DE69930043T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Richtbohrwerkzeugs - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Richtbohrwerkzeugs Download PDF

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Attilio C. Sugar Land Pisoni
Dimitros K. Houston Pirovolou
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung:
  • 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.
  • Beschreibung des Standes der Technik:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 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.
  • In den Zeichnungen sind:
  • 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;
  • 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;
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Steuerarchitektur
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (23)

  1. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem zum Bohren von Bohrlöchern, das umfasst: einen Werkzeughalter (20, 32, 80, 182), der mit einem Bohrstrang (14) verbunden werden kann, um durch den Bohrstrang (14) gedreht zu werden, wobei der Werkzeughalter eine longitudinale Achse besitzt; eine Bohrkronenwelle (70, 96, 188, 406), die in dem Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) so unterstützt ist, dass sie eine Schwenkbewegung um einen Schwenkpunkt (72, 99, 209) ausführen kann, wobei die Bohrkronenwelle eine longitudinale Achse besitzt und durch den Werkzeughalter rotatorisch angetrieben werden kann und eine Bohrkrone tragen kann; Mittel (246, 260) in dem Werkzeughalter, um die Winkelposition der longitudinalen Achse der Bohrkronenwelle in Bezug auf die longitudinale Achse des Werkzeughalters dynamisch zu erfassen und um Bohrkronenwellen-Positionssignale bereitzustellen; und Mittel (242) zum Verarbeiten der Bohrkronenwellen-Positionssignale und zum Bewirken einer synchronen Schwenk-Gegendrehung der Bohrkronenwelle um den Schwenkpunkt in Bezug auf die Drehung des Werkzeughalters und zum Halten der longitudinalen Achse der Bohrkronenwelle im Wesentlichen geostationär und wahlweise axial geneigt in Bezug auf die longitudinale Achse des Werkzeughalters während der Drehung der Bohrkronenwelle mittels des Werkzeughalters, einen Versatzdorn (62, 130), der in dem Werkzeughalter drehbar ist und in einer Versatz-Antriebsbeziehung zu der Bohrkronenwelle steht, um die Bohrkronenwelle mit einer Drehschwenkbewegung zu beaufschlagen und um die Bohrkronenwelle um den Schwenkpunkt zu schwenken, wobei der Versatzdorn eine Bohrkronenwellen-Aufnahme (134, 186) definiert, die ein Ende der Bohrkronenwelle aufnimmt und zu der longitudinalen Achse exzentrisch ist; ein Paar miteinander in Eingriff befindlicher exzentrischer Ringe (400, 406), die sich in der Bohrkronenwellen-Aufnahme befinden, wobei einer (406) der miteinander in Eingriff befindlichen exzentrischen Ringe in einem Kraftübertragungskontakt mit der Bohrkronenwelle ist und der andere der miteinander in Eingriff befindlichen exzentrischen Ringe (400) in einem Kraftübertragungskontakt mit der Bohrkronenwellenantrieb-Aufnahme ist, wobei die miteinander in Eingriff befindlichen exzentrischen Ringe relativ zueinander so positionierbar sind, dass sie eine Winkelpositionierung der Drehachse des Werkzeughalters und der longitudinalen Achse der Bohrkronenwelle schaffen; und Mittel (60, 61), die den Versatzdorn mit der gleichen Drehfrequenz wie der Werkzeughalter mit einer Gegendrehung beaufschlagen, wobei die Mittel (60, 61) einen Drehmotor (60) innerhalb des Werkzeughalters, der mit dem Versatzdorn in einer Drehantriebsbeziehung steht, und Mittel (58), die den Betrieb des Drehmotors anhand der Echtzeitmessung der Dreh- und Winkelposition der Bohrkronenwelle in Bezug auf den Bohr-Werkzeughalter steuern, umfassen; dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmotor ein Elektromotor (60) ist, der so angeschlossen ist, dass er durch einen elektrischen Strom von einem durch eine Turbine angetriebenen Wechselstromgenerator (56), der sich in dem Werkzeughalter befindet, betätigt wird, und ferner Bremsmittel (35) in dem Werkzeughalter aufweist, um auf den Versatzdorn wahlweise eine Drehbremskraft auszuüben.
  2. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, bei dem: in das aktiv gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrsystem eine positionsbasierte Steuerschleife integriert ist und das System Magnetometer, Beschleunigungsmesser und Gyroskop-Sensoren, die Positionsangabesignale senden, enthält; und die Systemelektronik die Positionsangabesignale verarbeitet und einen Motorsteuersignalausgang für die Steuerung des Betriebs des Drehmotors bereitstellt.
  3. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, bei dem: ein Universalgelenk (72, 180) in dem Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) vorhanden ist und die Bohrkronenwelle (70, 96, 188, 406) so unterstützt, dass sie eine Schwenkbewegung in Bezug auf den Werkzeughalter ausführen kann; und das Universalgelenk Kraftübertragungs-Unterstützungsmittel (196) besitzt, die eine Schwenkbewegung der Bohrkronenwelle um den Schwenkpunkt (72, 99, 209), der koinzident mit der longitudinalen Achse des Werkzeughalters angeordnet ist, zulässt und Kräfte von der Bohrkronenwelle an den Werkzeughalter und von dem Werkzeughalter an die Bohrkronenwelle überträgt.
  4. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 3, das ferner umfasst: Abdichtungsmittel (126), die mit dem Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) und mit der Bohrkronenwelle (70, 96, 188, 406) in einem dichten Eingriff sind und eine dichte Innenkammer definieren, in der sich das Universalgelenk (72, 180) befindet; und ein Schutz- und Schmierfluid-Medium, das sich in der dichten Innenkammer befindet und das Universalgelenk schützt und schmiert.
  5. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 4, bei dem die Abdichtungsmittel ein Balgdichtungselement (126) mit rohrförmiger Konfiguration sind, wovon ein Ende an dem Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) dicht angebracht ist und das andere Ende an der Bohrkronenwelle (70, 96, 188, 406) dicht angebracht ist, wobei das Balgdichtungselement die dichte Innenkammer von dem Bohrfluid in dem gebohrten Bohrloch trennt.
  6. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, bei dem: ein Universalgelenk (72, 180), das die Bohrkronenwelle (70, 96, 188, 406) schwenkbar unterstützt, in dem Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) angeordnet ist, wobei das Universalgelenk Mittel (118) innerhalb des Werkzeughalters aufweist, die Innentaschen definieren; die Bohrkronenwelle Außentaschen definiert, die deckungsgleich zu den Innentaschen angeordnet sind; und mehrere Schwenkkugelelemente (112) in den Innentaschen und in den Außentaschen in Eingriff sind und die Bohrkronenwelle für eine Schwenkbewegung ihrer longitudinalen Achse zwischen 0 Grad und einem vorgegebenen maximalen Winkel in Bezug auf die longitudinale Achse des Werkzeughalters und um einen Schwenkpunkt (72, 99, 209) innerhalb des Werkzeughalters, der mit den longitudinalen Achsen der Bohrkronenwelle und des Werkzeughalters koinzident ist, unterstützen.
  7. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 6, das ferner Schubkraftübertragungs-Ringmittel (90, 100, 104) umfasst, die zwischen die Bohrkronenwelle (70, 96, 188, 406) und den Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) eingefügt sind und Kugeloberflächenmittel (92, 98) definieren, die um den Schwenkpunkt (72, 99, 209) erzeugt sind, wobei die Schubkraftübertragungs-Ringmittel eine Schwenkbewegung der Bohrkronenwelle innerhalb des Werkzeughalters zulassen und gleichzeitig Kräfte zwischen der Bohrkronenwelle und dem Werkzeughalter übertragen.
  8. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 7, bei der die Schubkraftübertragungs-Ringmittel umfassen: einen ersten Schubring (90), der zwischen die Bohrkronenwelle und den Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) in einer Schubkraftübertragungsbeziehung mit dem Werkzeughalter eingefügt ist, wobei der erste Schubring ein konkaves Kugeloberflächensegment (92), das um den Schwenkpunkt orientiert ist, definiert; einen ersten Bohrkronenwellen-Drehring (94), der zwischen die Bohrkronenwelle und den Werkzeughalter eingefügt ist und ein konvexes Kugeloberflächensegment (98) definiert, das mit dem konkaven Kugeloberflächensegment des ersten Schubrings in einem eine gekrümmte Bewegung zulassenden Eingriff ist; eine erste Halteeinrichtung (97), die mit der Bohrkronenwelle in einer Kraftübertragungsbeziehung steht und den ersten Schubring (90) und den ersten Bohrkronenwellen-Drehring in einer Kraftübertragungsbeziehung mit dem Werkzeughalter und der Bohrkronenwelle festhält; einen zweiten Schubring (100), der zwischen den Werkzeughalter und die Bohrkronenwelle in einer Kraftübertragungsbeziehung mit der Halteeinrichtung eingefügt ist, wobei der zweite Schubring ein konkaves Kugeloberflächensegment (106) definiert, das um den Schwenkpunkt orientiert ist; einen zweiten Bohrkronenwellen-Drehring (104), der zwischen den Werkzeughalter und die Bohrkronenwelle eingefügt ist und ein konvexes Kugeloberflächensegment (107) definiert, das mit dem konkaven Kugeloberflächensegment des zweiten Schubrings in einem eine gekrümmte Bewegung zulassenden Kraftübertragungseingriff ist; und Mittel, die den zweiten Schubring und den zweiten Bohrkronenwellen-Drehring in einer festen Beziehung in Bezug auf den Werkzeughalter halten.
  9. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner wenigstens ein Magnetometer (244) umfasst, das sich innerhalb des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) befindet und elektronische Ausgangssignale bereitstellt, um das Bohrsystem durch wahlweises Orientieren der Bohrkronenwelle während ihrer Drehung durch den Werkzeughalter dynamisch zu steuern.
  10. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner Gyroskop-Sensormittel (246) umfasst, die sich innerhalb des Werk zeughalters (20, 32, 80, 182) befinden und elektronische Signale bereitstellen, um die Bohrkronenwelle für eine Zeitdauer auf einen gewünschten Winkel auszurichten.
  11. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, bei dem der Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) eine Referenz besitzt und ferner Beschleunigungsmessmittel (250) umfasst, die sich innerhalb des Werkzeughalters befinden und elektronische Signale bereitstellen, die den Winkel zwischen der Referenz des Werkzeughalters und dem Erdschwerefeld repräsentieren.
  12. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner ein elektronisches Steuersystem umfasst, das sich innerhalb des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) befindet und durch den Werkzeughalter während des Bohrens drehbar ist.
  13. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner eine Druckvorrichtung (T) umfasst, die in dem Bohrstrang (14) in der Nähe des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) verbunden ist und in Reaktion auf Steuersignale des lenkbaren Rotationssteuersystems betätigt wird, um das Gewicht auf die Bohrkrone und das Drehmoment während des Betriebs des lenkbaren Rotationsbohrsystems zu steuern.
  14. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 13, das ferner umfasst: Systemelektronik, die sich innerhalb des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) befindet und eine programmierbare Druckvorrichtungs-Steuerschaltungsanordnung besitzt; und ein Bohrfluid-Steuerventil (D1), das sich innerhalb der Druckvorrichtung befindet und mit der Systemelektronik steuerbar gekoppelt ist, wobei das Steuerventil durch die Systemelektronik wahlweise betätigt wird, um die Bohrfluidbetätigung der Druckvorrichtung zu steuern, ein Ruck-Gleiten der Bohrkrone minimal zu machen und das Drehmoment während des Bohrens zu steuern.
  15. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 14, bei dem die Systemelektronik eine programmierbare Schaltungsanordnung enthält, die mit dem vollständigen Bohrlochprofil des gebohrten Bohrlochs programmierbar ist und das aktiv gesteuerte, lenkbare Rotationsbohrsystem mit einer Geolenkfähigkeit im Bohrloch versieht, um die Verwendung des aktiv gesteuerten, lenkbaren Rotationsbohrsystems zum Bohren des gesamten abgelenkten Abschnitts des Bohrlochs zu ermöglichen.
  16. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner einen Schlammmotor (M) umfasst, der in dem Bohrstrang (14) über dem Werkzeughalter (20, 32, 80, 182) verbunden ist und eine im Vergleich zu der Drehzahl des Bohrstrangs andere Drehzahl des Werkzeughalters herstellt.
  17. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner einen Schlammmotor (M) umfasst, der innerhalb des Bohrstrangs (14) unterhalb des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) verbunden ist und eine im Vergleich zu der Drehzahl des Bohrstrangs und des Werkzeughalters andere Drehzahl der Bohrkrone herstellt.
  18. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Systemelektronik innerhalb des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182); ein Steuerventil (D2), das sich innerhalb des Schlammmotors befindet und mit der Systemelektronik steuerbar gekoppelt ist, wobei das Steuerventil durch die Systemelektronik wahlweise betätigt wird, um die Bohrfluidbetätigung des Schlammmotors zu steuern.
  19. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner umfasst: eine Druckvorrichtung (T), die in dem Bohrstrang (14) in der Nähe des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) verbunden ist und das Gewicht auf die Bohrkrone während des Betriebs des lenkbaren Rotationsbohrsystems steuert; und einen Schlammmotor (M), der innerhalb des Bohrstrangs verbunden ist und eine im Vergleich zu der Drehzahl des Bohrstrangs andere Drehzahl der Bohrkrone herstellt.
  20. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 19, das ferner Steuerventile (D1, D2) innerhalb der Fluidkreise der Druckvorrichtung (T) und des Schlammmotors (M) umfasst, die durch die Systemelektronik steuerbar betätigt werden, um den Wirkungsgrad der Druckvorrichtung und des Schlammmotors für die Einstellung des Gewichts auf die Bohrkrone und der Drehzahl und des Drehmoments auf die Bohrkronenwelle und die Bohrkrone zu steuern.
  21. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner eine flexible Hilfseinrichtung (28) umfasst, die in dem Bohrstrang (14) in der Nähe des Werkzeughalters (20, 32, 80, 182) verbunden ist, um die Genauigkeit der Winkelpositionierung der Bohrkronenwelle in Bezug auf den Werkzeughalter zu verbessern.
  22. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner Messsensormittel (41) umfasst, die sich in der Nähe der Bohrkrone befinden und eine Positionserfassung und -messung in der Nähe der Bohrkrone zulassen und durch das Bohrsystem gesteuerte Lenkentscheidungen im Bohrloch erleichtern.
  23. Aktiv gesteuertes, lenkbares Rotationsbohrsystem nach Anspruch 1, das ferner Beschleunigungsmessmittel (250) umfasst, die in die Bohrkronenwelle integriert sind und Positionssignale bereitstellen, die die Neigung der Bohrkronenwelle während des Bohrens widerspiegeln.
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