DE2032612C3 - Vorrichtung zur Übertragung von Messwerten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche während des Bohrvorgangs mittels durch den Bohrschlamm übertragener Druckimpulse, wobei die Vorrichtung im unteren Teil eines Bohrstranges angeordnet ist und wenigstens ein Meßinstrument Einrichtungen zur Umformung der Meßungen des Meßinstruments in entsprechende Meßsignale, einen Durchsatzbegrenzer, welcher mit Betätigungseinrichtungen zur Veränderung seines Durchflußquerschnitts versehen und von dem Bohrschlamm durchflossen ist eine Pumpe, die von einer vom Bohrschlamm angetriebenen Turbine beaufschlagt ist und ein Dreiwegmagnetventi! umfaßt bei dem einer der Wege mit der Pumpe und ein anderer mit den Betätigungseinrichtungen für den Durchsatzbegrenzer verbunden ist und welches in zwei Stellungen überführbar ist, in deren einer die Pumpe mit den Betätigungseinrichtungen für den Durchsatzbegrenzer in Verbindung steht (US-PS 33 02 457).

Benutzt werden solche Vorrichtungen, um beispielsweise den Widerstand der während des Bohrens durchsetzten Böden zu messen oder um den Verschleiß der Meißelrollen durch Vergleich von deren Drehgeschwindigkeit mit der der Gestängeanordnung zu

ίο bestimmen. Diese Einrichtungen umfassen im allgemeinen einen oder mehrere Geber, um die zu messende Größe in eine elektrische Spannungs- oder Stromgröße umzuformen.

Es wurden auch schon Druckänderungen im

Schlammstrom zum Liefern einer kodierten Wiedergabe des im Boden gemessenen Bohrparameters unter Verwendung geeigneter Druckgeber ausgenutzt (US-PS 25 24 031), hier lag jedoch der Wirkungsgrad des Systems zu niedrig, als daß die Anordnung technisch eine Ausnutzung erfahren hätte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art im Wirkungsgrad der Einrichtung zum Fördern des Steuerfluids in den Speicher zu erhöhen und dabei gleichzeitig das Arbeiten vom Druckdurchsatz, von der erreichten Tiefe und von der Art des Bohrfluids unabhängig zu machen. Eine solche Vorrichtung soll also unbeeinfiußbar hinsichtlich der Änderungen von Durchsatz, Druck und Zusammensetzung des Bohr-

K) Schlamms sein.

Erreicht wird dies überraschend einfach dadurch, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art der dritte der Wege des Magnetventils an einen mit Sieuerfiussigkeit gefüllten Speicher angeschlossen ist in welchem zur Vergrößerung des Speichervolumens ein gegen eine Rückstellkraft zurückbeweglicher Kolben angeordnet ist und welcher mit dem Auslaß der Pumpe in Verbindung steht wobei in der anderen Stellung des Magnetventils dessen zu den Betätigungseinrichtungen für den Durchsatzbegrenzer führender Weg mit dem Weg zu dem Speicher verbunden ist.

Zweckmäßig mündet in Sirömungsi iclHung vor dem Durchsatzbegrenzer eine Verbindung zwischen der Bohrschlammleitung und dem Speicher auf der von der Rückstellkraft beaufschlagten Seite des Kolbens in den Speicher.

Günstig ist es, wenn der Druckbegrenzer ein einem festen Sitz zugeordnetes bewegliches Ventil aufweist welches fest mit einem Kolben verbunden ist der in

so einem Zylinder verschiebbar ist, welcher mit dem zu dem Durchsatzbegrenzer führenden Weg des Magnetventils in Verbindung steht.

Es wird nicht verkannt daß Kammern für unter Druck stehendes Fluid, deren Volumina durch Verschiebung einer beweglichen Wand veränderbar sind, bereits bekannt sind (z.B. US-PS 28 98 088). Auch ist eine elektrische Steuerung für einen Pulsbegrenzer, insbesondere einen Durchsatzbegrenzer, bekannt (US-PS 27 59 143).

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

F i g. 1 eine schematische Ansicht mit Schnitt durch ein Bohrloch ist;

F i g. 2 die Anordnung von Senderelementen in einer speziellen Schwerstange erkennen läßt; und

F i g. 3 einen Schnitt durch den Betätigungsmechanismus für eine Vorrichtung nach der Erfindung zeigt

Nach F i g. 1 umfaßt die Bohrvorrichtung einen bohrturm 1, der am Bohrgestänge 3 ein Bohrwerkzeug, beispielsweise einen Bohrmeißel 2 trägt Bohrgestänge und Werkzeug hängen an der beweglichen Flasche 19 der Hubwinde 16 und werden in Drehung durch eine rechteckige Stange 4 mitgenommen, die durch den am Boden des Bohrturms angeordneten Drehtisch 9 gleitet, sich hierin aber nicht drehen kann.

Sogenannte Schwerstangen 5 liefern das Gewicht ans Bohrwerkzeug, die entsprechende Regelung erfolgt durch Zug am Bohrgestänge 3 Ober die Winde 16. Motoren 15 für Drehtisch 9 und Winde 16 sind vorgesehen.

Das bei Arbeiten des Meißels 2 erzeugte Bohrklein wird durch den beachtlichen Schlammstrom mitgenommen, der durch den freien Ringraum zwischen den Stangen und den Wandungen des Bohrlochs aufsteigt und wird in ein Filter- und Dekantierungssystem ausgeschüttet, welches schematisch in Form von Spülgruben 17 dargestellt ist Der gereinigte Schlamm wird über eine mit einem Pulsationsdämpfer 8 versehene Pumpe 7 angesaugt und wird gegen den Spülkopf 6 gedrückt, von wo er zum Bohrwerkzeug durch den Innenkanal des Bohrgestänges 3 geführt wird.

Eine Meßvorrichtung überträgt die Bohrparameter an die Oberfläche. Sie ist einem Sender, der Bohrschlammdruckänderungen hervorruft, zugeordnet, wobei letztere repräsentativ für die gemessene Größe sind. Dieser ist im allgemeinen in einer speziellen Schwerstange 20 enthalten. Diese Schlammdruckänderungen werden über den Innenkanal der Stangen 3 übertragen und durch den Druckdetektor 11 aufgenommen, der auf dem Speiseleitungssystem des Spülkopfes oder Wirbels gelagert ist

Der Detektor 11 wandelt die Schlammdruckänderungen in elektrische Signale von einer Stärke proportional der des Druckes in der Leitung um. Der Verstärker 12 umfaßt ein Filter, um die Störsignale aufgrund regelmäßiger Druckpulsationen der Pumpe, die unvollständig durch den Dämpfer 8 gedämpft wurden, zu eliminieren.

Die Dekodieningseinrichtung 13 liefert ausgehend von einer Reihe von Druckimpulsen ein elektrisches Signal, dessen Stärke den gemessenen Wert des Bohrparameters darstellt dieser Wert kann der mittlere Wert der aufeinanderfolgenden Augenblickswerte während der Dauer einer kodierten Transmission sein, oder auch der Augenblickswert im Augenblick des Beginns jeder Transmission oder auch jeder andere Wert der aus der Kombination der Werte der verschiedenen Parameter resultiert.

Der Wert des Parameters wird auf ein Papierband aufgezeichnet, dessen Laufgeschwindigkeit, die von dem mit der festen Rasche 18 verbundenen Sender 14 gesteuert wird, proportional zur Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs gemacht wird. Der Aufzeichner 10 liefert so direkt das Diagramm für die vom Werkzeug durchsetzte Formation.

Fig.2 zeigt den im wesentlichen oberhalb des Meißels 2 angeordneten Bodensender am oberen Teil der Schwestangen 5. Der Sender umfaßt im wesentlichen drei Schwerstangenelemente, die jeweils den Geber für die zu messende Größe (Gewicht, Moment, Widerstand etc.), den eigentlichen Sender und die Turbine, d. h. die Quelle für die mechanische Energie, enthalten. Allein diese beiden letztgenannten Elemente sind in Fig.2 dargestellt Das Element 30 ist der Turbinenkörper, welcher die festen {Schaufeln Xi und die

Lager 34 enthält Die Welle 31 der Turbine trägt eine bewegliche Beschaufelung 32, wird durch die Lager 34 geführt und besitzt nicht dargestellte Anschläge oder Drucklager. Der obere Teil der Weile 31 der Turbine trägt eine Kupplung, die ein Wechselstromgenerator 26 antreibt, der am unteren Teil des Schwerstangenelementes 20 angeordnet ist

Der Sender ist in einer schlammdichten Kammer 23 enthalten, die selbst an die Mitte des Schwerstangenelementes 20 über Endstücke 21 befestigt ist Der Ringraum 29 zwischen der Kammer 23 und der Schwerstange 20 dient als Durchlaß für den Bohrschlamm, welcher die Turbine und das Werkzeug speist, und dessen Bahn durch Pfeile angedeutet ist

Die Anordnung der Senderteile ist im wesentlichen konform zur Darstellung der F i g. 2. Das Ventil 25 und die Düse 22, über die der Schlamm zugeführt wird, nehmen den oberen Teil ein. Unmittelbar darunter findet man den Ventilbetätigungsmechanismus, der genauer in F i g. 3 dargestellt ist Die Mitte der dichten Kammer 23 wird durch eine variable Anzahl von Gehäusen 27 eingenommen, in denen elektronische Kreise eingeschlossen sind, weiche Meßwerte in elektrische Signale umformen, die von den Gebern genommen wurden und Schaltkreise zur Steuerung des vom Generator erzeugten Stroms einschließen. Dieser Teil wird durch eine Antriebswelle 28 durchsetzt, bei der es sich um eine flexible Welle handeln kann, die dazu bestimmt ist, eine hydraulische Pumpe anzutreiben, um die mechanische Energie zum Wirkmechanismus des Ventils zu liefern.

Für den Fall, wo der Geber für den Bohrparameter keine elektrische oder mechanische Verbindung mit dem Äußeren der Schwerstangen hat, beispielsweise zum Messen des Winkels des Bohrloches zur Vertikalen, kann er völlig in einem Gehäuse 27 enthalten sein und braucht kein besonderes Schwerstangenelement

Der Wechselstromgenerator 26 nimmt im allgemeinen den unteren Teil der dichten Kammer 23 ein, und seine Welle durchsetzt das Endteil 21 über eine öffnung, die mit Dichtungseinrichtungen geeigneter Art, die dem Fachmann bekannt sind, versehen ist

Fig.3 zeigt das Detail der Anordnungen der besonderen Schwerstange 20 in ihrem oberen Teit. Das Endteil 21 weist innen ein zylindrisches Lager 41 auf, in dem sich ein fest mit der Stange 35 des Ventils 25 verbundener Kolben 39 verschieben kann und nimmt den Sitz 24 dieses Ventils auf. Das Ventil und der Sitz bestehen beide aus Sonderstahl mit hoher Abrieb- oder Verschleißfestigkeit Die Düse 22 beispielsweise, über die der Bohrschlamm zugeführt wird, wird auf das Teil 21 geschraubt, um den Sitz 24 zu erhalten, und der Innenquerschnitt dieser Düse nimmt allmählich in Strömungsrichtung ab, um die Geschwindigkeit des Bohrfluids ohne merklichen Druckverlust zu steigern. Nach dem Fluidventil tritt das Fluid in die Ringkammer 29 zwischen der dichten Kammer 23 und der Innenwandung des Schwerstangenelementes 20 über mehrere im Teil 21 ausgesparte öffnungen ein.

Nach einer in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform wird das Ventil 25 durch den Kolben 39 angehoben, wenn der Schieber des Magnetventils 44 sich in seiner unteren Stellung befindet, d. h. wenn die Spule 51 von einem Signal oder einem elektrischen Strom durchflossen wird, der aus der elektronischen Einrichtung über die Leiter 53 und 54 austritt Tatsächlich setzt diese Stellung des Schiebers den Steuerfluidspeicher 70, der beispielsweise dnickölbetrieben ist, mit dem Zylinder 41

über die Leitungswege 66,47 und 42 in Verbindung. Der ölspeicher 70 ist aus mehreren Zylindern gebildet, die um die Düse oder das Mundstück 22 verteilt sind und jeweils einen Kolben 68 enthalten, der mit Abdichtungen 69 versehen und durch eine Feder 67 beaufschlagt ist, die sich andererseits gegen einen Stopfen 71 abstützt Der Oberteil jedes Zylinders befindet sich in Verbindung mit der Schlammzufuhr oberhalb der Düse 22 und zwar Ober eine öffnung 72; und der statische Druck des Schlamms wird so auf das Speicheröl übertragen. In gleicher Weise wird der statische Druck des Schlamms hinter dem Ventil auf die Oberseite des Kolbens 39 in der Rückstellfederknmmer 40 über die öffnungen 38 Obertragen. Befindet sich das Ventil 25 in einer Entfernung vom Sitz 24, so sind die nahe den öffnungen 38 und 72 herrschenden Drücke einander sehr benachbart, die durch die Federn 67 auf die Kolben 68 ausgeübten Kräfte erzeugen aber in den ölspeichern 70 einen verbleibenden Druck größer als der, der auf die Kraft der Rückstellfeder 40 des Kolbens 39 zurückzuführen ist Hieraus folgt, sobald der Kern 52 vom Elektroventil angezogen wird und der Speicher 70 in Verbindung mit dem Zylinder 41 gesetzt wird, ein Anheben des Ventils bzw. der Klappe 25 gegen ihren Sitz 24, wobei diese Verschiebung nicht gegen einen Gleichgewichtszustand hin neigt

Tatsächlich sorgt die Wirkung des Ventils 25 für eine Erhöhung des Schlammdruckes in Höhe der Schlitze 72, wobei diese Erhöhung sich auf das öl der Speichers 70 durch die Kolben 68 überträgt; alles läuft so ab, als ob das Ventil 25 auf seinen Sitz 24 durch das Bohrfluid selbst gedrückt würde.

Die so hergestellte Vorrichtung führt selbstverständlich zu schnellen und regelbaren Schwankungen im Druck des Bohrschlamms. Hält man den Weg des Ventils durch den regelbaren Anschlag 37 auf, der durch die Schraube 36 blockiert wird, so erhält man eine Erhöhung des Druckes, die auf einer vorbestimmten Wert begrenzt ist Diese Erhöhung wird so lange aufrecht erhalten, wie das Magnetventil 50 durch einen Strom erregt wird, der von der elektronischen Einrichtung kommt, die in den Gehäusen 27 enthalten ist und die Kodierung der Messung durch einen Geber einer den Bohrvorgang chairakterisierenden Größe darstellt.

Aus Zweckmäßigkeiten der Ausbildung des Magnetventils sind die Teile 48 und 49 des Joches mit Dichtungsringen 45 ausgestattet, die in eine Bohrung des Teiles 21 eingeführt sind Sämtliche Leitungen münden in diese Bohrung und ihr äußeres Ende wird durch Stopfen 55 nach Bearbeitung verschlossen.

to Wenn der Schieber 44 des Magnetventils in seine Ruhestellung durch die Feder :S6 in Abwesenheit eines Stromes, in der Spule 51 zurückgeführt ist, ist der Zylinder 41 dem in der Nähe der Schlitze 72 herrschenden Druck ausgesetzt: und wird in Verbindung mit der Pumpe 60 gesetzt, die versucht, ihn über die Leitungswege 42, 46 und 65 zu leeren. Das Öl wird zu den Speichern 70 über ein schematisch dargestelltes Rückschlagventil 62,63,64 zurückgeschickt Die Pumpe wird mechanisch durch die Turbine über die Welle 28 angetrieben und besitzt ein inneres Überdruckventilsystem, welches den erreichten Druck auf einen Wert geringfügig größer als die maximale Differenz begrenzt welche im Bohrschlamm durch Anheben des Ventils 25 hervorgerufen wurde.

Man sorgt so für die Rückführung des Kolbens 39 in seine Ausgangsstellung um so viel schneller wie die Viskosität des Öls und der Durchsatz bzw. die Leistung der Pumpe es ermöglichen.

Die obenbeschriebene Vorrichtung ermöglicht es so,

JO ausgehend von einem einfachen elektrischen Signal eine sehr schnelle Druckänderung im Schlamm zu erhalten, indem man einfach dem Fachmann auf dem hydraulischen Steuerungsgebiet bekannte Elemente benutzt.
Die gleichzeitige Verwendurg eines hydraulischen Senders sowie einer Vorrichtung zur Ermittlung der Änderungen des Drucks im Bohrschlamm an der Oberfläche führt zu einer Fluidv erbindung, die ohne die, bei Einrichtungen elektrischer Bauart mit Kabeln, unvermeidlichen Beschränkungen ist Den Notwendigkeiten des klassischen Rotarybohrverfahrens kann voll genügt werden.

ierini 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche während des Bohrvorgangs mittels durch den Bohrschlamni Qbertragener Druclcimpulse, wobei die Vorrichtung im unteren Teil eines Bohrstranges angeordnet ist und wenigstens ein Meßinstrument, Einrichtungen zur Umformung der Meßungen des Meßinstruments; in entsprechende Meßsignale, einen Durchsatzbegrenzer, welcher mit Betätigungseinrichtungen zur Veränderung seines Durchflußquerschnitts versehen und von dem Bohrschlamm durchflossen ist, eine Pumpe, die von einer vom Bohrschlamm angetriebenen Turbine beaufschlagt ist, und ein Dreiwegmagnetventil umfaßt, bei dem einer der Wege mit der Pumpe und ein anderer mit den Betätigungseinrichtungen für den Durchsatzbegren*.er verbunden ist und welches in zwei Stellungen überführbar ist, in deren einer die Pumpe mit den Betätigungseinrichtungen für den Durchsatzbegrenzer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte der Wege (47) des Magnetventils (44) an einen mit Steuerflüssigkeit gefüllten Speicher (70) angeschlossen ist, in welchem zur Vergrößerung des Speichervolumens ein gegen eine Rückstellkraft zurückbeweglicher Kolben (68) angeordnet ist und welcher mit dem Auslaß der Pumpe (60) in Verbindung steht, wobei in der anderen Stellung des Magnetventils (44) dessen zu den Betätigungseinrichtungen für den Durchsatzbegrenzer führender Weg (42) mit dem Weg (47) zu dem Speicher (70) verbunden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung vor dem Durchsatzbegrenzer eine Verbindung zwischen der Bohrschlammleitung und dem Speicher (70) vorgesehen ist, die auf der von der Rückstellkraft beaufschlagten Seite des Kolbens (68) in den Speicher (70) mündet

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatzbegrenzer ein einen· festen Sitz (24) zugeordnetes bewegliches Ventil (25) aufweist welches fest mit einem Kolben (39) verbunden ist der in einem Zylinder (41) verschiebbar ist welcher mit dem zu dem Durchsatzbegrenzer führenden Weg (42) des Magnetventils (44) in Verbindung steht