DE102005010535A1

DE102005010535A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Bohrloch

Info

Publication number: DE102005010535A1
Application number: DE200510010535
Authority: DE
Inventors: Spyro Kotsonis; Jacques Orban; Jean-Michel Houston Hache
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2005-09-29
Also published as: GB0503699D0; GB2412017B; GB2412017A; NO20051211D0; CA2500036A1; CA2500036C; NO20051211L; NO329461B1; US20050200210A1; US7133325B2; MXPA05002470A; FR2867627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (160) zum Erzeugen elektrischer Energie in einem rohrförmigen Gehäuse, das in einem Bohrloch (11) angeordnet ist und durch welches Bohrflüssigkeit (26) fließt, bei der ein Stator (162) zum Sichern gegen eine Drehung im rohrförmigen Gehäuse ausgestaltet ist, ein rohrförmiger Rotor (164) drehbar um den Stator (162) aufgenommen ist und ein Impeller (166) am Umfang des Rotors (164) befestigt ist, wobei die Bohrflüssigkeit (26), die durch das rohrförmige Gehäuse fließt, wenn die Vorrichtung (160) darin angeordnet ist, am Impeller (166) angreift und eine Drehung des Rotors (164) um den Stator (162) zum Erzeugen elektrischer Energie verursacht.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Bohrloch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 18 bzw. 21.
Beim Bohren von Öl- und Gasbohrlöchern werden verschiedene Meß- und Telemetriesysteme verwendet, um Daten betreffend eine Formation, durch die sich ein Bohrloch erstreckt, und Daten betreffend den Status verschiedener Bohreinrichtungen während des Bohrens zu erhalten. In MWD-Werkzeugen (MWD = measurement while drilling, Messen beim Bohren) werden Daten von Sensoren erfaßt, die im Bohrstrang in der Nähe des Bohrkopfs angeordnet sind. Diese Daten werden entweder in einem Speicher im Bohrloch gespeichert oder über ein Telemetriesystem, beispielsweise ein Schlammfluß-Telemetriesystem, an die Erdoberfläche getragen.

Sowohl die Sensoren im Bohrloch als auch die Telemetrieeinrichtungen des MWD-Werkzeugs benötigen elektrische Energie. Da es jedoch nicht zweckmäßig ist, ein elektrisches Stromversorgungskabel von der Erdoberfläche durch den Bohrstrang zu den Sensoren und den Telemetrieeinrichtungen zu leiten, muß die elektrische Energie im Bohrloch erhalten werden. Im Stand der Technik erhalten MWD-Werkzeuge ihre elektrische Energie entweder von einer Batterie oder einem turbinenbasierten Wechselstromgenerator. Beispiele von Wechselstromgeneratoren in Bohrlochwerkzeugen sind in US 5 517 464 und US 5 793 625 beschrieben. Ein einem Wechselstromgenerator ähnlicher Generator zum Erzeugen eines Drehmoments zum Aufrechterhalten der Winkelstellung eines rohrförmigen Elements in einem steuerbaren Rotationsbohrsystem ist in US 5 265 682 beschrieben.

Turbinenbasierte Wechselstromgeneratoren verwenden Rotoren, die Impeller aufweisen, die im Fluß einer Bohrflüssigkeit, dem Schlammfluß, unter hohem Druck im Inneren des Bohrstrangs angeordnet sind, so daß die Schaufeln des Impellers die hydraulische Energie der Bohrflüssigkeit in eine Drehung des Rotors umwandeln. Die Rotoren drehen sich mit einer Winkelgeschwindigkeit, die eine ausreichende Menge elektrischer Energie für die MWD-Werkzeuge liefert, um die Telemetrieeinrichtungen sowie die Sensoren und gegebenenfalls andere Werkzeuge zu versorgen, die in einer Bohrlochbodenanordnung (BHA = bottom hole assembly) des Bohrstrangs untergebracht sind.

In den meisten Fällen ist die Welle des Rotors entweder direkt oder über einen Getriebezug mit einem Wechselstromgenerator gekoppelt. Der Getriebezug dient der Umsetzung der Drehgeschwindigkeit des Rotors für einen optimalen Betrieb der Turbine und des Wechselstromgenerators. Die Welle der Turbine ist durch Lager gehalten. Üblicherweise sind die Welle, die Lager, der Getriebezug und der Wechselstromgenerator zusammen in einer unter Druck stehenden Ölkammer untergebracht, damit sie unter sauberen und gut geschmierten Bedingungen arbeiten. Da sich die Welle der Turbine im Bohrschlamm dreht, ist eine Drehdichtung erforderlich, um den Bohrschlamm vom Öl in der Druckkammer zu trennen. Da die Drehgeschwindigkeit sehr hoch ist, muß die Stirnseite einer üblichen Drehdichtung durch ein Mittel geschmiert werden, das nicht die Bohrflüssigkeit ist, da die Bohrflüssigkeit erodierende Partikel enthält, die die Drehdichtung schnell zerstören. Eine derartige Schmierung wird dadurch erzielt, daß ein konstanter geringvolumiger Ölleckfluß von der Druckkammer in Richtung auf die Druckdichtung sichergestellt wird. Dieser Ölleckfluß verhindert zudem, daß die fließende Bohrflüssigkeit in die Druckkammer eindringt, was erwünscht ist, da die Reinheit des Öls für eine lange Betriebsdauer des Getriebezugs, der Lager und der elektrischen Komponenten im Öl förderlich ist. Partikel der Bohrflüssigkeit würden bewegliche Teile erodieren und somit Komponenten des Wechselstromgenerators beschädigen.

Um diesen gesteuerten Ölleckfluß durch die Drehdichtung hindurch zu erzielen, steht das Öl in der Druckkammer unter leichtem Druck im Vergleich zum Druck der Bohrflüssigkeit. Dies erfolgt durch einen Kompensationskolben mit einer Feder in der Druckkammer. Damit der Kompensationskolben in einer bestimmten Zeitspanne eine bestimmte Entfernung zurücklegen kann, ist die Druckkammer länger und unhandlicher, als sie sonst sein müßte. Der Kompensationskolben und die Drehdichtung sind daher dafür verantwortlich, daß das Vorsehen von elektrischer Energie im Bohrloch teuer ist.

Zudem zeigt die Erfahrung, daß der größte Teil der Ausfälle und der Wartungskosten bei Wechselstromgeneratoren für Bohrlöcher durch die Drehdichtungen und die Länge des Druckkompensationssystems mit dem Kompensationskolben entstehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Bohrloch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 18 bzw. 21 zu schaffen, die bei vereinfachtem Aufbau und geringeren Kosten unter schwierigen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei Vorhandensein von erodierendem Bohrschlamm oder erodierender Bohrflüssigkeit, eine große Menge elektrischer Energie liefern.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1, 18 bzw. 21 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung eines Bohrstrangs mit einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie.
2 ist eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie.
3 ist eine schematische Darstellung einer Schleuderkammer und eines Auslaßkanals für Partikel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung der 2.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Abstreifzylinders der Vorrichtung aus 2.
5 ist eine schematische Darstellung eines Ringraums, der zwischen einem Rotor und einem Stator eines Wechselstromgenerators einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung aus 2 gebildet wird, wobei der Ringraum eine Beschleunigung der zwischen dem Rotor und dem Stator fließenden Bohrflüssigkeit ermöglicht, um eine auf den Rotor wirkende Auftriebskraft zu erzeugen.
6 zeigt einen segmentierten statischen Ring eines Axiallagers der Vorrichtung aus 2.
7 illustriert den Effekt eines axialen Versatzes eines Rotors eines Wechselstromgenerators auf eine Ausgangspannung.
8A ist eine schematische Schnittansicht entlang der Linie 8A-8A der 2, die mehrere Windungen eines Stators in einem Rotor mit vier Permanentmagneten zeigt.
8B zeigt die Ausgangspannungen der Windungen des Stators der Vorrichtung aus 8A.
9A entspricht 8A mit einem radialen Versatz des Rotors im Stator. 9B zeigt die Ausgangsspannungen der Statorwindungen der Vorrichtung aus 9A.
Die in 1 dargestellte Bohranlage umfaßt eine Plattform- und Bohrturmanordnung 10, die über einem Bohrloch 11 angeordnet ist, das sich durch eine unterirdische Formation F erstreckt. Das Bohrloch 11 ist hier auf bekannte Weise durch Rotationsbohren gebildet. Die Erfindung kann jedoch auch in anderen Bohranwendungen, insbesondere schlammotorbasierten Richtungsbohren, verwendet werden und ist nicht auf landbasierte Bohranlagen beschränkt.
Ein Bohrstrang 12 ist im Bohrloch 11 angeordnet und umfaßt einen Bohrkopf 15 an seinem unteren Ende. Der Bohrstrang 12 wird durch einen Drehtisch 16 in Drehung versetzt, der durch nicht dargestellte Mittel mit Energie versorgt wird und am oberen Ende des Bohrstrangs 12 mit einem Mitnehmer 17 in Eingriff steht. Der Bohrstrang 12 ist an einem Haken 18 aufgehängt, der an einem nicht dargestellten Hampelmann über den Mitnehmer 17 und ein Drehgelenk 19 befestigt ist, die eine Drehung des Bohrstrangs 12 in bezug auf den Haken 18 ermöglicht.
In einer Grube 27 an der Bohrstelle befindet sich Bohrflüssigkeit oder Bohrschlamm 26. Eine Pumpe 29 liefert die Bohrflüssigkeit 26 ins Innere des Bohrstrangs 12 über eine Öffnung im Drehgelenk 19, wodurch die Bohrflüssigkeit 26 dazu gebracht wird, durch den Bohrstrang 12 wie durch den Pfeil 9 angedeutet nach unten zu fließen. Die Bohrflüssigkeit 26 verläßt den Bohrstrang 12 über Öffnungen im Bohrkopf 15 und bewegt sich dann durch den Bereich zwischen dem Äußeren des Bohrstrangs 12 und der Wand des Bohrlochs 11, d.h. dem Ringraum, wie durch die Pfeile 32 angedeutet nach oben zurück. Hierdurch schmiert die Bohrflüssigkeit 26 den Bohrkopf 15 und trägt Bohrmehl an die Oberfläche, wenn sie für einen erneuten Umlauf in die Grube 27 zurückgeleitet wird.
Der Bohrstrang 12 umfaßt ferner eine Bohrlochbodenanordnung (BHA, bottem hole assembly) 100 in der Nähe des Bohrkopfs 15, d.h. innerhalb weniger Schwerstangenlängen vom Bohrkopf 15. Die BHA 100 umfaßt Einrichtungen zum Messen, Verarbeiten und Speichern von Informationen sowie zur Kommunikation mit der Erdoberfläche. Die BHA 100 umfaßt hier eine Einrichtung 200 zum Bestimmen und Kommunizieren einer Eigenschaft oder mehrerer Eigenschaften der das Bohrloch 11 umgebenden Formation F, beispielsweise betreffend die Resistivität der Formation F, die Konduktivität der Formation F, die natürliche Strahlung, die Dichte (Gammastrahlen oder Neutronen) und/oder den Porendruck usw.
Die BHA 100 umfaßt hier ferner Schwerstangen 130, 150 zum Durchführen weiterer Messungen. Die Schwerstange 150 umfaßt beispielsweise ein MWD-Werkzeug (MWD = measurement while drilling, Messen beim Bohren). Das MWD-Werkzeug 150 umfaßt eine Kommunikationsunteranordnung 152, die mit einer nicht dargestellten ähnlichen Einrichtung an der Erdoberfläche kommuniziert, sowie eine Sensoranordnung 156 mit Sensoren, die zum Bestimmen von Parametern wie etwa Richtung, Neigung, Werkzeugfläche etc. in Echtzeit ausgestaltet ist.
Die Kommunikationsunteranordnung 152 umfaßt einen Sender, der ein Signal erzeugt, etwa ein akustisches oder ein elektromagnetisches Signal, das die gemessenen Bohrparameter repräsentiert. Das erzeugte Signal wird an der Erdoberfläche von Sendeempfängern 31 empfangen, die im Falle von empfangenen akustischen Signalen diese in elektronische Signale S für eine weitere Verarbeitung, Speicherung und Verwendung auf bekannte Weise umsetzen.
Das MWD-Werkzeug 150 umfaßt hier ferner eine Vorrichtung 160 zum Erzeugen elektrischer Energie im Bohrloch, insbesondere für die Kommunikationsunteranordnung 152 und die Sensoranordnung 156. Die Vorrichtung 160 ist zwischen die Kommunikationsunteranordnung 250 und die Sensoranordnung 156 gekoppelt und direkt in der Bohrflüssigkeit 26 angeordnet, die durch den Bohrstrang 12 und das MWD-Werkzeug 150 fließt.
Wie in 2 dargestellt, umfaßt die Vorrichtung 160 einen inneren Stator 162 eines Wechselstromgenerators, der zur Vermeidung einer Drehung in der Schwerstange 150 fixiert ist, einen rohrförmigen Rotor 164 des Wechselstromgenerators, der um den Stator 162 drehbar aufgenommen ist, sowie einen Impeller 166, der am Umfang des Rotors 164 befestigt ist. Eine Anordnung von Permanentmagneten 190 ist zum Erzeugen eines Magnetflusses im Rotor 164 oder an einem inneren Rand davon befestigt. Eine Anordnung von leitenden Windungen 192 in mehreren Phasen wird im Stator 162 getragen. Folglich kommt Bohrflüssigkeit 26, die in Richtung der Pfeile 9 durch die Schwerstange 150 fließt, mit dem Impeller 166 in Kontakt und bewirkt eine Drehbewegung des Rotors 164 um den Stator 162, um im Stator 162 elektrische Energie zu erzeugen.
Der Aufbau der Vorrichtung 160 ist entgegengesetzt zu dem Aufbau eines üblichen Wechselstromgenerators, bei dem der Rotor 164 die innere Komponente ist. Ein Vorteil dieser unkonventionellen Konstruktion ist eine vereinfachte Verbindung zwischen dem Rotor 164 und dem sich drehenden Teil, d.h. dem Impeller 166. Ein weiterer Vorteil sind die einfacheren elektrischen Verbindungen, da die stromerzeugenden Windungen 192 in der Mitte feststehen. Wenn sich die Windungen 192 im Stator 162 befinden, ist es jedoch wichtig, die Wärme abzuführen, die in der Windungsstruktur durch magnetische Effekte in den Magneten 190, Wirbelströme im Abstreifzylinder 196, sofern dieser aus leitendem Material gebildet ist, und durch ohmsche Verluste in den Windungen 192 erzeugt werden. Diese Wärme wird durch die Bohrflüssigkeit 26 abgeleitet, die in einem Ringspalt 172 des Wechselstromgenerators fließt, sowie durch eine Leitung über den Rotor 164.
Die Windungen 192 des Stators 162 sind mittels einer vergleichsweise dünnen Wand, die üblicherweise aus einem verformbaren dünnen Metallblech gebildet ist, von der unter Druck stehenden Bohrflüssigkeit 26 im Ringspalt 172 getrennt. Die Wand stellt eine Trennung zur Bohrflüssigkeit 26 sicher. Der Druck der Bohrflüssigkeit 26 wird jedoch durch die Lamellen und die Vergußmasse, beispielsweise Epoxidharz, in der Wand des Stators 162 aufgenommen.
Der Stator 162 ist koaxial an einem aufströmseitigen Endabschnitt 162u eines rohrförmigen Turbinenstators 168 befestigt, der wiederum in einen nicht dargestellten Mantel eingesetzt ist, der auf übliche Weise an der Schwerstange 150 befestigt ist. Der Turbinenstator 168 ist ferner auf übliche Weise mit einem nicht dargestellten Rahmen für Elektronikkomponenten gekoppelt. Der Stator 162 ist an einem abströmseitigen Endabschnitt 162d des Turbinenstators 168 an einem Ablenkkegel 170 befestigt, der hier auf bekannte Weise abgestuft und an der Schwerstange 150 festgekeilt ist, um eine Drehbewegung und eine nach unten gerichtete axiale Bewegung des Stators 162 zu verhindern.
Zwischen dem Rotor 164 und dem Stator 162 ist keine Dichtung vorgesehen, so daß dazwischen stets Bohrflüssigkeit 26 vorhanden ist. Der Rotor 164 und der Stator 162 sind so bemessen und geformt, daß sie zumindest einen Einlaß 174 und zumindest einen Auslaß 176 sowie den flüssigkeitsleitenden Ringspalt 172 zum Leiten von Bohrflüssigkeit 26 zwischen dem Rotor 164 und dem Stator 162 bilden.
Partikel, insbesondere schwere Partikel, innerhalb der Bohrflüssigkeit 26 müssen besonders berücksichtigt werden. Diese Partikel können in großen Mengen vorgesehen sein, um erforderlichenfalls die Dichte der Bohrflüssigkeit 26 zur besseren Steuerung der Hydrostatik des Bohrlochs 11 einzustellen. Partikel können der Bohrflüssigkeit 26 ferner als verlorenes Umlaufmaterial (LCM, lostcirculation-material) zugesetzt werden. LCM-Partikel haben einen weiten Bereich von Größen, wobei ihre Haupteigenschaft darin besteht, kleine Löcher zu stopfen. Wenn Bohrflüssigkeit durch nachstehend beschriebene Lagerabschnitte und den Ringspalt 172 fließt, ist es wünschenswert sicherzustellen, daß Partikel, die in den Ringspalt 172 eintreten, den Ringspalt 172 auch verlassen. Hierfür weisen die Abmessungen des Ringspalts 172 zweckmäßigerweise keine Verengungen auf, die kleiner sind, als die Größe des Einlasses 174.
Die Bohrflüssigkeit 26 im Ringspalt 172 wird durch die Drehung des Rotors 164 in Drehung versetzt. Infolge dieser Drehung werden die Bohrflüssigkeit 26 und die darin suspendierten Partikel einer Zentrifugalbeschleunigung ausgesetzt. Da die Partikel schwerer sind als die Bohrflüssigkeit 26, werden sie in Richtung auf die radial äußeren Abschnitte des Ringspalts 172 befördert, d.h. die Partikel sammeln sich am Rotor 164. Infolge einer kleinen Axialflußkomponente in der Bohrflüssigkeit 26 im Ringspalt 172 wird am Einlaß 174 ununterbrochen neue Flüssigkeit in den Ringspalt 172 eingebracht. Die Partikel dieser neuen Bohrflüssigkeit 26 können sich ebenfalls am Rotor 164 sammeln. Da die Erneuerung der Bohrflüssigkeit 26 im Ringspalt 172 fortgesetzt wird, kann das Ansammeln der Partikel an der Wand des Rotors 164 dazu führen, daß der Ringspalt 172 mit Partikeln oder verdickter Bohrflüssigkeit 26 vollständig verstopft wird. Die Vorrichtung 160 umfaßt mehrere im Nachfolgenden beschriebene Merkmale, um dem Verstopfen entgegenzuwirken.
Der Impeller 166 bildet auch einen Turbinenrotor, der den Turbinenstator 168 und insbesondere eine Vielzahl von Schaufeln 169 komplementiert, die umfänglich am Körper des Turbinenstators 168 befestigt sind. Die kombinierte Wirkung des Turbinenstators 168 und Turbinenrotors, d.h. Impellers 166, besteht in einer Störung der durch die Schwerstange 150 fließenden Bohrflüssigkeit 26. Der Turbinenstator 168 lenkt den Fluß der Bohrflüssigkeit 26 von ihrem axialen Flußweg ab und verursacht eine Durchwirbelung der Bohrflüssigkeit 26, bevor sie den Turbinenrotor, d.h. den Impeller 166, berührt, um die kinetische Energie der Bohrflüssigkeit 26 in eine Drehung umzusetzen. Die Durchwirbelung bewirkt, daß Partikel in der Bohrflüssigkeit 26 so abgelenkt werden, daß sie nicht über den Einlaß 174 in den Ringspalt 172 eindringen.
Allerdings finden einige der Partikel, insbesondere kleinere Partikel, über den Einlaß 174 dennoch den Weg in den Ringraum 172. Der Ringraum 172 umfaßt daher in der durch die Pfeile 9 illustrierten Strömungsrichtung nach unten entlang fast seiner gesamten Länge aufeinanderfolgend vergrößerte Durchmesser durch abgestufte und/oder fortschreitende Änderungen des Durchmessers. Hierdurch werden die Bohrflüssigkeit 26 und die darin gelösten Partikel in der Abströmrichtung erhöhten zentrifugalen Beschleunigungen im Ringspalt 172 ausgesetzt. Dies verhindert, daß sich Partikel im Ringspalt 172 absetzen und stellt sicher, daß schwerere Materialien in der Bohrflüssigkeit 26 abströmen, bis sie den Ringspalt 172 verlassen und zum Hauptfluß der Bohrflüssigkeit 26 in der Schwerstange 150 und in den Bohrstrang 12 zurückkehren.
Zum Unterstützen der Bewegung des Rotors 164 in bezug auf den Stator 162 sind mehrere Lager einschließlich der auf- und abströmseitigen Radiallager 178u bzw. 178d und der auf- und abströmseitigen Axiallager 180u bzw. 180d vorgesehen. Die Lager werden durch die Bohrflüssigkeit 26 geschmiert. Die Axiallager 180u, 180d sind nahe einem abströmseitigen Endabschnitt 164d des Rotors 164 angeordnet. Die Axiallager 180u, 180d sind in einem Bereich mit verringertem Durchmesser effektiver. Eine solche Verringerung wirkt jedoch dem gewünschten Effekt einer stromabwärts gerichteten axialen Bewegung der Partikel in der Bohrflüssigkeit 26 entgegen. Um der Gefahr einer Ansammlung von Partikeln und einer Blockierung der Axiallager 180u, 180d entgegenzuwirken, ist der Rotor 164 mit mehreren Flüssigkeitsdurchgängen 182 aufströmseitig des abströmseitigen Radiallagers 178d angeordnet. An dieser Stelle ist der Durchmesser des Ringspalts 172 am größten, wodurch sich eine Pumpwirkung einstellt, um die Bohrflüssigkeit 26 durch den Ringspalt 172 zu spülen.
In der in 3 dargestellten Vorrichtung 160' sind eine Schleuderkammer 173 und ein Auslaßkanal 175 für Partikel in einem Abschnitt eines Rotors 164' gebildet, der einen Ringraum 172' definiert. Die Schleuderkammer 173 dient dazu sicherzustellen, daß die in der Bohrflüssigkeit 26 suspendierten Partikel durch die infolge der Zentrifugalkraft entstehende Pumpwirkung in einer Ansammlung 177 angesammelt und durch den Auslaßkanal 175 aus der Schleuderkammer ausgespült werden.
Der in 4 dargestellte Abstreifzylinder 196 erfüllt eine ähnliche partikelentfernende Funktion. Der Abstreifzylinder 196 ist mit wenigstens einer schraubenförmigen Rippe an seiner Außenfläche versehen und selbst an der Außenfläche des Stators 162 wie in 2 dargestellt befestigt. Die schraubenförmige Rippe des Abstreifzylinders 196 erhöht die durch die Drehung des Rotors 164 um den Stator 162 erzeugte Pumpwirkung, um Partikel in der Bohrflüssigkeit 26 axial stromabwärts und auf den Einlaß 182 und den Auslaß 176 zu bewegen. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit für eine Ansammlung und Ablagerung von Partikeln im Ringspalt 172 verringert.
Da die Bohrflüssigkeit 26 abreibend wirkt, sind die Lagerhülsen aus abriebfesten Materialien gebildet. Das Spiel der Radiallagerhülse wird definiert als Kompromiß zwischen der Notwendigkeit, eine gute Führung der sich drehenden Teile sicherzustellen, eine gute Schmierung sicherzustellen und die Durchwirbelungswirkung während der Drehung zu beschränken, während sich große Partikel durch das Spiel hindurchbewegen können.
Die Axiallager 180u, 180d tragen das Gewicht des Rotors 164, insbesondere bei Erschütterungen, und die axiale Reaktionskraft vom Impeller 166. Die Axiallager 180u, 180d, die Drucklager sein können, verwenden verhältnismäßig große Sätze von Ringen, um die Beständigkeit und die strukturelle Integrität des MWD-Werkzeugs 150 zu unterstützen. Dementsprechend ist der dieser Lagerkontaktfläche entsprechende Radius verhältnismäßig groß. Dieser große Radius erzeugt eine merkliche Reibkraft für eine vorgegebene Kontaktkraft und einen vorgegebenen Reibkoeffizienten. Daher ist es oft hilfreich, die Reibung an den Lagern zu minimieren.
Der Rotor 164 und der Stator 162 sind mit entsprechenden abströmseitigen Endabschnitten 164d bzw. 162d versehen, wobei sich der abströmseitige Endabschnitt 162d des Stators 162 abströmseitig des abströmseitigen Endabschnitts 164d des Rotors 164 erstreckt. Es wird nunmehr Bezug genommen auf 5. Abströmseitige Endabschnitte 164d'', 162d'' sind in einer weiteren Ausführungsform 160'' der Vorrichtung 160 so bemessen und geformt, daß sie dazwischen einen Ring 184 benachbart zu einem Auslaß 176" bilden. Vorzugsweise besteht ein Unterschied zwischen den Durchmessern der abströmseitigen Endabschnitte, der es ermöglicht, eine axiale hydraulische Kraft zu erzeugen, die dem Rotor 164'' Auftrieb verschafft, um die nach unten wirkende gesamte Last infolge des Gewichts des Rotors 164'' und der axial wirkenden Kraft des Impellers 166 zu verringern. In Richtung auf den Auslaß 176'' fließende Bohrflüssigkeit 26 wird durch den vergrößerten Durchmesser am Ring 184 beschleunigt, um eine Auftriebskraft F_L für den Rotor 164'' relativ zum Stator 162'' zu bewirken. Die Auftriebskraft bewirkt eine Verringerung der auf die Axiallager 180u, 180r wirkenden Reibkräfte, vgl. 2. Bei hohen Drehgeschwindigkeiten kann der im Ring 184 induzierte dynamische Druck erheblich werden. Durch geeignete Steuerung der Leckage durch Verändern des Abstands zwischen der axialen Nullstellung des Rotors und des Stators findet der Rotor während des Flusses der Bohrflüssigkeit 26 die optimale Stellung, die leicht stromabwärts versetzt ist, und erhält die Schmierung für beide Axiallager aufrecht.
Die Reibkräfte an den Axiallagern 180u, 180d sind ferner dadurch reduziert, daß die Axiallager 180u, 180d mit einem segmentierten statischen Ring 181 versehen sind, vgl. 2 und 6. Der segmentierte statische Ring 181 wirkt mit einem drehbaren Ring 179 zusammen, der von jedem der Axiallager 180u, 180d verwendet wird, so daß zwischen dem statischen Ring 181 und dem drehbaren Ring 179 ein kleiner Winkel gebildet wird, wodurch ein hydrodynamischer Flüssigkeitseinkeileffekt erzeugt wird, wenn der Rotor 164 durch den Fluß der Bohrflüssigkeit 26 gedreht wird. Der hydrodynamische Flüssigkeitseinkeileffekt erzeugt einen Schmierfilm 186, der einen direkten körperlichen Kontakt zwischen dem Rotor 164 und dem Stator 162 verringert und gegebenenfalls verhindert. Infolge des Schmierfilms 186 wird die Trockenreibung wesentlich verringert oder gar unterdrückt und die Abnutzung der Axiallager, insbesondere Axialdrucklager, wird erheblich verringert. Dies hat ferner den Vorteil, daß das für die Drehung des Rotors 164 vom Impeller 166 erforderliche Drehmoment verringert wird.
Es wird nunmehr erneut Bezug genommen auf 2. Ein elastisch deformierbares Element 188, wie etwa ein Abschnitt einer Spiralfeder oder eine elastomere Scheibe, wird zwischen dem abströmseitigen Endabschnitt 162d des Stators 162, benachbart zum Ablenkkegel 170, und dem abströmseitigen Axiallager 180r angeordnet. Somit bewirkt der Fluß der Bohrflüssigkeit 26 durch die Schwerstange 150 eine nach unten gerichtete Kraft auf den Impeller 166, der den Rotor 164 axial um einen Weg stromabwärts bewegt, um das elastisch verformbare Element 188 zusammenzudrücken. Wenn der Fluß der Bohrflüssigkeit 26 stoppt, dehnt sich das Element 188 aus, um den Rotor 164 um denselben Weg anzuheben, damit dieser in die Nullstellung zurückkehrt. Die Verwendung des Elements 188 dient mehreren Zwecken.
Beispielsweise ist die Bohrflüssigkeit 26 in Perioden, in denen sie nicht durch den Bohrstrang 12 fließt, statisch und kann ein thixotropes Gel bilden. Es ist möglich, daß zu Beginn des Flusses der Bohrflüssigkeit 26 der Impeller 166 nicht in der Lage ist, ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen, um ein solches Gel zu durchbrechen. Dementsprechend kann das elastisch verformbare Element 188 mit einer Federkonstanten bereitgestellt werden, die es ermöglicht, daß sich der Rotor 164 zu Beginn des Flusses der Bohrflüssigkeit 26 um einen verhältnismäßig geringen Weg axial stromabwärts bewegt. Dieser Weg reicht aus, um das thixotropische Gel zu durchbrechen, das sich gebildet haben könnte, während die Bohrflüssigkeit 26 statisch gewesen ist. Die Kombination aus Scherkraft infolge des vom Impeller zugeführten Drehmoments und der axialen Bewegung bricht das Gel, so daß eine einfachere Drehung beim Anfahren möglich wird.
Die Drehgeschwindigkeit des Rotors 164 hängt von der Durchflußrate der Bohrflüssigkeit 26, ihrer Dichte (da die kinetische Energie von diesen beiden Elementen abhängt) sowie vom elektrischen Strom in der Windung, die ein Reaktionsdrehmoment erzeugt, und der Viskosität der Bohrflüssigkeit 26 ab. Wegen der Art dieser die Drehgeschwindigkeit beeinflussenden Variablen wird der Rotor 164 mit Drehzahlen in einem weiten Bereich betrieben werden, was zu Schwierigkeiten führt. Beispielsweise variiert die Ausgangsspannung des Stators 162 über den Geschwindigkeitsbereich stark, wodurch der Entwurf einer Steuerelektronik erschwert wird. Zudem können in einem großen Bereich von Drehgeschwindigkeiten verschiedene Resonanzmoden auftreten, die die Vorrichtung 160 Erschütterungen und/oder Beschädigungen aussetzen.
Der Bereich der Drehgeschwindigkeiten des Rotors 164 wird daher zweckmäßigerweise gesteuert. Eine Lösung besteht darin, verschiedene Bremsmechanismen zu verwenden, die bei höheren Drehgeschwindigkeiten aktivierbar sind. Dies ist zwar zum Beschränken des Geschwindigkeitsbereichs wirksam, allerdings muß der Impeller 166 die erforderliche Energie für den Wechselstromgenerator und zum Bremsen gleichzeitig aufbringen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann die erforderliche Gesamtenergie zu erheblicher Erosion in den Schaufeln 169 des Impellers 166 führen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht daher darin, den Geschwindigkeitsbereich zu beschränken, ohne den Impeller 166 unnötig zu belasten. Dementsprechend kann das elastisch verformbare Element 188 mit einer Federkonstanten entworfen werden, die es gestattet, daß der Rotor 164 axial um einen Betrag versetzbar ist, der größer ist als der Versatz, der erforderlich ist, um ein Gel zu brechen. Bei höheren Flußraten der Bohrflüssigkeit 26 steigt dann die axiale Kraft des Impellers 166, bis sich die Turbine unter Zusammendrücken des Elements 188 axial stromabwärts bewegt. Dies führt zu einem Abstand d zwischen den Schaufeln 169 des Stators 162 und dem Turbinenrotor, d.h. Impeller 166. Der Abstand d überschreitet den optimalen Abstand, wodurch Bohrflüssigkeit 26, die den Turbinenstator verläßt, nicht mehr unter einem optimalen Winkel am Impeller 166 angreift. Hierdurch verringert sich das Moment, das der Turbinenrotor in ein Drehmoment des Rotors 164 umsetzen kann, wodurch die Drehgeschwindigkeit des Rotors 164 beschränkt wird, selbst wenn unter Bedingungen mit hohem Fluß der Bohrflüssigkeit 26 gearbeitet wird.
In einer Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung 160 ein divergierendes konisches Element 194, das zur Befestigung in der Schwerstange 150 wie in 2 dargestellt ausgestaltet ist. Das divergierende konische Element 194 ist so bemessen und geformt, daß es eine axiale Bewegung des Rotors 164 und des Turbinenrotors, d.h. Impellers 166, darin ermöglicht, wobei die axial stromabwärts gerichtete Bewegung des Rotors 164 und des Turbinenrotors unter dem Fluß der Bohrflüssigkeit 26 in der Richtung 9 den Turbinenrotor, d.h. Impeller 166, in einen Bereich mit verringerter Flußgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit 26 im divergierenden konischen Element 194 positioniert. Hierdurch wird die Drehgeschwindigkeit des Rotors 164 zusätzlich gesteuert.
Eine derartige axiale stromabwärts gerichtete Bewegung des Rotors 164 in Abströmrichtung während des Flusses der Bohrflüssigkeit 26 verringert zudem die Überdeckung zwischen der Anordnung der Magnete 190 im Rotor 164 und der Anordnung leitender Windungen 192 im Stator 162, wodurch die Erzeugung elektrischer Energie gesteuert wird. Dieser Effekt verringert die Ausgangsspannung, vgl. V₁ in 7, die ansonsten für eine gegebene Drehgeschwindigkeit erreicht würde, vgl. V₂. Diese Steuerung ist wünschenswert, da sie den Bereich der elektrischen Energie einschränkt, der von gewissen Komponenten aufgenommen werden muß, beispielsweise in elektronischen Komponenten im MWD-Werkzeug 150.
Bei mit Bohrflüssigkeit geschmierten Lagern tritt unter den meisten Betriebsbedingungen eine Abnutzung auf. Es ist daher wünschenswert, die Abnutzung der Lager zu beobachten, um zu verhindern, daß ein Abnutzungsgrad erreicht wird, bei dem der Wechselstromgenerator erheblich beschädigt wird oder ausfällt. Eine solche Beschädigung kann beispielsweise durch starke Erschütterung, insbesondere radiale Stöße, infolge des erhöhten Spiels oder durch Abrieb des Stators 162 durch den Rotor 164 und umgekehrt hervorgerufen werden. Daher ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 166 die Anordnung der leitenden Windungen 192 im Stator 162 so angeordnet, daß das separate Beobachten der Ausgangsspannung jeder Windung vereinfacht wird. Auf diese Weise kann die Exzentrizität des Rotors 164 in bezug auf den Stator 162, oder genauer genommen die Variation der radialen Position jeder Windung 192, bestimmt werden. Wenn die individuellen Windungen 192 um einen gleichen Betrag von den Permanentmagneten 190 beabstandet sind, wie es in 8A dargestellt ist, liefern sie gleiche Ausgangsspannungen, vgl. 8B. Wenn allerdings die einzelnen Windungen 192 von den Magneten 190 durch verschiedene Abstände getrennt sind, wie es in 9A dargestellt ist, entstehen invers verschiedene Spannungen, vgl. 9B. So hat die Windung 1 im dargestellten Beispiel einen geringen oder gar keinen Abstand vom Magneten 190a, vgl. 9A, erzeugt jedoch die größte Amplitude der Ausgangsspannung, vgl. 9B.
Durch Beobachten der Amplituden der Ausgangsspannungen jeder Windung 192 des Stators 162 ist es möglich, den Frequenzinhalt der Spannung für jede Windung 192 zu analysieren. Die Hauptfluktuation entspricht dabei der Wechselstromfrequenz des Stators 162 für eine gegebene Drehgeschwindigkeit des Rotors 164, abhängig von der Konfiguration der Pole. Die anderen Fluktuationen hängen von der Änderung der Exzentrizität des Rotors 162 ab. Eine derartige Analyse erlaubt die Bestimmung der Exzentrizität des Rotors 162 und die Abhängigkeit dieser Exzentrizität von der Zeit. Es ist daher möglich vorherzusagen, wann die Abnutzung des Rotors 162 einen vordefinierten Schwellenwert für die Exzentrizität und damit die Abnutzung erreicht, so daß eine Wartung der Radiallager entsprechend planbar und eine Beschädigung des Rotors 164 und/oder Stators 162 ist.
Da die Vorrichtung 160 bohrflüssigkeitsgeschmiert ist, arbeitet sie mit verhältnismäßig großem Spiel in den Radiallagern. Diese großen Spiele neigen dazu, ein Flattern des Rotors 164 im Stator 162 zu begünstigen. Eine Lösung zum Verringern eines derartigen Flatterns besteht darin, eine auf den Rotor 164 senkrecht wirkende Kraft zu erzeugen, die in einer festen Richtung in bezug auf den Stator 162 angelegt wird. Dies kann erreicht werden, indem der Stator 162 axial symmetrisch ausgestaltet wird, so daß die resultierende Kraft aus der radialen magnetischen Anziehung des Rotors 164 stets in eine feste Richtung gerichtet ist. Diese Asymmetrie ist erzielbar, indem beispielsweise ein Leerraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen belassen wird, wie es in 8A zwischen den Windungen 1 und 2 beispielhaft dargestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird dem Flattern des Rotors 164 aktiv entgegengewirkt. Auch hier wird die Ausgangsspannung jeder Windung 192 wie vorstehend beschrieben beobachtet, um die momentane Stellung des Mittelpunkts des Rotors 162 zu bestimmen, vgl. z.B. 9A und 9B. Wie vorstehend beschrieben, hat die Windung mit dem geringsten Abstand die größte Ausgangsspannung. Indem erzwungen wird, daß diese Windung einen größeren Strom aufweist, als die anderen Windungen, erzeugt der Strom einen Magnetfluß, der dem Magnetfluß entgegenwirkt, der im Rotor 164 erzeugt wird. Hierdurch wird die örtliche Anziehung des Rotors 164 verringert, vgl. z.B. die Windung 1 in 9A, wodurch der Wechselstromgenerator dazu tendiert, sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen, beispielsweise in Richtung auf die Windung 4. Die Wirkung des erzwungenen Stroms wird durch eine geeignete Steuerelektronik des MWD-Werkzeugs 150 erzeugt.

Claims

Vorrichtung (160) zum Erzeugen elektrischer Energie in einem rohrförmigen Gehäuse, das in einem Bohrloch (11) angeordnet ist und durch welches Bohrflüssigkeit (26) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (162) zum Sichern gegen eine Drehung im rohrförmigen Gehäuse ausgestaltet ist, ein rohrförmiger Rotor (164) drehbar um den Stator (162) aufgenommen ist und ein Impeller (166) am Umfang des Rotors (164) befestigt ist, wobei die Bohrflüssigkeit (26), die durch das rohrförmige Gehäuse fließt, wenn die Vorrichtung (160) darin angeordnet ist, am Impeller (166) angreift und eine Drehung des Rotors (164) um den Stator (162) zum Erzeugen elektrischer Energie verursacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (164) und der Stator (162) so bemessen und geformt sind, daß sie wenigstens einen Einlaß (174) und wenigstens einen Auslaß (176) zum Leiten der Bohrflüssigkeit (26) zwischen dem Rotor (164) und dem Stator (162) bilden, und daß ferner mehrere Lager (178u, 178d, 180u, 180d) zum Unterstützen der Bewegung des Rotors (164) relativ zum Stator (162) vorgesehen und durch die Bohrflüssigkeit (26) geschmiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (164) und der Stator (162) so bemessen und geformt sind, daß ein flüssigkeitsleitender Ringspalt (172) zwischen dem Rotor (164) und dem Stator (162) gebildet wird, und daß der Fluß der Bohrflüssigkeit durch das rohrförmige Gehäuse, wenn die Vorrichtung (160) darin angeordnet ist, auch ein Durchführen der Bohrflüssigkeit (26) durch den Ringspalt (172) verursacht, um Wärme vom Stator (162) abzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt einen Durchmesser aufweist, der sich in Abströmrichtung vergrößert, um eine Bewegung von Partikeln in der Bohrflüssigkeit (26) durch den Ringspalt (172) zu fördern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (164) mit einem sich im wesentlichen radial durch ihn erstreckenden Auslaßkanal (175) zwischen dem Einlaß (174) und dem Auslaß (176) versehen ist, um ein Entfernen von Partikeln in der Bohrflüssigkeit (26) zu erleichtern, die sich zwischen dem Rotor (164) und dem Stator (162) befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impeller (166) einen Turbinenrotor bildet und daß ein Turbinenstator (168) vorgesehen ist, der einen rohrförmigen Körper, der koaxial an einem aufströmseitigen Endabschnitt (162u) des Stators (162) befestigt ist, und mehrere Schaufeln (169) umfaßt, die am Umfang des rohrförmigen Körpers befestigt sind, um durch das rohrförmige Gehäuse fließende Bohrflüssigkeit (26) zu verwirbeln, wodurch Partikel in der Bohrflüssigkeit (26) vom Einlaß (174) abgelenkt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager Radiallager (178u, 178d) und Axiallager (180u, 180d) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (164) und der Stator (162) jeweils abströmseitige Endabschnitte (162d, 164d) aufweisen, wobei sich der abströmseitige Endabschnitt (162d) des Stators (162) abströmseitig des abströmseitigen Endabschnitts (164d) des Rotors (164) erstreckt und die abströmseitigen Endabschnitte (162d, 164d) so bemessen und geformt sind, daß sie einen Ring (184) dazwischen benachbart zum Auslaß (176) bilden, in dem ein Fluß der Bohrflüssigkeit (26) durch den Auslaß (176) beschleunigt wird, um eine Auftriebskraft auf den Rotor (164) relativ zum Stator (162) auszuüben.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager ein Axiallager (180u, 180d) umfassen, das einen segmentierten Ring (181) zum Erzeugen eines hydrodynamischen Films (186) aus Bohrflüssigkeit (26) aufweist, der den Reibkontakt am Axiallager (180u, 180d) verringert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager wenigstens ein abströmseitiges Axiallager (180u) umfassen, das zwischen den abströmseitigen Endabschnitten (164d, 162d) angeordnet ist, und daß ein elastisch verformbares Element (188) zwischen dem abströmseitigen Endabschnitt (162d) des Stators (162) und dem abströmseitigen Axiallager (180d) vorgesehen ist, wobei der Fluß der Bohrflüssigkeit (26) durch das rohrförmige Gehäuse eine nach unten gerichtete Kraft auf den Impeller (166) bewirkt, die den Rotor (164) um einen Betrag axial stromabwärts bewegt, wodurch das Element (188) zusammengedrückt wird, und wobei sich das Element (188) ausdehnt, um den Rotor (164) um den gleichen Betrag anzuheben, wenn der Fluß der Bohrflüssigkeit (26) aufhört.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elastisch verformbare Element (188) eine Federkonstante aufweist, die es ermöglicht, daß sich der Rotor (164) zu Beginn des Flusses der Bohrflüssigkeit (26) axial um einen Betrag stromabwärts bewegt, der ausreicht, um ein thixotopisches Gel zu brechen, das sich gebildet haben könnte, während die Bohrflüssigkeit (26) statisch gewesen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Impeller (166) einen Turbinenrotor bildet und daß ein Turbenstator (168) vorgesehen ist, der umfaßt: einen rohrförmigen Körper, der koaxial an einem aufströmseitigen Endabschnitt (162u) des Stators (162) befestigt ist, und mehrere Blätter, die am Umfang des rohrförmigen Körpers unter einem Abstand zum Turbinenrotor befestigt sind, zum Verwirbeln der durch das rohrförmige Gehäuse fließenden Bohrflüssigkeit (26), um die Wirkung der Bohrflüssigkeit (26) auf den Turbinenrotor zu erhöhen, und bei dem das elastisch verformbare Element (166) eine Federkonstante aufweist, die ermöglicht, daß sich der Rotor (164) und der Turbinenrotor axial stromabwärts bewegen, während die Bohrflüssigkeit (26) fließt, und den Abstand zwischen dem Turbinenrotor und dem Turbinenstator (168) soweit vergrößern, daß die Wirkung der fließenden Bohrflüssigkeit (26) auf den Turbinenrotor verringert wird, wodurch die Drehgeschwindigkeit des Rotors (164) beschränkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein divergierendes konisches Element (194) vorgesehen ist, das zur Befestigung im rohrförmigen Gehäuse ausgestaltet und so bemessen und geformt ist, daß es eine axiale Bewegung des Rotors (164) und des Turbinenrotors darin ermöglicht, wobei eine axiale Bewegung des Rotors (164) und des Turbinenrotors stromabwärts im divergierenden konischen Element (194) den Turbinenrotor in einen Bereich verringerter Flußgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit (26) positioniert, wodurch die Drehgeschwindigkeit des Rotors (164) verringert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärts gerichtete axiale Bewegung des Rotors (164) während des Flusses der Bohrflüssigkeit (26) die Überdeckung durch eine Anordnung von Magneten (190) im Rotor (164) um eine Anordnung leitender Windungen (192) im Stator (162) verringert, wodurch die Erzeugung elektrischer Energie verringert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (162) eine Anordnung leitender Windungen (192) aufweist, die derart angeordnet ist, daß sie eine Beobachtung der Ausgangsspannung jeder Windung (192) ermöglicht, wobei die Exzentrizität des Rotors (162) in bezug auf den Stator (164) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (162) eine Anordnung leitender Windungen (192) aufweist, die darin derart angeordnet sind, daß die Windungen (192) asymmetrisch um den Stator (162) verteilt sind, und daß der Rotor (164) eine Anordnung von Magneten (190) aufweist, die darin um einen inneren Rand des Rotors (164) herum angeordnet sind, wobei der Rotor (164) eine resultierende magnetische Anziehungskraft in einer feststehenden radialen Richtung auf den Stator (162) einwirken läßt, die ein Flattern des Rotors (164) unterdrückt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuerung zum getrennten Einstellen des Stroms, der durch jede Windung (191) fließt, vorgesehen ist, um der Exzentrizität entgegenzuwirken, wobei ein Flattern des Rotors (164) unterdrückt wird.
Vorrichtung (160) zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Bohrstrang (12), der in einem Bohrloch (11) angeordnet ist, mit einem rohrförmigen Gehäuse, das mit dem Bohrstrang (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (162) gegen Drehung im rohrförmigen Gehäuse gesichert ist, ein rohrförmiger Rotor (164) drehbar um den Stator (162) getragen ist, und ein Impeller (166) am Umfang des Rotors (164) befestigt ist, wobei durch den Bohrstrang (12) fließende Bohrflüssigkeit (26) am Impeller (166) angreift und eine Drehung des Rotors (164) um den Stator (162) zum Erzeugen elektrischer Energie bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse eine Schwerstange (130, 150) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine MWD-Sensoreinrichtung und eine Telemetrieeinrichtung in der Schwerstange angeordnet und durch die erzeugte elektrische Energie stromversorgt sind.
Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie in einem Bohrloch (11), dadurch gekennzeichnet, daß: ein Rotor (164) drehbar um einen Stator (162) getragen wird, wobei der Rotor (164) am Umfang einen Impeller (166) aufweist, der Stator (162) gegen eine Drehung in einem Bohrstrang (12) gesichert wird, der im Bohrloch (11) angeordnet ist, und Bohrflüssigkeit (26) durch den Bohrstrang (12) geleitet wird, wobei der Impeller (166) die hydraulische Energie der Bohrflüssigkeit (26) in eine Drehung des Rotors (164) um den Stator (162) zum Erzeugen elektrischer Energie umsetzt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (164) drehbar um den Stator (162) durch Lager getragen ist, die durch die Bohrflüssigkeit (26) geschmiert werden, die durch den Bohrstrang (12) fließt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrflüssigkeit (26) durch einen Ringspalt (172) zwischen dem Stator (162) und dem Rotor (164) fließt, um Wärme vom Stator (162) abzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ansammeln von Partikeln der Bohrflüssigkeit (26) im Ringspalt (172) verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel der Bohrflüssigkeit (26) so abgelenkt werden, daß sie nicht zwischen den Rotor (164) und den Stator (162) geleitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Lager verwendet werden, die wenigstens ein Axiallager (180u, 180d) umfassen, und daß der Reibkontakt am Axiallager (180u, 180d) verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein thixotropisches Gel gebrochen wird, das sich zwischen dem Rotor (164) und dem Stator (162) gebildet hat, während die Bohrflüssigkeit (26) statisch gewesen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des Rotors (164) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der elektrischen Energie gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnutzung der Lager (178u, 178d, 180u, 180d) vorhergesagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flattern des Rotors (164) unterdrückt wird.