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Dokumentenidentifikation DE102004027048B3 16.02.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln in horizontale und vertikale Bohrlöcher
Anmelder Warschau, Katrin, 39112 Magdeburg, DE
Erfinder Führer, Werner, Dipl.-Ing., 39108 Magdeburg, DE
Vertreter Dr. Heyner & Dr. Sperling Patentanwälte, 01277 Dresden
DE-Anmeldedatum 24.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004027048
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.02.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.02.2006
IPC-Hauptklasse E21B 47/01(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01V 3/18(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      G01V 1/40(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Erfindungsgemäß erfolgt der Vortrieb eines axialsteifen geophysikalischen Messkabels (2) im Bohrloch (4) unter Ausnutzung der Gewichtskraft FG des Messkabels sowie unter Verwendung eines eine Schubkraft F1 erzeugenden Kabel-Schub-Antriebs (1.6), der außerhalb des Bohrlochs (4) angeordnet ist, wobei die Gewichtskraft FG und die Schubkraft F1 mit fortschreitender Bohrlochlänge wie folgt wirksam werden:
a. Aufbringen einer der Gewichtskraft FG des Messkabels (2) entgegenwirkenden negativen Schubkraft- F1 als Bremskraft auf das geophysikalische Messkabel (2) mittels des Kabel-Schub-Antriebs (1.6) im vertikalen Bereich des Bohrlochs (4) und in einem ersten horizontalen Bereich (4.1) des Bohrlochs (4),
b. Aufbringen einer positiven Schubkraft +F1 auf das geophysikalische Messkabel (2) mittels des Kabel-Schub-Antriebs (1.6) zum Durchfahren eines zweiten horizontalen Bereichs (4.2) des Bohrlochs (4),
wobei der Betrag der aufgebrachten Kräfte +F1 und -F1 in Abhängigkeit der veränderlichen Gewichtskraft FRG und der erforderlichen Einschublänge des Messkabels (2) im zweiten horizontalen Bereich (4.2) des Bohrlochs (4) mittels einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit (1.2) gesteuert werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln in horizontale und vertikale Bohrlöcher.

Viele Energieressourcen befinden sich in untertägigen Bereichen. Sie werden durch verschiedene Methoden erkundet und die ermittelten Daten zur Gewinnung aufbereitet. Aus Bohrungen, die teilweise in größere Teufen vorgetrieben werden, können Informationen erlangt werden, um ein Abbaugebiet in der Erkundungsphase für die zur Erkundung interessierenden Energieressourcen in der flächigen Ausdehnung einzugrenzen, die Bedingungen für den Abbau oder die Förderung zu klären und die Qualität des interessierenden Materials zu präzisieren.

Bei Bohrungen, die dem Abbau einer Energieressource dienen soll, erfolgt das Abteufen zielgerichtet in diejenige geologische Formation, aus der später gefördert werden soll. Der Verlauf dieser Bohrungen erstreckt sich oftmals aus der Vertikalen in den meist horizontal anzutreffenden geologischen Zielhorizont.

Die Energieressourcen, die derzeitig und auch noch in näherer Zukunft größte Bedeutung besitzen, sind das Erdöl und das Erdgas. Die bereits bekannten abbauwürdigen Lagerstätten befinden sich häufig in klimatischen Extremen (Wüsten- und Tundragebieten) oder unter der Meeresoberfläche.

Beim Abteufen der Bohrungen werden viele Informationen durch Bohrkerne, das ausgetragene Bohrgut und Analysen der Bohrspülung zusammengetragen. Zur Vervollständigung der Erkenntnisse werden geophysikalische Messungen durchgeführt. Dazu werden an einem Messkabel Sonden in den Bohrlöchern herabgefahren. Die Sonden leiten dann die Messimpulse über das Kabel an die Messapparatur, die meist auf einem Fahrzeug installiert ist, welches das Messkabel aufnimmt und vortreibt.

Die Messungen können sowohl während des Abteufens in offenen Bohrlöchern als auch unter Förderbedingungen mit verrohrten Bohrlöchern durchgeführt werden.

Die gewonnenen Messergebnisse geben Auskunft über den Verlauf der Bohrung mit den Abweichungen der Bohrlochachse von der Vertikalen, der geologischen Schichtenfolge, der Struktur der Gesteinsformation und deren Eigenschaften, wie z. B. Druck oder Temperatur. Bereits zum Zeitpunkt der Förderungen können Informationen über den Umfang der Energieressourcen, des 3-Phasen-Flusses oder der Permeabilität gewonnen werden, was jedoch nur mit speziellen Zusatzausrüstungen realisierbar ist.

Das derzeitige Hauptanliegen der Bohrtätigkeit besteht darin, die Effizienz der Nutzung der bekannten geologischen Speichergesteine, aus denen Erdöl oder Erdgas gefördert oder in das Reservoir Gas oder ein anderes Medium eingepresst wird, zu erhöhen.

Aus diesem Grund werden die Speicherhorizonte intensiv horizontal erschlossen. Häufig werden von einer einzigen Vertikalbohrung mehrere neigungsgerichtete oder horizontale Bohrlöcher gerichtet abgelenkt.

Aus den Horizontalbohrungen sind nur mit sehr aufwendigen Methoden geophysikalische Informationen zu erhalten. Erkundungen im neigungsgerichteten oder horizontalen Teil des Bohrlochs werden insbesondere durch das Problem des Heranführens der geophysikalischen Messkabel und der zugehörigen Messtechnik erschwert.

Das liegt zum einen daran, dass das lt. Stand der Technik verwendete Messkabel keine für eine axiale Schubkraftbeaufschlagung ausreichende Axialsteifigkeit aufweist und zum anderen daran, dass der Vortrieb des Kabels im horizontalen Bereich des Bohrlochs bislang nur durch das Eigengewicht des Messkabels und mit dem Gewicht der angekoppelten Sonden realisiert werden konnte.

Auch unter Verwendung von Kabelsonderanfertigungen mit speziellen Hilfseinrichtungen konnten die horizontalen Bohrlöcher bislang nur bis zu einer Länge von 100 m vermessen werden.

Der derzeitige Stand der Technik bei den Messkabeln gestattet keine bzw. nur eine ganz geringe Axialschubbeaufschlagung, da die Messkabel keine ausreichende Axialsteifigkeit aufweisen.

Zur geophysikalischen Vermessung der horizontalen Abschnitte der Bohrlöcher sind zwei unterschiedliche Technologien aus dem Stand der Technik vorbekannt.

Bei der ersten Technologie wird ein langes und flexibles spezielles Stahlrohr mit innenliegenden Messkabeln, das auf einer Trommel mit einem sehr großen Durchmesser eines speziellen Aufzugs gewickelt ist, in das Bohrloch eingefahren. Am distalen Ende des Messkabels sind die Messsonden platziert, die die gewonnenen Informationen über das Messkabel an eine obertägige Messapparatur übertragen. Nachteilig an dieser Technologie sind die sehr hohen Kosten für das Stahlrohr, weshalb dieses Verfahren nur bei besonderem Bedarf an Informationen über die tatsächliche Bohrlochsituation eingesetzt wird.

Eine weitere vorbekannte Technologie zur horizontalen Vermessung der Bohrlöcher besteht darin, dass ein nicht axialsteifes und damit nur mit Zugkräften beaufschlagbares Kabel beim Verlassen des vertikalen Bereichs des Bohrlochs mittels eines Vortriebs, der sich am distalen Ende des Kabels bzw. der Messsonde befindet, vorangetrieben wird. Unzulänglichkeiten, die die Verbreitung des Einsatzes dieser Technologie behindern, bestehen darin, dass die Zugkraft des Vortriebs und damit die zu erkundende Länge des horizontalen Teils des Bohrlochs beschränkt ist. Ferner erfordert der Vortrieb eine besondere Gestaltung mit nur einem geringen hydraulischen und aerodynamischen Widerstand im Bohrloch.

Bei Messungen unter Förderbedingungen werden an die dazu benötigte Schleuse zur Abdichtung des Bohrlochsmundes gegenüber der Atmosphäre ganz besondere technische Anforderungen gestellt, da eine vollständige Dichtheit des Messkabels gegenüber dem Fördermedium gewährleistet werden muss.

In der DE 42 38 077 wird eine Mess-und/oder Eingriffsvorrichtung in einem Bohrloch mit einer kompressionssteifen und biegeelastischen Stange und einem an dem Ende der Stange befestigten Messinstrument beschrieben. Die Stange umfasst einen Kern, dessen Querschnitt eine abgeflachte Gestalt hat, die so ausgelegt ist, dass sie der Stange eine größere Biegeelastizität in einer ersten Ebene bezogen auf die Biegung in einer Ebene orthogonal zur ersten liefert.

Eine Leitung zur Übertragung von Energie oder Informationen ist bei der Herstellung des Kerns in das Verbundmaterial eingearbeitet.

Eine Ummantelung umhüllt den Kern, um der Stange eine äußere im Wesentlichen zylindrische Gestalt zu verleihen.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der Vorrichtung in einem Produktionsbohrloch eines Erdölabstroms.

In der FR 2 712 628 ist eine Messvorrichtung in einer Kohlenwasserstoff-Bohrung (Erdöl/Erdgas) offenbart, die eine Stange enthält, die aus einem Verbundwerkstoff besteht, kompressionsstabil und ansonsten beugungselastisch ist. Eine Informationstransferverbindung ist in der Stange integriert. Die Stange enthält eine Vielzahl von Messpunkten und ist geeignet, von einer Rolle in das Bohrloch sowie aus dem Bohrloch auf eine Rolle bewegt zu werden. Die Vorrichtung ist in der Lage, ein Messverfahren durchzuführen.

In der WO 00/47863 wird ein Verfahren vorgestellt, das geeignet ist, zumindest einen Stromleiter in ein in die Länge ausgezogenes metallisches Röhrenmaterial einzuführen, wobei das Verfahren die Schritte zum Verlegen der Röhre in einen im Wesentlichen senkrechten Gang einschließt. Dabei wird der Stromleiter in die Röhre eingeführt, wobei das Führungsende des Stromleiters ein längliches Gewicht besitzt, welches mit dem Stromleiter verbunden ist, und dessen Gewicht schwer genug ist, um den Stromleiter so zu straffen, dass er durch die Röhre fällt. Dieses Gewicht ist im Wesentlichen nicht starr und somit flexibel genug, um sich auch bei Biegungen oder Unregelmäßigkeiten durch die Röhre zu bewegen. Die Röhre hat eine ausreichend spiralförmige Ganghöhe, und aufgrund der Reibung eine Rückhaltekraft, die den Stromleiter vor Bruch schützt, bis die gewünschte Länge des Stromleiters in die Röhre eingeführt ist. Die Röhre kann zusammen mit dem Stromleiter aus dem Gang entfernt und auf einer Rolle aufgewickelt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln in vertikale und horizontale Bohrlöcher zu entwickeln, mit denen die Erkundung von sehr langen horizontalen Bohrlöchern auch unter Förderbedingungen ermöglicht wird und mit denen die Erschließungskosten der zu fördernden Energieressourcen wesentlich verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrens gemäß des Patentanspruchs 1 sowie durch die Merkmale der Vorrichtung gemäß des nebengeordneten Patentanspruchs 7 gelöst. Die zugehörigen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Nach der Konzeption der Erfindung umfasst das Verfahren zum Einbringen von geophysikalischen axialsteifen Messkabeln in vertikale und horizontale Bohrlöcher und dessen Vortrieb unter Ausnutzung der Gewichtskraft FG des Messkabels sowie unter Verwendung eines eine Schubkraft F1 erzeugenden

Kabel-Schub-Antriebs, der außerhalb des Bohrlochs angeordnet ist, folgende Verfahrensschritte, wobei die Gewichtskraft FG und die Schubkraft F1 mit fortschreitender Bohrlochlänge wie folgt wirksam werden:

  • a. Aufbringen einer der Gewichtskraft FG des Messkabels entgegenwirkenden negativen Schub-Kraft –F1 als Bremskraft auf das geophysikalische Messkabel mittels des Kabel-Schub-Antriebs im vertikalen Bereich des Bohrlochs und in einem ersten horizontalen Bereich des Bohrlochs,
  • b. Aufbringen einer positiven Schubkraft +F1 auf das geophysikalische Messkabel mittels des Kabel-Schub-Antriebs zum Durchfahren eines zweiten horizontalen Bereichs des Bohrlochs,
wobei der Betrag der aufgebrachten Kräfte +F1 und –F1 in Abhängigkeit der veränderlichen Gewichtskraft FG und der erforderlichen Einschublänge des Messkabels im zweiten horizontalen Bereich des Bohrlochs mittels einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit gesteuert werden.

Dadurch, dass ein axialsteifes Messkabel für die Bohrlochmessung eingesetzt wird, ist es in bestimmten Längenbereichen möglich, den Vortrieb des Messkabels im Bohrloch im Wesentlichen auch ohne eine externe Kraftbeaufschlagung, zum Beispiel durch Schubkraft- oder Zugkraftbeaufschlagung, zu realisieren. Die wirkende Gewichtskraft FG des Messkabels beim Einfahren in das Bohrloch sichert nicht nur das Durchfahren des vertikalen Bereichs des Bohrlochs, sondern auch den nahezu selbsttätigen Vortrieb in einem ersten horizontalen Bereich des Bohrlochs. Die Ausbeutungsfläche pro vertikaler Bohrung wird damit wesentlich erhöht, da das Messkabel, ausgehend vom jeweiligen Tiefpunkt der vertikalen Bohrung, in den radial sich in jede beliebige Richtung erstreckbaren horizontalen Teil des Bohrlochs, vorangetrieben werden kann.

Das hierzu verwendete spezielle Messkabel weist eine sehr hohe Axialsteifigkeit auf und kann nunmehr mit Druckkraft sowie Schubkraft beaufschlagt werden. Das spezielle Messkabel ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wird jedoch aus Gründen einer besseren Verständlichkeit des Anmeldegegenstandes, kurz ausgeführt. Das Messkabel besteht aus einem Kern und einem als Armierung ausgebildeten Außenmantel. Der Außenmantel ist dabei aus mindestens einer Lage Z-Drähte aufgebaut, die unter Bildung einer mediendichten glatten Außenfläche schraubenlinienförmig um den Kern geschlagen sind. Jeweils benachbarte Z-Drähte greifen dazu form- und ggf. kraftschlüssig ineinander ein und sitzen form- und ggf. kraftschlüssig auf einem das Mess- und Steuerleiterbündel umhüllenden Spezialmantel auf. Im Kern dieses geophysikalisches Messkabels sind optische Glasfaserleiter und/oder metallische Leiter als Mess- und Steuerleiter platziert, die sich über die Kabellänge erstrecken.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann zur Unterstützung beim Durchfahren des zweiten horizontalen Bereichs des Bohrlochs zusätzlich zu den wirkenden Kräften FG und ± F1 ggf. eine Zugkraft F2 auf das Messkabel aufgebracht werden, die unter Verwendung eines Kabel-Zug-Antriebs, der innerhalb des horizontalen Teils des Bohrlochs am distalen Ende des Messkabels angeordnet ist, erzeugt wird. Dabei wird der Betrag der eingeleiteten Kräfte ± F1 und F2 in Abhängigkeit des Beträge der Gewichtskraft FG mittels einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit gesteuert.

Dadurch, dass das geophysikalischen Messkabel eine sehr hohe Axialsteifigkeit aufweist, ist die durch das Aufbringen der Schubkraft F1 verursachte Dilatation und die durch das Aufbringen der Zugkraft F2 verursachte Querkontraktion gering. Die Dilatation und die Querkontraktion werden erfindungsgemäß als Parameter zur Bestimmung der effektiven Länge des vorgetriebenen geophysikalischen Messkabels und/oder zur Einleitung der Kräfte F1 und F2 vom Betrag und Relation zueinander verwendet.

Das in das Bohrloch eingeführte Messkabel wird in Abhängigkeit der wirkenden Gewichtskraft FG und der zugehörigen Einschublänge in das Bohrlochs mit Schubkräften oder Bremskräften ± F1 und ggf. Zugkräften F2 beaufschlagt. Im vertikalen Teil des Bohrlochs beschleunigt das herabgelassene Messkabel auf Grund seines Eigengewichts, was dazu führt, dass das Messkabel abgebremst werden muss. Diese Bremskraft bzw. negative Schubkraft –F1 wird von einem Kabel-Schub-Antrieb erzeugt, der außerhalb des Bohrlochs an einem Fahrzeugausleger eines verfahrbaren Transportfahrzeugs angeordnet ist. Als Schub-Antrieb ist dabei eine Schubraupe vorgesehen, die beispielsweise nach dem „inch-worm" – Prinzip arbeitet, was u.a. bei einer aus dem Stand der Technik vorbekannten Extrusionsanlage zur Anwendung kommt.

Nach dem Erreichen des Tiefpunktes des vertikalen Teils des Bohrlochs schiebt sich das Messkabel in einen ersten horizontalen Teilbereich des Bohrlochs und muss weiterhin abgebremst werden. Dadurch, dass das Messkabel im horizontalen Teil des Bohrlochs aufliegt und weiter vorangetrieben wird, entsteht zwischen der Bohrlochwandung und dem Messkabel eine Reibungskraft, die der Gewichtkraft des Messkabels entgegenwirkt. Das führt dazu, dass die der Gewichtskraft FG entgegenwirkende Bremskraft –F1 theoretisch verringert werden kann. Da aber die Reibungskraft im Verhältnis zur Gewichtskraft FG zumindestens im ersten horizontalen Teilbereich vernachlässigbar klein ist, wird in der Praxis die Bremskraft –F1 üblicherweise konstant gehalten.

Der sich an den ersten Teilabschnitt anschließende zweite Teilabschnitt des horizontalen Teils des Bohrlochs ist dadurch gekennzeichnet, dass durch eine etwaige Kompensation bzw. durch das „Aufzehren" der Gewichtskraft FG durch die Reibungskraft im horizontalen Bereich der weitere Vortrieb des Messkabels unter Zuhilfenahme des reversibel ausgebildeten Kabel-Schub-Antriebs realisiert werden kann. Reversibel bedeutet im Sinne der Erfindung, dass der Kabel-Schub-Antrieb neben einer Bremskraft –F1 auch eine Schubkraft +F1 auf das Messkabel aufbringen kann. Die positive Schubkraft +F1 wird vorzugsweise bis zum Erreichen des Maximalwertes von +F1 erhöht.

Eine gesteuerte Umschaltung zwischen der Bremskraft –F1 und der positiven Schubkraft +F1 des Kabel-Schub-Antriebs erfolgt unter der Maßgabe, dass der Reibungsbeiwert &mgr;0 nicht erreicht wird, also dass das Messkabel nicht zum Stillstand kommt.

Für den Fall, dass das Messkabel bereits im vertikalen Teil des Bohrlochs zum Stillstand käme, erfolgt die Umschaltung zwischen Bremskraft –F1 und positiver Schubkraft +F1 des Kabel-Schub-Antriebs bereits in diesem Teil des Bohrlochs.

Im weiteren Verlauf des Vortriebs kann ggf. zusätzlich zur positiven Druckkraftbeaufschlagung +F1 mittels des Kabel-Schub-Antriebs die vorzugsweise alternierende Zugkraftbeaufschlagung +F2 des Messkabels mittels des Kabel-Zug-Antriebs erfolgen. Die Beaufschlagung mit einer Zugkraft wird dabei in einem Intervall zwischen 30% und 100 %, vorzugsweise jedoch in einem Intervall zwischen 50 % und 100 %, der maximalen Zugkraft +F2 durchgeführt.

Während des vorgenannten Einführvorgangs des Messkabels bis zur gewünschten Einsatzposition im Bohrloch besteht die Gefahr, dass die Bewegung des Kabels an seinem distalen Ende zum Stillstand kommt. Um diesen unerwünschten und für die Anlagensicherheit gefährlichen Zustand auszuschließen, wird deshalb die Kabelbewegung des Messkabels an seinem distalen Ende erfasst. Vor einem etwaigen Kabelstillstand wird rechtzeitig über den Kabel-Zug-Antrieb die Zugkraft +F2 in ausreichender Größe auf das Messkabel aufgebracht.

Der die Zugkraft F2 erzeugende Kabel-Zug-Antrieb und der die Schubkraft F1 erzeugende Kabel-Schub-Antrieb sind mittels Steuer- und Messleitungen, die sich im Kern des Messkabels befinden, gemeinsam mit einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit verbunden. Die Mess-, Regel- und Auswerteinheit ist derart ausgebildet, um die Einleitung der Kräfte F1 und F2 vom Betrag und der Relation zueinander, also ihre Synchronisation, steuern zu können. Somit wird ein Verklemmen oder eine Torsion des Messkabels sowohl im vertikalen Teil des Bohrlochs als auch im horizontalen Teil des Bohrlochs ausgeschlossen und eine optimale Krafteinleitung hinsichtlich des Vortriebs des Messkabels sichergestellt.

Der Kabel-Schub-Antrieb und/oder der Kabel-Zug-Antrieb sind erfindungsgemäß elektromotorisch oder hydraulisch mittels der Mess-, Regel- und Auswerteinheit steuerbar ausgebildet.

Mit dem für die Schleuse vorgesehenen Hydro-Abdichtsystem kann in Verbindung mit dem speziellen Messkabel eine sehr hohe Dichtheit des Bohrlochs gegenüber der Atmosphäre erzielt werden. Die Erkundung des vertikalen Teils sowie des horizontalen Teils des Bohrlochs kann somit auch unter Förderbedingungen erfolgen. Die oftmals strengen ökologischen Auflagen der Erdöl oder Ergas fördernden Länder können damit umfassend erfüllt werden.

Der Aufbau der erfindungsgemäße Schleuse, die einerseits zum druckdichten und mediendichten Entkoppeln des Bohrlochmundes und zum Einführen des Messkabels vorgesehen ist, wird an späterer Stelle ausführlich beschrieben.

Nach der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln in vertikale und horizontale Bohrlöcher

  • (a) ein das Messkabel aufnehmendes Transportfahrzeug mit einem Fahrzeugausleger sowie einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit,
  • (b) einen analog zur Messkabelführung sich vertikal erstreckenden steuerbaren Kabel-Schub-Antrieb, der am Fahrzeugausleger angeordnet ist,
  • (c) eine in Vortriebsrichtung des geophysikalischen Messkabels nach dem Kabel-Schub-Antrieb angeordnete Schleuse, deren erstes axiales Ende eine Kabelabdichtung aufweist, und deren zweites axiales Ende einen Bohrlochverschluss aufweist, der die Schleuse von dem Bohrlochmund des Bohrlochs medien- und druckdicht entkoppelt,
  • (d) einen abhängig vom gewünschten horizontalen Vorschub des Messkabels wahlweise einsetzbaren steuerbaren Kabel-Zug-Antrieb, der am distalen Endes des geophysikalischen Messkabels innerhalb des Bohrlochs angeordnet ist,
  • (e) Messtechnik, zur Erfassung der physikalischen Parameter der passierenden Gesteinsformationen und vorhandenen Medien sowie
  • (f) sich über die Kabellänge im Kabelkern erstreckende Steuerleitungen, über die der Kabel-Schub-Antrieb, der Kabel-Zug-Antrieb und die Messtechnik mit der Mess-, Regel- und Auswerteinheit verbunden sind.

Der als Schub-Raupe ausgebildete Kabel-Schub-Antrieb arbeitet hierbei vorzugsweise nach dem bekannten „inch-worm"-Prinzip gemäß einer Extrusionsanlage. Die Schub-Raupe ist derart ausgebildet, um das Messkabel einerseits mit einer negativen Schubkraft –F1, respektive eine Bremskraft, und andererseits mit einer positiven Schubkraft +F1 beaufschlagen zu können. Zur Umschaltung des reversibel arbeitenden Kabel-Schub-Antriebs in diese beiden Modi wird bevorzugt die Mess-, Steuer- und Auswerteinheit eingesetzt, die im Aufbau des Transportfahrzeugs platziert ist.

Beim Durchführen des geophysikalischen Messkabels durch die Schleuse stützt sich der als Zug-Raupe ausgebildete Zug-Antrieb im Schleusenrohr ab. Nach dem Passieren der Schleuse und Erreichen der Einsatzposition verbreitert sich die Zug-Raupe in vorteilhafter Weise bis auf den Innendurchmesser des Bohrlochs.

Die Messtechnik umfasst mindestens einen mit Messsonden bestückten Messkopf, der im Bereich des distalen Endes des geophysikalischen Messkabels angeordnet ist. Als Messsonden werden hochtemperaturbeständige und verschleißfeste Messwertaufnehmer eingesetzt.

Die vorzugsweise zylinderförmig ausgebildete Schleuse weist an dem zum Kabel-Schub-Antrieb weisenden axialen Ende eine Hydro-Abdichtung auf. Diese manschettenartige Hydro-Abdichtung wirkt radial auf die Lauffläche des durch die Schleuse durchgeführten speziellen Messkabels. Die Hydro-Abdichtung ist dazu bevorzugt als flexibler Kreisring ausgebildet und mit Mitteln ausgestattet, um die Schleuse auch beim Einführen des am distalen Ende des Kabels angeordneten Kabel-Zug-Antriebs und der Messtechnik gegenüber der Atmosphäre druck- und mediendicht abzudichten.

In Verbindung mit dem speziellen Messkabel, dessen Lauffläche geschlossen ist, kann selbst bei auftretenden Drücken bis zu 350 bar eine zuverlässige Abdichtung der Schleuse erreicht werden, da die effektive Ausströmfläche zwischen der Innenwandung der Hydro-Abdichtung und der Lauffläche des Messkabels praktisch 0 ist. Eine Schleuse mit einer derartigen Abdichtung kann somit auch problemlos zur Förderung von Ergas eingesetzt werden.

Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:

  • • Erkundungen des horizontalen Bohrlochs auch unter Förderbedingungen unter Verwendung einer Schleuse mit Hydro-Abdichtung und eines speziellen Messkabels mit geschlossener Lauffläche,
  • • Erkundungen von langen horizontalen Bohrlöchern unter Verwendung eines gesteuerten Kabel-Schub-Antriebs und eines gesteuerten Kabel-Zug-Antriebs sowie
  • • optimierte Krafteinleitung mittels des Kabel-Schub-Antriebs und ggf. mittels des Kabel-Zug-Antriebs durch Erfassung der Dilatation und Querkontraktion des Messkabels.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Hinblick auf die anliegende Zeichnungen; in dieser zeigt:

1: eine Vorrichtung zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln in horizontale und vertikale Bohrlöcher unter Verwendung eines Mobilen Technologischen Komplexes (MTK) im Zusammenspiel mit einer Schleuse und dem Zugantrieb.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Mobilen Technologischen Komplexes (MTK) 1, umfassend ein das geophysikalische Messkabel 2 aufnehmendes Transportfahrzeug 1.1 mit einem Fahrzeugausleger 1.4 sowie einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit 1.2, einer Umlenkrolle 1.5 und einen sich vertikal erstreckenden steuerbaren Kabel-Schub-Antrieb 1.6, der am Fahrzeugausleger 1.4 angeordnet ist im Zusammenspiel mit einer Schleuse 3 und dem Kabel-Zug-Antrieb 6. Die oftmals in unwegsamen und abgelegenen Gebieten zu erschließenden Bohrfelder können mühelos mit dem Transportfahrzeug 1.1 erreicht werden. Die Mess-, Regel- und Auswerteinheit 1.2 des MTK 1 ist in dem klimatisierten containerartigen Aufbau des Transportfahrzeugs 1.1 platziert und sichert so ein Arbeiten unabhängig von den äußeren Umwelteinflüssen und Temperaturen. Eine zusätzliche Stromversorgung des MTK 1 erfolgt mittels eines nichtdargestellten autark betriebenen Dieselaggregats. Der am Aufbau des Transportfahrzeugs 1.1 angeordnete Fahrzeugausleger 1.4 ist schwenkbar gelagert, so dass die Messungen und Erkundungen unabhängig von einem zusätzlichen Fahrzeugkran durchgeführt werden können. Das Messkabel 2 ist im Lieferzustand auf einer Kabeltrommel 1.3 des Transportfahrzeugs 1.1 aufgerollt und wird zum Zwecke der Erkundung des Bohrlochs 4 unter Verwendung einer nichtdargestellten Kabelführung und der Umlenkrolle 1.5 durch den Kabel-Schub-Antrieb 1.6 und die Schleuse 3 bis zum Bohrloch 4 geführt. Die in Vortriebsrichtung des geophysikalischen Messkabels 2 nach dem Kabel-Schub-Antrieb 1.6 angeordnete zylinderförmig ausgebildete Schleuse 3 weist ein erstes und ein zweites axiales Ende auf. An dem ersten axialen Ende ist eine manschettenartige Kabelabdichtung 3.1 vorgesehen, die als Hydro-Abdichtung ausgebildet ist. Die Kabelabdichtung 3.1 ist mit nicht näher beschriebenen Mitteln ausgelegt, um das spezielle Messkabel 2 mit einer glatten Lauffläche leckagedicht, auch unter Förderbedingungen, abzudichten. Das zweite axiale Ende der Schleuse 3 ist als Bohrlochverschluss 3.2 ausgebildet, der die Schleuse 3 von dem Bohrlochmund 3.3 des Bohrlochs 4 medien- und druckdicht entkoppelt. Der Bohrlochverschluss 3.2 weist vorzugsweise zwei, in der dargestellten Figur jedoch nur ein, Stellglieder) und die dazugehörigen Stellantrieb(e) auf. Beim Koppeln der Schleuse 3 mit dem nicht dargestellten Förderrohr des Bohrlochs 4 werden die Stellglieder geschlossen und im Förderbetrieb entsprechend wieder vollständig freigegeben. Die Steuerung der Stellantriebe der Stellglieder erfolgt mittels der Mess-, Regel- und Steuereinheit 1.2 des MTK 1. Das gesamte Bohrloch 4 besteht grundsätzlich aus einem vertikalen Teil und einem horizontalen Teil, wobei der horizontale Teil seinerseits zwei horizontale Teilbereiche 4.1 und 4.2 aufweist. Der vertikale Teil des Bohrlochs 4 misst dreitausend Meter und der sich ausgehend vom Tiefpunkt des vertikalen Teils des Bohrlochs 4 erstreckende horizontale Teil des Bohrlochs 4.1, 4.2 ungefähr achthundert bis eintausend Meter. Der erste, ungefähr zweihundert Meter lange Teilbereich 4.1 des horizontalen Teils des Bohrlochs 4 schließt sich unmittelbar an den vertikalen Teil des Bohrlochs 4 an und ist dadurch gekennzeichnet, dass er zumindestens teilweise gekrümmt ausgebildet ist. Der sich an den ersten Teilbereich 4.1 anschließende zweite Teilbereich 4.2 ist entsprechend sechshundert bis achthundert Meter lang. Die gesamte Bohrlochlänge beträgt somit 3800 m. Da der horizontale Bereich des Bohrlochs 4, ausgehend vom vertikalen Bereich, in einer beliebigen radialen Richtung ausgebildet sein kann, beträgt die erschließbare Ausbeutungsfläche ungefähr 2 km2. Der erfindungsgemäße steuerbare Kabel-Zug-Antrieb 6 ist am distalen Ende des geophysikalischen Messkabels 2 innerhalb des Bohrlochs 4, hier speziell im zweiten Teilbereich 4.2 des horizontalen Teils des Bohrlochs 4 angeordnet. Die zur Erfassung der physikalischen Parameter der passierenden Gesteinsformationen vorgesehene Messtechnik befindet sich im Bereich des distalen Endes des Messkabels 2 und ist mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Das spezielle Messkabel 2 besteht aus einem Kern und einem als Armierung ausgebildeten Außenmantel. Der Außenmantel ist dabei aus mindestens einer Lage Z-Drähte aufgebaut, die unter Bildung einer mediendichten glatten Außenfläche schraubenlinienförmig um den Kern geschlagen sind. Jeweils benachbarte Z-Drähte greifen dazu form- und ggf. kraftschlüssig ineinander ein. Im Kern des geophysikalisches Messkabels 2 sind optische Glasfaserleiter als Mess- und Steuerleiter platziert, die sich über die Kabellänge erstrecken. Mittels dieser Mess- und Steuerleiter sind der Kabel-Schub-Antrieb 1.6, der Kabel-Zug-Antrieb 6 und die Messtechnik 5 mit der Mess-, Regel- und Auswerteinheit 1.2 des MTK 1 verbunden. Die Messtechnik 5 umfasst mindestens einen mit Messsonden bestückten Messkopf. Die Steuerung des Kabel-Schub-Antriebs 1.6 und/oder der Kabel-Zug-Antrieb 6 erfolgt elektromotorisch oder hydraulisch unter Verwendung von Steuersignalen, die von der Mess-, Regel- und Auswerteinheit 1.2 des MTK 1 generiert werden.

Das Verfahren zum Einbringen des geophysikalischen Messkabels 2 wird unter Verwendung des MTK 1 wie folgt realisiert. Das Messkabel 2 wird durch die Schleuse 3 geführt und in den vertikalen Teil des Bohrlochs 4 eingeführt. Hierzu wird kurzzeitig eine positive Schubkraft +F1 mittels des Kabel-Schub-Antriebs 1.6 auf das Messkabel 2 aufgebracht. Mit zunehmender Einschublänge wirkt die Gewichtskraft FG des eingefahrenen Messkabels 2 derart, dass das Messkabel 2 sich selbst beschleunigt, infolge dessen ein automatischer Vortrieb des Messkabels 2 im vertikalen Teil des Bohrlochs 4 erfolgt. Um zu große und nicht zu beherrschende Beschleunigungen des Messkabels 2 zu vermeiden, wird zu diesem Zeitpunkt der reversibel arbeitende Kabel-Schub-Antrieb 1.6 zum Zwecke der Generierung einer negativen Schubkraft –F1 als Bremskraft umgeschaltet. Mittels der Mess-, Regel- und Auswerteeinheit 1.2 wird die zum Bremsen des Messkabels 2 eingesetzte negative Schubkraft –F1 in Abhängigkeit der Gewichtskraft FG des Messkabels 2 gesteuert. Diese negative Schubkraft –F1 ist zu Beginn des Einfahrens des Messkabels 2 in den vertikalen Teil des Bohrlochs 4 noch gering und muss allerdings auf Grund der zunehmenden Gewichtskraft FG des von der in der 1 gezeigten Kabeltrommel 1.3 abgerollten Messkabels 2 bei diesem Ausführungsbeispiel bis ungefähr 45 kN erhöht werden. Mit dem Erreichen des Tiefpunktes des vertikalen Teils des Bohrlochs 2 schiebt sich das Messkabel 2 auf Grund seiner Gewichtskraft FG in einen ersten horizontalen Teilbereich 4.1 des Bohrlochs 4. In diesem ersten horizontalen Teilbereich wird das Messkabel 2 weiterhin mittels des Kabel-Schub-Antriebs 1.6 abgebremst.

Dadurch, dass das Messkabel 2 in dem horizontalen Teilbereich 4.1 und zu einem späteren Zeitpunkt auch im Teilbereich 4.2 des Bohrlochs 4 aufliegt und weiter vorgetrieben wird, entsteht eine Reibungskraft, die der Gewichtskraft FG des Messkabels 2 entgegenwirkt. Diese Reibungskraft beträgt jedoch nur ungefähr ein Zehntel der Gewichtskraft FG pro Längeneinheit des Messkabels 2. Theoretisch könnte somit die durch den Kabel-Schub-Antrieb 1.6 aufgebrachte Bremskraft –F1 um einen diesem Zehntel entsprechenden Betrag verringert werden, was jedoch in der Praxis nicht zwingend notwendig ist. Zum Durchfahren des zweiten horizontalen Teilbereichs 4.2 des Bohrlochs 2 und zum weiteren Vortrieb des Messkabels 2 kann optional die positive Schubkraft F1 und erforderlichenfalls zusätzlich der am distalen Ende des Messkabels 2 angeordnete Kabel-Zug-Antrieb 6 zugeschaltet werden.

Mittels dieses Kabel-Zug-Antriebs 6 wird zusätzlich zu den Kräften FG und F1 eine Zugkraft F2 auf das Messkabel aufgebracht, wobei der Betrag der eingeleiteten Kräfte F1 und F2 in Abhängigkeit der Beträge der Gewichtskraft FG durch die Mess-, Regel- und Auswerteinheit 1.2 generiert wird. Diese Zugkraft F2 kann stetig oder aber auch alternierend auf das Messkabel 2 aufgebracht werden.

Die einzelnen Teilbereiche 4.1, 4.2 des horizontalen Teils des Bohrlochs 4 sind natürlich in ihrer Länge nicht festgelegt und sind auch nicht durch diese bestimmbar. Vielmehr sind diese Teilbereiche 4.1, 4.2 durch die aufgebrachten Kräfte F1 und ggf. F2 im Zusammenspiele mit der Gewichtskraft FG indizierbar, wobei diese Kräfte F1 und F2 in Abhängigkeit der ermittelten Gewichtskraft FG mittels des Kabel-Schub-Antriebs 1.6 und ggf. des Kabel-Zug-Antriebs 6 auf das Messkabel 2 aufgebracht werden.

1Mobiler Technologischer Komplex (MTK) 1.1Transportfahrzeug 1.2Mess-, Regel- und Auswerteinheit 1.3Kabeltrommel 1.4Fahrzeugausleger 1.5Umlenkrolle 1.6Kabel-Schub-Antrieb 2geophysikalisches Messkabel / Kabel 3Schleuse 3.1Kabelabdichtung 3.2Bohrlochverschluss 3.3Bohrlochmund 4Bohrloch 4.1erster horizontaler Teilbereich des Bohrlochs 4.2zweiter horizontaler Teilbereich des Bohrlochs 5Messtechnik 6Kabel-Zug-Antrieb

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln (2) in vertikale und horizontale Bohrlöcher (4), wobei der Vortrieb eines axialsteifen geophysikalischen Messkabels (2) im Bohrloch (4) unter Ausnutzung der Gewichtskraft FG des Messkabels sowie unter Verwendung eines eine Schubkraft F1 erzeugenden Kabel-Schub-Antriebs (1.6), der außerhalb des Bohrlochs (4) angeordnet ist, ausgeführt wird, und dass die Gewichtskraft FG und die Schubkraft F1 mit fortschreitender Bohrlochlänge wie folgt wirksam werden:

    a. Aufbringen einer der Gewichtskraft FG des Messkabels (2) entgegenwirkenden negativen Schub-Kraft –F1 als Bremskraft auf das geophysikalische Messkabel (2) mittels des Kabel-Schub-Antriebs (1.6) im vertikalen Bereich des Bohrlochs (4) und in einem ersten horizontalen Bereich (4.1) des Bohrlochs (4),

    b. Aufbringen einer positiven Schubkraft +F1 auf das geophysikalische Messkabel (2) mittels des Kabel-Schub-Antriebs (1.6) zum Durchfahren eines zweiten horizontalen Bereichs (4.2) des Bohrlochs (4), wobei der Betrag der aufgebrachten Kräfte +F1 und –F1 in Abhängigkeit der veränderlichen Gewichtskraft FG und der erforderlichen Einschublänge des Messkabels (2) im zweiten horizontalen Bereich (4.2) des Bohrlochs (4) mittels einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit (1.2) gesteuert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchfahren des zweiten horizontalen Bereichs (4.2) des Bohrlochs (4) ggf. zusätzlich zu den wirkenden Kräften FG und ± F1 unter Verwendung eines Kabel-Zug-Antriebs (6), der innerhalb des horizontalen Teils des Bohrlochs (4) am distalen Ende des Messkabels (2) angeordnet ist, eine Zugkraft F2 auf das Messkabel (2) aufgebracht wird, wobei der Betrag der eingeleiteten Kräfte ± F1 und F2 in Abhängigkeit des Beträge der Gewichtskraft FG mittels einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit (1.2) gesteuert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten horizontalen Bereich (4.2) des Bohrlochs (4) die positive Schubkraft +F1 bis auf 100 % der maximalen Schubkraft erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraft F2 alternierend, beispielsweise in einem Intervall zwischen 50 % und 100 der maximalen Zugkraft F2, auf das sich im zweiten horizontalen Bereich (4.2) des Bohrlochs (4) befindliche Ende des geophysikalischen Messkabels (2) aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Aufbringen der Schubkraft F1 verursachte Dilatation und die durch das Aufbringen der Zugkraft F2 verursachte Querkontraktion des geophysikalischen Messkabels (2) ermittelt werden und als Parameter zur Bestimmung der effektiven Länge des vorgetriebenen geophysikalischen Messkabels (2) und/oder zur Einleitung der Kräfte F1 und F2 in Betrag und Relation zueinander verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelbewegung am distalen Ende des Messkabels (2) erfasst wird und rechtzeitig vor einem etwaigen Kabelstillstand über den Kabel-Zug-Antrieb (6) eine Zugkraft F2 in ausreichender Größe aufgebracht wird.
  7. Vorrichtung zum Einbringen von geophysikalischen Messkabeln (2) in vertikale und horizontale Bohrlöcher (4), aufweisend:

    a. ein das Messkabel (2) aufnehmendes Transportfahrzeug (1.1) mit einem Fahrzeugausleger (1.4) sowie einer Mess-, Regel- und Auswerteinheit (1.2),

    b. einen sich vertikal erstreckenden steuerbaren Kabel-Schub-Antrieb (1.6), der am Fahrzeugausleger (1.4) angeordnet ist,

    c. eine in Vortriebsrichtung des geophysikalischen Messkabels (2) nach dem Kabel-Schub-Antrieb (1.6) angeordnete Schleuse (3), deren erstes axiales Ende eine Kabelabdichtung (3.1) aufweist, und deren zweites axiales Ende einen Bohrlochverschluss (3.2) aufweist, der die Schleuse (3) von dem Bohrlochmund (3.3) des Bohrlochs (4) medien- und druckdicht entkoppelt,

    d. einen abhängig vom gewünschten horizontalen Vorschub des Messkabels (2) wahlweise einsetzbaren steuerbaren Kabel-Zug-Antrieb (6), der am distalen Endes des geophysikalischen Messkabels (2) innerhalb des Bohrlochs (4) angeordnet ist,

    e. eine Messtechnik (5), zur Erfassung der physikalischen Parameter der passierenden Gesteinsformationen und Medien sowie

    f. sich über die Kabellänge im Kabelkern erstreckende Steuerleitungen, über die der Kabel-Schub-Antrieb (1.6), der Kabel-Zug-Antrieb (6) und die Messtechnik (5) mit der Mess-, Regel- und Auswerteinheit (1.2) verbunden sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabel-Schub-Antrieb (1.6) als auf dem „inch-worm"-Prinzip basierende Schub-Raupe ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabel-Zug-Antrieb (6) als Zug-Raupe ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messtechnik (5) mindestens einen mit Messsonden bestückten Messkopf umfasst, wobei der Messkopf im Bereich des distalen Endes des geophysikalischen Messkabels (2) innerhalb des Bohrlochs (4) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabel-Schub-Antrieb (1.6) und/oder der Kabel-Zug-Antrieb (6) elektromotorisch oder hydraulisch mittels der Mess-, Regel- und Auswerteinheit (1.2) steuerbar ausgebildet sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das geophysikalische Messkabel eine den Außenmantel bildende Armierung aufweist, die aus mindestens einer Lage Z-Drähte aufgebaut ist, und unter Bildung einer mediendichten glatten Außenfläche schraubenlinienförmig um den Kern geschlagen sind, wobei jeweils benachbarte Z-Drähte form- und ggf. kraftschlüssig ineinander greifen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des geophysikalisches Messkabels (2) Messleiter aufweist, die als metallische Leiter und/oder als optische Glasfaserleiter ausgebildet sind.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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