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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch
1 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, das
in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen
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1 einen
Längsschnitt
eines Abschnitts eines Bohrstrangs und eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Bohrlochmeßgeräts mit Stromregler und
hydromechanischem Signalgeber und
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2 einen
Querschnitt durch den Drosselabschnitt des Regelkolbens des Bohrlochmeßgeräts gemäß 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.