DE3304462C2 - Bohrloch-Instrument, Verfahren zu dessen Herstellung und Verfahren zum Eintreiben einer Nutzlast in ein Bohrloch - Google Patents
Bohrloch-Instrument, Verfahren zu dessen Herstellung und Verfahren zum Eintreiben einer Nutzlast in ein BohrlochInfo
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Abstract
Das erfindungsgemäße Gerät umfaßt eine längliche, flexible Sonde (11), die in ein Bohrloch (12) eingeführt wird und durch gebogene Abschnitte mit verhältnismäßig kurzem Krümmungsradius in der Bohrung (12) frei beweglich ist. Die Sonde (11) enthält mehrere Fühler (21, 22, 23), Explosionsladungen od.dgl. die in Abständen voneinander angeordnet und in einen flexiblen Körper eingebettet sind. Der flexible Körper enthält eine Masse (36) aus Dämpfungsmaterial und eine flexible äußere Hülle (32) aus einem Stoff mit hoher Zugfestigkeit. Die Sonde (11) wird wie ein Kolben in ein Bohrloch (12) getrieben, wobei es die Flexibilität des Körpers erlaubt, die Sonde (11) frei um gebogene Abschnitte mit verhältnismäßig kurzem Krümmungsradius laufen zu lassen. Die Instrumente (17) zur Verarbeitung der von der Sonde (11) erhaltenen Signale befinden sich an der Erdoberfläche und ein flexibles Seil (16) verbindet die Instrumente (17) mit der Sonde (11).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrloch-Instrument
ein Verfahren zur dessen Herstellung und ein Verfahren zum Eintreiben einer Nutzlast in ein Bohrloch
gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 10 bzw. 11. Derartige Bohrloch-Instrumente und Verfahren
zu deren Herstellung sind aus den US-PS 42 79 299, 36 59 649, 26 90 123 und 20 36 458 bekannt. Ein Verfahren
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 11 beschriebenen
Art ist aus der DE-OS 27 35 906 bekannt.
Beim Bohren von Öl-Bohrlöchern und anderen Bohrlöchern, insbesondere Tiefenbohrungen im Boden, ist es
zueweilen notwendig, die Lage des Bohrers oder den genauen Verlauf der Bohrung in einem beträchtlichen
Abstand unterhalb der Erdoberfläche zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird in das Bohrloch eine Überwachungssonde
eingeführt und die von der Sonde erhaltenen Daten werden an der Erdoberfläche analysiert um
die Lage der Sonde zu bestimmen. Es ist weiter wünschenswert, die Richtung, in der sich der Bohrer bewegt
zu bestimmen und diese Richtung zu steuern.
Die aus den US-PS 42 79 299,36 59 649,26 90 123 und
20 36 458 bekannten Bohrloch-Instrumente weisen zwar eine flexible Hülle auf, sie werden jedoch mittels
starrer Gestänge vorgeschoben, so daß es nicht möglich ist, sie längs Biegungen des Bohrloches mit verhältnismäßig
kurzem Radius (z. B. 15 bis 20 cm in einem Bohrloch mit einem Durchmesser in der Größenordnung von
18 bis 25 mm) zu führen. Zudem wäre bei diesen bekannten Bohrloch-Instrumenten die Nutzlast in der flexiblen
Hülle ungeschützt wenn man sie in der aus der DE-OS 27 35 906 bekannten Art unter Ausnutzung der
Schwerkraft in das Bohrloch absenken würde.
Zwar ist es aus den US-PS 18 60 932 und 14 58 925 an
sich bekannt, die Nutzlast mit einem Dämpfungsmaterial zu umhüllen und auf diese Art zu schützen. Diese
bekannten Bohrloch-Instrumente haben jedoch eine
starre Hülle, se daß es nicht möglich wäre, sie um enge
Biegungen eines Bohrloches vorzutreiben, insbesondere wenn der Durchmesser des Bohrloches und des Bohrloch-Instrumentes
im Vergleich zu seiner Länge gering ist
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend
von dem gattungsgemäßen Bohrloch-Instrument und den gattungsgemäßen Verfahren das Vortreiben
eines Bohrloch-Instruments durch Stellen mit geringem Krümmungsradius des Bohrloches zu verbessern.
Diese Arigabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1
bzw. die kennzeichnenden Maßnahmen der Patentansprüche 10 bzw. 11 gelöst
Das erfindungsgemäße Bohrloch-Instrument schützt einerseits die Nutzlast und läßt sich andererseits auch
durch enge Biegungen des Bohrloches vortreiben. Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen die günstige
Herstellung eines derartigen Bohrloch-Instrumentes bzw. ein schnelles und sicheres Vortreiben des Bohrloch-
/nstrumen tes.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bohrloch-Instrumentes und des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Eintreiben einer Nutzlast in ein Bohrloch sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 9 bzw.
12 und 13.
Die Erfindung Wird anhand der in der Zeichnung dargestellten AusfühntngSbeispiele näher erläutert Es
zeigt
F i g. 1 die schematische Darstellung der Verwendung eines Bohrloch-Instruments mit dem wesentlichen mechanischen
und elektrischen Zubehör,
F i g. 2 das Blockschaltbild der Anordnung der F i g. 1 und
F i g. 3 eine vergrößerte, zum Teil geschnittene Ansicht eines Bohrlochinstruments.
Die Anordnung der F i g. 1 enthält ein längliches, flexibles Bohrloch-Instruments II, im folgenden kurz
»Sonde« genannt, die in das zu überwachende Bohrloch 12 eingeführt ist. Das Bohrloch 12 kann, wie gezeigt,
eine Erdbohrung oder eine beliebige andere langgestreckte öffnung verhältnismäßig kleinen Durchmessers,
beispielsweise auch die öffnung in einem Rohr, sein. Die Sonde 11 hat einen insgesamt kreisförmigen
Querschnitt; ihr äußerer Durchmesser ist etwas größer als der Innendurchmesser der Bohrung. Beispielsweise
hat für einen Bohrungsdurchmesser in der Größenordnung von etwa 18—25 mm die Sonde einen Durchmesser
in der Größenordnung von etwa !7,8—etwa 24,1 mm. Die Länge der Sonde 11 ist wesentlich größer
als ihr Durchmesser; beispielsweise kann eine Sonde 11
mit einem Durchmesser von 17,8 mm eine Länge in der Größenordnung von 1220 cm haben.
Ein flexibles Kabel 16 verläuft in axialer Richtung von einem Ende der Sonde 11 und überträgt die elektrische
Leistung und elektrische Signale zwischen der Sonde und den Geräten an der Erdoberfläche. Dieses Kabel 16
enthält mehrere flexible elektrische Leiter, in die mehrere Verstärkungslitzen beispielsweise nichtrostendem
Stahl, eingeflochten sind. Das Kabel 16 ist auf eine Winde 18 an der Erdoberfläche gewickelt; die in das Bohrloch
12 eingeführte Kabellänge wird durch einen mit der Winde 18 verbundenen Längenindikator 19 überwacht.
An der Erdoberfläche ist die Sonde 11 über eine Schnittstelle 20 mit einem Rechner 17 verbunden. Der
Rechner 17 verarbeitet die von der Sonde 11 und vom
Längenindikator 19 erhaltenen Signale und bestimmt Lage und/oder die Ausrichtung des Bohrloches 12 in
dem Bereich, in dem sich die Sonde 11 befindet
Gemäß Fig.2 enthält die Sonde 11 eine Nutzlast
■ beispielsweise drei Richtungsfühler 71, 22, 23, deren elektrische Signale den Richtungen der Fühler im Bezug
auf ein orthogonales Koordinatensystem entsprechen. Bei dieser Ausführungsform ist die Bezugsachse des
Richtungsfühlers 21 auf die Sondenachse ausgerichtet, während die Achsen der Richtungsfühler 22,23 in senkrechten
Radialrichtungen hierzu angeordnet sind. Die Richtungsfühler 21,22,23 können herkömmlicher Bauart
sein und beispielsweise aus Drosselkompassen oder anderen Magnetometern bestehen. Der Begriff »Magnetometer«
soll hier jegliches Instrument umfassen, mit dem natürliche oder künstliche Magnetfelder erfaßbar
sind. Zwei übliche Arten von Magnetometern sind Halleffekt-Anordnungen und Drossel-Transformatoranordnungen.
Andere geeignete Richtungsfühler sind Gyroskope und andere Trägheitsgeräte. Die Richtungsfühler 21,22, 23 sind über einen in der Sonde 11 ange-
ordneten Modul 26 zur Bereitstellung der elektrischen Leistung und zur Signalkonditionierung- an das Kabel 16
angeschlossen. Die Sonde 11 enthält weiter einen Neigungsfühler 27, dessen Ausgangssignal der Ausrichtung
der Sonde um eine Querachse entspricht. Zur Bcrcitstellung weiterer Informationen, beispielsweise des Neigungswinkels
des Werkzeugs, können zusätzliche Neigungsmesser vorgesehen sein. Geeignete Neigungsmesser
sind beispielsweise Beschleunigungsmesser, elektrolytische Waagen, Pendelgeräte und dergleichen. Zur
Herstellung der Verbindungen zwischen dem Kabel 16, dem Leistung?- und Signalkonditionierungsmodul 26
und den Elementen innerhalb der Sonde 11 ist ein Stekker 28 vorgesehen.
Die Richtungsfühler 21,22,23 der Modul 26, der Neigungsfühler 27 und der Stecker 28 sind längs der Achse der Sonde 11 in Abständen voneinander angeordnet und durch flexible elektrische Leiter 31 miteinander verbunden. Alternativ können die elektrischen Bauteile auf einer flexiblen Leiterplatte oder auf einer Platte mit mehreren relativ kurzen starren Abschnitten angeordnet werden, die durch einen oder mehrere flexible Abschnitte miteinander verbunden sind. Diese Elemente sind in einer länglichen, flexiblen Hülle 32 mit hoher Zugfestigkeit untergebracht. Die Hülle 32 ist geschlossen und am distalen Ende der Sonde 11 mittels einer Klemme 34 an einer Spitze 33 aus nichtrostendem Stahl befestigt. Am proximalen Ende ist die Hülle 32 mittels einer Klemme 35 am Stecker 28 und damit am Kabel 16 befestigt.
Die Richtungsfühler 21,22,23 der Modul 26, der Neigungsfühler 27 und der Stecker 28 sind längs der Achse der Sonde 11 in Abständen voneinander angeordnet und durch flexible elektrische Leiter 31 miteinander verbunden. Alternativ können die elektrischen Bauteile auf einer flexiblen Leiterplatte oder auf einer Platte mit mehreren relativ kurzen starren Abschnitten angeordnet werden, die durch einen oder mehrere flexible Abschnitte miteinander verbunden sind. Diese Elemente sind in einer länglichen, flexiblen Hülle 32 mit hoher Zugfestigkeit untergebracht. Die Hülle 32 ist geschlossen und am distalen Ende der Sonde 11 mittels einer Klemme 34 an einer Spitze 33 aus nichtrostendem Stahl befestigt. Am proximalen Ende ist die Hülle 32 mittels einer Klemme 35 am Stecker 28 und damit am Kabel 16 befestigt.
Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform besteht die Hülle 32 aus einem aus Fasern gewebten oder
geflochtenen Stoff, die eine hohe Zugfestigkeit, d. h. eine Zugfestigkeit aufweisen, die größer ist als die von nichtrostendem
Stahl, vorzugsweise etwa 17570 kg/cm2 oder
mehr. Derzeit wird ein Stoff bevorzugt, der aus Faser aus aromatischem Polyamid hergestellt ist. Diese Faser
hat eine Zugfestigkeit in der Größenordnung von 28120 kg/cm2. Es lassen sich auch andere geeignete Fasern
hoher Zugfestigkeit verwenden, beispielsweise Graphitfasern, Glasfasern, Polyamidfasern oder Borfasern.
Das Innere der Hülle 32 ist mit einer Masse aus flexiblem, elektrisch isolierendem Dämpfungsmaterial 36
gefüllt, das die Fühler 21,22,23,27 und anderen elektrisehen
Bauteile umgibt und schützt. Dieses Material 36 und die äußere Hülle 32 bilden einen flexiblen Körper,
der frei um Krümmungen mit verhältnismäßig kleinem Radius im Bohrloch laufen kann. Geeignete Materialien
sind Silikone und andere synthetische Kautschukmaterialien, wie Polyurethan oder Silikonkautschuk.
Das flexible Material kann in fester oder fluider Form
verwendet werden. Geeignete fluide Materialien sind Silikone und Fluorkarbone mit hoher Dielektrizitätskonstanter
und niedrigem Dampfdruck. Das Fluid kann in Form eines Gels, vorzugsweise mit verhältnismäßig
hoher Viskosität, verwendet werden. Ein besonders geeignetes fluides Material ist Silanpolymer. Alternativ
kann bei einem festen Dämpfungsmaterial die Stoffhülle weggelassen und es können axial verlaufende Fasern in
die Dämpfungsmaterialmasse eingebettet werden, um die gewünschte Zugfestigkeit zu erzielen. In diesem Fall
sollten die Fasern innerhalb des Dämpfungsmaterial 36 axial beweglich sein, um ein Kollabieren des Körpers
beim Biegen zu verhindern.
Die äußere Oberfläche der Hülle 32 kann mit einem das Gleiten begünstigenden Material, beispielsweise
Polytetrafluoräthylen beschichtet sein, das den freien Durchtritt der Sonde 11 durch das Bohrloch 12 erleichtert.
An der äußeren Wand der Sonde 11 ist in der Nähe deren proximalen Endes ein flexibler Dichtungsring 41
befestigt, der dazu dient, die Sonde 11 leichter durch ein
Bohrloch 12 treiben zu können. Der Außendurchmesser des Dichtungsringes ist so gewählt, daß ein gleitender,
dichtender Eingriff mit der Innenwand der öffnung erzielt wird, in der die Sonde 11 benutzt werden soll. Es
können austauschbare Dichtungen unterschiedlicher Form und Größe für Sonden und Bohrungen unterschiedlichen
Durchmessers bereitgehalten werden. Die Dichtung kann durch nichtgezeigte Strömungskanäle
überbrückt sein, um die Ausbildung eines Unterdruckes hinter der Spitze 33 der Sonde 11 zu verhindern, wenn
diese aus dem Bohrloch 12 herausgezogen wird.
Bei einem derzeit bevorzugten Herstellungsverfahren
werden die elektrischen Bausteine der Sonde 11 miteinander verbunden und vertikal vom Kabel 16 im
gewünschten Abstand voneinander aufgehängt. Die Hülle 32 wird mit ihrem offenen Ende nach oben koaxial
zu diesen Bausteinen angeordnet. Das fluide Silikonkautschukmaterial
wird dann zur Ausbildung des flexiblen Körpers in die Hülle 32 gegossen. Der Stecker 28
wird installiert und elektrisch mit den Leitern in der Sonde 11 und den Leitern des Kabels 16 verbunden, das
offene Ende der Hülse 32 wird um den Stecker 28 gezogen und die Klemme 35 wird befestigt
Bei einem festen Dämpfungsmaterial 36 kann das Material
in einer oder mehreren aufeinander folgenden Schichten um die elektrischen Bausteine gelegt werden,
wobei benachbarte Schichten relativ zueinander etwas beweglich sind. Die Bausteine und das Dämpfungsmateriäi
36 werden dann als Einheit in die Stoffhülle 32 eingeführt
Bei der Benutzung wird die Sonde 11 in den oberen Bereich des zu überwachenden oder zu bohrenden Loches eingeführt Darauf wird oberhalb der Sonde 11 in
das Bohrloch 12 unter Druck stehendes Fluid (z. B. Wasser oder Luft) eingeführt und die Sonde wie ein Kolben
im Bohrloch 12 nach unten getrieben. Dabei bildet der
Dichtungsring 41 eine Dichtung zwischen dem Körper eo der Sonde U und der Wand des Gehäuses oder einer
anderen öffnung, in die die Sonde 11 eingeführt wird.
FQr den Fall, daß das Fluid im Bohrloch oberhalb der
Sonde 11 eingeschlossen wird, kann es auf geeignete Weise, z. B. durch Pumpen, durch Rückziehen der Sonde es
11 mittels des Seiles 16 oder dadurch entfernt werden,
daß es in die das Bohrloch 12 umgebende Formation getrieben wird.
Erreicht die Sonde 11 eine Biegung im Bohrloch 12, so
krümmt sich der Körper und die Sonde läuft frei durch den gebogenen Abschnitt. Die Sonde 11 wird durch Ziehen
am Kabel 16 aus dem Bohrloch 12 herausgezogen.
Wegen ihres verhältnismäßig kleinen Durchmessers kann die Sonde 11 auch in der Führung einer Bohranordnung
verwendet werden. Hierbei wird die Sonde 11 im Bohrmotorgehäuse selbs'. oder in einem Fluidkanal
in der Nähe des Bohrkopfes angeordnet; das Kabel 16 verläuft durch den Fluidkanal oder durch einen geeigneten
anderen Kanal im Bohrgehäuse zur Erdoberfläche. Dort werden die von der Sonde 11 erhaltenen Signale
verarbeitet und zur Steuerung der Richtung des Bohrers verwendet.
Zusätzlich zu den Richtungsfühlern 21,22,23 kann die
Nutzlast innerhalb der Sonde 11 weitere Fühler für weitere Funktionen enthalten, beispielsweise Temperatur,
Druck, radioaktive Strahlung, Wasserstoffionenkonzentration, sowie Instrumente zur Messung der Eigenschaften
der Formation, die gerade gebohrt wird.
Das Bohrloch-Instrument ist auch brauchbar in Werkzeugen zum Schneiden oder Trennen von Bohrrohren,
Geständen und/oder Gehäusen in einem Bohrloch. Ein Werkzeug dieser Art kann ähnlich wie das
Instrument der Fig. 1 und 3 mit elektrisch zündbaren
Explosionsladungen statt der Fühler 21, 22, 23 ausgeführt werden. Als explosive Materialien können Sprengstoffe
bekannter Zusammensetzung verwendet werden, beispielsweise Pellets oder plastische Sprengstoffe.
Elektrische Zündsignale werden den Sprengstoffen über das Kabel 16 und die elektrischen Leiter 31 innerhalb
der Sonde U zugeführt Die Ladungen können so angeordnet werden, daß sich jede beliebige Schneidwirkung
ergibt, z. B. eine konzentrische Explosion zum Trennen eines Bohrkopfes vom Ende eines Rohres, oder
eine Reihe von Explosionen zum Perforieren einer Leitung, während die Sonde 11 durch sie hindurchläuft
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (13)
1. Bohrloch-Instrument, mit einer länglichen Hülle (32) aus flexiblem Material, in der eine Nutzlast (21, s
22,23,27) eingeschlossen und die an ihrem rückwärtigen
Ende mit einem Kabel (16) verbunden ist, mittels dessen Signale zwischen der Nutzlast (21,22,23,
27) und der Erdoberfläche übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (32)
mit einem Dämpfungsmaterial (36) gefüllt ist, das die
Nutzlast (21,22,23,27) umgibt, wobei die Hülle (32)
einen flexiblen Sondenkörper (11) bildet, der mittels
eines Druckmitteis auch durch Abschnitte von relativ geringem Krümmungsradius hindurch im Bohr- is
loch (12) vortreibbar ist
2. Bohrloch-Instrument nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast mehrere axial im
Abstand voneinander angeordnete Fühler (21, 22, 23, 27) zur Erzeugung elektrischer Informationssignale
umfaßt
3. Bohrloch-Instrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Fühler
(21,22,23,27) aus einem Magnetometer, Beschleunigungsmesser,
Gyroskop oder Trägheitseinrichtungen besteht.
4. Bohrloch-Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast über das Kabel
(16) zugeführte Signale zündbare Sprengstoffe umfaßt.
5. Bohrloch-Instrument nach Anspruch !,dadurch
gekennzeichnet daß die Hülle (32) aus Stoff besteht.
6. Bohrloch-Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Hülle (32) aus einem Stoff
hergestellt ist der aus Fasern aus aromatischem Polyamid,
aus Glasfasern, aus Graphitfasern, aus Borfasern, aus Nylonfasern oder aus Kombinationen der
genannten Fasern besteht.
7. Bohrloch-Instrument nsch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (36) einen
Silikonkautschuk umfaßt
8. Bohrloch-Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß sich das Dämpfungsmaterial
(36) in einem fluiden Zustand befindet.
9. Bohrloch-Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der Hülle
(32) mit einem als Schmierstoff wirkenden Material beschichtet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Bohrloch-Instrumentes, bei dem mehrere Elemente einer Nutzlast
(21, 22, 23, 27) entlang einer Längsachse angeordnet und mit flexiblen elektrischen Leitern (32)
miteinander verbunden werden, sodann ein Kabel (16) zur Übertragung von Signalen zwischen der
Erdoberfläche und den Nutzlastelementen (21, 22, 23,27) an diese angeschlossen und anschließend eine
Hülle (32) aus flexiblem Material um die Nutzlastelemente (21,22,23,27) und die elektrischen Leiter (32)
herum angeordnet wird, an der danach das zur Signalübertragung vorgesehene Kabel (16) befestigt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (32) zusätzlich mit einem die Nutzlastelemente (21, 22,
23, 27) und die mit diesen verbundenen elektrischen Leiter (32) umschließenden Dämpfungsmaterial (36)
gefüllt wird, wobei ein flexibler Sondenkörper (11) gebildet wird, der mittels eines Druckfluids auch
durch Abschnitte von relativ geringem Krümmungsradius hindurch in das Bohrloch (12) vortreibbar ist.
11. Verfahren zum Eintreiben einer in einem länglichen
Sondenkörper (11) eingeschlossenen Nutzlast in ein Bohrloch (12) begrenzten Durchmessers und
mit mindestens einer Kxümmungsstelle von relativ geringem Radius, bei den: der Sondenkörper (11) in
das Bohrloch eingeführt und längs der Bohrlochwand auch an der KrümmungssteJle vorbei so lange
in das Bohrloch (12) vorgetrieben wird, bis die vorgesehene Endposition erreicht ist dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit einer flexiblen Außenhülle (32) versehener Sondenkörper (U) vor dem Einführen in
das Bohrloch (12) mit einem die Nutzlast (21,22,23, 27) umgebenden Dämpfungsmaterial (36) gefüllt und
sodann als in der Längsachse biegsamer Körper mittels eines Druckfluids im Bohrloch (12) vorgetrieben
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Nutzlast (21, 22, 23, 27) ein Überwachungsinstrument
umfaßt dadurch gekennzeichnet daß die Daten vom Überwachungsinstrument aus dem Bohrloch
(12) zur Erdoberfläche hin übertragen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Nutzlast ein Explosions-Werkzeug zum Schneiden
eines im Bohrloch (12) angeordneten Gestänges ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sprengstoff gezündet
wird, wenn das Werkzeug sich in einer vorbestimmten Lage innerhalb des zu schneidenden Rohres
befindet
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