DE112014007008T5

DE112014007008T5 - Rollenkegelwiderstandssensor

Info

Publication number: DE112014007008T5
Application number: DE112014007008.4T
Authority: DE
Inventors: Richard Thomas Hay; Burkay Donderici
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2017-06-29
Also published as: US10386318B2; AU2014415575B2; MX2017006254A; GB201706483D0; GB2546218A; CN107075912A; CA2968039A1; US20190339218A1; CA2968039C; US20170328850A1; US10914697B2; AU2014415575A1; WO2016108903A1; NO20170724A1

Abstract

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Bohrsystem einen Rollenbohrmeißel, der einen Rollenkegel und mindestens eine Antennenschleife aufweist, die in dem Rollenkegel angeordnet ist, um magnetische oder elektromagnetische Wellen zu detektieren, die ein Ziel, einen spezifischen Widerstand oder eine Grenze der unterirdischen Formation, der menschengemachten Struktur oder des menschengemachten Objekts anzeigt. Das Bohrsystem kann die Antennenschleife verwenden, um Messungen des spezifischen Widerstands der unterirdischen Formation zu ermitteln, durch die der Bohrmeißel gebohrt wird. Die Stelle der Antennen in dem Rollenkegel kann verbesserte vorausschauende und umherschauende Messungen ermöglichen. Zusätzlich kann die Stelle der Antenne in dem Rollenkegel anisotrope Messungen des spezifischen Widerstands erleichtern, um bei der Lenkung des Bohrstrangs in einen gewünschten Abschnitt der unterirdischen Formation zu helfen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Bohrvorgänge und insbesondere Systeme und Verfahren zum Durchführen von Messungen des spezifischen Widerstands einer Formation unter Verwendung eines Rollenbohrmeißels.
STAND DER TECHNIK
Kohlenwasserstoffe wie etwa Öl und Gas werden gewöhnlich aus unterirdischen Formationen erhalten, die an Land oder auf See angeordnet sein können. Die Entwicklung unterirdischer Vorgänge und die am Entfernen von Kohlenwasserstoffen aus einer unterirdischen Formation beteiligten Abläufe umfassen typischerweise eine Anzahl unterschiedlicher Schritte wie zum Beispiel Bohren eines Bohrlochs an einer gewünschten Bohrungsstelle, Behandeln des Bohrlochs zum Optimieren der Förderung von Kohlenwasserstoffen und Durchführen der erforderlichen Schritte zum Fördern und Verarbeiten der Kohlenwasserstoffe aus der unterirdischen Formation.
Moderne Bohrvorgänge erfordern präzise Lenksteuerungen und -vorgänge, um Bohrlöcher in Dünnschicht-Kohlenwasserstofflagerstätten zu erreichen, während unerwünschte Formationsstrata gemieden werden. Solche Lenkvorgänge können erfordern, dass ein Bohrloch mit einem im Allgemeinen vertikalen Verlauf beginnt und zu einem horizontalen Verlauf übergeht, wenn es sich einer bestimmten Formationsstratagrenze nähert, sodass es in den erwünschten Formationsstrata landet. Werkzeuge, die elektromagnetische Wellen erzeugen, können verwendet werden, um die umgebende Formation auf Stratagrenzen hin zu untersuchen, aber bei großen Entfernungen weisen die Werkzeuge wegen der Gegenwart von mehreren Schichten in typischen Formationen und geringer Werkzeugempfindlichkeit fern vom Bohrloch eingeschränkte Wirksamkeit beim Erkennen von Formationsgrenzen auf. Obwohl Widerstandssensoren in einer Bohrgarnitur (BHA) des Bohrstrangs angeordnet sein können, ist die präzise Platzierung des Bohrlochs in Dünnschicht-Lagerstätten bei Sensoren in der BHA wegen Tiefenverzögerung im Allgemeinen nach wie vor schwierig. Der Mangel an genauen Messungen bei tiefen Formationen macht es schwierig, die Formationsgrenze frühzeitig genug zu erkennen, damit das Bohrloch wirkungsvoll in den erwünschten Formationsstrata landet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein umfänglicheres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und ihrer Merkmale und Vorteile wird nun auf die folgende Beschreibung Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten ist, in denen Folgendes gilt:
1 ist eine perspektivische Ansicht von zwei Rollenbohrmeißeln, die verschiedene Stellen für Antennenschleifen zeigt, die an den Bohrmeißeln anzuordnen sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht von zwei Rollenkegeln, auf denen Antennenschleifen angeordnet sind, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Rollenbohrmeißels, bei dem eine Antennenschleife in einem Rollenkegel angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Antennenschleife, die in dem Rollenkegel nach 3 angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Antennenstutzens, der in dem Rollenkegel nach 3 angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Schleifringanordnung, die in dem Rollenkegel nach 3 angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 ist eine schematische Querschnittsansicht des Bohrmeißels nach 3, der an ein Instrumentenansatzstück gekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
8 ist eine schematische Darstellung eines Bohrsystems, das einen Rollenbohrmeißel mit einer darin angeordneten Antennenschleife verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
9 ist ein Blockdiagramm eines Bohrsystems, das einen Rollenbohrmeißel mit einer darin angeordneten Antennenschleife verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
10 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
11 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
12 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
13 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Senderantenne und eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
14 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Senderantenne und eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
15 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Senderantenne und eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
16 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Senderantenne und eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
17 ist eine Reihe von Diagrammen, die Empfindlichkeitsmessungen eines Rollenbohrmeißels darstellen, der eine Senderantenne und eine Empfängerantenne aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Veranschaulichende Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier im Detail beschrieben. Im Interesse der Eindeutigkeit sind in dieser Beschreibung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Umsetzung beschrieben. Natürlich versteht es sich, dass bei der Entwicklung jeder solchen tatsächlichen Ausführungsform zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele der Entwickler zu erreichen, wie etwa Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen, die von einer Umsetzung zur anderen variieren. Zudem versteht es sich, dass ein solcher Entwicklungsaufwand komplex und zeitaufwändig sein könnte, aber dennoch ein Routineunterfangen für den durchschnittlichen Fachmann wäre, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung genießt. Zudem sollten die folgenden Beispiele in keiner Weise derart ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken oder definieren.
Bestimmte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können auf ein Bohrsystem gerichtet sein, das einen Rollenbohrmeißel mit einer darin angeordneten Antennenschleife verwendet, um zu ermöglichen, dass bestimmte Messungen aus dem Meißel vorgenommen werden. Zum Beispiel kann das Bohrsystem eine oder mehrere Antennen verwenden, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet sind, um Messungen des spezifischen Widerstands einer unterirdischen Formation zu ermöglichen. Zwei Antennen werden im Allgemeinen verwendet, um solche Messungen des spezifischen Widerstands vorzunehmen. Eine oder mehrere Antennen wirken als Sender, der elektromagnetische Energie auf Grundlage eines Stroms, der der Senderantenne zugeführt wird, in die Formation überträgt. Eine oder mehrere Antennen wirken als Empfänger, der einen Teil der elektromagnetischen Energie, die von der Formation reflektiert wird, empfängt oder auffängt und eine Spannung und einen Phasenunterschied von der Senderphase zur Messung ausgibt.
Das Vornehmen von Messungen des spezifischen Widerstands aus dem Bohrmeißel kann wichtig sein, um ordnungsgemäße „vorausschauende” und „umherschauende” Erfassung des spezifischen Widerstands zu ermöglichen. Vorausschauende Erfassung bezieht sich auf die Fähigkeit des Bohrsystems, bestimmte Eigenschaften der Formation an einer Stelle vor dem Bohrmeißel zu detektieren, während das Bohrsystem abgesenkt wird, um das Bohrloch zu bohren. Umherschauende Erfassung bezieht sich auf die Fähigkeit des Bohrsystems, Formationseigenschaften an einer Stelle zu detektieren, die den Abschnitt des Bohrlochs umgibt, der gebohrt wird.
Bestehende Systeme verwenden typischerweise ein System zur Erfassung des spezifischen Widerstands, das in ein Modul zur Formationsvermessung während des Bohrens (LWD) oder Messung während des Bohrens (MWD) eingebaut ist, das innerhalb der Bohrgarnitur (BHA) des Bohrstrangs angeordnet ist. Solche Module befinden sich oberhalb des Bohrmeißels in dem Bohrstrang und erreichen daher erst die Tiefe des Bohrlochs, in die der Meißel bohrt, nachdem sich der Bohrmeißel über diesen Punkt hinausbewegt hat. In einigen Fällen kann zum Beispiel die Erfassungsausstattung in den LWD- oder MWD-Modulen erst 5 oder 6 Stunden, nachdem der Bohrmeißel dort gebohrt hat, die Tiefe erreichen, in die ein Bohrmeißel bohrt. Dieser Zeitunterschied kann noch gravierender sein, wenn gerichtetes Bohren durchgeführt wird. Die bestehenden Widerstandssensoren in den MWD-/LWD-Modulen weisen typischerweise nicht die Schärfentiefe in den Antennen auf, die dazu verwendet werden, die Messungen des spezifischen Widerstands durchzuführen, um die erwünschten vorausschauenden und umherschauenden Messungen bereitzustellen, die benötigt werden, um Veränderungen des Bohrverlaufs in Echtzeit auf Grundlage der Messungen vorzunehmen. In vorliegenden Ausführungsformen können jedoch die Antennen, die zum Durchführen dieser Messungen verwendet werden, direkt an dem Meißel angeordnet sein. Von dieser Position aus benötigt die Antenne nicht so viel Schärfentiefe und kann daher genauere vorausschauende und umherschauende Messungen des spezifischen Widerstands bereitstellen, mit denen Bohrparameter in Echtzeit angepasst werden.
Erneut können die eine oder mehreren Antennen, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet sind, dazu verwendet werden, einen spezifischen Widerstand der Formation zu detektieren, durch die der Bohrstrang abgesenkt wird. Die Messung des spezifischen Widerstands kann als Informationsgrundlage für bestimmte Entscheidungen zur Änderung eines Bohrverlaufs oder zur Anpassung verschiedener anderer Bohrparameter dienen, um wirkungsvoller zu bohren. Die Messung des spezifischen Widerstands kann Bohrbedienern Informationen in Bezug auf das Material der Formation bereitstellen, da jedes Material in der Formation einen bestimmten spezifischen Widerstand aufweist.
Die Messung des spezifischen Widerstands kann ferner Informationen in Bezug auf die Menge von Anisotropie in der Formation bereitstellen. Das bedeutet, die Formation kann Schichten aus unterschiedlichen Arten von Gestein, Sand, Schiefer und anderen Materialien umfassen. Die Dicke der Schichten und Richtung, in die sie sich erstrecken, kann variieren. Es kann bei einigen Bohrvorgängen wünschenswert sein, die anisotrope Richtung der Formation zu ermitteln. Die anisotrope Richtung bezieht sich auf die Richtung, in die sich der Bohrstrang fortbewegen kann, sodass er schnell durch mehrere unterschiedliche Schichten der Formation vordringt. In einigen Formationen kann dies eine im Wesentlichen vertikale Richtung sein, während sie in anderen eine stärker abgelenkte Richtung sein kann. Bohren in die anisotrope Richtung kann es dem Bohrsystem ermöglichen, effizienter durch die Formationsschichten zu dringen, um einen erwünschten Formationsabschnitt zum Fördern zu finden. Sobald die erwünschte Formationsschicht gefunden ist, kann es wünschenswert sein, den Bohrmeißel dann in eine Richtung zu lenken, die einen größeren Abschnitt des Bohrstrangs an der Formation ausrichtet (z. B. isotrope Richtung).
Die Geometrie des Rollenbohrmeißels kann besonders zum Sammeln von Messungen des spezifischen Widerstands geeignet sein, die dazu verwendet werden, Anisotropie in einer unterirdischen Formation zu ermitteln. Konkret neigen die Rollenkegel dieser Art von Bohrmeißel dazu, in einer schrägen Orientierung in Bezug auf die Achse des Bohrmeißels selbst angebracht zu sein, wenn er sich in das Bohrloch erstreckt. Durch die Bereitstellung der Antennenschleife in dem schrägen Rollenkegelabschnitt des Bohrmeißels kann die Antennenschleife Messungen des spezifischen Widerstands von unterschiedlichen Tiefen der Formation sowie unterschiedlichen radialen Positionen der Formation, die den Bohrmeißel umgibt, bereitstellen. Diese Messungen können interpretiert werden, um Variationen bei dem spezifischen Widerstand der Formation zu ermitteln, die Anisotropie anzeigen können. Zusätzlich können solche Messungen auch allein mit der einen Antennenschleife durchgeführt werden, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist.
Weitere Anwendungen der Antenne in einem Rollenbohrmeißel können die Verwendung eines Widerstandssensors in dem Bohrmeißel als magnetisches oder elektromagnetisches Abstandsmesssystem umfassen. Solche Abstandserfassung bezieht sich auf die Ermittlung, wie nah oder weit das Bohrsystem von einer Grenze der Formation oder einem nahegelegenen Ziel entfernt ist. Zum Beispiel kann elektromagnetische oder magnetische Abstandsmessung an dem Bohrmeißel verwendet werden, um einem bestehenden Bohrloch zu folgen oder um ein bestehendes Bohrloch zu schneiden, um im Fall eines Ausbruchs eine Entlastungsbohrung zu bohren. Bei anderen Vorgängen kann elektromagnetische oder magnetische Abstandsmessung relativistische Lenkung des Bohrstrangs zu einer Schichtgrenze oder einem Wert des spezifischen Widerstands der Formation ermöglichen, um dafür zu sorgen, dass der Bohrstrang sich weiterhin in einer ölführenden Zone fortbewegt und nicht in einer wasserführenden Schicht. Die Vornahme dieser Messungen über eine Antenne, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist, kann einem Bediener mehr Raum für Anpassungen geben, wenn er versucht, eine Bohrung zu schneiden oder einer Ölschichtgrenze zu folgen.
Wie vorstehend erwähnt können eine oder mehrere Antennenschleifen in einem Rollenbohrmeißel angeordnet sein. Der Rollenbohrmeißel kann einen oder mehrere darin angeordnete Rollenkegel umfassen, die drehbar an einen stationären Teil des Bohrmeißels (z. B. Zapfenarm) gekoppelt sind, um Gestein wirkungsvoller von der Formation abzuschneiden. Das bedeutet, die Rollenkegel können derart an dem Zapfenarm angebracht sein, dass es den Rollenkegeln ermöglicht wird, sich relativ zu dem Zapfenarm des Bohrmeißels zu drehen. Rollenbohrmeißel, sowohl in der Warzen- als auch Zahnvariante, werden typischerweise als günstige Alternative zu fixierten Schneidmeißeln wie etwa Bohrmeißeln aus polykristallinem Diamantpressling (PDC) angesehen. Zusätzlich ist bei einigen Gesteinsarten der Einsatz eines Rollenbohrmeißels wirtschaftlicher als der eines PDC-Bohrmeißels. Daher sind PDC-Bohrmeißel mit Sensoren und anderen Instrumenten eine relativ kostspielige Möglichkeit zur Bereitstellung gewünschter vorausschauender umherschauender Messungen des spezifischen Widerstands. Der offenbarte Rollenbohrmeißel ist im Allgemeinen günstiger zu fertigen und innerhalb bestimmter Bohrlöcher zu betreiben als die fixierten Schneidmeißel. Vorliegend offenbarte Ausführungsformen stellen einen Rollenbohrmeißel bereit, der eine in dem Rollenkegelabschnitt des Meißels angeordnete Antennenschleife aufweist, um spezifische Arten von Messungen des spezifischen Widerstands oder magnetische Abstandsmessungen von dem Meißel aus durchzuführen.
In einigen Ausführungsformen des offenbarten Systems kann der Rollenbohrmeißel lediglich eine Empfängerantennenschleife umfassen. Zum Beispiel kann eine Senderantenne, die in einem oberen Abschnitt des Bohrsystems (z. B. BHA) angeordnet ist, elektromagnetische Wellen in die Formation übertragen, und die Antennenschleife, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist, kann die Wellen aus der Formation auffangen, um die Messung bereitzustellen. Dies kann es dem System ermöglichen, eine Detektion von spezifischem Widerstand an einem Punkt nahe dem Boden des Bohrstrangs bereitzustellen, ohne dass zusätzliche elektronische Komponenten in dem austauschbaren Meißelabschnitt angeordnet sein müssen.
In anderen Ausführungsformen umfasst der Rollenbohrmeißel sowohl Sender- als auch Empfängerantennenschleife. Es kann wünschenswert sein, diese Sender- und Empfängerantennenschleife an bestimmten Positionen relativ zueinander innerhalb des Bohrmeißels zu positionieren. Zum Beispiel können die Sender- und die Empfängerantenne in einer orthogonalen Ausrichtung relativ zueinander angeordnet sein. Das bedeutet, die Ebene, in denen eine dieser Antennenschleifen ausgerichtet ist, kann im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene sein, in der die andere Antennenschleife ausgerichtet ist. Diese orthogonale Sensorplatzierung kann den Dynamikbereich der Messung des spezifischen Widerstands erweitern, da die elektromagnetischen Wellen sich von dem Sender in die Formation ausbreiten können, statt sich von der Senderantenne direkt durch den Empfänger zu bewegen.
Unterschiedliche Anordnungen von Sender- und/oder Empfängerantenne in dem Rollenbohrmeißel können Messungen des spezifischen Widerstands erleichtern, die zum Bohren unterschiedlicher Arten von Formationen geeignet sind. Wie vorstehend ausführlich beschrieben können einige Sensoranordnungen Messungen des spezifischen Widerstands mit sehr hoher Empfindlichkeit innerhalb eines kleinen räumlichen Bereichs, der den Bohrmeißel umgibt, ermöglichen, während andere Messungen ermöglichen können, die einen größeren Bereich, aber niedrigere Auflösung aufweisen. Zusätzlich können einige Sensoranordnungen detailliertere Messungen des spezifischen Widerstands auf einer Seite des Bohrmeißels bereitstellen (z. B. azimutale Messung). Solche Anordnungen können zum Bohren von Formationen besonders geeignet sein, bei denen es wünschenswert ist, sich auf einen Bereich des Gesteins in der Formation zu fokussieren.
1 stellt ein Paar Rollenbohrmeißel 10 dar, die mit Erfassungskomponenten an unterschiedlichen Punkten entlang der Rollenbohrmeißel 10 ausgestattet sind. Konkret können diese Erfassungskomponenten Schleifenantennen umfassen, die an bestimmten Positionen 12 um die Rollenbohrmeißel 10 angeordnet sind, um gewünschte Messungen des spezifischen Widerstands oder magnetische Abstandsmessungen bereitzustellen. Diese Positionen 12 können unter anderem die Rollenkegel 14 der Bohrmeißel 10, an Seitenflächen 16 der Bohrmeißel 10 oder um einen Umfang 18 einer Basis des Bohrmeißels 10 umfassen.
Obwohl drei Kegel 14 in jedem Rollenbohrmeißel 10 dargestellt sind, können andere Ausführungsformen solcher Bohrmeißel 10 einen bis sechs oder mehr Kegel 14 umfassen. Bestimmte Positionen 12 an solchen Rollenbohrmeißeln 10 können Geometrien bereitstellen, die zur Platzierung einer Schleifenantenne geeignet sind. Die dargestellte Ausführungsform zeigt mehrere mögliche, aber nicht darauf beschränkte Positionen 12 für Schleifendipolantennen für elektromagnetische Wellen. Insbesondere kann eine Antenne entlang eines Rings 12A um einen der Kegel 14 der Bohrmeißel 10 angeordnet sein. Diese Position 12A kann eine besonders wünschenswerte Stelle zum Platzieren einer geneigten oder außeraxialen Schleifenantenne sein, da eine einwirkende Kraft von dem Boden des Lochs auf den Bohrmeißel 10 nicht direkt auf diesen Teil des Bohrmeißels 10 auftreffen kann, wenn Gewicht an dem Meißel 10 angelegt wird. Zusätzlich kann, wie vorstehend erwähnt, die geneigte Ausrichtung der Antenne in dieser Position 12A es dem Bohrsystem ermöglichen, anisotrope Messungen der Formation unter Verwendung einer einzelnen Antennenschleife vorzunehmen, die an dem Rollenkegel 14 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann die äußerste Ringposition 12A eines Rollenkegels 14 eine Stelle darstellen, die verbesserte Haltbarkeit und Lebensdauer der daran platzierten Antennenschleife bereitstellt.
Es ist anzumerken, dass weitere Stellen 12 an dem Bohrmeißel neben den Ringen 12A an den Kegeln 14 verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Schleifenantenne in anderen Ausführungsformen an dem Meißelschaft (12B), um den Körper des Meißels (12C) und/oder um die Messdüse des Bohrmeißels 10 angeordnet sein.
In einige Ausführungsformen können mehrere Antennenschleifen an derselben Außenfläche 20 des Rollenkegels 14 angeordnet sein, wobei diese Fläche 20 dazu ausgelegt ist, den Boden des Bohrlochs während der Bohrvorgänge zu kontaktieren, um das Bohrloch voranzutreiben. In solchen Ausführungsformen des Bohrmeißels 10 kann jede der mehreren Antennenschleifen wegen der Nuten, die zum Einsetzen der Antennen an den gewünschten Positionen 12A oder zum Aufnehmen der gefrästen Zähne an dem Kegel 14, die dazu ausgelegt sind, mit anderen Kegeln 14 in Eingriff zu treten, in den Kegeln 14 gebildet sein können, unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Entsprechend können einige Antennen an der Meißelfläche 20 wegen der Positionierung der Warzen und der Nuten zum Aufnehmen benachbarter Kegel 14 unterschiedliche Größen aufweisen. Solange jedoch der Durchmesser jeder der an ihren konkreten Positionen 12 angeordneten Antennen bekannt ist, können diese Positionen 12 als Antennenstellen für Widerstandssensoren zum Bereitstellen von Abstands- oder Näherungserfassung wirken.
2 stellt eine weitere Ausführungsform dar, die weitere Positionen 12D zeigt, die zum Platzieren von Antennen 24 an einem Rollenbohrmeißel 10 verwendet werden können. In der schematischen Darstellung sind zwei repräsentative Rollenkegel 14 eines Rollenbohrmeißels 10 gezeigt, die in bestimmten Schleifenwegen 12D platzierte Antennen 24 aufweisen. Es sind keine Rollenkegelzähne dargestellt, um eine vereinfachte Figur bereitzustellen. Wie dargestellt kann jeder Schleifenweg 12D primär über einen Durchmesser 26 des Rollenkegels 14 verlaufen und einer Form folgen, die im Allgemeinen der Außenfläche 20 des Kegels 14 folgt. Wenn der Weg 12D eine kreisförmige Fläche 28 des Kegels 14 erreicht, kann er dann eine Schleife entlang eines Umfangswegs 30 um die Fläche 28 bilden, um die Schleife zu vervollständigen. An einem Punkt entlang dieses Umfangswegs 30 kann entlang der Schleife eine Unterbrechung 32 in der Antenne 24 vorhanden sein, um Antennendrähte mit der Antenne 24 zu verbinden. Es ist jedoch anzumerken, dass die Unterbrechung 32 in der Antenne 24 bei anderen Ausführungsformen an jedem gewünschten Punkt entlang des Antennenwegs 12D vorliegen kann.
Nach der Beschreibung der allgemeinen Platzierungen der Antennenschleife 24 an Rollenkegeln 14 zur Verwendung in dem offenbarten Bohrmeißelsystem wird nun eine detailliertere Beschreibung der Bohrmeißelsystemkomponenten bereitgestellt. 3 stellt schematisch einen Querschnitt eines Rollenkegels 14 und eines Schafts 50 dar, die in dem Rollenbohrmeißel 10 vorhanden sein können. Wie dargestellt kann der Rollenkegel 14 die vorstehend beschriebene Antennenschleife 24 zum Ausführen der gewünschten Messungen des spezifischen Widerstands aufweisen. Konkret ist die Antennenschleife 24 umlaufend um einen hinteren Abschnitt 52 des Rollenkegels 14 (dem Abschnitt des Rollenkegels 14 entgegengesetzt, der auf das Bohrloch einwirkt) angeordnet. Es ist jedoch anzumerken, dass die Antenne 14 bei anderen Ausführungsformen entlang anderer Durchmesser des Rollenkegels 14 angeordnet sein kann und in Abhängigkeit von der Geometrie der gewünschten allgemeinen Wegrichtung für die Rollenantenne oder Antenne an dem Meißelkörper nicht notwendigerweise einem kreisförmigen Weg folgen kann. Nicht kreisförmige Wege können zum Beispiel ein Ergebnis des Führens der Antenne um Warzen sein, was einen erratischeren Schleifenweg bilden kann, oder um den Schaft, was wegen der Form des Schafts ovaler sein kann. Im Allgemeinen können jedoch alle Antennen einen Schleifenweg aufweisen, was bedeutet, dass der Anfangs- und Endpunkt der Antenne mindestens teilweise eine Schleife um einen Weg bilden und im Allgemeinen zu einer Position in der Nähe des Anfangspunkts des anderen Endes der Antenne zurückkehren.
In einigen Ausführungsformen kann der Bohrmeißel 10 den Schaft 50, den Kegel 14, einen Ausgleichskanal für hydrostatischen Druck 54, der mit einem Ausgleichskolben oder einer -membran verbunden ist (nicht dargestellt), einen Zapfenarm 56, eine Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58, einen Kugellagersicherungsring 60, einen Kugellagerringkäfig (nicht dargestellt) und einen Arretierstift 62 umfassen. Der Schaft 50 kann strukturelle Abstützung für den Rollenkegel 14 bereitstellen und den dargestellten Rollenkegel 14 an andere ähnliche Rollenkegel 14 des Bohrmeißels 10 koppeln. Der Kugellagersicherungsring 60 und Kugellagerringkäfig können dazu verwendet werden, Lager zwischen dem Zapfenarm 56 und dem Rollenkegel 14 in Position zu halten, wodurch es dem Rollenkegel 14 ermöglicht wird, sich während des Bohrens in Bezug auf den Zapfenarm 56 zu drehen. Der Ausgleichskanal für hydrostatischen Druck 54, der durch den Schaft 50 verläuft, kann einen Weg zum Führen von Öl aus einer Membranpumpe zu den Kugellagern in dem Sicherungsring 60 bereitstellen. Der Arretierstift 62 kann den Druckausgleichskanal 54 gegen den Druck außerhalb des Bohrmeißels 10 abdichten, sodass in dem Kanal 54 der hydrostatische Druck nach dem Einbau der Lager in den Bohrmeißel 10 aufrechterhalten wird. Zusätzliche O-Ring-Dichtungen 64 können zwischen dem Zapfenarm 56 und dem Rollenkegel 14 angeordnet sein.
Die in dem Rollenkegel 14 angeordnete Antennenschleife 24 kann zwei Enden 66 (nur eines ist sichtbar) zum Anschließen von entgegengesetzten Enden des Antennendrahts an andere elektronische Komponenten umfassen, die dazu verwendet werden, Berechnungen des spezifischen Widerstands oder für magnetische Abstandsmessung durchzuführen. Jedes der Enden 66 kann an einen jeweiligen Draht 68 durch den Rollenkegel 14 gekoppelt sein, der elektronische Signale zwischen der Antennenschleife 24 und anderen elektronischen Komponenten überträgt. Wie dargestellt können diese Drähte 68 durch die Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 des Rollenkegels 14 geführt sein. Zum Beispiel kann der Rollenkegel 14 Kanäle 72 umfassen, die maschinell in den Kegel 14 eingearbeitet und abgedichtet sind, um einen Weg für die Drähte 68 zu erleichtern, der von der Antennenschleife 24 zu der Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 führt. Die Kanäle 72 können Stopfen 74 umfassen, die in den Enden der Kanäle 72 gebildet sind, die sich andernfalls bis außerhalb des Rollenkegels 14 erstrecken würden. Es ist anzumerken, dass die dargestellte Ausführungsform ein Beispiel für einen Rollenkegel 14 ist, der eine eingebaute Antennenschleife 24 zum Vornehmen von Messungen des spezifischen Widerstands und anderer Größen aufweist, und andere Arten, Formen und Anordnungen des Rollenkegels 14 bei anderen Ausführungsformen vorliegen können.
Die Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 kann es wie nachstehend detailliert beschrieben ermöglichen, dass die Signale von dem sich drehenden Rollenkegel 14 zu dem relativ stationären Zapfenarm 56 geführt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 Elektronik umfassen, die dazu ausgelegt ist, an die oder von der Antennenschleife 24 gesendete Signale zu filtern und/oder zu verstärken oder anderweitig zu verändern. Zusätzliche Drähte 70 können dem Rollenkegel 14 entgegengesetzt an ein Ende der Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 gekoppelt sein und dazu verwendet werden, Signale zu oder von einer anderen Elektronikanordnung weiter oben in der Bohrgarnitur (BHA) zu führen, an der der Bohrmeißel 10 angebracht ist. Dazu können dieses Drähte 70 durch den bereits vorhandenen Druckausgleichskanal 54 verlaufen. Dies kann die Montage des Rollenbohrmeißels 10 vereinfachen, da kein zusätzlicher Kanal maschinell gefertigt werden muss, um die Drähte 70 durch den Schaft 50 zu tragen.
4 stellt einen Querschnitt einer Antennenbaugruppe 110 dar, bei der die Antennenschleife 24 innerhalb einer Kante des Rollenkegels 14 platziert ist. Es ist anzumerken, dass weitere Anordnungen von Antennenbaugruppen 110 verwendet werden können, um die offenbarte Antennenschleife 24 innerhalb anderer Ausführungsformen des Rollenkegels 14 aufzunehmen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Antennenbaugruppe 110 die Antennenschleife 24, ein Fokussierungselement 92, eine Formkomponente 112 (z. B. Vergussmasse) und einen Ferritstab 114.
Das Fokussierungselement 92 kann ein radiales Fokussierungselement 92 der Antennenschleife 24 sein, die in einer in dem Körper 116 gebildeten Nut angeordnet ist. Das radiale Fokussierungselement 92 kann dabei helfen, das elektromagnetische Feld zu fokussieren, und der Antennenschleife 24 Schutz vor Erosion bieten. Das radiale Fokussierungselement 92 kann ferner strukturelle Abstützung der Antennenschleife 24 bereitstellen. Das Fokussierungselement 92 kann aus Metall gefertigt sein und in einigen Ausführungsformen mit einem Dielektrikum beschichtet sein, um zu verhindern, dass es Wirbelströme über die hintere Seite 52 des Rollenkegels 14 strömen lässt. In anderen Ausführungsformen kann das Fokussierungselement 92 in einen Körper 116 des Rollenkegels 14 integriert sein, indem ein 3D-Metalldrucker zum Drucken des Fokussierungselements 92 innerhalb des Körpers 116 verwendet wird. In anderen Ausführungsformen kann das Fokussierungselement 92 unisoliert sein und mit dem Kegelkörper 116 in Kontakt stehen.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Antennenschleife 24 eine Hohlröhre. In anderen Ausführungsformen kann die Antennenschleife 24 jedoch eine massive Röhre umfassen. Die Antennenschleife 24 kann aus einem Metall wie etwa Titan, Kupfer, Silber, einer Metalllegierung oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material gefertigt sein. In einigen Ausführungsformen kann die Antennenschleife 24 aus einer Laminierung von Materialien gefertigt sein, wie etwa einem Kern aus Edelstahl mit einer Überzugsschicht aus einem anderen Material mit einer höheren Leitfähigkeit. Zum Beispiel kann die Überzugsschicht aus Kupfer, Silber, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren oder jedem anderen geeigneten Leiter hergestellt sein. Die Überzugsschicht kann mit einer gewünschten Dicke auf Grundlage der beabsichtigten Mindestbetriebsfrequenz der Antennenschleife 24 geschichtet sein. Zusätzlich zu dem Kern und der Überzugsschicht können einige Antennenschleifen 24 ferner mit einer dielektrischen Schicht beschichtet sein, um den Strom an der Antenne zu halten und das Risiko zu reduzieren, dass der Strom einen Kurzschluss zu dem Rollenkegel 14 verursacht, insbesondere bei Beschädigung des Kegels 14. Daher kann die dielektrische Beschichtung eine redundante Schutzschicht für die Antennenschleife 24 bereitstellen. Die dielektrische Beschichtung kann eine Schicht aus Polyetheretherketon (PEED) wie etwa Arlon 1000, Polytetrafluorethylen (PTFE), Nylon, Teflon oder einem anderen geeigneten Isolator umfassen.
Meistens sind die bei herkömmlichen Rollenbohrmeißeln verwendeten Materialien aus einem hochfesten Material gefertigt, das relativ günstig herzustellen ist, wie etwa einem Eisenlegierungsstahl. In einigen Ausführungsformen können jedoch der Kegelkörper 116 und/oder der Meißelkörper aus einem nicht magnetischen Material wie etwa P550, Monel^® oder Inconel, Titan, Aermet oder einem anderen nicht magnetischen Metall oder einer nicht magnetischen Metalllegierung gefertigt sein. Durch die Fertigung des Kegel- und/oder Meißelkörpers aus einem nicht magnetischen Material kann es möglich sein, die Induktivität zu reduzieren, die die Antenne 24 erfährt, wenn sie eine elektromagnetische Welle durch Wechselstromerregung, die in die Schleifenantenne 24 eingespeist wird, in ihre Umgebung treibt. Einige Ausführungsformen des Rollenkegels 14 können ferner Warzen 118 aufweisen, die sich von dem Körper 116 erstrecken, um in die Formation zu schneiden. Solche Warzen 118 können aus jedem wünschenswerten harten Material gebildet sein, wie etwa Warzen aus polykristallinem Diamantpressling (PDC) oder Wolframcarbid mit einem nicht magnetischen Bindermaterial (außer reinem Cobalt). Wenn der Kegelkörper 116 wie vorstehend beschrieben nicht magnetisch ist, kann die Antennenbaugruppe 110 von einem Ferrit (z. B. Ferritstab 114) oder anderen hochgradig magnetisch durchlässigen Material profitieren, das um mindestens einen Abschnitt der Antennenschleife 24 angeordnet ist. Dieser Ferritstab 114 kann eine H-Feldgröße (magnetische Feldstärke) verbessern, die von einem Strom erzeugt wird, der durch die Antennenschleife 24 strömt. Dies kann die Induktivität letztlich wieder auf ein wünschenswerteres Niveau für den Magnetpfad des Signals erhöhen. Daher kann es in Abhängigkeit von der gewünschten Frequenz wünschenswert sein, einige eisenhaltige Teile für den Meißel zu verwenden, wenn es zum Abstimmen der Resonanz der Antenne 24 bei einer gewünschten Frequenz und/oder Hinzufügen von Ferrit oder anderen eisenhaltigen Materialien in die Antennenschleife 24 vorteilhaft ist, wie etwa durch Fertigen des Kegels aus einem eisenhaltigen Material.
Das dargestellte Formmaterial 112 kann dazu verwendet werden, den Raum zwischen den Komponenten der Antennenbaugruppe 110 aufzufüllen, um zu verhindern, dass Bohrklein und Fluid in den Antennenbereich eindringen. In einigen Ausführungsformen kann das Formmaterial 112 ein Kunststoffmaterial (z. B. Epoxid, Keramik, Gummi, Nylon, Teflon oder PEEK) umfassen, das in die Räume um die Antennenschleife 24, den Ferritstab 114 und gegen das Fokussierungselement 92 spritzgegossen ist. In anderen Ausführungsformen kann das Formmaterial 112 als feste Teile konstruiert sein, die später eingesetzt werden, um den überschüssigen Bereich innerhalb des Rollenkegels 14 aufzufüllen. Weitere Materialien, die von dem Formmaterial 112 verwendet werden können, umfassen Gummi und anderes nicht leitfähiges Material.
5 und 6 stellen detailliertere Ansichten der Komponenten dar, die in dem Rollenkegel 14 vorhanden sein können. Zum Beispiel konzentriert sich 5 auf den Antennenpfosten-Einsetzpunkt eines Endes 130 der Antennenschleife 24. Die dargestellte Ausführungsform umfasst zwei Drähte 68 wie vorstehend beschrieben. Wie in der Querschnittsansicht gezeigt ist einer der Drähte 68 mit dem Antennenende 130 verbunden, während sich der andere in die Seite in Richtung des anderen Antennenschleifenendes erstreckt (nicht dargestellt). Es ist anzumerken, dass zwar nur ein Einsetzpunkt an einem Ende 130 der Antennenschleife 24 gezeigt ist, jedoch eine ähnliche Anordnung für das entgegengesetzte Ende der Antennenschleife 24 vorliegen kann. Die Drähte 68 können jede gewünschte Art von Leiter sein. Diese Drähte 68 können wie nachstehend im Detail beschrieben zu dem Schleifring in dem Drucklagerbereich des Rollenkegels 14 geführt sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Ende der Antennenschleife 24 an dem Rollenkegelkörper 116 geerdet sein, sodass nur ein isolierter Draht 68 mit dem anderen Ende der Antennenschleife 24 verbunden ist, um den Strom durch die Antenne zu leiten. Diese Technik kann jedoch die Fähigkeit zur Steuerung eines Fließwegs des Stroms und daher die Richtung der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Antennenschleife 24 einschränken. Obwohl sie als parallele Drähte 68 dargestellt sind, können die zwei Drähte 68, die an die Enden der Antennenschleife 24 gekoppelt sind, innerhalb eines Zweileiterkabels wie etwa eines verdrillten Kabelpaars oder eines Koaxialkabels angeordnet sein.
Wie vorstehend erwähnt können die Drähte 68 einem vorgefertigten Weg oder gebildeten Kanälen 72 durch den Körper 116 des Rollenkegels 14 folgen. Die Kanäle 72 können während einer Konstruktion des Basismetalls, das den Körper 116 bildet, mittels Gießen, 3D-Drucken oder Elektroerosion (EDM) gebildet werden. In anderen Ausführungsformen können die Kanäle 72 als Löcher in den Körper 116 gebohrt sein. In solchen Fällen kann es gewünscht sein, die Kanäle 72 relativ zueinander zu übersteuern, um ein vollständiges Kreuzen 132 der Kanäle 72 miteinander zu gewährleisten. Die Kanäle 72 können einen Weg erzeugen, damit die Drähte 68 von dem Schleifringabschnitt des Rollenkegels 14 zu den Antennenschleifenenden 130 verlaufen können.
Während der Konstruktion des Rollenkegels 14 kann es wünschenswert sein, jegliche Luft mit einem Fluid wie etwa einem Schmierfluid aus den Kanälen 72 zu verdrängen, sodass ein Druckausgleichskolben oder eine -membran verwendet werden kann, um den Druck des Fluids innerhalb des Fluidschmierungsbereichs des Rollenkegels und den Bohrloch-Außendruck auszugleichen, wenn der Meißel in das Bohrloch abgesenkt wird. Dies kann ermöglichen, dass die Drehdichtungen in einer Situation mit ausgeglichenem Druck wirken, wodurch die Lebensdauer der Drehdichtungen gesteigert wird. Diese Verdrängung von Luft durch die Kanäle 72 kann ferner durch Vergießen des Wegs mit einem Füllmaterial 134 wie etwa einem erstarrenden Kunststoff oder Keramikepoxid, Gummi oder einer Kunststoffeinspritzung erreicht werden. In diesem Fall kann ein Fluidkommunikationsweg zwischen den Kanälen 72 und dem Kegellagerbereich gebildet werden, der wie vorstehend beschrieben bereits in Fluidkommunikation mit dem Druckausgleichssystem des Rollenkegels 14 steht.
Wie dargestellt kann der Draht 68 einem Weg folgen, der durch die Kanäle 72 definiert ist, um sich mit dem Antennenende 130 zu verbinden. Das Antennenende 130 kann einen Antennenstutzen 136 umfassen, der in etwa senkrecht zu der Antennenschleife 24 selbst hervorsteht. In einigen Ausführungsformen könnte der Draht 68 über einen Verbinder an den Antennenstutzen 136 gekoppelt sein. In der dargestellten Ausführungsform ist der blanke Leiterabschnitt des Drahts 68 jedoch über eine innerhalb des Antennenendes 130 gebildete Lötnut 138 direkt an den Antennenstutzen 136 gelötet.
In einigen Ausführungsformen kann der Antennenstutzen 136 in einen elektrisch isolierten Pfostenträger 140 eingesetzt werden. Dieser Träger 140 kann zum Beispiel aus eine PEEK-Material oder einer anderen Art von maschinell bearbeitbarem Kunststoff gefertigt sein. Der Träger 140 kann Dichtungen 142 daran umfassen, um zu verhindern, dass Bohrfluid in die hintere Seite der Antennenbaugruppe 110 oder die Kanäle 72 eindringt. Eine Sicherungskappe 144, die eine dielektrische isolierende Beschichtung aufweist, wie etwa die vorstehend beschriebenen Fokussierungselemente 92, kann dazu verwendet werden, die Antennenschleife 24 in Position zu halten. Die Sicherungskappe 144 kann über darin gebildete Befestigungsnuten 145 in dem Rollenkegel 14 befestigt werden. Die Sicherungskappe 144 kann dann mit einem kleinen Bolzen oder anderen Befestigungselement gesichert werden (nicht dargestellt). In anderen Ausführungsformen kann die Sicherungskappe 144 mittels jedes anderen wünschenswerten Befestigungsverfahrens an dem Rollenkegel 14 befestigt werden, einschließlich unter anderem Hartlöten, Schweißen oder Kleben. Weitere Vergussmasse 134 kann in dem Raum zwischen der Sicherungskappe 144 und der Antennenschleife 24 angeordnet werden, um die Anordnung aufzufüllen und ferner bei der Bindung der Sicherungskappe 144 an den Rollenkegel 14 zu helfen.
6 stellt die Schnittstelle zwischen dem Zapfenarm 56 und dem Rollenkegel 14 detailliert dar und konzentriert sich neben anderen Komponenten auf die Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58. Die von der Antennenschleife 24 über die Kanäle 72 geführten Drähte 68 münden in einen Verbinder 150, der an dem Rollenkegelkörper 116 gesichert ist (z. B. mit Gewinde). Die Drähte 68 können dann in einzelne Leiterringe 152 münden, einen für jeden Draht 68. Federkontakte 154 können um jeden der jeweiligen Leiterringe 152 angeordnet sein, um elektrischen Kontakt zwischen den Federkontakten 154 und den Leiterringen 152 zu ermöglichen. Daher kann, wenn sich der Rollenkegel 14 während des Bohrens relativ zu dem Zapfenarm 56 dreht, elektrischer Kontakt zwischen den Drähten 68 zu der Antennenschleife 24 und elektrischen Komponenten an der Zapfenarmseite des Bohrmeißels 10 aufrechterhalten werden.
Die Federkontakte 154 können an einen nicht leitfähigen Federträger 156 gekoppelt sein. Der Federträger 156 kann aus PEEK (wie etwa Arlon 1000) gefertigt sein, da es sich dabei um einen maschinell bearbeitbaren Kunststoff handelt, der nicht leitfähig ist, obwohl andere Materialien in anderen Ausführungsformen verwendet werden können. Der Federträger 156 kann entlang einer Drucklagerseite 157 des Zapfenarms 56 angeordnet und über ein Befestigungselement, Gewinde oder einen chemischen Bindungsprozess an dem Zapfenarm 56 gesichert sein, um zu gewährleisten, dass der Federträger 156 sich nicht relativ zu dem Zapfenarm 56 dreht. Solche unerwünschte Drehung des Federträgers 156 würde zu Brüchen von isolierten Drähten 158 führen, die von dem Federträger 156 wegführen. Der Federträger 156 kann ferner daran angeordnete Dichtungen 160 aufweisen, um einen gewünschten Druck in dem Raum zwischen dem Zapfenarm 56 und dem Federträger 156 aufrechtzuerhalten. In einigen Ausführungsformen kann der Federträger 156 ferner mit einer zwischen den drehbaren Schleifringkomponenten und dem stationären Federträger 156 angeordneten Kontaktbürstensperre 162 ausgestattet sein. Die Federkontakte 154 können an Schleifring-Feder-Befestigungspunkten 164 entlang des Federträgers 156 an dem Federträger 156 befestigt sein.
Es ist anzumerken, dass mehrere andere Techniken verwendet werden können, um elektrische Übertragung über zwei Körper hinweg zu ermöglichen, die sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen oder bei denen wie in diesem Fall einer stationär ist, während sich der andere dreht. Zum Beispiel kann das System in einigen Ausführungsformen eine induktive Kopplung von zwei elektrischen Spulen verwenden, um wie ein Transformator von einer Spule zu der anderen gegenseitig elektrische Energie zu induzieren. Weitere Formen von Schleifringen können in anderen Ausführungsformen verwendet werden. Zusätzlich könnte eine Ringkernspulenkopplung verwendet werden, wobei innerer elektrischer Kontakt hergestellt wird, um lokale Schleifenströme zu ermöglichen, die die Energiekopplung zwischen zwei Ringkernspulen bereitstellen. Die dargestellte Schleifringausführung kann jedoch besonders für die Verwendung in dem Rollenbohrmeißel 10 angemessen sein, um eine relativ eindeutige Verbindung innerhalb der gewünschten Größenbeschränkungen bereitzustellen.
Die isolierten Drähte 158, die von dem Federträger 156 wegführen, können abhängig von einer Antennenkonfiguration, die unter Tage oder vor dem Betrieb gewählt werden kann, einer Empfängerantenne oder einer Senderantenne entsprechen. Bei Ausführungsformen, bei denen die Antennenschleife 24 dazu konfiguriert ist, als Empfängerantenne zu wirken, können zusätzliche elektronische Komponenten in dem Zapfenarm 56 angeordnet sein, um Verarbeitung von elektrischen Signalen an dem Bohrmeißel 10 bereitzustellen. Wie dargestellt können die Drähte 158 durch einen Durchgangsverbinder (oder eine Drucktrennwand) 166 zu einer Leiterplatte 168 in dem Zapfenarm 56 verlaufen. Die Leiterplatte 168 kann eine Bandpassfilter-, Vorverstärker- oder Verstärkerschaltung umfassen, um die erfasste Signalstärke zu verstärken, und eine Impedanzanpassungsschaltung, die die Antwort der empfangenden Antenne verbessern kann, die selektiv auf eine Übertragungsfrequenz des Sensorsystemsenders abgestimmt oder fest darauf eingestellt ist. In einigen Ausführungsformen kann die Leiterplatte 168 ferner eine Digitalisierungsschaltung umfassen, die dazu verwendet werden kann, das erfasste analoge Signal, das von den Drähten 158 übertragen worden ist, in ein digitales Rücklaufsignal umzuwandeln, das an eine Sensorsteuerung zu übertragen ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Anordnung ein abgeschirmtes Sensorkabel 170 umfassen, das alle Leiteradern von der Leiterplatte 168 wegführt. Die Adern in dem Sensorkabel 170 können Strom, Masse und das Sensorsignal zu und von der Leiterplatte 168 führen. Das Sensorkabel 170 kann, sobald es eine zusätzliche Drucktrennwand 172 durchquert hat, entlang eines Wegs oder Kanals 174 durch den Bohrmeißel 10 (z. B. durch den Druckausgleichskanal 54 nach 3) zur Weiterverarbeitung zu einem separaten Sensorsteuerungssystem verlaufen. Die Sensorsteuerung wird nachstehend detailliert beschrieben.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Leiterplatte 168 im Allgemeinen in einem Druckbehälter 176 angeordnet, der zwischen Drucktrennwänden 166 und 172 gebildet ist. Die Trennwände 166 und 172 können Dichtungen umfassen, die einen gewünschten Druck innerhalb des Behälters 176 aufrechterhalten, um ordnungsgemäße Funktion der Elektronik auf der Leiterplatte 168 zu unterstützen.
Es ist anzumerken, dass die Verwendung von Elektronik, konkret der Leiterplatte 168), an dieser Position des Zapfenarms 56 optional ist. In anderen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, die Signale von der Antennenschleife 24 über die ganze Strecke hinweg von der Antennenschleife 24 über die Drähte 68 und 158, die in dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, ohne dazwischenliegende elektronische Verarbeitung zu der Sensorsteuerung zu führen. Durch Einbindung dieser minimalen Unterstützungselektronik (z. B. Leiterplatte 168) in dem Bohrmeißel 10 kann es möglich sein, das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensorsignals von der Antenne zu verbessern, das sich andernfalls über die Entfernung von dem Bohrmeißel 10 zu der Sensorsteuerung verschlechtern würde. Daher kann es wünschenswert sein, einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler in der Leiterplatte 168 zu verwenden, um das empfangene Sensorsignal an diesem Abschnitt des Bohrmeißels 10 zu digitalisieren (wenn der Platz es zulässt), da diese Digitalisierung die Genauigkeit des Sensors steigern kann. Digitale Filter können ebenfalls Teil der Leiterplatte 168 sein, falls gewünscht, um das empfangene Signal weiter feinabzustimmen. Es ist jedoch anzumerken, dass solche digitalen Filter später an jedem Punkt entlang des Meißelstroms von dem Bohrmeißel 10 zu der Sensorsteuerung ohne Verlust von Signalgüte aufgrund von Entfernung angelegt werden können.
Obwohl die Leiterplatte 168 mit der vorstehend beschriebenen Elektronik in dem Zapfenarmabschnitt des Bohrmeißels 10 dargestellt ist, kann die Leiterplatte 168 in anderen Ausführungsformen an einer Position 178 innerhalb des Rollenkegels 14 angeordnet sein, bevor das Sensorsignal den Schleifring passiert. In noch weiteren Ausführungsformen können die Leiterplatte 168 und entsprechende Elektronik in dem Rollenkegel 14 gemeinsam mit einer Ringkernspule angeordnet sein, die dazu in der Lage ist, über lokale Schleifströme mit einer weiteren Ringkernspule zu kommunizieren, die weiter oben in dem Bohrmeißel 10 oder an einem anderen Abschnitt der BHA angeordnet ist. In solchen Ausführungsformen kann die dargestellte Schleifringanordnung nicht erforderlich sein, da das verarbeitete Sensorsignal dazu in der Lage ist, direkt von dem Rollenkegel 14 an die Sensorsteuerung übermittelt zu werden.
Nachdem nun die Komponenten im Allgemeinen beschrieben worden sind, die dazu verwendet werden, Sensorsignale von der Antennenschleife 24 durch den Rollenbohrmeißel 10 zu übermitteln, wird eine detaillierte Beschreibung der Komponenten bereitgestellt, die dazu verwendet werden, diese Signale zwischen dem Rollenkegel 14 und einer Sensorsteuerung zu übermitteln. Die Sensorsteuerung kann entweder in dem Bohrmeißel 10 oder in einem Anschlussstück nahe dem Meißel sein.
7 ist ein Diagramm des Rollenbohrmeißels 10 mit der Antennenschleife 24, in dem eine zugehörige Sensorsteuerung 190 für die Antennenschleife 24 in einem Instrumentenanschlussstück 192 angeordnet ist, die an ein Gewindeende 194 des Meißels 10 gekoppelt ist, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Meißel 10 ist die Antennenschleife 24 in dem Rollenkegel 14 angeordnet, der drehbar an den Zapfenarm 56 gekoppelt ist. Erneut kann der Bohrmeißel 10 eine Schleifring- und Elektronikanordnung 58 zum Führen eines Sensorsignals aus der Antennenschleife 24 innerhalb des Rollenkegels 14 in den Zapfenarm 56 und Filtern und/oder Digitalisieren des Signals umfassen. Der Zapfenarm 56 kann sich von einem Schenkel 196 erstrecken, der an einen Meißelkörper 198 des Bohrmeißels 10 gekoppelt ist, und kann durch den Draht oder das Kabel 170 kommunikativ an die Sensorsteuerung 190 und zugehörige Elektronik 200 gekoppelt sein. In anderen Ausführungsformen kann der Rollenbohrmeißel 10, der die Antennenschleife 24 umfasst, ferner einige oder die gesamte zugehörige Elektronik 200 darin umfassen, statt sie an einer äußeren Stelle wie etwa dem Anschlussstück 192 unterzubringen.
In der gezeigten Ausführungsform koppelt ein erster Abschnitt des Kabels 170 die Schleifring- und Elektronikanordnung 58 an einen Verbinder 202 an dem Schenkel 196 und ein zweiter Abschnitt des Kabels 170 koppelt einen Verbinder 204 an dem Meißelkörper 198 an einen anderen Verbinder 206. Der Verbinder 202 kann dazu positioniert sein, sich an dem Verbinder 204 auszurichten, wenn der Schenkel 196 an den Meißelkörper 198 gekoppelt ist, und kann ein Abnehmen des Schenkels 196 von dem Meißelkörper 198 erleichtern, obwohl der Schenkel 196 nicht abnehmbar sein muss. Wenn der Schenkel 196 in den Meißelkörper 198 integriert ist, können die Verbinder 202 und 204 ausgelassen werden und ein einzelnes ununterbrochenes Kabel 170 kann von der Schleifring- und Elektronikanordnung 58 durch den Schenkel 196 und den Meißelkörper 198 zu dem Verbinder 206 geführt werden.
Der Verbinder 206 kann eine Schnittstelle bereitstellen, um die Antennenschleife 24 über das Kabel 170 abnehmbar an die Sensorsteuerung 190 im Instrumentenanschlussstück 192 zu koppeln. In der dargestellten Ausführungsform kann der Verbinder 206 einen kolbenartigen Verbinder 206 umfassen, bei dem der inwendige Abschnitt des Verbinders 206 an das Kabel 170 gekoppelt ist und ferner durch einen Klemmring-Nut-Eingriff 208 in einer Innenkammer 209 des Meißelkörpers 198 an den Bohrmeißel 10 gekoppelt ist. Umgekehrt ist der auswendige Abschnitt des Verbinders 206 durch ein Kabel 210 an die Sensorsteuerung 190 und andere zugehörige Elektronik 200 gekoppelt, durch einen Sicherungsring und ein Befestigungselement 212 an das Anschlussstück 192 gekoppelt und dazu ausgerichtet, sich an dem inwendigen Abschnitt auszurichten, wenn das Instrumentenanschlussstück 192 an den Bohrmeißel 10 gekoppelt ist. Die relativen Positionen des auswendigen und inwendigen Abschnitts in Bezug auf den Meißel 10 und das Anschlussstück 192 können getauscht werden, ebenso wie die Weise, auf die der auswendige und inwendige Abschnitt jeweils an den Meißel 10 und das Instrumentenanschlussstück 192 gekoppelt sind. Ebenso sind weitere Verbinderarten und Konfigurationen möglich, darunter induktive Kopplungen, die außerhalb einer Innenkammer 214 des Meißelkörpers 198 angeordnet sind.
In der dargestellten Ausführungsform kann die zugehörige Elektronik 200 die Sensorsteuerung 190 und eine Stromquelle 216 umfassen, die innerhalb eines abgedichteten Gehäuses 218 angeordnet sind. Das abgedichtete Gehäuse 218 kann die zugehörige Elektronik 200 vor einem Fluss von Bohrfluid durch eine Innenbohrung 220 des Anschlussstücks 192 schützen, wie es nachstehend detailliert beschrieben wird. Sowohl die Sensorsteuerung 190 als auch die Stromquelle 216 können durch das Kabel 210 an den Verbinder 206 gekoppelt sein. Die Stromquelle 216 kann Elemente zur Stromspeicherung umfassen, wie etwa Batterien, oder Elemente zur Stromerzeugung, wie etwa Turbinen usw.
In einigen Ausführungsformen kann die Stromquelle 216 zum Beispiel einen Stromerzeuger einschließlich einer Turbine mit an ihrer Außenfläche angebrachten und innerhalb entsprechender Spulen angeordneten Dauermagneten mit alternierender Polarität umfassen. Ein Fluss von Bohrfluid durch die Innenbohrung 220 kann dazu führen, dass die Turbine sich dreht und wegen der alternierenden Polarität der Dauermagnete Strom innerhalb der Spulen erzeugt wird. In bestimmten Fällen kann die Stromquelle 216 Elemente zur Stromspeicherung umfassen, wie etwa wiederaufladbare Batterien oder Superkondensatoren, die an die Spulen gekoppelt sind, um durch die Spulen erzeugte Energie zu speichern und die gespeicherte Energie dem Gammastrahlendetektor bereitzustellen, wenn die Turbine sich nicht dreht. In bestimmten Ausführungsformen kann die zugehörige Elektronik 200 weiterhin eine Hochspannungsquelle umfassen, die an die Stromquelle 216 gekoppelt ist, durch die Strom aus der Stromquelle 216 entweder direkt aus den Spulen oder indirekt aus den Spulen durch die Elemente zur Stromspeicherung in die Antennenschleife 24 oder andere elektrische Komponenten in dem Bohrmeißel 10 gespeist wird. Andere Arten, Kombinationen und Konfigurationen von Stromerzeugern und Speicherelementen können innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung verwendet werden, einschließlich an einen Zentralwellenerzeuger gekoppelte Schaufelturbinen. Zusätzlich kann der hierin beschriebene Stromerzeuger zur Verwendung in dem vorstehend beschriebenen Bohrmeißel 10 angepasst werden.
Strom aus der Stromquelle 216 kann der Antennenschleife 24 und/oder Schleifring- und Elektronikanordnung 58 durch die Kabel 210 und 170 zugeführt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Stromquelle 216 durch eine Hochspannungsquelle 222 an die Kabel 210 und 170 und daher die Antenne und zugehörige Meißelelektronik gekoppelt sein. Die Sensorsteuerung 190 kann einiges oder alles der Folgenden durchführen: Empfangen von Sensorsignalen aus der Antenne 24 durch die Kabel 170 und 210; Speichern, Verarbeiten und/oder Übertragen der empfangenen Sensormessungen an eine andere Steuereinheit; und Übertragen von Steuersignalen an die Antennenschleife 24 und/oder Meißelelektronik durch die Kabel 170 und 210. Wie hierin verwendet kann eine Steuereinheit eine Vorrichtung umfassen, die mindestens einen Prozessor enthält, der kommunikativ an eine nicht transitorische computerlesbare Speichervorrichtung gekoppelt ist, die eine Reihe von Anweisungen enthält, die bei Ausführung durch den Prozessor dazu führen, dass er bestimmte Handlungen ausführt. Beispiele für den Prozessor umfassen Mikroprozessoren, Mikrosteuerungen, digitale Signalprozessoren (DSP), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC) oder eine beliebige andere digitale oder analoge Schaltung, die konfiguriert ist, um Programmanweisungen zu interpretieren und/oder auszuführen und/oder Daten zu verarbeiten.
In bestimmten Ausführungsformen kann die zugehörige Elektronik 200 weitere elektrische Elemente wie etwa mindestens einen zusätzlichen Sensor umfassen. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der mindestens eine zusätzliche Sensor ein Gyroskop 224 und ein Magnetometer 226, die beide an die Sensorsteuerung 190 gekoppelt sind. Die Sensorsteuerung 190 kann Messungen aus allen aus der Antennenschleife 24, dem Gyroskop 224 und dem Magnetometer 226 empfangen. Die Messungen aus dem Gyroskop 224 und Magnetometer 226 können die Drehausrichtung des Anschlussstücks 192 und des Bohrmeißels 10 erkennen, wenn die Messungen an der Antennenschleife 24 vorgenommen wurden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Sensorsteuerung 190 die aus der Antennenschleife 24 empfangenen Messungen verarbeiten, indem diese Messungen mit der entsprechenden Drehausrichtung des Bohrmeißels 10 abgeglichen werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann die zugehörige Elektronik 200 weiterhin ein Kommunikationssystem umfassen, um es der Sensorsteuerung 190 zu ermöglichen, die empfangenen und/oder verarbeiteten Messungen der Antennenschleife 24 zum Speichern oder Verarbeiten an eine andere Steuereinheit zu übertragen. In der dargestellten Ausführungsform kann das Kommunikationssystem eine an die Sensorsteuerung 190 gekoppelte Kommunikationsschnittstelle 228 und eine an die Schnittstelle 228 gekoppelte und an einer Außenfläche des Anschlussstücks 192 positionierte Ringkernspule 230 umfassen. Die Ringkernspule 230 kann eine aus einem Paar von Ringkernspulen sein, die dazu verwendet werden können, ein Short-Hop-Telemetriesystem unter Verwendung modulierter elektromagnetischer (EM) Signale zur bidirektionalen Datenübertragung herzustellen, wobei die andere Ringkernspule in geringer Entfernung zu der Ringkernspule 230, wie etwa 30 Fuß, oder an einem anderen Punkt in dem Bohrstrang angeordnet ist. Dieser andere Punkt in dem Bohrstrang kann eine Oberflächenstelle um den Bohrlochkopf nach Art der EM-Telemetrie umfassen, die für Langstrecken-Telemetriesysteme verwendet wird. Weitere Verfahren können ferner an der Oberfläche für bidirektionale Kommunikation unter Verwendung einer Elektrode im Boden nahe des Bohrkopfes und eines Drahts, der von dem Bohrkopf und der Elektrode zu einem Oberflächen-EM-Sendeempfänger verläuft, eingesetzt werden. Obwohl ein Short-Hop-EM-Telemetriesystem gezeigt ist, können weitere Arten von Kommunikationssystemen in anderen Ausführungsformen verwendet werden, einschließlich drahtgestützter Kommunikationssysteme, bei denen ein Verbinder in das Anschlussstück 192 integriert ist, anderer Langstrecken- oder Short-Hop-Telemetriesysteme unter Verwendung von Akustik-, Dreh- oder Spülungsimpuls-Kommunikationsmechanismen, oder einer Kombination von zwei oder mehr Telemetriesystemen. Eine Kombination von Telemetriesystemen kann entweder gleichzeitig parallel oder in einem Umwandlungsverfahren von einem Telemetrieformat in ein anderes umgesetzt werden, wie etwa Umwandeln von EM- oder Akustik-Short-Hop-Telemetrie in Spülungsimpuls-Langstrecken-Telemetrie zu und/oder von der Oberfläche.
8 ist ein Diagramm eines beispielhaften Bohrsystems 270, das einen Rollenbohrmeißel 10 und eine Antennenschleife 24 für die Detektion des spezifischen Widerstands oder magnetischer Abstandsmessung (nicht dargestellt) integriert, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Das Bohrsystem 270 kann eine Bohrplattform 272 umfassen, die an einer Oberfläche 274 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Oberfläche 274 die Oberseite einer Formation 276, die ein/e oder mehrere Gesteinsstrata oder -schichten 278 enthält, und die Bohrplattform 272 kann mit der Oberfläche 274 in Kontakt stehen. In anderen Ausführungsformen, wie etwa bei einem Bohrvorgang auf See, kann die Oberfläche 274 durch ein Wasservolumen von der Bohrplattform 272 getrennt sein. Ein Bohrturm 280 kann durch die Bohrplattform 272 gestützt sein und einen Kloben 282 zum Anheben und Absenken eines Bohrstrangs 284 durch ein Bohrloch 286 aufweisen, das durch den Bohrmeißel 10 erzeugt wird.
Der Bohrmeißel 10 kann an den Bohrstrang 284 gekoppelt sein und durch einen Untertagemotor und/oder Drehung des Bohrstrangs 284 durch einen Drehtisch und eine Mitnehmerstange oder durch einen Kraftdrehkopf angetrieben werden. In der gezeigten Ausführungsform ist der Bohrmeißel 10 durch das Instrumentenanschlussstück 192, das zugehörige Elektronik für die Antennenschleife 24 in dem Bohrmeißel 10 enthält, an den Bohrstrang 284 gekoppelt. Dies umfasst die Ringkernspule 230 eines Short-Hop-EM-Telemetriesystems, das den vorstehend beschriebenen ähnelt. In anderen Ausführungsformen kann der Bohrmeißel 10 verwendet werden, in dem die zugehörige Elektronik in dem Meißel 10 angeordnet ist. Eine Pumpe kann Bohrfluid durch ein Zuführrohr zu einer Mitnehmerstange, unter Tage durch das Innere des Bohrstrangs 284, durch Öffnungen in dem Bohrmeißel 10, zurück an die Oberfläche über einen Ringraum 290 um den Bohrstrang 284 und in eine Rückhaltegrube zirkulieren lassen. Das Bohrfluid transportiert Bohrklein aus dem Bohrloch 286 in die Grube und hilft bei der Aufrechterhaltung der Integrität des Bohrlochs 286.
Das Bohrsystem 270 kann weiterhin eine Bohrgarnitur (BHA) 292 umfassen, die nahe dem Bohrmeißel 10 an den Bohrstrang 284 gekoppelt ist. Die BHA 292 kann verschiedene Werkzeuge und Sensoren für Messungen unter Tage umfassen, wie etwa LWD-/MWD-Werkzeuge 294, sowie ein Telemetriesystem 296 und einen Untertagemotor 298. Eine entsprechende Ringkernspule 300 zu der Ringkernspule 230 im Instrumentenanschlussstück 192 kann innerhalb einer Steuereinheit der BHA 292 angeordnet und daran gekoppelt sein und kann einen EM-Telemetriekanal 302 zwischen der BHA 292 und dem Instrumentenanschlussstück 192 herstellen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Ringkernspule 300 an das LWD-/MWD-Werkzeug 294 gekoppelt, obwohl eine solche Konfiguration nicht erforderlich ist.
Das LWD-/MWD-Werkzeug 294 kann unterschiedliche Arten von Sensoren umfassen, die Messungen der Formation 276, die das Werkzeug 294 und die BHA 292 im Allgemeinen umgibt, sammeln können. In bestimmten Ausführungsformen kann das LWD-/MWD-Werkzeug 294 eine Steuereinheit (nicht dargestellt) umfassen, die an die Sensoren gekoppelt ist und Messungen von den Sensoren empfängt und speichert, die Messungen verarbeitet und/oder diese Messungen an eine unterschiedliche Steuereinheit in dem Bohrsystem überträgt. In der gezeigten Ausführungsform kann die Ringkernspule 300 an die Steuereinheit innerhalb des LWD-/MWD-Werkzeugs 294 gekoppelt sein, und die Steuereinheit kann die Ringkernspule 300 als weiteren Sensor in dem LWD-/MWD-Werkzeug 294 und das durch die Ringkernspule 300 empfangene Signal als entsprechende Messung der Ringkernspule 300 behandeln. Da das durch die Ringkernspule 300 empfangene Signal dem elektrischen Signal entspricht, das durch die Antennenschleife 24 erzeugt wird, kann die Steuereinheit des LWD-/MWD-Werkzeugs 294 die Antennenschleife 24 effektiv als Widerstandssensor des LWD-/MWD-Werkzeugs 294 behandeln, obwohl der Detektor in dem Bohrmeißel 10 angeordnet ist.
Der Untertagemotor 298 kann einen Untertage-Spülungsmotor umfassen, der als Antwort auf den Fluss von Bohrfluid durch den Bohrstrang 284 Drehmoment erzeugt und dieses Drehmoment auf den Bohrstrang 10 anwendet. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Untertagemotor 298 weiterhin ein gekrümmtes Gehäuse 304, das dafür sorgt, dass der Bohrmeißel 10 in einem Winkel in Bezug auf den Bohrstrang 284 bohrt. In bestimmten Ausführungsformen kann das gekrümmte Gehäuse 304 anpassbar sein, sodass der Bohrwinkel unter Tage geändert werden kann, was ermöglicht, dass der Bohrstrang 10 während des Bohrvorgangs „gelenkt” wird. In anderen Ausführungsformen können separate Lenkwerkzeuge oder -vorrichtungen anstelle von oder zusätzlich zu dem Motor 298 und dem gekrümmten Gehäuse 304 verwendet werden, um den Bohrstrang 10 zu lenken. Wenn zum Beispiel an dem Bohrstrang 10 Drehmoment durch den Drehtisch oder Kraftdrehkopf durch den Bohrstrang 284 erzeugt wird statt durch den Motor 298, können eines oder mehrere eines drehlenkbaren Systems des Typs, bei dem der Bohrmeißel versetzt („point-the-bit”) oder verschoben („push-the-bit”) wird, verwendet werden, um den Winkel des Bohrmeißels 10 zu verändern. Der Bohrmeißel 10 kann so gesteuert werden, dass er eine der Formationsstrata 278 schneidet, die Kohlenwasserstoffe enthält, bestimmte unerwünschte Strata oder Formationskörper meidet, einem bestehenden Bohrloch folgt oder ein bestehendes Bohrloch schneidet, um im Fall eines Ausbruchs Entlastungsbohrungen zu bohren.
Die Werkzeuge und Sensoren der BHA 292 können kommunikativ an das Telemetriesystem 296 gekoppelt sein. Das Telemetriesystem 296 kann selbst eine Steuereinheit (nicht dargestellt) umfassen und kann Messungen und Signale von der BHA 292 an einen Oberflächenempfänger 305 übertragen und/oder Befehle von dem Oberflächenempfänger 305 empfangen. Das Telemetriesystem 296 kann ein Spülungsimpuls-Telemetriesytem, ein Akustik-Telemetriesytem, ein drahtgestütztes Kommunikationssystem, ein drahtloses Kommunikationssystem oder jede andere Art von Kommunikationssystem umfassen, das sich einem durchschnittlichen Fachmann angesichts dieser Offenbarung erschließen würde. In bestimmten Ausführungsformen können einige oder alle der Messungen, die an der BHA 292 vorgenommen werden, ferner zum späteren Abruf an der Oberfläche gespeichert werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Bohrsystem 270 eine Oberflächensteuereinheit 306 umfassen, die an der Oberfläche positioniert ist. In bestimmten Ausführungsformen kann die Oberflächensteuereinheit 306 zusätzliche Funktionen bereitstellen, die an den Steuereinheiten innerhalb des Bohrlochs 286 nicht verfügbar sind, wie etwa eine Tastatur und einen Bildschirm, die es einem Benutzer an der Oberfläche ermöglichen, mit der Oberflächensteuereinheit 306 zu interagieren. Die Oberflächensteuereinheit 306 kann kommunikativ an den Oberflächenempfänger 305 gekoppelt sein und kann Messungen und Signale von der BHA 292 empfangen und/oder Befehle durch den Oberflächenempfänger 305 an die BHA 292 übertragen. Wegen der fehlenden Größenbeschränkungen an der Oberfläche weist die Oberflächensteuereinheit 306 typischerweise größere Verarbeitungskapazität auf als die unter Tage angeordneten Steuereinheiten.
Wenn das Bohrsystem 270 in Verwendung ist, kann sich der Bohrmeißel 10 drehen und das Bohrloch 286 durch einen Abschnitt der Formation 276 vor dem Bohrmeißel 10 erweitern. Der Widerstandsdetektor (z. B. Antennenschleifen 24) innerhalb des Bohrmeißels 10 kann einen spezifischen Widerstand des Abschnitts der Formation 276 vor oder seitlich von dem Bohrmeißel 10 detektieren und ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugen, wie vorstehend beschrieben. Dieses entsprechende elektrische Signal kann vorausschauende und umherschauende Messungen umfassen, die durch eine oder mehrere Steuereinheiten innerhalb des Bohrsystems verarbeitet werden können, um mindestens eine Eigenschaft des Abschnitts der Formation 276 zu ermitteln. Beispielhafte Eigenschaften umfassen die Geometrie des Abschnitts, die Zusammensetzung des Abschnitts und die Stelle und Ausrichtung einer Grenze zwischen zwei Gesteinsstrata innerhalb des Abschnitts. In bestimmten Ausführungsformen können nach der Ermittlung die Eigenschaften dazu verwendet werden, eine Entscheidung in Bezug auf den Betrieb des Bohrsystems 270 zu treffen. Wenn zum Beispiel die Eigenschaft des Abschnitts die Stelle der Grenze zwischen Strata umfasst, kann die Entscheidung das Verändern eines Bohrwinkels des Bohrmeißels 10 an dem Motor 298 oder Anhalten des Bohrvorgangs vor dem Überqueren der Grenze umfassen.
9 ist ein Blockdiagramm des Bohrsystems 270 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung und stellt die Steuereinheiten und elektrischen Elemente des Bohrsystems 270 dar. Wie vorstehend erwähnt können diese Steuereinheiten und elektrischen Elemente dazu verwendet werden, die vorausschauenden und umherschauenden Messungen von dem Bohrmeißel 10 zu erzeugen, zu übertragen, zu speichern und/oder zu verarbeiten. Das dargestellte Diagramm des Bohrsystems 270 umfasst ferner Kommunikationskanäle und Signale, die zwischen den elektrischen Elementen vorhanden sein können, um die Erzeugung, Übertragung, Speicherung und/oder Verarbeitung der vorausschauenden und umherschauenden Messungen zu erleichtern. Wie zu sehen ist, umfasst der Bohrmeißel 10 die Antennenschleife 24 und optional zugehörige Elektronik, die an die Sensorsteuerung 190 und weitere Elektronik innerhalb des Instrumentenanschlussstücks 192 gekoppelt sein kann.
In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, die innerhalb des Rollenkegels 14 des Rollenbohrmeißels 10 vorhandene Menge an Elektronik zu minimieren. Dies kann die Kosten des Rollenkegels 14 in dem Meißel reduzieren, für den eine Beschädigung oder ein Bedarf für Ersatz wahrscheinlich ist, während relativ kostspielige Elektronikteile von dem Rollenkegel 14 entfernt aufbewahrt werden, sodass sie während Erosion des Bohrmeißels 10 als Ergebnis des Bohrens nicht verbraucht werden. Dies kann besonders nützlich sein, wenn die in dem Rollenkegel 14 angeordnete Antennenschleife 24 zur Verwendung als Senderantenne ausgewählt wird. In diesem Fall kann es wünschenswert sein, die gesamte Unterstützungselektronik für die Senderantennenschleife 24 in der Sensorsteuerung 190 zu positionieren statt in dem Bohrmeißel 10. Tatsächlich kann in solchen Ausführungsformen der Rollenkegel 14 (oder der gesamte Bohrmeißel 10) mit der eingearbeiteten Antennenschleife 24 als ein Teil gestaltet sein, das nach einer bestimmten Anzahl von Verwendungen des Bohrmeißels 10 weggeworfen und dann ersetzt werden kann. In Ausführungsformen, bei denen die Antennenschleife 24 als Empfänger verwendet wird, kann der Rollenkegel 14 mit der Antennenschleife 24 ein Einwegteil sein, das ersetzt werden kann, während mindestens Abschnitte der Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 innerhalb des Zapfenarms 56 zur Verwendung in einem neuen Bohrmeißel 10 wiederverwertet werden können.
Entsprechend steht die in 9 dargestellte Gestaltung für eine Ausführungsform des Bohrsystems 270, während andere Anordnungen der dargestellten Komponenten in anderen Ausführungsformen verwendet werden können. In der dargestellten Anordnung umfasst das Bohrsystem 270 eine optionale Konfiguration zum Ermöglichen, dass die Schleifenantenne 24 selektiv zwischen einem Sender oder einem Empfänger geschaltet werden kann. Konkret kann diese Konfiguration eine Schaltungskomponente (z. B. Leiterplatte 168), einen Senderdurchgangsweg 330, einen Sender-/Empfänger-Schaltmechanismus 332 und einen Schleifring 334 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die Leiterplatte 168 ein Filter, einen Vorverstärker oder anderen Verstärker, einen Digitalisierer, einen Ausrichtungssensor oder eine Kombination davon umfassen. Zusätzlich kann der Schleifring 334 mit einem optionalen Winkelpositionssensor ausgestattet sein, der die Winkelposition des Rollenkegels 14 auf Grundlage der an dem Schleifring 334 vorgenommenen Messung detektiert. Andere Anordnungen dieser Positions- und Ausrichtungssensoren können innerhalb des Bohrmeißels 10 verwendet werden, um einzelne und jeweilige Entfernungen und Ausrichtungen des Rollenkegels 14 im Vergleich zu der Formation oder zu anderen Rollenkegeln des Bohrmeißels 10 zu ermitteln.
Wie dargestellt kann die Kegelschleifring- und Elektronikanordnung 58 des Bohrmeißels 10 über mehrere Steuerleitungen zusammengekoppelt sein, die Leiter umfassen können, die zwischen den Komponenten geführt sind. Zum Beispiel kann der Sender-/Empfänger-Schalter 332 über drei Leitungen, die eine Stromleitung 336, eine Masseleitung 338 und eine Signalleitung 340 umfassen können, an die Leiterplatte 168 gekoppelt sein. Ähnlich kann der Sender-/Empfänger-Schalter 332 über zwei Leitungen, eine Signalleitung 342 und eine Masseleitung 344, an den Senderdurchgangsweg 330 gekoppelt sein, um ein Signal zu oder von der Antennenschleife 24 zu übertragen. Weiterhin kann die Leiterplatte 168 über zwei Leitungen, eine Signalleitung 346 und eine Masseleitung 348, an den Schleifring 334 gekoppelt sein, um das elektrische Signal zu oder von der Antennenschleife 24 zu übertragen. Noch weiter kann der Senderdurchgangsweg 330 über zwei Leitungen, eine Signalleitung 350 und eine Masseleitung 352, an den Schleifring 334 gekoppelt sein, um das elektrische Signal zu oder von der Antennenschleife 24 zu übertragen. Die Leiterplatte 168 und der Senderdurchgangsweg 330 können ferner über Steuerleitungen 354 an den Sender-/Empfänger-Schalter 332 gekoppelt sein, die dazu verwendet werden, einen Zustand des Sender-/Empfänger-Schalters 332 an diese Komponenten zu übermitteln.
Wie dargestellt kann der Sender-/Empfänger-Schalter 332 ferner über drei Leitungen, die eine Stromleitung 356, eine Masseleitung 358 und eine Signalleitung 360 umfassen können, an die Sensorsteuerung 190 gekoppelt sein. Diese drei Leitungen können innerhalb des vorstehend beschriebenen Sensorkabels 170 vorhanden sein, das von dem Bohrmeißel 10 zum Instrumentenanschlussstück 192 verläuft. Die Stromleitungen 336 und 356 können einen Stromfluss von einer Stromzuführung (z. B. in der Sensorsteuerung 190) zu der Leiterplatte 168 beziehungsweise zu dem Sender-/Empfänger-Schalter 332 übertragen. Die Signalleitungen 360, 340, 342, 346 und 350 und Masseleitungen 358, 338, 344, 348 und 352 können in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Antennenschleife 24 einen Fluss von elektrischem Strom von der Sensorsteuerung 190 durch die Antennenschleife 24 oder von der Antennenschleife 24 zu der Sensorsteuerung 190 ermöglichen.
Der Sender-/Empfänger-Schalter 332 kann dazu verwendet werden, den Betriebsmodus der Antennenschleife 24 auf Grundlage eines Signals von der Sensorsteuerung 190 umzuschalten. Konkret kann der Sender-/Empfänger-Schalter Steuersignale auf Grundlage eines gewünschten Betriebsmodus für die Antennenschleife 24 über die Steuerleitungen 354 an die Leiterplatte 168 und an den Senderdurchgangsweg 330 bereitstellen. In einigen Ausführungsformen könnte ein weiterer Draht von der Sensorsteuerung 190 zu dem Sender-/Empfänger-Schalter 332 geführt werden, um diese Schaltfunktion zu signalisieren. In anderen Ausführungsformen kann eine Gleichstrom-Vorspannung angelegt werden (z. B. über die Stromleitung 356), um den Sender-/Empfänger-Schalter 332 zu betätigen. In einigen Ausführungsformen kann der Schalter 332 ein Halbleiterrelais, einen Feldeffekttransistor (FET), ein mechanisches Relais oder eine andere Schaltvorrichtung umfassen, um eine derartige Konfiguration der Elektronik zu ermöglichen, dass die Antennenschleife 24 entweder als Sender oder Empfänger wirkt. Das Signal zum Betätigen des Schalters 332 kann im Allgemeinen durch die Sensorsteuerung 190 verwaltet werden, die einen Prozessor, Speicher, eine Stromquelle enthält, die entweder fest verdrahtet von dem Bohrstrang ist oder lokal erzeugt oder durch Batterien/Kondensatoren zugeführt wird.
Es ist anzumerken, dass zu jedem Zeitpunkt eine Vielzahl von Sendern und Empfängern mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen verwendet werden kann, um die gewünschte Messungsart selektiv zu steuern. Wenn zum Beispiel in einem horizontalen Bohrloch unter dem Sensor keine Schichtgrenze vorhanden ist, kann es wünschenswert sein, eine Kombination von Sendern und Empfängern zu verwenden, die selektiv eingeschaltet werden, wenn der Fokus der Schleifenantenne die niedrige Seite des Bohrlochs abtastet, um die Messung besser in einer gewünschten Richtung von Interesse zu konzentrieren. Die Antennen 24 können synchron aktiviert werden, wenn sich der Bohrmeißel 10 dreht und die gewünschten Antennenschleifen 24 in Reichweite kommen. Dies kann Strom sparen, um keine Energie zu verbrauchen, wenn andere Abschnitte des Lochs abgetastet werden, in denen die Messung des spezifischen Widerstands nicht von Interesse ist. In anderen Ausführungsformen kann selektiver Phasenabgleich der Signale unter Verwendung von sowohl Antennenschleifenpositionen als auch -frequenzen zwischen den verschiedenen Antennen eingesetzt werden, um eine fokussierte synthetische Apertur in einer gewünschten Richtung zu erzeugen, um eine höhere Antwort in einer bestimmten Richtung zu detektieren.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor dazu verwendet werden, hochgradig leitfähige in die nahegelegene Formation eingebettete menschengemachte Strukturen oder menschengemachte Objekte zu detektieren, wie etwa das Futterrohr oder die Auskleidung eines anderen Bohrlochs oder einen verlorenen Bohrstrang in einer benachbarten Bohrung. Der Widerstandssensor kann zur verbesserten Detektion von solchen menschengemachten Strukturen oder Objekten statt von Formationseigenschaften selektiv abgestimmt werden, indem Frequenzen geändert oder bestimmte Antennen 24 an dem Bohrmeißel 10 ausgewählt werden. Zum Beispiel kann eine geeignete Antwortfrequenz zum Messen des spezifischen Widerstands einer Formation nicht notwendigerweise die beste Frequenz zum Detektieren von Futterrohrstrukturen in der Formation sein.
In anderen Ausführungsformen kann die Antennenschleife 24 eine Vielzahl von Schleifen in Form einer Antennenwicklung umfassen, die es der Antenne 24 ermöglichen würden, bei niedrigeren Frequenzen für eine tiefere Eindringtiefe effizienter zu arbeiten. Wicklungsschichten können bis zu etwa 60.000 Schleifen für Übertragungen bei sehr niedrigen Frequenzen erreichen. In diesem Fall müsste der Antennendraht wahrscheinlich ein sehr dünner magnetischer Draht sein, der typischerweise auf den Rollenkegel 14 des Bohrmeißels oder den Meißelkörper gewickelt ist.
Im Betrieb kann die Sensorsteuerung 190, wenn die Antennenschleife 24 als Sender betrieben werden soll, dem Sender-/Empfänger-Schalter 332 signalisieren, die Leiterplatte 168 und den Senderdurchgangsweg 330 wie gewünscht zu konfigurieren. Zum Beispiel kann die Leiterplatte 168 kein Sensorsignal filtern und digitalisieren müssen, da die Antennenschleife 24 sendet und nicht empfängt. Von hier aus kann die Sensorsteuerung 190 ein elektrisches Signal durch den Senderdurchgangsweg 330 und zu der Antennenschleife 24 ausgeben, sodass die Antennenschleife 24 das gewünschte Signal in die gerade gebohrte Formation übertragen kann.
Wenn die Antennenschleife 24 als Empfänger betrieben werden soll, kann die Sensorsteuerung 190 dem Sender-/Empfänger-Schalter 332 signalisieren, die Leiterplatte 168 und den Senderdurchgangsweg 330 wie gewünscht zu konfigurieren. Zum Beispiel kann der Schalter 332 der Leiterplatte 168 signalisieren, die gewünschte Sensorfilterung, Verstärkung und/oder Digitalisierung für das eingehende Signal bereitzustellen. Von hier aus kann ein Signal (z. B. ein Teil eines übertragenen Signals, das von der Formation reflektiert wird) über die Antennenschleife 24 empfangen, über die Elektronik auf der Leiterplatte 168 verarbeitet und zur Weiterverarbeitung zu der Sensorsteuerung 190 geleitet werden. Während der Übertragung oder des Empfangs von Signalen über die Antennenschleife 24 können die anderen an dem Bohrmeißel 10 angeordneten Sensoren (z. B. Ausrichtungssensor oder Winkelpositionssensor) verwendet werden, um andere Faktoren zu messen, die sich auf den Betrieb des Bohrmeißels beziehen, während die Antennenschleife 24 Signale erfasst oder aussendet.
In Fällen, bei denen die Antennenschleife 24 als Empfänger wirkt, kann es wünschenswert sein, die gesammelten Daten zur Messung des spezifischen Widerstands wie vorstehend beschrieben einer an der Oberfläche angebrachten Steuereinheit bereitzustellen. Zu diesem Zweck kann das dargestellte Bohrsystem 270 zusätzliche Komponenten umfassen, die an die Sensorsteuerung 190 gekoppelt sind. Wie vorstehend beschrieben kann die Sensorsteuerung 190 an eine Ringkernspule des Instrumentenanschlussstücks 192 gekoppelt sein, und die Sensorsteuerung 190 kann entweder die verarbeiteten oder rohen Messungen aus der Antennenschleife 24 über den bidirektionalen Short-Hop-EM-Telemetriekanal 302 zwischen dem Anschlussstück 192 und der BHA 292 übertragen. Diese Übertragung kann an eine Steuereinheit innerhalb der BHA 292 gerichtet sein, wie nachstehend beschrieben wird, oder kann über die BHA 292 als Zwischenvorrichtung an eine Oberflächensteuereinheit gerichtet sein. Weitere Ausführungsformen können andere Kommunikationskanäle, Mechanismen und Konfigurationen umfassen, einschließlich drahtgestützter Kommunikation zwischen Sensorsteuerung 190 und BHA 292 und eines direkten Kommunikationswegs zwischen der Sensorsteuerung 190 und einer Oberflächensteuereinheit.
Wie dargestellt kann die Sensorsteuerung 190 die Messungen unter Verwendung eines Langstrecken-Telemetriesystems 364 innerhalb der BHA 292 an einen Oberflächen-Telemetrie-Sendeempfänger 362 übertragen. Insbesondere kann die Sensorsteuerung 190 die Messungen über den Short-Hop-Telemetriekanal 302 an die BHA 292 übertragen, und die BHA 292 kann die Messungen über einen Simplex-(eine Richtung, in diesem Fall nach oben) oder Duplex-(bidirektional)Telemetriekanal zwischen dem Telemetriesystem 364 und dem Oberflächen-Sendeempfänger 362 übertragen. Die Oberflächensteuereinheit 306 nach 8 kann die Messungen von dem Oberflächen-Sendeempfänger 362 empfangen. In anderen Ausführungsformen kann die Oberflächensteuereinheit 306 die Messungen von der Steuereinheit 190 oder einer anderen Steuereinheit unter Tage empfangen, nachdem diese Steuereinheiten an die Oberfläche entnommen wurden. Die Oberflächensteuereinheit 306 kann die verarbeiteten Messungen verarbeiten, um eine oder mehrere Eigenschaften der Formation zu ermitteln, die den empfangenen Messungen entsprechen. In bestimmten Ausführungsformen können die ermittelten Eigenschaften in einem Bohrsteuerungsprogramm verwendet werden, das an der Oberflächensteuereinheit 306 ausgeführt wird, um eine Bohrentscheidung zu treffen, die der vorstehend beschriebenen ähnelt, und ein Steuersignal zu erzeugen, das der Bohrentscheidung entspricht. Wenn die Entscheidung getroffen wird, während die BHA 292 unter Tage angeordnet ist, kann das erzeugte Steuersignal durch den Telemetriekanal 364 an eine Untertage-Lenksteuerung 366 der BHA 292 übertragen werden.
Wie bereits erörtert kann die Sensorsteuerung 190, sobald die Sensorsteuerung 190 die vorausschauenden Messungen aus dem Bohrmeißel 10 empfangen hat, die empfangenen Messungen speichern, weiterverarbeiten und dann die empfangenen Messungen speichern, um eine Eigenschaft eines Abschnitts der Formation zu ermitteln, und/oder die empfangenen oder verarbeiteten Messungen an die vorstehend beschriebene Oberflächensteuereinheit 306 übertragen. In bestimmten Ausführungsformen kann die Sensorsteuerung 190 die Eigenschaft des Abschnitts der Formation aus den empfangenen Messungen ermitteln und dann automatisch auf Grundlage der ermittelten Eigenschaft und eines Entscheidungsalgorithmus, der auf einer Speichervorrichtung gespeichert ist, die an den Prozessor der Sensorsteuerung 190 gekoppelt ist, eine Bohrentscheidung treffen. Wenn zum Beispiel die ermittelte Eigenschaft die Stelle einer Stratagrenze innerhalb des Abschnitts der Formation ist, dann kann die Sensorsteuerung 190 über das Short-Hop-Telemetriemodul 302 ein Steuersignal an die Untertage-Motorlenksteuerung 366 ausgeben, das dazu führt, dass der Motor oder das drehlenkbare Werkzeug den Winkel und die Richtung des Bohrmeißels 10 ändert. Dies kann ermöglichen, dass das Bohrloch auf Grundlage der auf dem Rollenkegelwiderstandssensor empfangenen Daten in eine wünschenswertere Richtung gelenkt wird, wie etwa durch Lenken des Bohrlochs in eine detektierte Förderzone oder Beibehalten der Bohrlochposition innerhalb einer Förderzone durch Beibehalten einer eingestellten Entfernung zu einer Schichtgrenze.
Wie vorstehend beschrieben kann die zugehörige Elektronik für die Antennenschleife 24 in dem Meißel außerhalb des Bohrmeißels angeordnet sein, wie etwa in einem Instrumentenanschlussstück, oder in dem Bohrmeißel. Das Anordnen der zugehörigen Elektronik außerhalb des Bohrmeißels kann die Kosten für den Bohrmeißel reduzieren und es ermöglichen, dass die zugehörige Elektronik nach dem Verschleiß eines anfänglichen Bohrmeißels während des Bohrvorgangs durch einen neuen Meißel wiederverwendet wird. Dies ist besonders vorteilhaft, da typische Bohrvorgänge viele Bohrmeißel verschleißen. Wenn die zugehörige Elektronik außerhalb des Bohrmeißels angeordnet ist, kann es jedoch erforderlich sein, dass der neue Bohrmeißel auf die zugehörige Elektronik kalibriert wird, um die durch den Antennenempfänger in dem Meißel vorgenommenen Messungen zu optimieren.
Nachdem die physikalische Gestaltung des Bohrsystems 270 beschrieben worden ist, bei der die Antennenschleife 24 in einem Rollenkegel 14 angeordnet ist, wird nachstehend eine detaillierte Beschreibung der Berechnungen bereitgestellt, die im Betrieb des Antennensensors verwendet werden. Eine Position der einen oder mehreren Antennen 24 in dem Rollenbohrmeißel 10 kann unter Verwendung der nachstehenden parametrischen Gleichung 1 beschrieben werden. Gleichung 1 wird zur Beschreibung eines Kreises in der x-y-Ebene verwendet, wobei θ für eine Winkelposition um die Länge der Antennenschleife 24 steht und wobei ρ für einen Radius der Antennenschleife 24 steht. f(θ) = ρcos(θ)x ^ + ρsin(θ)ŷ + 0ẑ (1)
Es kann wünschenswert ein, eine Antennenschleife 24 zu beschreiben, deren Mittelpunkt entlang einer beliebigen Achse in drei Dimensionen zu einer Position im Mittelpunkt des Bohrmeißels 10 versetzt ist. Wenn die Antennenschleife 24 zum Beispiel in einem radialen Abstand zu der Mittelachse des Bohrmeißels 10 positioniert ist, kann dies dadurch simuliert werden, dass der Mittelpunkt des in Gleichung 1 beschriebenen Kreises entlang einer der x- oder y-Achse versetzt ist. Wenn die Antennenschleife 24 über oder unter dem Bohrmeißel positioniert ist, kann dies zusätzlich dadurch simuliert werden, dass der Mittelpunkt des Kreises auf der z-Achse versetzt ist. Es ist anzumerken, dass das Positionieren der Antennenschleife 24 unter dem Bohrmeißel 10 in einigen Ausführungsformen nicht akzeptabel sein kann. Bei Verwendung im Kontext von Werkzeugen zur Formationsvermessung durch den Meißel kann die Antennenschleife 24 jedoch zumindest vorübergehend unter dem Bohrmeißel 10 angeordnet sein. Weiterhin ist anzumerken, dass das Koordinatensystem und die Achsen an jedem beliebigen Punkt entlang der Länge des Bohrstrangs positioniert sein könnten. Ganz gleich, wo die relative Positionierung der Antennenschleife 24 relativ zu dem gewählten Koordinatensystem ist, kann die Gleichung, die den darin durch die Antennenschleife 24 gebildeten Kreis darstellt, derart aktualisiert werden, dass sie eine Verschiebung entlang einer der Achsen widerspiegelt. Zum Beispiel kann die Gleichung in einer gegebenen Ausführungsform, in der die Antennenschleife 24 um einen Abstand l entlang der x-Achse zu der z-Achse versetzt ist, folgendermaßen aktualisiert werden. f(θ) = ρ(cos(θ) + l)x ^ + sin(θ)ŷ + 0ẑ (2)
Zusätzlich zur angemessenen Positionierung des Mittelpunkts des Kreises im Koordinatensystem kann es wünschenswert sein, eine Winkelanpassung für die Gleichung auf Grundlage einer relativen Winkelposition der an dem Rollenkegel 14 angeordneten Antennenschleife 24 bereitzustellen. Hierzu kann die Antennengleichung derart auf der y-Achse gedreht werden, dass sie mit dem gleichen Winkel geneigt ist wie das Zapfenlager 56, das für einen gegebenen Bohrmeißel 10 in einem bekannten Winkel α liegt. Zum Drehen der Antennengleichung auf diese Weise kann die folgende Drehmatrix zur Drehung um die y-Achse angewendet werden, die nachstehende Gleichung 3 ergibt. In der nachstehenden Gleichung steht α für den Winkel des Zapfenarms 56 zu der mittleren Längsachse des Bohrmeißels 10, θ steht für die Winkelposition um die Antennenschleife 24 und ρ steht für den Radius der Antennenschleife 24. Ähnliche Drehmatrizen können für Drehungen um die x-Achse oder z-Achse angewendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Bohrmeißel 10 mehrere daran angeordnete Antennenschleifen 24 umfassen. Tatsächlich kann jede wünschenswerte Anzahl von Antennenschleifen 24 an einem Bohrmeißel 10 angeordnet sein, der eine beliebige Anzahl von Rollenkegeln 14 aufweist. Diese Antennenschleifen 24 können gemäß ähnlichen Gleichungen wie den vorstehend bereitgestellten gestaltet sein. In einigen Ausführungsformen können mehrere Antennenschleifen 24 an Positionen, die miteinander in Bezug stehen, um den Bohrmeißel 10 angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Bohrmeißel 10 drei Antennen 24 umfassen, wobei jede Antenne an einem jeweiligen Rollenkegel 14 eines dreikegeligen Meißels angeordnet ist. Zusätzlich können diese Antennenschleifen 24 den gleichen Radius und Winkel des Zapfenarms 56 relativ zu der Längsachse des Bohrmeißels umfassen. Es ist jedoch anzumerken, dass die folgenden Gleichungen derart abgewandelt werden könnten, dass jeder Radius und jede Ausrichtung der Antennenschleifen 24 unterstützt werden, sollte es der Meißelkonstruktion an Symmetrie mangeln.
Der in Gleichung 3 bereitgestellte Ausdruck kann zum Zwecke der grafischen Darstellung in eine einfache parametrische Gleichung umgesetzt werden. Zum Beispiel könnte die Antennenschleife 24 in der x-z-Ebene positioniert sein, wobei die y-Achse in der Mitte der Schleife liegt. In diesem Beispiel ist die Winkelposition des Zapfenarms 56 und der Antennenschleife 24 gemäß α = 0,5π definiert. Zur grafischen Darstellung dieser Antennenschleife 24 kann die nachstehende parametrische Gleichung verwendet werden. x = cos(θ)·cos(0,5π) y = sin(θ) z = –cos(θ)·sin(0,5π) (4)
Für den vorstehend beschriebenen dreikegeligen Meißel, der drei Antennenschleifen 24 mit dem etwa gleichen Radius und Winkel zu der Meißelachse aufweist, können die zwei anderen Antennenschleifen 24 etwa 120 Grad voneinander entfernt gedreht sein. Zur Gestaltung dieser Schleifen können zwei zusätzliche Drehmatrizen angewendet werden, um den vorstehend beschriebenen Kreis in diese anderen Ebenen zu drehen. Diese zwei anderen Gleichungen können erhalten werden, indem eine Drehmatrix für die z-Achse auf Gleichung 3 angewendet wird. In der folgenden Gleichung steht β für eine Winkelposition des Rollenkegels 14 um die z-Achse des Bohrmeißels 10.
Gleichung 5 ist eine verallgemeinerte Gleichung, die dazu verwendet werden kann, eine beliebige Antennenschleife 24 mit einer Winkelposition θ, einem Radius ρ, einem Neigungswinkel α des Rollenkegels 14, der die Antennenschleife 24 aufweist, relativ zu der Achse des Bohrmeißels 10 und einem Winkel β des Rollenkegels 14, der um die Achse des Bohrmeißels 10 positioniert ist, zu gestalten. Wenn β gleich der jeweiligen Winkelposition des Rollenkegels 14 um die z-Achse des Bohrmeißels 14 ist, kann es ermöglicht werden, dass Gleichung 5 ein verallgemeinerter Ausdruck für jede beliebige an dem Rollenkegel 14 des Bohrmeißels 10 platzierte Antennenschleife 24 wird. Daher kann ein dreikegeliger Meißel Antennenschleifen 24 in den folgenden Winkeln aufweisen.
β₁ = 0° = 0 Radianten
β₂ = 120° = 2 / 3 π Radianten
β₃ = 240° = 4 / 3 π Radianten
Jeder Winkel β steht für eine Winkelposition um die Mittelachse des Bohrmeißels 10, wo die Antennenschleife 24 positioniert ist. Diese Werte für β können für andere Ausführungsformen des Rollenbohrmeißels 10 unterschiedlich sein. Wenn der Meißel 10 zum Beispiel 4 Rollenkegel 14 aufweist, wobei jeder Rollenkegel 14 eine Antennenschleife 24 umfasst, können die Gleichungen 4 βs umfassen, die entlang der 360 Grad oder 2π Radianten um die Bohrmeißelachse positioniert sind.
Wie vorstehend erörtert stehen diese Gleichungen für eine verallgemeinerte Reihe von kartesischen Koordinaten, die dazu verwendet werden können, die Position und Ausrichtung der an den Rollenkegeln 14 eines Rollenbohrmeißels 10 angeordneten Antennenschleifen 24 gemäß den vorliegenden Techniken zu gestalten. Diese Gleichungen können die Grundlage für induktive Kopplung einer Antenne bilden, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Energie in eine Bohrlochformation zu übertragen, und einer Antenne, die dazu konfiguriert ist, von der Formation reflektierte elektromagnetische Energie zu empfangen. Unter Verwendung dieser Gleichungen kann es wünschenswert sein, die Unterschiede bei der Antwort von unterschiedlichen Kombinationen aus Empfänger- und Senderantennen zu untersuchen, wie nachstehend detailliert erörtert wird. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, die Antworten von zwei beliebigen Empfängerantennen unter Verwendung einer einzelnen Senderantenne sowie Antworten von einer einzelnen Empfängerantenne unter Verwendung von zwei Senderantennen zu vergleichen, während der Bohrmeißel 10 stationär ist und während der Bohrmeißel 10 sich in dem Bohrloch dreht.
Die Empfindlichkeit einer gegebenen Sendeempfängerantenne an jedem gegebenen Punkt im Raum kann als ein relativer Beitrag der Veränderungen der Leitfähigkeit des gegebenen Punkts im Vergleich zu einem gesamten empfangenen Signal definiert werden. Im Allgemeinen kann eine Antenne das meiste ihres Signals von dem zugehörigen empfindlichen Volumen empfangen. Daher kann die Empfindlichkeit eines gegebenen Punkts im Raum durch Stören der Leitfähigkeit dieses bestimmten Punkts im Raum und Aufzeichnen der Veränderungen bei dem empfangenen Signal erhalten werden. Konkret kann die Empfindlichkeit eines gegebenen Punkts im Raum durch die folgende Gleichung 6 dargestellt werden. S(x, y, z) = (V(σ + Δσ(x, y, z)) – V(σ)) / Δσ (6)
In Gleichung 6 steht S(x, y, z) für die Empfindlichkeit der Antennenschleife 24 an den Koordinaten (x, y, z), V(σ) steht für eine Spannung, die für eine Leitfähigkeitsverteilung σ empfangen wird, Δσ(x, y, z) steht für ein Störglied, das ein Wert ungleich null nur an Punkt (x, y, z) ist, und Δσ ist die Größe des Störglieds. Ein 3-dimensionales (3D) Empfindlichkeitsdiagramm kann schwierig zu visualisieren sein, weshalb im Allgemeinen ein 2D-Empfindlichkeitsdiagramm und entsprechendes 1D-Empfindlichkeitsdiagramm zur Veranschaulichung der Empfindlichkeit der Antennenschleifen verwendet werden. Diese Diagramme können gemäß den nachstehenden Gleichungen bereitgestellt werden. S(y, z) = Integral von S(x, y, z) entlang x S(x, z) = Integral von S(x, y, z) entlang y S(x, y) = Integral von S(x, y, z) entlang z (7) S(x) = Doppelintegral von S(x, y, z) entlang y und z S(y) = Doppelintegral von S(x, y, z) entlang x und z S(z) = Doppelintegral von S(x, y, z) entlang x und y (8)
Es ist eine Empfindlichkeitsstudie durchgeführt worden, um die Empfindlichkeit mehrerer unterschiedlicher Stellen der an einem Rollenbohrmeißel 10 angeordneten Antennenschleifen 24 zu vergleichen. Die Studie konzentrierte sich im Allgemeinen auf die Empfindlichkeit der Antennenschleifen 24 gegenüber Leitfähigkeit. Das offenbarte Antennenschleifensystem ist jedoch ferner empfindlich gegenüber der dielektrischen Konstante des Mediums, die dazu verwendet werden kann, ebenfalls nach der dielektrischen Konstante aufzulösen. Es kann ferner möglich sein, die Empfindlichkeit der Antennenschleifen 24 gegenüber Leitfähigkeit und dielektrischer Konstante gleichzeitig zu ermitteln, wie es in bestehenden dielektrischen Wireline-Werkzeugen durchgeführt wird.
Bestimmte Antennenschleifenpositionen wurden während der Empfindlichkeitsstudie betrachtet. Wieder auf 1 eingehend weisen die dargestellten Bohrmeißel 10 Antennenschleifen 24 auf, die an bestimmten Positionen angeordnet sind, die in der Studie betrachtet wurden. Konkreter kann der Bohrmeißel 10 Antennenschleifen 24 umfassen, die an jeder der folgenden Stellen angeordnet sind: A1, A2, B1, B2 und C. Diese Stellen sind in 1 folgendermaßen bezeichnet. A1 entspricht einer von mehreren Antennenschleifen 390, die an der Position 12A eines der Rollenkegel 14 angeordnet sind. A2 entspricht einer von mehreren Antennenschleifen 392, die an der Position 12A eines anderen der Rollenkegel 14 angeordnet sind. B1 entspricht einer Antennenschleife 394, die an einer der Positionen 12B zwischen zwei Rollenkegeln 14 angeordnet ist. B2 entspricht einer Antennenschleife 396, die an einer anderen der Positionen 12B angeordnet ist, wobei diese direkt zu einem der Rollenkegel 14 benachbart ist. C entspricht einer Antennenschleife 398, die an der Position 12C um den Bohrmeißel 10 angeordnet ist.
Wie dargestellt können die an 12A positionierten Antennenschleifen 390 und 392 etwa 120 Grad voneinander entfernt positioniert sein, wie um eine z-Achse 400 des Bohrmeißels 10 gemessen. Die in der Empfindlichkeitsstudie verwendeten Antennenschleifen 390 und 392 können jeweils den gleichen Radius aufweisen. In der dargestellten Ausführungsform können die an 12B positionierten Antennenschleifen 394 und 396 etwa 90 Grad voneinander entfernt sein, wie um die z-Achse 400 gemessen. Obwohl diese Stellen A1, A2, B1, B2 und C in der vorliegenden Studie verwendet wurden, können andere Stellen auf ähnliche Weise verwendet und untersucht werden, um eine angemessene Bohrmeißelposition zu ermitteln, damit die Sender- und Empfängerantenne eine gewünschte Funktion erfüllen.
10 stellt Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten einer Antennenschleife zeigen, die als Empfänger an der Stelle A1 positioniert ist, wie während der Empfindlichkeitsstudie gemessen. Ähnlich stellt 11 Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten einer Antennenschleife zeigen, die als Empfänger an der Stelle B1 positioniert ist. 12 stellt Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten einer Antennenschleife zeigen, die als Empfänger an der Stelle C positioniert ist. Es ist anzumerken, dass die in diesen 10–12 gezeigten Antennenplatzierungen und Meißelausrichtung ungefähre Stellen sind, die lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung verwendet werden. In 10–12 wird eine Einzelfrequenzanregung von 1 MHz zum Antrieb der Antennen verwendet. Es wird angenommen, dass der spezifische Widerstand der Formation 10 Ωm beträgt.
10 zeigt, dass sowohl die radiale Verteilung der Empfindlichkeit als auch die axiale Verteilung der Empfindlichkeit der Sendeempfängerantenne auf einen Bereich von 1–2 Zoll von der Antennenposition beschränkt sind. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 430 relativ nahe bei dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 432 gezeigten Messungen hoher Empfindlichkeit. Zusätzlich stellen das x-y-Empfindlichkeitsdiagramm 430C und das x-z-Empfindlichkeitsdiagramm 430B eine höhere Empfindlichkeit an einer Seite des Bohrmeißels dar, insbesondere der Seite, an der sich der Rollenkegel mit der Antenne erstreckt. Folglich weist diese Stelle A1 eine relativ hohe azimutale Empfindlichkeit auf. Die azimutale Empfindlichkeit kann in bestimmten Kontexten wünschenswert sein, in denen es wichtig ist, den spezifischen Widerstand an einer Seite des Meißels zu ermitteln. Die Anordnung unter Verwendung einer Empfängerantenne an der Position A1 kann besonders für sehr flache und azimutale Messungen des spezifischen Widerstands geeignet sein.
11 zeigt, dass sowohl die radiale Verteilung der Empfindlichkeit als auch die axiale Verteilung der Empfindlichkeit der Sendeempfängerantenne auf einen Bereich von etwa 1–2 Zoll von der Antennenposition beschränkt sind, ähnlich wie in 10. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 434 relativ nahe bei dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 436 gezeigten Messungen hoher Empfindlichkeit. Wegen der kleineren Antennengröße der an der Position B1 angeordneten Antenne ist die Empfindlichkeit in der radialen Richtung (d. h. um die z-Achse des Meißels) jedoch im Allgemeinen flacher als die Empfindlichkeit von der Position A1.
12 zeigt, dass sowohl die radiale Verteilung der Empfindlichkeit als auch die axiale Verteilung der Empfindlichkeit der Sendeempfängerantenne auf einen Bereich von etwa 5 Zoll von der Antennenposition beschränkt sind, viel größer als in 10 und 11. Dies wird dadurch angezeigt, dass sich die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 438 von dem Bohrmeißel 10 weiter nach außen erstrecken, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 440 gezeigten weiter beabstandeten Messungen der Empfindlichkeit. Zusätzlich ergibt die dargestellte Platzierung der Antenne bei C eine azimutal symmetrische Empfindlichkeitsverteilung, wie in dem 2D-Diagramm der x-y-Ebene 438C angezeigt, was bedeutet, dass die Empfindlichkeitsverteilung in allen Richtungen um die z-Achse des Bohrmeißels im Allgemeinen gleich ist. Daher besteht keine azimutale Empfindlichkeit für diese bestimmte Antennenkonfiguration. Folglich kann diese Konfiguration mit Platzierung bei C besser für tiefere und nicht azimutale Erfassungsanwendungen geeignet sein.
13 stellt Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten eines Systems mit zwei Antennenschleifen (Sender-Empfänger) zeigen, wobei eine Antennenschleife an der Stelle A1 positioniert ist und die andere Antenne an der Stelle A2 positioniert ist, wie während der Empfindlichkeitsstudie gemessen. Ähnlich stellt 14 Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten eines Systems mit zwei Antennenschleifen (Sender-Empfänger) zeigen, wobei eine Antennenschleife an der Stelle A1 positioniert ist und die andere Antenne an der Stelle B1 positioniert ist. 15 stellt Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten eines Systems mit zwei Antennenschleifen (Sender-Empfänger) zeigen, wobei eine Antennenschleife an der Stelle A1 positioniert ist und die andere Antenne an der Stelle C positioniert ist. Weiterhin stellt 16 Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten eines Systems mit zwei Antennenschleifen (Sender-Empfänger) zeigen, wobei eine Antennenschleife an der Stelle B1 positioniert ist und die andere Antenne an der Stelle B2 positioniert ist. Noch weiter stellt 17 Diagramme dar, die die 2D- und 1D-Empfindlichkeiten eines Systems mit zwei Antennenschleifen (Sender-Empfänger) zeigen, wobei eine Antennenschleife an der Stelle B1 positioniert ist und die andere Antenne an der Stelle C positioniert ist. Es ist anzumerken, dass die Rollen von Sender und Empfänger wegen elektromagnetischer Reziprozität in jeder dieser Ausführungsformen austauschbar sind, ohne dass dies die dargestellte Empfindlichkeitsverteilung beeinflusst. Wie zuvor sind die in diesen 13–17 gezeigten Antennenplatzierungen und Meißelausrichtung ungefähre Stellen, die lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung verwendet werden.
13 zeigt, dass die Empfindlichkeit der A1-A2-Konfiguration in einer Form von zwei Strahlen mit einer Untersuchungstiefe von etwa 2–3 Zoll seitlich fokussiert ist. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 442 an zwei Seiten im Allgemeinen nahe bei dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 444 gezeigten Messungen der Empfindlichkeit mit zwei Höchstwerten. Wegen des dualen azimutalen Empfindlichkeitsfokus in der A1-A2-Ausführungsform kann es sein, dass diese Konfiguration nicht für azimutale Messungen des spezifischen Widerstands geeignet ist.
14 zeigt, dass die Empfindlichkeit der A1-B1-Konfiguration in einer Form von zwei Strahlen mit einer Untersuchungstiefe von etwa 2–3 Zoll seitlich fokussiert ist, ähnlich wie in 13. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 446 an zwei Seiten im Allgemeinen nahe bei dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 448 gezeigten Messungen der Empfindlichkeit mit zwei Höchstwerten. Die zwei Strahlen sind jedoch an unterschiedlichen axialen Positionen und weisen unterschiedliche Stärken auf, wie durch die in den 1D-Diagrammen 448 dargestellten Kombinationen großer und kleiner Höchstwerte und die unterschiedlichen Größen und Ausdehnungen der dunklen Abschnitte in dem 2D-Diagramm der y-z-Ebene 446A dargestellt. Dies liegt zum Teil an den unterschiedlichen jeweiligen Größen der an den Stellen A1 und B1 angeordneten Antennen, sowie an den Platzierungen dieser Antennen in unterschiedlichen Abständen zu der z-Achse des Meißels. Erneut kann es sein, dass diese A1-B1-Konfiguration wegen des dualen azimutalen Empfindlichkeitsfokus nicht für azimutale Auslegung geeignet ist.
15 zeigt, dass die Empfindlichkeit der A1-C-Konfiguration relativ tief (5–10 Zoll) ist, mit einiger geringer azimutaler Empfindlichkeit. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 450 sich an unterschiedlichen Seiten von dem Bohrmeißel 10 relativ weit nach außen erstrecken, wobei sich die dunklen Abschnitte an einer Seite des Meißels in eine größere Tiefe erstrecken als an der anderen. Diese Konfiguration kann dafür geeignet sein, stabile Messungen des spezifischen Widerstands über die Spülungssäule hinaus vorzunehmen (z. B. in die Formation über die Stelle hinaus, die von der durch den Bohrmeißel gepumpten Spülung erreicht wird). Die Auflösung der axialen Empfindlichkeitsmessungen ist jedoch im Allgemeinen in der A1-C-Konfiguration eingeschränkt.
16 zeigt, dass die Empfindlichkeit der B1-B2-Konfiguration in einer Form von drei azimutalen Strahlen mit einer Untersuchungstiefe von nur etwa 1–2 Zoll fokussiert ist. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 454 an drei Seiten relativ nahe bei dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 456 gezeigten Messungen der Empfindlichkeit mit mehreren Höchstwerten. Diese Konfiguration kann dafür geeignet sein, flache azimutale Messungen vorzunehmen, obwohl die azimutale Auflösung wegen der drei Fokusstrahlen, die einen Winkel von etwa 120 Grad abdecken, geringer sein kann.
17 zeigt, dass die Empfindlichkeitsverteilung der B1-C-Konfiguration etwa 1–2 Zoll tief ist. Dies wird dadurch angezeigt, dass die dunklen Abschnitte in den 2D-Diagrammen 458 im Allgemeinen nahe bei dem Bohrmeißel 10 angeordnet sind, sowie durch die in den entsprechenden 1D-Diagrammen 460 gezeigten Messungen der Empfindlichkeit mit hohen Höchstwerten. Diese Konfiguration zeigt die stärkste azimutale Empfindlichkeit unter den anderen Konfigurationen, wie durch die hohe Empfindlichkeit angezeigt, die an einer Seite des Bohrmeißels konzentriert ist, die in dem 2D-Diagramm der x-y-Ebene 458C und dem 1D-Diagramm der y-Achse 460A gezeigt ist. Daher kann die B1-C-Konfiguration besonders zur Verwendung geeignet sein, wenn azimutale Empfindlichkeit wichtiger ist als Untersuchungstiefe.
Wie in den Diagrammen nach 10–17 dargestellt erfolgt oft eine Abwägung zwischen Schärfentiefe und Auflösung der Messungen, die über die in dem Rollenbohrmeißel 10 angeordneten Antennen durchgeführt werden können. Zum Beispiel weist die vorstehend unter Bezugnahme auf 10 beschriebene A1-Sensoranordnung relativ hohe Empfindlichkeitswerte innerhalb relativ geringer Abstände zu dem Bohrmeißel auf. Daher kann diese Sensorplatzierung Messungen des spezifischen Widerstands mit sehr hoher Auflösung und mit einer geringen Schärfentiefe ergeben. Im Gegensatz dazu weist die vorstehend unter Bezugnahme auf 15 beschriebene A1-C-Sensoranordnung relativ niedrige Empfindlichkeitswerte innerhalb relativ großer Abstände zu dem Bohrmeißel auf. Daher kann diese Sensorplatzierung Messungen des spezifischen Widerstands über eine große Schärfentiefe, aber mit relativ geringer Auflösung ergeben. In Abhängigkeit von der Art der Formation und gewünschten Messungen, die zu sammeln sind, kann ein Bohrmeißel mit einer geeigneten Antennenbaugruppe für die Aufgabe ausgewählt werden.
Die nachstehend gezeigte Tabelle 1 listet die für die Konfigurationen nach 13–17 gemessenen direkten Signalpegel von dem Sender zu dem Empfänger auf. Diese Signalpegel wurden für eine Antenne mit einer Windung mit 1 Amp Anregung und eine Beabstandung von 0,1 Zoll zwischen der Antenne und der Ferritverstärkung 114 ermittelt (wie vorstehend unter Bezugnahme auf 4 erörtert). Es ist anzumerken, dass alle in Tabelle 1 aufgelisteten Spannungswerte groß genug für die Detektion und Messung unter Verwendung von Standardmesssystemen sind, die typischerweise bis zu etwa 10 nV empfindlich sind.

Konfiguration A1-A2 A1-B1 A1-C B1-B2 B1-C

Spannungsstärke 180,21 μV 13,71 μV 32,63 μV 45,10 μV 42,18 μV

Tabelle 1
Die vorstehend beschriebenen Antennenschleifen können durch eine spannungsgesteuerte oder stromgesteuerte Schaltung angetrieben werden. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung eine Einzelfrequenz-, Multifrequenz- oder gepulste Anregung mit einem Signal mit beliebiger transienter Form zum Antrieb der Antennen verwenden. Messungen können als eine Funktion der Zeit oder eine Funktion der Frequenz erfolgen. Im Fall von Zeitmessung können induzierte Spannungen oder induzierte Ströme an der empfangenden Antenne (oder dem Sendeempfänger) aufgezeichnet werden. Die Phase des empfangenen Signals kann auf den Sender oder einen anderen beliebigen Taktgeber bezogen werden. In Fällen, bei denen keine Phasensynchronisation verfügbar ist, können nur Amplitudendaten zur Interpretation verwendet werden. Die Interpretation kann durch Vergleich der empfangenen Signale mit denen in einer Interpretationstabelle durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Interpretationstabelle durch Modellieren der Antennen oder Durchführen von Versuchen in einer Laborumgebung erstellt werden.
Im Fall einer Zeitmessung kann eine Interpretationstabelle wie nachstehend in Gleichung 9 dargelegt erstellt werden. In dieser Gleichung steht R_i für den i-ten spezifischen Widerstand und V_i(t₁) steht für die i-te Spannung, die der Zeit t₁ entspricht. Die Zeit der Messung kann auf Grundlage der gewünschten Untersuchungstiefe ausgewählt werden. Das bedeutet im Fall von Flachmessungen, dass die gewählte Zeit gering sein kann. Im Fall von Tiefenmessungen kann die gewählte Zeit größer sein. R_i → V_i(t₁) (9)
Im Fall einer Frequenzmessung kann die Interpretationstabelle wie nachstehend in Gleichungen 10–12 dargelegt erstellt werden. In Gleichung 10 ist C_i(f₁) die i-te komplexe Strom- oder Spannungsmessung, die der Frequenz f₁ entspricht. A_i(f₁) ist die i-te Strom- oder Spannungsamplitudenmessung, die der Frequenz f₁ entspricht. P_i(f₁) ist die i-te Strom- oder Spannungsphasenmessung, die der Frequenz f₁ entspricht. Die Frequenz der Messung kann auf Grundlage der gewünschten Untersuchungstiefe ausgewählt werden. Das bedeutet im Fall von Flachmessungen, dass die gewählte Frequenz groß sein kann. Im Fall von Tiefenmessungen kann die gewählte Frequenz geringer sein. Ein Beispielbereich für die Frequenz, die für die Messungen verwendet werden kann, umfasst 100 kHz–10 GHz. Der Signalpegel ist in Fällen, bei denen der Strom konstant gehalten wird, proportional zu dem Quadrat der Frequenz. Dämpfung des Signals kann exponentiell mit der Frequenz zunehmen. Folglich kann für eine gegebene Messung des spezifischen Widerstands eine optimale Betriebsfrequenz bestehen. R_i = C_i(f₁) (10) R_i = A_i(f₁) (11) R_i = P_i(f₁) (12)
Die vorstehend beschriebenen Interpretationstabellen können experimentell berechnet werden, indem der Rollenbohrmeißel in Tanks platziert wird, die mit Wasser unterschiedlicher Salinität gefüllt sind. Eine Messung des spezifischen Widerstands, R_i, kann dann unter Verwendung einer separaten Vorrichtung zur Messung des spezifischen Fluidwiderstands für jeden Salinitätswert vorgenommen werden. Entsprechende Messungen, V_i(t₁), C_i(f₁), A_i(f₁) und P_i(f₁), können dann vorgenommen und in einer Tabelle gespeichert werden. Diese Tabelle kann später dazu verwendet werden, unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Messwerte für R_i zurückzurechnen. Diese Berechnung wird im Allgemeinen auf die inverse Lösung bezogen.
In einigen Ausführungsformen kann ein iteratives Schema statt der inversen Lösung verwendet werden, um die Messungen des spezifischen Widerstands zu kalibrieren und zu interpretieren. Bei dem iterativen Schema wird bei jeder Iteration als Ergebnis eines Durchlaufs in dem Eingangsmessraum ein besserer Schätzwert für R_i erhalten. Die Iterationen können beendet werden, wenn eine Nichtübereinstimmung zwischen der Messung und der modellierten Messung einen gewünschten unteren Grenzwert erreicht.
Hierin offenbarte Ausführungsformen umfassen:

A. Ein System, umfassend einen Rollenbohrmeißel zum Bohren eines Bohrlochs durch eine unterirdische Formation. Der Rollenbohrmeißel umfasst einen Zapfenarm, einen drehbar an den Zapfenarm gekoppelten Rollenkegel und eine erste Antennenschleife, die in dem Rollenkegel angeordnet ist, um magnetische oder elektromagnetische Energie zu detektieren, die ein Ziel, einen spezifischen Widerstand oder eine Grenze der unterirdischen Formation oder einer menschengemachten Struktur oder eines menschengemachten Objekts in der unterirdischen Struktur anzeigt.
B. Ein Bohrsystem, umfassend einen Rollenbohrmeißel, der einen Rollenkegel und mindestens eine Antennenschleife umfasst, die in dem Rollenkegel angeordnet ist, um magnetische Energie oder elektromagnetische Energie aus einer unterirdischen Formation oder menschengemachten Struktur oder einem menschengemachten Objekt zu detektieren. Das Bohrsystem umfasst ferner eine Sensorsteuerung, die außerhalb des Rollenbohrmeißels angeordnet ist und kommunikativ an die mindestens eine Antennenschleife gekoppelt ist, um ein Signal aus der mindestens einen Antennenschleife zu empfangen, das die detektierte magnetische oder elektromagnetische Energie anzeigt.
C. Ein Verfahren, umfassend das Drehen eines Rollenkegels eines Rollenbohrmeißels, um in eine unterirdische Formation zu bohren. Das Verfahren umfasst ferner das Empfangen mindestens eines Teils von magnetischer Energie oder elektromagnetischer Energie, die aus der unterirdischen Formation oder einer menschengemachten Struktur oder einem menschengemachten Objekt ausgeht, über eine erste Antennenschleife, die in dem Rollenkegel angeordnet ist.

Jede der Ausführungsformen A, B und C kann eines oder mehrere der folgenden zusätzlichen Elemente in Kombination aufweisen: Element 1: weiterhin umfassend eine zweite Antennenschleife, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist, um als Sender oder Empfänger für die erste Antennenschleife zu wirken. Element 2: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin einen Meißelschaft umfasst, der um den Zapfenarm angeordnet ist, wobei die zweite Antennenschleife an dem Meißelschaft angeordnet ist. Element 3: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin einen Körper zum Koppeln des Rollenbohrmeißels an eine andere Bohrkomponente umfasst, wobei die zweite Antennenschleife um einen Umfang des Körpers angeordnet ist. Element 4: wobei die erste Antennenschleife einen Umfangsweg um eine Fläche des Rollenkegels bildet. Element 5: wobei die erste Antennenschleife in einer Form über einen Durchmesser des Rollenkegels verläuft, die im Allgemeinen einer Außenfläche des Rollenkegels folgt und eine Schleife entlang eines Umfangswegs um eine entgegengesetzte Fläche des Rollenkegels bildet. Element 6: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin eine Schleifringanordnung, die zwischen dem Rollenkegel und dem Zapfenarm angeordnet ist, und ein Paar von Drähten umfasst, die zwischen entgegengesetzten Enden der ersten Antenne und der Schleifringanordnung elektrisch gekoppelt sind. Element 7: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin eine Elektronikanordnung umfasst, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist, um ein Ausgangssignal über die erste Antenne zu empfangen und zu verarbeiten. Element 8: wobei die Elektronikanordnung in dem Zapfenarm angeordnet ist. Element 9: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin einen Druckausgleichskanal, der durch den Zapfenarm angeordnet ist, und ein Kabel umfasst, das durch den Druckausgleichskanal geführt ist, um ein Signal, das das Ziel, den spezifischen Widerstand oder die Grenze der unterirdischen Formation oder menschengemachten Struktur oder des menschengemachten Objekts anzeigt, durch den Rollenbohrmeißel zu übertragen. Element 10: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin ein Fokussierungselement und eine Ferritkomponente umfasst, die um die erste Antennenschleife in dem Rollenkegel angeordnet sind. Element 11: wobei der Rollenbohrmeißel drei Rollenkegel umfasst und wobei die erste Antenne in einem der drei Rollenkegel angeordnet ist.
Element 12: weiterhin umfassend ein Instrumentenanschlussstück, das an den Rollenbohrmeißel gekoppelt ist, wobei die Sensorsteuerung in dem Instrumentenanschlussstück angeordnet ist. Element 13: weiterhin umfassend ein Short-Hop-Telemetriesystem, das das Instrumentenanschlussstück an ein Bohrgarnitur(BHA)-Modul koppelt, das über dem Instrumentenanschlussstück angeordnet ist. Element 14: weiterhin umfassend eine Untertage-Lenksteuerung, die kommunikativ an die Sensorsteuerung gekoppelt ist, um eine Lenkung des Bohrsystems auf Grundlage des aus der mindestens einen Antennenschleife empfangenen Signals anzupassen. Element 15: wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin eine Elektronikanordnung umfasst, um das Signal aus der mindestens einen Antennenschleife zu filtern und/oder digitalisieren, bevor das Signal die Sensorsteuerung erreicht.
Element 16: weiterhin umfassend das Übertragen von elektromagnetischer Energie in die unterirdische Formation über eine zweite Antennenschleife. Element 17: weiterhin umfassend das Ausgeben eines Signals, das die aufgefangene magnetische oder elektromagnetische Energie anzeigt; Empfangen des Signals über eine Sensorsteuerung; und Ermitteln eines spezifischen Widerstands eines Abschnitts der unterirdischen Formation und Ausgeben eines Steuersignals auf Grundlage des ermittelten spezifischen Widerstands über die Sensorsteuerung.
Obwohl die vorliegende Offenbarung und ihre Vorteile detailliert beschrieben worden sind, versteht es sich, dass verschiedene Veränderungen, Ersetzungen und Abänderungen hierin vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Umfang der Offenbarung wie durch die folgenden Ansprüche definiert abzuweichen.

Claims

System, umfassend: Rollenbohrmeißel zum Bohren eines Bohrlochs durch eine unterirdische Formation, wobei der Rollenbohrmeißel Folgendes umfasst: einen Zapfenarm; einen Rollenkegel, der drehbar an den Zapfenarm gekoppelt ist; und eine erste Antennenschleife, die in dem Rollenkegel angeordnet ist, um magnetische oder elektromagnetische Energie zu detektieren, die ein Ziel, einen spezifischen Widerstand oder eine Grenze der unterirdischen Formation oder einer menschengemachten Struktur oder eines menschengemachten Objekts in der unterirdischen Struktur anzeigt.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine zweite Antennenschleife, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist, um als Sender oder Empfänger für die erste Antennenschleife zu wirken.
System nach Anspruch 2, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin einen Meißelschaft umfasst, der um den Zapfenarm angeordnet ist, wobei die zweite Antennenschleife an dem Meißelschaft angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin einen Körper zum Koppeln des Rollenbohrmeißels an eine andere Bohrkomponente umfasst, wobei die zweite Antennenschleife um einen Umfang des Körpers angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Antennenschleife einen Umfangsweg um eine Fläche des Rollenkegels bildet.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Antennenschleife in einer Form über einen Durchmesser des Rollenkegels verläuft, die im Allgemeinen einer Außenfläche des Rollenkegels folgt und eine Schleife entlang eines Umfangswegs um eine entgegengesetzte Fläche des Rollenkegels bildet.
System nach Anspruch 1, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin eine Schleifringanordnung, die zwischen dem Rollenkegel und dem Zapfenarm angeordnet ist, und ein Paar von Drähten umfasst, die zwischen entgegengesetzten Enden der ersten Antenne und der Schleifringanordnung elektrisch gekoppelt sind.
System nach Anspruch 1, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin eine Elektronikanordnung umfasst, die in dem Rollenbohrmeißel angeordnet ist, um ein Ausgangssignal über die erste Antenne zu empfangen und zu verarbeiten.
System nach Anspruch 8, wobei die Elektronikanordnung in dem Zapfenarm angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin einen Druckausgleichskanal, der durch den Zapfenarm angeordnet ist, und ein Kabel umfasst, das durch den Druckausgleichskanal geführt ist, um ein Signal, das das Ziel, den spezifischen Widerstand oder die Grenze der unterirdischen Formation oder menschengemachten Struktur oder des menschengemachten Objekts anzeigt, durch den Rollenbohrmeißel zu übertragen.
System nach Anspruch 1, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin ein Fokussierungselement und eine Ferritkomponente umfasst, die um die erste Antennenschleife in dem Rollenkegel angeordnet sind.
System nach Anspruch 1, wobei der Rollenbohrmeißel drei Rollenkegel umfasst und wobei die erste Antenne in einem der drei Rollenkegel angeordnet ist.
Bohrsystem, umfassend: einen Rollenbohrmeißel, der einen Rollenkegel und mindestens eine Antennenschleife umfasst, die in dem Rollenkegel angeordnet ist, um magnetische Energie oder elektromagnetische Energie aus einer unterirdischen Formation oder menschengemachten Struktur oder einem menschengemachten Objekt zu detektieren; und eine Sensorsteuerung, die außerhalb des Rollenbohrmeißels angeordnet ist und kommunikativ an die mindestens eine Antennenschleife gekoppelt ist, um ein Signal aus der mindestens einen Antennenschleife zu empfangen, das die detektierte magnetische oder elektromagnetische Energie anzeigt.
Bohrsystem nach Anspruch 13, weiterhin umfassend ein Instrumentenanschlussstück, das an den Rollenbohrmeißel gekoppelt ist, wobei die Sensorsteuerung in dem Instrumentenanschlussstück angeordnet ist.
Bohrsystem nach Anspruch 14, weiterhin umfassend ein Short-Hop-Telemetriesystem, das das Instrumentenanschlussstück an ein Bohrgarnitur(BHA)-Modul koppelt, das über dem Instrumentenanschlussstück angeordnet ist.
Bohrsystem nach Anspruch 13, weiterhin umfassend eine Untertage-Lenksteuerung, die kommunikativ an die Sensorsteuerung gekoppelt ist, um eine Lenkung des Bohrsystems auf Grundlage des aus der mindestens einen Antennenschleife empfangenen Signals anzupassen.
Bohrsystem nach Anspruch 13, wobei der Rollenbohrmeißel weiterhin eine Elektronikanordnung umfasst, um das Signal aus der mindestens einen Antennenschleife zu filtern und/oder digitalisieren, bevor das Signal die Sensorsteuerung erreicht.
Verfahren, umfassend: Drehen eines Rollenkegels eines Rollenbohrmeißels, um in eine unterirdische Formation zu bohren; und Empfangen mindestens eines Teils von magnetischer Energie oder elektromagnetischer Energie, die aus der unterirdischen Formation oder einer menschengemachten Struktur oder einem menschengemachten Objekt ausgeht, über eine erste Antennenschleife, die in dem Rollenkegel angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend das Übertragen von elektromagnetischer Energie in die unterirdische Formation über eine zweite Antennenschleife.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: Ausgeben eines Signals, das die aufgefangene magnetische oder elektromagnetische Energie anzeigt; Empfangen des Signals über eine Sensorsteuerung; und Ermitteln eines spezifischen Widerstands eines Abschnitts der unterirdischen Formation und Ausgeben eines Steuersignals auf Grundlage des ermittelten spezifischen Widerstands über die Sensorsteuerung.