DE19619258A1 - Verankerungsvorrichtung mit einklappbaren Armen und mit einstellbarer Flexibilität für Bohrlochwerkzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verankerungsvorrichtung mit ein­ klappbaren Armen und einstellbarer Flexibilität, die so ausge­ legt ist, daß sie intermittierend im Inneren eines Bohrlochs, in das sie am Ende eines Kabels hinabgelassen wird, ein Werkzeug (oder eine Sonde), die mit einer Meßvorrichtung ausgestattet ist, hält, welche insbesondere zur seismischen Prospektion an­ wendbar ist; und hat auch eine eine solche Vorrichtung verwen­ dende Eingriffsanordnung zum Gegenstand.

Ein solches Werkzeug oder eine solche Sonde können ausgestattet sein beispielsweise mit seismischen Aufnehmern oder Sensoren wie Geophonen, welche seismische Wellen vom Typ P oder S sammeln, die über eine Quelle für seismische Störungen übertragen wurden, wobei die Quelle beispielsweise an der Oberfläche angeordnet ist, und welche durch unterirdische Diskontinuitäten zurückge­ worfen werden.

Ausgestattet ist die Sonde beispielsweise mit einer Meßvorrich­ tung, die zum Studium der angetroffenen geologischen Formationen oder zur Realisierung von Operationen der seismischen Prospek­ tion der durch das Sondierungsbohrloch durchsetzten Formationen bestimmt ist.

Die Werkzeuge oder Sonden werden in Bohrlöcher am Ende eines Kabels herabgelassen, das meist ein Elektroträgerkabel ist. Sie sind im allgemeinen mit einem oder mehreren Schwenkarmen ver­ sehen, die man durch Antriebsmittel nach Wunsch schließen oder öffnen kann. Bei Anwendungen auf dem Gebiet der Geophysik bei­ spielsweise sind die seismischen Aufnehmer derart angeordnet, daß sie mit ausreichender Kraft gegen die Wandung des Bohrlochs durch das Öffnen der Verankerungsarme gepreßt werden. Es ist üblich, um eine ausreichende Kopplung zu erhalten, daß die Ver­ ankerungskraft gleich dem mehrfachen des Gewichtes des Werkzeugs ausmacht.

Die das Verschwenken der Arme ermöglichenden Antriebsmittel können vom hydraulischen Typ sein. Ein elektrischer von einer Oberflächeninstallation ausgesteuerter Motor treibt eine hydrau­ lische Pumpe an, die mit Fluid unter Druck entweder einen ein­ zigen Stellzylinder speist, der auf die Schwenkarme vermittels Nebenpleuelstangen wirkt oder Stellzylinder, die direkt auf die Schwenkarme wirken. Die auf die Arme ausgeübte Kraft ist unab­ hängig von ihrem. Abstand bezogen auf das Gehäuse der Sonde.

Diese Antriebsmittel können auch elektromechanische sein, bei­ spielsweise eine endlose Schnecke umfassen, die unter Drehung durch einen Elektromotor angetrieben ist, der ebenfalls von der Oberfläche aus gesteuert ist. Die Drehung der Schnecke bewegt oder verschiebt eine Mutter, an der ein oder mehrere Nebenpleu­ elstangen fest sind, die mit den Schwenkarmen verbunden sind. Aus Sicherheitsgründen, damit die Arme immer, selbst im Falle des Stillstands des Antriebsmotors zurückgezogen werden können, können die Nebenpleuelstangen an einem Ring oder einer Ring­ scheibe befestigt werden, gegen die sich eine Feder abstützt. Deren Entspannung führt dazu, die Ringscheibe zu beaufschlagen und eine Spreizung der Arme hervorzurufen. Der Motor wird nur für das Schließen der Arme verwendet. Die Bewegung der durch die Drehung der endlosen Schnecke gesteuerten Mutter führt zur Ent­ fernung der Ringscheibe und zur Kompression der Feder. Im Falle des Stillstands des Motors ermöglicht der Rücklauf der Ring­ scheibe, verbunden mit der Kompression der Feder, die Annäherung der Arme.

Diese Ausbildungen mit elastischer Verbindung haben den Nach­ teil, daß die zum Erhalt einer erheblichen Abstützkraft erfor­ derlichen Federn auf dem Gebiet der Geophysik beispielsweise meistens schwer und platzraubend sind, was die Konstruktion der Werkzeuge relativ geringen Querschnitts verkompliziert, wenn sie an die der allgemein gebohrten Bohrlöcher angepaßt wird.

Die Verankerungsvorrichtung nach der Erfindung ermöglicht die intermittierende Verankerung eines Werkzeugs oder einer Sonde, die in ein Bohrloch, verbunden mit einer Oberflächeninstallation durch ein Elektroträgerkabel, durch Verschiebung oder Bewegung eines Verankerungselements, herabgelassen werden, beispielsweise eines beweglichen Arms, der, bezogen auf das Gehäuse des Werk­ zeugs zwischen einer zurückgezogenen Stellung nahe dem Gehäuse und einer Spreizstellung, gelenkig ist, indem die Nachteile vermieden werden, die mit der Verwendung von Federn zur Erzeu­ gung elastischer Öffnungskräfte verknüpft sind.

Sie umfaßt, angeordnet im Gehäuse des Werkzeugs, eine hydrauli­ sche Pumpe, welche durch Antriebsmittel betätigt wird, wobei ein Kolben dicht einen länglichen Hohlraum des Gehäuses in zwei Kammern unterteilt, wobei der Kolben in dem Hohlraum unter der Wirkung von zwei Gegenkräften beweglich oder verschiebbar ist.

Sie zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine Druckgasreserve umfaßt, um eine erste dieser beiden Kräfte in einer zweiten Kammer zu erzeugen, wobei die zweite Kraft auf Befehl in der ersten Kammer durch ein hydraulisches Fluid erzeugt wird, das durch die hydraulische Pumpe über ein Magnetventil geliefert wird, wobei die Entspannung des Gases die Neigung hat, den Kol­ ben in einer Richtung derart zu bewegen, daß eine Öffnung jedes Verankerungselements hervorgerufen wird; die zweite Kraft wird dafür verwendet, dieses bewegliche Element zu schließen.

Die Bewegungsmittel jedes Verankerungselementes umfassen bei­ spielsweise einen hydraulischen Stellzylinder, der gebildet ist durch einen Zylinder, wo eine Nebenpleuelstange gleitet, der Kolben umfaßt eine Stange, die dicht in einer mit hydraulischem Fluid gefüllten Kammer gleitet, wobei diese Kammer mit dem Zy­ linder jedes hydraulischen Stellzylinders in Verbindung steht.

Die Pumpe ist beispielsweise in einer Kammer des Gehäuses an­ geordnet, die mit einer Kompensationskammer zur dauernden An­ passung des Drucks des hydraulischen Fluids der Kammer mit dem außerhalb des Werkzeugs herrschenden Druck in Verbindung steht.

Um die Steifigkeit der Feder zu modifizieren, die durch das Gasvolumen in der zweiten Kammer gebildet ist, kann man bei­ spielsweise eine regelbaren Anschlag bzw. ein Querlager verwen­ den oder Elemente in der zweiten das Gas unter Druck enthalten­ den Kammer, um sein Totvolumen zu verändern, anordnen.

Die Vorrichtung umfaßt vorzugsweise Steuermittel für den Druck des Gases in der zweiten Kammer.

Die Erfindung betrifft auch eine Eingriffsanordnung für Bohr­ löcher, die sich prinzipiell dadurch unterscheidet, daß sie wenigstens ein Bohrlochwerkzeug umfaßt, welches die oben defi­ nierte Verankerungsvorrichtung verwendet, wobei dieses Werkzeug Lager für Aufnehmer bzw. Sensoren und wenigstens eine Abteilung für elektronische Adaptationsmittel der durch die Aufnehmer gelieferten Signale umfaßt.

Die Kraft, die die Verankerung jedes beweglichen Elementes in den Wandungen ermöglicht, wird hier erzeugt durch eine Druckgas­ reserve von einem Volumen und einer Masse, die wesentlich gerin­ ger als die durch die Federn in den bekannten Vorrichtungen eingenommenen sind. Die Verankerungskraft kann im übrigen leicht durch Veränderung des Begrenzungsdrucks des Gases in der zweiten Kammer vor dem Hinabgehen des Werkzeugs in das Bohrloch oder gegebenenfalls in situ vermittels einer Druckgasreserve, die im Gehäuse bzw. Körper lagert, modifiziert werden. Man kann auch die Steifigkeit dieser Gasmasse modifizieren, indem man das Verhältnis der Maximal- und Minimalvolumina dieser zweiten Kam­ mer verändert.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachstehenden Beschreibung einer Ausfüh­ rungsform, wobei beispielsweise auf die Zeichnungen Bezug genom­ men wird, in denen

Fig. 1 schematisch im Schnitt das Gehäuse des mit der Betäti­ gungsvorrichtung versehenen Werkzeugs zeigt;

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Kurve der Veränderung der durch das Gasvolumen entwickelten Kraft F1 als Funktion des Weges x des Kolbens für einen ersten Wert VM1 = 0 des Totvolu­ mens VM (Gasvolumen hinter dem Kolben in Rücklaufstellung); und

Fig. 3 zeigt ein anderes Beispiel der Kurve B der Veränderung der Kraft, entwickelt durch das Gasvolumen als Funktion der Verschiebung X des Kolbens für einen anderen Wert VM2 = 110 cm³ des Totvolumens und zum Vergleich die Kurve M der linearen Ver­ änderung der durch eine mechanische Feder entwickelten Kraft.

Das Gehäuse 1 des Werkzeugs oder die Sonde wird in ein Bohrloch 2 herabgelassen, und zwar an einem mehradrigen Elektroträgerka­ bel an sich bekannten Typs 3 hängend. Es kann mit Kraft gegen die Wandung durch Verschenken wenigstens eines oder vorzugsweise zweier Verankerungsarme 4 aus einer Rücklaufposition in Kontakt mit dem Gehäuse bis in eine Spreizstellung 41 gedrückt werden und durch eine umgekehrte Bewegung gelöst werden. Die Bewegungen jedes Verankerungsarms 4 werden durch die Translation einer Ne­ benpleuelstange 5 in einem Zylinder 6 gesteuert, der senkrecht zur Längsachse des Werkzeugs 1 angeordnet ist.

In einem zylindrischen Hohlraum 7, der gemäß der Längsachse des Gehäuses 1 angeordnet ist, gleitet ein Kolben 8, der mit Dich­ tungsausbildungen 10 versehen ist und der den Hohlraum dicht in zwei Kammern 7a und 7b unterteilt. Die erste Kammer 7a ist mit Flüssigkeit gefüllt und steht über Kanäle 11, die mit einem Steuermagnetventil (nicht dargestellt) versehen sind, mit einem zweiten Hohlraum 12 in Verbindung, der eine hydraulische Pumpe 13 enthält. Diese Pumpe 13 wird durch einen Elektromotor 14 betätigt, der über Leiter 15 mit den Leitern des Elektroträger­ kabels 3 verbunden ist. Die zweite Kammer 7b auf der anderen Seite des Kolbens 8 enthält ein Gas unter Druck.

Die Stange 9 zu beiden Seiten des Kolbens 8 verschiebt sich dicht in zwei koaxialen Kammern 16a, 16b, die den ersten Hohl­ raum 7 jeweils an seinen beiden sich gegenüberliegenden Enden verlängert und mit einem Querschnitt, der geringer als der der beiden Kammern 7a, 7b ist.

Auf der Seite der ersten Kammer 7a ist die Kammer 16a mit hy­ draulischer Flüssigkeit gefüllt und steht mit dem Zylinder 6 über einen Kanal C in Verbindung. Der Querschnitt dieses Kanals C ist ausreichend gering gewählt, um ein Niederpaßfilter zu bilden, welches verhindert, daß gegen den Kolben 8 und die gas­ förmige Masse in der Kammer 7b Schwingungen übertragen werden, die auf ihn bzw. es durch die Verankerungsarme 4 übertragen werden können.

Die Kammer 16b steht dauernd mit dem Hohlraum 13 der Pumpe in Verbindung. Der Druck des hydraulischen Fluids der Pumpe 13 wird dauernd auf einem Druck, der gleich dem im Bohrloch herrschenden hydrostatischen Druck ist, durch einen Ausgleichszylinder 17 ge­ halten, der gegen das Äußere des Gehäuses 1 öffnet, wo ein frei­ er Kolben 18 gleitet.

In Rücklaufposition, wo das Gas stärker komprimiert ist, stützt der Kolben 8 sich gegen ein Lager oder einen Anschlag 19 ab.

Die Schwingungsaufnehmer 20, wie beispielsweise ein triaxiales Geophon oder ein Triphon, sind vorzugsweise in Lagern 21 benach­ bart wenigstens eines der Punkte angeordnet, wo die Veranke­ rungskraft wirkt, die den Körper 1 des Werkzeugs gegen die Wan­ dung des Bohrlochs 2 preßt. Die Aufnehmer 20 sind über (nicht dargestellte) Leiter mit einem Verstärkungs- und Filtermodul 22 verbunden, das oder die in einer Kammer 23 des Gehäuses angeord­ net ist oder sind. Wenn mehrere Werkzeuge oder Sonden in einem Bohrloch eimerkettenartig abgelassen werden, ordnet man in der Abteilung 23 der Kopfsonde (der der Oberfläche nächsten) einen Kommunikationsmodul an, der zum Kodieren und Dekodieren der Daten bestimmt ist (Befehle der Oberflächeninstallation und durch die Bohrlochausrüstung zurückgesandte Antworten), die über die Leitungen des Elektroträgerkabels 3 übertragen werden.

Arbeitsweise:
Das Werkzeug (oder gegebenenfalls die schnur- oder eimerbecher­ artige Anordnung von Werkzeugen) wird in das Bohrloch hinabge­ lassen. Auf einer Tiefe angekommen, wo die Meßvorgänge durch­ geführt werden sollen, steuert man das Öffnen des Magnetventils an jedem Kanal 11, wodurch jeder Kolben 8 vom hydraulischen Druck freikommt, der ihn in Rücklaufposition gegen den Anschlag 19 hält. Das Gas unter Druck in der Kammer 7b schiebt dann den Kolben 8 zurück, der das Fluid in der Kammer 7a komprimiert. Der Druck des Gases wird somit auf das Fluid in den Zylindern 6 übertragen, und die Nebenpleuelstangen 5 verschieben sich und sorgen für ein Öffnen der Arme 4 bis in ihre Verankerung gegen die Wandung des Bohrlochs 2.

In Fig. 3 sind die Kurven der Veränderung der Verankerungskraft als Funktion der Verschiebung des Kolbens dargestellt, die eine P, entwickelt durch eine Gasmasse (Totvolumen 510 cm³), die andere M durch eine mechanische, sehr viel voluminösere Feder vom Durchmesser 8 cm, der Länge von 20 cm und gebildet mit dem Draht von 1 cm Durchmesser. Man sieht auch, daß die pneumatische verwendete Feder wesentlich wirksamer als eine solche mechani­ sche Feder über einen relativ langen Längungsbereich ist. Die Verwendung dieser pneumatischen Feder vereinfacht somit die Konstruktion des Werkzeuggehäuses.

Wenn die auf dieser Haltetiefe laufenden Arbeiten beendet sind und das Werkzeug oder die eimerbecherartige Anordnung von Werk­ zeugen bis auf eine unterschiedliche Tiefe verschoben werden soll, steuert man die Speisung des Elektromotors 14, um das durch die Pumpe 13 gelieferte hydraulische Fluid unter Druck zu setzen und den Kolben 8 bis zum Anschlag 19 rücklaufen zu las­ sen. Man schließt dann jedes die Kanäle 11 steuernde Magnetven­ til.

Aufgrund der Elastizität des Gases unter Druck der Kammer 7b besitzen die Arme in Öffnungsstellung eine gewisse Bewegungs­ breite, obwohl das Werkzeug jedoch bis zur Oberfläche für den Eventualfall gehoben werden kann, wo die Anordnung aus Elektro­ motor und hydraulischer Pumpe 13, 14 nicht mehr anspricht oder nicht den für einen beliebigen Grund geforderten Druck liefert.

Indem man das Verhältnis zwischen dem Maximalvolumen der Kammer 7b und dem Totvolumen (Minimalvolumen der Kammer 7b, wenn der Kolben 8 gegen den Anschlag 19 gedrückt wird) ändert, kann man in großen Anteilen die Steifigkeit der durch das Gas gebildeten Feder variieren. Man kann eine Arbeitszone wählen, wo die Stei­ figkeit K, die der Wert der Neigung der Kurve (Fig. 2) ist, wesentlich mit der Längung (Zone A) variiert oder eine andere Zone (Zone B), wo sie im wesentlichen konstant ist.

Man kann die Steifigkeit K vermittels eines regelbaren Anschlags 19 verändern oder auch indem man ein oder mehrere Scheiben in der Ringkammer 7b anordnet, derart, daß das Totvolumen vermin­ dert wird.

Die Verankerungskraft hängt ab vom Druck des Gases in der Kammer 7b. Man kann sie leicht modifizieren, indem man den Injektions­ druck des Gases entweder an der Oberfläche beim Herablassen der Werkzeuge oder während der Vorgänge, ausgehend von einem nicht dargestellten Gassammler, der unter hohem Druck steht, verän­ dert, welcher im Gehäuse der Werkzeuge angeordnet ist. Die Vor­ richtung umfaßt bevorzugt nicht dargestellte Regelmittel, die es ermöglichen, den Druck in der Kammer 7b einzustellen, um Ver­ änderungen der im Bohrloch herrschenden Temperatur entweder aufgrund Entweichens des Gases nach außerhalb des Körpers 1 oder aufgrund von Injektion vom Gassammler aus zu berücksichtigen, derart, daß eine bevorzugt im wesentlichen gleichförmige Ver­ ankerungskraft erhalten wird.

Man kann leicht verifizieren, daß das Gasvolumen, das notwendig ist, um eine Verankerungskraft gleich dem mehrfachen des Ge­ wichts des Werkzeugs oder der Sonde zu erhalten, relativ gering ist (in der Größenordnung von 100 bis 200 cm³) bezogen auf die, die eine Feder einnehmen würde, die in der Lage ist, eine äqui­ valente Verankerungskraft zu liefern.

Man verläßt nicht den Rahmen der Erfindung, wenn man jeden be­ weglichen Arm 4 durch irgendein äquivalentes Verankerungselement ersetzt: Kolben, Schuh etc., das durch Wirkung auf die Neben­ pleuelstangen verschiebbar ist.

Man verläßt auch nicht den Rahmen der Erfindung, wenn man eine einzige gemischthydraulisch-pneumatische Betätigungsvorrichtung verwendet, wie sie oben beschrieben ist, die in einen Hauptson­ denkörper eingesetzt ist, um das Öffnen der Arme von mehreren Satellitensonden zu steuern, die mit der Hauptsonde durch Ver­ bindungseinrichtungen verbunden sind, wie sie beispielsweise beschrieben sind in den französischen Patentschriften FR 2 636 741 und FR 2 685 139.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum intermittierenden Verankern eines Werkzeugs oder einer Sonde (1), die in ein Bohrloch (2) mit einer Ober­ flächeninstallation durch ein Elektroträgerkabel (3) verbunden ist, durch Verschieben wenigstens eines Verankerungselements (4), beispielsweise eines beweglichen am Werkzeuggehäuse ange­ lenkten Arms, zwischen einer zurückgezogenen Stellung benachbart dem Gehäuse und einer Spreizstellung hinabgelassen wird, wo sie in der Wand des Bohrlochs verankert ist, in Zuordnung zu Ver­ schiebungsmitteln, die, im Werkzeuggehäuse angeordnet, eine hydraulische Pumpe (13) umfassen, die durch Antriebsmittel (14) betätigt ist, wobei ein Kolben (8) dicht einen länglichen Hohl­ raum (7) des Gehäuses in ein oder zwei Kammern (7a, 7b) trennt, wobei der Kolben (8) im Hohlraum (7) unter der Wirkung von zwei Gegenkräften verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Druckgasreserve zur Erzeugung einer ersten dieser beiden Kräfte in der zweiten Kammer (7b) umfaßt, wobei die zweite Kraft bei Steuerung in der ersten Kammer (7a) durch ein hydraulisches Fluid erzeugt wird, das durch die hydraulische Pumpe (13) gelie­ fert wird, vermittels eines Magnetventils, wobei die Entspannung des Gases versucht, den Kolben (8) in einer Richtung derart zu verschieben, daß er ein Öffnen jedes Verankerungselements (4) hervorruft, und die zweite durch die hydraulische Pumpe (13) erzeugte Kraft zum Schließen dieses beweglichen Elementes Ver­ wendung findet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsmittel jedes Verankerungselements einen hydrau­ lischen Stellzylinder umfassen, der durch einen Zylinder (6) gebildet ist, wo eine Nebenpleuelstange (5) gleitet, wobei der Kolben (8) eine Stange (9) umfaßt, die dicht in einer Kammer (16a) gleitet und die mit einem hydraulischen Fluid gefüllt ist, wobei diese Kammer (16a) mit dem Zylinder jedes hydraulischen Stellzylinders in Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pumpe in einer Kammer (12) des Gehäuses (1) angeordnet ist, die mit einer Kompensationskammer (17, 18) zur datierenden Adaptation des Drucks des hydraulischen Fluids der Kammer (12) mit dem außerhalb des Werkzeugs (1) herr­ schenden Drucks in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie Mittel umfaßt, um die Steifigkeit der durch das Gasvolumen in der zweiten Kammer (7) gebildeten Feder zu modifizieren.

5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zum Modifizieren der Steifigkeit einen regelbaren Anschlag (19) umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Modifizierung der Steifigkeit Elemente umfassen, die in der zweiten Kammer, um ihr Volumen variieren zu lassen, angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sie Steuermittel für den Druck des Gases in der zweiten Kammer (7b) umfaßt.

8. Eingriffsanordnung für Bohrlöcher, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein Bohrlochwerkzeug (1) umfaßt, welches die Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet, wobei dieses Werkzeug Lager für Aufnehmer oder Sensoren (20) und wenigstens eine Abteilung (21) für elektronische Adaptations­ mittel der durch die Aufnehmer (20) gelieferten Signale umfaßt.

9. Eingriffsanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß sie mehrere Bohrlochwerkzeuge umfaßt, wobei die Vorrichtung verwendet wird, um das Manöver der Ver­ ankerungselemente mehrerer dieser Bohrlochwerkzeuge zu steuern.