DE2161353C2 - Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch mittels der Bohrspülung - Google Patents

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 Durchfltißmenge erzeugten, periodischen Druckimpulse, mit einem von den Meßwerten entsprechenden elektrischen Impulsen über ein Steuerorgan in einem Hydraulikkreis gesteuerten Durchflußdrosselorgan. einer von der Spülflüssigkeit angetriebenen Turbine und einer von dieser angetriebenen Pumpe in dem Hydraulikkreis, der zusätzlich einen über das Steuerorgan betätigten Hydraulikzylinder mit doppeltwirkendem Kolben enthält, der mechanisch mit dem Drosselorgan verbunden ist.

Eine derartige Vorrichtung beruht auf einem diesseitigen, nicht zum Stand def Technik gehörigen Vorschlag (DEAS 21 35 726). Das Steuerorgan für den Hydraulikzylinder zur Betätigung des Drosselorgans ist ein einfaches Magnetventil, Dies hat zur Folge, daß sowohl die Dauer als auch die Höhe der erzeugten Druckimpulse von der Durchflußmenge der Spülflüssigkeit sowie von deren Art und Dichte abhängen. Hierdurch wird die Rückumwandlung der Druckimpulse an der Erdoberfläche in elektrische Impulse und deren Auswertung erschwert

Aus der US-PS 33 02 457 ist bereits eine Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch mittels Veränderung des Druckes der Bohrspülung

ίο bekannt, bei der diese Druckänderungen durch ein nach Art eines Schlauchquetschventils ausgebildetes Drosselorgan erzeugt werden, das auf seiner Steuerseite unmittelbar mit der Spülflüssigkeit in Abhängigkeit von der Stellung eines Magnetventils beaufschlagt wird, so daß hier in besonders hohem Maße die Amplitude und der zeitabhängige Verlauf der Druckänderungen von den Eigenschaften der Spülflüssigkeit und deren je Zeiteinheit durchgesetzter Menge abhängen.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der US-PS 29 64 116 bekannt, jedoch sind dort die Druckimpulse weitgehend unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit der Spüifiüssigkeii, dies aber um den Preis eines vergleichsweise sehr kompliziert aufgebauten Hydraulikkreises. Diese letztere Vorrichtung ist eine Weiterbildung der aus der US-PS 28 98 088 bekannten Vorrichtung, deren Hydraulikkreis einfacher aufgebaut ist, bei der jedoch solchen Änderungen des SpüIflüssigUeitsdurchsatzes nicht Rechnung getragen werden kann. Bei beiden bekannten Vorrichtungen wird die zur Betätigung des Drosselorgans erforderliche Energie durch Ausnutzung des Druckabfalls der Spülflüssigkeit über eine bestimmte Länge des Bohrstranges gewonnen und im Hydraulikkreis in Zylindern mit federbelastetem Kolben zwischengespeichert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die Druckimpulse entsprechend den an die Erdoberfläche zu übertragenden Meßwerten liefert, die nach Höhe und zeitlichem Verlauf weitgehend unabhängig von den im Spülflüssigkeit.Sareis herrschenden Bedingungen ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Steuerorgan ein elektrisch gesteuertes Servoventil ist, durch das der Durchfluß von Hydraulikfluid nach Richtung und Stärke proportional zur Stärke des seine Spule durchfließenden Stromes veränderbar ist und das in einem Regelkreis liegt, der einen Detektor für ein Funktionsmerkmal des Drosselorgans und einen das Detektorausgangss'gnal mit einem den zu übertragenden Meßwerten entsprechenden Signal vergleichenden Differenzverstärker enthält, dessen Ausgang mit der Spule des Servoventils verbunden ist.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der beanspruchten Vorrichtung angegeben.

Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigt

— Fig. 1 — eine besondere Stangenanordnung, die das nachgeführte hydraulische Sys'em zur Modulation des Schlammstromes enthält.

Äußerlich unterscheidet sich diese nicht von den gewöhnlich für Bohrungen verwendeten Ausrüstungsteilen. Diese ist mit Außengewindeführungen nach der API-Norm versehen, die ein Zusammenschrauben an einem beliebigen Punkt des Bohrgestänges, vorzugsweise in Nähe des Werkzeuges, ermöglichen. Es zeigt

— Fig. 2 — die elektrische Nachführsteueriing für die Lage des Hydraulikzylinders entsprechend einem

elektrischen Steuersignal beliebiger Form;

— Fig.3 — die elektrische Nachführsteuerung für den Druckabfall über das Drosselorgan entsprechend einem elektrischen Steuersignal beliebiger Form.

Die in Fig. 1 dargestellte Stangenanordnung 1 mit dem nachgeführten Hydrauliksystem umfaßt die Abschnitte 2 mit genormten Gewindeführungen zum Zusammenbau im Bohrgestänge und eine überdimensionierte Gewindeführung an tier Seite der Eingangshülse, die mit den anderen Gewindeführungen vereinbar ist und zur Aufnahme der inneren und auf einer Auskragung 3 liegenden Teile dient.

Die inneren Ausrüsiungsteile bestehen aus einem Regelventil, das den oberen Teil der überdimensionierten Bohrung voll ausfüllt und die gesamte umlaufende Flüssigkeit zwischen die feststehende Auflage 12 und das bewegliche Kontaktstück 13 drückt. Der Umfang der Erfindung beschränkt sich nicht nur auf den Einsatz dieses Ventiltyps, wonach andere Typen von Drosselorganen wie z. B. Drosselventile oder Ausgleichventiie mit Mehrfachauflage zur Veränderung des Schlammflusses eingesetzt werden können.

Unterhalb des Regelventils befindet sich ein dichtes Rohr, das das hydraulische Ventilsteuersysiem, die elektrischen Nachführsteuerungen, die nicht dargestellten Meßwertgeber sowie autonome Vorrichtungen zur elektrischen Energieversorgung enthält.

Der untere Teile des Rohres 15 ist fest mit der Turbine 16 verbunden, die über den Schlammstrom Energie liefert. Der ringförmige freie Raum zwischen der Ausbohrung der Stangenanordnung 1 und dem dichten Rohr 15 dient dem Bohrflüssigkeitsdurchgang zwischen dem Regelventil 11 und der Turbine 16. Die feststehenden Schaufeln 17 und die beweglichen Schaufeln 18 der Turbine 16 einer bekannten Bauart sind jeweils mit Muttern 19 und 20 in der Turbine 16 bzw. auf der Welle 14 befestigt, die mit entsprechenden Auskragungen versehen sind. Die Bohrflüssigkeit dringt in die feststehenden Schaufeln durch eine Reihe von öffnungen 21 am oberen Teil des Turbinenkörpers 16 ein und tritt axial am unteren Teil des Turbinenkörpers wieder aus, um somit normalerweise das Bohrwerkzeug zu versorgen. Die beweglichen Schaufeln 18 und die Welle 14 sind an einem Anschlag 22 aufgehängt, der sich im Innern des dichten Rohres 15 befindet. Die Durchführung der Welle des Turbinenkörpers 16 in das Innere des dichten Rohres erfolgt über eine Abdichtung 23. bei der es sich um eine Stopfbuchse bekannter Form handeln kann, die durch eine Mutter 24 angezogen wird. Die Aufgabe des Anschlages 22 besteht darüber hinaus in der Aufnahme des hydraulischen Axialdruckes, der auf die beweglichen Schaufeln wirkt. Der Vorteil der innenliegenden Anordnung dieses Anschlages liegt in der vereinfachten Schmierung des Anschlages durch das Füllmedium des dichten Rohres 15, bei dem es sich um ein mineralisches Öl handeln kann, daß seine Schmiereigenschaften gegenüber den in Bohrlöchern auftretenden Druck- und Temperatureinwir'.cungen beibehält.

Über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung kann der statische Druck des Bohrmediums auf die Füll- und Kontrollmedien innerhalb des dichten Rohres 15 wirken.

Das Druckgefälle zwischen den beiden Seiten der Abdichtung 23 bleibt somit gering und trägt zu einem einfachen Aufbau und zu einem guten Betriebsverhaltcn der Ausrüstungsteile bei.

Die Welle 14 treibt pin Stromaggregat 5 und einen in der Zeichnung nicht detaillierten, geregelten Hydraulikdruckgenerator 7 an.

Die Wahl eines geregelten Hydraulikdnickgenerators kann ohne Berücksichtigung irgendweicher Kriterien erfolgen. Dem hier vorliegenden Fall entsprechend kann dieser eine feststehende Zylinderpumpe, einen Regler und eine Speicherreserve mit unter Druck stehendem öl oder eine selbstregelnde, bewegliche Zylinderpumpe und eine Druckreserve umfassen.

Der Umfang der Erfindung beschränkt sich nicht auf den Einsatz der erwähnten Ausrüstungsteile, da sämtliche anderen geregelten Pumpen und Reserveanordnungen für unter Druck stehendes öl mit ausreichendem Durchsatz bei konstantem Druck zur Erzielung einer kräftigen Steuerung des Drosselorgans ebenfalls verwendet werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten, vorausgesetzt, daß die Abmessungen dieser Teile mit dem innerhalb des dichten Rohres 15 verfügbaren Raum vereinbar sind.

Oberhalb des Druckgenerators 7 befindet sich das Servoventil 50, dessen Aufgabe darin liegt, das vom Generator 7 mit gleichbleibendem Druck abgegebene otcücfTTlcuiUrri ZU VCrariuCrn. £~ίΐΓ jAÜ'tiUiirUng uiCSCr Funktion empfängt das Servoventil das unter Druck stehende Medium über die Rohrleitung 49 und leitet es ohne Druck über die Rohrleitung 48 an den Generator. Auf der entgegenliegenden Seite ist das Servoventil 50 über die Rohrleitungen 51 und 52 mit den beiden Seiten des Kolbens 56 verbunden. Dieser Kolben 56 stellt das Hauptteil eines doppeltwirkenden Zylinders dar, der mechanisch mit dem Drosselorgan verbunden ist. Der Kolben 56 bewegt sich in einem Zylinder 55 und betätigt eine Stange 57, die fest mit dem beweglichen Kontaktstück 13 verbunden ist, das entsprechend der Veränderung des Bohrflüssigkeitsstromes mit der feststehenden Auflage 12 zusammenarbeitet. Die Bewegung des Kolbens 56 kann entweder von unten nach oben oder von oben nach unten erfolgen, je nachdem, ob das unter Druck stehende Medium über die Rohrleitung 51 auf den ansteigenden Teil oder über die Rohrleitung 52 auf den abfallenden Teil geleitet wird.

Im oberen Teil des dichten Rohres 15 liegen um die St-uerstange 57 in einem Raum 35 verteilt die Steuerfühler und elektronischen Stromregel- und Steuerschaltungen für das Servoventil 50. Ih bestimmten Fällen können die Meßfühler, die die Signale entsprechend den an der Bohrlochsohle herrschenden Parametern liefern, ebenfalls in diesem Raum angeordnet werden. Unabhängige Kanäle der Hydraulikleitung sind im Zylinder 55 und im Generator 7 vorgesehen, um die Durchführung der elektrischen Leiter 58 und 6 zu ermöglichen, die jeweils das Servoventil 50 und das Stroniaggregat 5 mit den im Raum 35 enthaltenen Leitungen verbinden.

D'.s Servoventil 50 ist mit einer Spule bzw. einer Steuerwicklung ausgerüstet, die von einem elektrischen Strom durchflossen wird, der von den Leitungen des Raumes 35 geliefert wird. Liegt kein Erregerstrom vo:\ so besteht keine hydraulische Verbindung, und der Kolben 56 kann sich nicht bewegen. Die wesentlichste Besonderheit des Servoventils liegt darin, daß es sämtliche Vcrhindungsstellungen zwischen dem vollständigen Schließen und den direkten Verbindungen des unter Druck stehenden Öles mit der einen oder anderen Seite des Kolbens des Zylinders 56 durch Anlegen eines elektrischen Stromes ausführen kann, dessen Richtung und Stärke sich jeweils nach der Steuerspule richten. Mit anderen Worten ausgedrückt verhält sich der Flüssigkeitsdu-chfluß eines Servoventils in Größe und

Richtung ständig proportional zur Stärke des elektrischen Stromes, der seine Steuerspule durchfließt.

Bei den Steuerfühlern handelt es sich um Aufnahmeelemente für ein beliebiges Funktionsmerkmal des Drosselorgans, deren jeweiliger Einsatz insbesondere aus den Darstellungen der F i g. 2 und 3 hervorgeht.

Die in Fig. 2 dargestellte Stellungsnachführung arbeitet mit einem Verschiebungsdetektor 33, dessen Stange 32 mit der Bewegung des Zylinderkolbens 56 verbunden ist. Die Stellung der Stange 57, die den Kolben 56 mit dem Kontaktstück 13 verbindet, hängt von einem gleichbleibenden oder sich verändernden elektrischen Signal ab, und zwar in Abhängigkeit von der Zeit, so daß wiederum eine zeitabhängige feststehende oder sich verändernde Drosselung gewährleistet wird.

Die nach diesem Prinzip arbeitende Funktion ist in F i g. 2 schematisch dargestellt.

Ein mechanisch mit der Stange 57 verbundener VerschiebungsdetcMor 33 hefen ein elektrisches Signai. das die Stellung des Kontaktstücks 13 fortlaufend und gleichmäßig ausdrückt. Der Kodierzusatz 59 liefert ein elektrisches Bezugssignal bzw. ein gleichbleibendes oder veränderliches Steuersignal nach einer Gesetzmäßigkeit, die vorzugsweise mit der Messung einer Größe an der Bohrlochsohle in Verbindung steht und das dazu vorgesehen ist. im Bohrflüssigkeitsstrom eine Druckänderung vorherbestimmter Form hervorzurufen. Diese beiden elektrischen Signale werden in einem Fehlerdetektor 60 verglichen, der gleichzeitig einen Verstärker darstellt. Der Abweichungswert der beiden Signale wird der Spule des Servoventil über die Leiter 58 zugeführt. Unter Berücksichtigung des Funktionsprinzips des Servoventils bewegt sich der Kolben 56 in einer Richtung, die dazu führt, den Abweichungswert aufzuheben. Handelt es sich um ein gleichbleibendes Bezugssignal, so nimmt der Kolben 56 eine Ruhestellung ein. die ausschließlich vom Wert des elektrischen Bezugssignals abhängt und unabhängig vom Druck des Steueröls, von der Geschwindigkeit und dem Durchfluß der Bohrflüssigkeit usw. ist. Ändert sich das Bezugssignal in Abhängigkeit von der Zeit, so ändert sich die Stellung des Kolbens 56 gleichfalls zeitabhängig und nach dem gleichen Gesetz. Somit ergibt sich eine Stellungsnachführung des Kontaktstücks des Drosselorgans für den Bohrflüssigkeitsstrom entsprechend einem Bezugssignal, das beispielsweise die aufeinanderfolgend kodierten bzw. nicht kodierten Werle einer während des Bohrvorganges an der Bohrlochsohle gemessenen Größe ausdrückt. Die für den Betrieb der Meß- und Steuerfühler sowie der elektronischen Schaltungen 59 und 60 erforderliche elektrische Energie wird von einem Stromaggregat 5 über eine ebenfalls im Raum 35 angeordnete Stromversorgungseinheit 31 geliefert.

Eine interessante Möglichkeit der nachgesteuerten hydraulischen Vorrichtung ist schematisch in F i g. 3 dargestellt. Aus der Darstellung der F i g. 2 ging die Möglichkeit der Stellungsnachführung des Konlaktstücks 13 des Drosselorgans nach einem gleichbleibenden oder sich verändernden Bezugssignal hervor. Ändert sich der Durchfluß bzw. die Dichte des Bohrmediums, so reicht es nicht aus, die Stellung des Kontaktstiicks des Drosselorgans festzulegen, um einen Abweichungswert für den Druck auf beiden Seiten des Drosselorgans zu erhalten. Bei einer gegebenen Drosselstellung ändert sich der Druckabfall mit der

ίο Dichte und verhält sich proportional zum Quadrat des Durchflusses. Die in Fig.3 schematisch dargestellte Vorrichtung hebt diesen Nachteil auf und führt innerhalb eines bestimmten Durchflußbereiches dazu, eine Druckabweichung infolge der gleichbleibenden

is Drosselung zu erhalten, und zwar unabhängig vom Durchfluß oder Veränderlicher gemäß einer Beziehung, die unabhängig vom Durchflußwert des Bohrmediums gilt.

Hierzu liefert ein Differenzdruckgeber 36, der über

in die Rohrleitung 3S mit dem oberen Druckteii und über die Rohrleitung 37 mit dem unteren Druckteil verbunden ist, ein elektrisches Signal, das den Wert der Druckabweichung vor und hinter dem Drosselorgan ausdrückt bzw. den Druckabfall angibt, der auf das Drosselorgan zurückzuführen ist.

Das den Druckabfall darstellende Signal wird mit einem Bezugssignal verglichen, das von einem Kodierzusatz 59 in einem Fehlerdetektor/Verstärker 60 geliefc-i wird.

jn Der Abweichungswert der beiden Signale wird in Form eines elektrischen Fehlersignals der Spule des Servoventils 50 über die Leiter 38 übertragen. Handelt es sich um ein gleichbleibendes Bezugssignal, so stellt sich der durch die Drosselung entstandene Druckabfall

ü bei einem Verhältnis ein, das ausschließlich vom Wert des Bezugssignals abhängt, wobei dieses Verhältnis so gewählt ist. daß das Signal, das den Differenzbetrag zwischen den Druckwerten vor und hinter dem Drosselorgan ausdrückt, genau dem Bezugssignal entspricht.

Somit wurde eine Steuerung für die durch das Drosselorgan verursachte Druckdifferenz nach einem Bezugssignal erzielt, die unabhängig von den Viskositäts-. Dichte- oder Durchflußbedingungen des Bohrmediums arbeitet. Wird das Bezugssignal nach einer bestimmten Zeitfunktion verändert, die mit den Messungen der zu übertragenen Bohr-Parameter in Verbindung steht, so ergibt sich hierdurch gleichzeitig die Möglichkeit, nach der gleichen Zeitfunktion Druckänderungen bzw. Übertragungssignale in der Bohrflüssigkeitssäule zu erzielen. Dieses Verfahren ermöglicht insbesondere die Vornahme einer Drosselung mit veränderlicher Frequenz, die mit dem in der Schachtsohie zu messenden Parameter bei guter

Informations-Übertragungskapazität in Verbindung steht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Übertragung von Meßwerten aus einem Bohrloch an die Erdoberfläche mittels in der Spülflüssigkeit durch Steuerung ihrer Durchflußmenge erzeugten, periodischen Druckimpulsen, mit einem von den Meßwerten entsprechenden elektrischen Impulsen über ein Steuerorgan in einem Hydraulikkreis gesteuerten Durchflußdrosselorgan, einer von der Spülflüssigkeit angetriebenen Turbine und einer von dieser angetriebenen Pumpe in dem Hydraulikkreis, der zusätzlich einen über das Steuerorgan betätigten Hydraulikzylinder mit doppeltwirkendem Kolben enthält, der mechanisch mit dem Drosselorgan verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan ein elektrisch gesteuertes Servoventil (50) ist, durch das der Durchfluß von Hydraulikfluid nach Richtung und Stärke proportional zur Stärke des seine Spule durchfließenden Stromes veränderbar ist und das in einem Rege.kreis liegt, der einen Detektor (33, 36) für ein Funktionsmerkmai des Drosseiorgans (13) und einen das Detektorausgangssignal mit einem den zu übertragenden Meßwerten entsprechenden Signal vergleichenden Differenzverstärker (60) enthält, dessen Ausgang mit der Spule des Servoventil (50) verbunden ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor für ein Funktionsmerkmal des Drosselorgans (13) ein Verschiebungsdetektor (33) ist.

3. Vorriclv ng nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ff·«· ein Funktionsmerkmal des Drosselorgans (J3) ein Differenzdruckgeber (36) ist, der den Druckabiall vor und hinter dem Drosselorgan (13) mißt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (50) für die eine Richtung des seine Spule durchfließenden Stromes den Kolben (56) des Hydraulikzylinders (55) mit hoher Verschiebungsgeschwindigkeit in eine erste, einem maximalen Durchfluß durch das Drosselorgan (13) entsprechende Stellung Steuer' und für die umgekehrte Stromflußrichtung den Kolben (56) in eine zweite, einem minimalen Durchfluß entsprechende Richtung steuert.