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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Vorrichtungen
für das
Bohren von Bohrlöchern,
vor allem von Bohrlöchern
zur Förderung
von Erdölprodukten,
und betrifft insbesondere ein aktiv gesteuertes, lenkbares Rotary-
oder Rotationsbohrsystem, das direkt mit einem Drehbohrstrang verbunden
sein kann oder in einem Drehbohrstrang in Verbindung mit einem Schlammmotor
und/oder einer Druckvorrichtung und/oder einer flexiblen Hilfseinrichtung,
um beispielsweise zugunsten eines durch den Schlammmotor betriebenen
Bohrens mit oder ohne Bohrstrangdrehung ein wahlweises Entkoppeln
des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems von dem Drehbohrstrang
zu ermöglichen
und eine Präzisionssteuerung
der Richtung eines durch eine Bohrkrone gebohrten Bohrlochs sowie
eine Präzisionssteuerung
der Drehzahl, des Drehmoments und des Gewichts auf der Bohrkrone (Weight-on-Bit),
die der Bohrkrone verliehen werden, zu ermöglichen, stehen kann. Zur Schlammmotordrehzahl- und -drehmomentsteuerung
ist in den Fluidkreisen des Schlammmotors ein steuerbares Schnellentleerungsventil
vorgesehen, um einen Teil des Bohrfluidflusses aus dem Fluidkreis
in den Ringraum abzulassen oder abzuleiten oder einen Teil des Bohrfluidflusses
hinter den Rotor des Schlammmotors umzuleiten. Dieses Schlammmotorschnellentleerungs-
oder -umgehungs-Steuerventil kann automatisch in Reaktion auf Sensorsignale
von dem lenkbaren Rotationsbohrsystem oder in Reaktion auf Signale
von der Oberfläche
oder in Reaktion auf beides betätigt
werden. Zum Steuern des Gewichts auf der Bohrkrone ist in dem Bohrstrang
eine durch Bohrfluid betriebene Druckvorrichtung vorgesehen, die oberhalb
oder unterhalb des lenkbaren Rotationsbohrsystems angeordnet ist.
Die Druckvorrichtung weist in ihren Bohrfluidkreisen ein ähnlich steuerbares
Schnellentleerungs- oder Umgehungsventil auf, das durch die Steuerschaltungsanordnung
des lenkbaren Rotationsbohrsystems zum Zweck des Steuerns der abwärts wirkenden
mechanischen Kraft, d. h. des Gewichts auf die Bohrkrone, gegen
die gebohrte Formation wahlweise einstellbar ist. Die Schnellentleerungs-
oder Umgehungsventile des Schlammmotors und der Druckvorrichtung
werden somit beide unabhängig
im Bohrloch durch das Steuersystem des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs
in Reaktion auf Rückkopplungssignale
von verschiedenen Sensoren gesteuert, wobei sie wahlweise auch durch
Telemetrie von der Oberfläche
aus gesteuert werden können.
Diese Erfindung betrifft auch ein aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem,
das einen durch eine Turbine betriebenen Elektromotor-Antriebsmechanismus
zur geostationären
Positionierung einer Bohrkrone während
ihrer Drehung durch den Drehbohrstrang, einen Schlammmotor oder
beides enthält
und die Fähigkeit
besitzt, wahlweise den Elektromotor als Bremse zu verwenden, wenn
das Drehmoment der Bohrkrone-Formation-Wechselwirkung gegenüber der
inneren Reibung vorherrscht.
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Beschreibung des Standes
der Technik:
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Ein Öl- oder
Gasbohrloch weist häufig
einen unterirdischen Abschnitt auf, der richtungsbezogen, d. h.
unter einem Winkel in Bezug auf die Vertikale, gebohrt wird, wobei
die Neigung einen bestimmten Kompasssteuerkurs oder Azimut besitzt.
Obwohl Bohrlöcher
mit abgelenkten Abschnitten an jedem gewünschten Ort gebohrt werden
können,
beispielsweise zugunsten einer "horizontalen" Bohrlochorientierung
oder von einem Hauptbohrloch aus abgeleiteter Zweigbohrlöcher, wird
eine große
Anzahl abgelenkter Bohrlöcher
in Meeresumgebung gebohrt. In einem solchen Fall werden mehrere
abgelenkte Bohrlöcher
von einer einzigen Bohrinsel-Förderplattform
aus in der Weise gebohrt, dass die Böden der Bohrlöcher über eine
große
Fläche
eines Förderhorizonts, über dem
die Plattform typischerweise zentral angeordnet ist, verteilt sind,
wobei die Bohrlochköpfe für jedes
der Bohrlöcher
an der Plattformstruktur angeordnet sind.
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Unabhängig davon,
ob das Bohrlochbohren an Land oder in Meeresumgebung geschieht,
ist gegenwärtig
bei Bohrlochbohraktivitäten
ein Bedarf nach Bohren mit größerer Reichweite
vorhanden, das gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung dadurch vollzogen wird, dass während Bohrvorgängen eine
bessere Übertragung
des Gewichts und des Drehmoments auf die Bohrkrone erreicht wird.
Ein Hochleistungs-/Hochenergiebohren wird durch die vorliegende
Erfindung auch dadurch erreicht, dass veranlasst wird, dass die Übertragung
von Gewicht und Drehmoment auf die Bohrkrone durch das im Folgenden
genau dargelegte lenkbare Rotationsbohrsystem gesteuert wird. Bei
Verhältnissen,
wo das gebohrte Bohrloch eine komplexe Bahn besitzt, ermöglicht die
durch das lenkbare Rotationsbohrsystem dieser Erfindung geschaffene
Fähigkeit,
die Bohrkrone zu lenken, während
sie durch den Halter des Werkzeugs gedreht wird, dem Bohrpersonal
ein schnelles Navigieren des Bohrlochs von einem unterirdischen Ölvorkommen
zu einem anderen. Das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug ermöglicht das
Lenken des Bohrlochs sowohl vom Standpunkt der Neigung als auch
vom Standpunkt des Azimuts aus, so dass zwei oder mehr interessierende
unterirdische Zonen steuerbar durch das gebohrte Bohrloch durchschnitten
werden können.
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Eine
typische Prozedur des Bohrens eines gerichteten Bohrlochs ist das
Entfernen des Bohrstrangs und der Bohrkrone, durch die der anfängliche,
vertikale Abschnitt des Bohrlochs unter Anwendung herkömmlicher
Rotary-Bohrtechniken
gebohrt wurde, und Einfahren am unteren Ende des Bohrstrangs eines
Schlammmotors mit einem gekrümmten
Gehäuse,
der die Bohrkrone in Reaktion auf die Zirkulation von Bohrfluid
antreibt. Das gekrümmte Gehäuse liefert
einen solchen Biegewinkel, dass die Achse unter der Biegestelle,
die der Drehachse der Bohrkrone entspricht, von oben betrachtet,
einen "Toolface"-Winkel in Bezug
auf eine Referenz besitzt. Der Toolface-Winkel oder einfach "Toolface" legt den Azimut
oder Kompasssteuerkurs fest, unter dem der abgelenkte Bohrlochabschnitt
gebohrt wird, wenn der Schlammmotor betrieben wird. Nachdem der
Toolface-Winkel durch langsames Drehen des Bohrstrangs und Beobachten
der Ausgabe verschiedener Orientierungsvorrichtungen festgelegt
ist, werden der Schlammmotor und die Bohrkrone bei nicht drehbarem
Bohrstrang, um den gewählten
Toolface-Winkel beizubehalten, abgesenkt und die Bohrfluidpumpen, "Schlammpumpen", mit Energie versorgt,
um einen Fluidfluss durch den Bohrstrang und den Schlammmotor zu
entwickeln und dadurch der Schlammmotor-Abtriebswelle und der daran
befestigten Bohrkrone eine Drehbewegung zu verleihen. Das Vorhandensein
des Biegewinkels bewirkt, dass die Bohrkrone längs einer Kurve bohrt, bis
eine gewünschte Bohrlochneigung
hergestellt ist. Um einen Bohrlochabschnitt weiter mit der gewünschten
Neigung und dem gewünschten
Azimut zu bohren, wird der Bohrstrang dann so gedreht, dass seine
Drehung jener der Schlammmotor-Abtriebswelle überlagert
ist, was dazu führt,
dass der gekrümmte
Abschnitt lediglich die Achse des Bohrlochs umkreist und die Bohrkrone unabhängig davon,
welche Neigung und welcher Azimut eingestellt sind, geradeaus bohrt.
Falls erwünscht
können
bei Annäherung
an die maximale Tiefe des Bohrlochs dieselben Richtungsbohrtechniken
angewandt werden, um das Bohrloch in die Horizontale zu führen und
danach horizontal in oder durch die Förderzone zu fahren. Gewöhnlich sind
in dem Bohrstrang oberhalb des Schlammmotors Systeme für Messung
während
des Bohrens (MWD, measurement-while-drilling) aufgenommen, die den Fortschritt
des gebohrten Bohrlochs überwachen,
so dass korrektive Maßnahmen
vorgenommen werden können,
falls die verschiedenen Bohrlochparameter eine Abweichung von dem
projektierten Plan angeben.
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Beim
Bohren von Abschnitten des Bohrlochs mit dem nicht drehbaren Bohrstrang
und einem durch Bohrfluidfluss betriebenen Schlammmotor können verschiedene
Probleme entstehen. Das durch den Betrieb eines Schlammmotors hervorgerufene
Reaktionsmoment kann dazu führen,
dass sich der Toolface-Winkel allmählich verändert und dadurch das Bohrloch
nicht mit dem gewünschten
Azimut abgeteuft wird. Falls nicht korrigiert wird, kann das Bohrloch
zu einem Punkt verlaufen, der zu nahe an einem anderen Bohrloch
liegt, das gewünschte "unterirdische Ziel" verfehlen oder infolge
des "Wanderns" schlicht eine übermäßige Länge besitzen.
Diese unerwünschten
Faktoren können
zu übermäßigen Bohrkosten
des Bohrlochs führen
und die Drainagewirkung der Fluidproduktion aus einer interessierenden
unterirdischen Formation herabsetzen. Zudem kann ein nicht drehender
Bohrstrang einen erhöhten Reibungswiderstand
verursachen, so dass sich eine geringere Steuerung des "Weight-on-Bit" ergibt und die Geschwindigkeit
der Bohrkroneneindringung abnehmen kann, was zu wesentlich höheren Bohrkosten
führen
kann. Natürlich
bleibt ein nicht drehender Bohrstrang leichter in dem Bohrloch stecken
als ein drehender, vor allem dann, wenn sich der Bohrstrang durch
eine durchlässige
Zone erstreckt, die einen starken Aufbau von Schlammkuchen an der
Bohrlochwand erzeugt.
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Zwei
Patente, die für
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung von Interesse sind, sind
die US-Patente 5.113.953 und 5.265.682. Das '953-Patent stellt eine Richtungsbohrvorrichtung
und ein solches Verfahren vor, worin die Bohrkrone über ein
Universalgelenk mit dem unteren Ende eines Bohrstrangs gekoppelt
ist und die Bohrkronenwelle um einen Schwenkpunkt in dem lenkbaren
Bohrwerkzeughalter mit einer Drehzahl gedreht wird, die gleich der Drehzahl
des Bohrstrangs und zu dieser entgegengesetzt ist. Die vorliegende
Erfindung ist im Vergleich zum Gegenstand des '953-Patents insofern wesentlich fortgeschrittener,
dass der Winkel der Bohrkronenwelle oder des Dorns in Bezug auf
den Bohrkronenhalter oder Meißelschaft,
anstatt fest zu sein, veränderlich
ist. Außerdem
ist die Bereitstellung eines (elektrischen, mechanischen oder hydraulischen) Bremssystems
in dem lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug der vorliegenden Erfindung
ein weiterer großer Vorteil
gegenüber
den Lehren des Standes der Technik. Ferner unterscheidet das Vorhandensein
verschiedener Positionsmesssysteme und einer auf ein Positionssignal
reagierenden Steuerung in dem lenkbaren Rotationsbohrsystem der
vorliegenden Erfindung diese vom Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung
ist außerdem
von den Lehren des Standes der Technik unterscheidbar durch die
Verbindung eines steuerbaren Schlammmotors mit einer Druckvorrichtung
und einer flexiblen Hilfseinrichtung des Bohrsystems, die in irgendeiner
geeigneten Verbindung angeordnet sein kann, um zu ermöglichen, dass
ein richtungsbezogen gesteuertes Bohren wahlweise durch den Drehbohrstrang,
den Schlammmotor oder beides betrieben wird, und um für eine Präzisionssteuerung
des Gewichts auf der Bohrkrone und eine Genauigkeit der Bohrkronenorientierung während des
Bohrens zu sorgen.
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Das '682-Patent stellt
ein System zum Halten eines Bohrloch-Instrumentenpakets in einer gegenüber dem
Rollen stabilisierten Orientierung mittels eines Laufrads vor. Die
gegenüber
dem Rollen stabilisierte Instrumentierung wird verwendet, um den
Fluiddruck an einer Gruppe von Radialkolben zu modulieren, die nacheinander
betätigt
werden, um die Bohrkrone in eine gewünschte Richtung zu zwingen. Das
Bohrkronenlenksystem des '682-Patents unterscheidet
sich am deutlichsten von dem Konzept der vorliegenden Erfindung
durch die verschiedenen Mittel, die zum Ablenken der Bohrkrone in
die gewünschte
Richtung verwendet werden. Das '682-Patent
beschreibt nämlich
einen Mechanismus, der Kolben verwendet, um die Bohrkrone in eine
gewünschte
seitliche Richtung in dem Bohrloch zu drücken. Im Gegensatz dazu hält das lenkbare
Rotationsbohrsystem der vorliegenden Erfindung die Bohrkrone trotz der
Drehung des Meißelschafts
in einer gewünschten Bohrlochrichtung
ausgerichtet, indem es ein Laufrad zum Antreiben eines Wechselstromgenerators
verwendet, dessen Ausgang einen Elektrotor antreibt, der die Bohrkronenwellenachse
mit derselben Drehfrequenz, mit der die Bohrkronenwelle durch den Werkzeughalter
rotatorisch angetrieben wird, um ein Universalgelenk antreibt, Das
lenkbare Rotationsbohrsystem der vorliegenden Erfindung verwendet außerdem ein
(elektrisches, mechanisches oder hydraulisches) Bremssystem, das
die Drehung der Bohrkronenwelle steuert, wenn das Drehmoment der Bohrkrone-Formation-Wechselwirkung
gegenüber der
inneren Reibung vorherrscht. Im Umfang der vorliegenden Erfindung
können
die Sensoren und die Elektronik des Werkzeugs zusammen mit dem Bohrwerkzeughalter
gedreht werden oder längs
der Achse der Bohrkronenwelle des lenkbaren Rotationsbohrsystems
geostationär
gehalten werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges
Bohrsystem zu schaffen, das durch einen Drehbohrstrang angetrieben
wird und durch Präzisionslenkung
der durch den Bohrstrang und das Bohrwerkzeug gedrehten Bohrkrone das
wahlweise Bohren von gekrümmten
Bohrlochabschnitten erlaubt.
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Es
ist ebenso ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges
aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares Bohrlochbohrsystem zu
schaffen, das eine Bohrkronenwelle besitzt, die während des Bohrens
durch den Tragkranz oder Halter rotatorisch angetrieben wird und
die an einem Zwischenpunkt gelagert ist, um eine Schwenkbewegung
in allen Richtungen ausführen
zu können,
zum Zweck der geostationären
Positionierung der Bohrkronenwelle und der Bohrkrone in Bezug auf
den Werkzeughalter, um dadurch die auf diese Weise unterstützte Bohrkrone zum
Bohren eines gekrümmten
Bohrlochs fortwährend
auf einen gewünschten
Winkel auszurichten.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges
aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares Bohrlochbohrsystem zu
schaffen, das einen Versatzdorn besitzt, der zur Richtung der Drehbewegung
des Werkzeughalters entgegengesetzt, jedoch mit derselben Drehfrequenz
gedreht wird, um der Bohrkronenwelle in dieser Weise eine Drehbewegung
um ihr Auflager, in dem sie in allen Richtungen schwenken kann,
zu vermitteln und die Bohrkronenwelle geostationär zu halten.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges
aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares Bohrlochbohrsystem zu
schaffen, das in dem Werkzeug eine durch Bohrfluid betriebene Turbine
besitzt, die mit einem Wechselstromgenerator in einer Antriebsbeziehung
verbunden ist, um eine ausreichende elektrische Leistung für den Antrieb
eines Motors zu erzeugen, der dem Widerstandsmoment zwischen dem
Halter oder Gehäuse des
Bohrwerkzeugs und dem Versatzdorn, der sich in dem Werkzeughalter
in Gegenrichtung dreht und die geostationäre Positionierung der beweglichen
Bohrkronenwelle zum Zweck der Bohrkronenlenkung vollbringt, entgegenwirkt.
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Es
ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges
aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares Bohrlochbohrsystem zu
schaffen, das eine eingebaute elektronische Energie- und Steuersystem-Schaltungsanordnung
besitzt, die längs
des gesamten Werkzeugs angebracht ist und zusammen mit dem durch
den Bohrstrang angetriebenen Werkzeughalter gedreht werden kann.
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Es
ist ein nochmals weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein
neuartiges aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares Bohrlochbohrsystem zu
schaffen, das Sensoren und eine Elektronik besitzt, die zusammen
mit seinem Werkzeughalter oder geostationär mit seinem Versatzdorn ausgerichtet gedreht
werden können.
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Es
ist ebenso ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges
aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares Bohrlochbohrsystem zu
schaffen, das ein elektrisch, hydraulisch oder mechanisch gesteuertes
Bremssystem enthält,
um die Versatzdorn- und Bohrkronenwellenachse während des Bohrens geostationär zu halten.
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Es
ist ein nochmals weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine
Ausführungsform
des aktiv gesteuerten, rotatorischen, lenkbaren Bohrlochbohrsystems
zu schaffen, das eine Bremse besitzt, die die durch Bohrfluid betriebene
Turbine steuert und die anhand des Echtzeitmesswerts des Toolface-Winkels
gesteuert wird.
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Es
ist ein weiteres Merkmal einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, ein neuartiges aktiv gesteuertes, rotatorisches, lenkbares
Bohrlochbohrsystem zu schaffen, die einen Kraftübertragungsmechanismus besitzt,
der die Bremse und die durch Bohrfluid betriebenen Turbine miteinander
verbindet und für
die richtige Dissipation von Energie durch die Bremse sorgt und
dabei ermöglicht,
dass die durch Bohrfluid betriebenen Turbine zugunsten einer optimalen
Energieerzeugung mit einer effizienten Drehzahl arbeitet.
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Kurz
gesagt, die verschiedenen Gegenstände und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden durch die Bereitstellung eines aktiv gesteuerten, lenkbaren
Rotationsbohrwerkzeugs verwirklicht, das einen Halter oder ein Gehäuse aufweist,
der bzw. das mit einem Drehbohrstrang, der durch den Drehtisch eines
Bohrturms angetrieben wird, direkt verbunden ist. Obwohl die Beschreibung
hier insbesondere auf ein elektronisch mit Energie versorgtes und
aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrwerkzeug gerichtet ist,
ist damit nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung zu beschränken. Diese
Erfindung ist gleichfalls auf hydraulisch gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrwerkzeuge
und auf Rotationsbohrwerkzeuge, die sowohl elektronische als auch
hydraulische Steuermerkmale enthalten, anwendbar. Eine Bohrkronenwelle,
mit der eine Bohrkrone verbunden ist, ist mittels eines omnidirektionalen
oder ungerichteten Auflager in dem Halter befestigt und zum Zweck
des Bohrens direkt durch den Werkzeughalter drehbar. Ein unterer
Abschnitt der Bohrkronenwelle steht von dem unteren Ende des Halters
vor und sorgt für
eine Unterstützung
der Bohrkrone. Nach dem Konzept dieser Erfindung wird die Bohrkronenwellenachse
in Gegenrichtung in Bezug auf den Werkzeughalter um ihr Schwenklager
gedreht und somit in einer gegebenen Richtung ausgerichtet gehalten,
die um einen veränderlichen
Winkel in Bezug auf die Achse des Werkzeugs geneigt ist, wodurch
die Bohrkrone ein Bohrloch längs
einer Kurve, die durch den gewählten Winkel
bestimmt ist, bohren kann. Ein gerades Bohrloch kann gebohrt werden,
indem entweder der Winkel zwischen der Bohrkronenwellenachse und
der Werkzeugachse auf null eingestellt wird oder indem die Bohrkronenwellenachse
mit einer anderen Frequenz um die Werkzeugachse gedreht wird. Der
Winkel zwischen der Achse der Bohrkronenwelle und der Achse des
Halters des Bohrwerkzeugs wird mittels eines Versatzdorns erhalten,
der sich in Bezug auf den Halter entgegengesetzt dreht und der die
Bohrkronenwellenachse geostationär
hält. Das
lenkbare Rotationsbohrwerkzeug der vorliegenden Erfindung enthält einen
Mechanismus, der im Bohrloch betätigt wird,
um diesen Winkel wie gewünscht
zum Zweck des steuerbaren Lenkens der durch das Werkzeug gedrehten
Bohrkrone steuerbar zu verändern.
Das Drehmoment wird von dem Werkzeughalter über das Universalgelenk direkt
auf die Bohrkronenwelle übertragen.
Wenn der Halter durch den Bohrstrang gedreht wird, kann das zwischen
dem Halter und dem Versatzdorn und seinen Abstützungen wirkende Widerstandsmoment
Tres, das hauptsächlich durch Reibung bedingt
ist, dazu führen,
dass sich der Versatzdorn zusammen mit dem Halter dreht und dadurch ein übergroßes Loch
gebohrt wird. Um dies zu verhindern oder genauer die Bohrkronenwelle
trotz der Drehung des Halters geostationär zu halten, wird ein durch
eine durch Schlamm betriebene Turbine und einen Wechselstromgenerator
gespeister Elektromotor eingesetzt, der ausreichend Energie erzeugt,
um dem Widerstandsmoment entgegenzuwirken. Um dem Effekt der Wechselwirkung
zwischen der Formation und der Bohrkrone, die zu einem dem inneren Widerstandsmoment
des lenkbaren Rotationsbohrsystems entgegengesetzten Drehmoment
führen könnte, entgegenzuwirken,
wird eine elektrische, hydraulische oder mechanische Bremse eingesetzt. Außerdem sind
der Motor und die Bremse servogesteuert, um sicherzustellen, dass
der Toolface-Winkel in Gegenwart von äußeren Störungen beibehalten wird. Da
der Versatzdorn stets geostationär
bleiben sollte, sollte er in Bezug auf den Halter stets mit einer
Geschwindigkeit, die gleich der Drehzahl des Halters und zu dieser
entgegengesetzt ist, um einen Schwenkpunkt gedreht werden. In einer
anderen Ausführungsform
dieser Erfindung ist eine durch Bohrfluid betriebene Turbine mit
der elektromagnetischen Bremse in einer Antriebsbeziehung verbunden.
Damit sich die Turbine mit höheren
Drehzahlen, die für
den Betrieb einer Axialturbine geeigneter sind, drehen kann, wird
zwischen der Turbine und dem Versatzdorn ein Kraftübertragungsmechanismus
mit einem Getriebezug verwendet, um den Versatzdorn mit einer niedrigeren
Drehzahl und erhöhter
Leistung zu drehen und somit eine geostationäre Positionierung der Bohrkronenwelle
zu erreichen.
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Um
die Flexibilität
des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs zu erweitern,
besitzt das Werkzeug die Fähigkeit
eines wahlweisen Einbaus vieler elektronischer Erfassungs-, Mess-, Rückkopplungs- und Positionierungssysteme.
Ein dreidimensionales Positionierungssystem des Werkzeugs kann Magnetsensoren
zum Erfassen des erdmagnetischen Feldes sowie Beschleunigungsmesser
und Gyroskop-Sensoren zum genauen Bestimmen der Position des Werkzeugs
zu einem bestimmten Zeitpunkt verwenden. Zur Steuerung ist das lenkbare
Rotationsbohrwerkzeugs typischerweise mit drei Beschleunigungsmessern
und drei Magnetometern versehen. In dem Werkzeug ist typischerweise ein
einziger Gyroskop-Sensor eingebaut, der die Drehzahlrückkopplung
liefert und die Stabilisierung des Dorns unterstützt, obwohl ebenso mehrere
Gyroskop-Sensoren verwendet werden können, ohne vom Leitgedanken
und Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Das Signalverarbeitungssystem
der in das Werkzeug eingebauten Elektronik erlangt einen Echtzeit-Positionsmesswert,
während
sich das Werkzeug, das die Bohrkronenwelle und die Bohrkrone während Bohrvorgängen dreht,
dreht. Das Sensoren und das elektronische Verarbeitungssystem des Werkzeugs
sorgen außerdem
bei voranschreitendem Bohren für
eine kontinuierliche Messung des Azimuts und des aktuellen Neigungswinkels,
so dass sofort in Echtzeit korrektive Maßnahmen unternommen werden
können,
ohne den Bohrprozess unterbrechen zu müssen. Das Werkzeug enthält eine
positionsbasierte Steuerschleife, die Magnetsensoren, Beschleunigungsmesser
und Gyroskop-Sensoren verwendet, um Positionssignale zum Steuern
des Motors und der Bremse des Werkzeugs bereitzustellen. Hinsichtlich
der Bremsung sei angemerkt, dass der Elektromotor zum Antreiben
des Versatzdorns ebenfalls durch das interne Steuersystem des Werkzeugs
steuerbar ist, um nach Bedarf eine Bremsfunktion auszuüben, die
dem Effekt der Wechselwirkung zwischen der Formation und der Bohrkrone,
die zu einem Drehmoment führen
kann, das zu dem inneren Widerstandsmoment des Werkzeug entgegengesetzt
ist, entgegenwirkt. Außerdem
kann das Werkzeug vom Standpunkt der operativen Flexibilität ein System
für Messung
während
des Bohrens (MWD, measurement-while-drilling) zur Rückkopplung,
einen Verdrängermotor/eine
Verdrängerturbine,
Gammastrahlendetektoren, eine Leitwertregistrierung, eine Dichte-
und Porositätsregistrierung,
eine akustische Bohrlochmessung, eine Bohrlochabtastung bzw. -abbildung,
eine Instrumentierung für
den Blick nach vorn und rundum, eine Messung der Neigung an der
Bohrkrone, eine Messung der Bohrkronendrehzahl, Sensoren für die Vibration
unter dem Motor, Gewicht auf die Bohrkrone, Drehmoment auf die Bohrkrone,
Bohrkronenseitenkraft, ein Soft-Weight-System mit einer Druckvorrichtung,
die durch das Werkzeug so gesteuert wird, dass die Bohrleistung
maximal wird, einen Stabilisator veränderlichen Abstands, der durch
das Werkzeug gesteuert wird, oder ein Schlammmotor-Schnellentleerventil,
das durch das Werkzeug gesteuert wird, um die Bohrdrehzahl und das
Bohrdrehmoment zu steuern, enthalten. Das Werkzeug kann außerdem weitere Messvorrichtungen
enthalten, die für
das Bohren und die Fertigstellung des Bohrlochs nützlich sind.
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Der
Entwurf des Werkzeugs fügt
von sich aus ein solches Bohrloch-Soft-Torque hinzu, dass der Bohrkronenverschleiß minimal
wird und eine maximale Bohrleistung erzielt wird. In der in das
Werkzeug eingebauten operativen Steuersystemelektronik wird eine
Software eingesetzt, die das Ruck-Gleiten auf ein Minimum zurückführt. Außerdem bietet das
Werkzeug die Möglichkeit,
das Werkzeug von der Oberfläche
aus zu programmieren, um den Werkzeugazimut und die Werkzeugneigung
festzustellen bzw. festzulegen oder zu verändern und die Biegewinkelbeziehung
zwischen der Bohrkronenwelle und dem Werkzeughalter festzustellen
bzw. festzulegen oder zu verändern.
Der elektronische Speicher der eingebauten Elektronik des Werkzeugs
kann ein vollständiges
Bohrlochprofil aufbewahren, verwenden und übertragen und im Bohrloch eine
Geolenkfähigkeit
erreichen, um diese vom Beginn an bis zum Bohren mit größerer Reichweite
anzuwenden. Außerdem kann
in dem Bohrwerkzeug eine flexible Hilfseinrichtung verwendet werden,
um das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug vom Rest des unteren Teils
der Bohrgarnitur (Bottom Hole Assembly) und vom Bohrstrang zu trennen
und eine Navigation von dem lenkbaren Rotationsbohrsystem aus zu
ermöglichen.
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Neben
anderen Erfassungs- und Messungsmerkmalen dieser Erfindung kann
das aktiv gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrwerkzeug auch mit einer oder
mehreren Induktionstelemetriespulen versehen sein, um Mess- und Bohrinformationen,
die während Bohrvorgängen erhalten
werden, bidirektional über die
flexible Hilfseinrichtung, den Motor, die Druckvorrichtung und andere
Mess-Hilfseinrichtungen zu übertragen.
Für die
Induktionstelemetrie enthält
das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug typischerweise einen Induktor
in dem Werkzeughalter. Das Werkzeug enthält außerdem Sender und Empfänger, die
in einer vorgegebenen Beziehung, in der sie axial beabstandet sind,
angeordnet sind, um in dieser Weise zu bewirken, dass Signale die
an das Bohrloch angrenzende unterirdische Formation in einem vorgegebenen
Abstand durchqueren und somit deren Widerstand messen. Ein solches
System ist in dem US-Patent 5.594.343, das hier durch Verweise aufgenommen
ist, beschrieben.
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Die
Elektronik des Leitwertsystems des Werkzeugs sowie die Elektronik
der verschiedenen Mess- und Steuersysteme können sich zusammen mit den
drehenden Komponenten des Werkzeugs drehen und widerstehen somit
gut den Auswirkungen der Bohrstrangdrehung. Alternativ können bestimmte Komponenten
des Elektroniksystems des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs geostationär sein.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine durch Bohrfluid betriebene Turbine
mit einem Wechselstromgenerator in einer Antriebsbeziehung verbunden,
um aus der Energie des fließenden
Bohrfluids elektrische Energie zu gewinnen. Für einen optimalen Turbinen- und Wechselstromgeneratorbetrieb
kann zwischen die Turbine und den Wechselstromgenerator eine mechanische Kraftübertragung
geschaltet sein. Der Stromversorgungseingang eines Elektromotors,
der mechanisch nicht mit der Turbine oder dem Wechselstromgenerator
verbunden ist, ist mit dem elektrischen Ausgang des Wechselstromgenerators
verbunden, wobei ein elektrisches Steuersystem mit dem Motor zur
Steuerung seines Betriebs als Baugruppe verbunden ist. Außerdem ist
eine Bremse, die mechanisch nicht mit der Turbine und dem Wechselstromgenerator
verbunden ist, verfügbar,
um die Bohrkronenwellenachse geostationär zu halten, wenn die Formationsreibungswirkung
vorherrscht. Zum Antreiben des geostationären Dorns des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs
wird die Drehleistung des Motors verwendet, womit der Turbinen-
und Wechselstromgeneratorbetrieb den Betrieb des Motors und der
Bohrkronenwellenorientierungssteuerung nicht unmittelbar stören kann.
Zugunsten des mechanischen Wirkungsgrads verwendet das Bohrkronenwellen-Positionierungssystem
ein Universal-Bohrkronenwellen-Auflager, das
Kugeln und Ringe verwendet, die eine hakenartige Verbindung herstellen,
die der Bohrkronenwelle sowohl eine wirksame Abstützung in
axialer Richtung als auch ein Drehmoment verleiht und gleichzeitig
die Reibung an dem Universalgelenk minimiert. Die Reibung des Universalgelenks
wird auch dadurch minimiert, dass das Vorhandensein von Schmieröl an seinen
Komponenten sichergestellt und Bohrfluid von dem Universalgelenk
ferngehalten wird, wobei bei fortschreitendem Bohren eine wesentliche
zyklische Lenksteuerbewegung der Bohrkronenwelle in Bezug auf den
Werkzeughalter zugelassen wird. Anstelle des Kugel- und Ring-Universalgelenks
kann das Universalgelenk alternativ die Form eines Keilgelenks oder
eines Universalgelenks mit Keilen und Ringen annehmen.
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Der
Elektromotor des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs wird durch elektrischen
Strom betrieben, der durch den Bohrfluidfluss durch eine Turbine erzeugt
wird. Um die elektrische Leistungsabgabe zu steuern, kann die Turbine
einen veränderlichen
Wirkungsgrad haben, der durch Verschieben des Stators in Bezug auf
den Rotor erreicht wird. Die Turbine kann mehrere Stufen besitzen
oder mit einer Bremsung, beispielsweise durch eine Widerstandslast, versehen
sein.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Um
die Art und Weise, in der die oben angeführten Merkmale, Vorteile und
Aufgaben der vorliegenden Erfindung erreicht werden, genau zu verstehen,
kann eine genauere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten
Erfindung durch Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
hiervon erhalten werden, die in der beigefügten Zeichnung gezeigt ist,
wobei die Zeichnung als Teil hiervon aufgenommen ist.
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Es
sei jedoch angemerkt, dass die beigefügten Zeichnungen lediglich
eine typische Ausführungsform
dieser Erfindung zeigen und daher nicht als deren Umfang begrenzend
betrachtet werden dürfen,
da die Erfindung andere gleich wirksame Ausführungsformen zulassen kann.
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In
den Zeichnungen sind:
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1 eine
schematische Darstellung, die ein Bohrloch, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebohrt wird, und die Ablenkung des
unteren Abschnitts des Bohrlochs durch das aktiv gesteuerte, lenkbare
Rotationsbohrsystem und dessen Verfahren zeigt;
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2 eine
schematische Darstellung, die ein Bohrloch zeigt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebohrt wird, wobei in dem Drehbohrstrang
ein Schlammmotor eingesetzt ist, der oberhalb des aktiv gesteuerten,
lenkbaren Rotationsbohrsystems angeordnet ist, und der Werkzeughalter
des lenkbaren Bohrsystems mit einer Drehzahl gedreht wird, die sich
von der Drehzahl des Bohrstrangs unterscheidet;
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3 eine
zu jener von 2 ähnliche schematische Darstellung,
die den Schlammmotor zeigt, der unterhalb des aktiv gesteuerten,
lenkbaren Rotationsbohrsystems angeordnet ist und die direkte Drehung
der Bohrkrone mit einer Drehzahl bewirkt, die von jener des Bohrstrangs
verschieden ist;
-
4 eine
schematische Darstellung, die eine Druckvorrichtung zeigt, die in
dem Bohrstrang unmittelbar über
dem aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystem angeordnet
ist, um das Gewicht auf die Bohrkrone zu steuern, während die Bohrdrehzahl
und das Bohrdrehmoment durch das lenkbare Rotationsbohrsystem gesteuert
werden;
-
5 eine
schematische Darstellung, die eine Druckvorrichtung zeigt, die in
einem Bohrstrang unmittelbar unter dem aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystem
angeordnet ist;
-
6 eine
schematische Darstellung, die eine Druckvorrichtung zeigt, die in
einem Bohrstrang unmittelbar unterhalb eines Schlammmotors angeordnet
und oberhalb des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems
verbunden ist und die Drehung des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems
mit einer Drehzahl bewirkt, die von jener des Bohrstrangs verschieden
ist;
-
7 eine
schematische Darstellung, die eine Druckvorrichtung zeigt, die in
einem Bohrstrang unmittelbar oberhalb eines Schlammmotors angeordnet
ist, wobei sich der Schlammmotor oberhalb des aktiv gesteuerten,
lenkbaren Rotationsbohrsystems befindet;
-
8 eine
schematische Darstellung, die das in einem Bohrstrang angeordnete
aktiv gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrsystem sowie einen Schlammmotor,
der unterhalb des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems
verbunden ist, und eine Druckvorrichtung zeigt, die unterhalb des Schlammmotors
verbunden ist, damit der Schlammmotor eine Unterstützung oder
Abstützung
für die Bohrkrone
bietet;
-
9 eine
schematische Darstellung, die das in einem Bohrstrang angeordnete
aktiv gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrsystem sowie eine Druckvorrichtung,
die unterhalb des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems
verbunden ist, zeigt und ferner einen Schlammmotor zeigt, der unterhalb der
Druckvorrichtung verbunden ist und die Bohrkrone unterstützt;
-
10 eine
schematische Darstellung des lenkbaren Rotationsbohrsystems der
vorliegenden Erfindung mit einer mit diesem in dem Bohrstrang verbundenen
flexiblen Hilfseinrichtung, die die Krümmung der flexiblen Hilfseinrichtung
zeigt;
-
11 eine
schematische Darstellung des lenkbaren Rotationsbohr systems von 10,
die den Geradeauszustand der flexiblen Hilfseinrichtung zeigt;
-
12 eine
schematische Darstellung in einem Längsschnitt, die ein aktiv gesteuertes,
lenkbares Rotationsbohrsystem zeigt, das die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung repräsentiert
und einen durch eine Turbine betriebenen Wechselstromgenerator besitzt,
dessen elektrischer Stromausgang verwendet wird, um einen Elektromotor
anzutreiben, dessen Motorabtriebswelle mit einem omnidirektionalen
Bohrkronenwellenunterstützungs-
und -positionierungsmechanismus in einer Antriebsbeziehung verbunden
ist, um die longitudinale Achse der Bohrkronenwelle geostationär und unter einem
vorgegebenen Winkel in Bezug auf die Drehachse des Werkzeughalters
zu halten;
-
13 eine
schematische Darstellung in einem Schnitt, die eine Turbine, die
für die
Turbinen aus den 12 und 14 verwendet
werden kann, und die Turbinenstatorpositionierung in Bezug auf den
Rotor zur Steuerung des Wirkungsgrads und der Leistungsabgabe der
Turbine zeigt;
-
14 eine
schematische Längsschnittsansicht
eines eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung repräsentierenden
aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems, die eine Turbine
zeigt, die mit einem Wechselstromgenerator in einer Antriebsbeziehung
verbunden ist, wobei die Turbine und der Wechselstromgenerator in
demselben Abschnitt des Werkzeughalters wie der Motor, der Versatzdorn
und die Bohrkronenwelle angeordnet sind, und ferner einen Mechanismus
zeigt, der die omnidirektionale Dreh- oder Schwenkunterstützung in
dem Werkzeughalter für
die Bohrkronenwelle bietet;
-
15 eine
schematische Längsschnittsansicht
eines eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung repräsentierenden
aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems, die eine Turbine
zeigt, die über
eine Turbinenantriebswelle, die durch den Elektronik-, Sensoren-
und Bremsenabschnitt verläuft,
mit einem Getriebe in einer Antriebsbeziehung verbunden ist, wobei
der Ausgang des Getriebes mit einem Versatzdorn in einer Antriebsbeziehung
verbunden ist, um eine geostationäre Positionierung der Achse
einer Bohrkronenwelle zu vollbringen;
-
16 eine
Teil-Längsschnittsansicht,
die eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht und ein lenkbares Rotationsbohrwerkzeug
mit einem hydraulisch betriebenen System zum Orientieren der Bohrkronenwelle
des Werkzeugs während
Bohrvorgängen
zeigt;
-
17 eine
Längsschnittsansicht,
die den unteren Abschnitt des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems
von 12 näher
zeigt;
-
18 eine
Längsschnittsansicht,
die den oberen Abschnitt des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems
von 12 näher
zeigt;
-
19 eine
längs der
Linie 19-19 in 17 aufgenommene Querschnittsansicht;
-
20 eine
längs der
Linie 20-20 in 18 aufgenommene Querschnittsansicht;
-
21 eine
Teil-Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die ein Keil-Universalgelenk zeigt, das die Bohrkronenwelle
in dem Werkzeughalter in allen Richtungen unterstützt und
das der Bohrkronenwelle zur Drehung der Bohrkrone eine antreibende
Drehung verleiht;
-
22A eine schematische Darstellung in einem Querschnitt,
die die Bohrkronenwellen-Positionierungsringe, die für das Geradeausbohren
positioniert sind, und die Koinzidenz der longitudinalen Achsen
der Bohrkronenwelle und des Werkzeughalters für eine Nullwinkeleinstellung
der Bohrkronenwelle zeigt;
-
22B eine längs
der Linie 22B-22B in 22A aufgenommene Schnittansicht,
die die Koaxialbeziehungen der Bohrkronenwellen-Positionierungsringe
für das
Geradeausbohren zeigt;
-
22C eine schematische Darstellung in einem Querschnitt,
die die Bohrkronenwellen-Positionierungsringe an Positionen für einen
maximalen Versatz angeordnet und somit eine maximale seitliche Positionierung
der Mittellinie der Bohrkronenwelle für eine maximale Winkelstellung
der Bohrkronenwelle in Bezug auf den Werkzeughalter zeigt;
-
22D eine längs
der Linie 22D-22D in 22C aufgenommene Querschnittsansicht,
die die Axialversatz-Beziehungen der Bohrkronenwellen-Positionierungsringe
für einen
maximalen Versatz und somit für
ein Bohren mit einer maximalen Krümmungsrate zeigt;
-
23 ist
eine schematische Darstellung als Blockschaltplan, die die Steuerarchitektur
der bevorzugten Ausführungsform
des lenkbaren Rotationsbohrsystems der vorliegenden Erfindung sowie
das Konzept der durch eine Turbine betriebenen Bremsung und die
Bremssteuerung zum Zweck der Lenkung der Bohrkrone, die durch das
Werkzeug orientiert wird, zeigt;
-
24 eine
schematische Darstellung als Blockschaltplan, die die Steuerarchitektur
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer durch Bohrfluid betriebenen
Turbine und einer Bremse zum Steuern der Bohrkronenwellenpositionierung
in Bezug auf den Werkzeughalter sowie einer auf ein Positionssignal
reagierenden Bremsensteuereinheit zum Steuern der Bremse und zum Steuern
des Turbinenwirkungsgrads zeigt; und
-
25 eine
längs der
Linie 25-25 in 21 aufgenommene Querschnittsansicht,
die eine Keil-Antriebsverbindung zwischen der Bohrkronenwelle und
dem Bohrwerkzeughalter zeigt.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Zeichnungen und zunächst
in 1 ist ein Bohrloch 10 gezeigt, das durch
eine Drehbohrkrone 12 gebohrt wird, die am unteren Ende
eines Bohrstrangs 14 verbunden ist, der sich nach oben
zur Oberfläche
erstreckt, wo er durch den Drehtisch 16 eines (nicht gezeigten)
typischen Bohrturms angetrieben wird. Der Bohrstrang 14 enthält typischerweise
ein Gestängerohr 18,
in das zum Zweck des Aufbringens von Gewicht auf die Bohrkrone 12 ein
oder mehrere Schwerstangen 20 eingebunden sind. Das Bohrloch 10 ist
mit einem vertikalen oder im Wesentlichen vertikalen oberen Abschnitt 22 und
einem abgelenkten, gekrümmten
oder horizontalen unteren Abschnitt 24 gezeigt, der unter
der Steuerung eines allgemein bei 26 gezeigten aktiv gesteuerten,
lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs gebohrt wird, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Um die Flexibilität zu verschaffen,
die in dem gekrümmten
Abschnitt 24 des Bohrloch 10 erforderlich ist,
kann ein unterer Gestängerohrabschnitt 28 verwendet
werden, der die Schwerstangen 20 mit dem Bohrwerkzeug 26 verbindet,
so dass die Schwerstangen in dem vertikalen Abschnitt 22 des Bohrlochs 10 verbleiben.
Der untere Abschnitt 24 des Bohrlochs 10 soll
durch die Lenktätigkeit
des Bohrwerkzeugs 26 in Übereinstimmung mit den hier dargelegten
Prinzipien abgelenkt worden sein. Wie bei 28 in 1 gezeigt
ist, kann der Bohrstrang, der unmittelbar an das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug angrenzt,
eine auch in den 10 und 11 gezeigte
flexible Hilfseinrichtung enthalten, die dem lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug
eine höhere
Bohrgenauigkeit verleihen kann. In Übereinstimmung mit der üblichen
Praxis wird durch Oberflächenpumpen Bohrfluid
oder "Bohrschlamm" durch den Bohrstrang 14 hinab
gewälzt,
wo er durch Düsen,
die in der Bohrkrone 12 definiert sind, austritt und durch
den Ringraum 30 zwischen dem Bohrstrang 14 und
der Wand des Bohrlochs 10 an die Oberfläche zurückkehrt. Wie weiter unten näher beschrieben
wird, ist das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug 26 so konstruiert
und angeordnet, dass es die Bohrkrone 12 veranlasst, längs eines
gekrümmten
Pfads zu bohren, der durch die Steuereinstellungen des Bohrwerkzeug 26 bestimmt
ist. Der Winkel der die Bohrkrone 12 unterstützenden
Bohrkronenwelle in Bezug auf den rohrförmigen Halter oder Kranz des
Bohrwerkzeugs 26 wird beibehalten, obwohl die Bohrkrone
und das Bohrwerkzeug durch den Bohrstrang 14 gedreht werden,
wodurch die Bohrkrone so gelenkt wird, dass sie ein abgelenktes
Bohrloch bohrt. Das Lenken des Bohrwerkzeugs erfolgt wahlweise vom
Standpunkt der Neigung und vom Standpunkt des Azimuts aus, d. h.
nach links und nach rechts. Außerdem
können die
Einstellungen des lenkbaren Bohrwerkzeugs 26 wie gewünscht verändert werden,
um die Bohrkrone zu veranlassen, wahlweise den Verlauf des gebohrten
Bohrlochs zu verändern,
und dadurch das abgelenkte Bohrloch für eine Präzisionslenkung der Bohrkrone
und somit eine Präzisionssteuerung
des gebohrten Bohrlochs auszurichten.
-
Die 2 und 3 sind
schematische Darstellungen, die das lenkbare Rotationsbohrsystem der
vorliegenden Erfindung in einem gebohrten Bohrloch 10 zeigt
und ferner ein Verfahren zeigt, bei dem der Schlammmotor M innerhalb
des Drehbohrstrang entweder oberhalb des lenkbaren Bohrwerkzeugs, wie
in 2 gezeigt ist, oder unterhalb des lenkbaren Bohrwerkzeugs,
wie in 3 gezeigt ist, verwendet wird. Diese einzigartige
Anordnung ermöglicht
eine Drehung des Bohrstrangs 14 mit einer gewünschten Drehzahl
und eine Drehung des Schlammmotorausgangs mit einer anderen Drehzahl,
so dass eine optimale Bohrcharakteristik geboten wird, ohne eine übermäßige Ermüdung des
Bohrstrangs zu verursachen. Wenn das lenkbare Rotationsbohrsystem
der vorliegenden Erfindung direkt mit dem Bohrstrang verbunden ist,
ist die Drehzahl der Bohrkrone gleich jener des Bohrstrangs. Dies
begrenzt die maximale Drehzahl der Bohrkrone, weil eine erhöhte Drehzahl des
Bohrstrangs die Bohrstrangnutzungsdauer infolge einer Ermüdung begrenzen
könnte.
Wenn der Schlammmotor M aus den 2 und 3 in
Kombination mit dem lenkbaren Rotationsbohrsystem betrieben wird,
kann der Drehtisch des Bohrturms auf eine für den Bohrstrang optimale Drehzahl
eingestellt werden, wobei der Schlammmotor der Bohrkrone, die durch
den Schlammmotorausgang angetrieben wird, eine Drehzahl hinzufügen kann.
Der Drehtisch kann, um ein Überwinden
der Reibung zwischen dem Bohrloch und dem Bohrstrang zu ermöglichen,
mit einer Drehzahl von beispielsweise 50 Umdrehungen pro Minute
betrieben werden, einer Drehzahl, die die Nutzungsdauer des Bohrstrangs
infolge Ermüdung nicht
begrenzt, wobei die Drehzahl der Bohrkrone durch den Schlammmotor
erhöht
werden kann, um für
eine verbesserte Bohrcharakteristik zu sorgen und somit ein Bohren
mit größerer Reichweite
zu ermöglichen.
Das lenkbare Rotationsbohrsystem kann mit der durch den Schlammmotor
gesteuerten Drehzahl betrieben werden, wenn es unterhalb des Schlammmotors
angeordnet ist, und kann mit der Bohrstrangdrehzahl gedreht werden,
wenn es direkt mit dem Bohrstrang verbunden ist. Falls der Schlammmotor
unterhalb des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs angeordnet ist, wird
die Bohrkrone direkt mit seiner Drehleistung beaufschlagt. Die Lenkcharakteristik
während
des Bohrens besitzt eine höhere
Präzision,
wenn der Schlammmotor oberhalb des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs
angeordnet ist, weil der Abstand vom lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug
zur Bohrkrone vom Standpunkt der Lenkpräzision ein grundlegender Steuerfaktor
ist.
-
Es
sei angemerkt, dass das lenkbare Rotationsbohrsystem der vorliegenden
Erfindung in einem Bohrstrang in Verbindung mit anderen Bohrwerkzeugen
wie etwa Schlammmotoren, wie oben beschrieben worden ist, um die
Drehzahl und das Drehmoment zu steuern, und Druckvorrichtungen,
um das Gewicht auf die Bohrkrone zu steuern, verbunden sein kann.
Zudem kann die Anordnung dieser Komponenten innerhalb eines Bohrstrangs
vom Bohrpersonal entsprechend einer breiten Vielfalt von Eigenschaften
wie etwa der Gedrängtheit
des gekrümmten Bohrlochabschnitts,
der gebohrt wird, den Eigenschaften der gebohrten Formation, dem
Charakter der zum Bohren eingesetzten Bohreinrichtung und der Tiefe, bei
der das Bohren stattfindet, gewählt
werden. Die schematische Darstellung von 4 zeigt das
lenkbare Bohrwerkzeug 26, das mit dem Bohrstrang 14 verbunden
ist, zusammen mit einer durch Bohrfluid betriebenen Druckvorrichtung
T, die zum Steuern des Gewichts auf die Bohrkrone vorgesehen ist.
Die Druckvorrichtung ist hauptsächlich
aus einem hydraulisch gesteuerten Kolben gebildet, wobei der untere
Teil der Bohrgarnitur (Bottom Hole Assembly) mit dem Kolben verbunden
ist. Die Kopplung 27 zwischen dem lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug 26 und
der Druckvorrichtung T kann eine einfache Rohrkopplung oder ein
Werkzeugabschnitt sein, der die Integration der Steuermerkmale,
elektronisch, hydraulisch, oder eine Kombination aus elektronischen und
hydraulischen Steuerungen zwischen dem lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug
und der Druckvorrichtung ermöglicht.
Falls erwünscht
kann die Kopplung 27 die Form der in den 10 und 11 gezeigten flexiblen
Hilfseinrichtung annehmen. In 5 ist eine Druckvorrichtung
T gezeigt, die unterhalb des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs 26 verbunden
ist, wobei diese in einer Winkelbeziehung mit dem Halter oder Kranz
des Bohrwerkzeugs 26 durch Einstellen der Position der
Bohrkronenwelle des Werkzeugs positionierbar ist. In diesem Fall
verschafft die Bohrkronenwelle der Druckvorrichtung eine Unterstützung, während die
Druckvorrichtung eine Unterstützung
für die
Bohrkrone verschafft sowie das Gewicht auf die Bohrkrone steuert.
In 6 ist die Anordnung des lenkbaren Rotationsbohrsystems 26 und
der Druckvorrichtung T so, wie in 4 gezeigt
ist. Außerdem ist
ein Schlammmotor M mit dem Bohrstrang 14 oberhalb der Druckvorrichtung
verbunden, um in dieser Weise für
die Drehung der Druckvorrichtung und des Halters des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs
mit einer Drehzahl zu sorgen, die von der Drehzahl des Bohrstrangs
verschieden ist, und dabei gleichzeitig das Gewicht auf die Bohrkrone
zu steuern. Die schematische Darstellung von 7 zeigt
einen oberhalb des lenkbaren Bohrwerkzeugs verbundenen Schlammmotor
M und eine in dem Bohrstrang 14 oberhalb des Schlammmotors
verbundene Druckvorrichtung T. Falls erwünscht kann die Kopplung entweder
zwischen dem lenkbaren Bohrwerkzeug und dem Schlammmotor oder zwischen
dem Schlammmotor und der Druckvorrichtung oder sowohl als auch durch eine
flexible Hilfseinrichtung der in den 10 und 11 dargelegten
Art versehen sein. 8 zeigt das lenkbare Bohrwerkzeug,
das mit dem Bohrstrang 14 verbunden ist und einen Schlammmotor
M enthält, der
mit der geostationären
Bohrkronenwelle des Werkzeug verbunden und somit zusammen mit der Bohrkronenwelle
einer Winkeleinstellung in Bezug auf den Werkzeughalter unterworfen
ist. Unterhalb des Schlammmotors M ist eine Druckvorrichtung T angeordnet,
die die Bohrkrone unterstützt
und das Gewicht auf die Bohrkrone steuert. Die Druckvorrichtung
T wird in Bezug auf den Halter des lenkbaren Bohrwerkzeugs 26 durch
die Abtriebswelle des Schlammmotors M positioniert, während der Schlammmotor
durch die Bohrkronenwelle des lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs hinsichtlich
einer gesteuerten Lenkung positioniert wird. Die schematische Darstellung
von 9 zeigt das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug 26,
das mit dem Bohrstrang 14 verbunden ist und eine Druckvorrichtung
T enthält, die
durch die Bohrkronenwelle in Bezug auf den Halter des Werkzeug unterstützt und
orientiert wird. Unterhalb der Druckvorrichtung ist ein Schlammmotor
M so positioniert, dass seine Abtriebswelle die Bohrkrone sowohl
unterstützt
als auch antreibt. Die Bohrkrone wird somit durch das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug
gelenkt und sowohl durch die Drehzahl des Bohrstrangs als auch durch
die Drehzahl der Schlammmotor-Abtriebswelle rotatorisch angetrieben.
Dadurch kann die Bohrkrone mit einer Drehzahl gedreht werden, die
größer oder
gleich der Drehzahl des Bohrstrangs ist, wobei gleichzeitig das
Gewicht auf die Bohrkrone durch die Druckvorrichtung gesteuert wird.
-
Wie
in 9 schematisch gezeigt ist, kann die Druckvorrichtung
T in ihrem Fluidkreis mit einem Steuerventil D1 versehen sein, während in
dem Fluidkreis des Schlammmotors M ein Steuerventil D2 vorgesehen
sein kann. Diese Steuerventile können wahlweise
durch die Steuerschaltungsanordnung des lenkbaren Rotationsbohrsystems
verstellt werden, was durch die Linie C angedeutet ist, um somit eine
Integration der Druckvorrichtung und/oder des Schlammmotors in das
Steuersystem des lenkbaren Rotationsbohrsystems zu ermöglichen.
In dieser Weise werden der Schlammmotor und die Druckvorrichtung
in derselben Weise wie das lenkbare Rotationsbohrsystem einer auf
Rückkopplung
ansprechenden Steuerung unterworfen. Das Steuerventil D2 in dem
Schlammmotor M kann durch das lenkbare Rotationsbohrsystem gesteuert
werden, um die Drehzahl der Abtriebswelle des Schlammmotors und
somit das Drehmoment an der Bohrkrone zu steuern. Das Steuerventil
D1 der Druckvorrichtung wird durch das Steuersystem des lenkbaren
Rotations bohrsystems verstellt, um das Gewicht auf die Bohrkrone
zu steuern. In dieser Weise bewirkt das lenkbare Rotationsbohrsystem
der vorliegenden Erfindung eine effiziente Lenkung der Bohrkrone
und eine verbesserte Bohrcharakteristik durch effizientes Steuern
des Drehmoments an der Bohrkrone und durch Steuern des Gewichts
auf die Bohrkrone, wodurch das Bohren mit größerer Reichweite unterstützt wird.
-
Die 10 und 11 zeigen
einen Bohrstrang 14 mit einem darin verbunden aktiv gesteuerten,
lenkbaren Rotationsbohrsystem 26 zum Lenken einer Bohrkronenwelle,
mit der eine Bohrkrone 12 verbunden ist. Der Bohrstrang 14 enthält außerdem einen
Schlammmotor M, um die Drehzahl der Bohrkrone 12 zu erhöhen, und
eine flexible Hilfseinrichtung 28 zum Zweck der Erhöhung der
Lenkpräzision, die
durch das lenkbare Rotationsbohrsystem erreicht wird. Die flexible
Hilfseinrichtung 28 nimmt auch das wahlweise Entkoppeln
des lenkbaren Rotationsbohrsystems von dem Bohrstrang vor, um so
dessen Lenkfähigkeit
zu verbessern.
-
In
den 12, 14 und 15 ist
allgemein bei 26 ein aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem
gezeigt, das wie oben erwähnt
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und
die bevorzugte Ausführungsform
repräsentiert.
Das aktiv gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrsystem 26 besitzt
einen rohrförmigen
Halter oder Kranz 32, der an seinem oberen Ende einen Innengewindeabschnitt 34 definiert,
der seine direkte Verbindung mit der flexiblen Hilfseinrichtung 28 oder
der sich drehenden Abtriebswelle eines Schlammmotors und einer Druckvorrichtung
ermöglicht,
je nach Art und Weise, in der das lenkbare Bohrwerkzeug 26 verwendet
werden soll. Die alternative Ausführungsform von 14 betreffend
ist im oberen Abschnitt des Kranzes 32 ein elektromagnetisches
Induktionssystem 36 und eine elektrische Drahtkommunikationsverbindung 38 vorgesehen,
um eine Kommunikation von Signalen von dem lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug 26 zu
einem MWD-System außerhalb
des Bohrlochs (uphole) bereitzustellen und Daten aus dem Bohrloch
(downhole) in Echtzeit zurück
an die Oberfläche
zu senden sowie die Übermittlung
von Steuersignalen von der Bohr-Steuereinrichtung an der Oberfläche während Bohrvorgängen an
das Werkzeug zu erleichtern. Der Kranz 32 definiert auch
einen Elektronik- und Sensorunterstützungsabschnitt 40,
der verschiedene Sensoreinrichtungen enthält. Der Unterstützungsabschnitt 40 kann
eine Aufnahme 42 definieren, in der ein Magnetometer, ein
Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop-Sensor angeordnet sind, die
die Fähigkeit
besitzen, elektronische Ausgangssignale zu liefern, die dynamisch
zum Lenken des Werkzeugs verwendet werden. Außerdem können in dem Elektronik- und Sensorunterstützungsabschnitt 40 mehrere
elektronische Komponenten des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems 26 aufgenommen
sein. In dem Kranz 32 kann beispielsweise ein Formationsleitwert-Messsystem 41 angeordnet
sein, das sich zusammen mit dem Kranz dreht und vertikal beabstandete
Sender und Empfänger
umfasst, um elektromagnetische Signale zum Bestimmen des spezifischen
elektrischen Widerstands der Formation zu ermöglichen. Das Verfahren und
die Vorrichtung zum Messen des Leitwerts bzw. des spezifischen elektrischen
Widerstands der gebohrten Erdformation, und zwar bei Fortgang der
Rotary-Bohrvorgänge,
können zweckmäßigerweise
jene Form annehmen, die in dem US-Patent Nr.5.594.343 dargelegt
ist. Die Vorrichtung und die Elektronik des Leitwertmesssystems können sich
mit dem Kranz 32 oder mit anderen Komponenten des aktiv
gesteuerten Rotationslenkwerkzeugs drehen. Das System für Leitwertmessung kann
physisch an irgendeinem anderen gewünschten Ort innerhalb des Werkzeugs 26 angeordnet
sein, wenn damit eine verbesserte Fertigung oder Verwendung des
lenkbaren Rotationsbohrsystems verbunden ist. Außerdem können in dem Elektronik- und Sensorunterstützungsabschnitt 40 verschiedene
weitere Erfassungs- und Messsysteme aufgenommen sein, die beispielsweise
ein Gammastrahlen-Messsystem oder ein akustisches Abtast- bzw. Abbildungssystem
umfassen. Das Bohrwerkzeug 26 kann außerdem eine Drehzahlerfassungseinrichtung, Bohrkronenwellenvibrationssensoren
und dergleichen enthalten. Zusätzlich
können
auch elektronische Datenverarbeitungssysteme in dem Elektronikpaket
des Werkzeugs enthalten sein, um verschiedene Dateneingaben zu empfangen
und zu verarbeiten und Signalausgaben zu liefern, die für die Lenksteuerung
und für
die Steuerung weiterer Faktoren, denen während des Bohrlochbohrens begegnet
wird, verwendet werden. Die elektronischen Datenverarbeitungssysteme
können
wahlweise so in dem Werkzeug angeordnet sein, dass sie zusammen
mit dem Werkzeughalter gedreht werden können oder in dem Werkzeughalter
zusammen mit der Bohrkronenwelle und ihren Betriebskomponenten in
Gegenrichtung gedreht werden können.
-
Wie
in den 12 und 14 gezeigt
ist, ist allgemein bei 48 unmittelbar oberhalb oder unterhalb des
Elektronik- und Sensorunterstützungsabschnitts 40 ein
fluidbetriebener Turbinenmechanismus vorgesehen, der einen Stator 50,
der vorzugsweise in einer festen Beziehung mit dem rohrförmigen Kranz 32 angeordnet
ist, und einen Rotor 52, der so angebracht ist, dass er
sich in Bezug auf den Stator 50 drehen kann, enthält. Wie
in 13 gezeigt ist, sind die relativen Positionen
des Rotors 52 und des Stators 50 einstellbar,
wobei entweder der Rotor oder der Stator oder beide zum Zweck des
steuerbaren Veränderns des
Wirkungsgrads und somit der Leistungsabgabe der Turbine 48 einer
Positionssteuerungsbewegung unterworfen sein können. Der Rotor 52 ist
mit einer Turbinenabtriebswelle 54 versehen, die über eine Kraftübertragung 58 mit
einem Wechselstromgenerator 56 in einer Antriebsbeziehung
steht. Da die Turbinenabtriebswelle 54 mit der Kraftübertragung 58 in einer
Antriebsbeziehung verbunden ist, kann dadurch, dass der Stator 50 so
angebracht ist, dass er durch die Bohrsystemelektronik in Reaktion
auf eine Turbineleistungsanforderung steuerbar verschoben werden
kann, eine Turbinenwirkungsgradsteuerung erreicht werden. Die Turbine
kann außerdem
elektrisch gebremst werden, um ihr freies Rotieren zu begrenzen
und dadurch die von der Turbine verfügbare Leistung zu erhöhen. Die
während
eines solchen Bremsens entwickelte Wärme wird durch das Bohrfluid,
das durch das Werkzeug strömt,
wirksam abgeführt.
Das durch das Werkzeug strömende
Bohrfluid dient außerdem
zum Kühlen
der verschiedenen internen Komponenten des Werkzeugs wie etwa des Elektronikpakets,
des Wechselstromgenerators und des Bohrkronenwellen-Positionierungsmotors.
In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dient der in 14 gezeigte
Wechselstromgenerator 56 als Widerstand für die Turbinenleistung
und wird wegen dieses Widerstands als elektromagnetische Bremse
verwendet. In Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung ist der Wechselstromgenerator 56 mit einem
Kraftübertragungsmechanismus 58 versehen,
der es ermöglicht, dass
die Turbine 48 zugunsten eines effizienten Betriebs des
Wechselstromgenerators mit einer optimalen Umdrehungsgeschwindigkeit
arbeitet. Der Wechselstromgenerator 56 liefert eine elektrische
Leistung, die mit der Betriebs- und Steuerschaltungsanordnung eines
Elektromotors 60 elektrisch gekoppelt ist, um so die elektrische
Energie, die von dem durch die Turbine angetriebenen Wechselstromgenerator 56 erzeugt
wird, zum Antreiben des Elektromotors 60 zu verwenden.
-
Der
drehende Ausgang eines Getriebes oder einer Kraftübertragung 61,
das bzw. die durch den Elektromotor 60 angetrieben wird,
ist mit einem Versatzdorn 62, der durch den Innenrotor
des Elektromotors 60 rotatorisch angetrieben wird, in einer
Antriebsbeziehung verbunden, wobei an dem Versatzdorn 62 ein
Rotationsantriebskopf 64 befestigt ist, der eine exzentrisch
angeordnete Aufnahme 66 aufweist, die ein Ende 68 einer
Bohrkronenwelle 70 aufnimmt. Der Versatzdorn 62 und
der Rotationsantriebskopf 64 werden in Bezug auf die Drehung
des Kranzes 32 in Gegenrichtung gedreht, um die Achse der
Bohrkronenwelle 70 während
des Bohrens geostationär
zu halten. Die Bohrkronenwelle 70 ist in dem rohrförmigen Kranz 32 zwischen
ihren Enden rotatorisch gelagert, um sich in allen Richtungen um
ein gelenkzapfenähnliches
Universalgelenk 72 drehen zu können, das vorzugsweise die
in den 17 und 19 gezeigte
und weiter unten beschriebene Kugelzapfenkonfiguration und -funktion
und falls erwünscht
die in den 21 und 25 gezeigte
und ebenfalls weiter unten näher
beschriebene Keilkonfiguration besitzt. Bestimmte Komponenten des
elektronischen Datenverarbeitungssystems können geostationär in dem Rotationsantriebskopf 64 angeordnet
sein. Beispielsweise können
die Beschleunigungsmesser, die Magnetsensoren und ein Gyroskop-Sensor
in dem drehenden Antriebskopf 64 angeordnet sein. Am Rotationsantriebskopf 64 ist
ein Neigungssensor angeordnet, um dadurch einen Messwert zu liefern,
der die Position des Antriebskopfs im Bohrloch widerspiegelt.
-
Um
eine Lenkgenauigkeit des lenkbaren Rotationsbohrsystems im Bohrloch
zu ermöglichen,
legt die genaue Position der sich drehenden Komponenten des Bohrwerkzeugs
einen bekannten Positionsindex fest, nach dem die Lenkkorrektur
bestimmt wird. Positionsangabesensoren sollten als solche in einer Geostationärbeziehung
zu dem Rotationsantriebssystem für
die Bohrkronenwelle angeordnet sein. Demgemäß kann der Rotationsantriebskopf 64 des Versatzdorns 62 mit
verschiedenen Positionsanzeigern wie etwa Beschleunigungsmessern,
Magnetometern und Gyroskop-Sensoren versehen sein, die in einer
festen Beziehung mit dem Rotationsantriebskopf 64 oder
einer anderen Komponente, die gemeinsam mit diesem drehbar ist,
angeordnet sind. Diese Positionsangabekomponenten erübrigen die Notwendigkeit
einer Präzisionslokalisierung
des Bohrstrangs und des Kranzes 32 des lenkbaren Rotationsbohrsystems 26 bei
voranschreitendem Bohrvorgang und erleichtert die Positionssignalrückkopplung in
Echtzeit zu dem Signalverarbeitungspaket des Bohrsystems, so dass
von dem Steuersystem des lenkbaren Rotationsbohrsystems Spurverfolgungskorrekturen
automatisch vorgenommen werden können,
um den gewünschten
Kurs der Bohrkrone einzubehalten.
-
In
der schematischen Darstellung von 14 ist
allgemein bei 26A eine alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gezeigt, wobei gleiche Komponenten im Vergleich zur Ausführungsform
von 12 mit gleichen Bezugszeichen gezeigt sind. Es
sei angemerkt, dass der Grundunterschied zwischen den Ausführungsformen
von 12 und 14 der
Ort der Turbine 48 und des Wechselstromgenerators 56 in
Bezug auf den Elektronik- und Sensorunterstützungsabschnitt 40 des
lenkbaren Rotationsbohrsystems 26 ist. In dem rohrförmigen Werkzeugkranz
oder Werkzeughalter 32 ist der Elektronik- und Sensorunterstützungsabschnitt 40,
wie in 14 gezeigt ist, oberhalb der
Turbine 48 angeordnet. Der Stator 50 und der Rotor 52 der
Turbine 48 von 14 sind
in Bezug zueinander verstellbar, wobei vorzugsweise der Stator 50 in
dem Kranz 32 in Bezug auf den Rotor 52 geradlinig
verstellbar ist, um den Wirkungsgrad und somit die Leistungsabgabe der
Turbine einzustellen. Die Turbinenabtriebswelle 54 ist
in einer Antriebsbeziehung mit einem Wechselstromgenerator 56 verbunden,
der eine Kraftübertragung 58 besitzen
kann, damit die Turbine und der Wechselstromgenerator zugunsten
einer optimalen Drehmomentabgabe mit geeigneten Drehzahlen laufen
können.
Die Wärme,
die durch den Motorbetrieb und die Motorbremsung sowie durch die
Systemelektronik erzeugt wird, wird durch das Bohrfluid, das kontinuierlich
durch das lenkbare Rotationsbohrsystem fließt, ständig abgeführt. Der Wechselstromgenerator 56 speist
einen Elektromotor 60. Die Abtriebswelle des Elektromotors 60 dient
als Versatzdorn 62 und ist mit einem Rotationsantriebskopf 64 versehen,
der eine Positionierungsaufnahme 66 aufweist, die darin
exzentrisch angeordnet ist und das angetriebene Ende 68 einer
Bohrkronenwelle 70 aufnimmt, um diese um ihr Universalgelenklager 72 in der
oben in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform von 12 beschriebenen
Weise zu drehen. Hinsichtlich des omnidirektionalen Lagers oder Universalgelenklagers 72 für die Bohrkronenwelle 70 sei
angemerkt, dass dieses, wie in den 17 und 19 gezeigt
ist, ein Kugellager sein kann oder, wie in den 21 und 25 gezeigt
ist, ein Keillager sein kann.
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In
der schematischen Darstellung von 15 ist
allgemein bei 26B eine weitere alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei gleiche Komponenten im
Vergleich zur Ausführungsform
von 12 ebenfalls mit gleichen Bezugszeichen gezeigt
sind. Das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug 26B enthält einen
lang gestreckten, rohrförmigen
Werkzeughalter 32, der mit einem Bohrstrang oder mit drehenden
Komponenten eines Bohrstrangs verbunden sein kann, um während Bohrlochbohrvorgängen gedreht
zu werden. In dem Werkzeughalter 32 ist eine allgemein
bei 48 gezeigte Turbine angebracht, die eine Rotor- und
Statorbaugruppe enthält,
wobei der Rotor durch den Bohrfluidfluss 49 durch den Werkzeughalter
angetrieben wird. Wie schematisch gezeugt ist, sind die Elektronik,
die Sensoren und der Bremsmechanismus 35 des lenkbaren
Rotationsbohrsystems in dem Werkzeughalter 32 durch Befestigungselemente 33 so
befestigt, dass ein Ringraum 37 vorhanden ist, der einen
Strömungspfad
definiert, durch den Bohrfluid strömen kann. Wärme, die während des Betriebs in der Elektronik,
den Sensoren und dem Bremsmechanismus 35 entsteht, wird
durch das Bohrfluid, das ständig durch
das lenkbare Rotationsbohrsystem 26B fließt, abgeführt. Der
Rotor der Turbine treibt eine Abtriebswelle rotatorisch an, die
mit einer Drehzahl gedreht wird, die für den Turbinenbetrieb optimal
ist, obwohl sie typischerweise für
die Drehung des Versatzdorns und der Bohrkronenwelle zu hoch ist,
jedoch eine Drehmomentabgabe aufweist, die für eine geostationäre Bohrkronenwellenpositionierung
unzureichend ist. Somit ist mit der durch die Turbine angetriebenen Welle
ein Eingangsmechanismus eines ebenfalls mittig in dem Werkzeughalter 32 angebrachten
Getriebezugs 39 verbunden, dessen Ausgang verbunden ist,
um einem Versatzdorn 62 eine Antriebsdrehung zu verleihen.
Der Versatzdorn 62 ist in gleicher Weise, wie in 14 gezeigt
ist, mit einem Rotationsantriebskopf 64 versehen, der eine
exzentrische Positionierungsaufnahme 66 aufweist, die das
obere Ende 68 einer universell drehbaren Bohrkronenwelle 70 aufnimmt.
Die Bohrkronenwelle 70 ist durch ein Universalgelenk 72 in
der Weise und zu dem Zweck angebracht, die oben beschrieben worden
sind.
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Zu 16 sei
angemerkt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung so zu sehen
ist, dass er lenkbare Rotationsbohrwerkzeuge mit hydraulisch betriebener
Versatzdorn-Drehsteuerung, Bohrkronenwellen-Positionierungssteuerung und Steuerung für einen
durch eine Turbine/einen Wechselstromgenerator betriebenen Motor
umfasst, wie in den Ausführungsformen
nach den 12 und 14 wiedergegeben
ist. Wie in 16 gezeigt ist, ist in dem Werkzeughalter 32 eine
Turbine 48 angebracht, die einen Stator 50 und
einen Rotor 52 enthält,
wobei die Abtriebswelle 54 des Rotors mit einer Hydraulikpumpe 53 in
einer Antriebsbeziehung gekoppelt ist. Die Turbine 48 kann
in dem Werkzeughalter 32 wie gezeigt oberhalb des Elektronik-
und Sensorunterstützungsabschnitts 40 oder
unterhalb dieses Abschnitts angeordnet sein. In dem Werkzeughalter 32 ist
ein Hydromotor 55 angebracht, der durch das von der Pumpe 53 mit
Druck beaufschlagte Hydraulikfluid betrieben wird, um den Versatzdorn 62 anzutreiben. Falls
erwünscht
kann der Hydromotor 55 ein Bremssystem oder ein damit kombiniertes
Bremssystem enthalten, um in der Weise und zu dem Zweck, die hier
beschrieben sind, als Motor und Bremse zu arbeiten. Außerdem kann
die Drehleistung des Hydromotors 55 durch ein Getriebe 57 so
verändert
werden, dass es die gewünschte
Drehzahl und Leistung für
ein effizientes Lenken während
des Bohrens liefert.
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In
den 17 und 18 ist
der Mechanismus des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs 26 von 12,
der die bevorzugte Ausführungsform
dieser Erfindung repräsentiert,
näher gezeigt.
In dem unteren Ende des rohrförmigen Werkzeughalters 80 ist
eine die Bohrkronenwelle unterstützende
Aufnahme 82 definiert, die durch eine rohrförmige Verlängerung 84 des
Werkzeughalters 80 definiert ist. In der Aufnahme 82 ist
eine rohrförmige
Hülse 86 angeordnet,
die einen Schubring 90 besitzt, der gegen einen Bohrkronenwellen-Drehring 94 durch
Feder vorbelastet ist und ein Kugeloberflächensegment 92 definiert.
Der Bohrkronenwellen-Drehring 94 ist um die Bohrkronenwelle 96 positioniert
und definiert ein entsprechendes Kugeloberflächensegment 98, das
mit dem Kugeloberflächensegment 92 des
Schubrings 90 in einem abstützenden Eingriff ist und in
dieser Weise bewirkt, dass der Schubring 90 eine Schubkraft
von dem Bohrkronenwellen-Drehring 94 auf den rohrförmigen Werkzeughalter 80 überträgt und gleichzeitig
zulässt,
dass sich die Bohrkronenwelle um den Schwenkpunkt 99, um den
das Kugeloberflächensegment 92 geschaffen
ist, schwenkt. In einer kreisförmigen
Rückhaltenut 101 der
Bohrkronenwelle 96 ist eine mehrteilige Halteeinrichtung 97 positioniert
und darin durch einen überlagernden
kreisförmigen
Abschnitt des Bohrkronenwellen-Drehrings 94 festgehalten.
Ein zweiter Schubring 100 ist um die Bohrkronenwelle 96 positioniert
und definiert ein Kugeloberflächensegment 106,
das seinerseits um den Schwenkpunkt 99 zentriert ist und
in dieselbe Richtung wie das Kugeloberflächensegment 92 des
Schubrings 90 weist. Der zweite Schubring 100 definiert
eine ebene schubübertragende
Schulterfläche 102,
die mit dem Bohrkronenwellen-Drehring 94 und mit der mehrteiligen
Halteeinrichtung 97 in einer Schubkraftübertragungsbeziehung steht.
Ein zweiter Bohrkronenwellen-Drehring 104 ist
um die Bohrkronenwelle 96 positioniert und definiert ein
Kugeloberflächensegment 107,
das mit dem Kugeloberflächensegment 98 konzentrisch
ist und mit dem Kugeloberflächensegment 106 des
Schubrings 100 in einer Schubkraftübertragungsbeziehung steht,
um die Drehung der Bohrkronenwelle 96 um den Schwenkpunkt 99,
um den beide Kugeloberflächensegmente 92 und 106 geschaffen
sind, zu ermöglichen.
Der Bohrkronenwellen-Drehring 104 ist durch eine Feder,
die durch einen ersten Kugellagerring 108 positioniert
ist, mit dem Schubring 100 in einem Eingriff gehalten.
Die Schubringe 90 und 100 können sich nach Ort und Durchmesser
in Bezug auf den Schwenkpunkt 99 unterscheiden, ohne dass
der Umfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
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Die
Kette von Schubringen zwischen dem Werkzeughalter 80 und
der Bohrkronenwelle 96 ist ein Mechanismus in der bevorzugten
Ausführungsform,
der dazu dient, Axialkräfte
von dem Werkzeughalter 80 auf die Bohrkronenwelle 96 zu übertragen und
diese axial und radial in der die Welle unterstützenden Aufnahme 82 zu
halten. Diese Ausführungsform
mit bidirektionaler Kraftübertragung
lässt ein Schwenken
der Bohrkronenwelle 96 um den Schwenkpunkt 99 zu
und ermöglicht,
dass die Achse der Bohrkronenwelle geostationär bleibt, während sie sich in einer spezifizierten
Richtung dreht. Alternative Verfahren zum Übertragen von Kräften umfassen Winkelkontakt-Radiallager,
die ebenso ein Schwenken der Bohrkronenwelle um den Schwenkpunkt 99 zulassen
würden,
oder eine Kombination aus konischen Schubringen und Winkelkontakt-Radiallagern, die ähnlicherweise
eine Kraftübertragung
und eine Schwenkung zulassen würde.
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Der
erste Kugellagerring 108 definiert eine kreisförmige Nutsegmentoberfläche 110 mit
mehreren Taschen, die mit mehreren Kugellagern 112, die in
Kugellagernuten 114 in der Bohrkronenwelle 96 aufgenommen
sind, in einer Passbeziehung stehen. Der Kugellagerring 108 ist
in Bezug auf den Werkzeughalter 80 durch mehrere Keile
oder Splinte, wie bei 211 in 19 gezeigt
ist, gegen Drehung gesichert. Ein zweiter kreisförmiger Kugellagerring 116 ist so
positioniert, dass seine kreisförmige
Nutsegmentoberfläche 118 mehrere
Taschen definiert, die mit den Kugellagern 112 in einer
losen Passbeziehung stehen, und dass er in Bezug auf den Werkzeughalter 80 durch
Keile 211 ebenfalls gegen Drehung gesichert ist. Der zweite
Kugellagerring 116 ist seinerseits durch eine Rückhaltehülse 120 unterstützt, die an
der rohrförmigen
Verlängerung 84 des
Werkzeughalters 80 durch Gewinde befestigt ist.
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In 25 ist
eine alternative Ausführungsform
zum Übertragen
eines Drehmoments zwischen dem Kranz oder Halter 182 und
der Bohrkronenwelle 188 gezeigt, bei der der Halter 182 über flache
oder kreisförmige
Kontaktflächen 301 von
Bohrkronenwellenverlängerungen 300 ein
Drehmoment auf die Bohrkronenwelle 188 überträgt. Es können mehrere Bohrkronenwellenverlängerungen 300 vorhanden sein,
entweder als integrale Teile der Bohrkronenwelle 188 oder
als zusätzliche,
in der Bohrkronenwelle gehaltene Teile.
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Die
in den 17 und 19 gezeigte
Kombination aus Kugellagerring 108, Kugellagern 112 und
Kugellagernuten 114 definiert ein Mittel zum Übertragen
eines Bohrdrehmoments von dem Werkzeughalter 80 auf die
Bohrkronenwelle 96 und wiederum auf die Bohrkrone. Die übergroßen Nutsegmentoberflächen 110 und 118 in
den Kugellagerringen 108 und 116 lassen das Schwenken
der Bohrkronenwelle 96 um den Schwenkpunkt 99 zu
unter gleichzeitiger Übertragung
eines Bohrdrehmoments von dem Werkzeughalter 80 auf die
Bohrkronenwelle 96.
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Somit überträgt diese
Ausführungsform Schub-
und Drehmomentlasten zwischen dem Werkzeughalter 80 und
der Bohrkronenwelle 96 und ermöglicht dabei, dass die Bohrkronenwellenachse, während sie
durch den Werkzeughalter 80 gedreht wird, geostationär bleibt,
um das Bohren in einer gewählten
Richtung zu vollbringen.
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Der
rohrförmige
Werkzeughalter 80 ist an seinem unteren Ende mit Mitteln
versehen, die äußeren Bohrschlamm
gegen inneres schmierendes und schützendes Öl um das Universalgelenk abdichten. Ein
geeignetes Mittel um eine solche Abdichtung zu vollbringen, ist
eine Balgdichtungsanordnung 126, die eine wirksame Barriere
schafft, die Bohrfluid von der Universalgelenkanordnung fernhält und dabei eine
Schwenkbewegung der Bohrkronenwelle 96 in Bezug auf den
Werkzeughalter 80 zulässt.
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Die
Winkelpositionierung der Bohrkronenwelle 96 in Bezug auf
den rohrförmigen
Werkzeughalter 80 wird durch einen allgemein bei 128 in 17 gezeigten
exzentrischen Positionierungsmechanismus erreicht. Der Versatzdorn 130 ist
in dem Werkzeughalter 80 durch Lager 142 drehbar
unterstützt
und mit einem Versatzmechanismus versehen, um einen Winkelversatz
der longitudinalen Achse der Bohrkronenwelle 96 in Bezug
auf die longitudinale Achse des Werkzeughalters 80 zu erreichen.
Ein bevorzugtes Verfahren, diesen Versatz zu schaffen, ist in den 22A-D gezeigt, wo der Versatzdorn an einem äußeren Ring 400 mit
einer Versatzinnenfläche 401 so
befestigt ist, dass er sich drehen kann, wobei diese kreisförmige Innenfläche eine
Mittellinie besitzt, die zum Außendurchmesser
des inneren Rings 406 versetzt ist und mit diesem einen
Winkel bildet, wie aus 22B deutlicher
hervorgeht. In 22A heben sich die Versätze des äußeren und
des inneren Rings auf, was dazu führt, dass die Mitte der Bohrkronenwellenachse 402 (auf
den Innendurchmesser 407 des inneren Rings 406 ausgerichtet)
auf die longitudinale Achse des Versatzdorns ausgerichtet ist. Wie
in den 22A und 22B gezeigt
ist, ist folglich die Mitte 405 des inneren Rings (Bohrkronenwelle) 406 koinzident
mit der Mitte 404 des äußeren Rings
(Versatzdorn) 404, was dazu führt, dass das lenkbare Rotationsbohrwerkzeug
ein gerades Bohrloch bohrt.
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Wenn
der innere Ring 406 in Bezug auf den äußeren Ring 400 um
180° gedreht
ist, wie in den 22C und 22D gezeigt
ist, fasst die sich ergebende Geometrie des äußeren Rings 400 und
des inneren Rings 406 deren Versätze zusammen, was dazu führt, dass
die Bohrkronenwellenachse 402 durch Punkt 405 auf
einem maximalen Versatz 403 in Bezug auf den äußeren Ring 400 ist
und dadurch die Bohrkronenwelle mit seinem maximalen Winkel in Bezug
auf den Werkzeughalter anordnet, um in einer gewünschten Richtung zu bohren.
Um einen Winkel der Bohrkronenwelle in Bezug auf den Werkzeughalter
zu erreichen, der kleiner ist, als es bei der Ringeinstellung nach
den 22C und 22D eintritt, können die
Bohrkronenwellen-Positionierungsringe irgendeine
Drehpositionierung zwischen den Ringpositionen nach den 22A und 22B und
den Ringpositionen nach den 22C und 22D haben, womit ein Bohrloch gebohrt wird, das
einen geringeren Krümmungsgrad,
der durch die Positionen der Ringe 400 und 406 zueinander
bestimmt ist, besitzt. In dieser Weise ist die Winkelbeziehung der
longitudinalen Achse der Bohrkronenwelle zu der longitudinalen Achse
der Schwerstange oder des Meißelschafts
zwischen 0° und
einem vorgegebenen maximalen Winkel, der von den Positionen der
Bohrkronenwellen-Positionierungsringe
abhängt,
veränderlich.
Diese Ringe können
in Bezug zueinander durch mechanische oder elektrische Mittel einschließlich, jedoch
nicht darauf begrenzt, eines Getriebemotors gedreht werden.
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Es
sei ebenfalls angemerkt, dass einer der Ringe des Versatzmechanismus
durch die exzentrische Aufnahme 134 des konzentrischen
Antriebselements 132 am unteren Ende des Versatzdorns 130 definiert
sein kann, wie in 17 gezeigt ist. Wenn die exzentrische
Aufnahme 134 des Versatzdorns 130 durch das konzentrische
Antriebselement 132 gedreht wird, unterwirft die exzentrische
Aufnahme 134 das obere Ende der Bohrkronenwelle 96 einer seitlichen
Positionierung in Bezug auf die Drehachse des Versatzdorns 130,
die durch die relativen Positionen der Ringe 400 und 406 nach
den 22A-22D bestimmt
ist, was bewirkt, dass die Bohrkronenwelle 96 so um ihr
Universallager gedreht wird, dass ihre longitudinale Achse 133 in
einer Winkelbeziehung zur Drehachse 135 des rohrförmigen Werkzeughalters 80 positioniert
wird, wie in 17 gezeigt ist. Da der Versatzdorn-Antriebsmotor, ob
er nun elektrisch, hydraulisch oder eine Antriebsturbine ist, die
rohrförmige
Abtriebswelle und das konzentrische Antriebselement des Versatzdorns 130 mit
derselben Drehfrequenz wie jener des rohrförmigen Werkzeughalters 80 in
Gegenrichtung dreht, hält
das konzentrische Antriebselement 132 die longitudinale
Achse 133 der Bohrkronenwelle 96 in einem geostationären Winkel
in Bezug auf die Drehachse des rohrförmigen Werkzeughalters 80. Da
der Werkzeughalter 80 mit der Bohrkronenwelle 96 in
einer direkten Drehbeziehung steht, bewirkt die Drehung des Werkzeughalters 80 durch
den Bohrstrang oder durch einen mit dem Bohrstrang verbundenen Schlammmotor,
dass die Bohrkronenwelle 96 die in dieser Weise unterstützte Bohrkrone
mit einem Neigungswinkel und einem Azimut, der durch eine solche
Orientierung der Bohrkronenwelle festgelegt ist, dreht. Dies führt dazu,
dass die Bohrkrone ein gekrümmtes
Bohrloch bohrt, das seine Krümmung
beibehalten kann, solange eine gewünschte Bohrlochneigung festgelegt
ist. Das Bohrwerkzeug wird dann durch Signale von der Oberfläche oder
durch Rückkopplungssignale
von seinen verschiedenen eingebauten Steuersystemen so gesteuert,
dass sein Lenk-Steuermechanismus neutralisiert ist und sich das
resultierende Bohrloch, das gebohrt wird, geradewegs längs des
gewählten
Neigungswinkels und des gewählten
Azimuts, die durch das gekrümmten Bohrloch
festgelegt sind, fortsetzt. Das Merkmal der Einstellung der Bohrkronenwelle
durch einen "Ring
in einem Ring" erleichtert
die Bohrkronenwelle-Winkeleinstellung bei fortschreitenden Bohrvorgängen, ohne
einer Beendigung des Bohrens oder eines Herausziehen der Bohreinrichtung
aus dem Bohrloch zu bedürfen.
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Um
eine Schwenkauslenkung der Bohrkronenwelle 96 zuzulassen,
ohne den Fluidfluss durch den Strömungskanal 148 der
Bohrkronenwelle zu stören,
ist der Versatzdorn 130 mit einem versetzten Strömungskanalabschnitt 150 versehen,
der das strömende
Bohrfluid von dem Strömungskanal 152 der
rohrförmigen
Abtriebswelle weg lenkt und auch dann, wenn die Bohrkronenwelle 96 hierbei
mit ihrem maximalen Winkel in Bezug auf den Werkzeughalter 80 positioniert
worden ist, einen unbehindertes Fließen von Bohrfluid durch den
Versatzdorn 130 ermöglicht.
Um den Versatzdorn 130 ist eine rohrförmige Druckausgleichsvorrichtung 154 positioniert,
wie in 18 gezeigt ist, die eine Ölkammer 158 von
einer ringförmigen
Kammer 159 trennt, wobei vorgesehen ist, dass die Ölkammer 158 ein
Schutzölmedium
enthält.
Die Druckausgleichsvorrichtung 154 ist mit dem unteren
Ende 164 eines rohrförmigen
Elektronikträgers 166,
der auch in der Querschnittsdarstellung von 20 gezeigt
ist, verbunden und gegenüber diesem
abgedichtet. Der rohrförmige
Elektronikträger 166 definiert
einen beschwerten Abschnitt 168, der in einem Bereich von
etwa 90 Grad um den Umfang verläuft,
wie in 20 gezeigt ist, und für den Rückhalt verschiedener
Systemsteuerkomponenten wie etwa eines Magnetometers, einer Gyroskop-Vorrichtung,
eines Beschleunigungsmessers, einer Leitwertsensoranordnung und
dergleichen sorgt. Außerdem liefert
der beschwerte Abschnitt 168 Gegenkräfte während der Wellendrehung, die
die seitlichen Lasten der Betätigung
der Drehbohrkronenwelle ausgleichen und dadurch die Vibration des
lenkbaren Rotationsbohrwerkzeugs während seines Betriebs minimal
machen. Innerhalb des Werkzeughalters 80 und außerhalb
des rohrförmigen
Elektronikträgers 166 ist ein
teilweise umfänglicher
Raum 170 definiert, der einen Ort für die Systemelektronik 172 des
lenkbaren Rotationsbohrsystems bietet. Die Systemelektronik 172 und
die verschiedenen Systemsteuerkomponenten werden durch den Antriebsmotor
mit derselben Drehzahl wie jener des Werkzeughalters 80 in
Gegenrichtung gedreht, so dass die Elektronik und die Systemsteuerkomponenten
während
Bohrvorgängen
im Wesentlichen geostationär
sind.
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In 21 ist
allgemein bei 180 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit einem Keil-Universalgelenk gezeigt, die einen Werkzeughalter 182 besitzt,
der in der oben beschriebenen Weise mit einem Bohrstrang verbunden
werden kann, um gedreht zu werden. Der Werkzeughalter 182 definiert
eine lang gestreckte, rohrförmige
Verlängerung 184,
die eine innere Aufnahme 186 definiert, in der eine omnidirektionale
Antriebsverbindung oder ein Universalgelenk angeordnet ist, um zugunsten
einer geostationären
Positionierung der Bohrkronenwelle und der Bohrkrone für das Bohren eines
gekrümmten
Bohrlochs eine Winkeleinstellung der Bohrkronenwelle 188 in
Bezug auf den Werkzeughalter 182 zu ermöglichen. Eine Schulter in der inneren
Aufnahme 186 sorgt für
die Abstützung
eines Schubrings 190 mit einem Kugeloberflächensegment 192.
Um die Bohrkronenwelle 188 ist ein Bohrkronenwellen-Drehring 194 angeordnet,
der ein Kugeloberflächensegment 196 definiert,
das mit dem Schubring 190 in einer Kraftübertragungsbeziehung
und in einer Beziehung, in der es um einen Schwenkpunkt beweglich
ist, steht. Der Bohrkronenwellen-Drehring 194 definiert
eine kreisförmige
Vertiefung, in der ein kreisförmiger
Schubflansch 200 positioniert ist. Ein zweiter Schubring 204,
der ebenfalls die Bohrkronenwelle 188 umgibt, ist so positioniert,
dass ein axiales Ende von ihm mit dem kreisförmigen Schubflansch 200 und
dem Bohrkronenwellen-Drehring 194 in Anlage ist. Die untere
kreisförmige
Fläche
des zweiten Schubrings 204 ist durch ein kreisförmiges Kugeloberflächensegment 206 definiert,
das ein Kugelsegment ist, das mit dem Kugeloberflächensegment 192 konzentrisch
ist. Das kreisförmige
Kugeloberflächensegment 206 ist
durch ein außen
nach oben gewandtes Kugeloberflächensegment 207 eines
unteren Schubrings 208 umfasst, so dass das Positionieren der
longitudinalen Achse der Bohrkronenwelle 188 zur longitudinalen
Achse des Werkzeughalters 182 um den Schwenkpunkt 209 erfolgt.
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Steuerarchitektur
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In 23 ist
mittels einer Blockschaltplandarstellung die Systemsteuerarchitektur
des lenkbaren Rotationsbohrsystems der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Systemelektronik 240 enthält einen programmierbaren elektronischen
Speicher mit Prozessor 242, der mit einem geeigneten Algorithmus
für eine
gewünschte
Toolface-Berechnung programmiert ist, die die Bohrlochkrümmung festlegt,
mit der das gebohrte Bohrloch in eine interessierende unterirdische
Zone gelenkt werden soll. Die Systemelektronik ist, während sie
sich im Bohrloch befindet (downhole), und während Bohrvorgängen programmierbar, um
das Bohrpersonal in die Lage zu versetzen, die Bohrkrone bei fortschreitendem
Bohren wahlweise zu lenken.
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Wenn
das lenkbare Bohrlochbohren fortschreitet, werden verschiedene Daten
erfasst und zur Toolface-Berechnung in die Systemelektronik eingegeben.
Daten von Magnetometern 244 versorgen die Systemelektronik
mit der Position des Werkzeughalters in Bezug auf das erdmagnetische
Feld. Daten von einem oder mehren Gyroskop-Sensoren 246 versorgen
die Systemelektronik mit der Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle,
d. h. der Bohrkronenwelle des lenkbaren Rotationsbohrsystems. Zu Steuerungszwecken
sind die Daten von den Magnetometern und den Gyroskop-Sensoren der
Systemelektronik verfügbar
durch Auswahl einer ODER-Glied-Schaltung 248, die sowohl
automatisch durch die Systemelektronik als auch wahlweise durch
Steuersignale von der Oberfläche
angestoßen werden
kann. In dem lenkbaren Rotationsbohrsystem sind wenigstens einer
oder vorzugsweise mehrere Beschleunigungsmesser 250 vorgesehen,
die eine Dateneingabe für
die Systemelektronik liefern, die in Echtzeit die Position des Werkzeughalters
in Bezug auf die Schwerkraft identifizieren.
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Anhand
der verschiedenen Dateneingaben von den Magnetometern, Gyroskop-Sensoren
und Beschleunigungsmessern berechnet die Systemelektronik 240 den
momentanen Sollwinkel zwischen der vorgezeichneten Line des Werkzeughalters
und der vorgezeichneten Linie des Versatzdorns und überträgt an eine
Motorsteuereinheit 252 Signale, die den Sollwinkel repräsentieren.
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In
dem rohrförmigen
Werkzeughalter ist ein Winkelpositionssensor 260, beispielsweise
ein Koordinatenwandler, in einer Beziehung, in der er nicht drehbar
ist, um einen Abschnitt der Abtriebswelle des bürstenlosen Gleichstrommotors
mit Bremse 256 angeordnet, der den Versatzdorn rotatorisch
antreiben oder rotatorisch bremsen kann, wie durch die Systemelektronik 240 in
Reaktion auf verschiedene Signaleingaben gesteuert wird. Der Zweck
des Winkelpositionssensors oder Koordinatenwandlers 260 ist
das Identifizieren der Position der Motor/Bremse-Welle zu einem
gegeben Zeitpunkt in Bezug auf den Werkzeughalter in Echtzeit und
das Übermitteln
von Motor/Bremse-Positionssignalen
an die Motorsteuereinheit 252 über einen Signalleiter 257.
Es sei angemerkt, dass die Motorwelle in einer Drehrichtung, die zur
Drehung des rohrförmigen
Werkzeughalters durch den Bohrstrang, mit dem der Werkzeughalter verbunden
ist, entgegengesetzt ist, und mit derselben Frequenz wie die Drehfrequenz
des Werkzeughalters angetrieben wird. Der Winkelpositionssensor oder
Koordinatenwandler kann jene Form annehmen, die in dem US-Patent
Nr.5.375.098 gezeigt und beschrieben ist. Die Abtriebswelle des
Motors/der Bremse 256 treibt ein Getriebe 262 an,
um so zugunsten eines gewünschten
Drehmoments einen Betrieb des Motors mit seiner optimalen Drehzahl
sowie das Drehen der Abtriebswelle 258 in einer Synchronbeziehung
zur Drehzahl des Werkzeughalters zu ermöglichen. Es ist ein Schalter/Trigger 264 wie
etwa ein Halleffekt-Sensor oder eine andere Trigger- oder Auslöseschaltung
vorgesehen, die, wenn sie angestoßen wird, die Istposition des
Versatzdorns in Bezug auf den Werkzeughalter liefert. Die Signale
des Schalters/Triggers werden über
einen Signalleiter 265 in die Motorsteuereinheit 252 eingegeben,
die die Bohrkronenwellen-Positionsänderung, falls gegeben, identifiziert,
die erforderlich ist, damit die Bohrkrone während lenkbarer Bohrvorgänge einer
programmierten gekrümmten
Bahn folgt. Alternativ kann der Winkelpositionssensor 260 an
der Abtriebswelle des Getriebes 262 angebracht sein.
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In 24 ist
die Systemsteuerarchitektur für die
alternative Ausführungsform
von 14 gezeigt, wobei die Antriebskraft für die Gegendrehungssteuerung
des Versatzdorns und somit für
die geostationäre Positionierung
der Drehachse der Bohrkronenwelle durch eine durch Bohrfluid betriebene
Turbine und eine Bremse erreicht wird und teilweise durch Steuern
des Wirkungsgrads der Turbine gesteuert wird. Jener Teil der Systemsteuerarchitektur,
der ein Steuersignal einführt,
das den Sollwinkel zwischen der vorgezeichneten Linie des Werkzeughalters
und der vorgezeichneten Linie oder Bezugslinie des Versatzdorns
repräsentiert,
besitzt im Wesentlichen die Form, die oben in Verbindung mit 23 beschrieben
worden ist. Dieses Winkelsteuersignal wird einer Bremsensteuereinheit 266 zugeführt, die
außerdem eine
Positionssignaleingabe von einer Triggerschaltung 270 über einen
Triggersignalleiter 268 und eine Positionssignaleingabe
von einem Koordinatenwandler 274 über einen Koordinatenwandler-Signalleiter 272 empfängt. Die
Steuersignalausgabe der Bremsensteuereinheit 266 wird eine
Wirkungsgradsteuerschaltung 276 zugeführt, um den Wirkungsgrad der
Turbine 278 zu steuern, und einer Bremse 280 zugeführt, um
die Abtriebswelle der Turbine 278 steuerbar zu bremsen
und somit die Drehung der Welle, die durch den Koordinatenwandler
erfasst wird, zu steuern. Um sicherzustellen, dass die durch die
Turbine gedrehte und durch die Bremse gesteuerte Welle, typischerweise
der Versatzdorn, mit der richtigen Drehzahl für eine effiziente Positionierungssteuerung
der Bohrkronenwelle gedreht wird, kann mit der durch die Turbine
gedrehten und durch die Bremse gesteuerten Welle ein Eingang eines
Getriebes 280 verbunden sein, das geeignet übersetzt
ist, um seine Abtriebswelle 282 in dem für eine effiziente Bohrkronenwellenpositionierung
und für
ein effizientes Bohren eines gekrümmten Bohrlochs gewünschten
Drehzahlbereich anzutreiben.
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Eine
weitere Option ist, in dem System einen Turbinensteuermechanismus
aufzunehmen, der die von der Turbine erzeugte Leistung durch verändern deren
Wirkungsgrad modifizieren kann. Wie bei 276 und 278 in
der als Blockschaltplan dargestellten Systemsteuerarchitektur von 24 und
schematisch in 13 gezeigt ist, kann dieses
Merkmal dadurch erreicht werden, dass der Rotor 52 der
Turbine 48 in einem Stator 50 aufgenommen ist,
der eine konische Oberfläche 53 definiert,
und dass der Stator 50 geradlinig in Bezug auf den Rotor 52 verschoben
wird und dadurch eine wahlweise variable Turbine definiert wird.
Das Befestigungssystem für
die Turbine 48 in dem lenkbaren Rotationsbohrwerkzeug bewirkt, dass
der Stator 50 in dem Werkzeughalter so angebracht ist,
dass er in Reaktion auf die Systemelektronik und die Bremsensteuereinheit
eine gesteuerte, geradlinige Verschiebung ausführt. Das Befestigungssystem
für den
Stator wird durch die Systemelektronik des Bohrwerkzeugs, d. h.
durch die auf ein Positionssignal ansprechende Bremsensteuereinheit 266 und
durch die Wirkungsgradsteuerung 276, die in 24 gezeigt
sind, betätigt,
so dass seine einstellbare Positionierung vorgenommen werden kann, während sich
das Bohrwerkzeug im Bohrloch befindet, und vorgenommen werden kann,
wenn das Bohrwerkzeug in Betrieb ist, um die Drehzahl und das Drehmoment
der Turbine zugunsten eines effektiven Betriebs innerhalb gewünschter
Grenzen zu halten.
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Ein
solcher Turbinensteuermechanismus würde verwendet, um die Leistungsabgabe
der Turbine bei höheren
Durchflussmengen zu reduzieren. Bei niedrigeren Durchflussmengen
würde die
Turbine mit ihrem maximalen Wirkungsgrad arbeiten, um sicherzustellen,
dass ihre Kraft stets größer als
die resistive Kraft ist. Da der Turbinensteuermechanismus hauptsächlich auf
Durchflussschwankungen reagieren würde, müsste seine Ansprechbandbreite
nicht sehr groß sein.
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Angesichts
des oben Gesagten ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung
gut geeignet ist, alle hier dargelegten Aufgaben und Merkmale sowie
weitere Aufgaben und Merkmale, die der hier offenbarten Vorrichtung
zu eigen sind, zu lösen
bzw. zu erreichen.
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Die
vorliegenden Ausführungsformen
sind daher als rein veranschaulichend und keinesfalls als einschränkend anzusehen,
wobei der Umfang durch die Ansprüche
und nicht durch die obige Beschreibung angegeben ist und daher alle Änderungen,
die im Sinne der Ansprüche
sind und in deren Äquivalenzbereich
fallen, hier umfasst sein sollen.