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Die Erfindung betrifft ein Probenmodul für ein Werkzeug für das Nehmen von Proben bzw. ein Verfahren zum Nehmen von Proben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 10. Ferner bezieht sie sich allgemein auf Techniken zum Bewerten einer unterirdischen Formation und insbesondere auf Techniken zum Sammeln und/oder Speichern von aus einer unterirdischen Formation beschafften Fluidproben.
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Bohrlöcher werden gebohrt, um Kohlenwasserstoffe zu lokalisieren und zu fördern. Um ein Bohrloch zu bilden, wird ein Bohrloch-Bohrwerkzeug, an dessen Ende sich eine Bohrkrone befindet, in die Erde vorgetrieben. Beim Vortreiben des Bohrwerkzeugs wird Bohrschlamm aus einer Schlammgrube an der Oberfläche durch das Bohrwerkzeug und aus der Bohrkrone heraus gepumpt, um das Bohrwerkzeug zu kühlen und um Bohrabfälle abzutransportieren. Das Fluid verlässt die Bohrkrone und fließt zurück zur Oberfläche, um erneut durch das Werkzeug umgewälzt zu werden. Der Bohrschlamm wird außerdem dazu verwendet, einen Schlammkuchen zur Auskleidung des Bohrlochs zu bilden.
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Während des Bohrvorgangs sollten verschiedene Bewertungen der vom Bohrloch durchdrungenen Formationen durchgeführt werden. In manchen Fällen kann das Bohrwerkzeug mit Vorrichtungen zum Prüfen der umgebenden Formation und/oder zum Nehmen von Proben aus dieser versehen sein. In manchen Fällen kann das Bohrwerkzeug entfernt und ein Drahtleitungswerkzeug in das Bohrloch eingesetzt werden, um die Formation zu prüfen und/oder um hieraus Proben zu entnehmen. Siehe beispielsweise US-Patente Nrn.
US 4 860 581 A und
US 4 936 139 A . In anderen Fällen kann das Bohrwerkzeug dazu verwendet werden, das Prüfen und/oder das Nehmen von Proben auszuführen. Siehe beispielsweise US-Patente bzw. US-Patentanmeldungen Nrn.
US 5 233 866 A ,
US 6 230 557 B1 ,
US 2005 / 0 109 538 A1 und
US 2004 / 0 160 858 A1 . Diese Proben und/oder Prüfungen können beispielsweise dazu verwendet werden, wertvolle Kohlenwasserstoffe zu lokalisieren.
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Die Formationsbewertung erfordert häufig, dass zum Prüfen und/oder Nehmen von Proben Fluid aus der Formation in das Bohrlochwerkzeug angesaugt wird. Typischerweise werden verschiedene Fluidkommunikationsvorrichtungen wie etwa Sonden vom Bohrlochwerkzeug ausgefahren und mit der Bohrlochwand in Kontakt gebracht, um eine Fluidkommunikation mit der das Bohrloch umgebenden Formation herzustellen und Fluid in das Bohrlochwerkzeug anzusaugen. Eine typische Sonde ist ein kreisförmiges Element, das vom Bohrlochwerkzeug ausgefahren und gegen die Seitenwand des Bohrlochs gesetzt wird. Ein Gummi-Dichtungsstück am Ende der Sonde wird dazu verwendet, eine Abdichtung an der Wand des Bohrlochs zu schaffen.
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Eine weitere Vorrichtung, die verwendet wird, um eine Abdichtung an dem Bohrloch zu bilden, wird als Zweifach-Dichtungsstück (dual packer) bezeichnet. Bei einem Zweifach-Dichtungsstück werden zwei elastomere Ringe radial um das Werkzeug ausgedehnt, um einen Abschnitt des Bohrlochs dazwischen zu isolieren. Die Ringe bilden eine Abdichtung an der Bohrlochwand und ermöglichen das Ansaugen von Fluid in den isolierten Abschnitt des Bohrlochs und über einen Einlass in das Bohrlochwerkzeug.
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Der das Bohrloch auskleidende Schlammkuchen wird häufig dazu genutzt, das Herstellen der Abdichtung an der Bohrlochwand durch die Sonde und/oder die Zweifach-Dichtungsstücke zu unterstützen. Sobald die Abdichtung hergestellt ist, wird Fluid aus der Formation durch einen Einlass in das Bohrlochwerkzeug angesaugt, indem der Druck im Bohrlochwerkzeug abgesenkt wird. Beispiele von Sonden und/oder Dichtungsstücken, die in Bohrlochwerkzeugen verwendet werden, sind in den US-Patenten Nrn.
US 6 301 959 B1 ,
US 4 860 581 A ,
US 4 936 139 A ,
US 6 585 045 B2 ,
US 6 609 568 B2 und
US 6 719 049 B2 sowie in der US-Patentanmeldung Nr.
US 2004 / 0 000 433 A1 beschrieben.
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In Fällen, in denen das Ansaugen einer Fluidprobe in das Werkzeug erwünscht ist, kann eine Probe in einer oder mehreren Probenkammern oder -flaschen, die in dem Bohrlochwerkzeug positioniert sind, gesammelt werden. Beispiele solcher Probenkammern und Probennahmetechniken, die in Drahtleitungswerkzeugen verwendet werden, sind in den US-Patenten Nr.
US 6 688 390 B2 ,
US 6 659 177 B2 und
US 5 303 775 A beschrieben. Beispiele solcher Probenkammern und Probennahmetechniken, die in Bohrwerkzeugen verwendet werden, sind in dem US-Patent Nr.
US 5 233 866 A und der US-Patentanmeldung Nr.
US 2005 / 0 115 716 A1 beschrieben. Typischerweise sind die Probenkammern aus dem Bohrlochwerkzeug entfernbar, wie beispielsweise in den US-Patenten bzw. -Anmmeldungen Nrn.
US 6 837 314 B2 ,
US 4 856 585 A und
US 6 688 390 B2 gezeigt ist.
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Aus
US 3 441 095 A ist ein weiteres Bohrlochwerkzeug bekannt, mit dem eine Probe einer unterirdischen Formation gewonnen werden soll.
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Aus
US 6 478 096 B1 ist ein Werkzeug zur Gewinnung von Informationen einer unterirdischen Formation in situ bekannt.
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WO 00/47 870 A1 offenbart ein Verfahren zur Probennahme und Messung einer Lagerstättenflüssigkeit.
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Aus
US 5 799 733 A geht eine in einem Bohrloch angeordnete Vorrichtung mit einer Pumpe zur Entnahme einer Flüssigkeitsprobe aus dem Bohrloch hervor.
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Aus
US 6 026 915 A geht ein Bohrwerkzeug mit einer Sonde zur Probennahme eines Fluids in einem Bohrloch hervor.
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Trotz der Fortschritte der Probennahmetechnologie besteht noch immer ein Bedarf, eine Probenkammer und/oder Probennahmetechniken zu schaffen, die geeignet sind, für ein effizienteres Nehmen von Proben in rauen Bohrumgebungen zu sorgen. Solche Techniken sollten in dem begrenzten Raum eines Bohrloch-Bohrwerkzeugs einsetzbar sein und einen einfachen Zugang zu der Probe verschaffen. Solche Techniken bieten unter anderem eines oder mehreres des Folgenden: Wahlweisen Zugang zu den Probenkammern und/oder wahlweise Herausnahme der Probenkammern, Sperrmechanismen zum Sichern der Probenkammer, Isolation gegenüber Stößen, Vibrationen, zyklischen Verformungen und/oder Beanspruchungen im Bohrloch, Schutz von Probenkammer-Abdichtmechanismen, Steuern der mit den Probenkammern zusammenhängenden Wärmebeanspruchungen, ohne konzentrierte Beanspruchungen herbeizuführen oder die Brauchbarkeit zu beeinträchtigen, redundante Probenkammernhalte- und/oder -schutzvorrichtungen und eine Modularität der Probenkammern. Solche Techniken sollten vorzugsweise auch erreicht werden, ohne zum Erzielen der gewünschten Funktionsfähigkeit die Verwendung von teuren Materialien zu erfordern.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorrichtungen und Verfahren zur Formationsbewertung mit den oben genannten Eigenschaften zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 10. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In wenigstens einem Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Probenmodul für ein Werkzeug für das Nehmen von Proben während des Bohrens, das in einem eine unterirdische Formation durchdringenden Bohrloch positionierbar ist. Das Werkzeug umfasst eine Schwerstange, wenigstens eine Probenkammer, wenigstens eine Durchflussleitung und wenigstens eine Abdeckung. Die Schwerstange ist mit einem Bohrstrang des Werkzeugs für das Nehmen von Proben während des Bohrens funktional verbindbar. Die Schwerstange weist wenigstens eine Öffnung auf, die durch eine Außenfläche von ihr in einen Hohlraum führt. Die Schwerstange weist einen Durchgang auf, um Schlamm hindurchzuleiten. Die Probenkammer ist in dem Hohlraum der Schwerstange positionierbar. In der Schwerstange ist wenigstens eine Durchflussleitung angeordnet, die mit der Probenkammer funktional verbindbar ist, um ein Bohrlochfluid hindurchzuleiten. Die Abdeckung ist um wenigstens eine Öffnung der Schwerstange positionierbar, wodurch die Probenkammer darin herausnehmbar befestigt ist.
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In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Nehmen von Proben während des Bohrens durch ein Bohrlochwerkzeug für das Nehmen von Proben während des Bohrens, das in einem eine unterirdische Formation durchdringenden Bohrloch positionierbar ist. Das Verfahren umfasst das Positionieren einer Probenkammer durch eine Öffnung in einer Außenfläche einer Schwerstange des Werkzeugs für das Nehmen von Proben während des Bohrens in einen Hohlraum darin, das Positionieren einer Abdeckung über der Öffnung der Schwerstange, das Ausfahren des Bohrlochwerkzeugs für das Nehmen von Proben während des Bohrens in das Bohrloch, das Herstellen einer Fluidkommunikation zwischen dem Werkzeug für das Nehmen von Proben während des Bohrens und der Formation, das Ansaugen eines Formationsfluids in das Werkzeug für das Nehmen von Proben während des Bohrens durch einen Einlass in dem Werkzeug für das Nehmen von Proben während des Bohrens und das Leiten des Formationsfluids von dem Einlass zu der Probenkammer.
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Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung und der Unteransprüche, die auf die folgenden Abbildungen Bezug nehmen.
- 1 ist eine schematische Darstellung einer Bohrstelle, wobei ein Bohrlochwerkzeug, das ein System für das Nehmen von Proben während des Bohrens (SWD-System, sampling while drilling system) enthält, in einem eine unterirdische Formation durchdringenden Bohrloch positioniert ist.
- 2A ist eine longitudinale Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Bohrlochwerkzeugs nach 1, die ein Probenmodul des SWD-Systems näher zeigt, das ein Fluidflusssystem und darin mehrere Probenkammern enthält.
- 2B ist eine längs der Schnittlinie 2B-2B aufgenommene horizontale Querschnittsdarstellung des Probenmoduls nach 2A.
- 3 ist eine schematische Darstellung des Fluidflusssystems aus den 2A und 2B.
- 4A ist eine Teilschnittdarstellung des Probenmoduls nach 2A mit einer darin durch eine zweiteilige Abdeckung gehaltenen herausnehmbaren Probenkammer.
- 4B ist eine Teilschnittdarstellung eines alternativen Probenmoduls mit einer darin durch eine mehrteilige Abdeckung gehaltenen herausnehmbaren Probenkammer.
- 5A ist eine detaillierte Schnittdarstellung eines Abschnitts des Probenmoduls nach 4A, die eine Schnittstelle von diesem näher zeigt.
- 5B ist eine isometrische Darstellung, teilweise in einem Schnitt, eines alternativen Probenmoduls mit Schnittstelle.
- Die 6A-6D sind genaue Schnittdarstellungen eines Abschnitts des Probenmoduls nach 4A, die den Stoßdämpfer näher zeigen.
- 7 ist eine isometrische Darstellung eines alternativen Stoßdämpfers mit einer Haltevorrichtung, die zusammen mit dem Probenmodul nach 4A verwendbar ist.
- 8A ist eine andere Ansicht des Stoßdämpfers nach 7, der in einer Schwerstange positioniert ist.
- 8B ist eine auseinandergezogene Ansicht eines alternativen Stoßdämpfers und der Schwerstange.
- 8C ist eine isometrische Darstellung, teilweise in einem Schnitt, eines alternativen Stoßdämpfers und der Schwerstange.
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Damit die oben angeführten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung im Einzelnen verständlich werden, kann eine genauere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung durch Bezugnahme auf ihre in der beigefügten Zeichnung gezeigten Ausführungsformen erhalten werden. Es sei jedoch angemerkt, dass die beigefügten Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen dieser Erfindung zeigen und daher nicht als deren Umfang begrenzend betrachtet werden dürfen, da die Erfindung andere gleich funktionale Ausführungsformen zulassen kann.
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Definitionen:
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- In dieser Beschreibung werden bestimmte Begriffe definiert, wenn sie das erste Mal verwendet werden, während andere in dieser Beschreibung verwendete Begriffe wie folgt definiert sind:
- „Elektrisch“ bezieht sich auf eine oder mehrere Verbindungen und/oder Leitungen zum Übertragen von Signalen.
- „Elektronische Signale“ bedeuten Signale, die elektrische Leistung und/oder Daten (z. B. binäre Daten) übertragen können.
- „Modul“ bedeutet ein Teilsystem eines Bohrlochwerkzeugs, insbesondere eines multifunktionalen oder integrierten Bohrlochwerkzeugs, das zwei oder mehrere miteinander verbundene Module zum Ausüben einer getrennten oder einzelnen Funktion enthält.
- „Modular“ bedeutet: geeignet für das Verbinden von Modulen und/oder Werkzeugen (untereinander), die zugunsten der Flexibilität und Vielseitigkeit im Gebrauch aus standardisierten Einheiten aufgebaut und standardisierte Abmessungen besitzen sollten.
- „Einzelphase“ bezieht sich auf eine in einer Probenkammer gespeicherte Fluidprobe und bedeutet, dass der Druck der Kammer in dem Maße aufrechterhalten oder gesteuert wird, dass sich Probenbestandteile, die sich nur durch Druck in einer Lösung halten, wie etwa Gase und Asphaltene nicht aus der Lösung absondern, wenn sich die Probe nach den Einholen der Kammer aus dem Bohrloch abkühlt.
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1 zeigt eine Bohrstelle 1, die ein Bohrgestell 10 mit einem Bohrlochwerkzeug 100 umfasst, das daran über einen Bohrstrang 12 in einem Bohrloch 11 aufgehängt ist. Das Bohrlochwerkzeug 100 weist an seinem unteren Ende eine Bohrkrone 15 auf, die zu seinem Vortreiben in die Formation und zum Bilden des Bohrlochs verwendet wird.
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Der Bohrstrang 12 wird durch einen Drehtisch 16 gedreht, der durch (nicht gezeigte) Mittel mit Energie versorgt wird und mit einer Mitnehmerstange 17 am oberen Ende des Bohrstrangs 12 in Eingriff ist. Der Bohrstrang 12 ist über die Mitnehmerstange 17 und einen Rotary-Spülkopf 19, der eine Drehung des Bohrstrangs 12 relativ zu einem Haken 18 zulässt, an dem Haken 18 aufgehängt, der an einem (ebenfalls nicht gezeigten) Flaschenzugblock befestigt ist.
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Das Bohrgestell ist als Plattform- und Hebewerkanordnung 10 an Land gezeigt, die dazu verwendet wird, durch Rotary-Bohren in einer Weise, die wohlbekannt ist, ein Bohrloch 11 zu bilden. Ein Fachmann, der Nutzen aus dieser Offenbarung zieht, wird erkennen, dass die Erfindung auch bei Anwendungen im Bohrloch, die sich vom Rotary-Bohren unterscheiden, angewandt werden kann und nicht auf Bohrgestelle an Land begrenzt ist.
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In einer an der Bohrstelle 1 gebildeten Grube 27 ist Bohrfluid oder Bohrschlamm 26 gelagert. Eine Pumpe 29 gibt Bohrfluid 26 durch eine Öffnung in dem Spülkopf 19 in das Innere des Bohrstrangs 12 ab und bewirkt, dass es durch den Bohrstrang 12 nach unten strömt, wie durch einen Richtungspfeil 9 angegeben ist. Das Bohrfluid 26 verlässt den Bohrstrang 12 durch Öffnungen in der Bohrkrone 15 und zirkuliert dann durch den als Ringraum bezeichneten Bereich zwischen der Außenseite des Bohrstrangs 12 und der Wand des Bohrlochs 11 nach oben, wie durch Strömungspfeile 32 angegeben ist. In dieser Weise schmiert das Bohrfluid 26 die Bohrkrone 15 und transportiert, wenn es zur Wiederumwälzung zur Grube 27 zurückgeführt wird, Formationsbohrabfälle hoch zur Erdoberfläche.
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Das Bohrlochwerkzeug 100, das manchmal als Bohrlochsohlen-Baugruppe (BHA, bottom hole assembly) bezeichnet wird, ist vorzugsweise in der Nähe der Bohrkrone 15 (mit anderen Worten innerhalb einiger Schwerstangenlängen von der Bohrkrone entfernt) angeordnet. Die Bohrlochsohlen-Baugruppe umfasst verschiedene Komponenten, die beispielsweise Fähigkeiten zum Messen, Verarbeiten und Speichern von Informationen sowie zum Kommunizieren mit der Erdoberfläche besitzen. Vorzugsweise ist außerdem eine (nicht gezeigte) Telemetrievorrichtung für das Kommunizieren mit einer (nicht gezeigten) Oberflächeneinheit vorgesehen.
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Die BHA 100 umfasst ferner ein System für das Nehmen von Proben während des Bohrens (SWD-System) 230, das ein Fluidkommunikationsmodul 210 und ein Probenmodul 220 umfasst. Die Module sind vorzugsweise in einer Schwerstange untergebracht, um verschiedene Formationsbewertungsfunktionen auszuüben (die weiter unten näher beschrieben werden). Wie in 1 gezeigt ist, ist das Fluidkommunikationsmodul 210 vorzugsweise an das Probenmodul 220 angrenzend positioniert. Das Fluidkommunikationsmodul 210 ist mit einer Sonde gezeigt, die einen Einlass für die Aufnahme von Formationsfluid aufweist. Es können auch zusätzliche Vorrichtungen wie etwa Pumpen, Messgeräte, Sensoren, Registriergeräte oder andere Vorrichtungen, die beim Nehmen von Proben und/oder Prüfen verwendbar sind, vorgesehen sein. Obwohl in 1 ein modularer Aufbau mit spezifischen Komponenten in bestimmten Modulen gezeigt ist, kann das Werkzeug einheitlich sein oder können ausgewählte Abschnitte von ihm modular sein. Die Module und/oder die Komponenten darin können in verschiedenen Konfigurationen in dem gesamten Bohrlochwerkzeug angeordnet sein.
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Das Fluidkommunikationsmodul 210 enthält eine Fluidkommunikationsvorrichtung 214 wie etwa eine Sonde, die vorzugsweise in einer Stabilisatorklinge oder Stabilisatorrippe 212 positioniert ist. Eine exemplarische Fluidkommunikationsvorrichtung, die verwendet werden kann, ist in der US-Patentanmeldung Nr.
US 2005 / 0 109 538 A1 gezeigt, deren gesamten Inhalte hier durch Verweis aufgenommen sind. Die Fluidkommunikationsvorrichtung ist mit einem Einlass zur Aufnahme von Bohrlochfluiden und einer (nicht gezeigten) Durchflussleitung versehen, die sich in das Bohrlochwerkzeug erstreckt, um Fluide hindurchzuleiten. Die Fluidkommunikationsvorrichtung ist vorzugsweise zwischen einer ausgefahrenen und einer zurückgezogenen Position beweglich, um wahlweise mit einer Wand des Bohrlochs 11 in Eingriff zu gelangen und mehrere Fluidproben aus der Formation F zu beschaffen. Wie gezeigt ist, kann ein Kolben 250 vorgesehen sein, der das Positionieren der Fluidkommunikationsvorrichtung an der Bohrlochwand unterstützt.
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Beispiele von Fluidkommunikationsvorrichtungen wie etwa Sonden oder Dichtungsstücke, die verwendet werden können, sind in der US-Patentanmeldung Nr.
US 2005 / 0 109 538 A1 und dem US-Patent Nr.
US 5 803 186 A näher beschrieben. Es kann eine Vielzahl von Fluidkommunikationsvorrichtungen allein oder in Kombination mit vorstehenden Vorrichtungen wie etwa Stabilisatorklingen oder Stabilisatorrippen verwendet werden.
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Die 2A und 2B zeigen einen Abschnitt des Bohrlochwerkzeugs 100 mit dem Probenmodul 220 nach 1 näher. 2A ist ein longitudinaler Querschnitt eines Abschnitts des Sondenmoduls 210 und des Probenmoduls 220. 2B ist ein längs der Schnittlinie 2B-2B in 2A aufgenommener horizontaler Querschnitt des Probenmoduls 220.
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Das Probenmodul 220 ist vorzugsweise in einer Schwerstange 302 untergebracht, die mit benachbarten Schwerstangen der BHA wie etwa dem Sondenmodul 210 nach 1 durch Verschrauben verbindbar ist. Die Schwerstange besitzt einen darin unterstützten Dorn 326. Zwischen dem Dorn 326 und der Schwerstange 302 erstreckt sich ein Durchgang 323, um das Hindurchleiten von Schlamm zu ermöglichen, wie durch die Pfeile angegeben ist.
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Die Probenkammer, die Schwerstange und zugeordnete Komponenten können aus hochfesten Materialien wie etwa einer Edelstahllegierung, Titan oder Inconel gefertigt sein. Jedoch können die Materialien so gewählt sein, dass die gewünschte Wärmeausdehnungsübereinstimmung zwischen den Komponenten erreicht ist. Insbesondere sollte eine Kombination aus preiswerten, hochfesten und sich unter Wärme begrenzt ausdehnenden Materialien wie etwa PEEK oder Kevlar verwendet werden.
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An einem Ende hiervon ist eine Schnittstelle 322 vorgesehen, die mit hydraulischen und/oder elektrischen Verbindungen zu einer angrenzenden Schwerstange versehen ist. Am anderen Ende kann eine weitere Schnittstelle 324 vorgesehen sein, um angrenzende Schwerstangen, falls erforderlich, funktional zu verbinden. In dieser Weise können Fluide und/oder Signale zwischen dem Probenmodul und anderen Modulen geleitet werden, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Ifd. Nr. 11/160.240 beschrieben ist. In diesem Fall ist eine Schnittstelle vorzugsweise so beschaffen, dass sie eine Fluidkommunikation zwischen dem Fluidkommunikationsmodul zu dem Probenmodul herstellt, um von dem Fluidkommunikationsmodul empfangenes Formationsfluid zu dem Probenmodul zu leiten.
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Es ist die Schnittstelle 322 gezeigt, die an einem oberen Ende des Probenmoduls 220, bezogen auf das Bohrloch, für eine funktionale Verbindung mit einem benachbarten Fluidkommunikationsmodul 210 angeordnet ist. Jedoch können ein oder mehrere Fluidkommunikations- und/oder Sondenmodule in dem Bohrlochwerkzeug angeordnet sein, wobei an einem oder ihren beiden Enden eine oder mehrere Schnittstellen für eine funktionale Verbindung mit angrenzenden Modulen vorgesehen sind. In manchen Fällen können zwischen den Fluidkommunikations- und Sondenmodulen ein oder mehrere dazwischen liegende Module angeordnet sein.
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Das Probenmodul enthält ein Fluidflusssystem 301 zum Leiten von Fluid durch die Schwerstange 302. Das Fluidflusssystem 301 umfasst eine primäre Durchflussleitung 310, die sich von der Schnittstelle in das Bohrlochwerkzeug erstreckt. Die Durchflussleitung steht vorzugsweise mit der Durchflussleitung des Fluidkommunikationsmoduls über die Schnittstelle in Fluidkommunikation, um dadurch empfangene Fluide aufzunehmen. Wie gezeigt ist, ist die Durchflussleitung in dem Dorn 326 positioniert und leitet von dem Fluidkommunikationsmodul empfangenes Fluid durch das Probenmodul.
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Wie gezeigt ist, enthält das Fluidflusssystem 301 außerdem eine sekundäre Durchflussleitung 311 und eine Entsorgungs-Durchflussleitung 260. Die sekundäre Durchflussleitung 311 leitet Fluid von der primären Durchflussleitung 310 in eine oder mehrere Probenkammern 314 um, um darin gesammelt zu werden. Außerdem können zusätzliche Durchflussleitungen wie etwa die Entsorgungs-Durchflussleitung 260 vorgesehen sein, um den Fluss in das Bohrloch oder zu anderen Orten in dem Bohrlochwerkzeug umzuleiten. Wie gezeigt ist, ist ein Flussumleiter 332 vorgesehen, um Fluid zu verschiedenen Orten umzuleiten. Es können ein oder mehrere solche Umleiter vorgesehen sein, um Fluid zu gewünschten Orten umzuleiten.
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Die Probenkammern können mit verschiedenen Vorrichtungen wie etwa Ventilen, Kolben, Druckkammern oder dergleichen versehen sein, die das Handhaben der Einschließung von Fluid und/oder das Erhalten der Qualität dieses Fluids unterstützen. Die Probenkammern 314 sind jeweils so beschaffen, dass sie eine Formationsfluidprobe, die durch die Sonde 214 (siehe 1) erfasst worden ist, über die primäre Durchflussleitung 310 und jeweilige sekundäre Durchflussleitungen 311 aufnehmen.
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Wie gezeigt ist, sind die Probenkammern 314 vorzugsweise herausnehmbar in einer Öffnung 303 in der Schwerstange 302 positioniert. Um die Probenkammern 314 und die Schwerstange 302 ist eine Abdeckung 342 positioniert, um die Probenkammern 314 darin zu halten.
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Wie in dem längs der Linie 2B-2B in 2A aufgenommenen und in 2B gezeigten horizontalen Querschnitt zu sehen ist, ist das Probenmodul mit drei Probenkammern 314 versehen. Die Probenkammern 314 sind in dem Körper vorzugsweise in Intervallen von 120° beanstandet. Jedoch können in der Schwerstange eine oder mehrere Probenkammern in einer Vielzahl von Konfigurationen positioniert sein. Außerdem können in dem Modul und/oder dem Bohrlochwerkzeug an weiteren Orten zusätzliche Probenkammern positioniert sein.
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Die Kammern 314 sind vorzugsweise am Umfang der Schwerstange 302 positioniert. Wie gezeigt ist, sind die Kammern herausnehmbar in Öffnungen 303 in der Schwerstange 302 positioniert. Die Öffnungen 303 sind so beschaffen, dass sie die Probenkammern 314 aufnehmen. Vorzugsweise sitzen die Probenkammern in einer Weise in den Öffnungen, dass eine Beschädigung verhindert wird, wenn sie rauen Bohrlochbedingungen ausgesetzt sind.
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Durch das Bohrlochwerkzeug erstreckt sich ein Durchgang 318. Der Durchgang 318 definiert vorzugsweise mehrere radial vorstehende Keulen 320. Die Anzahl von Keulen 320 ist vorzugsweise gleich der Anzahl von Probenkammern 314, d. h. drei in 2B. Wie gezeigt ist, stehen die Keulen 320 zwischen den Probenkammern 314 in einem Abstandsintervall von etwa 60° von diesen vor. Vorzugsweise erweitern die Keulen die Weite des Durchgangs um die Probenkammern, um das Hindurchleiten von Bohrfluid zu ermöglichen.
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Die mit Keulen versehene Bohrung 318 ist vorzugsweise so gestaltet, dass ein angemessener Durchflussquerschnitt vorhanden ist, um das Bohrfluid an den Probenkammern 314 vorbei durch den Bohrstrang zu leiten. Die Kammern und/oder die Behältnisse sollten ferner vorzugsweise in einer ausgeglichenen Konfiguration positioniert sein, die die durch die Bohrrotation hervorgerufenen Schwanktendenzen verringert, die Erosion des Bohrlochwerkzeugs verringert und die Herstellung vereinfacht. Es sollte eine Konfiguration vorgesehen sein, die die mechanische Festigkeit des Probenmoduls optimiert und dabei den Fluiddurchfluss erleichtert. Die Konfiguration sollte so abgeglichen sein, dass die Funktionsfähigkeit des Bohrlochwerkzeugs und des Systems für das Nehmen von Proben während des Bohrens verbessert wird.
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3 ist eine schematische Darstellung des Fluidflusssystems 301 des Probenmoduls 220 aus den 2A-2B. Wie oben beschrieben worden ist, umfasst das Fluidflusssystem 301 einen Flussumleiter 332, um den Fluss durch das Probenmodul und mehrere Probenkammern 314 wahlweise umzuleiten. Der Flussumleiter leitet Fluid wahlweise von der primären Durchflussleitung 310 zu sekundären Durchflussleitungen 311, die zu Probenkammern 314 und/oder einer in das Bohrloch führenden Entsorgungs-Durchflussleitung 260 führen.
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Es können ein oder mehrere Durchflussleitungsventile vorgesehen sein, um Fluid wahlweise an gewünschte Orte in dem gesamten Werkzeug umzuleiten. In manchen Fällen wird Fluid zur Sammlung zu der (den) Probenkammer(n) umgeleitet. In anderen Fällen kann Fluid nach Bedarf in das Bohrloch, zu dem Durchgang 318 oder zu anderen Orten umgeleitet werden.
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Die sekundären Durchflussleitungen 311 verzweigen von der primären Durchflussleitung 310 und erstrecken sich zu Probenkammern 314. Die Probenkammern können von irgendeinem an sich bekannten Typ sein, um Fluidproben im Bohrloch zu erfassen. Wie gezeigt ist, enthalten die Probenkammern vorzugsweise einen gleitenden Kolben 360, der einen Probenhohlraum 307 mit veränderlichem Volumen und einen Pufferhohlraum 309 mit veränderlichem Volumen definiert. Der Probenhohlraum ist so beschaffen, dass er die Fluidprobe empfängt und unterbringt. Der Pufferhohlraum enthält typischerweise ein Pufferfluid, das einen Druck auf den Kolben ausübt, um eine Druckdifferenz zwischen den Hohlräumen aufrechtzuerhalten, der ausreicht, um die Proben in den Probenhohlraum fließen zu lassen. In Verbindung mit den Probenkammern können nach Bedarf weitere Merkmale wie etwa Druckausgleichsvorrichtungen, Druckkammern, Sensoren und andere Komponenten verwendet werden.
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Die Probenkammer ist außerdem vorzugsweise mit einer Rührvorrichtung 362 versehen, die in der Probenkammer positioniert ist. Die Rührvorrichtung kann ein rotierendes Blatt oder eine andere Mischvorrichtung sein, die das Fluid in der Probenkammer bewegen kann, um dessen Qualität zu erhalten.
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Jede Probenkammer 314 ist mit Behälterventilen 330a, 330b gezeigt. Die Behälterventile 330a sind vorzugsweise so beschaffen, dass sie den Probenhohlraum der Probenkammern wahlweise mit der Durchflussleitung 311 fluidisch verbinden. Die Kammerventile 330b verbinden den Pufferhohlraum der Probenkammern fluidisch wahlweise mit einer Druckquelle wie etwa dem Bohrloch, einer Stickstoffladekammer oder einer anderen Druckquelle.
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Jede Probenkammer 314 ist außerdem einer Gruppe von Durchflussleitungsventilen 328a, 328b innerhalb eines Flussumleiters/Flusslenkers 332 zugeordnet, um den Fluidfluss in die Probenkammer zu steuern. Es können eines oder mehrere der Durchflussleitungsventile wahlweise betätigt werden, um das Eintreten von Fluid von der Durchflussleitung 310 in den Probenhohlraum einer oder mehrerer der Probenkammern zu ermöglichen. In einer oder mehreren Durchflussleitungen kann ein Rückschlagventil verwendet werden, um das Hindurchfließen einzuschränken.
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An verschiedenen Orten in der Durchflussleitung können weitere Ventile vorgesehen sein, um eine wahlweise Fluidkommunikation zwischen den Orten zu ermöglichen. Beispielsweise ist vorzugsweise ein Ventil 334 wie etwa ein Entlastungsventil oder ein Rückschlagventil in einer Entsorgungs-Durchflussleitung 260 vorgesehen, um eine wahlweise Fluidkommunikation mit dem Bohrloch zu ermöglichen. Dies ermöglicht das wahlweise Ausstoßen von Fluid aus der Durchflussleitung 260. Dieses Fluid wird typischerweise durch die Seitenwand 329 des Werkzeugkörpers hindurch aus der Ausfluss-Durchflussleitung 260 entsorgt. Das Ventil 334 kann vorzugsweise bei einer gegebenen Differenzdruckeinstellung zum Bohrloch hin geöffnet werden. Das Ventil 334 kann ein Entlastungsventil oder ein Sperrventil sein, das durch Unterdruck (passive Steuerung), Überdruck (aktive Steuerung) oder einen vorgegebenen Abblasdruck gesteuert wird. Das Entlastungsventil 334 kann dazu verwendet werden, die Durchflussleitung 310 vor dem Nehmen von Proben und/oder, um eine übermäßige Druckbeaufschlagung von in die jeweiligen Probenkammern 314 gepumpten Fluidproben zu verhindern, durchzuspülen. Das Entlastungsventil kann außerdem aus Sicherheitsgründen verwendet werden, um ein Freisetzen von Hochdruck an der Oberfläche zu verhindern.
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Nach Bedarf können weitere Durchflussleitungen und Ventile vorgesehen sein, um den Fluidfluss durch das Werkzeug zu steuern. Beispielsweise ist eine Bohrloch-Durchflussleitung 315 vorgesehen, um eine Fluidkommunikation zwischen Pufferhohlräumen 309 und dem Bohrloch herzustellen. Die Ventile 330b ermöglichen eine wahlweise Fluidkommunikation mit den Pufferkammern.
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In Fällen, in denen mehrere Probenmodule 220 in einem Werkzeugstrang betrieben werden, können die Entlastungsventile 334 in einer selektiven Weise, z. B. so, dass sie aktiv sind, wenn die Probenkammern von jeweiligen Modulen 220 befüllt werden, betrieben werden. Somit kann, während Fluidproben zu einem ersten Probenmodul 220 geleitet werden, sein entsprechendes Entlastungsventil 334 betätigbar sein. Sobald alle Probenkammern 314 des ersten Probenmoduls 220 befüllt sind, wird sein Entlastungsventil gesperrt. Das Entlastungsventil eines weiteren Probenmoduls kann dann freigegeben werden, um vor der Probenerfassung (und/oder als Überdruckschutz) das Durchspülen der Durchflussleitung in diesem Probenmodul zu ermöglichen. Die Verstellung und Aktivierung solcher Ventile kann manuell oder automatisch erfolgen, um den gewünschten Betrieb zu erreichen.
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In den sekundären Durchflussleitungen 311 sind vorzugsweise Ventile 328a, 328b vorgesehen, um eine wahlweise Fluidkommunikation zwischen der primären Durchflussleitung 310 und dem Probenhohlraum 307 zu ermöglichen. Diese Ventile können wahlweise betätigt werden, um die sekundären Durchflussleitungen 311 nacheinander oder unabhängig voneinander zu öffnen und zu schließen.
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Die Ventile 328a, 328b sind vorzugsweise elektrische Ventile, die so beschaffen sind, dass sie eine wahlweise Fluidkommunikation ermöglichen. Diese Ventile werden ebenfalls wahlweise betätigt. Solche Ventile können mit einem (nicht gezeigten) federbelasteten Schaft bzw. Schieberstange versehen sein, der die Ventile entweder in die geöffnete oder in die geschlossene Position vorbelastet. In manchen Fällen können die Ventile im Handel erhältliche Exo-Ventile oder Sperrventile sein.
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Um die Ventile zu betätigen, wird ein elektrischer Strom an die Exo-Scheiben angelegt, wodurch sich die Scheiben verfehlen, was wiederum die Federn freigibt, die ihre jeweiligen Schäfte bzw. Schieberstangen in die andere, d. h. normale, Position schieben. Durch Betätigen der (ersten) Ventile 328a aus den verlagerten oder versetzten geschlossenen Positionen in die normal geöffneten Positionen kann daher eine Probenspeicherung erreicht werden, was das Eintreten von Fluidproben in die Probenkammern 314 und Befüllen dieser Probenkammern ermöglicht. Die gesammelten Proben können durch Betätigen der (zweiten) Ventile 328b aus den verlagerten oder versetzten geöffneten Positionen in die normal geschlossenen Positionen verschlossen werden.
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Die Ventile werden vorzugsweise wahlweise betätigt, um den Fluidfluss durch die Durchflussleitungen zu erleichtern. Die Ventile können außerdem zum Verschließen von Fluid in den Probenkammern verwendet werden. Sobald die Probenkammern verschlossen sind, können sie zum Prüfen, Bewerten und/oder Transportieren herausgenommen werden. Die Ventile 330a (das Ventil 330b kann geöffnet bleiben, um die Rückseite des Behälterkolbens 360 dem Bohrlochfluiddruck auszusetzen) werden vorzugsweise betätigt, nachdem das Probenmodul 220 aus dem Bohrloch geholt worden ist, um einer Bedienungsperson an der Oberfläche einen physischen Zugang zu verschaffen. Demgemäß kann eine Schutzabdeckung (weiter unten beschrieben) mit einem Fenster versehen sein, um auch dann, wenn die Abdeckung in eine Position bewegt worden ist, die die Probenkammeröffnungen 313 verschließt (4), die manuell betätigbaren Ventile schnell zugänglich zu machen.
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Eines oder mehrere der Ventile können beispielsweise mittels Standard-Schlammimpulstelemetrie oder anderer geeigneter Telemetriemittel (z. B. eines verdrahteten oder verkabelten Gestängerohrs) von der Oberfläche aus ferngesteuert werden. Das Probenmodul 220 kann mit seinem eigenen Modem und seiner eigenen Elektronik (nicht gezeigt) ausgestattet sein, um die Telemetriesignale zu entschlüsseln und auszuführen. Alternativ können eines oder mehrere der Ventile manuell betätigt werden. Für eine solche Betätigung können auch Prozessoren im Bohrloch vorgesehen sein.
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Fachleute werden erkennen, dass eine Vielzahl von Ventilen verwendet werden kann, dass alternative Probenkammerentwürfe verwendet werden können und dass alternative Fluidflusssysteme verwendet werden können.
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Die 4A und 4B zeigen Techniken zum herausnehmbaren Positionieren von Probenkammern in dem Bohrlochwerkzeug. 4A zeigt eine Probenkammer, die mit dem Bohrlochwerkzeug durch eine Abdeckung wie etwa einen Ring oder eine Hülse zusammengehalten wird, der bzw. die verschiebbar um die Außenfläche der Schwerstange positionierbar ist, um eine oder mehrere Öffnungen darin abzudecken. 4B zeigt eine Abdeckung wie etwa eine Platte oder einen Deckel, die bzw. der über einer Öffnung in der Schwerstange positionierbar ist.
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4A ist eine Teilschnittdarstellung des Probenmoduls 220, die eine darin gehaltene Probenkammer 314 zeigt. Die Probenkammer 314 ist in einer Öffnung 303 in der Schwerstange 302 positioniert. Die Schwerstange 302 weist einen Durchgang 318 für das Hindurchleiten von Schlamm auf.
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Die Abdeckung 342 ist um die Schwerstange positioniert, um die Probenkammer in dem Bohrlochwerkzeug zu halten. Die Probenkammern 314 sind in den Öffnungen 303 in der Schwerstange 302 positioniert. Die Abdeckung 342 ist vorzugsweise ein Ring, der verschiebbar um die Schwerstange 302 positionierbar ist, um einen Zugang zu den Probenkammern 314 zu schaffen. Ein solcher Zugang ermöglicht das Einsetzen und das Herausziehen einer Probenkammer 314 in die Schwerstange bzw. aus der Schwerstange 302.
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Die Abdeckung 342 dient als Tor in Form einer schützenden, zylindrischen Abdeckung, die vorzugsweise eng um einen Abschnitt der Schwerstange 302 sitzt. Die Abdeckung 342 ist zwischen Positionen (siehe 4A) beweglich, die die eine oder mehreren Öffnungen 303 in der Schwerstange schließen und öffnen (nicht gezeigt). Die Abdeckung verschafft dadurch einen wahlweisen Zugang zu den Probenkammern 314. Die Abdeckung verhindert, wenn sie in der geschlossenen Position ist, vorzugsweise auch den Eintritt von großen Partikeln wie etwa Bohrabfällen aus dem Bohrloch durch die Öffnung.
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Die Abdeckung 342 kann eine oder mehrere Komponenten aufweisen, die längs der Schwerstange 302 verschiebbar sind. Die Abdeckung besitzt vorzugsweise eine Außenfläche, die so beschaffen ist, dass sie einen mechanischen Schutz vor der Bohrumgebung bietet. Die Abdeckung wird vorzugsweise auch so um die Probenkammer gesetzt, dass sie die Öffnung(en) verschließt und/oder die Probenkammer an Ort und Stelle festhält und eine Beschädigung infolge rauer Bedingungen wie etwa Stoß, äußerer Abriebkräfte und Vibration verhindert.
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Die Abdeckung 342 ist mit der Schwerstange 302 funktional verbunden, um einen wahlweisen Zugang zu den Probenkammern zu verschaffen. Wie gezeigt ist, umfasst die Abdeckung einen ersten Abdeckungsabschnitt 342a und einen zweiten Abdeckungsabschnitt 342b. Der erste Abdeckungsabschnitt 342a wird durch ein Verbindungsmittel wie etwa Eingriffschrauben 344 zum funktionalen Verbinden einer Innenfläche des ersten Abdeckungsabschnitts 342a mit einer Außenfläche der Schwerstange 302 an Ort und Stelle gehalten.
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Die Abdeckung kann einteilig ausgebildet sein oder zwei oder mehrere komplementäre Abschnitte umfassen. 4A zeigt beispielsweise eine zweiteilige Abdeckung 342 mit einem ersten Abdeckungsabschnitt 342a und einem zweiten Abdeckungsabschnitt 342b. Sowohl der erste Abdeckungsabschnitt 342a als auch der zweite Abdeckungsabschnitt 342b sind vorzugsweise verschiebbar um eine Öffnung 305 des Werkzeugkörpers 302 positioniert. Der Abdeckungsabschnitt 342b kann um die Schwerstange geschoben werden, bis er an einer nach unten gerichteten Schulter 347 des Körpers anliegt. Zwischen der Schulter 347 und dem Abdeckungsabschnitt 342b kann eine Ausgleichsscheibe 345, ein Faltenbalg, ein Federscheibenstapel oder eine andere Vorrichtung, die die axiale Last der Flasche an Ort und Stelle halten kann, positioniert sein. Der zweite Abdeckungsabschnitt 342a kann ebenfalls verschiebbar um die Schwerstange 302 positioniert sein. Die Abdeckungsabschnitte besitzen komplementäre Anschläge (mit 348 bezeichnet), die für eine funktionale Verbindung dazwischen geeignet sind. Der zweite Abdeckungsabschnitt kann vor oder nach dem Positionieren der Abdeckungsabschnitte um die Schwerstange mit dem ersten Abdeckungsabschnitt funktional verbunden werden. Der erste Abdeckungsabschnitt wird dann an der Gewindeverbindung 344 auf die Schwerstange geschraubt.
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Die Abdeckungsabschnitte können dann relativ zu der Schwerstange 302 gedreht werden, um die Gewindeverbindung 344 festzuziehen und die Abdeckungsabschnitte an Ort und Stelle zu halten. Vorzugsweise werden die Abdeckungen fest angebracht, um die Abdeckungsabschnitte vorzubelasten und die relative Bewegung zwischen ihnen und dem Werkzeugkörper 302 während des Bohrens zu reduzieren (oder zu beseitigen).
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Die Abdeckung 342 kann von der Schwerstange 302 abgenommen werden, um einen Zugang zu den Probenkammern zu verschaffen. Beispielsweise kann die Abdeckung 342 gedreht werden, um die Gewindeverbindung 344 zu lösen und einen Zugang zu den Probenkammern zu ermöglichen. Die Abdeckung 342 kann mit einem oder mehreren Fenstern 346 versehen sein. Das Fenster 346 der Abdeckung 342 kann für einen Zugang zu der Probenkammer 314 verwendet werden. Das Fenster kann für einen Zugang zu den Ventilen 330a, 330b an der Probenkammer 314 verwendet werden. Das Fenster 346 ermöglicht den Zugang zu dem manuellen Ventil 330a an der Oberfläche, ohne die Abdeckung 342 entfernen zu müssen. Ein Fachmann kann erkennen, dass eine mit einem Fenster versehene Abdeckung an dem Werkzeugkörper 302 angeschraubt oder anderweitig mit diesem funktional verbunden sein kann, anstatt durch ein Gewinde mit diesem in Eingriff zu sein. Um die Schwerstange können ein oder mehrere solcher Fenster und/oder eine oder mehrere Abdeckungen vorgesehen sein, um wahlweise einen Zugang zu der Probenkammer in der Schwerstange zu verschaffen und/oder die Probenkammer zu befestigen.
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Die Probenkammer ist vorzugsweise herausnehmbar in der Schwerstange unterstützt. Die Probenkammer ist an einem ihrer Enden durch einen Stoßdämpfer 552 unterstützt. An der angrenzenden Durchflussleitung 311 am entgegengesetzten Ende ist eine Schnittstelle 550 vorgesehen, um die Probenkammer damit funktional zu verbinden. Die Schnittstelle 550 ist außerdem so beschaffen, dass sie die Probenkammer lösbar in der Schwerstange befestigt. Die Schnittstelle und die Stoßdämpfer können dazu verwendet werden, das Befestigen der Probenkammer in dem Werkzeugkörper zu unterstützen. Diese Vorrichtungen können verwendet werden, um zusätzlich zu der Abdeckung 342 redundante Haltemechanismen für die Probenkammern bereitzustellen.
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4B zeigt ein alternatives Probenmodul 220'. Das Probenmodul 220' gleicht dem Probenmodul 220 nach 4A, mit Ausnahme, dass die Probenkammer 314' durch die Abdeckung 342', eine Schnittstelle 550' und einen Stoßdämpfer 552 in der Schwerstange 302 gehalten wird. Die Abdeckung 342' umfasst mehrere Abdeckungsabschnitte 342c und 342d.
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Die Abdeckung 342d ist verschiebbar in der Öffnung 305 der Schwerstange 302 positionierbar. Die Abdeckung 342' ist vorzugsweise eine rechteckige Platte, die längs einer ihrer Kanten einen Überhang 385 aufweist. Die Abdeckung kann so in die Schwerstange eingesetzt werden, dass der Überhang 385 mit einer Innenfläche 400 der Schwerstange in Eingriff gelangt. Der Überhang ermöglicht einen Gleiteingriff der Abdeckung mit der Innenfläche der Schwerstange und ihren Halt darin. Eine oder mehrere Abdeckungen 342d sind typischerweise so gestaltet, dass sie in die Öffnung 305 gesetzt und längs der Kammerhohlraumöffnung über die Probenkammer 314 in die gewünschte Position (nicht gezeigt) geschoben werden können. Die Abdeckungen können mit Senkbohrungen 374 versehen sein, um das Abnehmen der Abdeckung 342d zu unterstützen. Die Abdeckung 342d kann mit einem oder mehreren Fenstern wie etwa dem Fenster 346 nach 4A ausgebildet sein.
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Die Abdeckung 342c ist vorzugsweise eine rechteckige Platte, die mit der Schwerstange 302 um die Öffnung 305 verbindbar ist. Die Abdeckung ist vorzugsweise durch Bolzen, Schrauben oder andere Befestigungen lösbar mit der Schwerstange verbunden. Die Abdeckung kann längs der Schwerstange verschiebbar positioniert und an Ort und Stelle befestigt werden. Die Abdeckung kann mit Aufnahmesitzen 381 versehen sein, die längs ihrer Seiten verlaufen und Durchgangslöcher zum Anbringen von Befestigungen aufweisen.
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Die hier vorgesehenen Abdeckungen sind vorzugsweise mit einer solchen Weite ausgebildet, das sie gut in die Öffnung 305 der Schwerstange passen. Es können eine oder mehrere solcher Abdeckungen oder ähnliche oder unterschiedliche Konfigurationen verwendet werden. Die Abdeckungen können mit Vorrichtungen zum Verhindern einer Beschädigung daran wie etwa den Zugentlastungseinschnitten 390 in der Abdeckung 342 nach 4B versehen sein. In dieser Weise können die Abdeckungen als Abschirmungen dienen.
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5A ist eine genaue Darstellung eines Abschnitts des Probenmoduls nach 4A, die die Schnittstelle 550 näher zeigt. Die Schnittstelle umfasst einen hydraulischen Rohrverbinder (stabber) 340, der die darin angeordnete Probenkammer 314 mit einer der sekundären Durchflussleitungen 311 fluidisch verbindet. Die Probenkammer 314 besitzt einen konischen Hals 315 mit einem Einlass zum Hindurchleiten von Fluiden. Der obere Abschnitt des hydraulischen Rohrverbinders 340 ist mit dem konischen Hals 315 der Probenkammer 314 in einem gegen Fluid abgedichteten Eingriff, während der untere Abschnitt des hydraulischen Rohrverbinders 340 mit der sekundären Durchflussleitung 311 der Schwerstange 302 in einem gegen Fluid abgedichteten Eingriff ist.
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Solche Haltemechanismen sind vorzugsweise an jedem der Enden der Probenkammern positioniert, um die Probenkammer lösbar zu halten. Ein erstes Ende der Probenkammer 314 kann, z. B. durch den Probenkammerhals 315, seitlich befestigt sein. Ein entgegengesetztes Ende kann typischerweise ebenfalls mit einem Haltemechanismus versehen sein. Alternativ kann das entgegengesetzte Ende durch den Stoßdämpfer 552 (4A) an Ort und Stelle gehalten sein. Diese Haltemechanismen können umgekehrt werden. Außerdem können verschiedene Kombinationen von Haltemechanismen verwendet werden.
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Der konische Hals 315 der Probenkammer 314 ist in einer komplementären konischen Öffnung 317 in dem Werkzeugkörper 302 unterstützt. Dieser Eingriff von konischen Flächen bildet einen Abschnitt einer Haltevorrichtung für die Probenkammer. Der konische Hals kann dazu verwendet werden, für eine seitliche Unterstützung der Probenkammer 314 zu sorgen. Der konische Hals kann in Kombination mit anderen Mechanismen wie etwa einer (weiter unten beschriebenen) Axiallastvorrichtung verwendet werden, um die Probenkammer an Ort und Stelle zu unterstützen. Vorzugsweise wirken, wenn überhaupt, nur geringe Kräfte auf den hydraulischen Rohrverbinder 340 und dessen O-Ringdichtungen 341 ein, so dass ein Verschleiß der Rohrverbinder-/Dichtungsmaterialien und deren Erosion mit der Zeit vermieden werden. Das Fehlen von Kräften an den Hydraulikdichtungen 341 kommt, wenn überhaupt, einer minimalen relativen Bewegung an den Dichtungen 341 gleich, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Leckage durch die Dichtungen verringert wird.
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5B ist eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des Probenmoduls 220' nach 4B mit einer Schnittstelle, die sich von jener nach 4A unterscheidet. Die Probenkammer 314' nach 5B ist mit einem doppelkeil- oder pyramidenförmigen Hals 315' versehen, der mit einer komplementären pyramidenförmigen Öffnung 317' in dem Werkzeugkörper 302 in Eingriff ist. In einem Einlass in dem pyramidenförmigen Hals 315' ist ein hydraulischer Rohrverbinder 340' zur Einführung in die pyramidenförmige Öffnung 317' positioniert, um die Probenkammer mit der Durchflussleitung 311 fluidisch zu koppeln. Um die Probenkammer gegen die Schwerstange fluidisch abzudichten, sind vorzugsweise Hydraulikdichtungen 341' vorgesehen.
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Dieser pyramidenartige Eingriff bietet eine Unterstützung der Probenkammer gegen Torsion und verhindert, dass sie sich um ihre Achse dreht. Diese Funktionalität kann erwünscht sein, um eine korrekte Ausrichtung von manuell betätigten Ventilen 330a' und 330b' in der Öffnung 313 der Probenkammern 314 sicherzustellen.
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Die 6A-6D zeigen einen Abschnitt des Probenmoduls 220 von 4A näher. In diesen Figuren ist das Probenmodul 220 mit alternativen Konfigurationen von Haltevorrichtungen 552a-552d versehen, die anstelle der Stoßdämpfer 522 und/oder 552' aus den 4A-4B verwendet werden können. Diese Haltevorrichtungen tragen zum Unterstützen der Probenkammer 314 in der Öffnung 303 der Schwerstange 302 bei. Zum Halten der Probenkammer 314 an Ort und Stelle trägt außerdem eine Abdeckung 342 bei. Die Haltevorrichtung und/oder die Abdeckung dienen außerdem vorzugsweise zur Stoßdämpfung und tragen anderweitig dazu bei, eine Beschädigung der Probenkammer zu verhindern.
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Wie in 6A gezeigt ist, umfasst die Haltevorrichtung 552a eine Axiallastvorrichtung 1050 und eine Scheibe 852. Außerdem ist ein justierbarer Gewindestift 851 zwischen der Schwerstange 302 und der Haltevorrichtung 552a vorgesehen, um die Position der Probenkammer 314 innerhalb der Schwerstange einzustellen. Die Scheibe kann eine Tellerfeder oder ein anderer Federmechanismus sein, der dem Bohrstoß und dem Innendruck in der Probenkammer entgegenwirkt und/oder zur Stoßdämpfung beiträgt.
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Die Probenkammer weist vorzugsweise eine Spitze 815 auf, die sich an einem ihrer Enden erstreckt. Die Spitze 815 ist vorzugsweise dazu vorgesehen, die Scheibe 852 und die Axiallastvorrichtung 1050 an einem Ende der Probenkammer zu unterstützen.
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6B zeigt einen alternativen Stoßdämpfer 552b. Die Haltevorrichtung 552b gleicht im Wesentlichen der Haltevorrichtung 552a, jedoch besitzt sie keinen Gewindestift 851. Bei dieser Konfiguration wird die Unterstützung durch eine Abdeckung 342' gewährleistet. Die Abdeckung 342' wirkt in der gleichen Weise wie die Abdeckungen 342, jedoch ist sie mit einer abgestuften Innenfläche 343 versehen. Die abgestufte Innenfläche definiert eine Abdeckungsschulter 343, die geeignet ist, die Probenkammer 314 in der Schwerstange 302 zu unterstützen.
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In 6C gleicht der Stoßdämpfer 552c dem Stoßdämpfer 552a nach 6A, jedoch ist er ferner mit einem hydraulischen Heber 1051 versehen. Der hydraulische Heber umfasst einen Hydraulikzylinder 1152, einen Hydraulikkolben 1154 und einen hydraulischen Stößel 1156, die betätigt werden können, um den Axiallast-Abstandshalter 1050 axial zu belasten.
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Wenn die Abdeckung 342 geöffnet ist (nicht gezeigt), kann der hydraulische Heber unter mit Druck beaufschlagtem Fluid (z. B. durch Verwendung einer Quelle an der Oberfläche) ausgefahren werden, um das Federelement 852 vollständig zusammenzudrücken. Danach wird eine Axialverriegelung (nicht gezeigt) eingeführt, worauf der Druck in dem Hydraulikzylinder 1152 nachgelassen werden kann. Die Länge der Axialverriegelung ist vorzugsweise so bemessen, dass die entgegenwirkende Federkraft des Federelements im vollen Temperatur- und/oder Druckbereich des Betriebs des Probenmoduls auch dann, wenn sich das Probenmodul um mehr als die Probenkammer ausdehnt, ausreichend ist.
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Wenn die Abdeckung 342 zurückgezogen ist (nicht gezeigt), kann der hydraulische Heber unter mit Druck beaufschlagtem Fluid (z. B. durch Verwendung einer Quelle an der Oberfläche) ausgefahren werden, um die Scheibe 852 vollständig zusammenzudrücken. Danach kann eine Axialverriegelung 1158 eingeführt und der Druck in dem Hydraulikzylinder 1152 nachgelassen werden. Die Länge der Axialverriegelung 1158 ist vorzugsweise so bemessen, dass die entgegenwirkende Federkraft des Federelements für einen Betrieb bei verschiedenen Bohrlochtemperaturen und -drücken ausreichend ist.
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6D zeigt einen alternativen Stoßdämpfer 552d mit einem alternativen Heber 1051'. Der Stoßdämpfer gleicht dem Stoßdämpfer 552c nach 6C, mit Ausnahme, dass ein alternativer Heber verwendet wird. Bei dieser Konfiguration weist der Heber gegenüberliegende Gewindespindeln 1060a und 1060b, Drehverriegelungen 1172 und eine Nivellierschraube 1062 auf.
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Die Nivellierschraube 1062 ist in den gegenüberliegenden Gewindespindeln 1060a und 1060b in Eingriff. Die gegenüberliegenden Gewindespindeln 1060a und 1060b sind mit Gewindeverbindungen 1061 a und 1061b für eine abgestimmte Verbindung mit Gewinden an der Nivellierschraube 1062 versehen. Wenn die Abdeckung 342 geöffnet ist (nicht gezeigt), kann der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Gewindespindeln 1060a und 1060b durch ein auf ein zentrales Sechskant-Verbindungsglied 1171 ausgeübtes Drehmoment vergrößert werden, bis eine gewünschte Kompression des Federelements 852 erreicht ist. Danach kann eine Drehverriegelung 1172 um das zentrale Sechskant-Verbindungsglied 1171 eingesetzt werden, um eine weitere Drehung zu verhindern.
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7 zeigt eine alternative Haltevorrichtung 552e, die als Stoßdämpfer für eine Probenkammer wie jener, der in 4A gezeigt ist, verwendbar ist. Die Haltevorrichtung 552e umfasst einen Axiallast-Abstandshalter 1050' und eine Kopfkomponente 715. Vorzugsweise besitzt der Axiallast-Abstandshalter eine flache Seitenwand 751 für den Eingriff mit einer komplementären flachen Seitenwand 752 eines Endes 815' der Probenkammer 314 und zum Verhindern einer relativen Drehung dazwischen. Die Kopfkomponente 715 ist in den Axiallast-Abstandshalter 1050' und die Probenkammer einführbar, um zwischen diesen eine funktionale Verbindung herzustellen. Um eine Kopfkomponente 815 der Probenkammer 314 zwischen dem Axiallast-Abstandshalter und der Probenkammer kann ein (nicht gezeigtes) Federelement vorgesehen sein.
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Die 8A-8C zeigen alternative Haltevorrichtungen, die zusammen mit der Probenkammer 314 von 7 verwendet werden können. 8A zeigt die in einer Schwerstange 302a positionierte Haltevorrichtung 552e nach 7. 8B zeigt eine alternative Haltevorrichtung 552f mit einem Axiallast-Abstandshalter 1050", der einen in eine Schwerstange 302b' einführbaren Keil 808 aufweist. 8C zeigt eine alternative Haltevorrichtung 552g mit einer radialen Haltevorrichtung 860, die mit einer Schwerstange 302c' funktional verbunden ist. Die Schwerstangen in diesen Figuren können der in den vorhergehenden Figuren gezeigten Schwerstange 302 gleichen, mit Ausnahme, dass sie für die Aufnahme der entsprechenden Haltevorrichtungen geeignet sind. Vorzugsweise sind diese Haltevorrichtungen und Schwerstangen so beschaffen, dass dazwischen eine seitliche Bewegung verhindert und eine Drehunterstützung geboten wird.
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Wie in 8A gezeigt ist, besitzen die Axiallast-Abstandshalter 1050' der Haltevorrichtung 552e gewölbte und flache Randabschnitte 804 bzw. 805. Die Schwerstange 302 besitzt einen gewölbten Hohlraum 806, der für die Aufnahme des Axiallast-Abstandshalters 1050' geeignet ist.
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In 8B umfasst die Haltevorrichtung 552e einen Axiallast-Abstandshalter 1050' mit einem rechteckigen Umfang 810 und einen sich davon erstreckenden Keil 808. Der Keil 808 ist vorzugsweise so gestaltet, dass er herausnehmbar in einen Hohlraum 812 in der Schwerstange 302b' einführbar ist. Wie gezeigt ist, besitzt der Keil eine Verlängerung 811, die an ihrem Ende eine Spitze 814 aufweist. Die Spitze 814 ist in den Hohlraum 812 einführbar, widersetzt sich jedoch einem Herausziehen aus diesem. Die Weite des Hohlraums 812 ist vorzugsweise kleiner als die Spitze 814 und bietet eine Innenfläche (nicht gezeigt), die mit der Spitze so in Eingriff gelangt, dass diese einem Herausziehen widersteht. In manchen Fällen kann es notwendig sein, die Spitze 814 abzubrechen, um ein Herausnehmen der Probenkammer, falls dies gewünscht wird, zu ermöglichen. Optional kann die Spitze so gefertigt sein, dass eine vorgegebene Kraft notwendig ist, um ein Entfernen zu ermöglichen. In dieser Weise soll die Probenkammer 314 während des Betriebs in der Schwerstange an Ort und Stelle gehalten werden, jedoch herausnehmbar sein, falls dies gewünscht wird.
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8C umfasst die alternative Haltevorrichtung 552g einen Arm 950, der mit der Schwerstange 302c' funktional verbunden ist. Der Arm 950 ist vorzugsweise über eine oder mehrere Schrauben 951 mit der Schwerstange 302c' verbunden. Vorzugsweise ist der Arm 950 gelenkartig radial beweglich. Der Arm 950 besitzt eine konkave Innenfläche 955, die geeignet ist, mit der Probenkammer 314 in Eingriff zu gelangen und diese in der Schwerstange 302c' an Ort und Stelle zu halten.
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Vorzugsweise ermöglichen die hier vorgesehenen Haltevorrichtungen ein wahlweises Herausnehmen der Probenkammern. Eine oder mehrere Haltevorrichtungen können dazu verwendet werden, die Probenkammer herausnehmbar in der Schwerstange zu befestigen. Vorzugsweise unterstützen solche Haltevorrichtungen das Festhalten der Probenkammer und verhindern, dass Stoß, Vibration oder andere beschädigende Kräfte die Probenkammer angreifen.
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Im Betrieb ist das Probenmodul mit den benachbarten Schwerstangen durch Gewinde verbunden, um die BHA und den Bohrstrang zu bilden. Mit Bezug auf 1 kann das Probenmodul durch Laden der Probenkammer 314 in die Öffnung 303 der Schwerstange 302 im Voraus zusammenbaut werden. Die Schnittstelle 550 wird durch Positionieren eines Endes der Probenkammer 314 an die Durchflussleitung 311 anstoßend geschaffen.
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Die Schnittstelle 550 (auch als Vor-Lademechanismus bekannt) kann an der Oberfläche so eingestellt werden, dass eine annehmbare Mindest-Axiallast oder andere erwünschte Last aufgebracht wird, um die geforderte Behälterisolation in dem erwarteten Betriebstemperaturbereich des Probenmoduls 220 zu erreichen, wodurch eine größere Wärmeausdehnung kompensiert wird.
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Die Haltevorrichtung 552 kann außerdem mit einem entgegengesetzten Ende der Probenkammer funktional verbunden sein, um die Probenkammer an Ort und Stelle zu halten. Die Abdeckung 342 kann dann verschiebbar um die Probenkammer positioniert werden, um die Probenkammer an Ort und Stelle zu halten.
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Die Schnittstelle 550 am (unteren) Ende mit der Hydraulikverbindung kann, z.B. durch konische Eingriffsflächen 315, 317 (siehe 5A), wie oben beschrieben worden ist, seitlich befestigt werden. Die Haltevorrichtung 552 am entgegengesetzten (oberen) Ende schränkt typischerweise die axiale Bewegung der Probenkammer 314 ein (siehe z. B. die 6A-8C). Beide arbeiten zusammen, um die Probenkammer in der Schwerstange 302 zu halten. Die Abdeckung 342 wird dann um die Probenkammer angeordnet, um die Öffnung 305 der Probenkammer zu verschließen, wie beispielsweise in 4A gezeigt ist.
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Es können eine oder mehrere Abdeckungen, Stoßdämpfer, Haltevorrichtungen, Probenkammern, Schwerstangen, Nass-Rohrverbinder und andere Vorrichtungen können allein und/oder kombiniert verwendet werden, um Mechanismen zum Schützen der Probenkammer und ihrer Inhalte zu schaffen. Vorzugsweise sind redundante Mechanismen vorgesehen, um die gewünschte Konfiguration zum Schützen der Probenkammer zu erhalten. Wie in 4 gezeigt ist, kann die Probenkammer in die Schwerstange 302 eingeführt und durch die Schnittstelle 550, die Haltevorrichtung 552 und die Abdeckung 342 befestigt sein. Um den gewünschten Schutz zu erreichen, können verschiedene Konfigurationen solcher Komponenten verwendet werden. Außerdem kann eine solche Konfiguration das Herausnehmen der Probenkammer aus der Schwerstange erleichtern.
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Sobald das Probenmodul zusammengebaut ist, wird das Bohrlochwerkzeug an einem Bohrstrang 12 in das Bohrloch eingefahren (siehe 1). Danach kann ein Probennahmevorgang ausgeführt werden, indem Fluid über das Sondenmodul 210 (1) in das Bohrlochwerkzeug angesaugt wird. Das Fluid fließt von dem Sondenmodul 210 durch die Durchflussleitung 310 zu dem Probenmodul (2A). Das Fluid kann dann über den Flussumleiter 332 (3) zu einer oder mehreren Probenkammern umgeleitet werden.
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Das Ventil 330b und/oder das Ventil 330a können geöffnet bleiben. Insbesondere kann das Ventil 330b geöffnet bleiben, um die Rückseite des Kammerkolbens 360 dem Bohrlochfluiddruck auszusetzen. Ein typischer Probennahmeablauf würde mit einer Formationsfluiddruckmessung beginnen, gefolgt von einem Abpumpvorgang in Kombination mit einer In-situ-Fluidanalyse (z. B. mittels eines optischen Fluidanalysators). Sobald eine bestimmte Menge von Schlammfiltrat abgepumpt worden ist, kann auch das unverfälschte Formationsfluid beobachtet werden, wenn ihr gemeinsames Fördern mit dem Filtrat beginnt. Sobald das Verhältnis zwischen dem Formationsfluid und dem Schlammfiltrat einen annehmbaren Schwellenwert erreicht hat, kann die Entscheidung getroffen werden, eine Probe zu sammeln. Bis zu diesem Punkt wird die aus der Formation gepumpte Flüssigkeit typischerweise durch das Sondenwerkzeug 210 über die Entsorgungs-Durchflussleitung 260 in das Bohrloch gepumpt. Typischerweise sind die Ventile 328 und 335 geschlossen, während das Ventil 334 geöffnet ist, um den Fluidfluss über die Entsorgungs-Durchflussleitung 260 in das Bohrloch zu lenken.
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Nachdem dieses Durchspülen vollendet ist, können die elektrischen Ventile 328a wahlweise geöffnet werden, um Fluidproben in die jeweiligen Probenhohlräume 307 von Probenkammern 314 zu leiten. Typischerweise werden die Ventile 334 und 335 geschlossen, während die Ventile 328a, 328b geöffnet werden, um den Fluidfluss in die Probenkammer zu lenken.
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Sobald eine Probenkammer 314 wie gewünscht gefüllt ist, können die elektrischen Ventile 328b in die geschlossene Position verstellt werden, um die Probenkammern 314 fluidisch zu isolieren und die Probe für das Einholen an die Oberfläche einzuschließen. Die elektrischen Ventile 328a, 328b können manuell oder automatisch ferngesteuert werden. Die Ventile können von der Oberfläche aus mittels Standard-Schlammimpulstelemetrie oder anderer geeigneter Telemetriemittel (z. B. eines verdrahteten oder verkabelten Gestängerohrs) betätigt werden oder durch einen (nicht gezeigten) Prozessor in der BHA 100 gesteuert werden.
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Das Bohrlochwerkzeug kann dann aus dem Bohrloch 11 an die Oberfläche geholt werden. Nach der Widerbeschaffung des Probenmoduls 220 können die manuell betätigten Ventile 330a, 330b der Probenkammer 314 durch Öffnen der Abdeckung 342 geschlossen werden, um die Fluidproben darin für einen sicheren Transport und eine gesicherte Lagerung (redundant) zu isolieren. Die verschlossenen Probenhohlräume 312 werden dann geöffnet, so dass die Probenkammern 314 herausgenommen werden können, um sie zu einem geeigneten Labor zu transportieren und das Prüfen und Bewerten der Proben auszuführen. Nach der Widerbeschaffung können die Probenkammern und/oder die Module durch eine oder mehrere andere ersetzt werden und in das Bohrloch eingefahren werden, um weitere Proben zu erlangen.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass an den bevorzugten und alternativen Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Abwandlungen und Abänderungen vorgenommen werden können, die nicht vom Umfang der Erfindung, wie sie hier offenbart worden ist, abweichen.
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Diese Beschreibung ist lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung der Erfindung gedacht. Der Umfang dieser Erfindung soll nur durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche begrenzt sein.
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Die Begriffe „umfassen“ und „umfasst“ in den Ansprüchen soll die Bedeutung von „umfassen wenigstens“ bzw. „umfasst wenigstens“ besitzen, so dass die angeführte Auflistung von Elementen in einem Anspruch eine offene Gruppe ist. Ähnlich sollen die Begriffe „aufweisen “, „besitzen“ und „enthalten “ oder „weist auf“, „besitzt“ und „enthält“ eine offene Gruppe von Elementen bedeuten. „Ein“, „einer“ und andere Einzahlbegriffe dieser Art sollen die Pluralform davon umfassen, sofern dies nicht speziell ausgeschlossen wird.