DE3874264T2

DE3874264T2 - Generator fuer sinusfoermige druckimpulse fuer ein geraet zum messen waehrend des bohrens.

Info

Publication number: DE3874264T2
Application number: DE8888201979T
Authority: DE
Inventors: David Malone
Original assignee: Anadrill International SA
Current assignee: Anadrill International SA
Priority date: 1987-09-22
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2008-09-13
Also published as: EP0309030A1; NO884188D0; NO884188L; NO172862B; US4847815A; DE3874264D1; EP0309030B1; CA1299998C; NO172862C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druckimpulsgeneratoren, wie jene vom "Spülungssirenen"-Typ, verwendet in der Ölindustrie bei den Arbeitsgängen des Messens-beim-Abteufen (MWD). Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Modulatorkonstruktion für ein MWD-Gerät, bei der sinusförmige Druckimpulse erzeugt werden für die Übertragung zur Bohrloch-Oberfläche mittels einer Spülungssäule, die sich in einem Bohrstrang befindet.
Viele Systeme sind bekannt für die Übertragung von Daten, die repräsentativ sind für eine oder mehrere unter Tage gemessenen Bedingungen zu einer Bohrloch-Oberfläche während des Abteufens des Bohrlochs. Typischerweise verwenden die Systeme einen untertägigen Druckimpulsgenerator oder Modulator, der modulierte Signale überträgt, welche kodierte Daten mit akustischen Frequenzen über die Spülungssäule in dem Bohrstrang übermitteln. Es ist nämlich bekannt, kohärente differentialphasenverschiebungsverschlüsselte Modulation zum Kodieren der Daten zu verwenden, derart, daß, wenn eine binäre "eins" zu übertragen ist, das Signal am Ende der Abtastperiode so ausgebildet wird, daß es um einhundertachtzig Grad außer Phase ist mit dem Signal zu Beginn der Periode. Wenn eine binäre null zu übertragen ist, wird das Signal am Ende der Periode so ausgelegt, daß es in Phase mit dem Signal zu Beginn der Periode ist.
In einigen der bekannten MWD-Geräte nach dem Stand der Technik werden untertägige elektrische Komponenten mit Leistung versorgt durch eine selbsthaltende spülungsgetriebene Turbinen-Generatoreinheit, die stromabwärts des Modulators positioniert ist. Demgemäß haben die Modulatoren vom Spülungssirenentyp generell die Form von signalerzeugenden Ventilen, die in dem Bohrstrang nahe dem Bohrkopf angeordnet sind, derart, daß sie der zirkulierenden Spülungsströmung ausgesetzt sind. Ein typischer Modulator besteht aus einem feststehenden Stator und einem motorgetriebenen, zur Drehung antreibbaren Rotor, die koaxial zueinander angeordnet sind. Wie in Figuren 1a-1c und 2a-2c erkennbar, sind der Stator und der Rotor nach dem Stand der Technik jeder mit einer Mehrzahl von blockartigen radialen Fortsätzen oder Flügeln, in Umfangsrichtung beabstandet, um eine zentrale Nabe herum versehen, so daß die Lücken zwischen benachbarten Flügeln eine Mehrzahl von Öffnungen oder Durchtritten präsentieren, welche die anstehende Strömung von Spülung aufnehmen. In Figuren 1a und 2a erkennbar, bieten sie, wenn die entsprechenden Flügel und Öffnungen von Stator und Rotor direkt ausgefluchtet stehen (offene Position), den größten Durchtritt für die Strömung der Spülung durch den Modulator und demgemäß ist der Druckabfall über dem Modulator klein. Wenn der Rotor relativ zum Stator umläuft, wie in Figur 2a erkennbar, wird die Ausfluchtung zwischen den entsprechenden Flügeln und Durchlässen verschoben, wodurch die Strömung von Spülung unterbrochen wird, indem sie gezwungen wird, sich aufzuteilen, wie in Figur 2b zu sehen. Eine solche Unterbrechung bewirkt, daß der Druckabfall über dem Modulator ansteigt. An einem bestimmten Punkt, wie in Figur 1c zu sehen, nehmen die Flügel und Durchlässe von Stator und Rotor einander gegenüberliegende Positionen ein (geschlossene Position), derart, daß die Strömung der gesamten Spülung einem Weg folgen muß durch den Modulatorspalt (wie in Figur 2c zu sehen). Eine solche Anordnung bewirkt, daß der Druckabfall über dem Modulator ein Maximum ist. Demgemäß erzeugt die Rotation des Rotors relativ zu dem Stator in der zirkulierenden Spülungsströmung ein zyklisches akustisches Signal, daß sich die Spülungssäule im Bohrstrang aufwärts fortpflanzt und an dem Ort der Bohrung übertägig erfaßt werden kann. Durch selektives Verändern der Drehung des Rotors zum Erzeugen von Änderungen in dem Signal, kann ein kohärenter differentialphasenverschiebungsverschlüsselter modulierter Druckimpuls erreicht werden.
Während Druckimpulsgeneratoren, die Rotoren und Statoren verwenden, wie jener, der in EP-A-0140788 beschrieben ist, MWD-Geräte bereitstellen mit einem Mittel für die Übertragung von Daten, ist es oft schwierig gewesen, die Signale zu erfassen infolge der Schwäche der erzeugten Signale. Das von dem Modulator erzeugte Signal ist dafür bekannt, daß es mit der Tiefe des Gerätes zunehmend abgedämpft wird und ebenso mit der Zunahme der Spülungsviskosität. Darüber hinaus waren die einzigen bekannten Maßnahmen zum Erhöhen der Signalstärke das Vergrößern der Spülungsströmung durch den Modulator, das Verringern der Durchströmfläche durch den Modulator oder das Erhöhen der Spülungsdichte. Man erkennt demgemäß, daß die einzige bekannte Art der Vergrößerung der Signalstärke, die von der Modulatorströmungskonstruktion beeinflußt werden kann, die Verringerung der Durchströmfläche des Modulators ist durch Verringern der Modulatorlücken. Das Verringern der Modulatorlücken macht den Modulator jedoch empfindlich gegenüber Verklemmen, da Zirkulationsmaterialien zwischen Rotor und Stator eingeklemmt werden können. Das Verklemmen ist teuer, da es typischerweise die Modulatordrehung in der vollständig geschlossenen Position abstoppt und dadurch die Zirkulation durch das MWD-Gerät verhindert und die Entnahme des Geräts aus dem Bohrloch erforderlich macht.
Es ist demgemäß ein Ziel der Erfindung, eine Modulatorströmungskonstruktion für ein MWD-Gerät zu schaffen, die die Amplitude und Leistung des zu dekodierenden Signals erhöht.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Modulator für ein MWD-Gerät bereitzustellen, der die Leistung des zu dekodierenden Signals durch Erzeugen eines im wesentlichen sinusförmigen Signals erhöht.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Rotor- und Statorgeometrie für einen MWD-Gerätemodulator zu schaffen, die ein im wesentlichen sinusförmiges Signal erzeugt, wenn der Rotor sich relativ zum Stator bewegt.
Gemäß der Erfindung wird ein Druckimpulsgenerator für die Erzeugung von Impulsen in in einem Bohrloch strömendem Fluid vorgeschlagen, umfassend ein Gehäuse, das in einen Rohrstrang einfügbar ist, so daß in dem Strang strömendes Fluid mindestens teilweise durch das Gehäuse fließt, einen innerhalb des Gehäuses montierten und mit einer Mehrzahl von Flügeln versehenen Stator mit Lücken zwischen benachbarten Flügeln, die dazu dienen, eine Mehrzahl von Öffnungen für den Durchtritt von durch das Gehäuse strömendem Fluid zu präsentieren und einen Rotor, der koaxial zu dem Stator innerhalb des Gehäuses montiert ist und eine Mehrzahl von Flügeln mit zwischen benachbarten Flügeln vorliegenden Lücken, die dazu dienen, eine Mehrzahl von Öffnungen für den Durchtritt von in dem Gehäuse strömendem Fluid zu präsentieren, wobei der Rotor relativ zu dem Stator umläuft, und dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel auf dem Rotor und Stator derart konfiguriert sind, daß bei der Rotation des Rotors relativ zu dem Stator die Fläche benachbarter Lücken zwischen den Flügeln des Stators und Rotors, durch die das Fluid in einer Richtung parallel zu dem Bohrloch fließen kann, sich annähernd mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle ändert.
Durch Ausbilden des Stators und Rotors in der beschriebenen Weise wird sich der Druck über dem Modulator gemäß einer Sinuswelle ändern. Um dies bereitzustellen, sind die geometrischen Ausbildungen von Stator und Rotor vorzugsweise identisch. Der Stator und Rotor umfassen vorzugsweise eine Mehrzahl von Flügeln mit dazwischenliegenden Lücken rings um eine zentrale runde Nabe, wobei eine erste Seite jedes Flügels durch einen radialen Fortsatz von der runden Nabe begrenzt wird und wobei die zweite Seite jedes Flügels im wesentlichen parallel zur ersten Seite ist. Die Außenkanten der Flügel sind vorzugsweise längs eines Kreises, konzentrisch mit der runden Nabe, positioniert. Während die Lücken zwischen den Flügeln in Bezug zu den Sektoren der runden Nabe nicht definierbar sind, erstrecken sich der Schnitt der ersten Seite eines Flügels und der äußeren Kante und der Schnitt der zweiten Seite desselben Flügels und der äußeren Kante vorzugsweise über dreißig Grad (wenn sechs Flügel vorhanden sind). In gleicher Weise erstreckt sich der Winkel, definiert durch die Nabenachse, den Schnitt der ersten Seite eines Flügels mit der Außenkante und den Schnitt der zweiten Seite eines benachbarten Flügels und der Außenkante vorzugsweise über dreißig Grad (für sechs Flügel).
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und den beigefügten Zeichnungen.
Figuren 1a-1c sind Draufsichtsdiagramme des Stators und Rotors nach dem Stand der Technik in der offenen, teilweise offenen beziehungsweise geschlossenen Position;
Figuren 2a-2c entsprechen Figuren 1a-1c und sind schematische Seitenansichten der Spülungsströmung durch den Stator und den Rotor nach dem Stand der Technik;
Figur 3a ist eine schematische Darstellung eines Druckimpulsgenerators gemäß der Erfindung, dargestellt in eingekoppeltem Zustand in einen Bohrstrang eines typischen MWD-Bohrarbeitsgangs;
Figur 3b ist eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, des Generators aus Figur 3a;
Figur 3c ist eine perspektivische Darstellung des Druckimpulsmodulators nach Figur 3a;
Figuren 4a und 4b sind Graphiken bezüglich des Signaldrucks und der offenen Fläche, herrührend von der Drehposition bei dem Modulator nach dem Stand der Technik beziehungsweise bei dem Modulator nach der Erfindung;
Figuren 5a und 5b sind Amplitudenkurven in Abhängigkeit von der Frequenz für den Modulator nach dem Stand der Technik beziehungsweise dem Modulator gemäß der Erfindung;
Figur 6a ist eine Draufsicht auf den Stator des Modulators gemäß der Erfindung;
Figur 6b ist eine Schnittansicht des Stators nach Linie 6b-6b der Figur 6a;
Figur 7a ist eine Draufsicht auf den Rotor des Modulators gemäß der Erfindung; und
Figur 7b ist eine Schnittansicht des Rotors nach Linie 7b-7b der Figur 7a.
Figur 3a der Zeichnungen zeigt ein rohrförmiges MWD-Gerät 20, das in einen rohrförmigen Bohrstrang 21 eingeschaltet ist, der einen Rotationsbohrkopf 22 hat, der an das Ende des Strangs angekoppelt ist und ausgebildet ist für das Abteufen eines Bohrlochs 23 durch Erdformationen 25. Beim Drehen des Strangs 21 durch ein konventionelles Bohrrig (nicht dargestellt) über Tage werden erhebliche Volumina eines geeigneten Bohrfluids (das heißt "Bohrspülung") kontinuierlich durch den Bohrstrang 21 nach unten gepumpt und freigesetzt aus dem Bohrkopf 22 zum Kühlen und Schmieren des Kopfes und zum Abführen von Gesteinstrümmern, die von dem Kopf entfernt werden. Die Spülung wird zur Oberseite des Bohrlochs rückgeführt längs des Ringraums, der zwischen den Wandungen des Bohrlochs 23 und der Außenseite des Bohrstrangs 21 vorliegt. Der zirkulierende Spülungsstrom, der durch den Bohrstrang 21 fließt, kann, falls erwünscht, als Medium für die Übertragung von Druckimpulssignalen dienen, welche Informationen von dem MWD-Gerät 20 zur Formationsoberfläche überträgt.
Eine untertägige Datensignalisiereinheit 24 weist Umsetzer auf, die auf dem Gerät 20 montiert sind und die Form von auf eine oder mehrere Bedingungen ansprechenden Einrichtungen 26 und 27, angekoppelt an entsprechende Schaltkreise, aufweisen, wie einen Kodierer 28, der sequentiell kodierte elektrische Digitaldatensignale erzeugt, die repräsentativ sind für die Messungen, durchgeführt von den Umsetzern 26 und 27. Die Umsetzer 26 und 27 sind so ausgewählt und ausgebildet, wie es erforderlich ist für den jeweiligen Fall der Messung solcher untertägiger Parameter, wie des untertägigen Druckes, der untertägigen Temperatur und des Widerstandes unter der Leitfähigkeit der Bohrspülung oder anstoßender Erdformationen, wie auch zum Messen verschiedener anderer untertägiger Bedingungen, ähnlich jenen, wie man sie durch die gegenwärtig üblichen Kabel-Loggeräte erzielt.
Elektrische Leistung für den Betrieb der Datensignalisiereinheit 24 wird bereitgestellt durch eine typische rotationsangetriebene Axialströmungsspülungsturbine 29 mit einem Turbinenrad 30, das auf die Strömung von Bohrspülung reagiert und eine Welle 31 antreibt, um elektrische Energie zu erzeugen.
Die Datensignalisiereinheit 24 umfaßt auch einen Modulator 32, der von einem Motor 35 angetrieben wird, um selektiv die Strömung von Bohrspülung durch den Bohrstrang 21 zu unterbrechen oder zu drosseln, um digitalkodierte Druckimpulse in Form akustischer Signale zu erzeugen. Der Modulator 32 wird selektiv betätigt im Ansprechen auf den elektrischen kodierten Datenausgang des Kodierers 28 zum Erzeugen eines entsprechend kodierten akustischen Signals. Dieses Signal wird zur Bohrlochoberfläche übertragen mittels des in dem Bohrstrang 21 strömenden Fluids als eine Serie von Druckimpulssignalen, die vorzugsweise die näher kodierten Repräsentationen von Meßdaten sind, die indikativ sind für die untertägigen Bohrparameter und Formationsbedingungen, erfaßt von den Umsetzern 26 und 27. Wenn diese Signale die Oberfläche erreichen, werden sie erfaßt, dekodiert und in auswertbare Daten umgesetzt durch einen geeigneten Signaldetektor 36, wie er in den US-Patentschriften 3,309,656; 3,764,968; 3,764,969 und 3,764,970 gezeigt ist.
Der Modulator 32 umfaßt einen vorzugsweise stationären Stator 40 und einen drehbaren Rotor 41, der von dem Motor 35 angetrieben wird in Abhängigkeit von Signalen, die von dem Kodierer 28 erzeugt werden. Die Drehung des Rotors 41 wird gesteuert in Abhängigkeit von dem kodierten elektrischen Datenausgang des Kodierers 28, um ein entsprechend kodiertes akustisches Ausgangssignal zu erzeugen. Dies kann bewirkt werden durch Anwendung bekannter Techniken zum Verändern der Richtung oder der Geschwindigkeit des Motors 35 oder durch kontrolliertes Kuppeln/Entkuppeln des Rotors 41 von der Antriebswelle des Motors 35.
Wie in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben, hat der Stator 40 der Erfindung eine Mehrzahl von gleich beabstandeten blockartigen Flügeln 71, die in Umfangsrichtung um eine zentrale Nabe herum angeordnet sind. Die Lücken zwischen benachbarten Flügeln 71 schaffen eine Mehrzahl von Öffnungen in dem Stator, durch die auftreffende Bohrspülung passieren kann als Strahlen oder Ströme, die mehr oder weniger parallel zu der Stator-Nabenachse gerichtet sind. Wie ebenfalls in größeren Einzelheiten weiter unten erläutert, hat der Rotor 41 eine Konfiguration ähnlich jener des Stators. Der Rotor 41 ist vorzugsweise koaxial und nah am Stator 40 so positioniert, daß der Rotor um eine zur Nabenachse des Stators koaxiale Achse rotieren kann. Beim Umlauf des Rotors 41 bewegen sich seine Flügel 72 nacheinander in und aus Positionen, welche die Strömung der Bohrspülung durch die Öffnungen des Stators sperren. Auf diese Weise werden Druckimpulssignale erzeugt und nach oben in der zirkulierenden Spülung übertragen.
Wenn der Rotor 41 relativ zum Stator 40 rotiert, um so momentan die größte Strömungssperrung für den zirkulierenden Spülungsstrom zu präsentieren, wird das resultierende akustische Signal bei seiner Maximalamplitude liegen. Wenn der Rotor 41 weiterläuft, nimmt die Amplitude des akustischen Signals, erzeugt von dem Modulator 32, von ihrem Maximum- zu ihrem Minimumwert ab, wenn der Rotor sich in eine Position bewegt, in der er die geringste Sperre für die Spülungsströmung darstellt. Eine weitere Drehung des Rotors führt zu einer entsprechenden Zunahme der Signalamplitude, wenn der Rotor sich wieder der nächsten Position maximaler Strömungssperrung nähert.
Fachleute werden erkennen, daß die Drehung des Modulatorrotors 41 ein akustisches Ausgangssignal erzeugen wird mit einer zyklischen Wellenform, die aufeinanderfolgend alternierende positive und negative Spitzen aufweist bezüglich einem mittleren Druckpegel. Kontinuierliche Drehung des Rotors 41 erzeugt ein typisches alternierendes oder zyklisches Signal bei einer gewünschten Frequenz, welche eine bestimmbare Phasenbeziehung relativ zu irgendeinem anderen alternierenden Signal aufweist, etwa einem ausgewählten Referenzsignal, das in den Schaltungen des Signaldetektors 36 erzeugt wird. Durch momentanes Voreinlassen, Verzögern, Abstoppen oder Drehrichtungsumkehren der Rotation des Rotors 41 in Abhängigkeit von Ausgängen des Kodierers 28, kann der Rotor selektiv in eine andere Position gegenüber dem Stator 40 gebracht werden als er einnehmen würde, hätte man ihn ohne Änderung weiterlaufen lassen. Diese selektive Verschiebung bewirkt, daß die Phase des akustischen Signals sich relativ zur Phase des Referenzsignals verschiebt. Solche gesteuerten Phasenverschiebungen des Signals, das von dem Modulator 32 erzeugt wird, wirken zum Übertragen der untertägigen Meßinformation mittels der Spülungssäule zur Bohrlochoberfläche oder der Erfassung durch den Signaldetektor 36. Eine Verschiebung in der Phase bei einem bestimmten Zeitpunkt signalisiert ein binäres Bit "1" (oder "0", je nach Wunsch), und Fehlen einer Verschiebung signalisiert ein binäres Bit "0" (oder "1"). Andere Signalmodulationstechniken sind brauchbar, und die Auswahl der jeweiligen Kodier-, Modulations- und Dekodierschemata, die in Verbindung mit dem Betrieb des Modulators 32 auszunutzen sind, sind Ermessenssache, wobei eine detaillierte Diskussion derselben unnötig ist für das Verständnis der vorliegenden Erfindung.
Wie in Figur 3b gezeigt, sind sowohl der Stator 40 als auch der Rotor 41 innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses 42 montiert, das mit Preßsitz innerhalb eines Abschnitts eines Bohrkragens 43 sitzt mittels verbreiteter Ringabschnitte 44 und 45 des Gehäuses 42 in Kontakt mit der Innenoberfläche des Bohrkragens 43. Eine Mehrzahl von O-Ringen 46 und 47 bewirken Abdichteingriff zwischen dem Kragen 43 und dem Gehäuse 42. Der Stator 40 ist montiert mittels Schraubverbindungen 50 an einem Ende einer Supportstruktur 51, die zentral innerhalb des Gehäuses 42 positioniert ist und durch Madenschrauben 56 an Ort und Stelle verriegelt. Der Raum zwischen dem Ende des Gewindeabschnitts des Stators 40 und einer naheliegenden Schulter der Supportstruktur 51 ist mit einer Mehrzahl von O-Ringen 55 gefüllt. Die Supportstruktur 51 wird im Abstand gehalten von den Innenwandungen des Gehäuses 42 mittels eines frontseitigen Distanzstücks oder einer Spinne 52. Das Distanzstück 52 ist mit der Supportstruktur 51 mittels einer Mehrzahl von Innensechskantschrauben 53 verbunden (von denen nur eine dargestellt ist) und ihrerseits in dem Gehäuse 42 gehalten durch eine Mehrzahl von Innensechskantschrauben 54 (von denen nur eine gezeigt ist). Das frontseitige Distanzstück 52 ist mit einer Mehrzahl von beabstandeten Durchlässen versehen zum Ermöglichen des Durchtritts von Bohrfluid in den Ringraum, gebildet zwischen der Supportstruktur 51 und den Innenwandungen des Gehäuses 42.
Der Rotor 41 ist für die Drehung auf einer Welle 60 des Motors 35 (aus Figur 3a) montiert, die den Rotor 41 antreibt. Der Rotor 41 weist eine Rotorbuchse 59 auf, die nahe dem Ende auf die Welle 60 aufgekeilt ist und in Anlage gepreßt ist an eine Schulter 61 der Welle 60 durch eine Buchse 62, die ebenfalls auf das Ende der Welle 60 aufgekeilt ist. Die Buchse 62 wird gegen die Rotorbuchse 59 angedrückt mittels einer Sechskantmutter 63, die auf das freie Ende der Welle 60 aufgeschraubt ist. Eine Inspektionsöffnung 58 ist vorgesehen für die Überprüfung der Stator- und Rotorflügel 71, 72 zum Messen des Abstands zwischen Rotor und Stator und zum Erfassen von Verschleiß.
Die Welle 60 ist innerhalb eines Lagergehäuses 65 abgestützt für Drehung relativ zu einer Lagerstruktur 66. Das Lagergehäuse 65 ist im Abstand von den Innenwandungen des Gehäuses 42 abgestützt mittels eines rückseitigen Distanzstücks oder einer Spinne 67, verbunden mit dem Lagergehäuse mittels Innensechskantschrauben 68 und wiederum verbunden mit dem Gehäuse 42 mittels Innensechskantschrauben 69.
Wie in Figuren 3b und 3c angedeutet, strömt Bohrfluid in die Oberseite des Gehäuses 42 in Richtung von Pfeilen 70 durch den Ringraum zwischen der Außenwandung der Supportstruktur 51 und den Innenwandungen des Gehäuses 42 und fließt durch Öffnungen des Stators 40 und des Rotors 41. Die Fluidströmung setzt sich fort bis hinter das rückseitige Distanzstück 67 und zum Bohrkopf 22. Die Welle 60 treibt den Rotor 41 an zum Unterbrechen der Fluidströme, die durch die Öffnungen des Stators 40 treten zum Erzeugen eines kodierten akustischen Signals, das sich nach oben fortpflanzt.
Gemäß der Erfindung kann der Rotor 41 entweder stromaufwärts oder stromabwärts des Stators 40, je nach Wunsch, positioniert werden, unter der Voraussetzung, daß ein akustisches Signal nach oben übertragen wird. Wie im einzelnen nachstehend diskutiert, sind der Stator und der Rotor 41 jeder mit einer Mehrzahl von Flügeln 71 und 72 versehen, die sich von koaxialen zentralen Naben des Stators und des Rotors wegerstrecken. Die Flügel 71 des Stators 40 sind identisch aufgebaut, und die Flügel 72 des Rotors 41 sind identisch aufgebaut. Zusätzlich ist die Form der Flügel 71 des Stators 40 im wesentlichen ähnlich der Form der Flügel 72 des Rotors 41, und die gleiche Anzahl von Flügeln wird für Stator und Rotor verwendet. Die Flügel werden generell begrenzt von einer Oberseite (stromaufliegende Oberfläche), einer Unterseite (stromabliegende Oberfläche), Seiten (Oberflächen, die sich von der Nabe wegerstrecken und Ober- und Unterseite miteinander verbinden) und einer Außenkante (die am weitesten von der Nabe entfernte Oberfläche, die zu dieser im wesentlichen konzentrisch ist). Falls aus Gründen der Stabilität erwünscht, können entweder der Stator 40 oder der Rotor 41 oder beide mit einer Felge versehen sein, die die Außenkante der Flügel umschließt. Außerdem kann, falls erwünscht, der Stator 40 integral mit dem Gehäuse 42 ausgebildet sein.
Bevor die Geometrie der Flügel des Stators 40 und Rotors 41 im einzelnen diskutiert wird, ist ein grundsätzliches Verständnis der Theorie hinter der Geometrie geboten. Wie oben erwähnt, war die Signalerfassung mit MWD-Geräten oft schwierig infolge der Schwäche der erzeugten Signale. Bis jetzt jedoch waren die einzigen Arten der Vergrößerung der Signalstärke die Vergrößerung der Spülungsströmung durch den Modulator, die Verringerung der Durchtrittsfläche durch den Modulator oder die Erhöhung der Spülungsdichte, wobei nur das zweite durch die Modulatorströmungskonstruktion beeinflußt werden kann. Die drei Möglichkeiten, die Signalstärke zu vergrößern, finden sich nämlich in der Beziehung:
Sig α pQ²/A² (1)
worin Sig der Signaldruck ist, Q die Spülungsströmungsrate ist, p die Spülungsdichte ist und A die Modulatordurchtrittsfläche. Die Verringerung der Modulatorlücken ist natürlich nicht immer wünschenswert, da es den Modulator empfindlich gegenüber Verklemmen macht, wenn Zirkulationsmaterialien zwischen Rotor und Stator eingeklemmt werden können. Es ist demgemäß wünschenswert, die Signalamplitude in bisher unbekannter Weise zu steigern.
Der Erfinder hat festgestellt, daß zwar die absolute Größe des Signals nicht geändert werden kann, jedoch die harmonische Verteilung des Signals. Der Erfinder hat demnach beobachtet, daß mit den Stator- und Rotoranordnungen nach dem Stand der Technik (wie in Figuren 1a-1c) die Fläche der Öffnung zwischen Stator und Rotor sich linear mit der Drehung ändert. Mit einer konstanten Drehzahl nimmt die Signalamplitude (oder der Signaldruck) die Form einer spitz verlaufenden Welle an, wobei die Spitze dort auftritt, wo die Fläche bei einem Minimum liegt. Diese Signalamplitudenwelle ist in Figur 4a zu sehen, wo der Signaldruck und die offene Fläche zwischen Rotor und Stator über den Graden der öffnungsposition von Figur 1a aufgezeichnet sind. In der offenen Position, wo die Fläche am größten ist, ist der Druck am niedrigsten. Wenn sich der Rotor relativ zum Stator schließt, fällt die offene Fläche, die durch die Linie 102 repräsentiert wird, linear ab. In der Zwischenzeit steigt der Druck, der durch die Linie 104 repräsentiert wird, als eine Funktion des Kehrwerts des Quadrats der Fläche. Wenn der Rotor relativ zum Stator geschlossen ist, wie in Figur 1 angedeutet, ist die offene Fläche bei einem Minimum, und der Druck ist bei einem Maximum. Es ist festzuhalten, daß der Druck niemals bis unendlich steigt, selbst dann, wenn Rotor und Stator in geschlossener Position sind, da immer Spülung durch den Spalt zwischen Rotor und Stator fließen wird. Demgemäß erreicht die "offene Fläche", wie sie in Figur 4a zu sehen ist, niemals den Wert null.
Mit der Druckwelle nach dem Stand der Technik, wie in Figur 4a gezeigt, und mit dem Modulator nach dem Stand der Technik, der so ausgebildet ist, daß der Motor relativ zum Stator sich so bewegt, daß eine Trägerfrequenz von zwölf Hz erzeugt wird, kann gezeigt werden, daß nur ein Teil des Druckwellensignals bei der 12 Hz-Frequenz übertragen wird. Der Rest der Energie wird in höhere, harmonische Frequenzen umgesetzt. Wie in Figur 5a dargestellt, die die Signalamplitude über der Frequenz zeigt (und die erzeugt wurde durch Ausführen einer schnellen Fourier- Transformation bezüglich der Daten, die zur Erstellung der Figur 4a verwendet wurden), kann zwar die zwölf Hz-Spitze eines typischen Modulators nach dem Stand der Technik eine relative Höhe von 3,5 kg/cm² mit der in Figur 4a gezeigten Welle aufweisen, doch über die Hälfte der Druckwellenenergie findet sich in Energiespitzen von harmonischen Frequenzen von vierundzwanzig, sechsunddreißig und achtundvierzig Hz.
Um so viel Energie wie möglich in eine einzige Frequenzspitze zu bringen, ist es bevorzugt, die Flügel des Rotors und Stators so auszubilden, daß bei Relativdrehung des Rotors zum Stator die Fläche, durch die das Fluid in einer Richtung parallel zum Bohrloch strömen kann, sich etwa mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle ändert. Eine solche Gestaltung sollte ein sinusförmiges Drucksignal liefern mit der gesamten Energie in einer Frequenz. Dies läßt sich verstehen wie folgt. Gemäß Gleichung (1) oben, ist der Signaldruck proportional dem Kehrwert des Quadrats der Fläche der Lücken. Wenn die Fläche der Lücken (A) sich über der Zeit mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle ändert, derart, daß
A(t) α 1/ (K + a sin wt)1/2 (2)
gilt, worin a eine Funktion der Amplitude ist (beispielsweise a = doppelte Amplitude) der Sinuswelle, w die Frequenz der Sinuswelle ist, K eine Konstante ist (beispielsweise K = Versatz + a/2) und t die Zeit ist, ändert sich der Druck gemäß
P(t) α 1/ (A(t))² α K + a sin wt (3)
Wenn die Frequenz der Sinuswelle, mit der sich der Druck ändert, gewählt wird als Trägerfrequenz, würde im Idealfall die gesamte Energie der Sinuswelle in diese Frequenz fallen. Demgemäß steigt die effektive Amplitude des Signals deutlich. Es ist festzuhalten, daß die Konstante K eingeschlossen ist, so daß der Druck über dem Modulator niemals null wird und dadurch eine unendliche Fläche gemäß Gleichung (1) erfordert. Auch ist beim Fehlen von K der Wert der Fläche A unendlich, wenn sin wt=nπ, worin n eine ganze Zahl ist. Man erkennt, daß in einem System mit positivem Druck der Druckversatz positiv ist und die Amplitude a/2 positiv ist, so daß der gemessene Druck über der Zeit sich ändert als Sinuswelle oberhalb des Versatzwertes, das heißt Versatz + a/2 (1 + sin wt), worin a/2 (1 + sin wt) sich von 0 bis a ändert. In einem System mit negativem Druck ist der Versatz positiv und die Amplitude a/2 ist negativ, so daß der gemessene Druck über der Zeit sich ändert als eine Sinuswelle unterhalb des Versatzwertes.
Beim Schaffen eines Rotors und Stators mit einer Geometrie, die Lücken schafft, welche sich mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle bei der Rotordrehung ändert, wurde festgestellt, daß eine Ausführung, die dies annähert, darin besteht, für sowohl dem Rotor als auch dem Stator Flügel vorzusehen, bei denen eine erste Seite jedes Flügels definiert wird durch eine radiale Verlängerung von der runden Nabe, während die zweite Seite jedes Flügels im wesentlichen parallel zur ersten Kante verläuft. Um die Situation zu schaffen, in der der Rotor und der Stator nicht in einer relativ offenen oder geschlossenen Position für mehr als einen Augenblick sind, wurden Rotor und Stator so ausgebildet, daß der Winkel, definiert vom Ursprung der runden Nabe, dem Schnitt einer ersten Seite eines Flügels und der Außenkante und dem Schnitt einer zweiten Seite desselben Flügels und der Außenkante im wesentlichen gleich war dem Winkel, definiert durch den Ursprung der runden Nabe, dem Schnitt der ersten Seite eines Flügels und der Außenkante und dem Schnitt der zweiten Seite eines benachbarten Flügels und der Außenkante.
Der Stator und der Rotor, versehen mit der geschilderten Geometrie, sind in Figuren 6a, 6b beziehungsweise 7a und 7b zu sehen. In Radialrichtung von der Statornabe 150 erstrecken sich erste Seiten 152 der Flügel 71. Die ersten Seiten 152 sind vorzugsweise in sechzig Grad Intervallen rings um die Nabe 150 positioniert, so daß sechs Flügel 71 vorgesehen werden. Die zweite Seite 154 jedes Flügels 71 läuft vorzugsweise parallel zur ersten Seite 152. Der Winkel θ, gebildet vom Ursprung 0 und den Punkten, definiert durch den Schnitt der Außenkante 156 des Flügels 71 und der ersten und zweiten Seiten 152 und 154, beträgt vorzugsweise dreißig Grad. In gleicher Weise beträgt der Winkel φ, gebildet durch den Ursprung 0 und die Punkte, definiert durch den Schnitt der Außenkante 156 mit der ersten Seite eines Flügels und dem Schnitt der Außenkante 156 und der zweiten Seite eines benachbarten Flügels, ebenfalls vorzugsweise dreißig Grad. Vorzugsweise beträgt außerdem der Winkel β, definiert von der ersten Seite eines Flügels, der zweiten Seite eines benachbarten Flügels und dem Punkt auf dem Umfang der Nabe 150, wo die beiden Seiten aufeinander stoßen, sechzig Grad. Wie man unter Bezugnahme auf Figur 6b sehen kann, umfaßt jeder Statorflügel 71 Gewindebohrungen 158 zur Aufnahme von Schrauben, die dazu dienen, den Stator mit einer Statorsupportanordnung (nicht dargestellt) zu verbinden. Die Statorsupportanordnung ihrerseits verbindet den Stator mit dem Gerät.
Aus Figuren 7a und 7b kann man entnehmen, daß die Rotorgeometrie zu großen Teilen mit der Statorgeometrie übereinstimmt. Demgemäß erstrecken sich die Flügel 72 in radialer Richtung von der Rotornabe 160 mit ersten Seiten 162. Die ersten Seiten 162 befinden sich vorzugsweise bei sechzig Grad Intervallen rings um die Nabe 160, so daß sechs Flügel 72 vorgesehen werden können. Die zweite Seite 164 jedes Flügels 72 verläuft vorzugsweise parallel zur ersten Seite 162. Der Winkel θ, gebildet von dem Ursprung 0 und den Punkten, definiert durch den Schnittpunkt der Außenkante 166 des Flügels 72 und der ersten und zweiten Seiten 162 und 164, beträgt vorzugsweise dreißig Grad. Gleichermaßen beträgt der Winkel Φ, gebildet vom Ursprung 0 und den Punkten, definiert durch den Schnitt der äußeren Kante 166 und der ersten Seite eines Flügels sowie dem Schnitt der äußeren Kante 166 und der zweiten Seite eines benachbarten Flügels, ebenfalls vorzugsweise dreißig Grad. Außerdem ist vorzugsweise der Winkel β, definiert von der ersten Seite jedes Flügels, der zweiten Seite eines benachbarten Flügels und dem Punkt auf dem Umfang der Nabe 160, wo die beiden Seiten einander treffen, sechzig Grad.
Abmessungen des Beispielsrotors 41 und -stators 40, dargestellt in Figuren 6a und 7a, können sein:

STATOR 40

Zahl der Flügel = 6
Außendurchmesser = 9,66 cm
Tiefe = 1,60 cm
Nabendurchmesser = 4,68 cm

ROTOR 41

Zahl der Flügel = 6
Außendurchmesser = 9,95 cm
Tiefe = 1,59 cm
Nabendurchmesser = 2,86 cm
Mit einem Modulator, aufgebaut mit dem Rotor und dem Stator, wie oben angegeben, ist der Signaldruck, der anfällt, in Figur 4b gezeigt. Die offene Fläche des Modulators kann dargestellt werden als generell invers, bezogen auf die Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle und liefert einen Signaldruck, der im wesentlichen sinusförmig ist bezüglich einer konstanten relativen Drehbewegung von Rotor und Stator. Mit dem generell sinusförmigen Signaldruck versteht es sich, daß ein hoher Prozentsatz der Druckenergiewelle innerhalb einer einzigen Frequenz anfällt. Demgemäß, wie in Figur 5b dargestellt, wo die Energie des Modulators gemäß der Erfindung als Funktion der Frequenz aufgezeichnet ist, hat er eine relative Höhe von über 6,33 kg/cm² bei der zwölf Hz-Frequenz. Die zweiten und dritten Harmonischen zeigen sich mit viel kleinerer Höhe, wobei höhere Harmonische beinahe nicht existent sind. Im Vergleich mit dem Stand der Technik ist zu würdigen, daß der Modulator gemäß der Erfindung ein Nutzsignal liefert, das beinahe doppelte Amplitude gegenüber dem Stand der Technik hat. Demgemäß ist die Leistung des Signals bei Verwendung des Modulators gemäß der Erfindung beinahe vierfach die Leistung des herkömmlichen Modulators.
Die Vorteile eines Modulators, der ein Signal liefert mit der vierfachen Leistung oder der doppelten Amplitude, sind dem Fachmann bekannt. Mit einem stärkeren Signal kann die Modulatorlücke vergrößert werden und damit die Verklemmungstendenzen herabgesetzt werden, wie auch Vibration und Stoßbelastung des Geräts. Auch die Tiefe, über die ein MWD-Gerät verwendbar ist, kann mit einem stärkeren Nutzsignal um etwa 1.220 Meter in einem durchschnittlichen Bohrloch vergrößert werden, da eine vergrößerte Signalstärke die Signalerfassung aus größeren Tiefen ermöglicht.
Es ist festzuhalten, daß bestimmte Aspekte des Modulators der Erfindung abgewandelt werden können, um eine Anpassung an andere Vorteile dieser Technik zu erzielen. Beispielsweise können die Seiten des Rotors nach außen sich verjüngen in Stromabwärtsrichtung. Auf diese Weise würden, sollte der Generator versagen, Fluidkräfte den Generator in eine Position minimaler Strömungsblockage zwingen. Gleichermaßen kann man durch Versehen der Rotorflügel mit Seiten, die einen sich nicht verjüngenden Bereich einer reduzierten Dicke an ihren nachlaufenden Kanten nahe der bodenseitigen Oberfläche des Flügels aufweisen, ein aerodynamisches Flattern bewirken, um Bohrklein daran zu hindern, die Fluidströmung durch den Modulator zu blockieren.
Es wurde hier ein Modulator für ein MWD-Gerät beschrieben und dargestellt. Zwar wurden bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, doch ist nicht beabsichtigt, daß dadurch die Erfindung beschränkt werden soll, denn es ist beabsichtigt, daß die Erfindung von breitem Schutzumfang ist, und daß die Beschreibung entsprechend zu lesen ist. Es sollte demgemäß festgehalten werden, daß zwar eine bestimmte Ausführungsform des Rotors und Stators beschrieben wurden, wobei der Rotor und Stator eine Mehrzahl von Flügeln aufweisen mit einer ersten Seite jedes Flügels, definiert durch eine radiale Verlängerung von einer runden Nabe, und mit der zweiten Seite des Flügels im wesentlichen parallel zu der ersten Seite, doch andere Ausführungen, welche eine Fläche für den Fluiddurchtritt besitzen, der sich annähernd mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle ändert, sollen von der Erfindung mit umfaßt sein. Beispielsweise könnten eine oder beide Seiten des Flügels leicht gekrümmt sein. Oder man könnte mit einem Rotor und Stator gemäß Figuren 1a-1c, wo die Öffnungen sich linear mit der Drehung ändern, eine Durchtrittsfläche schaffen, die sich etwa mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle über der Zeit ändert, durch Bereitstellen von Mitteln für die entsprechende Variation der Drehzahl des Rotors. Auch mit einer bestimmten Ausbildung für ein MWD-Gerät, das einen Rotor und Stator, wie beschrieben, verwendet, werden Fachleute feststellen, daß das MWD-Gerät andere Formen haben kann, ohne von der Lehre der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnten Rückschlagventile, wie sie in dem Stand der Technik bekannt sind, wie auch positive und negative Druckimpulssysteme aus dem Stand der Technik (wie beispielsweise in US-Patenten 3,756,076 an Quichaud und andere, 4,351,037 an Scherbatskoy und 4,630,244 an Larronde) verwendet werden, mit der Maßgabe, daß die Öffnung, durch welche das Fluid strömt, in einer Weise gedrosselt ist, die sich mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle ändert.
Es ist ferner festzuhalten, daß Einzelheiten des Rotor- und Statormodulators, die hier beschrieben wurden, auch geändert werden können im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Demgemäß sind Entscheidungen, ob die Flügel sich verjüngen sollen, ob der Rotor stromauf oder stromab des Stators zu plazieren ist usw., konstruktive Entscheidungen, die man trifft, entsprechend Überlegungen, die mit der Erfindung nichts zu tun haben. Deshalb ist es für Fachleute offensichtlich, daß andere Änderungen und Modifikationen an der Erfindung, wie sie beschrieben wurde, vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzumfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Ein Druckimpulsgenerator (32) für das Erzeugen von Impulsen in Fluid, das in einem Bohrloch (23) strömt, umfassend ein Gehäuse (42), das in einen Rohrstrang (21) einfügbar ist, so daß in dem Strang strömendes Fluid mindestens teilweise durch das Gehäuse fließt, einen innerhalb des Gehäuses montierten und mit einer Mehrzahl von Flügeln (71) versehenen Stator (40) mit Lücken zwischen benachbarten Flügeln, die dazu dienen, eine Mehrzahl von Öffnungen für den Durchtritt von durch das Gehäuse strömendem Fluid zu präsentieren und einen Rotor (41), der koaxial zu dem Stator innerhalb des Gehäuses montiert ist und eine Mehrzahl von Flügeln (72) mit zwischen benachbarten Flügeln vorliegenden Lücken, die dazu dienen, eine Mehrzahl von Öffnungen für den Dürchtritt von in dem Gehäuse strömendem Fluid zu präsentieren, wobei der Rotor relativ zu dem Stator umläuft, und dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (71, 72) auf dem Rotor (41) und Stator (40) derart konfiguriert sind, daß bei der Rotation des Rotors relativ zu dem Stator die Fläche benachbarter Lücken zwischen den Flügeln des Stators und Rotors, durch die das Fluid in einer Richtung parallel zu dem Bohrloch fließen kann, sich annähernd mit dem Kehrwert der Quadratwurzel einer linearen Funktion einer Sinuswelle ändert.

2. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Anordnung des Stators (4O) und des Rotors (41) im wesentlichen identisch sind.

3. Ein Druckimpulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (40) und der Rotor (41) jeweils eine Mehrzahl von Flügeln (71, 72) mit dazwischenliegenden Lücken rings um eine zentrale runde Nabe (150, 160) aufweisen, wobei eine erste Seite (152, 162) jedes Flügels im wesentlichen begrenzt wird von einem Radialfortsatz der runden Nabe, und wobei die zweite Seite (154, 164) jedes Flügels im wesentlichen parallel zu der ersten Seite ist.

4. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkanten (156, 166) der Flügel (71, 72) vorzugsweise im wesentlichen längs eines Kreises liegen, der konzentrisch zu der runden Nabe (150, 160) ist.

5. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel θ, definiert durch den Ursprung der runden Nabe, den Schnitt einer ersten Seite eines Flügels und der Außenkante und den Schnitt der zweiten Seite desselben Flügels und der Außenkante im wesentlichen gleich ist dem Winkel φ, definiert durch den Ursprung der runden Nabe, den Schnitt der ersten Seite eines Flügels und der Außenkante und den Schnitt der zweiten Seite eines benachbarten Flügels und der Außenkante.

6. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (41) und der Stator (40) jeweils sechs Flügel aufweisen und die im wesentlichen gleichen Winkel (θ φ) gleich dreißig Grad sind.

7. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (41) und der Stator (40) jeweils fünf Flügel (71, 72) aufweisen und die im wesentlichen gleichen Winkel (θ φ) gleich sechsunddreißig Grad sind.

8. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (A) benachbarter Lücken zwischen den Flügeln (71, 72) des Stators (40) und des Rotors (41), durch die das Fluid in einer Richtung parallel zum Bohrloch fließen kann, sich in Abhängigkeit von der Zeit (t) im wesentlichen gemäß

A(t) = 1/ (K + a sin wt) 1/2

ändert, worin a eine Funktion der Amplitude der Sinuswelle, w die Frequenz der Sinuswelle und K eine Konstante ist.

9. Ein Druckimpulsgenerator (32) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Sinuswelle gleich a/2 ist und K auf a/2 + 0 gesetzt wird, worin 0 ein Versatzwert ist und die Amplitude a/2 ein positiver Wert ist.