DE102008063940B4

DE102008063940B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen im Spülkanal eines Bohrgestänges

Info

Publication number: DE102008063940B4
Application number: DE102008063940A
Authority: DE
Inventors: Werner Vorhoff
Original assignee: DRIESCH STEFAN; Driesch Stefan Dr von den; Vorhoff Werner Dr
Current assignee: Smart Drilling GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: DE102008063940A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen zur Übertragung von Informationen im Spülkanal eines Bohrgestänges mittels eines durch die Spülung beaufschlagten, einen Generator mit angeschlossenem Speicher antreibenden Flügelrades, wobei der Generator einschließlich Speicher sowie Kupplung und Lager der Flügelradwelle in einem axial verlaufenden, mit Öl befüllten und gegenüber dem Bohrgestänge einen zylindrischen Ringspalt bildenden Gehäuse angeordnet ist und in dem Ringspalt die Spülung zum Antrieb des Flügelrades verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines Ölspeichers (11) im Gehäuse (8) ein über die Spülung beaufschlagter Druckausgleichskolben (12) vorgesehen und die am unteren Ende zwischen Gehäuse (8) und Flügelradwelle (5) vorgesehene Dichtung (16) als leichtlaufende Dichtung, beispielsweise als Lippen- oder Keramikdichtung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen zur Übertragung von Informationen im Spülkanal eines Bohrgestänges mittels eines durch die Spülung beaufschlagten, einen Generator mit angeschlossenem Speicher antreibenden Flügelrades, wobei der Generator einschließlich Speicher sowie Kupplung und Lager der Flügelradwelle in einem axial verlaufenden, mit Öl befüllten und gegenüber dem Bohrgestänge einen zylindrischen Ringspalt bildenden Gehäuse angeordnet ist und in dem Ringspalt die Spülung zum Antrieb des Flügelrades verläuft.
Ein Generator zur Erzeugung von Druckimpulsen im Spülkanal bestand, wie in der DE 41 34 609 C2 näher beschrieben ist, im wesentlichen aus einem axial angeordneten Flügelrad, das über den Umfang verteilt Magnete aufweist, und die zur Erzeugung der elektrischen Spannung erforderlichen Spulen als auch der Speicher in der Wandung des Bohrgestänges angeordnet sind. Eine derartige Vorrichtung weist verschiedene und vornehmlich schwerwiegende Nachteile auf. Die vorgegebene Spaltbreite, die für den Wirkungsgrad des Generator von großer Bedeutung ist, kann einerseits durch Schmutzpartikel in der Spülung blockiert oder aber andererseits durch Erosion derart vergrößert werden, dass ein erheblicher Energieverlust des Generators in Kauf zu nehmen ist. Auf diese Weise ist bei Umschalten des Generators auf Motorbetrieb ein Abbremsen des Flügelrades erheblich schwieriger. Der Generator ist in seinen Abmessungen jeweils auf den Durchmesser des Bohrgestänges abzustellen. Der erforderliche Speicher bzw. die Elektronik ist bei den auftretenden Drücken in Kammern im Bohrgestänge unterzubringen, wodurch einerseits eine zusätzliche Bearbeitung des Bohrgestänges und andererseits eine ansonsten nicht erforderliche Überdimensionierung des Bohrgestänges nötig sind.
Eine Weiterentwicklung derartiger Übertragungseinrichtungen ist aus der EP 0 325 047 B1 zu entnehmen. Der Generator ist in einem axial verlaufenden und gegenüber dem Bohrgestänge einen zylindrischen Ringspalt bildenden Gehäuse angeordnet und wird oberhalb des Gehäuses von einem durch die Spülung beaufschlagten Flügelrad angetrieben. Da der Generator in einem nicht mit Öl befüllten Gehäuse angeordnet ist, ergeben sich sehr hohe Differenzdrücke, die zu Abdichtungsproblemen führen. Zwangsläufig müssen Dichtungen eingesetzt werden, die zum einen den Leichtlauf des Generators erschweren und zum anderen große Reibungsverluste mit sich bringen. Bereits geringfügig eindringende Spülflüssigkeit führt zu Kurzschluss und somit zum Ausfall der Impulsübertragungsvorrichtung. Der wesentliche Nachteil einer solchen Impulsübertragungsvorrichtung liegt also im Verschleiß und der damit verbundenen kurzen und damit überaus problematischen Standzeit.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen zur Übertragung von Informationen im Spülkanal eines Bohrgestänges zu schaffen, die die oben genannten Nachteile vermeidet, die einfach und verschleißfest konzipiert ist, die einheitlich in einer Baugröße hergestellt für alle Gestängegrößen oder -querschnitte verwendbar ist und somit eine besonders funktionsfähige und wirtschaftliche Lösung darstellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass oberhalb des Ölspeichers im Gehäuse ein über die Spülung beaufschlagter Druckausgleichskolben vorgesehen und die am unteren Ende zwischen Gehäuse und Flügelradwelle vorgesehene Dichtung als leichtlaufende Dichtung, beispielsweise als Lippen- oder Keramikdichtung ausgebildet ist.
Ein solcher Generator in Form eines handelsüblichen Standardgenerators ist durch die Anordnung in einem unter Öldruck stehenden und in einen Ringspalt gleicher Größe umspülten Gehäuse sicher gegen Verschleiß und Eindringen von Wasser, Salz oder Bohrklein. Der Druckausgleichskolben sorgt für den Druckausgleich zwischen Spülung und Öl innerhalb des Gehäuses in allen Teufen. Der Druckausgleich bewirkt in vorteilhafter Weise, dass eine leichtlaufende Dichtung zwischen Flügelradwelle und Gehäuse zur Erhöhung des Generatorwirkungsgrades eingesetzt werden kann. Als leichtlaufende Dichtung ist beispielsweise eine Lippendichtung vorgesehen, die kostengünstig und vibrationsunabhängig ist oder eine Keramikdichtung, die zwar kostenaufwendiger aber besonderes leichtlaufend einsetzbar ist.
Vorteilhafterweise wird der Druckausgleichskolben nahe der Spitze des Gehäuses oberhalb eines Ölspeichers über die Spülung beaufschlagt, wozu in der eine kegelförmige abgerundete Form aufweisenden Spitze des Gehäuses ein von der Spülungsrichtung abgewandt verlaufender Kanal vorgesehen ist. Der Ölspeicher ist in seiner Größe einerseits den Leckageverlusten der leichtlaufenden Dichtung und andererseits einer Einsatzzeit des Bohrgestänges von ca. 150 h angepasst. Um einen ausreichenden Wirkungsgrad des Generators zu erzielen, ist der Ringspalt so bemessen, dass ein Spülungsdurchfluss von 500–1100 l/min gewährleistbar ist. Um den von der Umdrehung des Flügelrades abhängigen Wirkungsgrad des Generators sicher zu stellen und im etwaige Turbolenzen in der Spülungsströmung auszugleichen, kann dem Flügelrad ein Leitrad vorschaltet werden.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass das den Generator und die entsprechenden Komponenten enthaltende Gehäuse in einer für alle Gestängegrößen einheitlichen Standardgröße herstellbar ist.
Bei größeren Durchmessern des Bohrgestänges und entsprechenden Spülungsmengen ist das Gehäuse von einem, einen inneren und einen äußeren zylindrischen Ringspalt bildenden Innenrohr umgeben. Das Innenrohr entspricht bei kleineren Durchmessern des Bohrgestänges dem eigentlichen Bohrgestänge. Bei großen Bohrgestängedurchmessern wird über den inneren Ringspalt das Flügelrad angetrieben, während der äußere Ringspalt dem Strömungsdurchfluss dient. Um dem inneren Ringspalt die erforderliche Spülungsmenge zuzuführen, ist auf das Innenrohr, die Gehäusespitze umgebend, ein Adapter aufsetzbar, der auswechselbar gestaltet ist und nach Anforderungen des Strömungsflusses einsetzbar ist.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im nachfolgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in geschnittener und schematisierter Form für ein Bohrgestänge mit geringem Querschnitt und
2 ein Ausführungsbeispiel für ein Bohrgestänge mit großem Querschnitt.
In der schematisierten und im Schnitt wiedergegebenen Darstellung nach 1 ist das Bohrgestänge mit kleinerem Querschnitt mit 6 bezeichnet. In einem Gehäuse 8 ist ein nicht näher ausgeführter Generator 1 mit einem Speicher und Elektronik 2 und darunter angeordneter Kupplung 3 sowie die den Generator 1 antreibende Flügelradwelle 5 angedeutet. Oberhalb des Speichers 2 ist unterhalb des Druckausgleichskolbens 12 ein Ölspeicher 11 vorgesehen. Die Spitze 14 des Gehäuses 8 hat aus strömungstechnischen Gründen eine kegelförmige abgerundete Form. Ein der Strömungsrichtung der Spülung 9 abgewandt verlaufender Kanal 15 beaufschlagt den Druckausgleichskolben 12 derart, dass innerhalb des Gehäuses 8 der Druck dem Außendruck entspricht.
Unterhalb des die Flügelradwelle 5 aufnehmenden Lagers 4 ist das Gehäuse 8 gegenüber der Flügelradwelle 5 mit einer Dichtung 16 abgedichtet. Die Dichtung 16 ist, um die Effizienz des Generators 1 nicht zu stören, als Leichtlaufdichtung, z. B. als Lippen- oder Keramikdichtung ausgebildet. Das Eindringen von Spülung oder anderen in der Spülung vorhandener Verunreinigungen wird durch den Öldruck verhindert. Der Ölspeicher 11 ist in seiner Größe so ausgelegt, dass ein Leckageverlust über eine übliche Standzeit des Bohrgestänges 6 von 150 h keine Störung bewirkt. Das Gehäuse 8 ist über den Umfang und die Länge mit Führungen 13 versehen, die auch zur Befestigung des Gehäuses 8 im Bohrgestänge 6 dienen können.
Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Befestigungsmöglichkeiten vorsehbar. Die im zylindrischen Ringspalt 7 strömende Spülung treibt ein Flügelrad 10 an, über dessen Welle 5 wiederum der Generator 1 angetrieben wird. Mit 17 ist ein Leitrad bezeichnet, das in dem Ausführungsbeispiel dem Flügelrad 10 vorgeschaltet angeordnet ist.
In 2 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Druckimpulsen in Bohrgestängen 6 als Ausführungsbeispiel für größere Bohrgestängequerschnitte wiedergegeben. Unter Verwendung einer normbaren Größe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Gehäuse 8 von einem zusätzlichen Innenrohr 18 umgeben, wodurch neben dem zylindrischen Ringspalt 7 ein weiterer Ringspalt 22 entsteht. Um die erforderliche Spülungsmenge von zwischen 500 und 1100 l/min dem Ringspalt 7 zwecks Antrieb des Flügelrades 10 zuzuführen, ist auf dem Innenrohr 18 die Gehäusespitze 14 umgebend ein Adapter 20 vorgesehen, der auswechselbar ist und den Strömungserfordernissen des Bohrgestängequerschnitts anpassbar ist. So wie das Gehäuse 8 mit Führungen 13 am Innenrohr 18 befestigt ist, so kann das Innenrohr 18 ebenfalls beispielsweise über Führungen 19 mit entsprechenden Verschraubungen 21 am Bohrgestänge 6 befestigt sein.
Bezugszeichenliste

1: Generator
2: Speicher
3: Kupplung
4: Lager
5: Flügelradwelle
6: Bohrgestänge
7: Ringspalt
8: Gehäuse
9: Spülung
10: Flügelrad
11: Ölspeicher
12: Druckausgleichskolben
13: Führungen
14: Spitze des Gehäuses
15: Kanal
16: Dichtung
17: Leitrad
18: Innenrohr
19: Führung
20: Adapter
21: Verschraubung
22: Ringspalt

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Druckimpulsen zur Übertragung von Informationen im Spülkanal eines Bohrgestänges mittels eines durch die Spülung beaufschlagten, einen Generator mit angeschlossenem Speicher antreibenden Flügelrades, wobei der Generator einschließlich Speicher sowie Kupplung und Lager der Flügelradwelle in einem axial verlaufenden, mit Öl befüllten und gegenüber dem Bohrgestänge einen zylindrischen Ringspalt bildenden Gehäuse angeordnet ist und in dem Ringspalt die Spülung zum Antrieb des Flügelrades verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines Ölspeichers (11) im Gehäuse (8) ein über die Spülung beaufschlagter Druckausgleichskolben (12) vorgesehen und die am unteren Ende zwischen Gehäuse (8) und Flügelradwelle (5) vorgesehene Dichtung (16) als leichtlaufende Dichtung, beispielsweise als Lippen- oder Keramikdichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (14) des Gehäuses (8) oberhalb des Druckausgleichskolbens (12) eine kegelförmige, abgerundete Form und einen der Spülungsrichtung abgewandt verlaufenden, den Druckausgleichskolben (12) mit Spülung beaufschlagenden Kanal (15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Ölspeichers (11) den Leckageverlusten an der Dichtung (16) angepasst auf eine Einsatzzeit des Bohrgestänges (6) von ca. 150 h bemessen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringspalt (7) zwischen Gehäuse (8) und Bohrgestänge (6), dem Flügelrad (10) vorgeschaltet, ein Leitrad (17) vorsehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei größeren Durchmessern des Bohrgestänges (6) und entsprechenden Spülungsmengen das Gehäuse (8) von einem, einen inneren und einen äußeren zylindrischen Ringspalt (17, 22) bildenden Innenrohr (18) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) im Innenrohr (18) und des Innenrohr (18) gegenüber dem Bohrgestänge (6), beispielsweise über Führungen (13, 19) in der Position arretiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Innenrohr (18) verbindbar und die Gehäusespitze (14) umgebend, ein die Durchflussmengen der Spülung beeinflussender Adapter (20) vorsehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (20) in Anpassung an den Durchmesser des Bohrgestänges (6) auswechselbar ausgebildet ist.