DE10106080A1 - Borlochmeßgerät für Tiefbohrungen mit einer Einrichtung zum Übertragen von Bohrlochmeßdaten - Google Patents

Abstract

Bei einem Bohrlochmeßgerät (1) für Tiefbohrungen mit einem Signalgeber (9) zum Übertragen von in einem Bohrloch beim Bohren gewonnener Meßdaten durch die Bohrspülung nach übertage und mit einem langgestreckten Gehäuse (4), das in den Spülungskanal (2) eines Bohrstrangs (3) einsetzbar ist, ist in dem Gehäuse (4) ein Stromregler (5) mit einem Regelkolben (15) angeordnet, der in Abhängigkeit von der an einer Drosselblende (22) erzeugten Druckdifferenz und der Kraft einer Feder (27) den Öffnungsquerschnitt einer Bypassöffnung (12) derart steuert, daß der über die Drosselblende (22) dem Signalgeber (6) zugeführte Teil des geförderten Spülungsstroms im wesentlichen konstant bleibt und der verbleibende Überschuß des Spülungsstroms über die Bypassöffnung (12) in den Spülungskanal (2) geleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrlochmeßgerät für Tiefbohrun­ gen mit einer Einrichtung zum Übertragen von in einem Bohr­ loch beim Bohren gewonnener Meßdaten durch die Bohrspülung nach übertage, mit einem langgestreckten Gehäuse, das in den Spülungskanal eines Bohrstrangs einsetzbar ist, an sei­ nem angeströmten Ende eine in einen zentralen Gehäuse-Kanal mündende Eintrittsöffnung aufweist und stromab der Ein­ trittsöffnung mittels einer Ringdichtung gegenüber dem Bohrstrang abgedichtet ist und das eine stromab der Ring­ dichtung von dem zentralen Gehäuse-Kanal in den Spülungska­ nal des Bohrstrangs mündende Bypassöffnung und stromab der Bypassöffnung einen den zentralen Gehäuse-Kanal mit dem Spülungskanal des Bohrstrangs verbindenden Durchgang auf­ weist, der durch ein steuerbares Verschlußelement eines in dem Gehäuse angeordneten, hydromechanischen Signalgebers zumindest teilweise sperrbar ist, wobei das Verschlußele­ ment nach Maßgabe von zu übertragende Meßdaten bezeichnen­ den Signalen in gesteuerten Intervallen wiederholt von einer Durchgangsstellung in eine Sperrstellung, und von dieser wieder in die Durchgangsstellung bewegbar ist, um in der Bohrspülung eine kodierte Serie von positiven Druckim­ pulsen zu erzeugen, die den Signalen entsprechen.

Geräte der angegebenen Art werden vor allem in der Richt­ bohrtechnik eingesetzt, um während des Bohrens von Meßgerä­ ten im Bohrstrang ermittelte Meßdaten nach Übertrage zu übertragen und anhand dieser Meßdaten den Bohrfortgang und die Bohrrichtung in dem gewünschten Maße beeinflussen zu können.

Bei einem aus DE 199 39 262 C1 bekannten Bohrlochmeßgerät der angegebenen Art wird der Signalgeber durch ein in dem Gehäuse angeordnetes, zentrales Zuführungsrohr angeströmt, das von einem auswechselbaren Bypassring umgeben ist, dem der gesamte Spülungsstrom durch ein Filterrohr zugeführt wird und durch den ein Teil des Spülungsstroms über Bypass­ öffnungen in den Bohrstrang zurückgeleitet wird. Durch Aus­ tauschen des Bypassrings und gegebenenfalls des Zuführrohrs gegen solche mit anderem Strömungsquerschnitt kann dieses bekannte Gerät an unterschiedliche Bohrstrangdurchmesser und Strömungsgeschwindigkeiten angepaßt werden, damit jeweils ausreichend signifikante Druckimpulse zur Signal­ übertragung erzielt werden können. Zur Umrüstung ist hier­ bei jedes Mal das Ziehen des Bohrlochmeßgeräts erfor­ derlich, was mit erheblichem baulichen und zeitlichen Auf­ wand und einer entsprechend langen Unterbrechung des Bohr­ betriebs verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrlochmeß­ gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine selbsttätige Anpassung der dem Signalgeber und der Bypass­ öffnung zugeführten Teilströme an unterschiedliche Förder­ mengen und Bohrstrangkaliber ermöglicht. Das Bohrlochmeßge­ rät soll außerdem störungsunempfindlich sein und eine lange Standzeit erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse ein Stromregler mit einem Regelkolben angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der an einer Drosselblende erzeugten Druckdifferenz und der Kraft einer Feder den Öff­ nungsquerschnitt der Bypassöffnung derart steuert, daß der über die Drosselblende dem Signalgeber zugeführte Teil des geförderten Spülungsstroms im wesentlichen konstant bleibt und der verbleibende Überschuß des Spülungsstroms über die Bypassöffnung in den Spülungskanal geleitet wird.

Das erfindungsgemäße Bohrlochmeßgerät ist in einem großen Arbeitsbereich von der Förderleistung der Spülungspumpen unabhängig und daher auch für unterschiedliche Bohrstrang­ kaliber geeignet. Durch die Auslegung des Stromreglers kann der dem Signalgeber zugeführte Spülungsstrom auf einen zur Erzeugung signifikanter Druckimpulse optimalen Wert einge­ stellt werden, der dann während des Betriebs durch mengen­ abhängige Regelung des Bypass-Querschnitts im wesentlichen konstant gehalten wird. Der Bypassstrom kann dabei je nach Größe des geförderten Spülungsstroms zwischen Null und einem Wert liegen, der gleich oder sogar größer ist als der dem Signalgeber zugeführte Spülungsstrom. Durch die automatische, druckunabhängige Anpassung des Bypassstroms an schwankende Spülungsförderraten werden Unterbrechungen des Bohrbetriebs, Umrüstarbeiten am Bohrlochmeßgerät und Störungen durch ungünstige Bypassquerschnitte vermieden.

Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, daß der Regelkolben des Stromreglers einen den Durchgangsquer­ schnitt der Bypassöffnung steuernden Drosselabschnitt und einen als Druckfühler dienenden Meßabschnitt aufweist, daß der Drosselabschnitt und der Meßabschnitt durch einen Stö­ ßel miteinander verbunden sind und daß der in dem Gehäuse­ kanal geführte Drosselabschnitt die Bypassöffnung von dem Signalgeber trennt und axial von einem die Drosselblende bildenden Drosselkanal durchdrungen ist. Der Meßabschnitt des Regelkolbens kann hierbei in einer in Strömungsrichtung vor der Eintrittsöffnung im Gehäuse angeordneten Kammer angeordnet sein, die von dem Meßabschnitt in zwei Räume unterteilt wird, wobei der erste auf der dem Stößel abge­ kehrten Seite des Meßabschnitts liegende Raum durch eine Verbindungsbohrung mit dem Spülungskanal des Bohrstrangs verbunden ist und wobei der zweite vom Stößel durchdrungene Raum durch eine den Stößel und den Drosselabschnitt durchdringende Längsbohrung mit dem dem Signalgeber zuge­ wandten Ende des Gehäusekanals verbunden ist und eine den Meßabschnitt mit einer Federkraft beaufschlagende Druckfe­ der enthält. Die erfindungsgemäße Gestaltung ermöglicht die Integration des Stromreglers in das schlanke zylindrische Gehäuse eines Bohrlochmeßgeräts mit einfachen kostengünstig herstellbaren Bauelementen unter Beibehaltung eines großen den Spülungsstrom wenig behindernden Strömungsquerschnitt. Hierdurch kann der Außendurchmesser des Bohrlochmeßgeräts so klein gehalten werden, daß es für Tiefbohr-Standardkali­ ber ab einer Muffengröße von 2 7/8" aufwärts verwendbar und vom Bohrturm aus durch den Bohrstrang ziehbar ist. Die erfindungsgemäße Gestaltung sorgt darüberhinaus für mini­ male Abrasion, da scharfe Umlenkungen des Spülstroms ver­ mieden werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Regelverhalten des Regelkolbens stark gedämpft ist. Hierdurch wird vermieden, daß die mit Hilfe des Signalgebers erzeugten Druckimpulse den Regelkolben in Schwingung versetzen und dadurch das Regelverhalten und die Lebensdauer des Stromreglers beeinträchtigt werden kann. Die Dämpfung kann auf einfache Weise durch Erhöhung des Strömungswiderstands erreicht werden, der zum Füllen und Entleeren des ersten und/oder des zweiten von dem Meßab­ schnitt begrenzten Raums überwunden werden muß.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung darge­ stellt ist. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Abschnitts eines Bohr­ strangs und eines Abschnitts eines erfindungsge­ mäßen Bohrlochmeßgeräts mit Stromregler und hydromechanischem Signalgeber und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Drosselabschnitt des Regelkolbens des Bohrlochmeßgeräts gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt den oberen Abschnitt eines Bohrlochmeßgeräts 1, angeordnet in dem Spülungskanal 2 einer Schwerstange 3 eines Bohrstrangs zum Tiefbohren. Das Bohrlochmeßgerät 1 weist ein aus mehreren miteinander verschraubten Gehäuse­ teilen zusammengesetztes Gehäuse 4 auf, welches die Form eines langgestreckten zylindrischen Stabes hat. In dem dar­ gestellten Abschnitt des Gehäuses 4 sind ein Stromregler 5 und ein hydromechanischer Signalgeber 6 angeordnet, weitere Aggregate, wie der Antrieb des Signalgebers 6, Meßaufneh­ mer, Meßumformer, Signalerzeuger und Energiespeicher befin­ den sich in dem unteren, nicht dargestellten Abschnitt des Gehäuses 4. An dem oberen Ende des Gehäuses 4 ist ein Fang­ haken 7 vorgesehen, an dem das Bohrlochmeßgerät 1 mit Hilfe eines Greifers gehalten und an einem Seil in den Bohrstrang eingefahren oder aus diesem wieder herausgezogen werden kann.

Der dargestellte Abschnitt des Gehäuses 4 weist an seinem oberen Ende eine Kammer 8 und sich nach unten an diese anschließend einen Gehäusekanal 9 auf, der durch eine Wand 10 von der Kammer 8 getrennt ist und an seinem unteren Ende den Signalgeber 6 enthält. Der Gehäusekanal 9 ist unterhalb der Wand 10 durch Eintrittsöffnungen 11 und oberhalb des Signalgebers 6 durch Bypassöffnungen 12 mit dem Spülungska­ nal 2 verbunden. Zwischen den Eintrittsöffnungen 11 und den Bypassöffnungen 12 ist der Spülungskanal 2 durch eine von der Schwerstange 3 gebildete Einschnürung 13 unterbrochen und das Gehäuse 4 ist gegenüber der Einschnürung 13 mittels einer Dichtung 14 abgedichtet. Der durch den Spülungskanal 2 geförderte Strom der Bohrspülung ist daher gezwungen, durch die Eintrittsöffnungen 11 in den Gehäusekanal 9 einzudringen und diesen unterhalb der Einschnürung 13 über die Bypassöffnungen 12 und/oder den Signalgeber 6 wieder zu verlassen.

Der Stromregler 5 weist einen Regelkolben 15 mit einem Drosselabschnitt 16 und einem Meßabschnitt 17 auf, die durch einen Stößel 18 miteinander verbunden sind. Der Dros­ selabschnitt 16 ist in dem Gehäusekanal 9 im Bereich der Bypassöffnung 12 so angeordnet, daß er die Bypassöffnungen 12 verschließen oder ganz oder teilweise öffnen kann. Der Drosselabschnitt 16 besteht aus zwei konzentrischen Hülsen 19, 20, die durch zwei radiale Wände 21 miteinander verbun­ den sind. Durch den freien Ringraum zwischen den Hülsen 19, 20 wird ein Drosselkanal gebildet, durch den der Signalge­ ber 6 angeströmt wird und dessen Drosselwirkung das Regel­ verhalten des Regelkolbens 15 bestimmt. Der Meßabschnitt 17 ist in der Kammer 8 längsverschieblich gelagert und gegen­ über der Kammerwand abgedichtet. Er unterteilt die Kammer 8 in zwei Räume 23, 24. Der Raum 23 ist durch zwei das Gehäuse 4 durchdringende Bohrungen 25 mit dem Spülungskanal 2 verbunden. Der Raum 24 ist durch eine Längsbohrung 26 in dem Stößel 18 auf der dem Signalgeber 6 zugekehrten Seite des Drosselabschnitts 16 an den Gehäusekanal 9 angeschlos­ sen. Der Raum 24 enthält außerdem eine Druckfeder 27, die den Meßabschnitt 17 mit einer Federkraft beaufschlagt.

Der am unteren Ende des Gehäusekanals 9 angeordnete Signal­ geber 6 hat einen zylindrischen, becherförmigen Rotor 28, der von einer Statorhülse 29 umgeben ist. Die Statorhülse 29 ist zwischen einer im Gehäuse 4 drehfest angeordneten Ringscheibe 30 und einem Gewindering 31 in dem Gehäuse 4 axial fixiert und durch eine formschlüssige in einer Ausnehmung in der Ringscheibe 29 eingreifende Klaue in einer definierten Winkelstellung drehfest gehalten. Der Rotor 28 hat eine geringere axiale Länge als die Statorhülse 29 und befindet sich ebenfalls im Zwischenraum zwischen der Ring­ scheibe 30 und dem Gewindering 31. Mittels einer Kupplung 32 ist der Rotor 28 drehfest mit einer Antriebswelle 33 verbunden und in axialer Richtung derart an der Antriebs­ welle 33 abgestützt, daß er sich in einer Mittellage zwi­ schen Ringscheibe 30 und dem Gewindering 31 befindet. Die axialen Stirnflächen des Rotors 28 stehen daher nicht in Reibkontakt mit den ihnen gegenüberliegenden Nachbarflä­ chen. Die Antriebswelle 33 ist in dem sich nach unten anschließenden, nicht dargestellten Abschnitt des Gehäuses 4 mittels Axialwälzlagern in axialer Richtung spielfrei gelagert. Die Drehbewegung des Rotors 28 ist durch klauen­ artige Vorsprünge an seinem Boden, die in Ausnehmungen in der Ringscheibe 30 eingreifen, auf einen Drehwinkel von z. B. 45° begrenzt.

In der Wand der Statorhülse 29 sind in symmetrischer Anord­ nung Durchgänge 34 vorgesehen, denen Öffnungen 35 entspre­ chender Größe in der Wand des Gehäuses 4 gegenüberliegen. Die Durchgänge 34 und die Öffnungen 35 sind in Umfangsrich­ tung jeweils durch geschlossene Wandabschnitte voneinander getrennt. Die Wand des Rotors 28 weist ebenfalls Durchgänge 34 auf, die in der dargestellten Position des Rotors 28 den Durchgängen 34 gegenüberliegen und ebenfalls durch geschlossenen Wandabschnitt 36 voneinander getrennt sind. Die Umfangserstreckung der Durchgänge 34 und der Wandab­ schnitte 37 sind so aufeinander abgestimmt, daß bei einer Drehung des Rotors 28 um den vorgegebenen Drehwinkel die Wandabschnitte 37 die Durchgänge 34 verschließen.

Zum Antrieb des Rotors 28 dient ein umsteuerbarer Gleich­ strommotor, der über ein Reduziergetriebe und eine elasti­ sche Kupplung mit der Antriebswelle 33 verbunden ist. Zur Erzeugung von Druckimpulssignalen wird der Gleichstrommotor mit wechselnder Stromrichtung angesteuert, wodurch er peri­ odisch seine Drehrichtung ändert und den Rotor 28 abwech­ selnd in die dargestellte Durchgangsstellung oder die um z. B. 45° gedrehte Schließstellung bewegt. Die jeweilige Endstellung des Rotors 28 wird zur Steuerung des Gleich­ strommotors durch einen Drehwinkelgeber erfaßt.

Im Betrieb wird der Spülungskanal 2 der Schwerstange 3 und das Gehäuse 4 des Bohrlochmeßgeräts 1 in der in der Zeich­ nung mit gepfeilten Linien veranschaulichten Weise von einem Spülungsstrom durchströmt, der von übertage angeord­ neten, an den Bohrstrang angeschlossenen Spülungspumpen erzeugt wird. Der mit einem Druck P1 in den Gehäusekanal 9 eintretende Spülstrom wird beim Passieren des Drosselkanals 22 auf einen Druck P2 < P1 gedrosselt. Die Druckdifferenz P1 - P2 wird an dem Drosselabschnitt 16 und dem Maßab­ schnitt 17 des Regelkolbens 15 in gleicher Richtung wirksam und ist bestrebt, den Regelkolben 15 in Richtung des Signalgebers 6 soweit zu verschieben, bis die Druckkräfte und die Kraft der Feder 27 im Gleichgewicht sind. Die Dros­ selwirkung des Drosselkanals 22 und die Kraft der Druckfe­ der 27 sind im Verhältnis zu den hydraulischen Wirkflächen des Regelkolbens 15 so ausgelegt, daß die bei geringer För­ dermenge durch den Spülungsstrom erzeugte Druckdifferenz P1 - P2 nicht ausreicht, um die Federkraft zu überwinden, so daß der Regelkolben 15 in seiner oberen Anschlagsstellung gehalten wird und mit seinem Drosselabschnitt 16 die Bypassöffnungen 12 vollständig verschließt. Der gesamte Spülstrom wird daher durch den Signalgeber 6 geleitet, um mit diesem ausreichend starke und deutliche Druckimpulse erzeugen zu können. Mit zunehmender Fördermenge des Spül­ stroms steigt der Druck P1 an, während P2 im wesentlichen unverändert bleibt. Durch das größere Druckgefälle wird nun der Regelkolben 15 gegen die Kraft der Druckfeder 27 nach unten bewegt und die Bypassöffnungen 12 werden soweit geöffnet, bis durch den dadurch wieder sinkenden Druck P1 das Gleichgewicht hergestellt ist. Nimmt die Fördermenge des Spülungsstroms weiter zu, so werden die Bypass-öffnun­ gen 12 durch den Regelkolben 15 weiter geöffnet, wodurch sich die Bypassmenge erhöht, während die durch den Drossel­ kanal 22 zum Signalgeber 6 geleitete Spülungsmenge im wesentlichen gleichbleibt. Der Stromregler 5 ist dadurch in der Lage die Bypassmenge zwischen einem Wert Null und einem durch den maximalen Öffnungsquerschnitt der Bypassöffnungen 12 bestimmten Wert zu regeln. In dem gesamten Regelbereich ändert sich die dem Signalgeber zugeführte Spülungsmenge in dem Maße, in dem das zur Überwindung der Kraft der Druckfe­ der 27 ansteigende Druckgefälle P1 - P2 einen Anstieg der den Drosselkanal 22 passierenden Spülungsmenge bewirkt. Im Vergleich zur Änderung der Bypassmenge ist dabei die Ände­ rung der den Signalgeber 6 anströmenden Spülungsmenge gering. Sie kann über die Auslegung der Federkennlinie der Druckfeder 27 beeinflußt werden.

Die Bewegungen des Regelkolbens 15 werden durch die Dros­ selwirkung der Längsbohrung 26 stark gedämpft, so daß der Regelkolben 15 durch die von dem Signalgeber 6 erzeugten Druckimpulse nicht in Schwingung versetzt werden kann. Wäh­ rend des Betriebs des Signalgebers 6 verringert sich durch das periodische Öffnen und Schließen der Durchgänge 34 der zum Austritt des Spülstroms zur Verfügung stehende Zeit­ querschnitt. Dies führt zu einem leichten Anstieg von P2 und einer Verringerung des Bypassstroms mit entsprechender Erhöhung von P1. Dieses Regelverhalten sorgt somit dafür, daß während des Betriebs des Signalgebers 6 die diesem zur Verfügung stehende Spülungsmenge allenfalls etwas zunimmt und begünstigt damit die Erzeugung signifikanter Druckim­ pulse.

Claims (4)

1. Bohrlochmeßgerät für Tiefbohrungen mit einer Einrich­ tung zum Übertragen von in einem Bohrloch beim Bohren gewonnener Meßdaten durch die Bohrspülung nach über­ tage, mit einem langgestreckten Gehäuse, das in den Spülungskanal eines Bohrstrangs einsetzbar ist, an sei­ nem angeströmten Ende eine in einen zentralen Gehäuse- Kanal mündende Eintrittsöffnung aufweist und stromab der Eintrittsöffnung mittels einer Ringdichtung gegen­ über dem Bohrstrang abgedichtet ist und das eine stromab der Ringdichtung von dem zentralen Gehäuse- Kanal in den Spülungskanal des Bohrstrangs mündende Bypassöffnung und stromab der Bypassöffnung einen den zentralen Gehäuse-Kanal mit dem Spülungskanal des Bohr­ strangs verbindenden Durchgang aufweist, der durch ein steuerbares Verschlußelement eines in dem Gehäuse ange­ ordneten, hydromechanischen Signalgebers zumindest teilweise sperrbar ist, wobei das Verschlußelement nach Maßgabe von zu übertragende Meßdaten bezeichnenden Si­ gnalen in gesteuerten Intervallen wiederholt von einer Durchgangsstellung in eine Sperrstellung, und von die­ ser wieder in die Durchgangsstellung bewegbar ist, um in der Bohrspülung eine kodierte Serie von positiven Druckimpulsen zu erzeugen, die den Signalen entspre­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (4) ein Stromregler (5) mit einem Regelkolben (15) angeord­ net ist, der in Abhängigkeit von der an einer Drossel­ blende (22) erzeugten Druckdifferenz und der Kraft einer Feder (27) den Öffnungsquerschnitt der Bypassöff­ nung (12) derart steuert, daß der über die Drossel­ blende (22) dem Signalgeber (6) zugeführte Teil des geförderten Spülungsstroms im wesentlichen konstant bleibt und der verbleibende Überschuß des Spülungs­ stroms über die Bypassöffnung (12) in den Spülungskanal (2) geleitet wird.

2. Bohrlochmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regelkolben (15) einen den Durch­ gangsquerschnitt der Bypassöffnung (12) steuernden Drosselabschnitt (16) und einen als Druckfühler dienen­ den Meßabschnitt (17) aufweist, daß der Drosselab­ schnitt (16) und der Meßabschnitt (17) durch einen Stö­ ßel (18) miteinander verbunden sind und daß der in dem Gehäusekanal (9) geführte Drosselabschnitt (16) die Bypassöffnung (12) von dem Signalgeber (6) trennt und axial von einem die Drosselblende bildenden Drossel­ kanal (22) durchdrungen ist.

3. Bohrlochmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Meßabschnitt (17) in einer in Strömungs­ richtung vor der Eintrittsöffnung (11) im Gehäuse (4) angeordneten Kammer (8) angeordnet ist, die von dem Meßabschnitt (17) in zwei Räume (23, 24) unterteilt ist, wobei der erste auf der dem Stößel (18) abge­ kehrten Seite des Meßabschnitts (17) liegende Raum (23) durch eine Verbindungsbohrung (25) mit dem Spülungs­ kanal (2) des Bohrstrangs verbunden ist und wobei der zweite vom Stößel (18) durchdrungene Raum (24) durch eine den Stößel (18) und den Drosselabschnitt (16) durchdringende Längsbohrung (26) mit dem dem Signalge­ ber (6) zugewandten Ende des Gehäusekanals (2) verbun­ den ist und eine den Meßabschnitt (17) mit einer Feder­ kraft beaufschlagende Druckfeder (27) enthält.

4. Bohrlochmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Regelkolbens (5) hydraulisch gedämpft ist.