DE3535498A1

DE3535498A1 - Drehantrieb in einem bohrloch

Info

Publication number: DE3535498A1
Application number: DE19853535498
Authority: DE
Inventors: Colin Bredon Gloucestershire Arlott; Michael King Prestbury Cheltenham Russel
Original assignee: Nl Sperry Sun Inc Stafford Tex; Sperry Sun Inc; NL Sperry Sun Inc
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1984-10-04
Filing date: 1985-10-04
Publication date: 1986-04-10
Also published as: NO169089B; FR2571441A1; IE56964B1; FR2571441B1; NO853912L; GB8425109D0; NL8502719A; US4714403A; BR8504893A; IE852442L; CA1248364A; AU568776B2; JPS61171884A; AU4830585A

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb in einem Bohrloch zur Umwandlung der kinetischen Energie des längs eines Bohrstranges fließenden Schlammstromes in eine Drehbewegung zum Antrieb eines Generators oder eines Meß- oder ° Signalgebers, bestehend aus einem drehbaren Antriebsorgan, dessen Drehachse längs der Bohrstrangachse verläuft, einem ringförmigen, mit Schaufeln versehenen Laufrad, das von dem Schlammstrom antreibbar und koaxial zum Antriebsorgan angeordnet ist, mit dem es zur Ausübung eines Drehmoments _auf das Antriebsorgan gekuppelt ist, und einem ringförmigen Laufradlager.

Da der Raum in einem Bohrloch für die Unterbringung von Batterien beschränkt ist sowie zur Vermeidung der mit dem Erfordernis eines oftmaligen Batterieaustausches verbundenen Probleme, gibt es zahlreiche Gelegenheiten, bei denen es erwünscht ist, in einem Bohrloch elektrische Energie mittels eines vom Schlammstrom angetriebenen Turbogenerators, oder mechanische Energie für ein bewegliches Teil in dem Bohrloch direkt durch ein von dem Schlammstrom angetriebenes Laufrad zu erzeugen. Vorrichtungen zur Ausführung dieser Funktionen im Bohrloch sind bekannt. Beispielsweise beschreiben die GB-PSen 2,082,653A und 2,087,951A eine Anordnung, bei der ein schlammgetriebenes Laufrad sowohl einen elektrischen Generator als auch ein linear verstellbares Drosselorgan zur Erzeugung von Druckimpulsen in dem Schlammstrom mit dem Ziel der Übermittlung von Meßdaten an die Erdoberfläche antreibt.

Diese bekannten Vorrichtungen erfordern jedoch die Verwendung von Laufradlagern, die in der Lage sind, einen erheblichen Druck. aufzunehmen, der von dem Schlammstrom auf das Laufrad ausgeübt wird, und. es ist schwierig, geeignete Lager herzustellen, die eine lange Betriebsdauer aufweisen. Insbesondere ist es wichtig, daß Vorrichtungen, die im Bohrloch eingesetzt werden, nicht wiederholt

repariert oder ausgetauscht werden müssen, weil sowohl die Reparatur als auch der Austausch in bezug auf verlorene Bohrzeit außerordentlich kostspielig sein können. Außerdem kann es schwierig sein, eine lange Betriebsdauer für eine ° Bohrlochvorrichtung hinsichtlich der schwierigen Bedingungen in einem Bohrloch und den Verschleißeigenschaften des Schlammes sicherzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung

der eingangs erwähnten bekannten Bauart so zu verbessern, daß sie für eine lange Zeit im Bohrloch betriebsfähig ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß ein mit Schaufeln versehener Stator unmittelbar stromaufwärts von 3_em Laufrad angeordnet ist, so daß der Schlammstrom auf den Stator einwirkt, bevor er das Laufrad erreicht, daß die Schaufeln des Stators in bezug auf den Schlammstrom geneigt sind, damit der Schlammstrom die Schaufeln des Laufrades in einem solchen Winkel beaufschlagt, daß ein geringer oder vernachlässigbarer Druck auf das Laufradlager ausgeübt wird.

Mit einer derartigen Vorrichtung wird ein wesentlich geringerer Druck auf das Lager ausgeübt als es unter ähnlichen Bedingungen bei den Einrichtungen der Fall sein würde, die in den obengenannten GB-PSen 2,082,653A und 2,087,951A beschrieben sind. Es ist daher verhältnismäßig einfach, ein Lager für die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Verfügung zu stellen, das eine lange Betriebsdauer aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Statorschaufeln in bezug auf den Schlammstrom in einer Richtung vorzugsweise in einem Winkelbereich von 10° bis 15° geneigt, und die Laufradschaufeln verlaufen im wesentlichen parallel zu dem Schlammstrom oder sie sind in

der erwähnten einen Richtung in bezug auf den Schlammstrom geneigt.

Das drehbare Antriebsorgan wird im allgemeinen mit einem 5

elektrxschen Generator gekuppelt sein, so daß die kinetische Energie des Schlammstromes verwendet wird, um elektrische Energie für die Nutzung im Bohrloch zu erzeugen. Es wurde festgestellt, daß die Vorrichtung leicht in der Lage ist, einen Signalgeber für ein ^ Schlammstrom-Telemetrie-System und ein zugehöriges Meßgerät mit Energie zu versorgen, selbst wenn die Effizienz der Energieübertragung einer solchen Vorrichtung im allgemeinen nicht so hoch ist wie diejenige der bekannten,

vorher erwähnten Vorrichtung.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in dem Fall, wo der Stator und das Laufrad ein Gehäuse umgeben, das das Antriebsorgan in einer schlammfreien Umgebung enthält, wobei der Stator in bezug auf das Gehäuse fest angeordnet ist und das Laufrad auf dem Gehäuse mittels des Lagers drehbar ist. In diesem Fall ist die Größe der Lagerfläche einerseits durch den Außendurchmesser des Gehäuses und andererseits durch den Innendurchmesser der Schlammstromleitung begrenzt, so daß es wichtig ist, daß der Druck, der von der Lagerfläche aufgenommen werden muß, so gering wie praktisch möglich ist. Um die Notwendigkeit einer drehbaren Dichtung zu vermeiden, kann mit dem Antriebsorgan das Laufrad magnetisch gekuppelt sein, um auf dieses das Drehmoment auszuüben.

Das Laufradlager kann von einer Bauart sein, bei der die Schmierung durch den Schlammstrom erfolgt, wobei in diesem Fall die Strömungskanäle vorzugsweise in dem Stator für die Zufuhr des Schlamms zu dem Lager vorgesehen sind. Das Lager kann aus oberen und unteren Lagerteilen bestehen, die in entgegengesetzten Richtungen wirken, wobei jeder Lagerteil in der Form eines ringförmigen Drucklagers vorliegen kann. - 6 -

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema eines an sich bekannten Bohrloch-Signalgebers, mit dem die Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Teils des Laufrades und des Stators der Vorrichtung gemäß der Erfindung an einer Seite einer Linie A-A, wobei verständlich ist, daß sich das Laufrad und der Stator tatsächlich symmetrisch auf beiden Seiten der Linie A-A erstrecken;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch das Laufrad und den Stator auf einer Seite des Gehäuses;

Fig. 4 und 5 Querschnitte durch das Gehäuse längs der Linien IV-IV und V-V in Fig. 3; und

Fig. 6 eine Endansicht einer alternativen Ausführungsform des Lagers, die bei der Vorrichtung verwendet werden kann.

Der an sich bekannte Signalgeber 1 in Fig. 1 ist innerhalb einer Schwerstange installiert, die an dem Ende eines Bohrstranges innerhalb eines Bohrloches während des Bohrens angeordnet ist. Der Signalgeber 1 dient zur Übertragung von Meßdaten an die Erdoberfläche in Form von Druckimpulsen, durch Modulierung des Drucks des Schlammes, der am Bohrstrang abwärts fließt.

Der Signalgeber 1 umfaßt ein Rohr 2, das an seinem oberen Ende mit einer ringförmigen Drossel 4 versehen ist, die eine Drosselöffnung 6 für den Schlammstrom bildet, der in dem Bohrlochstrang in Richtung des Pfeiles 8 abwärts

fließt. Innerhalb des Rohres 2 befindet sich ein sich längs erstreckendes Gehäuse 10, das an seinem oberen Ende in der Nähe der Drosselöffnung 6 ein Drosselorgan 12 trägt, das in bezug auf das Gehäuse 10 verstellbar ist, um den Strömungsquerschnitt der Drosselöffnung 6 zu verändern. Ein ringförmiges Laufrad 22 umgibt das Gehäuse 10 und ist in dem Schlammstrom drehbar. Das Laufrad 2 2 ist mit einem Antriebsorgan 18 innerhalb des Gehäuses magnetisch gekuppelt, um das Antriebsorgan 18 anzutreiben, das wiederum sowohl eine Pumpe 16 als auch einen elektrischen Generator 20 für die elektrische Stromversorgung im Bohrloch antreibt. Die Pumpe 16 dient zum linearen Verstellen des Drosselorgans 12, wobei die Richtung der Verstellung des Drosselorgans 12 durch einen Magnet-Spulenschalter (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von einem elektrischen Eingangssignal bestimmt wird.

Die Einzelheiten der Konstruktion und des Betriebs eines derartigen Signalgebers können der GB-PS 2,123,458A der Anmelderin entnommen werden, auf deren Inhalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Bei der Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung, die nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 beschrieben werden soll, ist das in den Zeichnungen der GB-PS 2,123,458A gezeigte Laufrad durch das ringförmige Laufrad 30 und den ringförmigen Stator 32, der teilweise in Fig. 2 gezeigt ist, ersetzt. Der Stator 32 ist mit Schaufeln 34 versehen, die in einer Richtung relativ zu der Schlammstromrichtung 28 geneigt sind, während das Laufrad 30 Schaufeln 36 aufweist, die parallel zu der Schlammstromrichtung 28 verlaufen. Gemäß einer Variante können die Laufradschaufeln 36 auch in der erwähnten einen Richtung relativ zu der Schlammstromrichtung 28 geneigt sein. Das Gehäuse 10 ist in Fig. 2 nicht gezeigt, obwohl verständlich ist, daß sowohl das Laufrad 30 als auch der

Stator 32 das Gehäuse 10 umgeben.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 besteht der Stator 32 aus einem Kragen 38, der an dem Gehäuse 10 befestigt ist, und einem Schaufellagerring 40, der auf den Kragen 38 aufgeschraubt ist. Der Kragen 38 ist mit drei sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten 42 an seiner Außenfläche versehen, wobei die Nuten 42 gleichwinklig um den Umfang des Kragens 38 verteilt sind. Gemäß einer gestrichelten •^ Linie in Fig. 3 weist jede Nut 42 eine Einlaßöffnung an der Außenseite des Kragens 38 sowie eine Auslaßöffnung in der Nähe des Laufrades 30 auf.

Das Laufrad 30 besteht aus einem Magneten tragenden Ring

!5 44, der das Gehäuse 10 umgibt, sowie aus einem die Schaufeln tragenden Ring 46, der den Ring 44 umgibt und an diesem befestigt ist. Der Ring 44 weist sechs sich in Längsrichtung erstreckende Nuten 48 an seiner Außenseite auf, wobei die Nuten 4 8 gleichwinklig um den Umfang des Ringes 44 herum verteilt sind. Jede Nut 48 nimmt einen entsprechenden Seltenerdmagneten 50 auf, vorzugsweise einen Samarium-Kobalt-Magneten. Die Nordpole von drei Magneten 50 sind radial nach außen gerichtet und die Südpole von weiteren drei Magneten 50, die mit den vorhergehend erwähnten drei Magneten abwechseln, sind radial nach außen gerichtet. Diese Laufradmagneten 50 wirken mit sechs weiteren Seltenerdmagneten 52 zusammen, die in gleichen Winkelabständen innerhalb des Gehäuses angeordnet und deren Pole in einer ähnlichen Weise wie die Magneten 50 ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird ein Antriebsdrehmoment von dem Laufrad auf eine angetriebene Welle innerhalb des Gehäuses 10 übertragen, in dem die Magneten 52 gelagert sind, wobei die Gruppen der Magneten 50 und 52 miteinander in einer bestimmten relativen Ausrichtung magnetisch verriegelt sind. Der die Magneten tragende Ring 44 ist ebenfalls mit einer Reihe von sich

längs ersteckenden Nuten 54 an seiner Innenseite versehen, die an den jeweils gegenüberliegenden Stirnenden des Ringes 44 offen sind.

Das Laufrad 30 ist in bezug auf das Gehäuse 10 mittels oberer und unterer ringförmiger Drucklager 56 und 58 drehbar gelagert. Jedes Lager 56 oder 58 besteht aus einem Laufring, der aus einem verhältnismäßig weichen, elastisch deformierbaren Werkstoff, z.B. Gummi, hergestellt ist und von einem Teil 60 gebildet wird, der mit dem Gehäuse 10 fest verbunden ist, sowie einem Teil 62, der an dem Laufrad 30 befestigt ist, sowie aus Kugeln 64 aus einem verhältnismäßig harten Werkstoff, z.B. Stahl. Wahlweise können die Laufringe aus einem verhältnismäßig harten Werkstoff und die Kugeln aus einem verhältnismäßig weichen Werkstoff hergestellt sein. Indessen wird es bevorzugt, daß entweder die Laufringe oder die Kugeln aus einem verhältnismäßig weichen Werkstoff bestehen, weil die Lager mittels des Schlammstromes geschmiert werden sollen und die Verwendung eines derartigen weichen Werkstoffs sicherstellt, daß die Lager weniger schnell durch die Wirkung von in dem Schlammstrom befindlichen Teilchen verschlissen werden, die zwischen den Kugeln und den Laufringen eingefangen werden.

Die Lagerteile 60 können eine begrenzte Gleitbewegung in bezug auf das Gehäuse 10 ausführen, und die vollständige Lagereinrichtung wird axial zwischen einem festen Anschlag 66 und einem Kragen 68 gehalten, der auf das Gehäuse 10 aufgeschraubt ist, sowie von einer Feder 70, die zwischen dem Kragen 68 und dem Teil 60 des unteren Lagers 58 angeordnet ist, um eine axiale Ausdehnung während des Betriebs zu ermöglichen.

Im Betrieb beaufschlagt der in dem Ringraum zwischen dem Gehäuse 10 und dem äußeren Rohr, das in den Fig. 3 bis 5

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nicht gezeigt ist, d.h. also in Richtung 28 abwärts strömende Schlamm die Schaufeln 34 des Stators 32 und wird durch diese Schaufeln 34 so ausgerichtet, daß der Schlamm danach die Schaufeln 36 des Laufrades 30 in einem solchen Winkel beaufschlagt, daß ein geringer oder vernachlässigbarer Druck axial auf das Laufrad 30 durch die Beaufschlagung der Laufradschaufeln 36 durch den Schlammstrom ausgeübt wird. Mit anderen Worten, im wesentlichen wirkt der gesamte Druck tangential, um dem Laufrad 30 eine

"*-. Drehbewegung zu erteilen. Infolgedessen wird ein geringer oder vernachlässigbarer Druck auf die Lager übertragen. Falls irgendeine Druckkomponente aufgrund des viskosen Widerstandes vernachlässigt wird, wird der Druck als vektor ielle Größe im rechten Winkel zu den Laufradschaufeln gerichtet sein, in welchem Fall das beste Ergebnis mit Laufradschaufeln erzielt wird, die parallel zur Achse des Gehäuses 10 gerichtet sind. In der Praxis jedoch wird ein gewisser viskoser Widerstand vorhanden sein, und es kann zum Ausgleich desselben eine Neigung der Laufradschaufeln in derselben Richtung wie die der Statorschaufeln erwünscht sein, so daß der auf die Laufradschaufeln auftreffende Schlammstrom eine senkrecht nach oben gerichtete Druckkomponente erzeugt, durch die die von dem viskosen Widerstand herrührende Druckkomponente beseitigt wird.

Im Hinblick auf den sehr geringen oder vernachlässigbaren Druck, dem die Lager bei dieser Anordnung ausgesetzt sind, können die Lager leicht gebaut sein und mittels des Schlammstromes geschmiert werden. Eine derartige Schmierung wird sichergestellt durch den längs der Nuten 42 in dem Statorkragen 38 fließenden Schlamm sowie ferner durch den zwischen den oberen und unteren Lagern 56 und 58 durch die Nuten 54 in dem die Magneten tragenden Ring 44 des Laufrades 30 fließenden Schlamm.

Bei einer alternativen Anordnung wird jedes Lager 56 oder

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58 durch ein Lager 80 ersetzt, von dem ein Ende in Fig. 6 gezeigt ist, das unmittelbar an einer ebenen, ringförmigen Lagerfläche an einem entsprechenden Ende des Laufrades 30 anliegt. Das Lager 80, das bei der Anordnung in Fig. 6 ° weggelassen ist, um deren Konstruktion leichter verständlich zu machen, besteht aus einer Metallhülse 82 mit einer Gummischicht 84 an ihrer Innenseite und acht im gleichen Winkelabstand voneinander angeordneten axialen Nuten 86 für den Durchfluß des schmierenden Schlammes von einem Ende der Hülse zum anderen derselben. Zusätzlich sind acht Gummirippen 88 einheitlich mit der Schicht 84 ausgebildet und radial derart positioniert, daß sie den Nuten 86 unmittelbar benachbart sind. Die Rippen 88 erstrecken sich von dem Ende der Hülse 82 bis auf eine Höhe, in der sie über die Hülse 82 vorstehen, wo sie acht radial im Abstand voneinander angeordnete Lagerflächen bilden, die an der entsprechenden Lagerfläche an dem Laufrad 30 anliegen.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Statorschaufeln in ihrer Längsrichtung gekrümmt sein, so daß der Winkel zunimmt, in dem die Schaufeln in bezug auf den Schlammstrom geneigt sind, wenn der Abstand von dem Laufrad abnimmt.

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Claims

PATENTANWALT Κ/Ν 18-126 NL Sperry-Sun, Inc. 10707 Corporate Drive, Stafford, Texas united States of America Drehantrieb in einem Bohrloch Patentansprüche

1. Drehantrieb in einem Bohrloch zur Umwandlung der kinetischen Energie des längs eines Bohrstranges fließenden Schlammstromes in eine Drehbewegung zum Antrieb eines Generators oder eines Meß- oder Signalgebers, bestehend aus einem drehbaren Antriebsorgan, dessen Drehachse längs der Bohrstrangachse verläuft, einem ringförmigen, mit Schaufeln versehenen Laufrad, das von dem Schlammstrom antreibbar und koaxial zum Antriebsorgan angeordnet ist, mit dem es zur -Ausübung eines Drehmoments auf das Antriebsorgan gekuppelt ist, und einem ringförmigen Laufradlager, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Schaufeln versehener Stator (32) unmittelbar stromaufwärts von dem Laufrad (30) angeordnet ist, so daß der Schlammstrom auf ihn einwirkt, bevor er das Laufrad (30) erreicht, daß die Schaufeln (34) des Stators (32) in bezug auf den Schlammstrom geneigt sind, damit der Schlammstrom die Schaufeln (36) des Laufrades (30) in einem solchen Winkel beaufschlagt, daß ein geringer oder vernachlässigbarer

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Druck auf das Laufradlager (58) ausgeübt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln (34) in bezug auf den Schlammstrom in einer Richtung geneigt sind, und daß die Laufradschaufeln (36) im wesentlichen parallel zu dem Schlammstrom angeordnet oder in bezug auf den Schlammstrom in der erwähnten einen Richtung in einem geringeren Ausmaß als die Statorschaufeln (34) geneigt sind.

3. ■ Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Statorschaufeln (34) mindestens auf ihren stromabwärts liegenden Teilen in einem Winkel im Bereich von 10 bis 15° in bezug auf den Schlammstrom geneigt sind.

j

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch

* gekennzeichnet, daß die Statorschaufeln (34) in

Längsrichtung geringfügig gekrümmt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel für das Laufradlager (58) der Schlammstrom vorgesehen ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufradlager (58) mindestens eine Lagerfläche aufweist, die aus einem elastisch deformierbaren Werkstoff besteht.

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7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufradlager obere und untere Lagerteile (56, 58) aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen wirksam sind.

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8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (32) und das Laufrad (30) ein Gehäuse (10) umgeben, das das Antriebsorgan (18) in einer schlammfreien Umgebung enthält, und daß der Stator (32) in bezug auf das Gehäuse (10) mittels des Laufradlagers (58) fest angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (30) mit dem Antriebsorgan (18) zur Ausübung eines Drehmomentes auf das Antriebsorgan (18) magnetisch gekuppelt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsorgan (18) mit einem elektrischen Generator (20) zum Antrieb des Generators gekuppelt ist.