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Die Erfindung betrifft eine Bohrlochabweichungsmeßvorrichtung, die
Meßsignale mittels der Bohrspülung, in diesem Falle einer Luftspülung, nach über
Tage sendet und die aus-einem langgestreckteri Körper mit axialem Durchflußkanal
für die Bohrspülung und einem Impulserzeuger in diesem Kanal besteht, wobei der
Impulserzeuger ein stationäres und ein bewegliches rohrförmiges Teil aufweist und
wobei das letztere durch die Bohrlochspülung betätigt wird und in Abhängigkeit von
der Bohrlochabweichung Impulse in dieser erzeugt werden.
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Derartige Vorrichtungen zum Messen von Bohrlochabweichungen sind in
den USA.-Patentschriften 2 435 934 und 3 176 407 beschrieben. Bei diesen bekannten
Vorrichtungen werden in der Spülflüssigkeit Druckimpulse erzeugt, die über Tage
zur Anzeige des Abweichungswinkels von der Vertikalen herangezogen werden. Diese
Signale werden in einer Anzahl erzeugt, die entweder direkt oder umgekehrt proportional
zum Abweichungswinkel des Bohrgestänges aus der Vertikalen im Bereich des Bohrkopfes
ist. Derartige Vorrichtungen sind bei richtiger Überwachung des auf den Bohrkopf
aufzubringenden Gewichtes von erheblichem Vorteil, um den Fortgang des Bohrvorganges
in vertikaler Richtung in der gewünschten Weise ausführen zu können. Dem Bedienungsmann
wird hierdurch die Beurteilung der Wirksamkeit des Bohrers erheblich erleichtert,
wie es in der Technik wohlbekannt ist.
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Bisher war es bei diesen Vorrichtungen üblich, die Signalerzeugungsvorrichtung
während einer Unterbrechung der Spülung in Betrieb zu setzen, wobei die Unterbrechung
der Spülung eine Aufwärtsbewegung eines auf den Durchflußdruck ansprechenden Kolbens
längs einer Reihe von Verengungen gestattet, während die Wiederaufnahme der Spülung
eine Abwärtsbewegung des Kolbens entlang einer gewissen Anzahl der Verengungen bewirkt,
wobei die Stelle, an der der Kolben zum Stillstand kommt, mit dem Abweichungswinkel
des Bohrgestänges aus der Vertikalen oder genauer gesagt, einer Schwerstange, in
der das Instrumentengehäuse zusammen mit dem Kolben angeordnet ist, in Beziehung
steht.
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Bei diesen Vorrichtungen sind auf Schwerkraft ansprechende Mittel
vorgesehen, um die Aufwärtsbewegung des Kolbens in einer besonderen Beziehung -zu
dem Winkel der Schwertstange unmittelbar oder reziprok zu begrenzen. Wenn jedoch
Luft oder Gas nachfolgend einfach als Luft bezeichnet zur Spülung verwendet wird,
zeigt die typische Druckimpulserzeugungsvorrichtung, die in einer Flüssigkeitssäule
deutlich unterschiedliche Signale liefert, Mängel, die hauptsächlich auf die Zusammendrückbarkeit
der Luft zurückzuführen sind. Wenn eine Flüssigkeit verwendet wird, dann können
große Spielräume zwischen den üblichen Impulsringen und dem sich bewegenden Kolben
hingenommen werden. Wenn jedoch Luft benutzt wird, müssen die Spielräume, die einen
Luftverlust zulassen, auf ein Minimum beschränkt oder so gesteuert werden, daß bei
Abwärtsbewegung des Kolbens in Abständen abwechselnd eine angemessene Druckminderung
und eine Druckerhöhung auftreten, die ausreichen, um Drucksignale zu erzeugen, die
an einem über Tage angeordneten Druckmeßgerät oder Aufzeichnungsgerät klar unterscheidbar
sind.
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Demzufolge besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung einer
Bohrlochabweichungsmeßvorrichtung der eingangs erwähnten Art, die besonders für
Bohrungen geeignet ist, bei denen Luft zur Spülung benutzt wird. Diese Vorrichtung
soll einfach im Aufbau und daher wirtschaftlich herstellbar sein, gleichzeitig aber
auch deutlich unterscheidbare Drucksignale erzeugen, die über Tage wahrgenommen
werden können.
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Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
bewegliche Teil auf dem Umfang mindestens eine Öffnung aufweist und der stationäre
Teil aus perforierten Abschnitten und nicht perforierten Abschnitten besteht.
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Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung können sich die
Teile bei fluchtenden Öffnungen relativ zueinander verdrehen, ohne dadurch den erforderlichen
Durchflußquerschnitt nachteilig zu beeinflussen, so daß Führungselemente, wie Keile
od. dgl., zur Sicherstellung der ordnungsgemäßen Ausrichtung der Öffnungen zueinander
in Fortfall kommen.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes, die eine
einfache und wirtschaftliche Fertigung gestattet, sieht vor, daß das bewegliche
Rohr koaxial in dem stationären Rohr angeordnet ist.
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Eine bevorzugte Ausführung des Erfindungsgegenstandes zeichnet sich
dadurch aus, daß die Öffnungen jedes der Rohre durch Schlitze gebildet sind, die
länger sind als die nicht mit Schlitzen versehenen Abschnitte. Durch diese Bemessung
der Schlitze wird sichergestellt, daß immer ein ausreichender Durchgangsquerschnitt
unabhängig von relativen Winkelstellungen der Rohre zueinander vorhanden ist.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zur Bewegung
des Rohres eine Kolbenstange mit diesem verbunden ist, eine Feder die Kolbenstange
beaufschlagt und eine schwerkraftabhängige Vorrichtung das Ausmaß der Bewegung des
beweglichen Rohres aus der Anfangsstellung heraus begrenzt. Mit dieser Anordnung
wird eine äußerst wirksame und zuverlässig arbeitende Vorrichtung bei sehr einfachem
Aufbau erzielt.
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Weiterhin kann gemäß der Erfindung das bewegliche Rohr einen nicht
mit Öffnungen versehenen Abschnitt aufweisen, welcher länger ist als der perforierte
Abschnitt des stationären Rohres.
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Ein Ausführungsbeipiel des Erfindungsgegenstandes soll nunmehr an
Hand der Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigt F i g.1 die Vorrichtung gemäß
der Erfindung im Längsschnitt, die ein in einem stationären Rohr koaxial angeordnetes
durch den Abwärtsstrom der zur Spülung benutzten Luft abwärts druckbaren Rohr aufweist,
F i g. 2 einen Teillängsschnitt, in dem das bewegliche Rohr nach Unterbrechung des
Abwärtsstromes der Spülluft in einer aufwärts bewegten Stellung gezeigt ist, F i
g. 3 einen Teillängsschnitt entsprechend F i g. 2, in dem das stationäre bewegliche
Rohr bei der Wiederaufnahme des Abwärtsstromes der Spülluft eine den Durchgang freigebende
Stellung einnimmt, F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der F i g. 3. F i g.1
zeigt eine gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung, die in einer Schwerstange
C, bestehend aus einem Hauptkörper 1, einem Gewindeansatz aufweisenden oberen Endteil
2 sowie einem mit Innengewinde versehenen unteren Endteil 3 zur Herstellung einer
Schraubverbindung mit dem Bohrestänge an-C,
geordnet ist. Das obere
Endteil 2 weist eine Kappe 4 auf; die beispielsweise durch eine Schraubverbindung
(nicht gezeigt) lösbar mit dem Hauptkörper 1 verbunden ist, so daß die Vorrichtung
im Hauptkörper 1 eingebaut werden kann. Diese Vorrichtung umfaßt einen Impuls oder
Signalerzeugungsabschnitt P und einen Pendelabschnitt S, welch letzter ein Gehäuse
5 aufweist, an dessen unterem Ende sich eine Bodenstütze 6 in Form eines Armsterns
mit Durchflußkanälen 7 befindet; diese Bodenstütze sitzt auf einer Schulter 8 am
Boden des Hauptkörpers 1 auf. Das Gehäuse 5 des Abschnittes S ist durch einen Armstern
9 mit Durchflußkanälen 10 mit dem Signalerzeugungsabschnitt P verbunden, der ein
Gehäuse 11 aufweist, das sich im Hauptkörper 1 nach oben erstreckt und mit einem
oberen Flansch 12 versehen ist. Über dem Flansch 12 sind zwischen den Stirnflächen
des Gehäuses 11 und der Kappe 4 nach oben erstreckt zwei elastische Dichtungsringe
13 angeordnet, wodurch der gesamte Einbau der Vorrichtung in der Schwerstange C
mit der Bodenstütze 6 auf der Schulter 8 aufsitzend in Stellung gehalten ist.
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Der Impulserzeugungsabschnitt P besteht aus einem Rohr 15, das bei
16 an den Flansch 12 des Gehäuses 11 angeschweißt oder mit dem Gehäuse in einem
Stück hergestellt ist. An seinem oberen Ende ist das Rohr 15 mit einer Gesteinfangvorrichtung
in Form eines Ringes 17 vorgesehen, die durch Federringe 18 im Rohr 15 gehalten
ist und mehrere Querstifte 19 oder andere Elemente aufweist, um zu verhindern; daß
Gesteinschutt in die Vorrichtung fällt. In axialer Richtung des Rohres 15 sind abwechselnd
mit Abstand voneinander Abschnitte mit Öffnungen 20 und Abschnitte 21 ohne Öffnungen
vorgesehen. Die öffnungen 20 führen von dem durch das Rohr 15 gebildeten Durchflußkanal
in den zwischen dem Rohr 15 und dem Gehäuse 11 gebildeten Ringraum 22.
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Im Rohr 15 ist ein Rohr 23 gleitend geführt, dessen Länge so bemessen
ist, daß es sich bis zu einem Punkt über die oberste Öffnung 20 im Rohr 15 hinaus
erstreckt, wenn es sich in seiner tiefsten Stellung befindet (F i g.1), und so alle
Öffnungen 20 schließt. In dem beweglichen Rohr 23 sind mehrere Öffnungen 24, im
Ausführungsbeispiel zwei axial auf Abstand gehaltene Sätze von Öffnungen 24, vorgesehen,
die sich in der tiefsten in F i g. 1 gezeigten Stellung des beweglichen Rohres 23
unter dem unteren Ende des stationären Rohres 15 befinden. Der axiale Abstand der
Öffnungen 24 des beweglichen Rohres 23 entspricht den axialen Abständen zwischen
den öffnungen 20 des stationären Rohres 15, so daß die öffnungen 20 und 24 zur Deckung
gebracht werden können, wenn das Rohr 23 aufwärts im Rohr 15 bewegt wird. Am unteren
Ende ist das bewegliche Rohr 23 durch einen Kolben 25 abgeschlossen. Zwischen dem
Rohr 23 und dem Kolben 25 sind Dichtungen 26 vorgesehen, während zur Verbindung
des Rohres 23 mit dem Kolben 25 ein Federring 27 od. dgl. dient.
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Es ist ersichtlich, daß bei der in F i g.1 gezeigten Stellung des
Kolbens 25, d. h. in seiner tiefsten Stellung, die Öffnungen 24 im Rohr 23 einen
Durchlaß für Spülluft nach unten durch die Rohre 15 und 23 bildet, der nach außen
in den obenerwähnten Ringraum 22 führt. Von dort kann die Spülluft durch die Öffnungen
10 des Armsterns 9 nach unten, entlang der Außenseite des Pendelabschnittes 5 der
Vorrichtung und durch die Öffnungen 7 der Bodenstütze 6 strömen. Ein so verlaufender
Luftstrom hält den Kolben 25 und das Rohr 23 in der unteren, in F i g.1 gezeigten
Stellung.
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Der Pendelabschnitt S weist eine das obere Ende des Gehäuses 5 durchsetzende
mit dem Kolben 25 i verbundene Kolbenstange 30 auf. Innerhalb des Gehäuses 5 ist
eine Feder 31 angeordnet, die die Kolbenstange 30 aufwärts drückt, wenn der den
Kolben 25 abwärts drückende Spülluftstrom unterbrochen ist. Im Gehäuse 5 sind Anschläge
zur Begrenzung der Aufwärtsbewegung der Kolbenstange 30 vorgesehen, die entsprechend
dem Abweichungswinkel der Schwerstange C und damit der Bohrung aus der Vertikalen
wirksam werden. Wie aus F i g.1 ersichtlich, umfaßt diese Einrichtung ein Pendel
32, das unterhalb der Kolbenstange 30 mittels eines Bügels 33 schwingend
gelagert ist und einen Kopf 34 aufweist, der eine Anschlagschulter bildet, die entsprechend
der Neigung der Schwerstange C mit von mehreren axial auf Abstand gehaltenen ringförmigen
Gegenanschlägen 35 von fortschreitend abnehmendem Durchmesser in Eingriff gebracht
werden kann. Es ist ersichtlich, daß die Winkellage der Schwerstange C relativ zu
dem infolge seiner Schwerkraftabhängigkeit vertikal von seinem Schwenkpunkt herabhängenden
Pendel 32 den vom Pendelkopf 34 zu erfassenden Anschlag 35 bestimmt und daß, während
in der dargestellten Ausführungsform die zulässige Aufwärtsbewegung des Pendels
und der Kolbenstange in reziproker Beziehung zur Winkellage der Schwerstange C steht,
d. h., je größer der Winkel, desto kleiner der Weg des beweglichen Rohres 23. Der
Einbau kann auch ein Kodiersystem einschließen, das eine direkte Beziehung zwischen
dem Winkel und dem Ausmaß der Kolbenstangenbewegung ermöglicht, wie es in der obenerwähnten
USA.-Patentschrift 3 176 407 offenbart ist.
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In jedem Fall führt die Abwärtsbewegung des KoT bens 25 und des damit
verbundenen beweglichen Rohres in Abhängigkeit von einem Durchfluß von Spülflüssigkeit
oder Luft durch bestimmte Öffnungen 24 und 20 zur Erzeugung eines Drucksignals in
dem Luftstrom, das über Tage wahrgenommen werden kann, um so den Winkel der Schwerstange
C anzuzeigen. Damit die Impulse lang genug sind, um sich von normalen Druckschwankungen
im Spülluftstrom leicht zu unterscheiden, ist im Pendelgehäuse 5 eine gewisse Menge
sauberen Öls vorgesehen, das durch eine Drosselanordnung mit mehreren Drosselscheiben
36 verdrängt wird, wobei die Drosselscheiben 36 in einem Kanal 37 eines Gehäuseteiles
39 des Pendelgehäuses 5 angeordnet sind, das zwischen Federringen 40 und an seinem
oberen Ende einen Sitz für den Pendelkopf 34 bildet. Im Gehäuseteil 39 sind ein
Umgehungskanal 41 und ein nach unten schließendes Rückschlagventil 42 vorgesehen,
um dem Öl im Gehäuse 5 während der Aufwärtsbewegung des Pendels 32 einen freien
Durchtritt nach oben durch den Gehäuseteil 39 zu gestatten.
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Ein Dichtungsring 43 zwischen dem oberen Ende des Gehäuses 5 und der
Kolbenstange 30 und eine Druckausgleichsvorrichtung unter dem Gehäuseteil 39 halten
das Öl im Gehäuse 5 eingeschlossen. Die Druckausgleichsvorrichtung ist im Ausführungsbeispiel
eine Membrane 44, es kann jedoch auch ein frei beweglicher Kolben verwendet werden.
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Es werden nunmehr unter Bezugnahme auf die F i g. 2 bis 4 die Einzelheiten
des Ausführungsbeispieles des die Signale erzeugenden Abschnittes P
hinsichtlich
der Ventilwirkung der Rohre 15 und 23 ausführlicher beschrieben.
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F i g. 2 zeigt, daß der Kolben 25 und die damit verbundene Kolbenstange
30 in einer Aufbohrung 25 a des Rohres 15 und durch einen Federring 27 gehalten
sind.
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In F i g. 2 haben sich außerdem der Kolben 25 mit dem Rohr 23 aus
der in F i g.1 gezeigten Stellung nach oben bewegt, was bei einer Unterbrechung
der Abwärtsströmung der Spülluft durch das Bohrgestänge eintreten würde, z. B.,
wenn an das Gestänge ein weiterer Rohrabschnitt angesetzt wird. Es ist ersichtlich,
daß die Aufwärtsbewegung des Kolbens durch das Pendel 32 begrenzt wird, wenn es
an einem der Gegenanschläge 35 angreift, so daß die jeweilige Begrenzung der Aufwärtsbewegung
der Kolbenstange 30 eine Funktion der Winkellage der Schwerstange C zur Vertikalen
ist. Da die Öffnungen 24 des beweglichen Rohres 23 in den nicht mit öffnungen versehenen
Abschnitten 21 des stationären Rohres 15 liegen, sind die Öffnungen
20 des stationären Rohres 15 durch das bewegliche Rohr 23 geschlossen. Somit
strömt bei Wiederaufnahme der Spülung eine Mindestluftmenge um den Signalerzeugungsabschnitt
P herum, wenn darin Druck entwickelt wird. Wenn der Druck einen Wert erreicht, bei
dem eine Kraft erzeugt wird, die auf den Kolben 25 und das Rohr 23 nach unten wirkt,
um die nach oben gerichtete Kraft der Feder 32 zu überwinden, dann bewegen
sich der Kolben und das Rohr 23 nach unten in die in F i g. 3 gezeigte Stellung,
in welcher die Öffnungen 24 des beweglichen Rohres 23 mit einem Satz der Öffnungen
20 des stationären Rohres 15 fluchten, so daß in diesem Augenblick der Luftdruck
absinkt, da die Spülluft durch die miteinander fluchtenden Öffnungen strömen kann,
wie es durch die Pfeile in F i g. 4 gezeigt ist. Sodann setzen der Kolben und das
Rohr 23 ihre Abwärtsbewegung infolge des auf den Kolben wirkenden dynamischen Spülluftdruckes
fort, bis die Öffnungen 24 des beweglichen Rohres 23 durch einen keine Öffnungen
aufweisenden Abschnitt 21 des stationären Rohres 15 geschlossen sind, was eine Druckzunahme
bewirkt und ein Drucksignal erzeugt, das über Tage angezeigt oder registriert werden
kann. Es liegt auf der Hand, daß die Anzahl der so erzeugten Signale die Anzahl
der nicht mit Öffnungen versehenen Abschnitte 21 des Impulsrohres wiedergibt, die
von den Öffnungen 24 des beweglichen Rohres 23 bei seiner Abwärtsbewegung überquert
wurden, wobei die ; Länge dieses Weges von dem Ausmaß der anfänglichen Aufwärtsbewegung
des Kolbens 25 unter der begrenzenden Steuerung des Pendels abhängig ist.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der Durchflußquerschnitt
durch die Öffnungen 20 und ; 24 bei deren Fluchtlage groß genug sein sollte, um
einen erheblichen Druckabfall im Vergleich zu dem Druck zu ermöglichen, der herrscht,
wenn der Durchgang durch die Öffnungen verschlossen ist, so daß ein deutliches Drucksignal
erzeugt wird; jedoch muß dieser Durchflußquerschnitt genügend eingeengt sein, damit
nicht Luft in solchem Ausmaß ausströmt, daß die fortgesetzte Abwärtsbewegung des
Kolbens mit dem Rohr 23 entgegen der Wirkung der Feder 31 unmöglich gemacht wird.
Da die Luftdurchflußbedingungen bei verschiedenen Bohrungen schwanken können, ist
es klar, daß die lösbare Verbindung des beweglichen Rohres 23 mit dem Kolben 25
einen Austausch von Rohren 23 mit verschiedenen öffnungsquerschnitten möglich macht,
wenn dies erforderlich ist.
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Es hat sich jedoch erwiesen, daß die in F i g. 2 bis 4 im einzelnen
gezeigte Anordnung hinsichtlich der zuverlässigen Erzeugung von über Tage empfangenen
deutlichen Drucksignalen recht befriedigend ist. In diesem Zusammenhang ist zu beachten,
daß die Öffnungen 20 des stationären Rohres 15 und die Öffnungen 24
des beweglichen Rohres 23 jeweils in Form langgestreckter Schlitze vorgesehen sind,
die sich über den Umfang der entsprechenden Rohre erstrecken und durch um 120° voneinander
auf Abstand gehaltene Rohrabschnitte 15 a und 23 a (F i g. 4) unterbrochen
sind, wobei die Öffnungen 20 eine größere Winkelausdehnung haben als die
Abschnitte 23 a und die Öffnungen 24 eine größere Winkelausdehnung haben
als die Abschnitte 15 a.
Daher ist, wie bereits oben erwähnt, die relative
Ausrichtung der Rohre 15 und 23 um ihre gemeinsamen Längsachse für den reinen Durchflußbereich
der Öffnungen ohne Bedeutung, wenn sie miteinander fluchten.
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Wenn in dieser Beschreibung die besonderen Einzelheiten einer Ausführungsform
der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, können doch Abwandlungen und Veränderungen
vorgenommen werden, ohne von dem Gedanken und Bereich der Erfindung abzuweichen,
wie er in den Ansprüchen niedergelegt ist.