DE3715512C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Er­ zeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang abwärts durchströmenden Bohrungspülungsmedium in einer Ausbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei derartigen Vorrichtungen, wie sie beispielsweise die US-PS 39 58 217 veranschaulicht, sind im Überlappungsbe­ reich zwischen dem Hauptventilkörper und dem Trägerkör­ per Berührungsdichtungen, insbesondere O-Ring-Dichtun­ gen, vorgesehen, um einen Durchtritt von Bohrspülungsme­ dium zwischen dem Hauptventilkörper und dem Trägerkörper hindurch vollständig zu unterbinden. Zugleich damit ist sichergestellt, daß im Innenströmungskanal kein Druckab­ fall eintritt, wenn zur Auslösung einer druckpulserzeu­ genden Bewegung des Hauptventilkörpers das Hilfsventil betätigt und dadurch die Austrittsöffnung des Innenströ­ mungskanals verschlossen wird.

Durch die Berührungsdichtungen werden jedoch im Über­ lappungsbereich Totwasserzonen gebildet, in denen sich vom Bohrspülungsmedium mitgeführte Feststoffpartikel ablagern. Derartige Sedimentierungen können schon nach kurzer Zeit Bewegungswiderstände auf den Hauptventilkör­ per ausüben, die schließlich ein vollständiges Fest­ setzen zur Folge haben. Mit wachsenden Bewegungswider­ ständen ergeben sich Veränderungen in Form und Höhe der durch die Bewegungen des Hauptventilkörpers im Bohr­ spülungsmedium hervorgerufenen Druckpulse mit der Folge, daß die Signale nicht oder nicht mehr richtig erkennbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die das Entstehen von Bewegungswiderständen auf den Hauptventil­ körper als Folge von Sedimentbildungen wirksam verhin­ dert. Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils dieses An­ spruchs. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 10 verwiesen.

Die Belassung eines vollständig vom Bohrspülungsmedium durchströmbaren Spaltes zwischen dem Hauptventilkörper und dem Trägerkörper vermeidet die Bildung von Totwas­ serzonen und damit das Auftreten von Sedimentbildung, so daß auch nach langer Betriebszeit die Betriebsbedingun­ gen für den Hauptventilkörper unverändert bleiben und ausschließlich durch die hydraulischen Druckverhältnisse bestimmt werden. Die Ausbildung des Spaltes im Über­ lappungsbereich als enge Drosselstrecke stellt dennoch das Auftreten von eindeutig vorbestimmbaren Druckver­ hältnissen im Innenströmungskanal sicher, während gleichzeitig sichergestellt ist, daß der Winkel einer theoretisch denkbaren Kippbewegung des Hauptventilkör­ pers relativ zum Trägerkörper klein ist und Klemmer­ scheinungen entgegenwirkt.

Gleichzeitig aber ist auch im Bereich der Drosselstrecke des Spaltes zwischen Außenventilkörper und Trägerkörper sichergestellt, daß die Spaltweite die Partikelgröße von in dem Bohrspülungsmedium mitgeführten Feststoffparti­ keln übersteigt, so daß ein Einklemmen von Feststoff­ partikeln im Spalt auch im Bereich der Drosselstrecke vermieden ist.

Bevorzugt bildet der Spalt im Überlappungsbereich zwei im Abstand hintereinander liegende Drosselstrecken, wo­ bei in den im Überlappungsbereich an die Drosselstrecken angrenzenden Bereichen des Spaltes dieser eine wesent­ lich größere Spaltweite hat. Dies mindert die Gefahr eines Verklemmens aufgrund von Kippbewegungen und stellt zugleich sicher, daß die Drosselstrecke unabhängig von der Stellung des Hauptventilkörpers relativ zum Träger­ körper eine stets gleiche Gesamtlänge hat. Dadurch ist zugleich erreicht, daß die Drosselwirkung auf das Bohr­ spülungsmedium in der Drosselstrecke stets gleich ist.

Bevorzugt ist der Spalt im Bereich der Drosselstrecke zumindest einseitig von einer die Oberfläche einer Panzerung bildenden Fläche begrenzt, wodurch die Lebens­ dauer der der abrasiven Wirkung des Bohrspülungsmediums ausgesetzten Teile erhöht und das verschleißbedingte Aufweiten des Spaltes im Bereich der Drosselstrecke ver­ zögert wird.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung schema­ tisch veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen abgebrochenen Längsmittelschnitt durch einen Bohrrohrstrang und eine in diesem ange­ ordnete Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpul­ sen nach der Erfindung,

Fig. 2 bis 4 abgebrochene schematisch Teilschnitte durch den Überlappungsbereich zwischen Hauptventilkörper und Trägerkörper in Höhe der Kreislinie D in Fig. 1.

Die Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang 1 abwärts in Richtung eines Pfeiles 2 durchströmenden Bohrspülungsmedium - das nach Austre­ ten durch einen Drehbohrmeißel am Ende des Bohrrohr­ stranges in das Bohrloch im Ringraum zwischen dessen Wandung und der Außenwandung des Bohrrohrstranges wieder aufwärts strömt - besteht im wesentlichen aus einem in dem Bohrrohrstrang 1 angeordneten Ventil, das einen Außenteil 3, einen Hauptventilkörper 4 und einen Träger­ körper 5 umfaßt.

Der ortsfest im Bohrrohrstrang 1 abgestützte, im wesent­ lichen rohrförmige Außenteil 3 umfaßt einen oberen Ringteil 6 mit einer zentralen axialen Durchgangsöffnung 7, deren Querschnitt wesentlich geringer ist als der Querschnitt im Bohrrohrstrang 1 oberhalb des Ventils. Ferner stützt der Außenteil 3 den Fußteil 8 des Träger­ teils 5 ortsfest in seinem unteren Bereich ab, der in seinem zentralen Bereich 9 bis auf eine axiale Durch­ gangsöffnung 10 geschlossen ausgeführt ist, zwischen dem und der Innenseite des Außenteils 3 jedoch über den Umfang verteilte Durchtrittsöffnungen für das Bohr­ spülungsmedium verbleiben, das den ringförmigen Außen­ strömungskanal 11 zwischem dem Außenteil 3 und dem Hauptventilkörper 4 abwärts durchströmt.

Der Fußteil 8 bildet einen integralen (oder auch geson­ derten) Bestandteil des Trägerkörpers 5, der in seinem Hauptteil im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und eine zentrale Durchgangsöffnung 12 aufweist. Diese setzt sich in der Durchgangsöffnung 10 fort, die an ihrem un­ teren Ende einen Ventilsitz 13 aufweist. Dieser Ventil­ sitz bildet zugleich die Austrittsöffnung eines Innen­ strömungskanals, der in seinem unteren Bereich von den axialen Durchgangsöffnungen 12, 10 umgrenzt ist.

Dem Ventilsitz bzw. der Austrittsöffnung 13 ist ein Hilfsventilkörper 14 zugeordnet, der mittels eines An­ triebs 15, z.B. eines Elektromagneten, aus seiner darge­ stellten Offenstellung aufwärts in eine Schließstellung bewegbar ist, in der er die Austrittsöffnung 13 ver­ schließt.

Der Trägerkörper 5 ist im Bereich der Außenfläche 16 seines Hauptteils 17 zylindrisch ausgebildet und be­ grenzt mit dieser zylindrischen Außenfläche 16 einen ringförmigen Spalt 18, der außenseitig von einer ihrer­ seits zylindrischen Fläche 19 eines rohrförmigen Ansatz­ teiles 20 des Hauptventilkörpers 4 begrenzt ist. Die einander in der in Fig. 1 dargestellten Ausgangs­ stellung des Hauptventilkörpers 4 in ganzer Länge ge­ genüberliegenden Flächen 16, 19 definieren einen Über­ lappungsbereich zwischen dem Hauptventilkörper 4 und dem Trägerkörper 5, dessen Länge sich verringert, sobald der Hauptventilkörper 4 eine Aufwärtsbewegung in Richtung auf den Ringteil 6 ausführt. Der Hauptventilkörper 4 weist einen oberen, bis auf eine Durchgangsöffnung 21 geschlossenen Stirnteil 22 auf, der eine kegelige Ober­ fläche 23 besitzt und in seinem zentralen Bereich in einen rohrförmigen Fortsatz 24 übergeht. Dieser bietet in Ausgangsstellung des Hauptventilkörpers 4 in Höhe der Durchlaßöffnung 7 im Ringteil 6 gelegene Seitenöffnungen 25 dar, die mit der Durchgangsöffnung 21 in Verbindung stehen. Diese Seitenöffnungen 25 bilden die Eintritts­ öffnung für den in seinem oberen Bereich von der Durch­ gangsöffnung 21 umgebenen und dann von den Durchgangs­ öffnungen 12, 10 fortgesetzten Innenströmungskanal. Der Fortsatz 24 ist an seinem Stirnende 26 abgeschlossen und bildet auf diese Weise eine Art Pitotrohr.

In dem Bereich zwischen einer ebenfalls kegelig abge­ schrägten Unterseite 27 des Ringteils 6 und der kegeli­ gen Oberseite 23 des Hauptventilkörpers 4 bildet der Außenströmungskanal 11 eine Drosselstrecke 28, deren Durchflußquerschnitt von der Stellung des Hauptventil­ körpers 4 abhängt.

Der Spalt 18 zwischen dem Hauptventilkörper 4 und dem Trägerkörper 5 ist von Bohrspülungsmedium frei durch­ strömbar und wird in allen Stellungen des Hauptventil­ körpers 4 zum Trägerkörper 5 von Bohrspülungsmedium auf­ grund eines Druckgefälles zwischem dem Bohrspülungsmedi­ um in der Durchgangsöffnung 12 und im Außenströmungska­ nal 11 durchströmt.

In dem durch die Flächen 16, 19 definierten Überlappungs­ bereich bildet der Spalt 18 eine enge Drosselstrecke aus, und zwar dadurch, daß die Weite des Spaltes 18 im Bereich der Drosselstrecke eine Weite hat, die ein 100stel des Durchmessers des ringförmigen Spaltes 18 unterschreitet und bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 und 0,5 mm, vorzugsweise 0,15 mm, beträgt.

Der Spalt 18 hat im Bereich der Drosselstrecke eine über seine Länge gleichbleibende Spaltweite. Die Drossel­ strecke kann sich dabei im wesentlichen über die ganze Länge des Überlappungsbereiches zwischen dem Hauptven­ tilkörper 4 und dem Trägerkörper 5 erstrecken, wie dies die Fig. 4 dargestellt, in der die Drosselstrecke des Spaltes mit 29 bezeichnet ist.

Statt dessen kann der Spalt 18 im Überlappungsbereich auch zwei (oder mehr) im Abstand hintereinander liegende Drosselstrecken 30 bilden, wie dies in den Fig. 2 und 3 schematisch wiedergegeben ist. Dabei hat der Spalt 18 in den an die Drosselstrecken 30 angrenzenden Bereichen eine wesentlich größere Spaltweite, wie dies ebenfalls in den Fig. 2 und 3 verdeutlicht ist.

Anstelle der Möglichkeit, die Teile 4, 5 als Verschleiß­ teile zu betrachten und bei eintretendem Verschleiß durch abrasive Wirkung des Bohrspülungsmediums im Be­ reich des Spaltes 18 gegen neue Teile auszutauschen, besteht auch die Möglichkeit, daß der Spalt 18 ein oder beidseitig im Bereich der Drosselstrecken 29, 30 von einer die Oberfläche einer Panzerung 31 bildenden Fläche begrenzt ist, wie dies für die Drosselstrecken 30 in Fig. 2 und 3 wiedergegeben ist.

Die Panzerung 31 kann dabei als Auftragsschicht ausgeführt sein, wie dies Fig. 2 wiedergibt, oder von auf- oder eingesetzten Hülsenteilen 32, die durch ge­ strichelte Linien in Fig. 3 bzw. 4 angedeutet sind. Be­ vorzugt findet als Material für die Panzerung Wolfram­ carbid Anwendung.

In Abwandlung von dem dargestellten Beispiel kann auch irgendein anderes Ventil Verwendung finden, sofern die­ ses mit einem in einem Außenteil koaxial angeordneten Hauptventilkörper mit Trägerkörper als Stütz- und Führungselement versehen ist, und die beiden letzteren einen Überlappungsbereich mit einem zylindrischen Spalt begrenzen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang (1) abwärts durchströmenden Bohr­ spülungsmedium, mit einem in dem Bohrrohrstrang (1) an­ geordneten Ventil, das einen ortsfest abgestützten, rohrförmigen Außenteil (3), einen in diesem koaxial un­ ter Belassung eines ringförmigen Außenströmungskanals (11) angeordneten, axial verschieblichen, rohrförmigen Hauptventilkörper (4), einen koaxial im Hauptventilkör­ per (4) angeordneten, ortsfesten, rohrförmigen Träger­ körper (5), der im Überlappungsbereich mit dem Hauptven­ tilkörper (4) mit diesem einen zylindrischen Spalt (18) begrenzt, und einem mittels eines Antriebs (15) betätig­ baren Hilfsventil (13, 14), von denen der Außenteil (3) und der Hauptventilkörper (4) zwischen sich eine Dros­ selstrecke (28) im Außenströmungskanal (11) mit in Ab­ hängigkeit von der Stellung des Hauptventilkörpers (4) veränderlichem Durchflußquerschnitt begrenzen, und von denen der Hauptventilkörper (4) und der Trägerkörper (5) einen Innenströmungskanal (21, 12, 10) umgeben, dessen Eintrittsöffnung (25) zentral in dem in Strömungsrich­ tung (2) oberen, geschlossenen Stirnteil (22) des Haupt­ ventilkörpers (4) vorgesehen und dessen Austrittsöffnung (13) zentral an dem in Strömungsrichtung (2) unteren geschlossenen Fußteil (8) des Trägerkörpers (5) ange­ ordnet und mittels des Hilfsventilkörpers (14) freigeb- und verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (18) zwischen dem Hauptventilkörper (4) und dem Trägerkörper (5) von Bohrspülungsmedium frei durchström­ bar ist und im Überlappungsbereich eine enge Drossel­ strecke (29; 30) bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Spaltes (18) im Bereich der Drossel­ strecke (29; 30) kleiner ist als ein Hundertstel des Spaltdurchmessers.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Weite des Spaltes (18) im Bereich der Drosselstrecke (29; 30) 0,05-0,5 mm, insbesondere 0,15 mm, beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalt (18) im Bereich der Drossel­ strecke (29; 30) eine über seine Länge gleichbleibende Spaltweite aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drosselstrecke (29) im wesentlichen über die ganze Länge des Überlappungsbe­ reichs erstreckt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (18) im Überlappungsbe­ reich zumindest zwei im Abstand hintereinanderliegende Drosselstrecken (30) bildet, wobei in den im Überlap­ pungsbereich an die Drosselstrecke (30) angrenzenden Bereichen des Spaltes (18) dieser eine wesentlich größere Spaltweite hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spalt (18) im Bereich der Drossel­ strecke (29; 30) zumindest einseitig von einer die Ober­ fläche einer Panzerung (31) bildenden Fläche begrenzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerung von auf- oder eingesetzten Hülsentei­ len (32) aus hochfestem Material gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Panzerung (31) als Auftragsschicht ausgeführt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Panzerung (31) aus Wolframcarbid ge­ bildet ist.