DE2233324C3 - Device for borehole measurement during drilling - Google Patents
Device for borehole measurement during drillingInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Bohrlochmessungen während der Bohrarbeiten, mit der über die so Spülungssäule Meßdaten aus dem Bohrloch zur Erdoberfläche hin übertragbar sind und die ein als Bestandteil in den Bohrstrang einsetzbares Gehäuse aufweist, in welchem ein Drehventil angeordnet ist, das in Abhängigkeit von der gemessenen Bohrlochbedingung in die Offen- und Schließstellung überführbar sowie mit einem Rotor, einer Rotorwelle und einem Stator versehen ist, wobei Rotor und Stator Durchflußöffnungen für die Spülung aufweisen und zwischen ihnen ein Spalt gebildet ist, der in Schließstellung des b0 Drehventils durch die Spülung beaufschlagbar ist.The invention relates to a device for borehole measurements during drilling, with which measurement data can be transmitted from the borehole to the surface of the earth via the mud column and which has a housing which can be inserted as a component in the drill string and in which a rotary valve is arranged which is dependent on the measured borehole condition can be transferred into the open and closed position and is provided with a rotor, a rotor shaft and a stator, the rotor and stator having flow openings for the mud and between them a gap is formed, which can be acted upon by the mud in the closed position of the b0 rotary valve .
Es bestand schon lange der Wunsch nach einem System, das in der Lage ist, die Parameter für das Vortreiben eines Bohrloches und/oder die Eigenschaften der Erdformationen zu messen und an die h~> Oberfläche zu übertrügen, während das Bohrloch bzw. der Schacht gerade gebohrt wird. Es wurden bereits mehrere derartige Systeme vorgeschlagen, die allgemein als Systeme zur Bohrlochmessung während der Bohrung (»logging-whiie-drilling«systems) bezeichnet werden. Eines der größeren Probleme bei den Systemen, die während der Bohrung eine Bohrlochmessung gestatten, liegt darin, daß eine Einrichtung gefunden werden muß, welche die Information an einer Snelle unten im Bohrloch mißt und an die Oberfläche bringt und dafür sorgt, daß die information in einer verständlichen Form oben ankommtThere was a long time a desire for a system that is able to measure the parameters for the propelling of a wellbore and / or the characteristics of the earth formations and transferring all of the h ~> surface while the wellbore or the well just is drilled. Several such systems have already been proposed, which are generally referred to as logging-while-drilling systems. One of the major problems with the systems that allow logging of the borehole during drilling is that a device must be found which measures the information on a snelle down the borehole and brings it to the surface and has the information in a understandable form arrives at the top
Es wurde bereits vorgeschlagen, die gewünschte Information mit Hilfe eines Druckwellensignals zu messen, das im Schlammsystem erzeugt und durch das Schlammsystem übertragen wird, das normalerweise beim Drehbohren vorhanden ist. Das Druckwellensignal, das für einen bestimmten Teil der gewünschten Information kennzeichnend ist, wird im Schlamm unten im Bohrloch in der Nähe der Bohrspitze durch eine Erzeugungseinrichtung oder ein entsprechendes Werkzeug erzeugt. Die Welle wandert dann im Bohrloch durch den Schlamm nach oben bis zu einer an der Oberfläche angeordneten Datenverarbeitungseinrichtung. Ein System, das während der Bohrung eine Bohrlochmessung gestattet und die Technik der Fernmessung anwendet, ist in der US-Patentschrift 33 09 656 beschrieben.It has already been proposed to provide the desired information with the aid of a pressure wave signal measure that is generated in the mud system and transmitted through the mud system that normally is present when rotary drilling. The pressure wave signal required for a specific part of the Information is indicative, in the mud downhole near the drill bit by a Generating device or a corresponding tool generated. The wave then travels in the borehole through the mud up to a data processing device located on the surface. A system that allows a borehole measurement while drilling and the technology of Telemetry uses is described in US Pat. No. 3,309,656.
Bei dem in der US-Patentschrift 33 09 656 beschriebenen Werkzeug ist ein turbinenartiges Drehventil im fließenden Schiammstrom in der Nähe der Bohrspitze angeordnet. Ein im Werkzeug angeordneter Motor wird in Abhängigkeit von einem gemessenen Teil oder Parameter der Information gespeist, um das Drehventil in einer Weise zu öffnen und zu schließen, daß im Schlamm eine Druckwelle entsteht, die für die gemessene Information kennzeichnend ist. Diese Druckwelle muß eine ausreichende Signalstärke haben, wenn die Druckwelle erzeugt wird. Andernfalls wird die Druckwelle durch die Dämpfung vernichtet und kommt nicht mehr oben an der Oberfläche an. Da die Dämpfung von der Strecke abhängig ist, die von der Welle durchlaufen werden muß, müssen die aus größeren Tiefen kommenden Signale mit einer größeren Stärke erzeugt werden als die aus geringeren Tiefen kommenden Signale.In the tool described in US Pat. No. 33 09 656, a turbine-like rotary valve is in the flowing schiammstrom arranged in the vicinity of the drill bit. A motor arranged in the tool is depending on a measured part or parameter of the information fed to the rotary valve to open and close in such a way that a pressure wave is created in the mud, which for the measured information is indicative. This pressure wave must have a sufficient signal strength when the pressure wave is generated. Otherwise the pressure wave is destroyed by the damping and comes no longer at the top of the surface. Since the attenuation depends on the route, which depends on the If the wave has to be traversed, the signals coming from greater depths must have a greater one Strength are generated than the signals coming from shallower depths.
Das im vorstehenden erwähnte turbinenartige Drehventil besteht aus einem Stator und einem Rotor, von denen jeder Durchtrittsöffnungen aufweist, die den Bohrschlamm durch das Ventil hindurchfließen lassen, wenn sie übereinanderliegen. Wenn die Durchtrittsöffnungen gegeneinander versetzt sind, wird die Strömung durch die Durchtrittsöffnungen vorübergehend teilweise gesperrt. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich das Ventil öffnet und schließt, erzeugt ein bestimmtes Druckwellensignal im Schlamm. Die Stärke des erzeugten Signals ist von zwei wichtigen Eigenschaften des Ventils abhängig. Diese Eigenschaften sind der sogenannte »Spalt« und »Bypass«. Der Spalt ist der Abstand zwischen der Unterseite des Rotors und der Oberseite des Stators. Der Bypass ist der Bereich zwischen dem Außenumfang des Rotors und der Wand des Rotors, in welchem das Werkzeug untergebracht ist. Der Durchmesser des Stators des Drehventils ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Rohres.The above-mentioned turbine-type rotary valve consists of a stator and a rotor, of each of which has through openings that allow the drilling mud to flow through the valve, when they are on top of each other. If the passage openings are offset from one another, the flow will temporarily partially blocked by the passage openings. The speed with which the Valve opens and closes, generating a certain pressure wave signal in the mud. The strength of the generated signal depends on two important properties of the valve. These properties are the so-called »gap« and »bypass«. The gap is the distance between the bottom of the rotor and the Top of the stator. The bypass is the area between the outer circumference of the rotor and the wall of the rotor in which the tool is housed. The diameter of the stator of the rotary valve is in essentially equal to the inner diameter of the pipe.
Je nach der Stellung des Drehventils gehl der Schaumstrom zuerst durch die Durchtiiusöffnungen im Rotor und dann durch dk- Durchtniisöffnungen im Stator hindurch. Aus den vorstehenden Definitionen geht hervor, daß der Spalt und der Bypass des Drehventils den minimalen Bereich bestimmen, welcherDepending on the position of the rotary valve, the foam flow first passes through the passage openings in the rotor and then through dk through openings in the Stator through. From the above definitions it can be seen that the gap and the bypass of the Rotary valve determine the minimum range, which
für die Strömung zur Verfügung steht, wenn das Drehventil geschlossen ist. Es ist dieser minimale Bereich, welcher die Stärke des erzeugten Signals bestimmt.for the flow is available when the rotary valve is closed. It is this minimum Area that determines the strength of the generated signal.
Es wäre wünschenswert, sowohl den Spalt als auch den Bypass auf einem Minimum zu halten um ein Signal mit einer maximalen Stärke unabhängig von der Tiefe des Werkzeuges erzeugen zu können. Es liegen jedoch auch andere Faktoren vor, die beachtet werden müssen damit man eine während der Bohrung eine Bohrlochmessung erlaubende Vorrichtung erzielt, die eine ausreichende Lebensdauer für eine weitverbreitete Anwendung beim Drehbohren aufweist. Einer dieser Faktoren sind die Drehmomentspitzen, die auf das Drehventil einwirken, wenn es sich kontinuierlich zwischen seiner offenen und geschlossenen Stellung dreht. Diese entgegengesetzt gerichteten Drehmomente steigen stark an, so daß bei einem zu kleinen Spalt die durch die Drehmomente hervorgerufenen Schwingungen kritisch werden. Die Lebensdauer des Drehver/lils wird ferner aufgrund der erosiven Eigenschaft der Bohrflüssigkeil und aufgrund dtr hohen auftretenden Drücke nachteilig beeinflußt, wenn die Spaltbreite abnimmt.It would be desirable to keep both the gap and bypass to a minimum around a signal to be able to produce with a maximum strength independent of the depth of the tool. However, there are There are also other factors that must be taken into account in order to be able to measure the borehole while drilling allowing device achieved, which has a sufficient life for a widespread Has application in rotary drilling. One of these factors is the torque spikes that affect the Rotary valve act when it moves continuously between its open and closed positions turns. These oppositely directed torques rise sharply, so that if the gap is too small, the vibrations caused by the torques become critical. The life of the rotary valve is also due to the erosive property of the drilling fluid wedge and due to dtr high occurring Pressures adversely affected as the gap width decreases.
Hieraus ergibt sich, daß zur Verminderung unerwünschter Schwingungen und zur Erhöhung der Lebensdauer des Ventils der Spalt auf einen maximalen Wert vergrößert werden müßte, wobei jedoch gleichzeitig das Ventil in der Lage sein soll, ein Signal mit der gewünschten Stärke zu erzeugen. Wenn jedoch der Spalt vergrößert wird und gleichzeitig der erforderliche minimale Bereich aufrechterhalten werden soll, muß der Bypass verringert werden. Wenn der Bypass verringert wird, tritt normalerweise eine erste Erosion der Rohrwand in der Nähe des Bypasses auf. Die Erosion der Rohrwand vergrößert den Bypass, wodurch wiederum die Stärke des durch das Ventil zu erzeugenden Signals abnimmt. Bei der bekannten Vorrichtung ist daher eine lange Lebensdauer mit einem Signal ausreichender Stärke nicht vereinbar.It follows that to reduce unwanted vibrations and to increase the Life of the valve, the gap would have to be increased to a maximum value, but at the same time the valve should be able to generate a signal of the desired strength. However, if the Gap is enlarged and at the same time the required minimum area is to be maintained, the must Bypass can be reduced. When the bypass is decreased, an initial erosion of the Pipe wall near the bypass. The erosion of the pipe wall enlarges the bypass, whereby in turn, the strength of the signal to be generated by the valve decreases. With the well-known Device therefore a long service life is not compatible with a signal of sufficient strength.
Es war daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu Bohrlochmessung während der Bohrung zu schaffen, die eine erhöhte Lebensdauer aufweist und gleichzeitig ein Signal mit einer der Bohrlochstiefe angepaßten, gewünschten Stärke erzeugt.It was therefore the object of the invention to provide a device of the type mentioned at the beginning to create borehole measurement during drilling, which has an increased service life and at the same time generates a signal with a desired strength adapted to the borehole depth.
Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch Einrichtungen zur Einstellung der Höhe des Spaltes zwischen Rotor und Stator. Durch ein Einstellen der Höhe des Spaltes des Drehventils kann die Impulsbreite und Impulsdauer in Abhängigkeit von der Bohrlochsticfc geändert und ein durch Erosion hervorgerufener Verschleiß des ürehventils ausgeglichen werden, s.o daß die gewünschte Signalstärke über die gesamte Lehensdauer des Werkzeuges erhalten bleibt.This is achieved according to the invention by means for adjusting the height of the gap between rotor and stator. By adjusting the height of the gap of the rotary valve, the pulse width and pulse duration changed as a function of the borehole type fc and one caused by erosion Wear of the rotary valve can be compensated for, see above the desired signal strength is maintained over the entire life of the tool.
Es ist zwar eine mechanische Einrichtung zur Änderung der Impulsbreite bzw. der Impulsdauer im Bohrschlamm bei einer Bohranlage zur Bestimmung der Bohr geschwindigkeit bekannt (US-PS 30 65 416). Diese bekannte Einrichtung weist jedoch kein Drehvenlil, sondern ein Kugelventil und eine Feder auf, deren Stärke zur f instcüung der Impiilsaniplittidc verändert wird, niese bekannte Einrichtung eignet sich nicht /um genauen Messen der unten im Bohrloch auftretenden Bedingungen.It is a mechanical device for changing the pulse width or the pulse duration in the Drilling mud in a drilling rig to determine the drilling speed known (US-PS 30 65 416). These known device, however, has no rotary valve, but a ball valve and a spring, whose Strength to f instcüung the Impiilsaniplittidc changed is, this well-known facility is not suitable / around accurately measuring the conditions occurring downhole in the borehole.
Weitere vorteilhafte Abwandlungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehen aus den dem Anspruch I nachgeordneten Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung näher hervor.Further advantageous modifications of the device according to the invention go from the claims subordinate to claim I and the the following description.
Die Vorrichtung zur Bohrlochmessung während derThe device for borehole measurement during the
Bohrung weist eine Schwerstange auf, die mit einem Bohrgestänge verbunden werden kann und einen Teil eines Bohrgestänges einer Vorrichtung zum Vortreiben von Bohrlöchern in das Erdreich bildet. Ein Werkzeug zur Bohrlochmessung während der Bohrung mit einem Gehäuse ist in der Schwerstange untergebracht. Ein turbinenartiges Drehventil ist auf dem GehäuseBore has a drill collar that can be connected to a drill string and a part a drill string of a device for driving boreholes into the ground. A tool for borehole measurement during drilling with a housing is housed in the drill collar. A turbine-like rotary valve is on the housing
ίο gelagert und so angeordnet, daß zumindest ein Teil der durch das Bohrgestänge fließenden Bohrflüssigkeit durch das Ventil fließt. Das Drehventil weist einen Rotor und einen Stator auf. Der Rotor ist an einer Welle befestigt, die vom Gehäuse absteht. Der Rotor wird mit einer Geschwindigkeit gedreht, die durch eine unten im Bohrloch gemessene Bedingung bestimmt wird. Der Stator ist am Gehäuse starr befestigt. Bei einer Ausführungslorm ist der Stator auf das Gehäuse aufgeschraubt, so daß der Stator in Richtung der Längsachse des Gehäuses bewegt werden kann, um den Spalt zwischen dem Rotor und dem Stator einstellen zu können. Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Einrichtung vorgesehen, mit welcher der Rotor in Richtung der Längsachse der Welle bewegt werden kann, um den Spalt einzustellen.ίο stored and arranged so that at least part of the drilling fluid flowing through the drill pipe flows through the valve. The rotary valve has a rotor and a stator. The rotor is attached to a shaft that protrudes from the housing. The rotor is rotated at a speed determined by a condition measured downhole. The stator is rigidly attached to the housing. In one embodiment, the stator is screwed onto the housing so that the stator can be moved in the direction of the longitudinal axis of the housing in order to be able to adjust the gap between the rotor and the stator. In another embodiment, a device is provided with which the rotor can be moved in the direction of the longitudinal axis of the shaft in order to set the gap.
Eine Büchse aus einem gegen Verschleiß beständigen Material ist in der Schwerstange in der Nähe des Ventils vorgesehen, um eine Beständigkeit gegen die durch den Bohrschlamm hervorgerufene Erosion zu erzielen und W hierdurch die Lebensdauer der während der Bohrung eine Bohrlochmessung erlaubenden Vorrichting zu verlängern. Durch die Verminderung der Erosion der Schwerstangcnwand in der Nähe des Drchventils wird die Zunahme des Bypasses zwischen dem Rotor und der J> Wand verzögert. Darüber hinaus wird ein gegen Verschleiß beständiges Material an den Flächen des Drchventils vorgesehen, die den erosiven Einwirkungen der Bohrflüssigkeit ausgesetzt sind.A sleeve made of a wear-resistant material is in the drill collar near the valve provided in order to achieve a resistance to the erosion caused by the drilling mud and W this increases the service life of the device allowing a borehole measurement during drilling extend. By reducing the erosion of the drill collar wall near the throttle valve the increase in bypass between the rotor and the J> Wall delayed. In addition, a wear-resistant material is applied to the surfaces of the Drchventils provided, which are exposed to the erosive effects of the drilling fluid.
Der Aufbau, die Arbeitsweise und die Vorteile der ■'<> Erfindung werden im nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigtThe structure, the mode of operation and the advantages of the ■ '<> Invention are explained in more detail below with reference to drawings. In the drawings shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Drehbohrvorrichtung mit einem in ein Bohrloch abgesenkten Bohrgestänge mit der erfindungsgemäßen Einrichtung, ·»> Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil des in F i g. 1 dargestellten Bohrgestänges mit einem während der Bohrung eine Messung erlaubenden Werkzeug mit der erfindungsgemäßen Einrichtung,1 shows a schematic representation of a rotary drilling device with one lowered into a borehole Drill rods with the device according to the invention, FIG. 2 shows a schematic cross section through a Part of the in F i g. 1 shown drill rod with a measurement during drilling Tool with the device according to the invention,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer Ausführ«i rungsform des oberen Teiles der F i g. 2,Fig. 3 is an enlarged view of an exporting r 'i approximate shape of the upper part of the F i g. 2,
Fig.4 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführungsform des oberen Teiles der F i g. 2 und4 shows an enlarged illustration of a further one Embodiment of the upper part of FIG. 2 and
F i g. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 ;n F i g. 3.F i g. Figure 5 is a cross-section along line 5-5 ; n F i g. 3.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. ">) In Fig. 1 wird die Erfindung anhand eines Systems erläutert, das während der Bohrung eine Bohrlochmessung gestattet und in eine Drehbohrvorrichtung eingebaut ist. Ein Bohrturm 21 ist über einem Bohrloch bzw. Schacht 22 angeordnet, der durch Drehbohren im f>'> Erdreich 23 ausgebildet wurde. Ein Bohrgestänge 24 befindet sich im Schacht 22. Das Bohrgestänge 24 weist •an seinem unteren Ende eine Bohrspir/c 27 und an seinem oberen Ende eine Mitnehmerslange 28 auf. Ein DrehliSLH 29 arbeilet mit der Miliiehmersi.. it'e 28 zusammen, um das Bohrgeslänge 24 und die Bohrspilze 27 zu drehen. Em Drehzapfen 33 ist am oberen Ende der Miliiehmerstangc 28 befestig, die an einem Haken 32 aufgehängt ist, der mit einem nicht dargestelltenReference is now made to the drawings. ">) In Fig. 1, the invention is explained using a system that allows a borehole measurement during the drilling and is built into a rotary drilling device. A derrick 21 is arranged above a borehole or shaft 22, which by rotary drilling in the f>'> Soil 23. A drill rod 24 is located in the shaft 22. The drill rod 24 has • at its lower end a Bohrspir / c 27 and at its upper end a driver length 28. A DrehliSLH 29 works with the Miliiehmersi .. i t ' e 28 together to rotate the drill string length 24 and the drill bits 27. A pivot 33 is attached to the upper end of the milking rod 28 which is suspended from a hook 32 which is connected to a not shown
Laufblock verbunden ist. Diese Ληοιdining hall nicht nur das Bohrgestänge 24 im Schacht 22 in Belriebsslellung, sondern stellt auch gleichzeitig eine Drehverbindung /wischen dem Bohrgestänge 24 und der Quelle der umlaufenden Bohrflüssigkeit, das heißt dem Bohrschlamm her. Mit dem Ausdruck »Schlamm« werden im nachstehenden Flüssigkeiten bezeichnet, die normalerweise beim Drehbohren verwendet werden.Barrel block is connected . This Ληοιdining echoes not only the drill rod 24 in the shaft 22 in the operating position, but also simultaneously establishes a rotary connection / between the drill rod 24 and the source of the circulating drilling fluid, that is to say the drilling mud. In the following, the term "mud" refers to fluids that are normally used in rotary drilling.
Die Pumpe 36 fördert den Bohrschlamm von einer Grube 34 über einen Dämpfer 37 in eine Schlammlei-Uing 38. Der Damper 37 vermindert die pulsierende Wirkung der Pumpe 36, wie dies allgemein bekannt ist. Der Schlamm fließt durch die Schlammlcitung 38, den biegsamen Schlauch 39, den Schwenkzapfen 33, das Bohrgestänge 24 und tritt durch nicht dargestellte Öffnungen in der Bohrspitze 27 hindurch, um nach außen in den Schacht 22 auszutreten. Der Schlamm fließt dann nach oben durch den Ringraum zwischen dem Schacht und dem Bohrgestänge 24 an die Oberfläche des Erdreiches 23 und nimmt hierbei das abgeschrämte Erdreich mit. An der Oberfläche ist ein Schachtkopf 41 an einem Gehäuse 40 befestigt, das in den Schacht 22 einzementiert ist. Eine Leitung 42 ist mit dem Gehäuse 40 verbunden, um den Schlamm in die Grube 34 zurückzuführen.The pump 36 conveys the drilling mud from a pit 34 via a damper 37 into a mud pipe 38. The damper 37 reduces the pulsating effect of the pump 36, as is generally known. The mud flows through the mud line 38, the flexible hose 39, the pivot pin 33, the drill pipe 24 and passes through openings (not shown) in the drill bit 27 in order to exit to the outside into the shaft 22. The mud then flows upward through the annular space between the shaft and the drill pipe 24 to the surface of the soil 23 and thereby takes the cut-off soil with it. At the surface, a shaft head 41 is attached to a housing 40 which is cemented into the shaft 22. A conduit 42 is connected to the housing 40 to return the sludge to the pit 34.
Wie in den F i g. 1 und 2 .schematisch dargestellt ist, ist eine Vorrichtung oder ein Werkzeug 46 zur Bohrlochmessung während der Bohrung in einer Schwerstange 26 untergebracht, die einen Teil des unteren Endes des Bohrgestänges 24 in der Nähe der Bohrspilze 27 darstellt. Das Werkzeug 46 besitzt ein von einem Motor betätigtes Drehventil, welches die durch das Ventil hindurchströmende Bohrflüssigkeit periodisch unterbricht, um in der Bohrflüssigkeit eine Druckwelle zu erzeugen, die für eine unten im Eiohrlich gemessene Bedingung kennzeichnend ist. Das Werkzeug zur Bohrlochmessung während der Bohrung hat den Aufbau, der in der US-Patentschrift 33 09 656 beschrieben ist. Die vorliegende Erfincung ist auf eine Verbesserung der Lebensdauer und des Betriebsverhaltens des Drehventils gerichtet. Es scheint jedoch zum besseren Verständnis der Erfindung zweckmäßig, das Werkzeug 46 im nachstehenden kurz zu beschreiben.As shown in Figs. 1 and 2. Is shown schematically, is a device or tool 46 for logging a borehole while drilling in a drill collar 26 accommodated, the part of the lower end of the drill string 24 in the vicinity of the drill mushrooms 27 represents. The tool 46 has a rotary valve operated by a motor, which is actuated by the valve periodically interrupting drilling fluid flowing through in order to create a pressure wave in the drilling fluid that is indicative of a condition measured honestly below. The tool for Borehole logging during drilling has the structure described in US Pat. No. 3,309,656 is. The present invention aims to improve service life and performance of the rotary valve directed. However, it seems useful for a better understanding of the invention that Tool 46 is briefly described below.
Eine Energieumwandlungseinrichtung ist unten im Bohrloch am oder in der Nähe des Werkzeuges 46 angeordnet. Die Energieumwandlungseinriehtung mißt eine gewünschte Bedingung unten im Bohrloch und wandelt die Messung in ein elektrisches Signal um. Die Energieumwandlungseinriehtung 54 kann beispielsweise ein Dehnungsmesser sein, der an der Schwerstange 26 angeordnet ist und das auf die Bohrspitze 27 ausgeübte Gewicht mißt. Das von der Energieumwandlungseinriehtung 54 ausgehende Signal wird einem elektronischen Schaltkasten 53 zugeführt, der in einer Kammer 48 des Werkzeuggehäuses 46a dicht untergebracht ist. Ein derartiger elektronischer Schaltkasten ist beispielsweise in der US-Patentschrift 33 09 656 beschrieben. Der Strom im Schaltkasten 54 entspricht, gestattet, daß eine bestimmte Strommenge vom Generator 50 in einer Kammer 49 des Gehäuses 46a zu dem mit veränderlicher Geschwindigkeit antreibbaren Elektromotor 55 in der Kammer 47 des Gehäuses 46a fließt. Eine vom Schlammstrom angetriebene Turbine 52 treibt den Generator 50 an. um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Motor 55, der in Abhängigkeit von der durch den Schaltkasten 53 hindurchgetretenen Strommenge angetrieben wird, treibt seinerseits den Rotor 61 des das Signal erzeugenden Drehventils 60 über ein Getriebe 56 mit einer Geschwindigkeit an. die zu Erzeugung eines Druckwellcnsignals im Sehlamn erforderlich ist, welches für die gemessene Bedingung kennzeichnend ist.An energy conversion device is located downhole on or near the tool 46. The energy conversion device measures a desired condition downhole and converts the measurement into an electrical signal. The energy conversion device 54 can, for example, be a strain gauge which is arranged on the drill collar 26 and measures the weight exerted on the drill bit 27. The signal emanating from the energy conversion unit 54 is fed to an electronic switch box 53 which is tightly housed in a chamber 48 of the tool housing 46a. Such an electronic switch box is described in US Pat. No. 3,309,656, for example. The current in the switch box 54 corresponds to allowing a certain amount of current to flow from the generator 50 in a chamber 49 of the housing 46a to the variable speed electric motor 55 in the chamber 47 of the housing 46a. A turbine 52 driven by the sludge flow drives the generator 50. to generate electricity. The motor 55, which is driven as a function of the amount of current that has passed through the switch box 53, in turn drives the rotor 61 of the rotary valve 60 generating the signal via a gear 56 at a speed. which is necessary to generate a pressure wave signal in the chamber, which is characteristic of the measured condition.
Es wird nun auf die F i g. 3 Bezug genommen. Da: Signal erzeugende Drehventil 60 weist einen Rotor 61 und einen Stator 62 auf. Der Rotor 61 ist an einer Welk 63 des Getriebes 56 mit I lilfe einer konischen Büchse 6^ und einer Mutter 65 starr befestigt. Die Welle 6? ist inIt is now to the F i g. 3 referred to. There: Rotary signal generating valve 60 has a rotor 61 and a stator 62. The rotor 61 is at a wilt 63 of the gearbox 56 with I aid of a conical bush 6 ^ and a nut 65 rigidly attached. Wave 6? is in
κι Gehäuse 46,7 mit Hilfe von Lagern 66 gelagert. Eini Dichtung 67 um die Welle 63 dichtet den Innenraum de Gehäuses 46,7 gegen das Eindringen von Bohrschlaniu ab. Der Rotor 61 und der Stator 62 enthalte) vorzugsweise die gleiche Anzahl von Schlitzen 61a unc 62.'i. die voneinander den gleichen Abstand und der gleichen Querschnitt haben (Fig. 5). Das Drehventil 6( ist offen, wenn die Schlitze übereinanderliegen. und im geschlossen, wenn die Schlitze vollkommen gegenein ander versetzt sind. Wenn das Drehventil 60 geschlos sen ist, gibt es nur einen einzigen Durchfluß durch da« Ventil. Dieser Durchfluß gehl über den Spalt 70 und der Bypass 71. Der Spalt 70 ist der Abstand zwischen dci Unterseite des Rotors und der Oberseite des Stators wie dies am besten in f: i g. 3 zu sehen ist. Der Bypass 71 ist der Abstand zwischen dem Außenumfang des Rotor«Housing 46.7 supported by bearings 66. A seal 67 around the shaft 63 seals the interior of the housing 46, 7 against the penetration of drilling tubes. The rotor 61 and the stator 62 preferably contain the same number of slots 61a and 62'i. which have the same distance from each other and the same cross-section (Fig. 5). The rotary valve 6 is open when the slots are superimposed and closed when the slots are completely offset from one another. When the rotary valve 60 is closed, there is only one flow through the valve. This flow passes through the gap 70 and the bypass 71. the gap 70 is as f is the distance between dci underside of the rotor and the upper side of the stator in the best: i g is 3 to see the bypass 71 is the distance between the outer periphery of the rotor. ".
61 und der Wand des Rohres in der Nähe des Rotor; (siehe F i g. 3 und 5). Der Außendurchmcsscr des Stator;61 and the wall of the tube near the rotor; (see Figs. 3 and 5). The outside diameter of the stator;
62 ist genau so groß wie der Innendurchmesser de; Rohres.62 is exactly as large as the inner diameter de; Pipe.
Die Geschwindigkeit, mit welcher sich das Drehventi 60 öffnet und schließt, bestimmt die Frequenz des iir Bohrschlamm erzeugten Druckwellcnsignals. Die Stärke des Signals ist jedoch direkt abhängig von dem durch den Spalt 70 und Bypass 7t gebildeten, minimalen Raum der für den Durchfluß bei geschlossenem Ventil zui Verfügung steht. Wenn dieser Raum abnimmt, nimmt die Stärke des Signals zu. Da ein starkes Signal gewünscht wird, sollte dieser minimale Raum so klein wie möglich sein. Wenn jedoch der Spall 70 zu klein u ird. entstehen unerwünschte Schwingungen, wenn sich das Drehventil 60 zwischen einer offenen und geschlossenen Stellung dreht. Diese Schwingungen bccinflußcn das vom Ventil zu erzeugende Signal nachteilig. Darüber hinaus entsteht normalerweise eine ernste Erosion des Rotors 61 und Stators 62, wenn der Spalt 70 vermindert wird, was wiederum die gesamte Lebensdauer des Werkzeuges 46 herabsetzt. Es ist daher wünschenswert, den Spalt 70 so groß wie möglich zu halten und trotzdem für einen minimalen Raum zu sorgen, der zur Erzeugung eines Signals mit einer ausreichenden Stärke erforderlich ist, damit das Signal aus der Tiefe, bei welcher das Werkzeug 46 arbeitet, an die Oberfläche gelangt.The rate at which rotary valve 60 opens and closes determines the frequency of the pressure wave signal generated by the drilling mud. The strength of the signal is, however, directly dependent on the minimum space formed by the gap 70 and bypass 7t , which is available for the flow when the valve is closed. As this space decreases, the strength of the signal increases. Since a strong signal is desired, this minimal space should be as small as possible. However, if the gap 70 becomes too small. undesirable vibrations arise when rotary valve 60 rotates between open and closed positions. These vibrations adversely affect the signal to be generated by the valve. In addition, if the gap 70 is reduced, severe erosion of the rotor 61 and stator 62 normally occurs, which in turn decreases the overall life of the tool 46. It is therefore desirable to keep the gap 70 as large as possible while still providing a minimum amount of space required to generate a signal of sufficient strength for the signal to come on from the depth at which the tool 46 is operating reaches the surface.
Wenn der Spalt 70 vergrößert und ein gewünschter minimaler Raum beibehalten werden soll, muß der Bypass 71 kleiner gemacht werden. Wenn man dieses tut, wird die Erosion der Wand der das Werkzeug 46 aufnehmenden Schwerstange 26 in dem den Rotor 61 umgebenden Bereich kritisch. Die Erfindung schafft eine If the gap 70 is to be enlarged and a desired minimum space is to be maintained, the bypass 71 must be made smaller. In doing so, the erosion of the wall of the drill collar 26 receiving the tool 46 in the area surrounding the rotor 61 becomes critical. The invention creates one
W1 Einrichtung, bei welcher der Spalt 70 bei geringen Bohrtiefen, bei denen die erzeugten Signale eine geringere Stärke haben können, verhältnismäßig groß sein kann und bei welcher der Spalt 70 durch eine entsprechende Einstellung vermindert werden kann, um W1 device in which the gap 70 can be relatively large at shallow drilling depths, at which the signals generated may have a lower strength, and in which the gap 70 can be reduced by a corresponding setting
<■■■-■ Signale mit einer größeren Stärke zu erzeugen, wenn die Bohrtiefe zunimmt. Wenn bei geringeren Bohrtiefen ein verhältnismäßig großer Spalt vorgesehen ist und der Spalt bei Bedarf zur Erzeugung eines Signals mit einer<■■■ - ■ to generate signals with a greater strength when the drilling depth increases. If a relatively large gap is provided for smaller drilling depths and the Gap if necessary to generate a signal with a
größeren Stärke vermindert wird, wird der Erosionsgrad des Drehventils stark herabgesetzt, wodurch die Lebensdauer des Werkzeuges 46 entsprechend verlängert wird. Wenn der Spalt 70 einstellbar ist, kann der Spalt auch dann verkleinert werden, wenn der normale Verschleiß den Bypass vergrößert.greater strength is reduced, the degree of erosion of the rotary valve is greatly reduced, whereby the Life of the tool 46 is extended accordingly. If the gap 70 is adjustable, the Gap can also be reduced if normal wear and tear increases the bypass.
In Fig. 3 ist eine Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zum Einstellen des Spaltes 70 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Stator 62 an seiner Innenumfangsfläche mit einem Gewinde versehen und auf ein Gewinde am Gehäuse 46a aufgeschraubt. Der Stator 62 kann auf den Rotor 61 zu und von ihm weg geschraubt werden, wodurch der Spalt 70 auf seinen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Eine Einstellschraube 75 legt den Stator 62 in der is gewünschten Stellung fest. Mit Hilfe der zusammenarbeitenden Gewinde auf dem Stator 62 und dem Gehäuse 46a kann der Spalt 70 bei Bohrungen in geringen Tiefen verhältnismäßig groß sein und für Bohrungen in größeren Tiefen verkleinert werden. Diese Einstellung wird normalerweise vorgenommen werden, wenn das Bohrgestänge 24 aus dem Schacht 22 entfernt worden ist, um die Bohrspitze 27 auszutauschen, wie dies aligemein bekannt ist.In Fig. 3 is a device according to an embodiment of the invention for adjusting the gap 70 is shown. In this embodiment, the stator is 62 provided with a thread on its inner peripheral surface and on a thread on the housing 46a unscrewed. The stator 62 can be screwed towards the rotor 61 and away from it, whereby the gap 70 can be set to its desired value. An adjustment screw 75 sets the stator 62 in position desired position. With the help of the cooperating threads on the stator 62 and the housing 46a, the gap 70 can be relatively large for bores at shallow depths and for bores in at greater depths. This setting is usually made when the Drill pipe 24 has been removed from well 22 to replace drill bit 27, like this is generally known.
In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform des Werkzeuges 46 dargestellt, das eine andere Einrichtung zum Einstellen des Spaltes 70 aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor 161 auf der Welle 163 einstellbar. Die Welle 163 weist einen Abschnitt 164 mit einem verminderten Durchmesser auf. Der Abschnitt 164 steht vom oberen Ende der Welle 163 vor und reicht in eine mit einem Innengewinde versehene Ausnehmung 165 des Rotors 161. Ein Distanzstück 166 mit einer glatten Bohrung ist gegen den Abschnitt 164 frei beweglich, jedoch mit seinem am Außenumfang vorgesehenen Gewinde mit dem Gewinde der Ausnehmung 165 verschraubt. Die Lage des Distanzstückes 166 in der Ausnehmung 165 bestimmt, wie weit der Rotor 161 die Welle 163 aufnimmt Die Lage des Distanzstükkes 166 in der Ausnehmung 165 bestimmt somit den Spalt 70. Sicherungsmuttern 167, 168 und eine Schutzkappe 169 befestigen den Rotor 161 auf der Welle 163 in der gewünschten Stellung, damit sich der Rotor mit der Welle 163 drehen kann.In Fig. 4, another embodiment of the tool 46 is shown, which has a different device for adjusting the gap 70. In this embodiment, the rotor 161 is on the shaft 163 adjustable. The shaft 163 has a portion 164 with a reduced diameter. The section 164 protrudes from the upper end of the shaft 163 and extends into an internally threaded recess 165 of the rotor 161. A spacer 166 with a smooth bore is exposed against the section 164 movable, but with its thread provided on the outer circumference with the thread of the recess 165 screwed. The position of the spacer 166 in the recess 165 determines how far the rotor 161 accommodates the shaft 163 The position of the spacer 166 in the recess 165 thus determines the Gap 70. Lock nuts 167, 168 and a protective cap 169 fasten the rotor 161 on the Shaft 163 in the desired position so that the rotor can rotate with shaft 163.
Wenn der Spalt 70 vermindert wird, wird die Erosion der Rohrwand in der Nähe des Drehventils 60 ein Problem. Wenn auf die Erosion nicht geachtet wird, vergrößert die Erosion den Bypass 71, so daß der vom Bypass 71 und dem eingestellten Spalt 70 bestimmte minimale Raum zunimmt, wodurch die Stärke des vom ürehventil 60 zu erzeugenden Signals spürbar abnimmt. Darüber hinaus kann diese Erosion die verhältnismäßig teure Schwerstange 26 so weil zerstören, daß die gesamte Schwerstange während einer Bohrung ausgetauscht werden muß.When the gap 70 is decreased, the erosion of the pipe wall in the vicinity of the rotary valve 60 will occur Problem. If the erosion is not paid attention to, the erosion enlarges the bypass 71, so that the vom Bypass 71 and the adjusted gap 70 certain minimum space increases, whereby the strength of the vom ürehventil 60 to be generated signal decreases noticeably. In addition, this erosion can be proportionate expensive drill collar 26 so because destroy that the entire drill collar is replaced during a drilling must become.
Gemäß der Erfindung wird eine Büchse 80 aus einem gegen Verschleiß beständigen Material in der Bohrung der Schwerstange 26 in der Nähe des Drchventils 60 angeordnet. Das für die Büchse 80 verwendete Material weist einen wesentlich größeren Widerstand gegen Verschleiß auf, als das für die Schwerstange 26 verwendete Material, so daß die Lebnensdaucr des Werkzeuges 46 verlängert wird. Ein derartiges, gegen Verschleiß beständiges Material, das eine verhältnismäßig lange Lebensdauer aufweist und beispielsweise einem hundertstündigem Betrieb und mehr unter normalen Betriebsbedingungen des Drehvcntils 60 standhält, ist beispielsweise ein Material, bei welchem 45% Titankarbid-Teilchen in einer Werkzeugstahlmatrix enthalten sind. Durch den bloßen Austausch einer übermäßig verschliessenen Büchse 80 kann eine einzige Schwerstange 26 während des gesamten Bohrvorgangs verwendet werden.In accordance with the invention, a sleeve 80 is made of a wear resistant material in the bore of the drill collar 26 in the vicinity of the throttle valve 60. The material used for the can 80 has a much greater resistance to wear than that for the drill collar 26 material used, so that the life of the tool 46 is extended. One of those, against Wear-resistant material that has a relatively long service life and, for example 100 hours of operation and more under normal operating conditions of the rotary valve 60 for example, is a material in which 45% titanium carbide particles in a tool steel matrix are included. By simply replacing an over-tightened can 80, a single Collar 26 can be used throughout the drilling process.
Da der Verschleiß auch an den ausgesetzten Flächen des Rotors 61 und Stators 62 auftritt, ist es wünschenswert, auch diese Flächen mit einem gegen Verschleiß beständigem Material zu schützen. So können beispielsweise auch Kappen aus einem gegen Verschleiß beständigem Material auf die dem Verschleiß ausgesetzten Flächen des Rotors und Stators aufgeschraubt oder in anderer Weise an diesen Flächen befestigt werden, um die Lebensdauer des Drchventils 60 beträchtlich zu erhöhen.Since the wear also occurs on the exposed surfaces of the rotor 61 and stator 62, it is It is desirable to protect these surfaces with a material that is resistant to wear. So For example, caps made of a material that is resistant to wear can also be applied to the wear and tear exposed surfaces of the rotor and stator screwed or otherwise on these surfaces can be attached to increase the life of the spike valve 60 considerably.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 809M8/190 For this purpose 4 sheets of drawings 809M8 / 190
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