DE3605036C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 zum Bestimmen des Verklemmungspunktes eines Stranges, wie zum Beispiel Tubing-, Casing- oder Bohrgestänge, in einem Bohrloch.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung werden benötigt, wenn bei einer Tiefbohrung das Tubing-, Casing- oder Bohrgestänge festgegangen ist. Das Festgehen des Gestänges, ausgelöst durch Vorgänge, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll, kann vereinfacht als ungewolltes Einklemmen im Bohrloch beschrieben werden. Ein solcher Störfall betrifft in der Regel nur einen bestimmten Abschnitt eines unter Umständen mehrere tausend Meter langen Gestänges.

Zur Einleitung gezielter bohrtechnischer Maßnahmen, welche ein Freibekommen des festgegangenen Rohrstrangs bewirken sollen, ist es zunächst erforderlich, den eingeklemmten Bereich des Gestänges mit meßtechnischen Mitteln genau zu bestimmen. Besonders wichtig ist dabei die Ermittlung des oberen Fest-Frei- Übergangs, des sogenannten Freipunkts.

Für derartige Aufgaben werden Bohrlochsonden eingesetzt, welche allgemein als Freipunktsonden bezeichnet werden. Diese werden von obertage her innerhalb des aus einzelnen Rohrlängen bestehenden Gestänges an einem Meßkabel abgelassen. In einer festzulegenden Teufe wird die Sonde mit Hilfe von zwei ausfahrbaren Armgruppen im Gestänge verankert. Wird nun obertägig am Gestänge gezogen oder gedreht, so erfolgt im unverklemmten Bereich des Gestänges eine Dehnung oder Torsion der Rohrwand, welche eine Relativbewegung der beiden angepreßten Armgruppen der Freipunktsonde zueinander bewirkt. Diese Relativbewegung wird mittels einer Meßzelle erfaßt, das Signal verstärkt und über das Meßkabel nach obertage übertragen.

Diese seit vielen Jahren bekannten Freipunktsonden sind im Laufe der Zeit immer weiter verbessert worden. Moderne Entwicklungen (z. B. EP 00 39 278, EP 00 55 675, DE 27 42 590) erlauben bereits die Unterscheidung zwischen tordierend bzw. ziehend auf den Rohrstrang wirkenden Kräften mit einer recht guten Empfindlichkeit der Meßzelle.

Trotz aller Verbesserungen hat das beschriebene bisher angewandte System zur Freipunktbestimmung den Nachteil, daß es nur eine punktweise, einer bestimmten Teufenlage des Rohrstrangs zugehörige Aussage erbringt. Eine vollständige Freipunktbestimmung erfordert daher die Aneinanderreihung vieler Einzelmessungen, wobei zu jeder einzelnen sowohl das Verankern, Lösen und Verfahren der Sonde, als auch das Bewegen des Gestänges und das Registrieren der Meßsignale gehört. Aufgrund des beschriebenen Aufwands sind derartige Freipunktmessungen in Tiefbohrungen bisher ein sehr zeitaufwendiges Verfahren.

Die US-Patentschrift 44 40 019 offenbart ein anderes Verfahren zur Freipunktbestimmung, bei welchem mittels einer speziellen Bohrlochsonde während einer ersten Befahrung des zu untersuchenden Rohrstrangs in bestimmten Abständen Magnetmarken in die ferromagnetische Rohrwand induziert werden. Anschließend wird der Rohrstrang von obertage her durch Ziehen und/oder Drehen mechanisch derart belastet, daß oberhalb des Freipunkts die vorher gesetzten Magnetmarken gelöscht werden. Bei einer nochmaligen Befahrung des Rohrstrangs mittels der speziellen Bohrlochsonde, wobei es sich im Prinzip gleichgültig ist, ob das Gestänge entlastet ist oder von obertage her noch unter mechanischer Spannung steht, sollten sich nun unterhalb des Freipunkts die noch vorhandenen Magnetmarken registrieren lassen, während oberhalb des Freipunkts die Magnetmarken fehlen müßten.

Obwohl ein derartiges Verfahren zur Freipunktbestimmung ein zweimaliges Befahren des Bohrlochs erfordert, wäre es gegenüber dem weiter oben beschriebenen System bereits deutlich schneller. In der Praxis hat es sich jedoch deswegen nicht durchsetzen können, weil die erzielbaren Meßkurven aufgrund von Überlagerungen magnetischer Störsignale in der Regel keine eindeutige Aussage über die tiefenmäßige Lage des Freipunkts zulassen. Ein wesentlicher Nachteil ist ferner, daß mit einem derartigen Verfahren eine auf den Rohrstrang gebrachte Torsionsbelastung weder qualitativ noch quantitativ direkt erfaßbar ist, wie es vor der Zündung des Backoff-Schusses unbedingt erforderlich ist, um das Anliegen der benötigten Losdreh-Vorspannung an der zu lösenden Schraubmuffe des Gestänges zu kontrollieren.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung einer Freipunktsonde, welche aufgrund ihrer Funktionsweise nicht nur einen bedeutend verringerten Meßzeitbedarf aufweisen sollte, sondern auch eine wesentlich verbesserte Meßpunktdichte. Gleichzeitig sollte sie eine möglichst genaue Kontrolle über das Anliegen der erforderlichen Losdreh-Vorspannung an der zu lösenden Schraubmuffe des Gestänges erlauben.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß der Erfindung wird der verklemmte Rohrstrang von obertage her mit einer konstanten Torsions- und/oder Zugkraft beaufschlagt und gleichzeitig die erfindungsgemäße Freipunktsonde mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Geschwindigkeit im Rohrstrang verfahren. Der Freipunktsonde sind ein oder zwei magnetostriktive Meßzellen zugeordnet, welche mit einer federnden Kraft an die Innenfläche des zu untersuchenden Rohrstrangs gedrückt werden. Während des Fahrens der Freipunktsonde, vorzugsweise beim Aufwärtsziehen, werden mittels dieser Meßzelle(n) auf einem Teilbereich der Innenfläche des Rohrstrangs die aufgrund der kräftemäßigen Beaufschlagung des Rohrstrangs sich ausbildenden Druck- und Zugspannungen abgetastet und in proportionalen Meßsignale umgesetzt. Gleichzeitig werden obertägig die auf den Rohrstrang gebrachten Kräfte mittels entsprechender Aufnehmer erfaßt. Die so gewonnenen Signale werden mit Hilfe einer obertägigen Meßwerterfassungsanlage registriert und korrigiert. Als Meßergebnis stehen unabhängig voneinander die beiden zu einer bestimmten Teufe des Rohrstrangs gehörenden Meßgrößen Drehmoment und Zugkraft in Form eines Logs zur Verfügung.

Die erfindungsgemäße Freipunktsonde wird aus einem im wesentlichen rohrförmigen Sondengehäuse gebildet, in dessen mittlerem axialen Bereich ein seitlich ausfahrbarer Arm gelagert ist. Am äußeren Ende dieses Arms, der mit Hilfe eines im Sondengehäuse befindlichen Antriebssystems mit integriertem Federspeicher aus- bzw. eingefahren werden kann, ist ein schwenkbar gelagerter Andruckschuh angebracht. Die eine oder die beiden magnetostriktiv arbeitenden Meßzellen sind entweder direkt in den Andruckschuh des ausfahrbaren Arms oder in die diametral der Ausfahrrichtung des Arms gegenüber liegende Seite des Sondengehäuses so eingebaut, daß sie mit ihrer Achse im rechten Winkel zur Achse des Sondenkörpers angeordnet sind und mit ihrer Stirnseite und mit einem vorzugsweise kleinen und gleichbleibenden Abstand an die Innenfläche des zu untersuchenden Rohrstrangs gedrückt werden können. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Stirnseite der einzelnen Meßzelle in einer Ebene derart konvex gekrümmt ist, daß ihr Krümmungsradius ungefähr dem mittleren halben Innendurchmesser des zu untersuchenden Rohrstrangs entspricht und diese Krümmungsebene parallel zur Krümmungsebene der Innenfläche des Rohrstrangs verläuft.

Im Sondengehäuse sind ferner je ein Aufnehmer für Temperatur und Druck zwecks Driftkorrektur der magnetostriktiven Meßzellen, die elektronischen Baugruppen zur Meßzellensteuerung, Meßwertgewinnung und -übertragung eingebaut. Zusätzlich ist eine sogenannte CCL-Einrichtung (Casing Collar Locator) vorhanden, welche beim Ablassen der Freipunktsonde in einer Rohrtour das rasche Lokalisieren von Rohrschuhen oder -stößen erlaubt, ohne den Arm ausfahren zu müssen.

Die für die erfindungsgemäße Freipunktsonde zur Anwendung kommenden Meßzellen arbeiten prinzipiell nach dem magnetostriktiven Verfahren, welches für quasi-berührungslose Kräftemessungen an ferromagnetischen Werkstoffen Stand der Technik ist. Für die gängigen Gestängewerkstoffe wird die Voraussetzung ferromagnetischer Eigenschaften erfüllt.

Eine derartige magnetostriktive Meßzelle ist aus der Offenlegungsschrift DE 23 35 249 bekannt. Eine ähnliche Meßzelle wurde unter DE 30 31 997 offengelegt und zwischenzeitlich von zwei Firmen für den Einsatz als Drehmomentaufnehmer serienreif entwickelt. Das Meßprinzip beruht darauf, daß eine Welle, die ein Drehmoment überträgt, auf ihrer Oberfläche Zug- und Druckspannungen besitzt. Diese stehen senkrecht aufeinander und bilden mit der Achsrichtung Winkel von ±45°C. Die höchsten mechanischen Spannungen sind unmittelbar auf der Wellenoberfläche vorhanden. Die Schubspannung τ ist dem Drehmoment M direkt und der dritten Potenz des Wellenradius R umgekehrt proportional:

Die Drehmomentmeßzelle mißt die Permeabilitätsänderung, die mit der mechanischen Spannungsänderung in der Wellenoberfläche verknüpft ist.

Dieses bekannte Prinzip wird für die erfindungsgemäße Freipunktsonde in der Weise abgeändert, daß nunmehr nicht die auf der Oberfläche einer Welle, sondern die auf der Innenfläche eines Rohres bei Torsion vorhandene Schubspannung gemessen wird. Diese ist zwar kleiner als die auf der Rohraußenfläche auftretende, jedoch ist der Unterschied im Falle von Rohren für die Tiefbohrtechnik aufgrund des großen Durchmesser/Wandstärkenverhältnisses von untergeordneter Bedeutung.

Die Schubspannung τ auf der Rohrinnenfläche ist dann:

Darin ist

τ = Schubspannung in Nmm^-2 M = Drehmoment in Nmm R _a = Rohraußenradius in mm R _i = Rohrinnenradius in mm

Die zur Abtastung dieser auf der Rohrinnenfläche lastenden Schubspannung z. B. verwendbare Meßzelle gemäß der deutschen Patentanmeldung 30 31 997 besteht aus einem weichmagnetischen Schalenkern, der auf seinem zentralen Polkern eine Primärwicklung trägt. Die äußere Schale ist vierfach geschlitzt und trägt auf jedem der vier Jochsegmente Spulen, die zu einer magnetischen Brücke verschaltet sind. Die jeweils gegenüberliegenden Spulen sind in Reihe geschaltet und die beiden entstehenden Spulenpaare gegeneinander geschaltet. Die Meßzelle ist für die Erfassung des Drehmoments im Andruckschuh bzw. im Sondengehäuse der Freipunktsonde so justiert, daß die diametral gegenüber liegenden Spulen mit ihren jeweiligen Polkernen gegen die Achsrichtung des zu untersuchenden Rohres um ±45° verdreht sind. Die zentral angeordnete Primärspule wird von einem Generator mit einem hochfrequenten Wechselstrom erregt. Die dabei entstehenden Feldlinien passieren den Luftspalt zwischen Meßzelle und Rohrinnenfläche und dringen in einem gewissen Umfang in das ferromagnetische Rohrmaterial ein. Weiter außen passieren die Feldlinien erneut den Luftspalt und kehren über die vier außen liegenden Jochsegmente wieder zum zentralen Polkern zurück. Ohne Drehmoment ist die Permeabilität in der Rohrinnenfläche für alle Richtungen gleich groß. Deshalb sind auch die in die Jochsegmente eintretenden magnetischen Flüsse und die in den Spulen induzierten Wechselspannungen gleich groß, und die Ausgangsspannung der gegeneinander geschalteten Spulenpaare ist null. Wird nun das Gestänge mit einem Drehmoment beaufschlagt, dann unterscheiden sich die Permeabilitätswerte für die Druck- und Zugspannungseinrichtung, und es ergibt sich eine der Schubspannung proportionale Brückenübergangsspannung. Diese Spannung wird phasenabhängig gleichgerichtet, verstärkt und über eine entsprechende Kabelanpassung nach obertage übertragen.

Für die beschriebene Abtastung können in ähnlicher Weise auch andere magnetostriktive Meßzellen Verwendung finden. So ist aus der deutschen Patentanmeldung 23 35 249 eine Meßzelle bekannt, deren magnetischer Kern vier identische axiale Pole besitzt, welche an den Eckpunkten einer etwa quadratischen Radialebene angeordnet sind. Die Meßzelle besitzt vier Spulen, welche um jeweils zwei Pole gewickelt sind und von denen zwei dem Erregerkreis und zwei dem Meßkreis zugehören. Die für die Erfassung eines auf dem zu untersuchenden Rohrstrang lastenden Drehmoment erforderliche Ausrichtung der Empfindlichkeitsachsen führt in diesem Fall zu einer parallelen bzw. quer liegenden Anordnung der von jeweils einer Spule gemeinsam umschlungenen Polpaare zur Achse des Rohrstrangs.

Die bis hier beschriebene Funktionsweise magnetostriktiver Meßzellen bezieht sich auf die Abtastung einer auf dem Rohrstrang lastenden Torsionskraft. Grundsätzlich können mit den gleichen Meßzellen axial auf den Rohrstrang wirkende Kräfte erfaßt werden, wenn die jeweilige Meßzelle gegenüber der Anordnung zur Drehmomentmessung mit einem Betrag von 45° um ihre Achse gedreht ausgerichtet ist.

Für die Praxis der Freipunktbestimmung besteht allerdings die Forderung nach einer gleichzeitigen und unabhängigen Erfassung sowohl tordierend als auch ziehend auf den zu untersuchenden Rohrstrang wirkender Kräfte. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Einbau von zwei magnetostriktiven Meßzellen gelöst, von denen entsprechend der oben gegebenen Lehre die eine für die Erfassung des Drehmoments und die andere für die Erfassung der Zugkraft justiert ist.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Freipunktsonde unter Verwendung einer vom Erfinder unabhängig hiervon zum Patent beantragten magnetostriktiven Meßzelle (P 35 18 161.3) wird es ermöglicht, in einem einzigen Meßpunkt gleichzeitig und unabhängig voneinander die Meßwerte für Drehmoment und Zugkraft zu erfassen. Eine derartige Meßzelle weist außer dem zentralen Pol mit der Erregerspule acht im Kreis um den zentralen Pol herum mit einem gegenseitigen Winkel von 45° angeordnete axiale Pole auf. Die zugehörigen Meßspulen sind so verschaltet, daß bei einer entsprechenden winkelmäßigen Ausrichtung der Meßzelle die Meßsignale für Drehmoment und Zugkraft getrennt anfallen und in separaten Meßkanälen verstärkt und weiterverarbeitet werden können.

Eine weiter verfeinerte Ausführungsform der zum Patent angemeldeten Meßzelle, bezeichnet als Komponentensensor, weist außer dem zentralen Pol mit der Erregerwicklung nur drei weitere Pole auf. Sie kann daher besonders klein gebaut werden und erlaubt das Aufbringen von Spulen mit hohen Windungszahlen und dickerem Wickeldraht. Die drei zu den mit einem jeweiligen Winkel von 120° im Kreis um den zentralen Pol herum angeordneten Pole gehörenden Meßspulen sind vorzugsweise zu einer Sternschaltung verbunden. Auf diese Weise werden drei Signale erzeugt, welche Kraftvektoren gleichzusetzen sind und welche zuerst umgerechnet werden müssen, um daraus die beiden Meßwerte für Drehmoment und Zugkraft zu gewinnen. Die Umrechung erfordert eine genaue lagemäßige Zuordnung der Vektoren. Für den Einbau in die Freipunktsonde wird daher eine der drei stirnseitigen Empfindlichkeitsachsen der Meßzelle als Bezugsachse festgelegt. Diese wird um die Achse der Meßzelle herum auf einen festen Winkel, vorzugsweise senkrecht, parallel, in einem Winkel von +45° oder in einem Winkel von -45° zur Achse des Sondengehäuses, einjustiert.

Zum erfindungsgemäßen Verfahren gehört auch eine obertägige Meßwerterfassungsanlage. Diese ist über ein Kabel mit der Freipunktsonde verbunden. Zusätzlich sind der Tiefengeber der Kabelwinde sowie zwei Meßwertaufnehmer für die obertägig auf den Rohrstrang gebrachten Kräfte Torsion bzw. Zug angeschlossen.

Die Meßwerterfassungsanlage verfügt über einen Speicher, in welchen vor Beginn der Messung die für eine magnetostriktive Untersuchung des Rohrstrangs relevanten Daten (z. B. Durchmesser, Wandstärke, Werkstoff, Kaltverformungsgrad und spezifische Permeabilitätsänderung der einzelnen Stangen des Rohrstrangs sowie die Reihenfolge des Einbaus dieser Stangen und ihre jeweilige Länge) eingegeben werden. Ferner sind im Speicher die temperatur- und druckmäßigen Korrekturwerte für die jeweilige magnetostriktive Meßzelle abgelegt.

Während des Ablaufs des eigentlichen Meßvorgangs können so entsprechend einem festgelegten Programm die von der Freipunktsonde kommenden Meßwerte in umfangreicher Weise korrigiert, quantitativ aufgearbeitet und umgerechnet werden. Dabei wird während des Fahrens der Freipunktsonde im Rohrstrang die Zuordnung der abgespeicherten Korrekturdaten zu den einzelnen Stangen des Rohrstrangs in der Weise synchronisiert, daß die Umschaltung zum Korrekturwert für die jeweils nächste Stange automatisch durch den an jeder Rohrmuffe entstehenden Meßwertimpuls ausgelöst wird. Zur Erzielung einer besseren Störsicherheit können die auf mehreren Meßwertkanälen gleichzeitig anstehenden Meßwertimpulse zu einer logischen UND-Schaltung verknüpft werden. Zusätzlich wird die während der Registrierung des Freipunktlogs fortlaufend eingelesene tiefenmäßige Position der Freipunktsonde in Verbindung mit den abgespeicherten Daten über die Abfolge und Länge der einzelnen Stangen des Rohrstrangs beim Passieren eines sich rechnerisch ergebenden Rohrstoßes zur Auslösung eines genügend breiten Freigabeimpulses benutzt. Dieser Freigabeimpuls wird so mit der Programmlogik verknüpft, daß eine Umschaltung der Korrekturdaten in der Meßwerterfassungsanlage durch den an jeder Rohrmuffe entstehenden Meßwertimpulse jeweils nur einmal während des Anstehens dieses Freigabeimpulses erfolgen kann.

Die von der Freipunktsonde kommenden Meßwerte können zusätzlich rechnerisch zu den von obertage her auf den Rohrstrang gebrachten Kräften ins Verhältnis gesetzt werden, da der Zusammenhang zwischen den im Rohrstrang von der magnetostriktiven Meßzelle gewonnenen Signalspannungen und den auf dem Rohrstrang lastenden Kräften annähernd linear ist.

Die auf die beschriebene Weise obertägig aufgearbeiteten und umgerechneten quantitativen Meßwerte für die an der untertägigen Meßstelle anstehenden Kräfte Drehmoment und Zugkraft können nun auf einem synchron mit der Fahrgeschwindigkeit der Freipunktsonde laufenden Schreiber zur Anzeige gebracht werden und stehen gleichzeitig, zusammen mit den anderen genannten Meßgrößen, einer Signalabspeicherung zur Verfügung.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen des Verklemmungspunktes eines Stranges in einem Bohrloch führen trotz einer quasi-unendlichen Meßpunktauflösung zu einem in extremer Weise herabgesetzten Meßzeitbedarf. Der Informationszuwachs gegenüber dem bisherigen Verfahren ist beträchtlich. Vorteilhaft sind die Abbildungen von Rohrstößen in der Meßkurve des Freipunktlogs, welche eine sehr genaue tiefenmäßige Zuordnung der Meßwerte erlauben.

Die erfindungsgemäße Freipunktsonde soll nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt als Gesamtansicht das Ausführungsbeispiel einer Freipunktsonde mit teilweise ausgefahrenem Arm. Das Sondengehäuse 1, welches über den Kabelkopf 2 mit dem Meßkabel 3 verbunden ist, gliedert sich in drei wesentliche Bereiche auf. Diese sind Abschnitt 4, in welchem die elektronischen Baugruppen untergebracht sind, Abschnitt 6, in welchem sich das Antriebssystem befindet, und Abschnitt 5, welcher der Aufnahme und Lagerung des Arms 9 dient. Im oberen Abschnitt 4 ist zusätzlich eine CCL-Einheit 8 eingebaut. Die Sondenspitze 7 kann entfernt werden, wenn eine Verlängerung mit einer Backoff-Einheit angeschlossen werden soll. Diese wird entsprechend dem Stand der Technik zum Lösen der freien von der festgegangenen Rohrtour durch Zünden einer Explosivladung verwendet, während gleichzeitig ein linksdrehendes Moment von obertage her auf den Rohrstrang gelegt wird. Der Arm 9 ist mit einem Andruckschuh 10 versehen. Die nicht eingezeichnete magnetostriktive Meßzelle ist entweder direkt in den Andruckschuh 10 oder in die der Ausfahrrichtung des Arms diametral gegenüber liegende Seite des Abschnitts 5 des Sondengehäuses integriert.

Fig. 2 zeigt einen abgebrochen dargestellten Teilbereich der Freipunktsonde mit dem Abschnitt 5, dem Arm 9, und dem Andruckschuh 10. In den Andruckschuh 10 ist eine magnetostriktive Drehmomentmeßzelle integriert, von welcher lediglich die Polflächen 11, 12, 13 14, 15 zu sehen sind. Der zentrale Polkern 11 wird von zwei diametralen Polpaaren 12, 14 und 13, 15 umschlossen, deren jeweilige Verbindungslinien den Empfindlichkeitsachsen der Meßzelle entsprechen und einen Winkel von ±45° zur Sondenachse beschreiben.

In Fig. 3 ist ein Teilstück der Drehmoment-Meßkurve eines Freipunktlogs als Beispiel dargestellt. Auf der Ordinatenachse 16 ist das der Schubspannung der Rohrinnenfläche entsprechende Meßsignal, auf der Abzissenachse 17 die Teufe aufgetragen. Die Meßkurve 18 zeigt im Bereich eines verklemmten Rohrstrangs einen Verlauf 19 nahe des Nullwerts. Zwischen Fest- 20 und Freipunkt 21 erfolgt ein Niveausprung auf den Schubspannungswert 22, welcher der mechanisch erzwungenen Torsion des Rohrstrangs entspricht. Die Rohrstöße zwischen den einzelnen Stangen des Rohrstrangs werden durch kurze Meßwertimpulse 23, 24, 25 angezeigt.

Fig. 4 zeigt an einem der Fig. 2 ähnlichen Ausführungsbeispiel die Ausrichtung zweier magnetostriktiver Meßzellen im Andruckschuh des Arms, von denen die obere die ziehend und die untere die tordierend auf den Rohrstrang wirkenden Kräfte erfaßt. Die obere Meßzelle besitzt einen zentralen Pol 26, der von den diametralen Polpaaren 27, 29 und 28, 30 umschlossen ist. Die mit den Verbindungslinien der Polpaare übereinfallenden Empfindlichkeitsachsen der Meßzelle sind für die Polpaare 27, 29 parallel und für die Polpaare 28, 30 senkrecht zur Sondenachse ausgerichtet. Die Anordnung der unteren Meßzelle mit ihrem zentralen Pol 31 und ihren Polflächen 32, 33, 34, 35 entspricht der in Fig. 2 dargestellten Ausrichtung.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform benutzt eine als Komponentensensor bezeichnete magnetostriktive Meßzelle. Sie besitzt drei um ihren zentralen Polkern 36 herum in einem jeweiligen Winkel von 120° zueinander angeordnete Pole 37, 38, 39, deren jeweilige nicht eingezeichnete Meßspulen in Sternschaltung verbunden sind. Die Verbindungslinie zwischen dem zentralen Pol 36 und dem äußeren Pol 37 dient als Bezugslinie und ist parallel zur Achse der Freipunktsonde ausgerichtet. Der zugehörigen Empfindlichkeitsachse ist somit die axiale Kraftkomponente der auf dem Rohrstrang lastenden Kräfte zuzuordnen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch, wobei der zu untersuchende Rohrstrang von obertage her entweder mit einem konstanten oder einem in regelmäßiger periodischer Folge vergrößerten und verkleinerten Drehmoment und/oder entweder einer konstanten oder in regelmäßiger periodischer Folge vergrößerten und verkleinerten Zugkraft beaufschlagt wird, während gleichzeitig ein Sondenkörper mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Geschwindigkeit in axialer Richtung im Rohrstrang verfahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß dabei von wenigstens einer dem Sondenkörper zugeordneten und mit einer federnden Kraft an die Innenfläche des Rohrstrangs angedrückten magnetostriktiven Meßzelle, deren Achse im rechten Winkel zur Achse des Sondenkörpers angeordnet ist, fortlaufend und ununterbrochen die auf der Wandung des Rohrstranges lastenden mechanischen Spannungen in einem Teilstück des von der Innenfläche des Rohrstrangs gebildeten Zylindermantels durch den Vergleich von wenigstens zwei in der quasi zweidimensionalen Mantelebene des Rohrstrangs liegenden Permeabilitätsvektoren abgetastet werden.

2. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß obertägig sowohl das von der Meßzelle des als Freipunktsonde bezeichneten Sondenkörpers kommende, als auch das der obertägig auf den Rohrstrang gebrachten Kraft entsprechende Signal, welches mittels einer separaten obertägigen Meßzelle gewonnen wird, in zeitsynchroner Aufzeichnung registriert werden, und damit eine Korrelation zwischen beiden Meßgrößen bzw. eine Korrektur der als Freipunktlog aufzutragenden Meßwerte vorgenommen wird.

3. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß obertägig in jeweils separaten Aufzeichungskanälen sowohl die von der oder den Meßzellen des als Freipunktsonde bezeichneten Sondenkörpers kommenden und den unterschiedlichen Kraftkomponenten entsprechenden Signale, als auch die den obertägig auf den Rohrstrang gebrachten Kräften Drehmoment und Zugkraft entsprechenden Signale, welche mittels einer oder mehrerer obertägiger Meßzellen gewonnen werden, in zeitsynchroner Aufzeichnung registriert werden, und damit eine Korrelation zwischen den verschiedenen Meßgrößen bzw. eine Korrektur der Meßwerte vorgenommen wird.

4. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine magnetostriktive Untersuchung relevanten spezifischen Daten der einzelnen Stangen des Rohrstrangs (z. B. Durchmesser, Wandstärke, Werkstoff, Kaltverformungsgrad, spezifische Permeabilitätsänderung usw.), sowie die Reihenfolge des Einbaus dieser Stangen und deren Längen abgespeichert sind und diese Daten für eine quantitative Korrektur der Meßwerte herangezogen werden.

5. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der obertägigen Meßwerterfassungsanlage die Zuordnung der abgespeicherten Korrekturdaten zu den einzelnen Stangen des Rohrstrangs in der Weise synchronisiert wird, daß die Umschaltung zur jeweils nächsten Stange automatisch durch den während des Verfahrens des Sondenkörpers im Rohrstrang an jeder Rohrmuffe entstehenden Meßwertimpuls ausgelöst wird, wobei zur Erzielung einer besseren Störsicherheit mehrere Meßwertkanäle zu einer logischen UND-Schaltung verknüpft sind.

6. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Verfahrens des Sondenkörpers im Rohrstrang bei der Registrierung des Freipunktlogs fortlaufend von der obertägigen Meßwerterfassungsanlage eingelesene tiefenmäßige Position des Sondenkörpers in Verbindung mit den abgespeicherten Daten über die Abfolge und Länge der einzelnen Stangen des Rohrstrangs beim Passieren eines sich rechnerisch ergebenden Rohrstoßes zur Auslösung eines genügend breiten Freigabeimpulses benutzt wird, und eine Umschaltung der Korrekturdaten in der Meßwerterfassungsanlage durch den an jeder Rohrmuffe entstehenden Meßwertimpuls jeweils nur einmal während des Anstehens dieses Freigabeimpulses erfolgen kann.

7. Verfahren zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sondenkörper zusätzlich je ein Meßwertaufnehmer für Temperatur und Druck zugeordnet ist, und die damit registrierten Meßwerte in der obertägigen Meßwerterfassungsanlage unter Zugriff auf abgespeicherte Korrekturwerte zur quantitativen Berechnung der Meßwerte des Freipunktlogs herangezogen werden.

8. Vorrichtung zur Bestimmung des Verklemmungspunktes eines Rohrstranges in einem Bohrloch, nachfolgend bezeichnet als Freipunktsonde, bestehend aus einem Sondengehäuse, welches elektronische Baugruppen und ein Antriebssystem enthält, und welches in einen solchen Rohrstrang mittels eines Gestänges und/oder eines Meßkabels eingefahren werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens einen im wesentlichen radial zur Sondenachse ausfahrbaren Arm aufweist, welcher einen an seinem äußeren Ende gelagerten Andruckschuh besitzt und mit einer federnden Kraft gegen die Innenwand des zu untersuchenden Rohrstrangs gedrückt werden kann, und ihr gleichzeitig mindestens eine magnetostriktiv arbeitende Meßzelle zugeordnet ist, welche eine quasi-berührungslose Abtastung der auf der Rohrwand lastenden natürlichen bzw. erzwungenen mechanischen Kräfte erlaubt, und welche entweder direkt in den Andruckschuh des ausfahrbaren Arms oder in die diametral der Ausfahrrichtung des Arms gegenüberliegende Seite des Sondengehäuses so integriert ist, daß sie mit ihrer Achse im rechten Winkel zur Achse des Sondenkörpers angeordnet ist und mit ihrer Stirnseite und mit einem vorzugsweise kleinen und gleichbleibenden Abstand an die Innenwand des zu untersuchenden Rohrstranges gedrückt werden kann.

9. Freipunktsonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite der Meßzelle in einer Ebene derart konvex gekrümmt ist, daß ihr Krümmungsradius ungefähr dem mittleren halben Innendurchmesser des zu untersuchenden Rohrstrangs entspricht und diese Krümmungsebene parallel zur Krümmungsebene des von der Innenfläche des Rohrstrangs gebildeten Zylindermantels verläuft.

10. Freipunktsonde nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden rechtwinklig zueinander auf der stirnseitigen Radialebene liegenden Empfindlichkeitsachsen der magnetostriktiven Meßzelle die eine in einem Winkel von +45° und die andere in einem Winkel von -45° zur Achse des Sondenkörpers ausgerichtet sind, so daß die an die Innenfläche des zu untersuchenden Rohrstrangs gedrückte Meßzelle ein Signal liefert, welches den bei einer Beaufschlagung des Rohrstrangs mit einer tordierend wirkenden Kraft im Gefüge der Rohrwand hervorgerufenen Druck- und Zugspannungen proportional ist.

11. Freipunktsonde nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden rechtwinklig zueinander auf der stirnseitigen Radialebene liegenden Empfindlichkeitsachsen der magnetostriktiven Meßzelle die eine parallel und die andere senkrecht zur Achse des Sondenkörpers ausgerichtet sind, so daß die an die Innenfläche des zu untersuchenden Rohrstranges gedrückte Meßzelle ein Signal liefert, welches den bei einer Beaufschlagung des Rohrstrangs mit einer Zugkraft im Gefüge der Rohrwand hervorgerufene Druck- und Zugspannungen proportional ist.

12. Freipunktsonde nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der vorhandenen ersten Meßzelle eine zweite Meßzelle entsprechend dem Anspruch 11 angeordnet ist, so daß neben dem Signal der ersten Meßzelle, welches dem auf dem Rohrstrang lastenden Drehmoment proportional ist, gleichzeitig und unabhängig davon mittels dieser zweiten Meßzelle ein Signal gewonnen wird, welches der auf dem Rohrstrang lastenden Zugkraft proportional ist.

13. Freipunktsonde nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine von den drei in einem jeweiligen Winkel von 120° zueinander auf der stirnseitigen Radialebene liegenden Empfindlichkeitsachsen der magnetostriktiven Meßzelle als Bezugsrichtung mit einem festen Winkel, vorzugsweise entweder parallel, senkrecht, in einem Winkel von +45° oder in einem Winkel von -45°, zur Achse des Sondenkörpers ausgerichtet ist, so daß die drei von der Meßzelle gelieferten Signale, welche Vektoren entsprechen, aufgrund ihrer winkelmäßig definierten Lage derart umgerechnet werden werden können, daß sich daraus zwei Meßwerte ergeben, von denen der eine dem auf dem Rohrstrang lastenden Drehmoment und der andere der auf dem Rohrstrang lastenden Zugkraft proportional ist.