DE10236228A1 - Bohrlochmeßgerät 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 dem Spülungskanal (2) eines Bohrstrangs (3) einsetzbar ist, ist in den Gehäuse (4) ein Stromregler (5) mit einem Regelkolben (15) angeordnet, der in Abhängigkeit von der an einer Eintrittsöffnung (11) des Gehäuses (4) 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 Spülungsstrom 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 Tiefbohrungen mit einer Einrichtung zum Übertragen von in einem Bohrloch beim Bohren gewonnener Meßdaten nach übertage nach Patent 101 06 080, mit einem langgestreckten Gehäuse, das in den Spülungskanal eines Bohrstrangs einsetzbar ist, an seinem angeströmten Ende eine in einen zentralen Gehäusekanal mündende Eintrittsöffnung aufweist und stromab der Eintrittsöffnung mittels einer Ringdichtung gegenüber dem Bohrstrang abgedichtet ist und das eine stromab der Ringdichtung von dem zentralen Gehäusekanal in den Spülungskanal des Bohrstrangs mündende Bypassöffnung und stromab der Bypassöffnung einen den zentralen Gehäusekanal mit dem Spülungskanal des Bohrstrangs verbindenden Durchgang aufweist, der durch ein steuerbares Verschlußelement eines in dem Gehäuse angeordneten, hydromechanischen Signalgebers zumindest teilweise sperrbar ist, wobei das Verschlußelement nach Maßgabe von zu übertragende Meßdaten bezeichnenden 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 Druckimpulsen zu erzeugen, die den Signalen entspre chen. 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 Öffnungsquerschnitt 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. Der Regelkolben des Stromreglers weist einen den Durchgangsquerschnitt der Bypassöffnung steuernden Drosselabschnitt und einen als Druckfühler dienenden Meßabschnitt auf. Der Drosselabschnitt und der Meßabschnitt sind durch einen Stößel miteinander verbunden und der in dem Gehäusekanal geführte Drosselabschnitt trennt die Bypassöffnung von dem Signalgeber und ist axial von einem die Drosselblende bildenden Drosselkanal durchdrungen. Bei dieser Gestaltung kann durch den Betrieb des hydromechanischen Signalgebers das Regelverhalten des Regelkolbens beeinflußt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrlochmeßgerät der genannten Art zu schaffen, bei welchem die selbsttätige Anpassung der dem Signalgeber und der Bypassöffnung zugeführten Teilströme an unterschiedliche Fördermengen und Bohrstrangkaliber durch den Betrieb des hydromechanischen Signalgebers nicht gestört wird.
• Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
• Bei dem erfindungsgemäßen Bohrlochmeßgerät erfaßt der Regelkolben die Druckdifferenz, die an der Eintrittsöffnung des Gehäuses infolge Drosselwirkung entsteht. Hierdurch wirken sich die Steuerbewegungen des Signalgebers und die damit verbundenen Änderungen der Strömung im unteren Ende des Gehäusekanals nicht auf das Regelverhalten des Regelkolbens aus. Das erfindungsgemäße Bohrlochmeßgerät ist in einem großen Arbeitsbereich von der Förderleistung der Spülungspumpen unabhängig und daher auch für unterschiedliche Bohrstrangkaliber geeignet. Durch die Auslegung des Stromreglers kann der dem Signalgeber zugeführte Spülungsstrom auf einen zur Erzeugung signifikanter Druckimpulse optimalen Wert eingestellt werden, der dann während des Betriebs durch mengenabhängige 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 Meßabschnitt des Regelkolbens in einer in Strömungsrichtung vor der Eintrittsöffnung im Gehäuse angeordneten Kammer angeordnet ist, die von dem Meßabschnitt in zwei Räume unterteilt wird, wobei der erste auf der dem Stößel abgekehrten 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 von dem Stößel durchdrungene Längsbohrung mit dem dem Signalgeber zugewandten Ende des Gehäusekanals verbunden ist und eine den Meßabschnitt mit einer Federkraft beaufschlagende Druckfeder 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-Standardkaliber ab einer Muffengröße von 2 7/8'' aufwärts verwendbar und vom Bohrturm aus durch den Bohrstrang ziehbar ist. Die erfindungsgemäße Gestaltung sorgt darüber hinaus für minimale Abrasion, da scharfe Umlenkungen des Spülstroms vermieden werden.
• Zur Erhöhung einer günstigen Regelcharakteristik kann die Druckfeder eine progressive Kennlinie haben. Alternativ hierzu kann der Öffnungsquerschnitt der Bypaßöffnung mit zunehmendem Weg des Regelkolbens in Öffnungsrichtung degressiv zunehmen.
• 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 Meßabschnitt begrenzten Raums überwunden werden muß.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
• 1 einen Längsschnitt eines Abschnitts eines Bohrstrangs und eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Bohrlochmeßgeräts mit Stromregler und hydromechanischem Signalgeber und
• 2 einen Querschnitt durch den Drosselabschnitt des Regelkolbens des Bohrlochmeßgeräts gemäß 1.
• 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 Gehäuseteilen zusammengesetztes Gehäuse 4 auf, welches die Form eines langgestreckten zylindrischen Stabes hat. In dem dargestellten Abschnitt des Gehäuses 4 sind ein Stromregler 5 und ein hydromechanischer Signalgeber 6 angeordnet, weitere Aggregate, wie der Antrieb des Signalgebers 6, Meßaufnehmer, Meßumformer, Signalerzeuger und Energiespeicher befinden sich in dem unteren, nicht dargestellten Abschnitt des Gehäuses 4. An dem oberen Ende des Gehäuses 4 ist ein Fanghaken 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 Spülungskanal 2 verbunden. Die Eintrittsöffnungen 11 haben die Wirkung einer Drosselblende. 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 Drosselabschnitt 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 verbunden sind. Durch den freien Ringraum zwischen den Hülsen 19, 20 wird ein Kanal 22 gebildet, durch den der Signalgeber 6 angeströmt wird. Der Meßabschnitt 17 ist in der Kammer 8 längsverschieblich gelagert und gegenüber der Kammerwand abgedichtet. Er unterteilt die Kammer 8 in zwei Räume 23, 24. Der Raum 23 ist durch mehrere das Gehäuse 4 durchdringende Bohrungen 25 mit dem Spülungskanal 2 verbunden. Der Raum 24 ist durch eine Bohrung 26, durch die der Stößel 18 hindurchgeführt ist, an den Gehäusekanal 9 angeschlossen. Der Raum 24 enthält außerdem eine Druckfeder 27, die den Meßabschnitt 17 mit einer Federkraft beaufschlagt.
• Der am unteren Ende des Gehäusekanals 9 angeordnete Signalgeber 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 Ringscheibe 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 Antriebswelle 33 abgestützt, daß er sich in einer Mittellage zwischen Ringscheibe 30 und dem Gewindering 31 befindet. Die axialen Stirnflächen des Rotors 28 stehen daher nicht in Reibkontakt mit den ihnen gegenüberliegenden Nachbarflächen. 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 klauenartige 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 Anordnung Durchgänge 34 vorgesehen, denen Öffnungen 35 entsprechender Größe in der Wand des Gehäuses 4 gegenüberliegen. Die Durchgänge 34 und die Öffnungen 35 sind in Umfangsrichtung 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 Wandabschnitte 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 Gleichstrommotor, der über ein Reduziergetriebe und eine elastische Kupplung mit der Antriebswelle 33 verbunden ist. Zur Erzeugung von Druckimpulssignalen wird der Gleichstrommotor mit wechselnder Stromrichtung angesteuert, wodurch er periodisch seine Drehrichtung ändert und den Rotor 28 abwechselnd in die dargestellte Durchgangsstellung oder die um z. B. 45° gedrehte Schließstellung bewegt. Die jeweilige Endstellung des Rotors 28 wird zur Steuerung des Gleichstrommotors 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 angeordneten, an den Bohrstrang angeschlossenen Spülungspumpen erzeugt wird. Der mit einem Druck P1 in den Gehäusekanal 9 eintretende Spülstrom wird beim Passieren der Eintrittsöffnungen 11 auf einen Druck P2 < P1 gedrosselt. Die Druckdifferenz P1 – P2 wird an dem Meßabschnitt 17 des Regelkolbens 15 wirksam und ist bestrebt, den Regelkolben 15 in Richtung des Signalgebers 6 so weit zu verschieben, bis die Druckkräfte und die Kraft der Feder 27 im Gleichgewicht sind. Die Drosselwirkung der Eintrittsöffnungen 11 und die Kraft der Druckfeder 27 sind im Verhältnis zu den hydraulischen Wirkflächen des Regelkolbens 15 so ausgelegt, daß die bei geringer Fördermenge 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 bis auf einen kleinen Mindestquerschnitt verschließt. Nahezu 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 Spülstroms steigt die Druckdifferenz P1 – P2 an. 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 das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Nimmt die Fördermenge des Spülungsstroms weiter zu, so werden die Bypass-öffnungen 12 durch den Regelkolben 15 weiter geöffnet, wodurch sich die Bypassmenge erhöht, während die durch den Drosselkanal 22 zum Signalgeber 6 geleitete Spülungsmenge im wesentlichen gleichbleibt. Der Stromregler 5 ist dadurch in der Lage die Bypassmenge zwischen einem Minimalwert und einem durch den maximalen Öffnungsquerschnitt der Bypassöffnungen 12 bestimmten Maximalwert zu regeln. In dem gesamten Regelbereich ändert sich die dem Signalgeber zugeführte Spülungs menge nur in dem Maße, in dem das zur Überwindung der Kraft der Druckfeder 27 ansteigende Druckgefälle P1 – P2 einen Anstieg der den Kanal 22 passierenden Spülungsmenge bewirkt. Im Vergleich zur Änderung der Bypassmenge ist dabei die Änderung der den Signalgeber 6 anströmenden Spülungsmenge gering. Sie kann über die Auslegung der Federkennlinie der Druckfeder 27 beeinflußt werden. Hierbei hat sich eine progressive Federkennlinie zur Erzielung einer linearen Regelcharakteristik als vorteilhaft erwiesen. Den gleichen Effekt kann man mit einer in Richtung der Öffnungsbewegung des Regelkolbens konisch verjüngten Form der Bypaßöffnungen erreichen.

Claims (5)

1. Bohrlochmeßgerät für Tiefbohrungen mit einer Einrichtung zum Übertragen von in einem Bohrloch beim Bohren gewonnener Meßdaten durch die Bohrspülung nach übertage, mit einem langgestreckten Gehäuse (4), das in den Spülungskanal (2) eines Bohrstrangs einsetzbar ist, an seinem angeströmten Ende eine in einen zentralen Gehäusekanal (9) mündende Eintrittsöffnung aufweist, stromab der Eintrittsöffnung mittels einer Ringdichtung gegenüber dem Bohrstrang abgedichtet ist und stromab der Ringdichtung eine von dem zentralen Gehäusekanal in den Spülungskanal des Bohrstrangs mündende Bypassöffnung (12) aufweist und mit einem in dem Gehäuse angeordneten, hydromechanischen Signalgeber (6), der stromab der Bypassöffnung einen den zentralen Gehäusekanal mit dem Spülungskanal des Bohrstrangs verbindenden Durchgang aufweist und der ein Verschlußelement, durch welches der Durchgang zumindest teilweise sperrbar ist, derart steuert, daß das Verschlußelement nach Maßgabe von zu übertragende Meßdaten bezeichnenden Signalen in 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 Druckimpulsen zu erzeugen, die den Signalen entsprechen, wobei in dem Gehäuse (4) ein Stromregler (5) mit einem Regelkolben (15) angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der an der Eintrittsöffnung (11) erzeugten Druckdifferenz und der Kraft einer Feder (27) den Öffnungsquerschnitt der Bypassöffnung (12) derart steuert, daß der dem Signalgeber (6) zugeführte Teil des in den Gehäusekanal (9) geförderten Spülungsstroms im wesentlichen konstant bleibt und der verbleibende Überschuß des Spülungsstroms über die Bypassöffnung (12) in den Spülungskanal (2) geleitet wird.
2. Bohrlochmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkolben (15) einen den Durchgangsquerschnitt der Bypassöffnung (12) steuernden Drosselabschnitt (16) und einen als Druckfühler dienenden Meßabschnitt (17) aufweist, daß der Drosselabschnitt (16) und der Meßabschnitt (17) durch einen Stößel (18) miteinander verbunden sind.
3. Bohrlochmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßabschnitt (17) in einer in Strömungsrichtung 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) abgekehrten Seite des Meßabschnitts (17) liegende Raum (23) durch eine Verbindungsbohrung (25) mit dem Spülungskanal (2) des Bohrstrangs verbunden ist und wobei der zweite vom Stößel (18) durchdrungene Raum (24) durch eine von dem Stößel (18) durchdrungene Axialbohrung mit dem Gehäusekanal (9) verbunden ist und eine den Meßabschnitt (17) mit einer Federkraft beaufschlagende Druckfeder (27) enthält.
4. Bohrlochmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (27) eine progressive Kennlinie hat.
5. Bohrlochmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquerschnitt der Bypaßöffnung (12) mit zunehmendem weg des Regelkolbens (15) in Öffnungsrichtung degressive wächst.