DE2135726B2

DE2135726B2 - Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch

Info

Publication number: DE2135726B2
Application number: DE2135726A
Authority: DE
Inventors: Jean-Piere le Pau Peuvedic; Claude Billere Quichaud
Original assignee: Societe Nationale Elf Aquitaine Production SA
Current assignee: Societe Nationale Elf Aquitaine Production SA
Priority date: 1970-07-16
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1981-06-04
Also published as: FR2096920A1; BE770039A; US3756076A; FR2096920B1; GB1353939A; DE2135726C3; JPS5033001B1; NL7109756A; DE2135726A1; AU3127271A; NL166309C; AU466771B2; CA932317A; NL166309B

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche mittels in der Spülflüssigkeit durch Steuerung ihrer Durchflußmenge erzeugten Druckimpulsen, mit einem von den Meßwerten entsprechenden elektrischen Impulsen über einen Hydraulikkreis gesteuerten Durchflußdrosselorgan, einer von der Spülflüssigkeit angetriebenen Turbine und einer von dieser angetriebenen Pumpe in dem Hydraulikkreis, der zusätzlich einen Druckspeicher und eine in einem Hydraulikzylinder auf der einen Seite eines mechanisch mit dem Drosselorgan verbundenen Kolbens endende Druckleitung umfaßt.

Eine derartige Vorrichtung beruht auf einem diesseitigen, nicht zum Stand der Technik gehörigen Vorschlag (DE-AS 20 32 612). Dieser Vorrichtung haftet ein gewisser Mangel noch insofern an, als der die Stellung des Drosselorgans steuernde Hydraulikkreis nicht vollständig von der Spülflüssigkeit getrennt ist. Zum einen führen nämlich Druckschwankungen in der Spülflüssigkeit infolge deren Verbindung mit dem Druckspeicher auch zu Druckschwankungen in der Hydraulikflüssigkeit, zum anderen ist der den Kolben enthaltende Hydraulikzylinder auf einer Seite über eine Bohrung unmittelbar mit der Spülflüssigkeit verbunden, so daß die Gefahr besteht, daß Bohrschlamm in den Hydraulikzylinder gelangt.

Aus der US-PS 28 98 088 ist zwar bereits eine

Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch bekannt, bei der der Hydraulikkreis von dem Spülflüssigkeitskreis völlig getrennt ist; dort wird jedoch auf eine Turbine und eine von dieser angetriebene Pumpe völlig verzichtet und die notwendige Energie zur Betätigung des Drosselorgans stattdessen aus dem Druckabfall der Spülflüssigkeit über _ei_ne gewisse Länge deren Strömungsweges gewonnen. Der Hydraulikkreis umfaßt dabei einen doppeltwirkenden κι Hydraulikzylinder und einen aus einem federbelasteten Ventil bestehenden Druckbegrenzer. Das Drosselorgan wird durch eine elastische, zylindrische Manschette gebildet, die von außen her mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist und dann den Durchflußquerschnitt is für die Spülflüssigkeit verringert. Zur Umformung der Meßwerte in elektrische Impulse und zur Betätigung des in dem Hydraulikkreis tbenfalls enthaltenen Magnetventils ist eine elektrische Batterie erforderlich.

Aus der US-PS 29 64 116 ist des weiteren eine ganz ähnliche Vorrichtung bekannt, bei der jedoch der Kolben des doppeltwirkenden Hydraulikzylinders mechanisch mit dem Drosselorgan verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der einleitend angegebenen Gattung dahingehend zu vervollkommnen, daß der Hydraulikkreis zur Steuerung des Drosselorgans vollständig getrennt von dem Spülflüssigkeitskreis ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben doppeltwirkend ausgebildet ist, der ι« Hydraulikkreis eine weitere, auf der anderen Seite des Kolbens in dem Hydraulikzylinder endende Druckleitung umfaßt und einen Druckbegrenzer enthäl*, der aus einem federbelasteten Nadelventil besteht, durch das eine die Druckseite der Pumpe mit deren Saugseite J5 verbindende Öffnung verschließbar ist, und daß die Pumpe auf der Saugseite mit einer Kammer in Verbindung steht, deren eine Wand aus der Fläche eines Ausgleichskolbens gebildet ist, dessen andere Fläche dem Druck der Spülflüssigkeit ausgesetzt ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Vorrichtung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Spezialgestänge, das die Zentralhydraulik an der Sohle mit der Energie liefernden Turbine enthält. Ein solches Gestänge hat äußere Gewinde entsprechend der A PI-Norm und kann ohne Schwierigkeiten an irgendeinem Punkt der Sonde, vorzugsweise unmittelbar hinter dem Bohrwerkzeug angebracht so werden.

Fig.2 zeigt die hydraulischen Kreisläufe, die

erforderlich sind zum Antreiben der Organe, wie

Ventile, Schieber, Lappenventile oder Nadelventile, die

die Verringerung des Umlaufes des Bohrschlammes

v> hervorrufen.

Das Spezialgestänge, das die zentrale Hydraulik enthält, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, besteht aus den Enden 2 mit Normgewinden zur Einfügung in die Sonde, eine überdimensionierte Bohrung, die zu den genannten Gewinden paßt und dazu bestimmt ist, die inneren Einrichtungen und einen Abschluß 11 zum Festhalten dieser Einrichtungen aufzunehmen.

Die inneren Einrichtungen sind in einem eng anliegenden Rohr 3 enthalten, das die Turbine 4 mit der Spülungs-Verringerungsvorrichtung oder dem Schieber 5 verbindet. Der ringförmige freie Raum zwischen der Bohrung des Gestänges I und dem Rohr 3 erlaubt den Durchfluß der Bohrflüssigkeit von dem Schieber 5 zu

der Turbine 4.

Die festen und die beweglichen Schaufeln 7 und 8 der Turbine 4 üblicher Bauart werden festgehalten durch die Schraubengewinde 9 und 10 im Turbinen'iörper 4 auf der Welle 6, die einen angemessenen Abschluß darstellt

Die Bohrflüssigkeit geht durch eine Reihe von Löchern durch die feststehenden Schaufeln, die an dem oberen Teil des Körpers 4 angebracht sind, axial zu dem unteren Teil der Turbine, um die Bespülung des Bohrwerkzeuges auf übliche Weise sicherzustellen.

Die Welle 6 der Turbine wird von der Stütze 13 gehalten und treibt direkt die Welle 24 der Pumpe 28 für die Steuerflüssigkeit an, die sich im unteren Teil des hydraulischen Kreislaufes befindet Die Welle 6 geht hierbei durch eine Dichtung 12 und treibt auch in bestimmten Fällen selbständige Vorrichtungen an, die elektrische Energie liefern, z. B. einen kleinen Generator 14.

Der mittlere Teil des Rohres 3, der im ein'elnen in der Zeichnung 2 beschrieben wird, enthält die zentrale Hydraulik, aus der die Steuerstange 57 des Nadelventiles 16 kommt, das zusammen mit dem Sitz 15 die Verringerungen des Durchflusses des Bohrschlammes bewirkt

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Verwendung eines Nadelventiles 16 in Verbindung mit dem Sitz 15, denn die hydraulische Betätigung der Schieberstange 57 erlaubt es auch, anderen Arien von Vorrichtungen zu Durchflußverringerungen einzusetzen, wie Schieber mit Hahnkegel oder Schieber, die mit jo mehrfachen Sitzen ausgeglichen sind.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der hydraulischen Kraftvorrichtung, die einen Restriktionsschieber betätigen soll.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung geht aus der j5 Betrachtung der F i g. 2 klar hervor. In F i g. 2 enthält das Rohr 3 alle hydraulischen Elemente, die zwischen einem oberen Abschluß 65 und dem oberen Enue 61 des Turbinenkörpers· 4, das mit dem Rohr 3 verschraubt ist, gehalten wird. Von unten nach oben findet man: die hydraulische Pumpe 28, den Begrenzungskörper 30, der einen Ausgleichskolben 31 hat, den Sammelbehälter 41, die Basis 53 der Schiebersteuerung oder des Elektroschützes, schematisch dargestellt in 50, den Deckel 54 und den Zylinder 55. Alle diese Elemente haben eine zylindrische Form, die sich dem Inneren des Rohres 3 anpaßt, und besitzen auf ihren äußeren, planen Flächen Verbindungsöffnnngen, die mit Abdichtungen, wie einer Ringdichtung, versehen sind. Diese Art erlaubt die Durchführung von zylindrischen Einstückblöcken, die so gegen Stöße und Bohr-Vibrationen absolut beständig sind und einen geringen Durchmesser haben, der zu den üblichen Bohreinrichtungen paßt. Um die Vibrationskräfte dieser Elemente zu verringern, werden sie vorzugsweise aus Leichtmetall-Legierungen auf Basis Aluminium hergestellt, das den Vorteil eines verringerten Gewichts und eines guten Wärmedurchgangswertes bietet Das Einbringen der verschiedenen Stücke und das Durchbohren der Rohrleitungen werden in den Körpern der einzelnen Teile ausgeführt, die äußeren öffnungen der Leitungen, die für die Einrichtung verwendet wurden, werden dann verschlossen mit Pfropfen 33, wenn der hydraulische Kreislauf es erfordert

Die Pumpe 28 ist eine Zahnradpumpe, angeordnet in einem Gehäuse 25, gestützt von Rollen 27 und versehen mit einer Dichtung 26 gegen die Welle 24; aber natürlich können auch andere Pumpen verwendet werden. Diese Pumpe saugt die Steuerflüssigkeit z. 8. Öl, aus dem Vorrat 34 des Begrenzungskörpers 30 an, der mit dem Vorrat 47 des Sammelgefäßes 41 direkt über die Leitung 64 verbunden ist Der Vorratsraum 34 hat eine bewegliche Fläche in Form des Ausgleichskolbens 31, dessen andere Seite in Verbindung steht mit dem Druck der Bohrflüssigkeit über die öffnung 35. Zweck dieser beweglichen Fläche ist es, die Ausdehnung des Öles oder einer anderen Steuerflüssigkeit zuzulassen und die offensichtliche Verringerung des Gesamtvolumens, verursacht durch die Bewegung der Schieberstange 57, zu kompensieren.

Unmittelbar über dem Vorratsbehälter 34 befindet sich der regelbare Druckbegrenzer. Die Pumpe 28 staut die Flüssigkeit unter Druck in der Leitung 32 und dem Sitz 36, der durch das Nadelventil 37 des genannten Begrenzers verschlossen ist Wenn der Druck einen vorbestimmten Wert erreicht hat, entspricht der Druck auf dem Nadelventil 37 der Kraft der Feder 38, die über die Schraube 39 gespannt wird. Das Nadelventil beginnt sich dann zu öffnen und läßt einen Teil der unter Druck stehenden Flüssigkeit nach 34 zurückfließen. Eine Erhöhung der Förderung der Pumpe 28 z. B. durch Erhöhung der Geschwindigkeit der Turbine erhöht den Druck nicht, und zwar infolge dieses Begrenzers.

Die unter Druck gestaute Flüssigkeit in der Leitung 32 geht dan;) durch das Filter 40, das Verunreinigungen zurückhält die die Arbeitsweise der Steuereinrichtung beeinträchtigen könnten.

Die filtrierte Flüssigkeit wird unter Druck durch die Leitung 44 zu dem Vorrat 48 geführt. Dieser unter Druck stehende Vorrat befindet sich in dem Sammelbehälter, der die Form eines zylindrischen Blockes hat und in Verbindung steht mit einem oder mehreren Kolben 42, die in dem Sammelbehälter 41 verschoben werden können und auf der einen Seite unter dem Druck der Pumpe und auf der anderen Seite unter dem Saugdruck der Pumpe, vermehrt um die Kraft einer oder mehrerer Federn 43 stehen, die vorgespannt sind. Der obere Teil des Vorrats 48 ist durch einen dichten Stopfen 45 verschlossen. Die Konstruktion des Sammlerblockcs ist die gleiche wie die des Begrenzerblockes.

Besonders die Leitung 44 für unter Druck stehende Flüssigkeit und die Leitung 46 für die Rückführung wie auch die Zylinder und die angeschlossenen Leitungen sind direkt aus dem Metall herausgearbeitet, das eine Leichtmetall-Legierung von Aluminium sein kann.

Über dem Sammelgefäß, das unter Druck steht, befindet sich eine Basis 53, auf der das Steuerorgan, schematisch in 50 dargestellt, befestigt ist. Dieses Steuerorgan kann eine Schiebersteuerung oder ein Elektroschütz sein.

Der Steuerzylinder der Restriktionsvorrichtung wird gebildet von einem Zylinder 55 und einem Kolben 56, der von dem Schaft 57 betätigt wird. Die Verschiebung des Kolbens 56 kann sowohl von unten nach oben wie auch von oben nach unten erfolgen, je nachdem der Druck der Flüssigkeit von unten oder oben auf den Kolben wirkt Die Leitungen 51 und 52 verbinden die beiden Flächen des Kolbens mit dem Steuerorgan, um diese Arbeitsweise zu ermöglichen.

Das Steuerorgan wird von einem elektrischen Signal betätigt und kann auf zwei verschiedene Spulen einwirken. Wenn eine der Spulen angeregt ist, bewirkt dies die Verbindung der unter Druck stehenden Flüssigkeit mit einer Seite des Kolbens des Zylinders einerseits und die Verbindung der Flüssigkeit auf der Saugseite der Pumpe mit der anderen Seite des Kolbens

andererseits. Wird die andere Spule erregt, werden die Verbindungen umgewechselt, und der Kolben kann sich in die andere Richtung bewegen. Wenn keine Spule erregt ist, gibt es keine Verbindung, und der Kolben kann sich nicht bewegen.

Der Druck der Pumpe 28, die ständig von der Turbine mitgetrieben wird, die ihrerseits von der Bohrflüssigkeit angetrieben wird, hält den Vorrat 48, der die Steuerflüssigkeit enthält unter Druck, die im Falle des Überschreitens des Druckes in einem Nebenzweig : kreist dank des Druckbegrenzers Nadelventil) 37, dessen einstellbare Feder es erlaubt diese Druckgrenze einzustellen.

Die Daten, die sich z. B. auf die Härte des Gesteins beziehen und mit Hilfe von hier nicht dargestellten Empfängern erhalten werden, die sich in der Nähe des Bohrwerkzeuges befinden, werden in elektrische Signale umgesetzt, die den gemessenen Größen entsprechen.

Diese Signale werden in den elektronischen Kreisen behandelt oder kodiert die sich in den Kästchen 22 befinden und mit elektrischer Energie von eigenen Schwachstromeinrichtungen gespeist werden, wie einem kleinen Generator 14, der auch von der Turbine 4 angetrieben wird. Am Ende dieser Kodierung verfügt man über elektrische Impulse kleiner Stärke, die das Steuerorgan der hydraulischen Flüssigkeit betätigen können. Um einen hydraulischen Impuls in Form einer augenblicklichen Druckerhöhung der Bohrflüssigkeit zu erhalten, liefern die elektrischen Kreise in den Kästchen 22 einen kurzen elektrischen Impuls an die Spule des Steuerorgans 50, das die Verschiebung des Zylinderkol-

, bens in die Richtung bewirkt, die eine starke Durchflußverringerung zur Folge hat. Darauf folgt sofort ein zweiter kurzer elektrischer Impuls an die Spule des Steuerorgans 50, wodurch der Zylinderkolben in die Stellung zurückgeholt wird, in der keine

,. Durchflußverringerung erfolgt. Die elektrischen Impulse, die kodiert sein können, werden mittels Drähten 58, die durch den Zylinderblock 55 gehen, an das Steuerorgan der hydraulischen Flüssigkeit, z. B. an die Spulen des Steuerorgans 50, übertragen. Das Steueror-

. gan öffnet nacheinander den Zustrom der Flüssigkeit zu der einen und der anderen Seite des Kolbens 56 des Zylinders 55. Die Kolbenbewegung bewirkt nacheinander die Schließung und die öffnung des Nadelventiles 16, dessen Kolben mit dem erstgenannten verbunden ist.

■,, Durch die Feder 43, die die Energie von der Pumpe 28 aufnimmt, wird der Kolben 56 schnell und kraftvoll in den beiden Richtungen bewegt. Dadurch erfolgt eine energische und augenblickliche Verringerung des Stromes der Bohrflüssigkeit die im Inneren der Sonde

: -, kreist Diese Verringerung liefert Druckimpulse, die an die Oberfläche übertragen und dort festgestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche mittels in der Spülflüssigkeit durch Steuerung ihrer Durchflußmenge erzeugten Druckimpulsen, mit einem von den Meßwerten entsprechenden elektrischen Impulsen über einen Hydraulikkreis gesteuerten Durchflußdrosselorgan, einer von der Spülflüssigkeit angetriebenen Turbine und einer von dieser angetriebenen Pumpe in dem Hydraulikkreis, der zusätzlich einen Druckspeicher und eine in einem Hydraulikzylinder auf der einen Seite eines mechanisch mit dem Drosselorgan verbundenen Kolbens endende Druckleitung umfaßt,, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (56) doppeltwirkend ausgebildet ist, der Hydraulikkreis eine weitere, auf der anderen Seite des Kolbens (56) in dem Hydraulikzylinder (55) endende Druckleitung (52) umfaßt und einen Druckbegrenzer enthält, der aus einem federbelasteten Nadelventil (37) besteht, durch das eine die Druckseite der Pumpe (28) mit deren Saugseite verbindende Öffnung (36) verschließbar ist, und daß die Pumpe (28) auf der Saugseite mit einer Kammer (34) in Verbindung steht, deren eine Wand aus der Fläche eines Ausgleichskolbens (31) gebildet ist, dessen andere Fläche dem Druck der Spülflüssigkeit ausgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (28) parallel zu dem Druckspeicher für die Hydraulikflüssigkeit liegt und der Druckspeicher aus mindestens einem Zylinder besteht, der einen Kolben (42) enthält, dessen eine Fläche mit der Druckseite der Pumpe und dessen andere Fläche mit der zusätzlich federbelasteten Saugseite der Pumpe (28) in Verbindung stehen.