeuten.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Modell oder Programm, das mit dem Rechner der Übertage-Steuereinheit 40 dazu verwendet werden kann, die Ernsthaftigkeit der Bohrlochfunktionsstörungen anzuzeigen, zu bestimmen, welche über Tage gesteuerte Parameter geändert werden sollen, um solche Funktionsstörungen zu mindern, und es der Bedienungsperson zu ermöglichen, die Wirkung von Änderungen in einem beschleunigten Modus vor dem Ändern der über Tage gesteuerten Parameter zu simulieren. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Modell zur Verwendung bei einem Rechner bereit, das es der Bedienungsperson ermöglicht, die Bohrzustände für eine gegebene BHA-Vorrichtung, ein gegebenes Bohrlochprofil (Formationstyp und Neigung) und den Satz von ausgewählten Übertage-Betriebsparametern zu simulieren. Das bevorzugte Modell zur Verwendung in dem Simulator wird zuerst beschrieben und anschließend die Online-Anwendung bestimmter Aspekte eines solchen Modells bei dem in 1 gezeigten Bohrsystem.
6 zeigt ein Funktionsblockschaltbild des bevorzugten Modells 500 zur Verwendung für die Simulation von Bohrbedingungen im Bohrloch und zum Anzeigen der Stärke der Bohrfunktionsstörungen für die Bestimmung, welche über Tage gesteuerten Parameter geändert werden sollten, um die Funktionsstörungen zu mildern. Der Block 510 enthält vorgegebene Funktionsbeziehungen für verschiedene Parameter, die von dem Modell zur Simulierung der Bohrbedingungen im Bohrloch verwendet werden. Solche Beziehungen werden nachstehend näher unter Bezug auf 7 erläutert. In 6 sind Bohrprofilparameter 512, die die Bohrbarkeitsfaktoren durch verschiedene Formationen definieren, vorgegeben und in dem Modell gespeichert. Zu den Bohrprofilparametern 512 gehört ein Bohrbarkeitsfaktor oder ein Relativgewicht für jede Formationsart. Jeder Formationsart wird eine Identifizierungsnummer und ein entsprechender Bohrbarkeitsfaktor gegeben. Der Bohrbarkeitsfaktor wird weiter als Funktion der Bohrlochtiefe definiert. Zu den Bohrprofilparametern 512 gehört auch ein Reibungsfaktor als Funktion der Bohrlochtiefe, die weiterhin durch die Bohrlochneigung und die BHA-Geometrie beeinflusst wird. Dadurch berücksichtigt das Modell, wenn die Bohrung durch die Formation fortschreitet, kontinuierlich alle Änderungen aufgrund der Änderung in der Formation und der Änderung in der Bohrlochneigung. Da der Bohrvorgang durch die BHA-Konstruktion beeinflusst wird, ist das Modell mit einem Faktor für die BHA versehen, die zur Ausführung des Bohrvorgangs verwendet wird. Die BHA-Deskriptoren 514 sind eine Funktion der BHA-Konstruktion, die auch die BHA-Ausgestaltung berücksichtigt (Gewicht und Länge usw.). Die BHA-Deskriptoren 514 sind in Ausdrücken von Koeffizienten definiert, die jedem BHA-Typ zugeordnet sind und die später im Einzelnen beschrieben werden.
Die Bohrvorgänge werden dadurch ausgeführt, dass die WOB, die Drehzahl des Bohrstrangs, der Bohrfluiddurchsatz, die Fluiddichte und die Fluidviskosität so gesteuert werden, dass die Bohrgeschwindigkeit optimiert wird. Diese Parameter werden kontinuierlich basierend auf den Bohrbedingungen geändert, um das Bohren zu optimieren. Üblicherweise versucht die Bedienungsperson die größte Bohrgeschwindigkeit oder Eindringgeschwindigkeit oder "ROP" im Hinblick auf eine Minimierung einer Beschädigung des Bohrmeißels und der BHA zu erreichen. Für jede Kombination dieser über Tage gesteuerten Parameter und für einen gegebenen Typ der BHA bestimmt das Modell 500 den Wert der ausgewählten Bohrlochbohrparameter und des Zustandes der BHA. Zu den bestimmten Bohrlochbohrparametern gehören das Biegemoment, der Meißelaufprall, der Stick-Slip des Bohrmeißels, Drehmomentstöße, BHA-Wirbel und seitliche Vibration. Das Modell kann so ausgelegt werden, dass jede Anzahl von weiteren Parametern bestimmt wird, beispielsweise der Widerstand und der Differenzdruck über dem Bohrmotor. Das Modell bestimmt auch den Zustand der BHA, wozu der Zustand der MWD-Vorrichtungen, des Schlammmotors und des Bohrmeißels gehören. Das Ausgangssignal aus der Muffe 510 ist das Relativniveau oder die Stärke eines jeden berechneten Bohrlochbohrparameters, der erwartete ROP und der BHA-Zustand. Die Stärke des im Bohrloch berechneten Parameters wird auf einer Anzeige 516, wie einem Monitor, angezeigt. Die Stärke der berechneten Parameter definiert die Funktionsstörungen.
Das Modell verwendet vorzugsweise eine vorgegebene Matrix 519 zur Bestimmung einer Korrekturaktion, d.h. der über Tage gesteuerten Parameter, die geändert werden sollen, um die Fehlfunktionen zu mindern. Die festgelegte Korrekturaktion, ROP, und der BHA-Zustand werden auf der Anzeige 516 angezeigt. Das Modell aktualisiert die verschiedenen Eingaben und Funktionen kontinuierlich, wenn die Oberflächen-gesteuerten Bohrparameter und das Bohrprofil geändert werden, und berechnet die Bohrparameter und die anderen Zustände neu, wie oben beschrieben.
7 zeigt ein Funktionsablaufdiagramm der Zwischenbeziehung der verschiedenen gespeicherten und berechneten Parameter, die von dem Modell der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Bohrlochbohrparameter zu simulieren und um die Korrekturaktionen zu bestimmen, um irgendwelche Funktionsstörungen zu mindern. Die Übertage-Steuerparameter werden in gewünschte Niveaus oder Gruppen aufgeteilt, wobei der erste oder höchste Pegel WOB, UpM und den Durchsatz aufweist. Solche Parameter können leicht währen des Bohrvorgangs geändert werden. Der nächste Pegel umfasst Parameter, wie die Schlammdichte und die Schlammviskosität, die eine bestimmte Zeitgröße und Vorbereitung erfordern, bevor sie geändert werden können und ihr Effekt verwirklicht werden kann. Der nächste Pegel kann Aspekte enthalten, die das Ändern der BHA-Konfiguration, was gewöhnlich das Herausziehen des Bohrstrangs aus dem Bohrloch und das Modifizieren oder Austauschen der BHA und/oder des Bohrmeißels erfordert.
Gemäß 7 enthalten die Bohrlochprofiltabellen 615 Informationen über die Eigenschaften des Bohrlochs, die das dynamische Verhalten der Bohrsäule und ihrer Verbundteile während der Bohrvorgänge beeinflussen. Zu den bevorzugten Parametern gehören lithologische Faktoren (die ihrerseits die Bohrbarkeit als Funktion der Bohrlochtiefe beeinflussen), ein Reibungsfaktor als Funktion der Bohrlochtiefe und die BHA-Neigung. Der Lithologiefaktor wird definiert als Klith = f(h),wobei K_lith der normalisierte Lithologiekoeffizient und h die vorliegende Tiefe sind. Dieser Parameter definiert die Felsbohrbarkeit, d.h. er hat einen direkten Einfluss auf ROP.
Der Reibungsfaktor K_fric ist der Verbundteil des Reibungskoeffizienten zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch, der von den mechanischen Eigenschaften der gebohrten Formation bestimmt wird und spezifiziert werden kann als: Kfric = f(h).
Die Neigung als Funktion der Bohrlochtiefe definiert das, auf das als "Ablagefaktor" für axiale, seitliche und Torsionsvibrationen Bezug genommen wird, sowie die integrierte Reibungskraft zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch. Der Neigungseffekt kann ausgedrückt werden als: A = f(h).
Die anderen für das System definierten Funktionen beziehen sich auf das BHA-Verhalten im Bohrloch. Der Zweck dieser Funktionen besteht darin, die funktionelle Beziehung zwischen verschiedenen Parametern zu definieren, die das BHA-Verhalten beschreiben. Eine getroffene Annahme besteht darin, das für einen von dem Modell simulierten speziellen Meißellauf die BHA- und Bohrstrangkonfigurationen klar definiert sind, d.h. die kritischen Frequenzen für die seitlichen, axialen und Torsionsvibrationen (als Funktion der Tiefe) sind genau bestimmt. Dabei wird angenommen, dass der Qualitätsfaktor für die Resonanzkurven konstant ist.
Die das Resonanzverhalten des verwendeten BHA/Bohrstrangs beschreibenden Hauptfunktionen werden nachstehend beschrieben.
Die Torsionsschwingungsamplitude (normalisiert) A_SS (worauf hier als Stick-Slip Bezug genommen wird) ist definiert als Funktion der Übertage-Drehzahl, d.h. ASS = f(UpM),wobei die zentrale Resonanzfrequenz F_{o_tor} der Funktion eine Funktion der vorliegenden Tiefe h ist, was ausgedrückt werden kann als: Fo = f(h)
Die Wirbelamplitude (normalisiert) A_whirl ist definiert wie folgt: Awhirl = f(UpM),dessen zentrale Resonanzfrequenz F_{0_lat} gleich der kritischen seitlichen Frequenz ist.
Die axiale Vibrationsamplitude (normalisiert) A_{_bha} ist ebenfalls als Funktion der Drehzahl definiert: A_bha = f(UpM),wobei die zentrale Resonanzfrequenz F_{_ox} gleich der axialen kritischen Frequenz der BHA ist.
Gewöhnlich können die drei obigen Funktionen durch die Hanning-artigen normalisierten Kurven angenähert werden. Die Position einer jeden Kurve auf der UpM-Achse wird durch die zentrale Resonanzfrequenz definiert, während die Breiten durch die Ablagefaktoren für die entsprechenden Resonanzphänomene definiert werden.
Die anderen parametrischen Funktionen sind definiert als:
Schmierkoeffizient A_{_lubr} als Funktion des Fluiddurchsatzes Q und der Viskosität K_{_visc} A_lubr = f(Q, K_visc)
Biegekoeffizient K_{_bend} des Bohrstrangs/der BHA als Funktion des über Tage berechneten Gewichts am Meißel WOB _surf K_bend = f(WOB_surf)wobei die obigen beiden Funktionen auf 1,0 normalisiert sind.
Gemäß 7 bestimmt das System die Eindringrate ROP als Funktion der verschiedenen Parameter. Das Biegemoment 620 wird bestimmt aus dem WOB und K_bend 642. Zur Bestimmung des Meißelaufpralls 262 bestimmt das System den wahren Bohrlochmittelwert WOB durch Ausführen von Gewichtsverlustberechnungen 644 basierend auf K_fric und K_whirl. Der wahre Bohrlochmittelwert WOB subtrahiert von dem WOB 602 ergibt den Gewichtsverlust oder Rücktrieb. Der Meißelaufprall wird dadurch bestimmt, dass eine WOB-Diagnose ausgeführt wird, die auf der WOB-Wellenform basiert, die von A_BHA 650 beeinflusst wird. Der BHA-Wirbel 626 wird dadurch bestimmt, dass die Wirbeldiagnose als Funktion des Durchsatzes, der Schlammdichte und der Schlammviskosität, K_fric und A_whirl ausgeführt wird. Die seitliche Vibration 638 wird aus K_lat 662 bestimmt, das eine Funktion der UpM 604 und des Wirbels 656 und der Biegediagnose ist. Zur Bestimmung des Stick-Slips 624 bestimmt das System die UpM-Welle aus 652 von A_SS 646 und UpM 604 und führt dann die Stick-Slip-Diagnose als Funktion des wahren Bohrlochmittelwerts von WOB, der UpM-Wellenform 652, von K_fric, der Schlammdichte 608, der Schlammviskosität 610 und dem Durchsatz 606 aus. Der Drehmomentstoß 658 wird dadurch bestimmt, dass eine Drehmomentdiagnose als Funktion der WOB-Wellenform und des Stick-Slips 624 ausgeführt wird.
Jede Bohrlochparameterausgabe aus dem in 1 gezeigten System hat eine Vielzahl von Pegeln, vorzugsweise acht, die es dem System ermöglichen, basierend auf vorgegebenen Kriterien den Stärkepegel eines jeden solchen Parameters und dadurch die zugehörige Fehlfunktion zu bestimmen. Wie vorstehend erwähnt, enthält das System auch Instruktionen, vorzugsweise in Form einer Matrix 519 (6), die dazu verwendet wird, die Natur der Korrekturwirkung zu bestimmen, die für jeden Satz von durch das System bestimmten Funktionsstörungen angezeigt wird.
Das System bestimmt auch den Zustand der BHA-Anordnung, die zur Ausführung der Bohroperationen verwendet wird. Das System bestimmt vorzugsweise den Zustand der MWD-Vorrichtungen, des Schlammmotors und des Bohrmeißels. Der MWD-Zustand wird als Funktion der kumulativen Bohrzeit an dem MWD, von K_flat, von K_whirl, und des Meißelaufpralls bestimmt. Der Schlammmotorzustand wird aus der kumulativen Bohrzeit, dem Stick-Slip, dem Meißelaufprall K_whirl, K_flat und den Drehmomentstößen bestimmt. Der Bohrmeißelzustand wird aus dem Meißelaufprall, dem Stick-Slip, den Drehmomentstößen und der kumulativen Bohrzeit bestimmt. Der Zustand eines jeden der Elemente wird von 100 bis 0 normalisiert oder skaliert, wobei 100 den Zustand eines solchen Elements darstellt, wenn es neu ist. Mit fortgesetztem Bohren bestimmt das System fortlaufend den Zustand und zeigt ihn für die Verwendung durch die Bedienungsperson an.
Für den Zweck der Anzeige von Funktionsstörungen und irgendwelcher anderer Informationen auf der Anzeige 42 kann jedes gewünschte Anzeigeformat verwendet werden. 8a und 8b zeigen Beispiele für bevorzugte Anzeigeformate zur Verwendung mit dem System der vorliegenden Erfindung. Die interessierenden, für das Bohrloch berechneten Parameter, für welche der Stärkepegel gezeigt werden soll, enthalten Mehrfachpegel. 8a zeigt solche Parameter, wie den Rücktrieb, den Meißelaufprall, den Stick-Slip, Drehmomentstöße, BHA-Wirbel, Beulen und seitliche Vibration, wobei jeder solche Parameter acht Pegel hat, die mit 1 bis 8 markiert sind. Zu erwähnen ist, dass das vorliegende System auf die vorstehend erwähnten Parameter oder irgendeine spezifische Anzahl von Pegeln weder begrenzt ist noch ihre Verwendung erfordert. Die im Bohrloch berechneten Parameter UpM, WOB, FLOW (Bohrfluiddurchsatz), Schlammdichte und -viskosität sind dargestellt als Anzeige unter der Überschrift "STEUERPANEEL" im Block 754. Der Relativzustand des MWD, des Schlammmotors und des Bohrmeißels auf einer Skala von 0 bis 100%, wobei 100% der Zustand ist, wenn ein solches Element neu ist, wird unter der Überschrift "ZUSTAND" im Block 756 angezeigt. Bestimmte über Tage gemessene Parameter, wie WOB, Drehmoment am Meißel (TOB), Bohrmeißeltiefe und Bohrgeschwindigkeit oder Eindringgeschwindigkeit, sind in dem Block 758 angezeigt. Zusätzliche interessierende Parameter, wie der Übertage-Bohrfluiddruck, der Druckverlust aufgrund von Reibung, sind im Block 760 gezeigt. Jede von dem System bestimmte Korrekturaktion ist in dem Block 762 angezeigt.
8b zeigt ein alternatives Anzeigeformat zur Verwendung bei dem vorliegenden System. Der Unterschied zwischen dieser Anzeige und der Anzeige von 8a besteht darin, dass der interessierende im Bohrloch berechnete Parameter, der sich auf die Funktionsstörung bezieht, drei Farben enthält, nämlich Grün, um anzuzeigen, dass sich der Parameter im gewünschten Bereich befindet, Gelb zur Anzeige, dass die Fehlfunktion vorhanden, jedoch nicht stark ist, mehr als Warnsignal, und Rot, um anzuzeigen, dass die Fehlfunktion ernsthaft ist und korrigiert werden sollte. Wie vorher erwähnt, kann irgendein anderes geeignetes Anzeigeformat zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung entwickelt werden.
Zusätzlich zu der fortlaufenden Anzeige, wie in 8a und 8b gezeigt ist, ist das System auch programmiert, auf Befehl historische Informationen über ausgewählte Parameter anzuzeigen. Vorzugsweise wird für das Verhalten von bestimmten ausgewählten Parametern als Funktion der Bohrzeit, der Bohrlochtiefe und der Lithologie ein sich bewegendes Histogramm vorgesehen, was das dynamische Verhalten des Systems während normaler Abläufe, und wenn Korrekturaktionen angewendet werden, zeigt.
Obwohl das Hauptziel der Bedienungsperson für das Bohren von Bohrlöchern darin besteht, die höchste ROP zu erreichen, kann jedoch ein solches Kriterium nicht das optimale Bohren erzeugen. Beispielsweise ist es möglich, ein Bohrloch schneller dadurch zu bohren, dass bei einer ROP unter der maximalen ROP gebohrt wird, die Bedienungsperson jedoch in der Lage ist, über längere Zeiträume zu bohren, bevor der Bohrstrang für Reparaturen herausgezogen werden muss. Das System der vorliegenden Erfindung zeigt eine dreidimensionale Farbansicht an, die das Ausmaß der Bohrfunktionsstörung als Funktion von WOB, UpM und ROP zeigt. 8c zeigt ein Beispiel einer solchen graphischen Darstellung. UpM, WOB und ROP sind jeweils längs der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse gezeigt. Das Diagramm zeigt, dass eine höhere ROP dadurch erreicht werden kann, dass das Bohrloch entsprechend dem Bereich 670 verglichen mit dem Bohren entsprechend dem Bereich 672 gebohrt wird. Der Bereich 670 zeigt jedoch, dass ein solches Bohren von einer starken Fehlfunktion (beispielsweise rot) verglichen mit dem Bereich 672 begleitet wird, während die Funktionsstörungen innerhalb akzeptabler Bereiche (gelb) liegen. Das System gibt somit ein fortlaufendes Feedback zu der Bedienungsperson, um die Bohrvorgänge zu optimieren.
8d ist eine alternative graphische Darstellung der Bohrparameter, insbesondere WOB und der Bohrmeißeldrehzahl bei dem ROP für einen gegebenen Satz von Bohrmeißel- und Bohrlochparametern. Die Werte für einen jeden solchen Parameter sind in einer vorgegebenen Skala normalisiert, beispielsweise einer Skala von eins bis zehn, die in 8d gezeigt ist. Der Bohringenieur gibt den Wert für jeden solchen Parameter ein, der den tatsächlichen Zustand möglichst nahe wiedergibt. In dem Beispiel von 8d sind die ausgewählten Parameter und ihre entsprechenden Werte: (a) der BHA-Typ, der zum Bohren verwendet wird, hat einen Relativwert sieben 675, (b) der verwendete Bohrmeißeltyp hat einen Relativwert sechs 677 an der Bohrmeißelskala, (c) das Tiefenintervall hat einen Relativwert drei 679, (d) die Lithologie oder die Formation, durch welche das Bohren erfolgt, beträgt sechs 681, und (e) der Relativwert der BHA-Neigung beträgt acht 683. Zu erwähnen ist, dass auch andere Parameter verwendet werden können. Der Simulator der vorliegenden Erfindung verwendet eine bevorzugte Datenbank und bevorzugte Modelle. Die Datenbank kann Informationen aus dem vorliegenden, in Bohrung befindlichen Bohrloch, aus versetzten Bohrungen, aus Bohrungen, die im Feld entwickelt werden, und andere relevante Informationen aufweisen. Ein künstliches Beispiel für die Wirkung der ausgewählten Parameter auf ROP als Funktion von WOB und UpM ist in 8d dargestellt, wie auf einem Schirm gezeigt. WOB ist längs der vertikalen Achse und UpM längs der horizontalen Achse gezeigt. Grüne Kreise 685 zeigen sichere Betriebsbedingungen, gelbe Kreise 686 zeigen nicht akzeptable Betriebsbedingungen und nicht gefärbte Kreise 688 zeigen Rand- oder Warnbedingungen. Die Größe des Kreises zeigt den Betriebs bereich an, der dem Zustand entspricht. Das System kann so programmiert werden, dass es eine dreidimensionale Ansicht gibt. Das Beispiel von 8d verwendet zwei Variable, nämlich WOB und UpM. Das System kann ein n-dimensionales System haben, wobei n größer als zwei ist und die Anzahl der Variablen angibt.
Zur Durchführung der Simulation enthält das System der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Modelle, die so ausgelegt sind, dass sie eine Anzahl von unterschiedlichen Funktionsstörungsszenarios als Funktion der über Tage gesteuerten Parameter, der Bohrlochprofilparameter und der BHA-Parameter bestimmen, die für das System definiert sind. Das System aktualisiert das Modell kontinuierlich basierend auf den sich ändernden Bohrbedingungen, berechnet die entsprechenden Funktionsstörungen, zeigt die Stärke der Funktionsstörungen und Werte anderer ausgewählter Bohrparameter an und bestimmt die Korrekturmaßnahmen, die durchgeführt werden sollten, um die Funktionsstörungen zu verhindern. Die Darstellung kann in eine Zeitskala so gebracht werden, dass die Zeit als Ist-Zeit oder als beschleunigte Zeit erscheint, um dem Benutzer ein Gefühl für die tatsächliche Ansprechzeit zum Korrigieren der Funktionsstörungen zu geben. Alle Korrekturen für den Simulator können über ein Steuerpaneel erfolgen, das die über Tage gesteuerten Parameter enthält. Eine Einstellung, die in der richtigen Richtung für die über Tage gesteuerten Parameter gemacht wird, wie sie von der Korrekturaktion oder "dem Rat" empfohlen wird, sollte das System dazu bringen, in den Normalbetrieb zurückzukehren und die Funktionsstörungen in gesteuerter Weise entfernen, um als reale Bohrumgebung in Erscheinung zu treten. Die Anzeige zeigt die Wirkung, wenn überhaupt eine vorhanden ist, einer Änderung, die bei dem über Tage gesteuerten Parameter ausgeführt wurde, auf jedem der angezeigten Parameter. Wenn beispielsweise die Änderung in WOB zu einer Änderung des Bohrmeißelaufpralls von einem abnormen Zustand (rot) zu einem akzeptableren Zustand (gelb) führt, reflektiert dann das System automatisch eine solche Änderung auf der Anzeige, wodurch der Benutzer ein sofortiges Feedback oder ein selektiv verzögertes Ansprechen des Einflusses der Änderung bei dem über Tage gesteuerten Parameter erhält.
Somit erfasst in einem Aspekt die vorliegende Erfindung Bohrparameter im Bohrloch und bestimmt daraus Funktionsstörungen, wenn welche vorhanden sind. Es quantifiziert die Ernsthaftigkeit der Funktionsstörung, erteilt den Funktionsstörungen eine Rangordnung oder Prioritäten und übermittelt die Funktionsstörungen nach über Tage. Der Stärkepegel jeder Funktionsstörung wird für den Bohringenieur und/oder einer entfernten Stelle, beispielsweise einer Kabine an der Bohrstelle, angezeigt. Das System stellt einen im Wesentlichen online vorgeschlagenen Verlauf der Aktion bereit, d.h. die Werte der Bohrparameter (wie WOB, UpM und Fluiddurchsatz), welche die Funktionsstörungen vermeiden und den Bohrwirkungsgrad verbessern. Die Bedienungsperson am Bohrturm oder an einer entfernten Stelle kann den Bohrzustand simulieren, d.h. in der Zeit voraussehen, und den optimalen Verlauf einer Wirkung bezüglich der Werte der Bohrparameter bestimmen, die für ein fortgesetztes Bohren des Bohrlochs verwendet werden sollen. Die Modelle und die Datenbank, die verwendet werden, können während des Bohrens kontinuierlich aktualisiert werden.
In vielen Fällen werden insbesondere Offshore-Mehrfachbohrlöcher von einer einzigen Plattform oder Stelle aus gebohrt, wobei jedes Bohrloch ein vorgegebenes Bohrprofil (Bohrlochgröße und Bohrweg) hat. Die während des ersten Bohrlochs gesammelten Informationen, beispielsweise über den Bohrmeißeltyp, der die besten Bohrergebnisse für eine vorgegebene Felsformationsart hat, die Bohrlochsohlen-Anordnungsausgestaltung einschließlich der Art des verwendeten Schlammmotors, die Stärke der Funktionsstörungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen durch spezielle Formationen hindurch, die geophysikalischen Informationen, die bezogen auf spezifische Untertage-Formationen erhalten werden, usw. werden dazu verwendet, eine Bohrstrategie für das Bohren der darauf folgenden Bohrlöcher zu entwickeln. Dies kann eine Änderung der Bohranordnungsausgestaltung mit sich bringen, wobei unterschiedliche Bohrmeißel für unterschiedliche Formationen, unterschiedliche Bereiche für das Gewicht am Meißel, unterschiedliche Drehzahlen und Bohrfluiddurchsätze sowie Fluide mit unterschiedlicher Viskosität verglichen mit denen verwendet werden, die für das Bohren der vorhergehenden Bohrlöcher zum Einsatz kamen. Dieser Lern- und Aktualisierungsprozess wird für das Bohren aller folgenden Bohrlöcher fortgesetzt. Die vorstehend erwähnten Informationen werden auch dazu verwendet, alle Modelle zu aktualisieren, die für das Bohren darauf folgender Bohrlöcher verwendet werden.
Bisher hat sich die Beschreibung auf die speziellen bevorzugten Ausführungsformen des Bohrsystems nach der vorliegenden Erfindung und einige der bevorzugten Betriebsarten bezogen. Das Gesamtziel für das Bohren besteht jedoch darin, ein automatisiertes Bohrsystem mit geschlossener Schleife und ein Verfahren zum Bohren von Bohrlöchern in einem Ölfeld mit verbessertem Wirkungsgrad, d.h. mit erhöhten Bohrgeschwindigkeiten (Eindringgeschwindigkeit) und mit erhöhter Lebensdauer der Bohranordnung, bereitzustellen. In einigen Fällen kann jedoch das Bohrloch in einem kürzeren Zeitraum gebohrt werden, wenn langsa mere ROPs gewählt werden, da das Bohren bei solchen ROPs Mängel an der Bohrlochsohlenanordnung verhindern und den Bohrmeißelverschleiß verringern kann, wodurch eine längere Bohrzeit zwischen Reparaturen und Bohrmeißelaustausch möglich wird. Der Gesamtbetrieb des Bohrsystems der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die allgemeine Geräteausgestaltung von 9 und das Funktionsblockschaltbild von 10 beschrieben.
Gemäß 1 bis 9 insgesamt und insbesondere gemäß 9 weist das Bohrsystem der vorliegenden Erfindung Quellen zum Steuern der Bohrparameter, wie den Fluiddurchsatz, die Drehzahl des Bohrmeißels und das Gewicht am Bohrmeißel, eine Übertage-Steuereinheit mit Rechnern zur Veränderung von Signalen und Daten von Übertage- und Untertage-Vorrichtungen und zum Steuern der über Tage gesteuerten Bohrparameter sowie ein Bohrgerät oder eine Bohranordnung 800 im Bohrloch mit einer Bohrlochsohlenanordnung (BHA) und einem Bohrmeißel 802 auf. Dem Bohrmeißel sind Sensoren 806a zum Bestimmen des Bohrmeißelverschleißes, der Bohrmeißeleffektivität und der erwarteten verbleibenden Lebensdauer des Bohrmeißels 802 zugeordnet. Die Bohrlochsohlenanordnung 800 hat Sensoren zum Bestimmen bestimmter Betriebsparameter der Bohranordnung 800. Das Gerät 800 hat ferner (a) Steuervorrichtungen 804 für die gewünschte Richtung, (b) eine Vorrichtung zum Steuern des Gewichts am Bohrmeißel oder der Druckkraft am Bohrmeißel, (c) Sensoren zum Bestimmen der Position, Richtung und Neigung sowie Ausrichtung der Bohrlochsohlenanordnung 800 (Richtungsparameter), (d) Sensoren zum Bestimmen des Bohrlochzustands (Bohrlochparameter), (e) Sensoren zum Bestimmen des Betriebs- und physikalischen Zustands des Geräts während des Bohrens (Bohranordnungs- oder Geräteparameter), (f) Sensoren zum Bestimmen von Parametern, die gesteuert werden können, um den Bohrwirkungsgrad zu verbessern (Bohrparameter), (g) bohrlochseitige Schaltungen und Rechenvorrichtungen zum Verarbeiten von Signalen und Daten im Bohrloch zur Bestimmung der verschiedenen Parameter, die dem Bohrsystem 100 zugeordnet sind und im Bohrloch befindliche Vorrichtungen veranlassen, bestimmte gewünschte Aktionen auszuführen, (h) eine Übertage-Steuereinheit mit einem Rechner zum Empfangen von Daten von der Bohranordnung 800 und zur Durchführung von Aktionen, um ein automatisches Bohren auszuführen und um der Bohranordnung Daten und Signale zu übermitteln, und (h) Kommunikationsvorrichtungen zur Herstellung einer Zwei-Wege-Kommunikation von Daten und Signalen zwischen der Bohranordnung und über Tage. Es werden ein oder mehrere Modelle und programmierte Instruktionen (Programme) für das Bohrsystem 100 vorgesehen. Die Bohrlochsohlenanordnung und die Übertage-Steuerausrüstung verwenden Informationen aus den verschiedenen Sensoren und den Modellen zur Bestimmung der Bohrparameter, die, wenn sie während des weiteren Bohrens verwendet werden, erhöhte Eindringgeschwindigkeiten und eine vergrößerte Gerätelebensdauer ergeben. Das Bohrsystem kann so programmiert werden, dass diejenigen Werte der Bohrparameter, von denen man erwartet, dass sie die Bohraktivität optimieren, bereitgestellt und die Bohrparameter innerhalb vorgegebener Bereiche kontinuierlich eingestellt werden, um ohne menschliches Eingreifen ein solches optimales Bohren zu erreichen. Das Bohrsystem 100 kann auch so programmiert werden, dass es einen bestimmten Grad menschlichen Eingreifens zur Bewirkung von Änderungen in den Bohrparametern erfordert.
Zu den Bohranordnungsparametern gehören Bohrmeißelaufprall, Stick-Slip der BHA, Rückwärtsdrehung, Drehmoment, Stoß, BHA-Wirbel, BHA-Beulen, Bohrloch- und Ringraumdruckanomalien, übermäßige Beschleunigung, Beanspruchung, BHA- und Bohrmeißel-Seitenkräfte, Axial- und Radialkräfte, Radialverschiebung, Schlammmotor-Leistungsabgabe, Schlammmotor-Wirkungsgrad, Druckdifferenz am Schlammmotor, Temperatur des Schlammmotorstators und -rotors, Bohrmeißeltemperatur sowie Druckdifferenz zwischen der Bohranodnung-Innenseite und dem Bohrloch-Ringraum. Zu den direktionalen Parametern gehören Bohrmeißelposition, -azimut, -neigung, Bohrmeißelausrichtung und die wahre x-, y- und z-Achsenposition des Bohrmeißels. Die Richtung wird durch Steuern der Richtungssteuervorrichtungen 804 gesteuert, zu denen unabhängig gesteuerte Stabilisatoren, ein im Bohrloch betätigter Kniehebelverschluss, eine Biegeaufnahme und eine Meißelausrichtvorrichtung gehören.
Das Bohrlochgerät 800 hat Sensoren 809 zur Bereitstellung von Signalen, die Bohrlochparametern entsprechen, beispielsweise der Bohrlochtemperatur und dem Bohrlochdruck. Von den Bohrloch-Parametersensoren 810 werden Bohrparameter bestimmt, wie das Gewicht am Meißel, die Drehzahl und der Fluiddurchsatz. Das Gerät 800 hat zentral im Bohrloch einen Zentralrechenprozessor 814, Modelle und Programme 816, die vorzugsweise in einem dem Gerät 800 zugeordneten Speicher gespeichert werden. Zur Bereitstellung einer Signal- und Datenverbindung zwischen dem Gerät 800 und über Tage wird eine Zwei-Wege-Telemetrie 818 verwendet.
10 zeigt die gesamte Funktionsbeziehung der verschiedenen Aspekte der vorstehend beschriebenen Bohrsysteme 100. Zum Bohren eines Bohrlochs wird das Gerät 800 (9) in das Bohrloch befördert. Das System oder die Bedienungssystem stellt die Anfangsbohrpara meter ein, um das Bohren zu starten. Der Betriebsbereich für jeden solchen Parameter ist vorgegeben. Wenn das Bohren beginnt, bestimmt das System die BHA-Parameter 850, die Bohrmeißelparameter 852, die Bohrlochparameter 856, die direktionalen Parameter 854, die Bohrparameter 858, die über Tage gesteuerten Parameter 860, die direktionalen Parameter 880b und alle anderen gewünschten Parameter 880c. Der Prozessor 872 (ein Rechner im Bohrloch oder eine Kombination von Rechnern im Bohrloch und über Tage) verwendet die Parameter und Messwerte und verarbeitet diese Werte unter Verwendung der Modelle 874 zur Bestimmung der Bohrparameter 880a, die, wenn sie für das weitere Bohren verwendet werden, zu einer erhöhten Bohrgeschwindigkeit oder einer verlängerten Gerätelebensdauer führen. Wie vorher erwähnt, können die Bedienungsperson und/oder das System 100 den Simulationsaspekt der vorliegenden Erfindung verwenden und in dem Bohrprozessor vorausschauen und dann den optimalen Aktionsverlauf bestimmen. Das Ergebnis dieser Datenverwendung besteht darin, einen Satz von Bohrparametern und Richtungsparametern 880a bereitzustellen, die den Gesamtbohrwirkungsgrad verbessern. Das Bohrsystem 800 kann so programmiert werden, dass die Steuervorrichtungen, die den Bohrparametern zugeordnet sind, wie die Motoren für die Drehzahl, Hubwerke oder Druckwerke für WOB, Fluidstromsteuerungen für den Fluiddurchsatz sowie direktionale Vorrichtungen in dem Bohrstrang für die Bohrrichtung, dazu gebracht werden, jede Anzahl solcher Parameter automatisch zu ändern. Beispielsweise kann der Übertage-Rechner so programmiert werden, dass er die Bohrparameter 892, einschließlich dem Fluiddurchsatz, dem Gewicht am Meißel und der Drehzahl für Drehbewegungen ändert. Bei Verwendung eines gewickelten Rohrstrangs kann der Fluiddurchsatz im Bohrloch und/oder über Tage eingestellt werden, was von der Art der im Bohrloch verwendeten Fluidsteuervorrichtungen abhängt. Die Druckkraft und die Drehzahl können im Bohrloch geändert werden. Die im Bohrloch eingestellten Parameter sind in dem Kasten 890 gezeigt. Das System kann die Bohrrichtung 896 durch Betätigung der Richtungssteuervorrichtungen im Bohrloch ändern. Die beschriebenen Änderungen können kontinuierlich automatisch ausgeführt werden, wenn sich der Bohrlochzustand zur Verbesserung des Bohrwirkungsgrads ändert. Der vorstehend beschriebene Prozess wird kontinuierlich oder periodisch wiederholt, wodurch ein automatisiertes Bohrsystem mit geschlossener Schleife zum Bohren von Ölfeldbohrlöchern mit erhöhten Bohrgeschwindigkeiten und mit verlängerter Lebensdauer 898 der Bohranordnung bereitgestellt wird.
Das System 800 kann auch so programmiert werden, dass jedes Modell oder jede Datenbank als Funktion der ausgeführten Bohrvorgänge dynamisch eingestellt wird. Wie vorher erwähnt, werden die Systemmodelle und Daten 874 auch basierend auf der Nachbarbohrung, anderen Bohrungen in dem gleichen Feld und der gerade gebohrten Bohrung modifiziert, wodurch die aus solchen Quellen gewonnenen Kenntnisse in die Modelle zum Bohren zukünftiger Bohrlöcher eingeschlossen werden.
Die vorstehende Beschreibung ist auf spezielle Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zum Zweck der Veranschaulichung und Erläuterung gerichtet. Es ist jedoch für den Fachmann offensichtlich, dass viele Modifizierungen und Änderungen an der erläuterten Ausgestaltung möglich sind, ohne vom Rahmen und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Automatisiertes Bohrsystem (10, 100) mit geschlossener Schleife zum Bohren eines Bohrlochs (27) in einem Ölfeld mit einer Bohranordnung (90, 800) und einer Übertage-Steuereinheit (40), wobei die Bohranordnung (90, 800) – einen Bohrstrang (20) mit einem Bohrmeißel (50, 802) an seinem Ende, – eine Vielzahl von Sensoren (806a, 806b, 809, 810) zum Liefern von Messungen bezogen auf einen oder mehrere Zustände der Bohranordnung (90, 800), – eine Kraftaufbringeinrichtung (30) zum Aufbringen einer Kraft auf den Bohrmeißel (50) während des Bohrens des Bohrlochs (27), – einen Rotator (14, 55) zum Drehen des Bohrmeißels (50) mit einer gewünschten Drehzahl und – eine Quelle (32) für Bohrfluid (31) über Tage (32) zum Zuführen von Bohrfluid unter Druck zu der Bohranordnung (90, 800) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrsystem (10, 100) weiterhin einen Prozessor (814, 872) aufweist, der – wenigstens ein Modell (816, 874) aufweist, das der Bohranordnung (90, 800) zugeordnet ist, – mit dem wenigstens einen Modell (816, 874) zusammenwirkt, – die von den Sensoren (806a, 806b, 809, 810, 812) gemachten Messungen, die sich auf den einen oder mehrere Zustände der Bohranordnung (90, 800) beziehen, zur Berechnung einer Kombination von Bohrparametern (880a) während des Bohrens des Bohrlochs (27) verwendet, wobei die Übertage-Steuereinheit (40) die Kombination von Bohrparametern (850, 852, 854, 856, 858, 860, 880b, 880c) anzeigt, und – das Bohrsystem (10, 100) veranlasst, wenigstens einen der folgenden Parameter – die Drehzahl, – die Kraft am Bohrmeißel (50, 802) und – den Durchsatz des Bohrfluids (31) auf die berechneten Werte für das weitere Bohren des Bohrlochs (27) zu ändern, um (i) eine erhöhte Bohrgeschwindigkeit für das weitere Bohren des Bohrlochs oder (ii) eine verlängerte Lebensdauer der Bohranordnung (90, 800) oder beides (i) (ii) zu erhalten.
System (10, 100) nach Anspruch 1, bei welchem der Prozessor (872) einen Prozessor im Bohrloch (70) und eine Steuereinheit (40) mit einem Rechner über Tage aufweist.
System (10, 100) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Prozessor (872) die Funktion der Kraftaufbringeinrichtung (30) zum Aufbringen eines Gewichts auf den Bohrmeißel in einem vorgegebenen Bereich steuert.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Prozessor (872) die Bohranordnungsparameter im Bohrloch berechnet und solche berechneten Bohranordnungsparameter an die Übertage-Steuereinheit (40) überträgt, welche die Bohrparameter berechnet, die ein Bohren des Bohrlochs (27) mit erhöhter Eindringgeschwindigkeit ergeben würden.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Bohranordnungsparameter (850, 852) aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Bohrmeißelaufprall, Stoß, Vibration, Radialkraft an der Bohranordnung, Axialkraft an der Bohranordnung, Ruckgleiten, Wirbel, Biegemoment, Bohrmeißelverschleiß, Bohrmeißelrückprall, Druck am Spülflüssigkeitsmotor, Spülflüssigkeitsmotortemperatur und Drehmoment besteht.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Kraftaufbringeinrichtung ein Schuberzeuger im Bohrloch oder ein System über Tage ist, das ein Hebewerk (30) aufweist.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiterhin eine Bohranlage über Tage aufweist, die den erforderlichen Steigrohrstrang (21) für fortgesetzte Bohrvorgänge zuführt, wobei der Steigrohrstrang (21) ein Bohrrohr oder ein Wickelsteigrohrstrang ist.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Rotator eine Drehbohranlage (14) über Tage oder ein Bohrmotor (55) in der Bohranordnung (90, 800) ist, der von dem Bohrfluid (31) angetrieben wird, das unter Druck von über Tage zugeführt wird.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Bohranordnung (90, 800) weiterhin eine Vielzahl von unabhängig einstellbaren Stabilisatoren (264) aufweist, um eine Kraft auf die Innenseite des Bohrlochs (27) aufzubringen, um die Bohrrichtung des Bohrlochs (27) zu ändern.
Automatisiertes Bohrsystem (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiterhin wenigstens einen Richtungsmesssensor (808) für Messungen des Ortes der Bohranordnung (90, 800) bezogen auf eine bekannte Position aufweist.
System (10, 100) nach Anspruch 10, bei welchem der Prozessor (872) den Ort der Bohranordnung (90, 800) aus dem wenigstens einen Richtungsmesssensor (808) bestimmt und die einstellbaren Stabilisatoren (264) steuert, um die Bohrrichtung längs einer vorgegebenen Bahn zu halten.
Automatisiertes Bohrsystem (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der wenigstens eine Richtungsmesssensor (808) aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Beschleunigungsmesser, Magnetometer, Gyroskop und Gammasensor besteht.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Bohranordnung (90, 800) weiterhin eine Übertragungseinrichtung aufweist, die Daten zwischen der Bohranordnung (90, 800) und der Übertage-Steuereinheit (40) über ein Medium überträgt, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Elektromagnetismus, Steigrohrakustik, Fluidakustik, Kühlflüssigkeit, Faseroptik und elektrischer Leiter besteht.
System (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches weiterhin wenigstens einen Formationsbewertungssensor (812) aufweist, der aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Widerstandssensor, einem Akustiksensor zum Bestimmen der Porosität der Formation, einem Akustiksensor zum Bestimmen der Bettgrenzenzu stände, einem Gammastrahlensensor und einem Nuklearsensor zum Bestimmen der Dichte der Formation besteht.
System (10, 100) nach Anspruch 1, bei welchem die Modelle (874) dynamisch sind und der Prozessor (872) die Modelle (874) während des Bohrens des Bohrlochs (72) basierend auf den Bohranordnungsparametern (850 und 852), die während des Bohrens des Bohrlochs (27) bestimmt werden, aktualisiert.
System (10, 100) nach Anspruch 1, bei welchem der Prozessor (872) eine Vielzahl von Bohranordnungsparametern (880a) im Bohrloch berechnet und die Übertage-Steuereinheit (40) die Bohrparameter (880a) ansprechend auf die im Bohrloch berechneten Bohranordnungsparameter steuert, um das Bohrloch (27) mit einer maximalen Eindringgeschwindigkeit zu bohren, während die Bohranordnungsparameter (850, 852) innerhalb ihrer jeweiligen definierten Grenzen gehalten werden.
Automatisiertes Verfahren mit geschlossener Schleife zum Bohren eines Bohrlochs (27) in einem Ölfeld mit einer Bohranordnung (90, 800) und einer Übertage-Steuereinheit (40), wobei die Bohranordnung (90, 800) – einen Bohrstrang (20) mit einem Bohrmeißel (50, 802) an seinem Ende, – eine Vielzahl von Sensoren (806a, 806b, 809, 810, 812) zum Liefern von Messungen bezogen auf einen oder mehrere Zustände der Bohranordnung (90, 800), – eine Kraftaufbringeinrichtung (30) zum Aufbringen einer Kraft auf den Bohrmeißel (50) während des Bohrens des Bohrlochs (27), – einen Rotator (14, 55) zum Drehen des Bohrmeißels (50) mit einer gewünschten Drehzahl und – eine Quelle (32) für Bohrfluid (31) über Tage (32) zum Zuführen von Bohrfluid unter Druck zu der Bohranordnung (90, 800) aufweist, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist, a) Fördern der Bohranordnung (90, 800) mit dem Steigrohrstrang (20) in das Bohrloch (27) und Bohren des Bohrlochs mit dem Bohrsystem (10, 100) und b) Bestimmen von Parametern (850, 852, 854, 856, 858, 860, 880b, 880c), die sich auf den Zustand der Bohranordnung (90, 800) beziehen, während des Bohrens des Bohrlochs aus den Sensoren (806a, 806b), gekennzeichnet durch c) Bereitstellen eines Modells zur Verwendung durch einen Prozessor (814, 872) im Bohrsystem zum Berechnen neuer Werte für die Bohrparameter (880a), die, wenn sie für das weitere Bohren des Bohrlochs (27) verwendet werden, für (i) ein Bohren des Bohrlochs mit einer erhöhten Bohrgeschwindigkeit oder (ii) für eine verlängerte Bohranordnungslebensdauer oder beides (i) (ii) sorgen, und d) Veranlassen des Prozessors (814, 872) zur Änderung wenigstens eines der folgenden Parameter – Drehzahl, – Kraft an dem Bohrmeißel (50, 802) und – Durchsatz des Bohrfluids (31) auf die berechneten Werte der Bohrparameter (880a).
Verfahren nach Anspruch 17, welches weiterhin gekennzeichnet ist durch wenigstens periodisches Wiederholen der Schritte b) bis d) während des Bohrens des Bohrlochs (27).
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem der Schritt des Bestimmens der Werte der Bohrparameter (858) weiterhin gekennzeichnet ist durch (i) Übertragen der berechneten Werte der Bohranordnungsparameter zu der Übertage-Steuereinheit (40) und (ii) Bestimmen der Werte der Bohrparameter über Tage mit der Steuereinheit (40).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, welches weiterhin gekennzeichnet ist durch (i) Bereitstellen einer Vielzahl von Formationsbewertungssensoren (812) in der Bohranordnung (90, 800) für Messungen zum Bestimmen von Eigenschaften der die Bohranordnung (90, 800) umgebenden Formation, und (ii) Bestimmen von Werten von einer oder mehreren Eigenschaften der die Bohranordnung (90, 800) umgebenden Formation aus den Messungen der Formationsbewertungssensoren (812) während des Bohrens des Bohrlochs (27), wobei der Prozessor (872) die berechneten Werte der Bohranordnungsparameter und die bestimmten Werte der Eigenschaften der Formation zur Bestimmung der Werte der Bohrparameter (880a) verwendet, die für ein weiteres Bohren des Bohrlochs (27) mit erhöhter Eindringgeschwindigkeit und/oder für eine verlängerte Lebensdauer der Bohranordnung (90, 800) sorgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, welches weiterhin gekennzeichnet ist durch (i) Bestimmen wenigstens eines Bohrrichtungsparameters (854) während des Bohrens des Bohrlochs (27) und (ii) Aufrechterhalten der Bohrrichtung für das Bohrloch (27) ansprechend auf den bestimmten Bohrrichtungsparameter (854) längs einer vorgegebenen Bohrlochbahn.