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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet einer Instrumentierung
zum Messen während
des Bohrens (”MWD”). Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf Strukturen zum Schaffen einer Kompensation
des hydrostatischen Drucks eines Bohrlochs und einer Fluidabdichtung
für Drehwellen
in einem mit einem Bohrstrang gekoppelten Bohrlochinstrument.
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Stand der Technik
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MWD-Instrumente
werden neben anderen Zwecken für
das Messen der Bahn von Bohrlöchern, die
durch den Untergrund der Erde gebohrt werden, verwendet. Ein typisches
MWD-Instrument ist so konfiguriert, dass es im unteren Abschnitt
eines Bohrstrangs, der zum Bohren der unterirdischen Formationen verwendet
wird, gekoppelt wird, und umfasst Erfassungsvorrichtungen für die geodätische Bahn, die ”Richtungssensoren” genannt
werden, die einen oder mehrere Parameter in Bezug auf die geodätische Orientierung
des MWD-Instruments
messen. Die geodätische
Orientierung des MWD-Instruments kann verwendet werden, um die geodätische Bahn des
Bohrlochs in der Längsposition
des MWD-Instruments zu bestimmen. Typische MWD-Instrumente umfassen
auch eine oder mehrere Formen von Signaltelemetrie, so dass die
durch die Richtungssensoren durchgeführten Messungen zu Steuereinheiten an
der Erdoberfläche übertragen
werden können.
Die Messungen können
an der Oberfläche
verwendet werden, um zu ermöglichen,
dass der Bohrlocharbeiter die Bahn nach Wunsch ändert.
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Ein
Typ von Telemetrie, der auf dem Fachgebiet bekannt ist, wird als ”Schlammsirene” bezeichnet,
die eine Drehwelle umfasst, die durch einen Motor im Instrument
angetrieben wird. Die Welle dreht einen Rotor mit einem ausgewählten Muster
von einer oder mehreren Strömungsöffnungen
darin. Der Rotor ist nahe einem Stator angeordnet, der selbst eine
oder mehrere Öffnungen
oder Merkmale umfasst, die mit der (den) Öffnung(en) am Rotor zusammenwirken.
Der Rotor und der Stator sind innerhalb des Bohrstrangs angeordnet,
um sich auf die Strömung
von Bohrfluid durch den Bohrstrang in einer bestimmten Weise auszuwirken.
Durch eine geeignete Drehung des Motors und folglich der Welle und
des Rotors kann die Strömung
von Bohrschlamm durch das Innere des Bohrstrangs moduliert werden,
um die Signale vom Richtungssensor zur Erdoberfläche zu übertragen. Eine solche Telemetrie
wird als ”Schlammimpuls”-Telemetrie bezeichnet.
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Für den Betrieb
der Welle ist es erforderlich, dass zumindest ein Teil der Welle
in einer im Wesentlichen abgedichteten Kammer eingeschlossen ist. Die
Kammer ist typischerweise mit Öl
oder einer anderen elektrisch nicht leitenden, schmierenden und partikelfreien
Flüssigkeit
gefüllt,
um Lager, die die Welle drehbar abstützen, vor dem Eindringen von Bohrschlamm
zu schützen.
Es ist auch erforderlich, eine Dichtung um die Welle vorzusehen,
die deren Drehung ermöglicht,
während
sie ausschließt,
dass Schlamm die Dichtung umgeht. Ein typisches Dichtungselement
wird ”Flächendichtung” genannt
und besteht aus einer planaren Oberfläche, die mit der Welle gekoppelt
ist, und einer entsprechenden Oberfläche, die mit dem Gehäuse gekoppelt
ist, das die Welle abstützt,
die benachbart zueinander angeordnet sind. Die Oberflächen sind
typischerweise ein keramisches, Wolframkarbid- oder ein ähnliches
verschleißbeständiges Material.
Ein Reservoir mit Fluid (typischerweise Öl) ist im MWD-Instrument angeordnet
und wird auf einem ausgewählten
Druck gehalten, der auf den externen hydrostatischen Druck des Bohrschlamms
bezogen ist. Es ist bevorzugt, dass der Reservoirdruck zumindest
so hoch wie und vorzugsweise geringfügig höher als der externe hydrostatische
Druck gehalten wird, so dass ein kleines Leck über der Wellendichtung erzeugt
wird. Ein solches Leck kann die Dichtung reinigen, die Dichtung schmieren
und verhindern, dass sich eine Ansammlung von Partikelstoff vom
Bohrschlamm auf den Dichtungsoberflächen ansammelt, was folglich
die Chance einer Dichtungsbeschädigung
verringert. In einigen MWD-Instrumenten, die auf dem Fachgebiet bekannt
sind, führt
die Länge
der Welle dazu, dass die Welle eine signifikante Flexibilität aufweist.
Daher wird in solchen Instrumenten die Dichtung typischerweise unter
Verwendung eines Elastomerrings angegliedert, so dass irgendeine
Biegung der Welle nicht zu übermäßigen Zwischenräumen zwischen
den Dichtungsoberflächen
führt.
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Um
den geeigneten Druck im Ölreservoir aufrechtzuerhalten,
wenn das Instrument das Bohrloch durchläuft und einem breiten Bereich
eines externen hydrostatischen Drucks im Bohrschlamm ausgesetzt
wird, der mit der vertikalen Tiefe des Bohrlochs linear zunimmt,
umfassen typische MWD-Instrumente einen Druckkompensator, der bewirkt, dass
das Reservoir dem Schlammdruck im Bohrstrang ausgesetzt wird, während ausgeschlossen wird,
dass der Schlamm in das Reservoir eintritt. Druckkompensatoren sind
typischerweise entweder eine mit Öl gefüllte Elastomerblase, die extern
Bohrstrangfluid ausgesetzt ist und intern mit dem Reservoir gekoppelt
ist (oder das Reservoir bildet), oder ein Kolben, der Bohrstrangfluid
in einer Seite ausgesetzt ist und mit dem Reservoir auf der anderen
Seite in hydraulischer Verbindung steht. Eine geeignete Referenzposition
des hydrostatischen Drucks wird für den Druckkompensator sorgfältig ausgewählt, da
ein signifikanter Fluiddruckabfall durch das MWD-Instrument besteht.
Wenn eine Druckreferenz ausgewählt wird,
die einem beträchtlichen
Druckabfall ausgesetzt ist, kann der Reservoirdruck für eine korrekte Dichtungsfunktion
ungeeignet sein und kann zu einem Schlammeindringen in das Reservoir
und das hydraulische System führen.
Ferner kann eine ungeeignete Druckkompensation ein Schlammeindringen über die
Wellendichtung ermöglichen.
Eine zweckmäßige Kompensation
ist auch aufgrund von Schlammdruckerhöhungen mit kurzer Dauer, die durch
die Telemetriemodulation des Schlammdrucks verursacht werden, wichtig.
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Es
besteht weiterhin ein Bedarf an einer verbesserten Druckkompensation
und Wellenabdichtung für
MWD-Instrumente.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der Erfindung ist ein Druckkompensationssystem für ein Bohrlochinstrument,
das mit einem Bohrstrang gekoppelt ist. Das Instrument umfasst eine
Welle, die in Bezug auf ein Instrumentengehäuse drehbar montiert ist. Eine
Schmierkammer, die im Instrument enthalten ist, weist mindestens
ein Lager zum drehbaren Abstützen
der Welle auf. Die Schmierkammer umfasst eine Flächendichtung, die an einer
Fläche
mit der Welle und an einer anderen Fläche mit dem Gehäuse gekoppelt
ist. Ein Druckkompensator stellt eine hydraulische Verbindung zwischen
der Schmierkammer und dem Inneren des Bohrstrangs her. Der Kompensator
umfasst eine Barriere gegen eine Fluidbewegung zwischen der Schmierkammer
und dem Inneren des Bohrstrangs. Die Barriere ermöglicht eine
Druckverbindung dazwischen. Der Kompensator umfasst eine Druckverbindungsöffnung,
die sich zwischen der Barriere und einem Abschnitt der Welle, der
dem Inneren des Bohrstrangs ausgesetzt ist, erstreckt.
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Ein
Bohrlochinstrument gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Gehäuse, das so konfiguriert ist,
dass es mit einem Bohrstrang gekoppelt wird, eine Welle, die in
Bezug auf das Gehäuse
drehbar montiert ist, eine Schmierkammer, die in einem ringförmigen Raum
zwischen der Welle und dem Gehäuse
angeordnet ist, einen Druckkompensator in hydraulischer Verbindung
mit einem Inneren des Bohrstrangs und der Schmierkammer, wobei der Druckkompensator
dazu konfiguriert ist, einen Fluiddruck in der Schmierkammer auf
einem Fluiddruck innerhalb des Bohrstrangs nahe dem Instrument zu halten.
Eine Flächendichtung
ist dazu konfiguriert, einen Raum zwischen der Welle und dem Gehäuse abzudichten.
Eine Fläche
der Flächendichtung
ist mit der Welle gekoppelt. Die andere Fläche der Flächendichtung ist funktional
mit dem Gehäuse
gekoppelt. Mindestens eine der Gehäusefläche und der Wellenfläche umfasst
einen Metallbalg, der zwischen der jeweiligen der Gehäusefläche und
des Gehäuses
und der Wellenfläche
und der Welle gekoppelt ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Druckkompensation
eines Bohrlochinstruments, das mit einem Bohrstrang gekoppelt ist.
Das Instrument umfasst eine Welle, die in Bezug auf ein Gehäuse drehbar
montiert ist. Das Gehäuse
ist so konfiguriert, dass es mit dem Bohrstrang koppelt. Ein ringförmiger Raum
zwischen dem Gehäuse
und dem Bohrstrang umfasst eine Schmierkammer. Das Verfahren umfasst
das Herstellen einer hydraulischen Verbindung zwischen einem Inneren
der Schmierkammer und einem Inneren des Bohrstrangs durch eine Öffnung in
der Welle und das Verhindern einer Bewegung von Fluid zwischen dem
Inneren des Bohrstrangs und der Schmierkammer.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1A zeigt
ein Beispiel eines Bohrsystems mit einem MWD-Instrument, wie gewöhnlich beim Bohren
eines Bohrlochs verwendet.
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1B zeigt
eine aufgeschnittene Ansicht eines Beispiels eines Modulatorabschnitts
eines Instruments zum Messen während
des Bohrens (”MWD”-Instruments)
gemäß einem
Aspekt der Erfindung.
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2 zeigt
eine externe Ansicht des in einer aufgeschnittenen Ansicht in 1B gezeigten
Beispiels.
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3 zeigt
ein Beispiel einer Gefrierschutzvorrichtung, die in verschiedenen
Beispielen des MWD-Instrument-Druckkompensators verwendet werden
kann.
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4A und 4B zeigen
ein anderes Beispiel einer Druckkompensation in einem MWD-Instrument.
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5 zeigt
ein Beispiel einer gegliederten Halterung für eine Drehflächendichtung.
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Ausführliche Beschreibung
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1A zeigt
ein Beispiel eines MWD-Instruments 120, wie es gewöhnlich bei
Bohrvorgängen verwendet
wird. Ein Bohrturm 136 oder eine ähnliche Struktur, die auf der
Erdoberfläche
angeordnet ist, umfasst Hebevorrichtungen (nicht separat gezeigt), um
einen Bohrstrang 112 in einem durch den Untergrund der
Erde gebohrten Bohrloch 110 aufzuhängen. Der Bohrstrang 112 kann
aus mehreren Rohrsegmenten (”Verbindungsstücken”) 116,
die Ende an Ende durch Gewinde gekoppelt sind, gebildet werden.
Ein unteres Ende des Bohrstrangs 112 kann einen Bohrmeißel 114 irgendeines
auf dem Fachgebiet bekannten Typs umfassen. Der Bohrmeißel 114 erhöht die Länge des
Bohrlochs 110, wenn er gedreht und axial in die Formationen
im Untergrund gedrängt wird.
Bei bestimmten Typen von Bohrvorgängen, insbesondere bei ”Richtungsbohr”-Vorgängen, bei
denen ein MWD-Instrument verwendet wird, kann der Meißel durch
einen hydraulisch angetriebenen Motor 138, der als ”lenkbarer
Motor” bekannt
ist, gedreht werden. Solche Motoren umfassen eine Vorrichtung, die
eine Strömung
von Bohrfluid (bei 125 im Tank 124 gezeigt) durch
das Innere des Bohrstrangs 112 in Drehenergie umwandelt,
um den Bohrmeißel 114 zu betreiben.
Solche Motoren können
auch eine kleine Biegung entlang der Längsabmessung des Motorgehäuses aufweisen,
um das Ändern
der Bahn des Bohrlochs 110 zu ermöglichen, wie auf dem Fachgebiet
bekannt ist. Außerdem
kann der Bohrstrang 112 durch einen oberen Antrieb 134 oder
eine ähnliche Vorrichtung,
die im Bohrturm 136 hängt,
gedreht werden.
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Während Bohrvorgängen heben
ein oder mehrere Pumpen 136 Bohrfluid (”Schlamm”) 125 von einem Tank 124 oder
einer Grube oder einem ähnlichen
Reservoir an und führen
den Schlamm durch ein Steigrohr 132, durch den oberen Antrieb 134 und in
das Innere des Bohrstrangs 112 ab. Der Schlamm 125 strömt nach
unten durch den Bohrstrang 112, bis er eine Schwerstange 118 mit
dem MWD-Instrument 120, das in einem Muleshoe-Subsystem 122 sitzt,
erreicht. Das MWD-Instrument 120 im vorliegenden Beispiel
kann von einem Typ sein, der durch ein Rutschseil, ein Drahtseil,
eine Rohrwendel oder eine ähnliche
Vorrichtung (keine in 1A gezeigt) vom Bohrstrang wiedergewinnbar
ist. Der Zweck des Muleshoe-Subsystems 122 besteht darin,
eine geometrisch feste Sitzposition mit bekannter Drehorientierung
für den
Bohrstrang 112 vorzusehen, so dass, wenn es darin sitzt,
die Drehorientierung des MWD-Instruments 120 in Bezug auf
den Bohrstrang 112 bekannt ist. Das MWD-Instrument 120 kann
Vorrichtungen (nachstehend mit Bezug auf 1B weiter
zu erläutern)
umfassen, die die Strömung
von Bohrschlamm 125 modulieren, so dass Signale durch den
Bohrstrang 112 durch eine solche Modulation übertragen
werden können.
Das Modulationssignal kann unter Verwendung von einem oder mehreren
Druckwandlern 130 typischerweise im Steigrohr 128 oder
in der Ablassleitung der Pumpe 126 detektiert werden. Auf
den Druck bezogene Signale, die durch den einen oder die mehreren
Wandler 130 erzeugt werden, werden zu einer Aufzeichnungseinheit 140 geleitet,
die ein geeignetes Modulationssignal-Detektionssystem (nicht separat gezeigt)
umfassen kann, um die durch das MWD-Instrument 120 übertragenen
Signale zu decodieren.
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Wie
auf dem Fachgebiet bekannt ist, dient der Bohrschlamm 125 auch
dazu, den Bohrmeißel 114 zu
kühlen
und zu schmieren, und hebt Bohrabfälle zur Erdoberfläche an.
Nachdem der Schlamm 125 zur Oberfläche zurückgeführt ist, werden die Abfälle entfernt
und der Schlamm 125 wird zur Wiederverwendung zum Tank 124 zurückgeführt. Wenn
sich der Schlamm 125 durch den Bohrstrang 112 bewegt, wird
er einem Druckabfall ausgesetzt, der durch eine dynamische Fluidwechselwirkung
mit den verschiedenen Komponenten des Bohrstrangs 112 verursacht
wird, einschließlich
des MWD-Instruments 120, des Motors 138 und des
Bohrmeißels 114.
Folglich ist der Druck im Schlamm 125 an irgendeinem Punkt entlang
des Inneren des Bohrstrangs die Summe des hydrostatischen Drucks
(des bei Abwesenheit einer Strömung
ausgeübten
Drucks) und des Pumpendrucks, abzüglich der Druckverluste, die
durch die vorangehende Fluiddynamik verursacht werden. Der hydrostatische
Druck ist zur Dichte des Schlamms 125 und zur vertikalen
Tiefe, in der der Druck bestimmt werden soll, proportional.
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Das
MWD-Instrument 120 umfasst ein internes hydraulisches System
(nachstehend mit Bezug auf 1B, 4A und 4B)
erläutert,
das ermöglicht,
dass sich bestimmte Komponenten des MWD-Systems 120 in
Bezug auf das Instrumentengehäuse
drehen, während
ausgeschlossen wird, dass der Schlamm 125 in das MWD-Instrumentengehäuse eintritt.
Solche hydraulischen Systeme werden vorzugsweise intern im Wesentlichen
auf denselben Druck wie jenen, der innerhalb des Bohrstrangs existiert,
mit Druck beaufschlagt, so dass Dichtungselemente im MWD-Instrument 120 keiner übermäßigen Druckdifferenz
zwischen dem Druck im Bohrstrang 112 und dem Druck im hydraulischen
System ausgesetzt werden. Typischerweise gehören die beweglichen Teile des
MWD-Instruments 120,
die eine solche Abdichtung erfordern, zum Telemetriemodulator, dessen
Funktion vorstehend beschrieben ist. Die Drehung der bestimmten
Komponenten kann so ausgewählt
werden, dass irgendeiner von einer Anzahl von verschiedenen Modulationstypen
bewirkt wird, einschließlich
eines ”positiven
Impulses”,
wobei eine momentane Schlammdruckerhöhung einem digitalen Informationsbit
entsprechen soll, eines ”negativen Impulses”, wobei
eine momentane Verringerung des Schlammdrucks einer Information
entsprechen soll, und einer kontinuierlichen Welle oder ”Schlammsirene”, die Modulationsverfahren
wie z. B. Phasenumtastung verwenden kann. Der Typ der Modulation
soll den Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzen. Obwohl das
vorliegende Beispiel auf eine MWD-Instrumentierung gerichtet ist,
sollte deutlich verständlich
sein, dass andere Instrumente ”während des Bohrens”, die auf
dem Fachgebiet als Instrumente zum ”Protokollieren während des
Bohrens” (LWD-Instrumente)
bekannt sind, auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung
liegen. LWD-Instrumente werden
gewöhnlich
von MWD-Instrumenten durch die Typen von Sensoren, die darin angeordnet
sind, unterschieden. MWD-Instrumente umfassen typischerweise Richtungserfassungselemente,
um die geodätische
Bahn des Bohrlochs zu bestimmen, während LWD-Instrumente typischerweise
Sensoren umfassen, die petrophysikalische Eigenschaften der durch
das Bohrloch durchdrungenen Formationen messen. Die Erfindung ist
im Schutzbereich nicht auf irgendeinen oder mehrere Typen von Sensoren,
die verwendet werden sollen, während
ein Bohrloch gebohrt wird, begrenzt.
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Ein
Beispiel eines Telemetriemodulatorabschnitts des MWD-Instruments
(120 in 1A) ist in einer aufgeschnittenen
Ansicht in 1B gezeigt. Der Modulatorabschnitt
umfasst eine Antriebswelle 20, die innerhalb des Instrumentengehäuses 10 drehbar
abgestützt
ist. Die Antriebswelle 20 kann aus Stahl oder einem anderen
Metall mit hoher Festigkeit bestehen und besteht vorzugsweise aus
einer nicht magnetischen Legierung wie z. B. Monel oder einer Legierung,
die unter der Handelsmarke INCONEL vertrieben wird, die eine eingetragene
Handelsmarke von Huntington Alloys Corporation, Huntington, WV, ist.
Die Antriebswelle 20 kann ein Merkmal an ihrem oberen Ende
umfassen, das Speerspitze 20A genannt wird und das dazu
konfiguriert ist, mit einer Vorrichtung (nicht dargestellt) in Eingriff
zu kommen, die durch das Innere des Bohrstrangs (112 in 1A)
bewegt wird, um das MWD-Instrument aus dem Inneren des Bohrstrangs
(112 in 1A) zu entfernen. Das Gehäuse 10 kann
auch aus einer nicht magnetischen Legierung mit hoher Festigkeit
gebildet sein und kann einen Modulatorstator 12 umfassen,
der nahe seinem oberen Ende angeordnet ist. Für die Zwecke der vorliegenden
Beschreibung beziehen sich ”obere” und ”untere” auf die
relativen Positionen des MWD-Instruments (120 in 1A),
wie es im Bohrstrang (112 in 1A) angeordnet
ist. Der Stator 12 umfasst Merkmale (nicht separat gezeigt), die
mit entsprechenden Merkmalen (nicht dargestellt) an einem Modulatorrotor 14 zusammenwirken.
Der Rotor 14 ist mit der Antriebswelle 20 derart
gekoppelt, dass die Antriebswellendrehung direkt auf den Rotor 14 übertragen
wird. Die Drehung des Rotors 14 bewirkt, dass die entsprechenden
Merkmale (nicht dargestellt) am Rotor 14 und Stator 12 den
Querschnitt eines Strömungspfades
für den
Bohrschlamm (125 in 1A) durch
diese in einer vorbestimmten Weise ändern, so dass die Strömung des
Schlamms moduliert werden kann, um Signale von Sensoren (in 1B nicht
gezeigt) im MWD-Instrument
(120 in 1A) zur Erdoberfläche zu übertragen.
Die Strömungsmodulation
führt zu
momentanen Druckerhöhungen
des Drucks im Schlamm, die durch den Wandler (130 in 1A)
an der Oberfläche
detektiert werden. Die Amplitude solcher Druckerhöhungen kann
mehrere hundert Pfund pro Quadratinch in Abhängigkeit von der Schlammströmungsrate
neben anderen Parametern sein. Durch Übertragen des Schlammdrucks,
der über
dem Rotor 14 und Stator 12 existiert, zu einem
Druckkompensator, der nachstehend weiter erläutert wird, wird der Kompensator immer
auf einen Druck belastet, der mindestens so hoch ist wie der Schlammdruck
an der Außenseite der
Flächendichtung
(nachstehend erläutert).
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Die
Antriebswelle 20 kann innerhalb des Gehäuses 10 durch eine
obere Lager- und Dichtungsanordnung 34, eine mittlere Lageranordnung 32 und eine
untere Lager- und Dichtungsanordnung 30 drehbar abgestützt sein.
Ein ringförmiger
Raum zwischen dem Gehäuse 10 und
der Antriebswelle 20 kann eine ”Schmierkammer” definieren,
die der Länge
nach zwischen der oberen Lager- und Dichtungsanordnung 34 und
der unteren Lager- und Dichtungsanordnung 30 angeordnet
ist. Eine solche Schmierkammer ist mit Hydraulikfluid wie z. B. Öl gefüllt, das
die Lager in jeder der oberen Lager- und Dichtungsanordnung 34 und
der unteren Lager- und Dichtungsanordnung 30 und in der
mittleren Lageranordnung 32 schmiert. Unter der unteren
Lager- und Dichtungsanordnung 30 und innerhalb des Gehäuse 10 befindet
sich eine abgedichtete Kammer, die auf Atmosphärendruck gehalten wird, in
der verschiedene elektronische Komponenten (nicht dargestellt) angeordnet
sein können,
die unter anderem Messungen der geodätischen Orientierung des MWD-Instruments
durchführen,
die durch den Telemetriemodulator zur Oberfläche übertragen werden sollen. Die
Antriebswelle 20 kann mit einem Motor (nicht dargestellt)
gekoppelt sein, der in einer solchen Kammer im Gehäuse 10 angeordnet
ist und der die vorstehend beschriebene Drehung der Antriebswelle 20 für die Schlammströmungsmodulation
bewirkt. Der allgemeine Zweck der Schmierkammer besteht darin, eine
Schmierung für die
Lager vorzusehen, die die Antriebswelle 20 in Bezug auf
das Gehäuse 10 drehbar
abstützen,
und eine Dichtung aufrechtzuerhalten, um auszuschließen, dass
Bohrschlamm in die Atmosphärenkammer
innerhalb des Gehäuses 10 eintritt,
während
sich die Antriebswelle 20 in Bezug auf das Gehäuse 10 dreht.
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Es
sollte deutlich verständlich
sein, dass die vorliegende Erfindung im Schutzbereich nicht auf
die Verwendung mit einer Antriebswelle, die einen Telemetriemodulator
dreht, begrenzt ist. In anderen Beispielen kann eine Antriebswelle,
die in Bezug auf ein Instrumentengehäuse drehbar montiert ist, mit
einer Turbine oder einer ähnlichen
Vorrichtung gekoppelt sein, die die Strömung des Bohrschlamms (125 in 1) in Drehenergie umwandelt, um einen
elektrischen Generator oder Wechselstromgenerator, der im Instrumentengehäuse angeordnet
ist, anzutreiben. In solchen Beispielen wäre der Strukturzweck der Lager-
und Dichtungsanordnungen derselbe wie im vorliegenden Beispiel:
das Ermöglichen
der Drehung der Antriebswelle im Bohrschlamm, während ausgeschlossen wird,
dass Bohrschlamm in das Innere des Instrumentengehäuses eintritt,
wobei elektronische Vorrichtungen bei Oberflächenatmosphärendruck montiert sind und
betrieben werden.
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Die
obere Lager- und Dichtungsanordnung 34 wird außerhalb
des Gehäuses 10 dem
Bohrschlamm unter Druck ausgesetzt. Ein solcher Druck, wie vorstehend
mit Bezug auf 1A erläutert, umfasst den hydrostatischen
Druck der Schlammsäule, die
sich von der Erdoberfläche
zur vertikalen Tiefe im Bohrloch erstreckt, in der das MWD-Instrument
angeordnet ist, sowie den Druck, der durch die Schlammpumpe (136 in 1A)
ausgeübt
wird, abzüglich
dynamischer Druckverluste. Ein Dichtungsabschnitt der oberen Lager-
und Dichtungsanordnung 34 kann vorzugsweise eine keramische
oder Karbid-Flächendichtung
sein. Ein Teil der Flächendichtung
ist am Gehäuse 10 befestigt,
während
der andere Teil der Flächendichtung
an der Antriebswelle 20 befestigt ist. Derartiges wird
nachstehend mit Bezug auf 5 genauer
erläutert.
Die Flächen
an der Dichtung liegen in unmittelbarer Nähe zueinander, wobei sie nur
durch einen dünnen
Film des Hydrauliköls
getrennt sind, das schließlich
aus einem Reservoir 31 kommt, das innerhalb der Antriebswelle 20 gebildet
ist. Wie für
den Fachmann auf dem Gebiet zu erkennen ist, sollte der Druck im
Reservoir 31 auf einem ausgewählten Betrag über dem
maximalen Druck des Schlamms innerhalb des Bohrstrangs in der Position
des MWD-Instruments gehalten werden, so dass ein kleines Leck des Öls zwischen
den Flächen
der Flächendichtung
aufrechterhalten werden kann. Ein solches Leck schmiert die Dichtung
und verhindert eine Ansammlung von Verunreinigungen vom Schlamm
auf den Flächen
der Dichtung.
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Wie
vorstehend mit Bezug auf 1A erläutert, wird
das MWD-Instrument einem breiten Bereich eines Schlammdrucks innerhalb
des Bohrstrangs ausgesetzt. Die Kompensation des Drucks im Reservoir 31 ist
folglich erforderlich, um den gewünschten hydraulischen Druck
in Bezug auf den Schlammdruck zu erhalten. Im vorliegenden Beispiel
kann ein Druckkompensator so beschaffen sein, dass er beispielsweise
eine Kompensationsdruckreferenz umfasst, die der höchste erwartete
Druck im Bohrschlamm nahe dem MWD-Instrument ist, um ein Schlammeindringen
durch die Flächendichtung
und in das Reservoir 31 zu verhindern. Alternativ kann
die Kompensationsdruckreferenz auf dem Druck liegen, der durch die
Flächendichtung
im Bohrschlamm erfahren wird. Im vorliegenden Beispiel kann ein
solcher Druckkompensator eine Drucköffnung im oberen Ende der Antriebswelle 20 umfassen.
Eine solche Öffnung
kann in oder nahe der Speerspitze 20A angeordnet sein,
wie bei 16 gezeigt, oder kann alternativ nahe der Flächendichtung
angeordnet sein, wie bei 16A gezeigt. Die Drucköffnung (ob 16 oder 16A) schafft
eine hydraulische Verbindung zwischen dem Schlamm nahe dem oberen
Ende des MWD-Instruments und einem zentralen Kanal oder Durchgang 22,
der sich entlang des Inneren der Antriebswelle 20 erstreckt.
Wenn die Öffnung
in oder nahe der Speerspitze 20A angeordnet ist, dann wird
der auf die Schmierkammer aufgebrachte Kompensationsdruck auf dem
maximalen Schlammdruck an irgendeinem Teil des MWD-Instruments gehalten.
Wenn die Öffnung 16A nahe
der Flächendichtung
angeordnet ist, dann ist der auf die Schmierkammer aufgebrachte Druck
im Wesentlichen derselbe wie der durch die Flächendichtung im Bohrschlamm
erfahrene.
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Am
unteren Ende des Durchgangs 22 befindet sich in einer eingeschlossenen
Kammer innerhalb der Antriebswelle 20 eine Schlammkammer 24. Die
Schlammkammer 24 ist angeordnet, um eine Fluidbewegung
von der Schlammkammer 24 in ein Reservoir 31 zu
verhindern, das auch in der eingeschlossenen Kammer innerhalb der
Antriebswelle 20 angeordnet ist, jedoch eine Druckverbindung
dazwischen ermöglicht.
Die Druckverbindung zwischen der Schlammkammer 24 und dem
Reservoir 31 wird durch einen Kompensatorkolben 26 durchgeführt, der
mit der Innenwand der eingeschlossenen Kammer innerhalb der Antriebswelle 20 dichtend
und beweglich in Eingriff steht. Der Kompensatorkolben 26 kann
sich frei der Länge
nach innerhalb der eingeschlossenen Kammer bewegen, so dass der
hydrostatische Druck in der Schlammkammer 24 frei zum Reservoir 31 übertragen
wird. Der Kompensatorkolben 26 kann ein Rückschlagventil 28 umfassen,
um eine Entweichung von Hydrauliköl im Reservoir 31, das
durch Wärmeausdehnung
mit Druck beaufschlagt wird, zu ermöglichen. Folglich wird der
Fluiddruck, der im Bohrschlamm nahe dem oberen Ende des MWD-Instruments zu irgendeinem
Zeitpunkt existiert, durch den Hydraulikkanal mit der Öffnung (16 oder 16A),
dem Durchgang 22, der Schlammkammer 24 und dem
Kompensatorkolben 26 zum Reservoir 31 übertragen.
Der Druck im Reservoir 31 ist folglich jederzeit zumindest
gleich dem Schlammdruck in der Position, in der der Schlammdruck
größer ist
als in irgendeiner anderen Position nahe dem MWD-Instrument.
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Das
Reservoir 31 steht mit dem inneren Abschnitt (Schmierkammer)
des Gehäuses 10,
der zwischen der oberen Lager- und Dichtungsanordnung 34 und
der unteren Lager- und Dichtungsanordnung 30 definiert
ist, in hydraulischer Verbindung. Folglich wird das Öl im Schmierkammerabschnitt
des Gehäuses 10 jederzeit
auf dem höchsten
Schlammdruck im Bohrstrang, der nahe dem MWD-Instrument existiert, gehalten. Folglich
wird erwartet, dass unter keinen Umständen der Druck im Schlamm nahe
der oberen Dichtungs- und Lageranordnung 34 den Druck im Reservoir 31 (und
folglich in der Schmierkammer) überschreitet.
Die untere Lager- und Dichtungsanordnung 30 wird auf einer
Seite dem Atmosphärendruck
innerhalb des Gehäuses 10 ausgesetzt
und eine Abdichtung gegen eine Schlammeindringung ist keine Erwägung in
deren Dichtungskonstruktion.
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2 zeigt
eine äußere Ansicht
des Gehäuses 10,
des Stators 12, des Rotors 14 und der Antriebswelle 20.
Die Öffnung 16 und
die Speerspitze 20A sind auch in 2 gezeigt.
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Es
sollte auch deutlich verständlich
sein, dass die Erfindung im Schutzbereich nicht auf eine MWD- und/oder
LWD-Instrumentierung vom so genannten ”Sonden”-Typ begrenzt ist. Im vorliegenden Beispiel
ist das MWD-Instrument in einem Gehäuse angeordnet, das dazu konfiguriert
ist, das Innere des Bohrstrangs (112 in 1A)
zu durchlaufen, so dass es möglich
ist, das MWD-Instrument aus dem Bohrstrang zu entfernen, wobei der
Bohrstrang noch im Bohrloch (110 in 1A) angeordnet
ist. Das Prinzip der Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf
so genannte ”Schwerstangenbasis”-MWD- und/oder LWD-Instrumente
anwendbar, wobei die aktiven Komponenten des Instruments in einem
schwergewichtigen, dickwandigen Segment des Bohrstrangs angeordnet
sind, das ”Schwerstange” genannt
wird.
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Unter
einigen Umständen
ist es möglich, dass
der Schlamm in der Schlammkammer (24 in 1B)
gefriert. Um eine Beschädigung
am Kompensationssystem zu verhindern, kann in einem Beispiel eine
Gefrierschutzvorrichtung in der Schlammkammer (24 in 1B)
enthalten oder angeordnet sein. 3 zeigt
ein Beispiel einer solchen Gefrierschutzvorrichtung. Die Gefrierschutzvorrichtung kann
einen Metallbalg 36 umfassen, der zumindest teilweise mit
einer relativ unkomprimierbaren Flüssigkeit 38 gefüllt ist.
Der Balg 36 ist vorzugsweise so konstruiert, dass er einem
Bersten beim höchsten
erwarteten Fluiddruck in der Schlammklammer Widerstand leistet.
Im Fall, dass der Schlamm in der Schlammkammer teilweise oder vollständig gefroren wird,
kann der Balg 36 zerbersten, um die durch ein solches Gefrieren
verursachte Ausdehnung zu absorbieren. Eine Beschädigung am
Druckkompensationssystem kann somit verhindert werden.
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Ein
weiteres Beispiel eines Druckkompensationssystems ist in einer aufgeschnittenen
Ansicht in 4A und 4B gezeigt.
In 4A kann zuerst der obere Abschnitt der Antriebswelle 20 eine
abnehmbare Umhüllung 40A umfassen. Die
Umhüllung 40A kann
von der Antriebswelle 20 entfernt werden, wenn die Antriebswelle 20 vom
Gehäuse 10 demontiert
wird, wie z. B. während
Reparatur- und Wartungsprozeduren.
In einem Beispiel kann die Antriebswelle 20 der Länge nach
trennbar sein, so dass ein Zugang zur Umhüllung 40A erhalten
werden kann, ohne die ganze Antriebswelle 20 vom Gehäuse 10 zu
entfernen.
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Die
Umhüllung 40A kann
darin eine innere Kammer definieren, die mit einer Elastomerblase 40 gefüllt sein
kann. Die Blase 40 kann an ihrer Außenseite mit dem Schlammdruck
innerhalb des Bohrstrangs durch eine Öffnung 16B, die durch
die Wand der Umhüllung 40A ausgebildet
ist, in hydraulischer Verbindung stehen. Ein Inneres der Blase 40 kann mit
dem Durchgang 22 innerhalb der Antriebswelle 20 hydraulisch
verbunden sein. Folglich wird der Schlammdruck in der Position des
höchsten
Drucks zum Inneren der Antriebswelle 20 wie im vorherigen Beispiel übertragen,
wobei der Unterschied darin besteht, dass sich das Ölreservoir
in das obere Ende der Antriebswelle 20 erstreckt. Die Blase 40 kann eine
ausreichende Menge an Öl
speichern, so dass das Leck, dessen Auftreten während des Bohrens zwischen
einer oder mehreren ”Verbindungen” (Bohrvorgänge, bei
denen die Schlammpumpen gestoppt werden und ein Segment eines Rohrs
zum Bohrstrang hinzugefügt
oder vom Bohrstrang entfernt wird) erwartet wird, höchstens
kleiner als die Kapazität
der Blase 40 ist. Während
einer Verbindung fällt
der Schlammdruck außerhalb
der Blase 40 auf den hydrostatischen Druck der Schlammsäule und ein
Blasennachfüllsystem
mit einem geringfügig
höheren Öldruck,
das nachstehend weiter erläutert
werden soll, füllt
die Blase 40 mit Öl
nach. Bohrvorgänge können dann
sicher fortfahren. Ein innerer Durchgang 22 in der Antriebswelle 20 kann
darin ein Schrader- oder ähnliches
Rückschlagventil 17 umfassen, so
dass ein oberes Ende der Antriebswelle 20 entfernt werden
kann, wenn ein solches Ölnachfüllsystem
mit Druck beaufschlagt wird. Das Schrader-Ventil 17 schließt sich
bei der Trennung des oberen Abschnitts der Antriebswelle 20,
so dass der Druck im Nachfüllsystem
beibehalten wird. Eine Öffnung 23 vom
Inneren des Durchgangs 22 zu einer inneren Kammer innerhalb
des Gehäuses 10 kann
ausgebildet sein, wie in 4A gezeigt.
Die innere Kammer innerhalb des Gehäuses 10 dient im Wesentlichen demselben
Zweck wie die Kammer, die zwischen der oberen und der unteren Lager-
und Dichtungsanordnung definiert ist, die mit Bezug auf 1B beschrieben
sind, d. h., die Ölschmierung
an den Lagern 34, 32, 30 aufrechtzuerhalten
und den Eintritt von Schlamm in das Gehäuse 10 auszuschließen.
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Im
vorliegenden Beispiel kann der Druckkompensator einen Wärmeausdehnungs-Kompensatorkolben 42 umfassen,
der nahe dem mittleren Lager 32 innerhalb des Gehäuses 10 und
außerhalb
der Antriebswelle 20 angeordnet ist. Der Wärmekompensatorkolben 42 kann
durch eine Feder 44 oder eine ähnliche Vorrichtung vorbelastet
sein und kann mit der Außenseite
der Antriebswelle 10 dichtend in Eingriff stehen, um einen
Druck auf das Öl
im Druckkompensationssystem ausüben
oder entlasten zu können.
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Das Ölnachfüllsystem
umfasst einen Nachfüllreservoirkolben
(48 in 4B), der im ringförmigen Raum
zwischen dem Gehäuse 10 und
der Antriebswelle angeordnet ist. Der Nachfüllreservoirkolben 48 ist
durch eine Feder 46 vorbelastet, um einen Druck in dem Öl, das im
Nachfüllreservoir
(49 in 4B) angeordnet ist, auf einem
ausgewählten Druck über dem Öldruck in
der Blase 40 zu halten. Während Verbindungen, wenn der
Druck in der Blase 40 auf den hydrostatischen Druck in
der Schlammsäule
zurückkehrt,
existiert ein geringfügig
höherer Druck
im Nachfüllreservoir
(49 in 4B). Öl im Nachfüllreservoir 49 strömt dann
durch den Durchgang 22 in der Antriebswelle 20,
um die Blase 40 auf den höheren Druck im Nachfüllreservoir 49 zu
belasten. Das Vorangehende füllt
die Blase während
Verbindungen mit Öl
nach. Eine Öffnung
zur Außenseite des
Gehäuses 10 kann
eine Kompensation schaffen, wenn Öl aus dem Nachfüllreservoir 49 während Verbindungen
verloren geht.
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In 5 kann
in einem Beispiel die Flächendichtung
in der oberen Lager- und
Dichtungsanordnung 34 gegliedert sein, um die Begrenzungen
der Verwendung von Elastomeren zu vermeiden. Im vorliegenden Beispiel
kann das Gehäuseflächendichtungselement
(nicht rotierendes Element) 54 an einem Ende eines Metallbalgs 52 wie
z. B. durch Klebebindung oder Hartlöten befestigt sein. Das andere Ende
des Balgs 52 kann am Gehäuse 10 befestigt sein.
Das rotierende Flächendichtungselement 56 kann
an der Antriebswelle 20 oder einer geeigneten Vorrichtung,
die an der Antriebswelle 20 befestigt ist, befestigt sein.
Durch Einschließen
des Balgs 52 ist es möglich,
eine gewisse axiale Fehlausrichtung zwischen dem rotierenden Flächendichtungselement 56 und
dem festen Flächendichtungselement 54,
die durch eine Biegung der Antriebswelle 20 verursacht wird,
zu ertragen, während
ein Festfressen und eine Extrusionsbeschädigung, die an einem Elastomergelenkelement
für die
Flächendichtung
auftreten können,
vermieden werden. Die Flächendichtung
kann eine längere
Betriebszeit ohne Ausfall unter Verwendung der in 5 gezeigten
Gelenkvorrichtung aushalten.
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Beispiele
eines Bohrlochinstruments gemäß den verschiedenen
Aspekten der Erfindung können eine
bessere Flächendichtungsleistung,
eine verringerte Möglichkeit
für Schlammeindringen
und eine längere
Dichtungslebensdauer aufgrund der hierin beschriebenen verbesserten
Druckkompensation und Dichtungsgliederung aufweisen.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird der Fachmann auf dem Gebiet, der von dieser
Offenbarung profitiert, erkennen, dass andere Ausführungsformen
entwickelt werden können,
die nicht vom Schutzbereich der Erfindung, wie hierin offenbart,
abweichen. Folglich sollte der Schutzbereich der Erfindung nur durch
die beigefügten
Ansprüche begrenzt
sein.
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Zusammenfassung
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Ein
Druckkompensationssystem für
ein Bohrlochinstrument, das mit einem Bohrstrang gekoppelt ist,
umfasst eine Welle, die in Bezug auf ein Instrumentengehäuse drehbar
montiert ist. Eine Schmierkammer, die im Instrument enthalten ist, weist
mindestens ein Lager zum drehbaren Abstützen der Welle auf. Die Schmierkammer
umfasst eine Flächendichtung,
die an einer Fläche
mit der Welle und an einer anderen Fläche mit dem Gehäuse gekoppelt
ist. Ein Druckkompensator stellt eine hydraulische Verbindung zwischen
der Schmierkammer und dem Inneren des Bohrstrangs her. Der Kompensator umfasst
eine Barriere gegen eine Fluidbewegung zwischen der Schmierkammer
und dem Inneren des Bohrstrangs. Die Barriere ermöglicht eine
Druckverbindung dazwischen. Der Kompensator umfasst eine Druckverbindungsöffnung,
die sich zwischen der Barriere und einem Abschnitt der Welle, der
dem Inneren des Bohrstrangs ausgesetzt ist, erstreckt.
