DE3435812A1

DE3435812A1 - Geraet zur messung der drehgeschwindigkeit eines rotierenden elements

Info

Publication number: DE3435812A1
Application number: DE19843435812
Authority: DE
Inventors: Martin E. Cheshire Conn. Cobern
Original assignee: Teleco Oilfield Services Inc
Current assignee: Teleco Oilfield Services Inc
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1985-04-18
Also published as: NO167103C; US4647853A; NO843926L; FR2553519B1; GB2147424B; GB8424516D0; GB2147424A; NO167103B; FR2553519A1; CA1222882A

Description

Teleco Oilfield Services, Inc., Med-Way Park, 105 Pondview Drive, Meriden, Connecticut 06450, Vereinigte Staaten Amerika

von

Gerät zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Elements

Die Erfindung befaßt sich mit dem Gebiet der Bohrtechnik und speziell mit dem Messen während des Bohrens und der Bohrloch-Telemetrie. Die Durchführung von Messungen während des Bohrens wird auch als MWD-Technik bezeichnet. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die am Bohrlochgrund durchgeführte Messung der Drehgeschwindigkeit einer rotierenden Einheit,- beispielsweise einer Turbine, und die Übertragung der gemessenen Geschwindigkeitsparameter zur Erd-Oberfläche.

Der Nutzen von Systemen, die einer Erfassung von Parametern am unteren Ende eines Bohrgestänges und die Übertragung der so gewonnenen Daten zur Erdoberfläche ermöglichen, ist auf dem Gebiet der Tiefbohrungen, insbesondere der öl- und Gastiefenbohrungen, seit langem erkannt. Es sind Telemetriesysteme bekannt und im Handel erhältlich, welche während des Bohrens Messungen durchführen und die zur Datenübertragung Bohrschlamm-Impulse verwenden. Derartige Systeme sind beispielsweise in den US-PS¹η 3 982 431, 4 013 945 und 4 021 774 offenbart.

— 1 —

Bei einem bekannten Verfahren zum Niederbringen von Bohrungen wird ein Bohrmeißel oder eine Bohrspitze von einer am

j Bohrlochgrund befindlichen Turbine angetrieben, die ihrerseits von dem Bohrschlamm oder der Bohrtrübe angetrieben wird, der in dem Bohrgestänge und in dem ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der Wandung des Bohrlochs zirkuliert. j Solche Bohrsysteme sind sehr wirksam und werden bevorzugt für

! geradliniges Bohren angewendet. Um möglichst effektiv arbeiten zu können, muß die Turbine in solchen Systemen jedoch innerhalb eines vergleichsweise engen Drehgeschwindigkeitsbereichs betrieben werden, um eine optimale Leistungsausbeute zu erzielen. Es ist somit wichtig, daß man in der Lage ist, die Geschwindigkeit der Turbine zu regeln. Eine solche Regelung kann jedoch nicht durchgeführt werden, ohne daß die Augenblicksgeschwindigkeit bekannt ist, mit der der Bohrer rotiert.

Diese Forderung nach einer Regelbarkeit der Bohrgeschwindigkeit ist selbstverständlich nur ein Beispiel für diejenigen Situationen, in denen man die Rotationsgeschwindigkeit einer Tmrbine oder einer anderen am Bohrlochgrund befindlichen Einrichtung kennen möchte.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, das die Messung der Drehgeschwindigkeit eines am Grund eines Bohrlochs rotierenden Elements ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die mit Hilfe des Geräts gemäß der Erfindung gewonnenen Informationen können nach einem bekannten Verfahren zur Erdoberfläche übertragen werden und dienen dem Bohrmeister zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine und damit zur Optimierung der Bohrgeschwindigkeit. Die Drehgeschwindig-

keit des von der Turbine angetriebenen Bohrmeißels darf durch Oberflächenmessungen nicht gestört werden. Es ist daher notwendig, ein System zur Verfügung zu haben, welches die Rotationsgeschwindigkeit am Bohrlochgrund mißt und die entsprechenden Informationen zur Erdoberfläche überträgt. Es ist selbstverständlich ebenfalls wichtig, daß ein derartiges System zur Messung der Geschwindigkeit der Turbine am Bohrlochgrund den normalen Bohrvorgang oder andere am Bohrlochgrund durchgeführte Messungen nicht störend beeinflußt. Ferner soll das Gerät der Erfindung keine allzu großen Änderungen der Turbine erforderlich machen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist an dem oberen

Ende einer Turbinenantriebswelle ein kompakter starker Per- ,

manentmagnet montiert, dessen magnetisches Moment senkrecht I

zur Achse der Turbinenwelle gerichtet ist. Wenn die Tux-bi- ;

nenwelle rotiert, überlagert dieser an der Turbine montierte .j

Magnet im Nachbarbereich der Turbine dem Erdmagnetfeld ein j

rotierendes Magnetfeld. Dieses überlagerte magnetische Feld j

wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung von den drei- j

achsigen Magnetometern in dem Sensorsystem erfaßt. Die er- j

mittelten Daten werden zur Erdoberfläche übertragen und stel- !

len ein Signal dar, das für die Drehgeschwindigkeit der Turbine und des von dieser angetriebenen Bohrers gekennzeichnet ist. Falls das Bohrgestänge zwischen der Turbine und den Sensoren des dreiachsigen Magnetometers geradlinig verläuft, ist das überlagerte Magnetfeld ein transversales Feld, d.h. es besitzt lediglich x- und y-Komponenten und beeinflußt lediglich die x- und y-Sensoren des Magnetometers. Wenn sich zwischen der Tux-bine und dem Sensor eine Abwinkelung befindet, entsteht auch eine kleine z-Komponente des überlagerten Magnetfelds, welches den z-Sensor des Magnetometers beeinflußt. Alle überlagerten Magnetfeldkomponenten ändern sich mit einer Frequenz, die mit der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine übereinstimmt. In der vorliegenden Beschreibung ist unter der "z"-Richtung die Richtung der Achse des Bohrge-

stänges (und der Achse der Turbinenwelle in einem geradlinigen Bohrgestänge) verstanden. Die x- und y-Achsen stehen aufeinander und auf der z-Achse senkrecht.

Das überlagerte rotierende Magnetfeld stellt ein Geschwindigkeitssignal dar. Die Intensität dieses Geschwindigkeitssignals bildet lediglich einen kleinen Bruchteil der Intensität
des Erdmagnetfeldes. Es ist daher erforderlich, die überlagerten Signale einer Hochpaßfilterung zu unterwerfen, um den
Einfluß des Erdmagnetfeldes zu eliminieren, und sie vor der
Weiterverarbeitung zu verstärken. Diese Weiterverarbeitung
besteht lediglich in der Bestimmung der Signalfrequenz, da
diese ein Maß für die Turbinengeschwindigkeit ist. Für die i Verarbeitung können verschiedene Signalverarbeitungsverfah- ! ren Anwendung finden, beispielsweise analoge oder digitale \ Frequenzmessung oder schnelle Fourier-Transformation (FFT). ; Umgekehrt können die Ausgangssignale des Magnetometers dux^ch ί ein Tiefpaßfilter geleitet werden, um die normalen Richtungs- < parameter zu erhalten. Dadurch werden Störungen durch das ■

überlagerte Magnetfeld vermieden. I

! Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher '

erläutert.

Fig. 1 zeigt als Einsatzgebiet der Erfindung eine
Bohrstelle mit einem Bohrloch und einem
Bohrturm,

Fig. 2 zeigt einen Schnitt eines Teils des Bohrgestänges gemäß Figur 1, in welchem sich das
Gerät gemäß der Erfindung befindet,

Fig. 3 zeigt eine Teilansicht des oberen Endes der
Turbinenwelle mit einem darauf montierten
Magneten,

Fig. 4 zeigt ein elektronisches Blockschaltbild der
Komponenten zur Geschwindigkeitsmessung und
veranschaulicht ihr Zusammenwirken mit den
Richtungskomponenten,

- 4

Fig. 5a, zeigen den zeitlichen Verlauf der ungefil-5b und 5c terten Ausgangssignale der x-, y- und z-

Sensoren des Magnetometers während des Bohrens eines geraden Bohrlochs, wobei das
Bohrgestänge sich langsam dreht,

Fig. 6a, zeigen den zeitlichen Verlauf der ungefil-6b und 6c terten Ausgangssignale der x-, y- und z-

Sensoren des Magnetometers, wobei sich zwischen dem Magnetometer und der Turbine eine
Abwinkelung befindet, durch die der Bohrwinkel geändert wird.

In Figur 1 und 2 ist das allgemeine Umfeld angedeutet, in welchem die Erfindung Anwendung finden kann. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Anwendungsmöglichkeit beschränkt.

Das in Figur 1 dargestellte Bohrgerät umfaßt einen Bohrturm 10, an welchem ein Bohrgestänge oder Bohrstrang 12 aufgehängt ist, das in einem Bohrmeißel 14 endet. Bekanntlich kann bei derartigen Bohrgeräten entweder das ganze Bohrgestänge rotieren oder aber das Bohrgestänge wird festgehalten und es rotiert nur der Bohrmeißel. Letzterer ist das eigentliche Umfeld der Erfindung. Das Bohrgestänge 12 ist aus einer Reihe von miteinander verbundenen Abschnitten zusammengesetzt, wobei jeweils neue Abschnitte angefügt werden, wenn die Tiefe des Bohrlochs zunimmt. In Systemen, in denen der Bohrmeißel von einer Turbine angetrieben wird, ist es mitunter erwünscht, das Bohrgestänge langsam rotieren zu lassen. Dies kann durch das von dem Bohren hervorgerufene Reaktions-Drehmoment oder aber durch tatsächliches Drehen des Bohrers von der Oberfläche aus bewerkstelligt werden. Zu dem letztgenannten Zweck
hängt das Bohrgestänge von einem beweglichen Rollenblock 16 einer Winde 18 herab, wobei das gesamte Gestänge durch einen Profilgestängeabschnitt 20 mit quadratischem Querschnitt in Umdrehung versetzt wird, der verschiebbar durch einen Dreh-

tisch 22 geführt und von diesem antreibbar ist. Der Drehtisch 22 befindet sich am Fuß des Bohrturms 10. Ein Antriebsaggregat 24 ist sowohl mit der Winde 18 als auch mit dem Drehtisch 22 gekuppelt.

Der untere Teil des Bohrgestänges kann einen oder mehrere (als sogenannte Schwerstangen bekannte) Segmente 26 enthalten.- deren Durchmesser größer ist als derjenige der übrigen Abschnitte des Bohrgestänges. Wie dem einschlägigen Fachmann bekannt ist, können diese Schwerstangen Sensoren und diesen zugeordnete elektronische Schaltungen sowie Energiequellen enthalten, z. B. in Form von durch den Bohrschlamm angetriebene Turbinen, die Bohrmeißel und/oder Generatoren antreiben, die die elektrische Energie für die Sensorelemente liefern.

Das Bohrklein, das bei dem Betrieb des Bohrmeißels 14 entsteht, wird von einem großen Bohrschlammstrom abgeführt, der durch den freien ringförmigen Zwischenraum 28, zwischen dem Bohrgestänge und der Wandung 30 des Bohrloches hochsteigt. Der Bohrschlamm wird über eine Leitung 32 an ein Filter- und Absetzsystem abgegeben, das schematisch in Form eines Tanks 34 dargestellt ist. Der gefilterte Bohrschlamm wird dann von einer mit einem Impulsabsorber 38 versehenen Pumpe abgesaugt und über die Leitung 40 unter Druck einem umlaufenden Injektorkopf 42 zugeführt, von wo er in das Innere des Bohrgestänges 12 gelangt und den Bohrmeißel 14 und der Bohrschlamm-Turbine zugeführt wird, falls eine solche in dem System vorgesehen ist.

Die in dem Bohrgestänge 12 vorhandene Bohrschlammsäule dient außerdem als übertragungsmedium für Signale von Parametern des Bohrlochgrundes zur Oberfläche. Diese Signalübertragung wird in an sich bekannter Weise dadurch bewirkt, daß in dem Bohrschlamm Impulse erzeugt werden, wodurch Druckimpulse in der in dem Bohrgestänge 12 befindlichen Bohrschlammsäule ent-

stehen, die für die am Bohrlochgrund erfaßten Parameter kenn- I : zeichnend sind. Die Bohrparameter werden in einer Sensorein- '

heit 44 (Figur 2) erfaßt, der sich in einer dem Bohrmeißel be-• nachbarten Schwerstange 26 befindet. Die Druckimpulse werden ; in dem Bohrschlammstrom innerhalb des Bohrgestänges 12 angeregt und von einem Druckwandler 46 aufgenommen, der sie einer Signalempfangseinheit 48 zuführt. Diese nimmt eine Aufzeich-, nung· eine Darstellung und/oder eine berechnende Auswertung ; der Signale vor und liefert Informationen über verschiedene Zustände am Bohrlochgrund.

Es sei nunmehr kurz auf Figur 2 Bezug genommen, in der ein Bohrgestängeabschnitt 26 schematisch dargestellt ist. In die- i

i

sem werden die Bohrschlamm-Impulse erzeugt. Der Bohrschlamm i

strömt durch eine veränderbare Durchflußöffnung 5 0 und wird j dann für den Antrieb einer ersten Turbine 52 verwendet. Diese ! treibt einen Generator 54 an. der (über elektrische Leitungen > J 55) elektrische Energie an die Sensoren der Sensoreinheit 44 | ' liefert. Das Ausgangssignal der Sensoreinheit 44, das die Form elektrischer oder hydraulischer oder ähnlicher Signale hat- betätigt einen Ventilkörper_f der die Größe der veränderbaren Durchflußöffnung 50 variiert. Dem Ventilkörper 56 ist ein Ventilantrieb 57 zugeordnet, der hydraulisch oder ; elektrisch betätigbar ist. Änderungen der Größe der Durchflußöffnung 50 erzeugen Druckimpulse in dem Bohrschlammstrom, die zur Oberfläche übertragen und dort aufgenommen werden. Sie sind für die verschiedenen von der Sensoreinheit

■ 44 erfaßten Bedingungen kennzeichnend. Der Bohrschlammstrom J ist durch Pfeile angedeutet.

Da die Sensoren in der Sensoreinheit 44 magnetisch empfindlich sind, muß das betreffende Segment 26 des Bohrgestänges, in dem die Sensorelemente aufgenommen sind, unmagnetisch sein. Es besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder Monel. Die Sensoreinheit 44 findet sich ferner in einem unmagnetischen Druckgehäuse 60, durch das sie gegen den in dem Bohrloch i

herrschenden Druck geschützt und isoliert wird.

Die Sensoreinheit 44, die Sensoren für Rich'tungs- und andere Messungen enthalten kann, besitzt ferner ein dreiachsiges Magnetometer mit drei Wicklungen, die aus Darstellungs- und Beschreibungsgründen in Figur 2 getrennt als Wicklungen 56A, 56B und 56C dargestellt sind und die die "x"-, "y"- bzw. "z"-Magnetometerwicklungen darstellen. Die Sensoreinrichtung 44 kann außerdem einen Rotationssensor 58 beinhalten, der weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben wird und der beispielsweise der in der US-PS 4 013 945 offenbarte Rotationssensor sein kann.

Unter der Sensoreinheit 44 befindet sich eine Bohrturbine 61. In vielen Fällen liegt zwischen der Sensoreinheit 44 und der Turbine 61 ein weiteres Segment 27 einer Schwerstange aus unmagnetischem Material.

Die Welle der Bohrturbine 61 besitzt einen unteren oder nach unten ragenden Abschnitt 62, der mit dem Bohrmeißel 14 verbunden ist und diesen antreibt, sowie einen nach oben ragenden Abschnitt 64. An der Oberseite des Abschnitts 64 der Turbinenwelle ist ein starker permanenter Stabmagnet 66 montiert.

Wie am besten aus Figur 3 erkennbar ist, ist der Magnet 66 an dem oberen Ende des Abschnitts 64 der Turbinenwelle eingelassen. Es ist wesentlich, daß der Magnet 66 senkrecht zur Achse 68 des Wellenabschnitts 64 montiert ist. Außerdem muß der Magnet symmetrisch zur Achse 68 angeordnet sein. Bei dieser Montageanordnung besitzt das den Magneten beinhaltende Gerät zwei Symmetrieebenen, die beide die Wellenachse enthalten. Eine Ebene (die der Zeichenebene entspricht) enthält die Nord-Süd-Achse des Magneten, während die andere (zur Zeichenebene senkrechte) Ebene den Magneten halbiert. Diese Symmetrie stellt zusammen mit der Kontinuitätsbedingun-

gen für von dem Magneten ausgehende Feldlinien sicher, daß das von dem Magneten induzierte Feld keine Komponenten in Richtung der Wellenachse aufweist.

Um den Magneten 66 gegenüber der Turbinenwelle 64 (die aus einem Eisenmetall oder einem anderen permeablen Material besteht) zu isolieren, ist er mit Hilfe eines unmagnetischen isolierenden Abstandssteges 70 auf der Welle 64 montiert und von ihr beabstandet. Der Trennsteg 70 besteht aus geeignetem nichtpermeablem Material, beispielsweise aus einer Inconel, Plastik oder dergleichen. Der Magnet 66 muß ein starker Permanentmagnet (mit einem Energieprodukt in der Größenordnung von 15 bis 20 Megagauß-Oersted) sein, der durch Stöße, Temperatur, Vibrationen und langzeitige Rotation im Erdmagnetfeld nicht entmagnetisiert werden kann.

Der Magnet muß außerdem für die Verwendung in einer Umgebung mit hoher Temperatur (etwa 150° C) und mit Vibrationen geeignet sein. Der Magnet befindet sich vorzugsweise in einem Schutzgehäuse mit stromlinienförmigem Profil, das eine stoßabsorbierende Vergußmasse 67 enthält.

Der Magnet 64 ist vorzugsweise ein Magnet aus seltenen Er-

' den, beispielsweise ein seltener Erden-Kobaltmagnet, wie er \ j

j beispielsweise von der Firma RECOMA; Inc., Fairfield, j

ι New Jex^-sey, erhältlich ist. Solche Magnete sind für ihren ' ! hohen Magnetisierungswert und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Entmagnetisierung bekannt. ;

i j Wenn die Sensoreinheit 44 regelmäßig arbeitet (d.h. ohne | daß die Wirkungen des Magneten 66 in Betracht gezogen wer- I j den) erfassen die "x"-, "y"- und "ζ''-Wicklungen 56A, 56B j und 56C des Magnetometers die x-, y- und z-Komponenten des j Erdmagnetfeldes und erzeugen entsprechende Signale. Falls

das Bohrgestänge stillsteht, haben die diesen x-, y- und j z-Komponenten entsprechenden Ausgangssignale konstante Wer-

te. Bei der Ausführung geradliniger Turbinenbohrungen ist es jedoch typische Praxis, das Bohrgestänge langsam (üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 100 rpm) rotieren zu lassen, was entweder durch das oben erwähnte Reaktionsdrehmoment oder durch aktives Drehen bewirkt wird. In diesem Fall sind die x- und y-Ausgangssignale des Magnetometers sinusförmig und um 90° gegeneinander phasenverschoben. Eine repräsentative Darstellung dieser Ausgangssignale unter der beschriebenen Bedingung (d.h. bei langsamer Drehung des Bohrgestänges) ist in Figur 5a, 5b und 5c gegeben, in denen die Kurven 72 und 74 die Intensitäten der x- und y-Komponenten des Erdmagnetfeldes wiedergeben und die Linie 76 von Figur 5c den konstanten Wert der Komponenten des Magnetfeldes in z-Richtung zeigt.

Wenn die Turbinenwelle rotiert, überlagert sich das von dem Magneten 66 induzierte Feld (d.h. die magnetischen Feldlinien) dem Erdmagnetfeld, das durch die Magnetometerwicklungen erfaßt wird. Die x- und y-Wicklungen 56A und 56B des Magnetometers registrieren ein oszillierendes Feld, das dem Erdmagnetfeld überlagert ist. Dieses oszillierende Feld ist schematisch als Kurve 78 in Figur 5a und als Kurve 80 in Figur 5b dargestellt. In der der z-Achse zugeordneten Wicklung 56C des Magnetometers wird kein oszillierendes eingeprägtes Feld registriert, daher erscheint kein oszillierendes Feld im Ausgangssignal 76 von Figur 5c, da die Symmetrie des Magneten 66 relativ zur z-Achse sicherstellt, daß das von dem Magneten 66 induzierte Feld keine z-Komponente besitzt. Die von den Kurven 78 und 80 repräsentierten überlagerten Felder sind sinusförmig und gegeneinander um 90° phasenverschoben. Diese überlagerten Feldsignale liegen in einem Frequenzbereich, der um wenigstens eine Größenordnung größer ist als der Frequenzbereich der normalen Magnetometer-Ausgangssignale, wie sie durch die Kurven 72 und 74 angedeutet sind. Somit können das normale für das Erdmagnetfeld kennzeichnende Magnetometer-Ausgangssignal und das von

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At)

dem Magneten 66 verursachte überlagerte Signal durch herkömm- \ liehe elektronische Filtergeräte und -verfahren leicht vonein-; ander getrennt und gefiltert werden. Die Frequenz des überlagerten Feldes, das durch die Kurven 78 und 80 dargestellt ist, ist selbstverständlich ein Maß für die Rotationsgeschwindig- ! keit des Magneten 66 und damit für die Rotationsgeschwindig- |

keit der Turbinenwelle 64. ■

Figur 6a, 6b und 6c zeigen Figur 5a, 5b und 5c entsprechende \ Darstellungen für eine Bohreinrichtung mit abgewinkeltem Bohrmeißel, d. h. eine Bohreinrichtung, bei der das Bohrgestänge nicht rotiert. Daher sind die die x-, y- und z-Komponenten des Erdmagnetfeldes repräsentierenden Magnetometer-Ausgangssignale gerade Linien 82, 84 bzw. 86. Die sinusförmigen Signale, die das überlagerte Magnetfeld des Magneten 66 repräsentieren und die von den x- und y-Wicklungen des Magnetometers geliefert werden, sind als Kurven 88 und 90 angegeben. Da in dem Bereich zwischen der Sensoreinheit und dem Bohrmeißel eine Abwinkelung vorhanden ist, registriert auch die z-Wicklung des Magnetometers ein überlagertes Feld, das durch die Kurve 92 dargestellt wird. Bei der durch die Kurven von Figur 6 gekennzeichneten Bohrvorrichtung ist die Frequenz der Kurven 88, 90 oder 92 ebenso wie bei den Kux^ven nach Figur 5 für die Rotationsgeschwindigkeit des Magneten 66 und damit der Turbinenwelle 64 kennzeichnend.

Um die überlagerten Feldsignale für die Bestimmung der- Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenwelle auswerten zu können, müssen die Funktion zur Erfassung des Erdmagnetfeldes und die Funktion zur Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine voneinander getrennt werden. Die entsprechenden Signale müssen voneinander gefiltert werden, um eine gegenseitige Störung oder Beeinträchtigung zu verhindern. Figur zeigt eine schematische Darstellung eines entsprechenden Auswertesystems. Die x-, y- und z-Wicklungen 56A, 56B und 56C des Magnetometers sind mit Tiefpaßfiltern 94, 96 bzw.

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verbunden Wenn die Sensoreinheit in Betrieb ist und dem Erdmagnetfeld entsprechende Signale erzeugt, filtern die Tiefpaßfilter 94, 96 und 98 die der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine entsprechenden hochfrequenten Signalanteile aus und lassen nur die Signale passieren, die ein Maß für die Komponenten des Erdmagnetfeldes sind (d. h. diejenigen Signale, die den Kurven 72, 74 und 76 von Figur 5 oder den Signalen 82, 84 und 86 von Figur 6 entsprechen). Die gefilterten Ausgangssignale der genannten Tiefpaßfilter werden einem Multiplexer 100 und anschließend einem Analog-Digitalwandler 102 ! zugeführt. Danach gelangen die Signale zu dem von einem Compu-j

ter gebildeten Gerät 104. das Steuersignale für den Ventilan- ·

trieb 57 zur Betätigung des Ventilkörpers 56 liefert, woraus I

Bohrschlamm-Impulssignale erzeugt werden, die zur Erdoberflä- j

ehe gesendet und dort aufgenommen werden. Der Rotationssen- '

sor 58 dient erfindungsgemäß zur Umschaltung des Systems zwi- j

sehen der (soeben beschriebenen) ersten Betriebsart, bei der '

das Erdmagnetfeld gemessen wird, und einer zweiten Betriebs- \

art bei der die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine ge- :

messen wird. Der Rotationssensor 58 ist beispielsweise der j

in der US-PS 4 013 945 offenbarte Sensor, der in Abhängig- !

keit davon ob das Bohrgestänge sich dreht oder nicht, unter- |

schiedliche Ausgangssignalpegel erzeugt. Wenn das Bohrgestän- -

ge sich nicht dreht, liefert der Rotationssensor 58 - wie in | der genannten US-PS beschrieben - ein Ausgangssignal, durch welches das Gerät 104 aktiviert wird. Dieses Ausgangssignal wird ferner einem Relais oder einem anderen Steuermechanismus 108 zugeführt, das einen Schalter 110 betätigt, durch den die Magnetometerwicklung 56A mit dem Tiefpaßfilter 94 verbunden wird. Wenn keine Rotation mehr stattfindet und die Richtungsparameter erfaßt und zur Erdoberfläche übertragen werden sollen, aktiviert der Rotationssensor 58 das System, so daß dieses die entsprechenden Signale empfängt und verarbeitet. Wenn die Rotation wieder beginnt, nimmt das Ausgangssignal des Rotationssensors 58 einen zweiten Pegelwex-t an, durch den der Schalter 110 in die in Figur 4 in gestri-

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chelter Linie angedeutete Position verbracht wird, in der
die Magnetometerwicklung 65A von dem Tiefpaßfilter 94 abge- ι trennt und mit einem Hochpaßfilter 112 verbunden ist. Dieses Hochpaßfilter 112 filtert das der x-Komponenten des Erd- j magnetfeldes (d. h. der Kurve 72 von Figur 5a) entsprechende
niederfrequente Signal aus. Das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 112 stellt dann ein Signal dar das der sinusförmigen Kurve 78 von Figur 5a entspricht und damit ein Maß für ' die Rotationsgeschwindigkeit der Turbinenwelle 64 darstellt, i Dieses Ausgangssignal wird einer Tachometerschaltung 114 ! zugeführt, in der es in geeigneter Weise verarbeitet wird
I und Steuersignale zur Betätigung des Ventilantriebs 57 er- I j zeugt, der den Ventilkörper 56 betätigt und somit Bohr- ^! ! schlamm-Impulssignale erzeugt, die für die Rotationsgeschwin-
! digkeit der Turbine 52 kennzeichnend sind. Diese Bohrschlamm- ^; ^: Impulssignale werden in der Bohrschlammsäule zur Erdoberfläche übertragen und dort durch ein geeignetes Detektorgerät i j aufgenommen, wie es in der US-PS 4 013 945 offenbart oder
• in irgendwelchen anderen handelsüblichen Geräten verwirk-I licht ist. Somit stehen dem Bohrmeister Informationen zur ί i Verfügung, die ihn über die tatsächliche Rotationsgeschwin- !

digkeit der Turbine 5 2 informieren, und er kann die Ge- ι

' I

¹ schwindigkeit der Turbine an die jeweils vorliegenden An- \

ι forderungen anpassen. Bei der in Figur 4 dargestellten An- I

j Ordnung ist die Tachometerschaltung 114 lediglich mit der i

Ϊ x-Wicklung des Magnetometers verbunden. Es genügt, daß die- \

j ^l

I se Schaltung mit irgend einer der Magnetometerwicklungen ;

' verbunden ist, die das der Rotation der Turbine entsprechen- j

' ί

: de überlagerte Signal aufnehmen. Es ist hingegen nicht er- !

i forderlich, die der Rotation entsprechenden Signale an allen '

! Magnetometerwicklungen zu überwachen, da ein Signal an ir- j

j gend einer Wicklung ein Maß für die Rotationsgeschwindigkeit ;

ί der Turbine darstellt. Es sei noch erwähnt, daß der Rota- ,

tionssensor 58 bei einem System, bei dem sich das Bohrge- ^:

! stange nicht dreht (und bei dem die in Figur 6 dargestellte . Ausgangssignale erzeugt werden), durch irgend eine geeignete

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Schaltersteuerung ersetzt werden kann, die auf einer Zeitbasis oder einer anderen ausgewählten Basis betätigt wird. ^; Diese Schaltersteuerung schaltet dann zwischen der ersten \ Betriebsart, in der das System das Erdmagnetfeld erfaßt und

: mißt und der zweiten Betriebsart um, in der das System die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine erfaßt und mißt.

i Das in Figur 4 dargestellte System stellt nur ein Beispiel : zur Veranschaulichung der Erfindung dar. Es können selbstver-I ständlich auch beliebige andere Verarbeitungssyssteme für

den Empfang und die Verarbeitung der zu unterscheidenden Signale Anwendung finden.

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Claims

Patentansprüche

1. Gerät zur Messung der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Elements am Grunde eines Bohrlochs, gekennzeichnet, durch

- eine Magnetometereinrichtung (56), das normalerweise zur Erfassung wenigstens einer Komponenten und zur Erzeugung eines ersten Signals, das ein Maß für diese Komponente darstellt,

- ein rotierendes Element, dessen Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll, ^;

- einen Magneten (66), das auf dem rotierenden Element angeordnet und so positioniert ist- daß es dem Erdmagnetfeld ein rotierendes Magnetfeld überlagert, wobei dieses überlagerte Magnetfeld der Drehgeschwindigkeit des rotierenden Elements entspricht,

ferner dadurch gekennzeichnet,

- daß die Magnetometereinrichtung (56) derart angeordnet ist, daß sie das dem Erdmagnetfeld überlagerte rotierende Magnetfeld erfaßt und ein zweites Signal erzeugt, das ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Elements darstellt,

- und daß eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung des Werts des genannten zweiten Signals für die Ermittlung des Drehgeschwindigkeit des rotierenden Elements vorgesehen ist. i

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Element eine zentrale Welle (64) besitzt, welche eine Rotationsachse (68) definiert, und daß der genannte Magnet (66) auf dieser Welle (64) derart montiert ist, daß sein magnetisches Moment senkrecht zu der genannten Achse (68) gerichtet ist.

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3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Isoliermittel (70) vorgesehen sind, durch die der Magnet (66) von der genannten Welle (64) magnetisch isoliert ist.

4. Gerät nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (66) ein :
Oersted besitzt.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

j Magnet (66) für die Verwendung in einer Umgebung mit starker Vibration und einer Temperatur von 150° C geeignet ist.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (66) ein aus seltenen Erden bestehender Magnet ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (66) sich in einem Schutzgehäuse (67) befindet.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgehäuse (68) ein stromlinienförmiges Profil besitzt und ein stoßabsorbierendes Material enthält.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät sich in einem Abschnitt (27) eines Bohrgestänges befindet, daß die Magnetometereinrichtung (66) auf der Achse dieses Abschnitts (27) des Bohrgestänges montiert ist und daß das rotierende Element sich um eine Rotationsachse dreht, die zur Achse des Abschnitts (27) des Bohrgestänges koaxial ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Element eine zentrale Drehwelle (64) besitzt, die zur Achse (68) des Abschnitts (27) des Βοηχ-gestänges koaxial ist, und daß der Magnet (66) auf dieser Drehwelle (64) derart montiert ist, daß sein magnetisches Moment senkrecht zur Achse der Drehwelle (64) gerichtet ist.

Magnet (66) ein Energieprodukt von etwa 15 bis 20 Megagauß-

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Messung der _; Drehgeschwindigkeit einer in einem Bohrgestänge am Grund ei- | nes Bohrlochs angeordneten Turbine, ' gekennzeichnet durch j

- eine in dem Bohrgestänge (12) angeordnete Magnetometer- ; einrichtung (56) die normalerweise wenigstens eine Komponente des Erdmagnetfeldes erfaßt, und ein erstes Signal
erzeugt, das ein Maß für einen Richtungsparameter des
Bohrgestänges (12) darstellt, ^:

- eine in dem Bohrgestänge (12) angeordnete Turbine (61) mit i einer zentralen Welle (64), die eine Rotationsachse (68) I bestimmt, i

- einen Magneten (64), der auf der Welle (64) der Turbine
angeordnet und derart positioniert ist, daß er" die Magne- \ tometereinrichtung (56) beeinflußt, wobei dieser Magnet J

(66) dem Erdmagnetfeld ein rotierendes Magnetfeld überla- ι gert, welches ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der j Turbine (61) darstellt, : ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetometereinrich- [ tung (56) das dem Erdmagnetfeld überlagerte rotierende Magnetfeld erfaßt und ein zweites Signal erzeugt, dessen Frequenz < für die Drehgeschwindigkeit der Turbine (61) kennzeichnend · ist, j

- und daß Signalverarbeitungsmittel zur Trennung des ersten ι und des zweiten Signals und zur Bestimmung der Frequenz

des zweiten Signals für die Ermittlung der Drehgeschwindig- j

keit der Turbine vorgesehen sind. ;

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, ;

- daß die Magnetometereinrichtung ein dreiachsiges Magneto- \ meter ist, das auf einer Achse des Bohrgestänges montiert
ist und dessen "z"-Achse mit der Achse des Bohrgestänges , zusammenfällt und dessen "x"- und "y"-Achsen senkrecht zu- J einander und senkrecht zu der "z"-Achse stehen, '

- und daß das Magnetfeld des genannten Magneten (66) wenigstens einem der der "x"- und "y"-Achse des Magnetometers

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entsprechenden Signale überlagert wird.

13. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotationssensor (58) vorgesehen ist, durch welchen die Signalverarbeitungsmittel in Abhängigkeit von dem Rotationszustand des Bohrgestänges (12) aktivierbar sind.

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