DE2018511A1 - Vorrichtung zum Messen der auf eine Bohrleitung ausgeübten Beanspruchung - Google Patents

Description

INSTITUT FRANCAIS DU PETROLB DES OARBURANTS ET LUBRIFIANTS

/ Frankreich

Vorrichtung zum Hessen der auf eine Bohrleitung ausgeübten Beanspruchungen

Sie Erfindung besieht eich auf eine Vorrichtung, die eine Fernüberwachung und Fernmessung der auf eine Bohrleitung wirkenden Beanspruchungen oder Spannungen erlaubt.

Sie soll brauchbar sein, um Fernnessungen der Beanspruchungen oder Belastungen vomunehmen, die aus Zug- oder Biegekräften resultieren oder auf Toraionemomente zurückzuführen sind, welohe /sämtlich, auf die Bohrleitung ausgeübt werden.

Die Fernmessung der auf eine Bohrleitung ausgeübten Beanspruchungen kann erfolgen, indem auf dieser Leitung, oder allgemein auf ein hiermit fest verbundenes Teil Einrichtungen

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der Dehnungesaeßstreifenart angeordnet werden. Leider ist das so hergestellte MeS- bzw, Ermittlungssystem nur dann aus reichend empfindlich, wenn das Teil, auf dem die Dehnungsmefietreifen angeordnet sind, sloh im Betrieb unter den Einfluß angelegter Belastungen verformt.

Dieses Verhalten gegenüber der Verformung, das durch eine norgfältige Auswahl des dieses Teil bildenden Materials an» Ort der Dehnungsmeßstreifen und durch eine Verminderung von dessen Querschnitt gesteigert werden kann, ist eine Forderung, fe die oft nur mit großen Schwierigkeiten in Einklang mit der Forderung nach ausreichender mechanischer Festigkeit für dieses Teil gebracht werden kann, wobei diese mechanische Festigkeit unerläßlich für den in Betracht gezogenen Fall ist, wo es einen Teil einer Bohrleitung bildet, welche erhöhten Beanspruchungen ausgesetzt ist und deren Bruch folgenschwere Konsequenzen nach sich ziehen würde.

Erfindungsgemäß aoll also eine für eine Bohrleitung geeignete Vorrichtung vorgeschlagen werden, die gleichzeitig eine große Empfindlichkeit gegen die Auswirkung der Beanspruchungen und eine mechanische Festikeit aufweisen soll, die ausreicht, um bei Einhaltung aller Sicherheiten eine ungewollte erhebliche P Zunahme dieser Belastungen auezuhalten.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung, die sich auszeichnet durch die Kombination: eines verformbaren an die Bohrleitung angesetzten Elementes, wobei dieses Element enpfindllch gegen die Auswirkung von auf diese Leitung In wenigstens einer Richtung wirkenden Beanspruchungen und Bit Einrichtungen zum Messen oder Eraitteln dieser Beanspruchungen ausgestattet 1st, welche mit dieser Bohrleitung Zugeordneten. ?ermeßleitungen verbunden sind; und eines Sicherheit·- elementes, &ajn in de/ Lage ist, ungewollt oder zufällig erhöhte Werte dieser Beanspruchungen auszuhalten; und von Verbindungen

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einrichtungen »wischen diesen teiden Elementen, die eo ausgelegt sind, daß sie eine begrenzte Verschiebung dieses empfindlichen Elementes in dieser Sichtung Bezogen auf dieses Sicherheiteelement unter dem Einfluß einer Verformung dieses empfindlichen Elementes ermöglichen, welche aus der Aufbringung dieser Beanspruchungen resultiert und wobei diese Verbinäuagseinrichtungen weiterhin in der Lage sind; dieses empfindliche Element gegen das Sicherheitselement abzustützen, wenn der Wert der Belastung in dieser Richtung einen festgesetzten Schwellenwert überschreitet.

Diese Verbindungseinrlchtungen können beispielsweise aus wenigstens einem Keil bestehen, der diese Elemente verbindet, von denen wenigstens eines eine begrenzte Verschiebung in wenigstens einer Richtung gegenüber diesem Keil auBBuführen in der Lage ist.

Nach einer anderen Ausftihrungsform werden dieee Elemente durch Verschrauben mittels koapfementärer Gewinde verbunden, die eine begrenzte Relativverschiebung dieser Elemente in wenigstens einer Richtung unter den Einfluß von an .dieses eupfindliche Eleoent gelegten Belastungen erlauben.

B&0 empfindliche Element und das Sicherheitselement eind Vorzugs· weise zwei röhrenförmige konzentrische Elemente, die jeweils mit dem oberen Teil und den unteren Teil der Leitung verbunden sind, wobei das Sicherheiteelement vorzugoweise das empfindliche Element umgibt, damit die Dicke der Wandung dieses SicherheltB-elementes, die für dieses empfindliche Element größer ist, nicht eine Verminderung des Durchg&ngsquerschnittes für den Durchfluß der Bohrspülung In dieser Leitung am Ort dieser i'ernneßeinrichtung nach eich sieht.

Zwei beispielsweise Aue'fttorungeformen der Erfindung sollen nun .. anhand des beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden» in denen

Fig. 1 eine erste Ausfüfcrungsform aeigt;

Fig. 2 zeigt die lage eines Verbindmigskeils »wischen Sicherheit eelem ent und erapfindlichem Element; für einen Wert Null, dr auf letzteres ausgeübten Belastung;

Fig. 2A aeigt die Lage eines Verbindungskeile im Anschlag gegen das Sicherheiteelement, wenn die Zugspannung einen festen Schv/ellenwertjuberschreitet;

yig. 2J3 zeigt in analoger Weise die Grenze te llung eines Ver- ^ binöungokeils, wenn die Torsionsbeanspruchungen einen

gewählten Schwellenwert überschreiten;

Fig. 3 eeigt eine gegenüber Fig. 1 abgeänderte Ausfiibrungeforn»;

die Pig. 4 und 4A entsprechend dieser Variante zeigen eine

Vorrichtung gleich der in den Tig* 2 bzw. 2B dargestellten;

die Fig. 5 und 5A zeigen ein anderes Mittel zur Sicherung eines relativen Axialepieles zwischen dem empfindlichen Element und dem Sicherheitselement der Vorrichtung.

ja den verschiedenen Pig. wurden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente benutzt.

In Pig, 1, wo eine erste AußfÜhrungsfona einer Fernmeßeinrichtung: für Spannungen oder Beanspruchungen dargestellt ist, die an einer Stelle einer Bohrleitung zur Wirkung kommen, bezeichnet 1 das empfindliche Element» welches so ausgelegt ist, daß es mit seinem Kopf mit einem ersten Teil der Leitung verbindbar ist. Dieses empfindliche Eleoent wird gebildet durch eine Hülse verminderter Dicke„ derart, daß es unter der Wirkung von auf die Leitung wirkenden Zug- und/oder Torsionsbeanspruchungen

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▼erforatoar let. Pas Beaugneeichen 2 steht für das Sioherheitselernent, welches gebildet vlrd durch ein Bohr größerer Dicke ι Welches Bit einen «weiten Teil der Bit dem Bezugsselehen 3 be- «eiebneten Leitung Terbunden ist«

Nach diesem AusfUhru&gsbeispiel werden die Verbindungseinrichtungen ewischen den Elementen 1 und 2 gebildet durch Keile, 2.B. die Keile 4, 5, 6, die am Sicherheitselement 2 fest sind '■ und Langlöcher 5a durchsetsen, von denen ein jedes dem es durchsetzenden Keil ein begrenztes Spiel in wenigstens einer -Richtung bietet (die Langlöcher können kreisförmig, wie dargestellt, sein, Bit einem Durchmesser gröSer als dem der Keile oder sie können in einer Richtung oval ausgebildet sein).

Unter diesen Bedingungen verformt das Element sichirei unter der Wirkung von Beanspruchungen, die auf die Leitung ausgeübt werden, so lange eine Beanspruchung oder Belastung in einer bestimmten Richtung, beispielsweise eine Zugspannung der Leitung (Fig. 2A) oder eine Torslonaspannung dieser Leitung (TIg. 2B) nicht einen festen Wert erreicht.

Ist diese Orenie erreicht, kommt wenigstens einer dieser Keile in Anschlag gegen den Rand eines Langlochee, dosten Profil entsprechend den filr die Yerforming des eapfindllchen Heuentes unter den Einfluß der Beanspruchungen in jeder von deren Richtungen zulässigen Grenzwert festgelegt wurden.

Diesen drenswert legt «an b.B. Bit 30 Tonnen für Zugbeanspruchungen und mit 400 mkg für Torslonsaomente fest, die auf die Bohr* leitung wirken, wobei dieae Werte selbstverständlich nur grO0enordnungsattfilg gegeben sind.

Ist dieser Orenswert erreicht, so Aimt das Sicherheit!element 2 einen Ϊ·ί1 der Kraft· auf, die bis dahin da« empfindlich· Heaent 1 allein getragen hatte. Ib Falle eines ungewollten

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Bruches dieses letßteren übernimmt das Sicherheitselement die Gesamtheit der zwischen den beiden durch die erfindungageinäße Einrichtung verbundenen Leitungstellen übertragenen Beanspruchungen,

Die Verformungen des empfindlichen Elementes werden durch DehnungsiieQstraifen festgestellt, di© von an sich bekannter Art eein könnejQ, wie z.B« der DehnuagsiieSstreifeii 7» der am sylindrisclaeia empfindlichen Element 1 längs einer seiner Braeugenden feat ist und gegen die axial© Dehnung bzw, I»ängung dieses Elementes unter dem Einfluß von Zugspannungen emfpindliöh ist und z.B. der Dehnungsmeßstreifen 8, der senkrecht zu dem Erzeugenden des Elementes 1 angeordnet und empfindlich gegen die Torsion dieses Elementes ist.

Die durch diese Dehnungsmeßstreifen gelieferten Signale weräen über die Leiter 9 fcaw» 10 au elektrische Informationeverarbeittwgskrelse 11 gelegt, wobei diese Kreise insbesondere an eich bekannte Yerstärkungseinrichtungen umfassen und die an die Oberfläche Uoer die Kabelleitung 12 die Oeeaothelt der durchgeführten Messungen übertragen.

Für den fall, wo die mit den empfindlichen Element 1 verbundene Bohrleitung eine flexible Leitung ist, in die Informations-Übertragungeleiter eingebeut sind, kann das Kabel 12 alt wenigstens einen diesar Leiter verbunden werden.

Die Speisung der elektrischen Schaltkreise 11 alt elektrischer Energie kann durchgeführt werden, indem Batterien verwendet werden, aber auch über (In der Fig. nicht dargestellte) Leiter, dl· mit der Oberfläche des gebohrten Bobrloches verbunden sind. Leiter, M.B. 13» ermöglichen as, andere MeB- oder Detektor einrichtungen mit elektrischen Strom zu versorgen, wobei

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letztere gegebenenfalls gleich den vorbeschriebenen sind und deren Informationen werden an Schaltkreise 11 über das Kabel 14 übertragen.

Ringdichtungen 22 sorgen für die Abdichtung zwischen dem Sicherheitselement 2 und dem empfindlichen Element 1 gegenüber der in der Bohrleitung zirkulierenden Bohrspülung.

Nach dem in Fig. 1 dargestellten Aueführungsbeispiel überdeckt eine äußere Schutzhülse 15 das empfindliche Element und Ringdichtungen 23 sorgen für die Abdichtung gegenüber der in der leitung und in der Ringzone zwischen der Bohrlochvandung und der Schutzhülse zirkulierenden Bohrspülung·

Aufgrund des gleichzeitigen Vorhandenseins der Sichtungen und 23 und aufgrand der ausreichenden Dicke des. Absttttzelementes 2 und der der äußeren Schutzhülse 15 let das enpfindliche Element 1 nicht der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Leitung und außerhalb ausgesetzt und somit werden die Anzeigen der Dehnungsmeßstreifen 7 und 3 bezüglich der axialen Beanspruchung und des auf die Bohrleitung wirkenden Momentes nicht durch diese hydrostatische Druckdifferenz verfälscht.

Druckgeber 16 und 17, die jeweils den Druck Ib Inneren dv Leitung und In dieser Ringzone messen, sind mit elektrischen InformatlonsTerarbeltungskrelsen über elektrische nicht dargestellte Leiter verbunden.

Flg. 3t In der die Dehnungeneßstreifen nicht dargestellt sind, genauso wenig wie die Leiter und elektrischen Schaltkreise» zeigt eine abgeänderte Ausf Uhrungefor«, nach der das Sicherheltselement 2 das empfindliche Element 1 umgibt.

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Eine mit Dichtungen 22 versehene Innenhtilse 18 schützt dieses letztgenannte Element gegen einen Kontakt mit der Bohrspülung und das Sicherheitselement 1 ist auch hier der Wirkung der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen dem Le itungsinneren und der Umgehung der Leitung durch das Sicherheitselement 2 und die Innenbuchse oder -hülse 18 entzogen (Dichtungen und 23).

Diese Anordnung ermöglicht es, dem Sicherheitselement 2 eine beliebige Wanddicke au verleihen, ohne daß man durch den minimalen Durchlaßquerschnitt begrenzt wäre, der notwendigerweise für die Bohrspülung belassen werden muß.

Ein fest mit dem empfindlichen Element 1 verbundener Keil greift mit einem gewissen Spiel in ein Langloch 20 des Sicherheitselementes 2 und ist, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform, so ausgelegt, daß er in Anschlag gegen den Rand dieses Langloches kommt, wenn das an der Leitung aufgebrachte Drehmoment einen Grenzwert überschreitet.

Das empfindliche Element 1 und das Sicherheitselement 2 sind nach dieser Ausführungsform bei 21 durch Verschrauben mittels komplementärer Gewinde 21a und 21b (Fig. 5 und 5a) verbunden, die ein gewissen Spiel besitEen und es dem empfindlichen Element 1 ermöglichen, sich frei unter dem Einfluß einer Zugbeanspruchung zu längen oder zu dehnen, wobei dleaee Element eich jedoch gegen das Sicherheitselement 2 abstützt, wenn die Zugkraft ( deren Richtung durch den Pfeil in Fig. 5A angedeutet ist) einen festen Grenswert abhängig von der Zugfestigkeit des Elementes 1 erreicht.

Vorstehend konnte gegeigt werden, daß erfindungsgemäß eine Fernraeßeinrichtung vorgesftilagen wird, die durch Verminderung

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dor Dicke des Elementes 1 sehr empfindlich gemacht werden kann und doch die unerläßlichen Sieherheitsgarantieen auf« grund des Vorhandenseins des Elementes 2 bietet, welches sämtliche oder einen Teil der angelegten Beanspruchungen aufzunehmen in eier lage ist.

Eine sehr empfindliche Messung der Beanspruchungen wäre möglich ., deren V/erte in einem großen Bereich variieren können, wenn Einrichtungen, wie sie erfindungagemäß vorgeschlagen werden, in Reihe angeordnet werden, wobei das empfindliche Element jeder Einrichtung mit dem Sicherheitselement einer benachbarten Einriphtung verbunden wird und diese Einrichtungen empfindliche Elemente mit zunehmender Dicke aufweisen können deren Verformung durch Einrichtungen wie beispielsweise die Keile und die obenbeschriebenen Gewinde auf Werte begrenzt wäre ., die jeweils mit der Dicke de« empfindlichen Elementes zunehmen, um so das Brechen der fragilsten empfindlichen Elemente der aus Einrichtung«:/ naoü dei Erfindung aufgebauten Reihe Bu vermeiden.

Wie oben angegeben kann eine auf einer Bohrleitung angeordnete Einrichtung nach der Erfindung konstruktionsmäßig unempfindlich gegen den hydrostatischen Druckunterschied gemacht werden, der an der Leitung zwischen innen und außen auftreten kann.

Jedes in die Strömung der Bohrspülung hinter der erfindungsgemäßen Einrichtung eingebrachte Organ, welches einen Druckverbot in dieser Strömung hervorruft, beispielsweise ein Schieber oder eine von der Bohrspülung angetriebene Bohrturbine ruft In Betrieb vor dem Ort ihrer Anordnung in der Strömung einen dynamischen Druck hervor, dergtfBer als der Druck hinter dieser Stelle 1st.

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Diese Druckdifferenz überträgt eich durch eine axiale, dleae Leitung beaufschlagende Beanepruchung oder Belastung, wobei dieee Beanspruchung eich mit der axialen Beanepruchung aufgrund von Parametern überlagert, bei denen es sich nicht üb den Fluid-dur ensat β handelt und deren Wert mit der erfindungsgemäßen Einrichtung gemessen warden soll. . .

Eine an der Oberfläche vorgenommene Korrektur der Messung kann leicht erfolgen^ indem man von dem abgelesenen Wert die Größe ^ P^ S absieht, die das Produkt aus der Druckdifferenz im Inneren der Leitung zwischen einer Stelle vcrund einer Stelle hinter dem Ort dieses Organs zur Einführung der Druckverluete und S den Wirkquereehnitt oder Durchlaßquerschnitt repräsentiert, der der Strömung von diesem Organ*geboten wird. Die Messung von^p^ wird durch. Druckgeber, z.B. die Geber 17, geliefert.

Der Wert von S kann durch eine vorherige Eichung festgelegt werden, indem die durch die Meßeinrichtung nach der Erfindung gelieferten Wert» verglichen werden bezüglich der von der * Leitung aufgenommenen Axialbeanspruchung jeweils mit und ohne Bohrfluidairkulation, für eine festgelegte Menge dieses Fluide, bevor das Bohrwerkzeug sich auf den Boden dee Bohrlocb.ee ab~ eetet, wobei die auf das empfindliche Element 1 ausgeübte Beanspruchung «ufier der aufgrund des Fluiddurohaatzee dann bekannt und gleich.den Gewioht der Elemente der Leitung wird (Yerkieug, Sohweretangen, evtl. Bohrturbine), die unterhalb der Meßeinrichtung angeordnet sind.

Die oben angegebene Korrektur kenn selbsttätig durch eine Einrichtung vorgenommen werden» deren Konstruktion de« raann geläufig 1st und Stelleinrichtungen in !Funktion dee

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Wertes des oben definierten Querßclinittes S lanfaßt.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ■ MMiaMi ι» Ii ■ - pi π» irr« ri-tut - t»rwTT *rt »mm

   (j_J Beanspruchungen·f insbesondeisSpannungsmeßvarrichtung, die für eine Bohrleitung adaptiert XSt₁ gekennzeichnet durch die Kombination: eines verformbaren, für die Wirkung der auf die Leitung (2) wirkenden Beanspruchung in wenigstens einer Richtung erapfindlichen Elementes {1) _P das mit Detektor«· oder Ermittltmgf3©i.jiricBtungen für diese Beanspruchungen oder Spannungen versehen ist₅ welche mit der Begleitung zugeordneten Fernmeßleitern (12) verbunden sind? eines Sicherheits« W olementee (2), welches in der Lage ist, die gufällig oder ungewollt© eraöbten Werte dieses? Be.'anspruohungen aussuhaltaiii und yon Terbindungseinriclitungen zwischen diesen foeid<s.n. Elementen_{ die für eine "begrenzte Terßohie'bung dieses era·" pfiiicllichen Elementes (1) in dieser Richtung gegnüher dem Siclierheitseleraent (2) unter dem Einfluß einer Verformung dieses empfindlichen Elementes aufgrund der Beaufschlagung durch diese Beanspruchungen ausgelegt sind und dieses em~ pfindliche Element (1) gegen das Sieherheitselement (2) sich abstützen lassen, wenn der Viert der Beanspruchung oder Spannung in dieser Sichtung einen festgelegten Schwellenwert übarßchreitetο

   2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gelreiiuaeichnsb, daß diese Verbindungseinrichtungen wenigstens einen das empfindliche Element (1) und das Sicherheitselement (2) vereinigen™ den Keil (4 -6) aufweisen,■wobei wenigstens eines dieser Elemente begrenzt gegenüber diesem Keil verschiebbar ist.

   3. Vorrichtung nach .Anspruch 1, dadurch" gekennzeichnet, daß die Yerbindungseinrichtungen wenigstens ssuia Toil gebildet werden durch das Verschrauben dieser Elemente mittels korn- ' pj.ementärer Gewinde (21), die eine begrenzte .Relatiwerschiöbung dieser Elemente in wenigstens einer Riohtung ermöglichen.

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   A-* Vorrichtimg nach Anspruch. 1, vrobei dieses empfindliche Element röhrenförmig ausgebildet is~b, dadurch gekennzeichnet, daß es dem Einfluß der statischen Druckdifferenz, die durch das Bohrfluid »wischen lamenwandung und Außenwandung ausgeübt wird, aufgrund wenigstens eines röhrenförmigen Schutselementes (15) einer Dicke entzogen ist, die ausreicht, um den Druck aus* zuhalten und welches dicht wenigstens eine dieser Wandungen dieses empfindlichen Elementes überdeckt_t

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reihenanordnung mehrerer Spannungs- oder Beanspruchungsiaeßeinrichtungen (7j 8) xiobei das empfindliche Element jeder dieser Einrichtungen mit dem Sicherheitselement einer "benachbarten Einrichtung verbunden ist, liobei dieso Einrichtungen empfindliche .Elemente unterschiedlicher Dicke aufweisen, deren Verformung unter dem- Einfluß dieser Beanspruchungen oder Spannungen "begrenzt ist, durch diese Verbindungselemente auf Werte die t,':it tfei "Dicke dos empfindlichen Elementes aunehcien.

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