DE3714547A1 - Telemetriesystem zum bohren von bohrloechern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Telemetriesystem zum Bohren von Bohrlöchern, wobei das Telemetriesystem verwendet wird, um elektrische Signale längs des Bohrlochs zwischen einer Füh­ lereinrichtung im Bohrloch und einer Signalsteuereinrich­ tung außerhalb des Bohrlochs zu leiten. Zusätzlich oder alternativ dazu können Befehlssignale von der Signalsteuer­ einrichtung außerhalb des Bohrlochs zu Empfangseinrichtun­ gen geleitet werden, die in der Fühlereinrichtung inner­ halb des Bohrlochs vorgesehen sind.

In der folgenden Beschreibung kann die Natur der zwischen der Fühlereinrichtung und der Signalsteuereinrichtung über­ tragenen Signale eine Vielzahl von Funktionen haben, ein­ schließlich Steuer- und Überwachungsfunktionen.

Bei bekannten Telemetriesystemen ist es bekannt, einen durchgehenden Verbindungsdraht zur Übertragung elektrischer Signale von einem Speicher an der Mündung des Bohrlochs oder innerhalb eines Abschnitts des Bohrgestänges im Be­ reich der Mündung des Bohrlochs längs einer mittigen Öff­ nung vorzuschieben, welche durch eine Reihe von hohlen Bohrgestängeabschnitten gebildet ist, wobei der Verbin­ dungsdraht zu einer Einrichtung an oder in dem Bohrloch vorgeschoben wird. Obwohl ein derartiges System die Neigung zeigt, eine wirksame Signalübertragung zu ermöglichen, weist es den Nachteil auf, daß der aus Verbindungsdraht be­ stehende Speicher durch neue Bohrgestängeabschnitte,die der Bohrerreihe beim Vortrieb des Bohrlochs hinzugefügt wer­ den, hindurchgefädelt werden muß. Ferner muß der Verbin­ dungsdraht aus jedem Bohrgestängeabschnitt ausgefädelt werden, wenn die Bohrerreihe aus dem Bohrloch ausgefahren wird. Bei einem Versuch, die Notwendigkeit zu vermeiden, andauernd den Speicher aus Verbindungsdraht einzufädeln und auszufädeln, wenn die Bohrerreihe vorgeschoben oder aus dem Bohrloch zurückgezogen wird, ist es bekannt, zu­ nächst den Verbindungsdraht durch sämtliche Bohrgestänge­ abschnitte hindurchzufädeln, die an der Mündung des Bohr­ lochs fertig zum Betrieb gestapelt sind. Unglücklicherweise wird durch diesen Vorschlag eine betriebsmäßige Arbeitswei­ se erforderlich, die sicherstellt, daß die Borgestängeab­ schnitte auf die Bohrerkette in der richtigen Reihenfolge aufgebracht werden und daß die losen Längenabschnitte des Verbindungsdrahts, die sich zwischen den Abschnitten er­ strecken, nicht verklemmt oder beschädigt werden. Bei einem weiteren bekannten Vorschlag wird eine Trommel mit aufge­ spultem Verbindungsdraht axial innerhalb eines Abschnitts der Bohrerreihe innerhalb des Bohrlochs angeordnet. Obwohl dieser Vorschlag erheblich dazu beiträgt, daß die Probleme, die durch das Einfädeln und Ausfädeln des Verbindungsdrahts durch die Bohrgestängeabschnitte hervorgerufen sind, gelöst werden, führt dieser Vorschlag zu einem weiteren Problem, indem die axial angeordnete Rolle die Neigung zeigt, den Strom der Bohrflüssigkeit längs der Bohrerreihe zu behin­ dern und dadurch wird der Vortrieb des Bohrlochs gestört.

Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine ver­ bessertes Telemetriesystem auf dem Hardware-Sektor für das Bohren von Bohrlöchern zu schaffen, welches es ermöglicht, daß Informationssignaleinrichtungen effektiv längs der Boh­ rerreihe übertragen werden können und bei dem die oben er­ wähnten Probleme gelöst oder zumindest doch verringert wer­ den.

Erfindungsgemäß weist ein Telemetriesystem zum Bohren von Bohrlöchern einen effektiv durchgehenden Längenabschnitt eines Verbindungsdrahtes auf, welcher sich längs einer Boh­ rerreihe in einem Bohrloch erstreckt, wobei sich der Verbin­ dungsdraht zwischen elektrischen Signalsteuereinrichtungen außerhalb des Bohrlochs und Fühlereinrichtungen innerhalb des Bohrlochs erstreckt, und wobei der effektiv durchgehen­ de Längenabschnitt des Verbindungsdrahts einen Speicher aus Verbindungsdraht enthält, welcher durch eine gebunden ge­ wundene, hohle Spule aus Verbindungsdraht gebildet ist, der nahe an der Fühlereinrichtung angeordnet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform nach der Erfindung enthält der Verbindungsdrahtspeicher eine gewickelte, hohle Spule mit einer Vielzahl von Schichten.

Vorteilhaft ist es, daß der Verbindungsdraht durch ein Ka­ bel mit doppeltem Kern gebildet ist.

Im einzelnen kann die Erfindung dadurch weitergebildet wer­ den, daß jede Windung des Kabels innerhalb der gewickelten, hohlen Spule leicht mit benachbarten Wicklungen in der gleichen Schicht verbunden ist.

Vorzugsweise wird die Bindung dadurch erzielt, daß ein Kle­ bemittel verwendet wird, welches ein Lösungsmittel für die äußere Isolation des Kabels darstellt, und welches dadurch die Neigung zeigt, benachbarte Bindungen miteinander zu verschweissen.

Vorzugsweise wird die Adhäsion zwischen den Schichten da­ durch verhindert, daß ein Überzug, beispielsweise ein Sili­ konöl, zwischen den Schichten vorgesehen ist.

Bevorzugt ist es ferner, daß die gewickelte hohle Spule an der Innenseite der Wandung des Bohrgestängeabschnitts ange­ klebt oder mit dieser verbunden ist.

Zweckdienlich kann der Speicher des Verbindungsdrahts eine Vielzahl von gewickelten hohlen Spulen aufweisen, die Ende an Ende miteinander verspleißt sind. Die Verspleissung kann mittels eines Verbindungsteils geschehen, welches ein hoh­ les, abgedichtetes Rohr enthält, das die miteinander ver­ bundenen Enden der Spulen aufnimmt und das mit einem elek­ trisch isolierenden Fett gefüllt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in den Zeich­ nungen beispielhaft veranschaulichten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine skizzenhafte Schnittansicht in Längsrichtung durch einen Bohrgestängeabschnitt, welcher mit einem Speicherverbindungsdraht in Form einer gewik­ kelten, hohlen Spule versehen ist;

Fig. 2 eine skizzenhafte Schnittansicht in Längsrichtung durch eine Ausführungsform der Fühlereinrichtung im Bohrloch;

Fig. 3 eine skizzenhafte Schnittansicht in Längsrichtung durch eine Gleitringeinheit zur Montage auf einer Bohrerkette im Bereich der Mündung eines Bohrlochs; und

Fig. 4 eine skizzenhafte Schnittansicht in Längsrichtung durch ein Verbindungsteil zum Spleissen von Längen­ abschnitten von Verbindungsdraht aneinander.

Die Zeichnungen zeigen Einzelheiten eines Telemetriesys­ tems zum Bohren von Bohrlöchern, welches es ermöglicht, daß elektrische Signale von Fühlereinrichtungen 1 im Bohr­ loch längs eines Verbindungsdrahts 2 geleitet werden, wel­ cher durch einen isolierten Draht mit doppeltem Kern gebil­ det ist, wobei die Signale über eine Schleifringeinheit 3 zu einer Signalsteuereinrichtung (nicht dargestellt) ge­ leitet werden, die außerhalb der Mündung des Bohrlochs liegt. Die Fühlereinrichtung 1 im Bohrloch weist bei dem Ausführungsbeispiel eine Kristall-Photomultiplizier-Anord­ nung, einen Neigungsfühler 5 und verschiedene elektrische Schalteinrichtungen 6 auf und ist in einem rohrförmigen Gehäuse 7 angeordnet, welches seinerseits in einem Bohrge­ stängeabschnitt (nicht dargestellt) angeordnet ist. Ein aus Metall bestehender Schirm 8 ist vorgesehen, um teilwei­ se die Kristall-Photomultiplizieranordnung 4 einzuschlies­ sen, so daß ein Fenster gegenüber dem Schirm gebildet wird und eine richtungsgebundene Beobachtungsmöglichkeit ent­ steht. Die Anordnung 4, die Neigungsmeßeinrichtung 5 und die Schaltungsanordnungen 6 sind in Schutzüberzügen aus einem Schaumkunststoffmaterial eingeschlossen, um dadurch einen Schlagschutz zu erzielen. Eine Balgenanordnung 9 hält die verschiedenen Einzelteile linear zusammen. Die elektrischen Signale, die von der Fühlereinrichtung er­ zeugt werden, werden längs des Bohrlochs durch das einen Verbindungsdraht aufweisende Telemetriesystem geleitet.

Ein Kopf der Probeneinrichtung 1 ist ein Motor im Bohrloch (nicht dargestellt), welcher eine Bohrkrone (nicht darge­ stellt) antreibt.Hinter der Fühlereinrichtung 6 ist der Verbindungsdraht 2 zu einer Spanneinrichtung 10 geleitet, welche gewährleistet, daß der Längenabschnitt des Verbin­ dungsdrahts zwischen der Fühlereinrichtung und der Spann­ einrichtung immer gestrafft gehalten bleibt. Die Spannein­ richtung weist eine federvorgespannte Scheibenanordnung 11 auf, welche es ermöglicht, daß ein zusätzlicher Längen­ abschnitt des Verbindungsdrahts ausgefahren wird, wenn der Bohrgestängeabschnitt mit der Spanneinrichtung von dem die Fühlereinrichtung enthaltenen Bohrgestängeabschnitt abgekoppelt wird. Zusätzlich gewährleistet die Spannein­ richtung, daß der Verbindungsdraht während des Verbindungs­ vorgangs von zwei Bohrgestängeabschnitten gestrafft gehal­ ten wird, so daß sichergestellt ist, daß der Verbindungs­ draht nicht in der Schraubfuge zwischen den Abschnitten während des Verbindens eingeklemmt wird.

Fig. 1 zeigt, wie der Verbindungsdraht von einem Draht­ speicher ausgefahren wird, der durch eine gewickelte, hoh­ le Spule 12 gebildet ist und über eine Kragenanordnung 13 mit radialen Armen 14, die die Spanneinrichtung halten, zur Spanneinrichtung 10, wobei die Spanneinrichtung einen mittigen, zylindrischen Gleitweg 15 enthält, der eine Spannfeder 16 und einen Kolben 17 aufnimmt, welcher sei­ nerseits eine Scheibe 18 der zuvor erwähnten Scheibenan­ ordnung 11 trägt. Der die Spule 12 verlassende Verbin­ dungsdraht verläuft zu einem radial äußeren Kragen der Kragenanordnung 13 und wird anschließend längs einem der radialen Arme 14 zur Spanneinrichtung geführt, wo er über das Vorderende des zylindrischen Gleitwegs 15 schlaufen­ förmig und um die Scheibe 18 geführt ist, um hierdurch eine Vorratsschlaufe zu bilden.

Die gewickelte, hohle Spule 12, welche den Drahtspeicher bildet, ist nahe an der Fühlereinrichtung angeordnet und besteht aus einer doppelten Schicht gewickelter Schlaufen. Die doppelten Schichten sind in entgegengesetzten Richtun­ gen gewickelt, um dadurch die Induktion zu minimieren und der Verbindungsdraht besteht aus einem isolierten Kabel mit zwei Kernen. Jede Windung des Kabels der gewickelten hohlen Spule ist leicht mit benachbarten Wicklungen in der gleichen Schicht verbunden, wobei die Bindung dadurch hergestellt ist, daß ein Klebemittel verwendet wird, wel­ ches ein Lösungsmittel für die äußere Isolation des Kabels darstellt, und welches folglich die Neigung zeigt, benach­ barte Windungen miteinander zu schweissen.

Die Adhäsion zwischen Windungen in verschiedenen Schich­ ten wird dadurch verhindert, daß die gewickelte Schicht beispielsweise mit einem Silikonöl überzogen wird. Die hohle Spule 12 ist mit dem Inneren des Bohrgestängeab­ schnitts verbunden. Falls ein Speicher des Kabels mit größerer Kapazität erforderlich ist, kann mehr als eine Hohlspule verwendet werden. Die Längenabschnitte des Ver­ bindungsdrahts in der Vielzahl von Spulen sind miteinan­ der durch ein Verbindungsteil 100 verspleißt, wie er in Fig. 4 gezeigt ist. jeder Verbindungsteil weist ein Pla­ stikrohr 101 auf, dessen Enden durch nachgiebige Stopfen 102, welche durch Riegelmuttern 103 gehalten sind, abge­ dichtet sind. Die Kerne des doppelkernigen Verbindungs­ drahts sind durch Krimpfen oder Vertwisten an ihren freien Enden miteinander verbunden und in einem elektrische lei­ tenden Mantel 105 angeordnet. Eine Verbindungskammer 6 wird dann mit einem Silikonfett durch einen Schmiernippel 107 gefüllt, welcher nach dem Füllen entfernt wird und durch einen Stopfen ersetzt wird. Das Verbindungsteil 100 bildet einen abgedichteten, wasserdichten Spleiß, welcher die beiden Längenabschnitte des Verbindungsdrahts mitein­ ander verbindet.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die gewickelte hohle Kabel­ spule die Mitte des Bohrgestänges offen beläßt, so daß die Spule hierdurch die Neigung zeigt, das Rohr nicht zu ver­ stopfen und die Strömung der Bohrflüssigkeit längs des Rohrs nicht behindert.

Das Kabel aus der hohlen Spule 12 verläuft längs des Bohr­ gestänges in Richtung der Mündung des Bohrlochs, wo es ab­ nehmbar mit einem Anschlußteil 20 (in Fig. 3 getrennt ver­ anschaulicht) verbunden ist, der auf dem Vorderende einer Welle 21 vorgesehen ist, die durch die zuvor erwähnte Gleitringeinheit 3 gehalten ist, welche eine Schleifring­ anordnung 22 und einen Bohrflüssigkeitseinlaßadapter 23 enthält, welcher abdichtbar auf einem zylindrischen Gehäu­ se 24 montiert ist. Eine weitere Welle 25 ist an der Gleit­ ringeinrichtung 22 vorgesehen und ist mit einem weiteren Anschlußteil 26 versehen, welcher es ermöglicht, daß ein weiterer Längenabschnitt des Kabels (nicht dargestellt) zum Fortleiten elektrischer Signale zu einer Signalsteuer­ einrichtung außerhalb des Bohrlochs (nicht dargestellt) geleitet werden.

Wenn das Bohrgestänge verlängert werden muß, wird die Gleitringeinheit 3 von dem zuletzt eingebauten Rohrgestän­ geabschnitt abgenommen und das Kabel von dem Verbindungs­ teil 20 entfernt. Nach Entfernung der Gleitringeinheit 3 wird ein neuer Bohrgestängeabschnitt in Richtung der Mün­ dung des Bohrlochs vorgeschoben und das Ende des Kabels, welches zuvor an dem Anschlußteil 20 angeschlossen war, wird durch den Rohrabschnitt hindurchgefädelt, ehe der Abschnitt mit dem Bohrgestänge verbunden wird. Das Kabel wird dann wiederum an den Anschlußteil 20 angeschlossen und die Gleitringeinheit wieder auf dem Ende des verlän­ gerten Bohrgestänges montiert. Das Bohren kann dann fort­ gesetzt werden, bis ein weiterer Bohrgestängeabschnitt erforderlich ist. Die oben beschriebene Verlängerungspro­ zedur wird dann wiederholt. Einer ähnlichen Trenn- und Wiederanschlußprozedur wird gefolgt, wenn das Bohrgestänge aus dem Bohrloch zurückgezogen wird, wobei zum Erleich­ tern des Hindurchfädelns eine halbsteife Stange (nicht dargestellt) verwendet wird, die in dem neuen Rohrab­ schnitt des Bohrgestänges nach oben geschoben werden kann. Diese ist mit einem Anschlußteil an dem Ende versehen, welcher mit dem Anschlußteil am Ende des Meßkabels über­ einstimmt und dort eintrifft. Wenn diese Stange in dem Gestänge angeordnet wird, ehe dies der Bohrerreihe hinzu­ gefügt wird, kann das Meßkabel leicht durchgezogen werden.

Es ist offensichtlich, daß während des gesamten Bohrvor­ gangs die wirksame effektive durchgehende Länge des Tele­ metriesystems aufrechterhalten bleibt, so daß Signale von der Fühlereinrichtung zur Signalsteuerung, zur Überwachung oder zur Anzeige zu Einrichtungen außerhalb des Bohrlochs geleitet werden können. Ferner können Steuersignale wirk­ sam längs des Verbindungsdrahts von der Steuereinrichtung außerhalb des Bohrlochs zu gesteuerten Einrichtungen in­ nerhalb des Bohrlochs geleitet werden. Deartig gesteuerte Einrichtungen können beispielsweise Leiteinrichtungen für die Bohrkrone am Bohrgestänge sein.

Bei anderen Anwendungsfällen kann ein im Querschnitt fla­ ches, doppelkerniges Kabel durch ein Kabel mit Einzelkern ersetzt sein, wobei die Rohre des Bohrgestänges als elek­ trischer Rückkehrweg für das Signal dienen. Alternativ können Kabel mit mehr als zwei Kernen verwendet werden. Als weitere Alternative können optische Faserkabel eben­ falls Verwendung finden.

Wenn das Verbindungskabel dazu dient, die Energiezufuhr zu einem Fühler sicherzustellen, kann es vorteilhaft sein, den gesamten elektrischen Widerstand des Kreises im wesentlichen konstant zu halten, so daß bei Verwendung einer Vielzahl von Spulen eine Gruppe von geschalteten Widerständen in dem Telemetriekreis enthalten sein können.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und Zeich­ nungen hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschlißlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in beliebi­ ger Kombination erfindungswesentlich sein.

Claims (11)

1. Telemetriesystem für das Bohren von Bohrlöchern mit einem effektiv durchgehenden Längenabschnitt aus Ver­ bindungsdraht, welcher sich im Betrieb längs einer Boh­ rerreihe in einem Bohrloch erstreckt, wobei sich der Verbindungsdraht zwischen einer elektrischen Signalsteu­ ereinrichtung außerhalb des Bohrlochs und einer Fühler­ einrichtung innerhalb des Bohrlochs erstreckt, da­ durch gekennzeichnet, daß der effektiv durchgehende Längenabschnitt des Verbindungs­ drahts einen Speicher (12) aus Verbindungsdraht (2) ent­ hält, welcher durch eine verbunden oder geklebt gewik­ kelte, hohle Spule (12) aus dem Verbindungsdraht gebil­ det ist, die nahe an der Fühlereinrichtung angeordnet ist.

2. Telemetriesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verbindungsdraht (2) ein Kabel mit zwei Ker­ nen aufweist.

3. Telemetriesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung des Verbindungs­ drahts in der gewickelten hohlen Spule leicht lediglich mit benachbarten Windungen in der gleichen Schicht verbun­ den oder verklebt ist.

4. Telemetriesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bindung unter Verwendung eines Klebemittels hergestellt ist, welches ein Lösungsmittel für die äußere Isolation des Kabels darstellt und welche dadurch die Nei­ gung zeigt, benachbarte Bindungen miteinander zu ver­ schweissen.

5. Telemetriesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da der Speicher (12) aus dem Ver­ bindungsdraht (2) aus einer gewickelten hohlen Spule mit einer Vielzahl von Schichten besteht.

6. Telemetriesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Adhäsion zwischen den Schichten dadurch ver­ hindert wird, daß eine Beschichtung zwischen den Schichten vorgesehen ist.

7. Telemetriesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung aus einem Silikonöl besteht.

8. Telemetriesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewickelte hohle Spule innerhalb eines Abschnittes des hohlen Bohrgestänges (7) gehalten ist.

9. Telemetriesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spule an der Innenwandung des Bohrgestänge­ abschnitts angeklebt ist.

10. Telemetriesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher aus Verbindungs­ draht aus einer Vielzahl von gewickelten hohlen Spulen be­ steht, die Ende an Ende miteinander verspleißt sind.

11. Telemetriesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulen durch einen Verbindungsteil (100) mit­ einander verspleißt sind, welcher ein hohles abgedichtetes Rohr (101) aufweist, das die miteinander verbundenen Enden der Spulen aufnimmt und das mit einem elektrisch isolie­ renden Fett (106) gefüllt ist.