DE4038927A1 - Bohrlochsondeneinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bohrlochsondenein­ heit für den Einsatz unter hohen Vibrationen oder Stoßbe­ lastungen, wie sie beispielsweise bei dem im Bohrloch be­ findlichen Teil eines rotierenden Bohrgestänges während des Bohrens auftreten.

Während einer während des Bohrens im Bohrloch durchgeführten Messung (MWD) werden eine oder mehrere Meßsonden innerhalb des Halsabschnittes des Bohrgestänges eng benachbart zur Bohrkrone angeordnet. Hierbei besteht die Gefahr, daß diese Meßsonden Beschädigungen erleiden oder daß die durchgeführ­ ten Messungen durch das hohe Niveau an Vibrationen oder Stoßbelastungen, denen die Sonden im Betrieb ausgesetzt sind, gefährdet werden.

Eine Ausführungsform einer derartigen Sonde ist ein Gamma­ strahlendetektor, der die von radioaktiven Elementen inner­ halb der vom Bohrloch durchstoßenen Formationen abgegebene Gammastrahlung detektiert, um ein Diagramm der Gammastrahlen in Abhängigkeit von der Tiefe herstellen zu können, das in der Formationsanalyse verwendet wird. Solche Gammastrahlen­ detektorsonden besitzen normalerweise einen Scintillations­ zähler mit einem Gammastrahlenscintillatorkristall sowie eine Fotovervielfacherröhre, die an einer optischen Grenz­ fläche, die beispielsweise aus Silikonfett besteht, mitein­ ander verbunden sind. Die Integrität der optischen Grenz­ fläche zwischen dem Kristall und der Fotovervielfacherröhre kann durch Vibrationen nachteilig beeinflußt werden. Hier­ durch kann das Betriebsverhalten des Scintillationszählers ernsthaft in Mitleidenschaft gezogen werden.

In den US-PS′en 40 04 151, 41 58 773, 43 83 175 und 47 64 677 sind diverse Arten von Scintillationszählern beschrie­ ben, die eine Anordnung zum Schützen des Zählers gegen äußere Vibrationen aufweisen. Bei keinen dieser Anordnungen ist jedoch der Schutz gegenüber Vibrationen ausreichend wirksam, um in zuverlässiger Weise den innerhalb eines Bohrloches auftretenden extremen Vibrationen begegnen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Montage eines Scintillationszählers oder einer anderen vibrationsempfind­ lichen inneren Einheit einer Bohrlochsondeneinheit zu ver­ bessern und damit die Einheit gegen Vibrationseffekte zu schützen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Bohr­ lochsondeneinheit zum Einsatz bei starken Vibrationen oder Stoßbelastungen vorgeschlagen, die die folgenden Bestand­ teile umfaßt:
eine vibrationsempfindliche innere Einheit mit einer zylindrischen Außenfläche, ein äußeres Gehäuse mit einer zylindrischen Innenfläche, in dem die innere Einheit ange­ ordnet ist, und eine dazwischen angeordnete vibrations­ dämpfende Verbundhülse, die sich zwischen der Innen- und Außenfläche erstreckt und zwei koaxiale Hülsenteile auf­ weist, von denen eines in das andere gepaßt ist und die aus einem mit Öffnungen versehenen Hülsenteil aus einem relativ starren Material und einem weiteren Hülsenteil aus einem relativ elastischen Material bestehen und Abschnitte auf­ weisen, die sich durch Öffnungen in dem mit Öffnungen ver­ sehenen Hülsenteil erstrecken, wobei Abschnitte des weiteren Hülsenteiles mit der Innenfläche in Eingriff stehen und weitere Abschnitte des weiteren Hülsenteiles mit der Außen­ fläche in Eingriff stehen, um die innere Einheit im äußeren Gehäuse zu lagern.

Vorzugsweise ist das weitere Hülsenteil in das mit den Öffnungen versehene Hülsenteil eingepaßt, so daß die inneren Abschnitte des weiteren Hülsenteiles mit der Außenfläche der inneren Einheit in Eingriff stehen und sich die äußeren Ab­ schnitte des weiteren Hülsenteiles durch Öffnungen im mit Öffnungen versehenen Hülsenteil erstrecken und mit der Innenfläche des äußeren Gehäuses in Eingriff stehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das mit Öffnungen versehene Hülsenteil eine zylindrische Wand mit einer Vielzahl von sich durch diese erstreckenden Axial­ schlitzen, die in regelmäßigen Abständen um den Umfang der Wand herum angeordnet sind, und das weitere Hülsenteil weist eine allgemein zylindrische Wand mit Axialrippen auf, die sich durch diese Schlitze erstrecken.

Diesbezüglich besitzt die Hülse üblicherweise einen all­ gemein kreisförmigen Querschnitt, obwohl auch Hülsen mit anderen Querschnitten, beispielsweise hexagonalen, dreieck­ förmigen oder quadratischen Querschnitten, unter die Lehre der Erfindung fallen, insbesondere, wenn die innere und äußere zylindrische Fläche des äußeren Gehäuses und die innere Einheit Querschnitte besitzen, die nicht kreisförmig sind.

Des weiteren kann das weitere Hülsenteil Abschnitte seiner Wand aufweisen, die einen ausgebauchten Querschnitt be­ sitzen, um die Axialrippen auszubilden, sowie längliche Aus­ nehmungen in Abschnitten seiner Wand zwischen den Axialrip­ pen, so daß die Ränder der Ausnehmungen mit gegenüberliegen­ den Wandabschnitten des mit Öffnungen versehenen Hülsentei­ les in Eingriff treten. Auch das weitere Hülsenteil kann aus elastomerem Material bestehen. Durch diese Merkmale wird die Fähigkeit des weiteren Hülsenteiles erhöht, äußere Vibratio­ nen zu dämpfen, während gleichzeitig eine Wärmeausdehnung des weiteren Hülsenteiles möglich ist.

Ferner kann die innere Einheit an ihren Enden einer axialen Belastung ausgesetzt werden, indem an den Enden der Hülse Endkappen angebracht werden.

Die Hülse kann des weiteren durch Vorspanneinrichtungen, die in Axialrichtung zwischen jedem Ende der Hülse und einer entsprechenden benachbarten Endwand des äußeren Gehäuses wirken, elastisch im äußeren Gehäuse gelagert sein.

Die Endkappen können mit axialen Verlängerungen versehen sein, die sich in Axialbohrungen in den Endwänden des äuße­ ren Gehäuses erstrecken, um die Enden der Hülse zu führen, und die Vorspanneinrichtungen können durch Druckfedern ge­ bildet sein, die die axialen Verlängerungen umgeben. Min­ destens eine der Endkappen kann auch mit einer Bohrung zur Aufnahme von elektrischen Leitungen, die sich zur inneren Einheit erstrecken, versehen sein.

Bei einem Anwendungsfall umfaßt die innere Einheit ein zylindrisches Gammastrahlenscintillatorkristall sowie eine zylindrische Fotovervielfacherröhre, die Ende an Ende an­ geordnet sind, wobei ihre benachbarten Enden durch ein elastomeres optisches Grenzflächenelement voneinander ge­ trennt sind. Die Montageanordnung sorgt sowohl für eine seitliche als auch eine axiale Isolation der inneren Ein­ heit gegenüber äußeren Vibrationen, insbesondere des empfindlichen optischen Grenzflächenelementes.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch zwei Endabschnitte einer Bohrlochsondeneinheit, die einen Gamma­ strahlendetektor aufweist;

Fig. 2 eine Seitenansicht der vibrationsdämpfenden Hülse der den Detektor aufnehmenden Einheit;

Fig. 3 einen Axialschnitt entlang Linie III-III in Fig. 2; und

Fig. 4 einen Schnitt entlang Linie IV-IV in Fig. 2.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt die Sonde 1 ein äußeres Gehäuse 2 mit einer zylindrischen Wand 3, die sich zwischen einer Verbindungstrennwand 4 und einem elektromagnetischen Schutzkörper 5 erstreckt. Die Verbindungstrennwand 4 besitzt eine Axialbohrung 6, in die sich elektrische Leitungen 7 durch eine Seitenöffnung 8 erstrecken. Das äußere Gehäuse 2 nimmt eine vibrationsempfindliche innere Einheit in einer vibrationsdämpfenden Verbundhülse 9 auf, die Endkappen 10 besitzt, welche mit axialen Verlängerungen 11 versehen sind, die in zylindrischen Ausnehmungen 12 in der Verbindungs­ trennwand 4 und dem Schutzkörper 5 aufgenommen sind. Die axialen Verlängerungen 11 sind von Druckfedern 13 umgeben, deren Funktion nachfolgend beschrieben wird.

Fig. 2 zeigt die vibrationsdämpfende Verbundhülse 9, in der die innere Einheit angeordnet ist, in einem vom äußeren Ge­ häuse 2 entfernten Zustand. Des weiteren zeigt Fig. 3, die ein Schnitt entlang Linie III-III in Fig. 2 ist, daß eine zylindrische Außenfläche der inneren Einheit 14 von der Hülse 3 umgeben wird und daß die innere Einheit 14 aus einem zylindrischen Natriumjodid-Scintillatorkristall 15 und einer zylindrischen Fotovervielfacherröhre 16 besteht, die Ende an Ende angeordnet sind, wobei ihre benachbarten Enden durch eine isolierende optische Grenzfläche in der Form einer Silikongummischeibe 17 voneinander getrennt sind.

Die Bestandteile 15, 16 und 17 der inneren Einheit 14 sind in Axialrichtung zwischen den Endkappen 10 durch die Einfü­ gung von Beilagen 18 der erforderlichen Dicke vorgespannt. Die Gummischeibe 17 sorgt für eine entsprechende Elastizität bei der Montage dieser Bestandteile. Des weiteren werden die Endkappen 10 in bekannter Weise fest und dichtend auf den Enden der Hülse 9 gehalten und sind mit Axialbohrungen 19 für den Durchgang von elektrischen Leitungen versehen. Fer­ ner sind in den Endkappen 10 Zweigbohrungen 20 für einen Zweck angeordnet, der aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht. Vorstehende Lotmasse 21 erstreckt sich durch die Beilagen 18 und dient zum Anschließen einer Verdrahtung an das Kristall 15.

Wie Fig. 4 zeigt, umfaßt die dort im Schnitt dargestellte vibrationsdämpfende Verbundhülse 9 ein mit Öffnungen ver­ sehenes Metallhülsenteil 25 und ein elastomeres Hülsenteil 26, das beispielsweise aus Gummi besteht. Das Metallhülsen­ teil 25 ist mit fünf Axialschlitzen 27 versehen und weist des weiteren zwei weitere Axialschlitze 28 auf, die zum Hindurchleiten einer Verdrahtung dienen, die sich zwischen den Axialbohrungen der Endkappen 10 mit Hilfe der Zweig­ bohrungen 20 erstreckt.

Wie Fig. 4 zeigt, sind die fünf Axialschlitze 27 in gleich­ mäßigen Abständen um den Umfang der zylindrischen Wand des Metallhülsenteiles 25 angeordnet und zur Aufnahme von ent­ sprechenden Axialrippen 29 bestimmt, die auf dem allgemein zylindrischen elastomeren Hülsenteil 26 vorgesehen sind. Die Axialrippen 29 werden durch auswärts ausgebauchte Abschnitte 30 der Wand des elastomeren Hülsenteiles 26 gebildet, die durch die Axialschlitze 27 vorstehen, um mit der inneren zylindrischen Fläche der Wand 3 des äußeren Gehäuses in Ein­ griff zu treten, wenn die Verbundhülse 9 in das äußere Ge­ häuse 2 eingepaßt wird.

Des weiteren ist das elastomere Hülsenteil 26 in den Ab­ schnitten der Hülsenteilwand zwischen den Axialrippen 29 mit fünf länglichen Ausnehmungen 31 versehen, und zwar derart, daß die Ausnehmungen 31 zur Innenwand des metallischen Hül­ senteiles 25 weisen und die Ränder 32 der Ausnehmungen 31 mit den gegenüberliegenden Wandabschnitten des metallischen Hülsenteiles 25 in Eingriff stehen. Die ausgebauchten Wand­ abschnitte 30 des elastomeren Hülsenteiles 26 bilden eben­ falls Axialnuten 33 in der Innenfläche des Hülsenteiles 26 und zwischen den Nuten 33 axiale Stege 34 zum Eingriff mit der äußeren zylindrischen Fläche der inneren Einheit 14.

Somit sorgt die vibrationsdämpfende Hülse 9 für eine seit­ liche Isolation der inneren Einheit 14 gegenüber äußeren Vibrationen, die auf das äußere Gehäuse 2 ausgeübt werden, und zwar dadurch, daß die axialen Stege 34 des elastomeren Hülsenteiles 26 mit der Außenfläche der inneren Einheit 14 und die Axialrippen 29 des Hülsenteiles 26 mit der Innen­ fläche des äußeren Gehäuses 2 in Eingriff stehen. Die Form des elastomeren Hülsenteiles 26 ist so gewählt, daß hier­ durch die Fähigkeit der Hülse 9 zum Dämpfen von äußeren Vibrationen verbessert wird, während gleichzeitig eine Wärmeausdehnung des Hülsenteiles 26 bei den im Bohrloch anzutreffenden hohen Temperaturen ermöglicht wird. Des weiteren dient das metallische Hülsenteil 25 dazu, die strukturelle Form des elastomeren Hülsenteiles 26 aufrecht zu erhalten, ohne hierdurch in keiner Weise die vibrations­ dämpfenden Eigenschaften der Verbundhülse 9 preiszugeben.

Im Rahmen der Erfindung sind diverse Modifikationen in bezug auf die Form der vibrationsdämpfenden Verbundhülse 9 mög­ lich. Beispielsweise können die Zahl und die Axialabmessung der Axialrippen 29 verändert werden. Auch kann das metal­ lische Hülsenteil innerhalb des elastomeren Hülsenteiles angeordnet sein, in welchem Fall Vorsorge dafür zu treffen ist, daß Abschnitte des elastomeren Hülsenteiles einwärts durch die Schlitze im metallischen Hülsenteil vorstehen.

Wie vorstehend erläutert, sind im metallischen Hülsenteil 25 Axialschlitze 28 für den Durchgang von Drähten vorgesehen, wie bei 35 in Fig. 4 gezeigt. Wie Fig. 1 zeigt, ist eine Axialbohrung 36 im Schutzkörper 5 für den Durchgang von der­ artigen Drähten und einer entsprechenden Verdrahtung von der Fotovervielfacherröhre vorgesehen, die zu einer zugehörigen elektronischen Verarbeitungsschaltung (nicht gezeigt) führen.

Darüber hinaus wird eine axiale Isolation der inneren Ein­ heit 14 in bezug auf auf das äußere Gehäuse 2 ausgeübte Vibra­ tionen durch die Tatsache erreicht, daß die axialen Verlän­ gerungen 11 der Endkappen 10 in loser Passung innerhalb der Ausnehmungen 12 angeordnet sind und daß die Druckfedern 13 zwischen der Verbindungswand bzw. dem Verbindungskopf 4 und der Endkappe 10 an einem Ende der inneren Einheit 14 und zwischen dem Schutzkörper 5 und der Endkappe 10 am anderen Ende der inneren Einheit wirken. Durch diese Kombination aus einer seitlichen und axialen Isolation gegenüber Vibra­ tionen wird sichergestellt, daß die innere Einheit 14 und insbesondere die empfindliche optische Grenzfläche zwischen dem Kristall 15 und der Fotovervielfacherröhre 16 gegenüber den Auswirkungen äußerer Vibrationen besonders gut ge­ schützt sind.

Abschließend sei bemerkt, daß eine entsprechende Einrichtung zur Vibrationsdämpfung wie vorstehend beschrieben auch zum Schutz von anderen Arten von inneren Einheiten eingesetzt werden kann, wie beispielsweise Geiger-Müller-Zählern sowie anderen Ausführungsformen von Bohrlochmeßwertgebern und empfindlichen elektronischen Schaltungen.

Claims (10)

1. Bohrlochsondeneinheit zum Einsatz bei starken Vibratio­ nen oder Stoßbelastungen mit einer vibrationsempfindlichen inneren Einheit mit einer zylindrischen Außenfläche, einem äußeren Gehäuse, das eine zylindrische Innenfläche auf­ weist, innerhalb der die innere Einheit angeordnet ist, und einer dazwischen angeordneten vibrationsdämpfenden Hülse, die sich zwischen der inneren und äußeren Fläche erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der vibrations­ dämpfenden Hülse (9) um eine Verbundhülse handelt, die zwei koaxiale Hülsenteile (25, 26) aufweist, die eines im anderen angeordnet sind und aus einem mit Öffnungen versehenen Hül­ senteil (25) aus relativ starrem Material und einem weiteren Hülsenteil (26) aus relativ elastischem Material, das Ab­ schnitte (29) aufweist, die sich durch Öffnungen (27) in dem mit Öffnungen versehenen Hülsenteil (25) erstrecken, be­ stehen, wobei Abschnitte des weiteren Hülsenteiles (26) mit der Innenfläche und weitere Abschnitte des weiteren Hül­ senteiles (26) mit der Außenfläche in Eingriff stehen, um die innere Einheit (14) innerhalb des äußeren Gehäuses (2) zu lagern.

2. Bohrlochsondeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das weitere Hülsenteil (26) in das mit Öffnun­ gen versehene Hülsenteil (25) gepaßt ist, so daß innere Ab­ schnitte (34) des weiteren Hülsenteiles (26) mit der Außen­ fläche der inneren Einheit (14) in Eingriff stehen und sich äußere Abschnitte (29) des weiteren Hülsenteiles (26) durch Öffnungen (27) im mit Öffnungen versehenen Hülsenteil (25) erstrecken und mit der Innenfläche des äußeren Gehäuses (2) in Eingriff stehen.

3. Bohrlochsondeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Öffnungen versehene Hülsenteil (25) eine zylindrische Wand besitzt, in der eine Vielzahl von Axialschlitzen (27) in regelmäßigen Abständen um den Umfang der Wand herum angeordnet ist, und daß das weitere Hülsenteil (26) eine allgemein zylindrische Wand mit Axial­ rippen (29) aufweist, die sich durch die Schlitze (27) er­ strecken.

4. Bohrlochsondeneinheit nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das weitere Hülsenteil (26) Abschnitte (30) seiner Wand besitzt, die zur Ausbildung der Axialrippen (29) im Querschnitt ausgebaucht sind.

5. Bohrlochsondeneinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Hülsenteil (26) längliche Ausnehmungen (31) in Abschnitten seiner Wand zwischen den Axialrippen (29) besitzt, wobei die Ränder (32) der Aus­ nehmungen (31) mit gegenüberliegenden Wandabschnitten des mit Öffnungen versehenen Hülsenteiles (25) in Eingriff stehen.

6. Bohrlochsondeneinheit nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Hülsenteil (26) aus elastomeren Material besteht.

7. Bohrlochsondeneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Einheit (14) durch Endkappen (10) an den Enden der Hülse (9) an ihren Enden einer Axialbelastung ausgesetzt ist.

8. Bohrlochsondeneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (9) durch Vorspanneinrichtungen (13), die in Axialrichtung zwischen jedem Ende der Hülse (9) und einer entsprechenden benach­ barten Endwand des äußeren Gehäuses (2) wirken, im äußeren Gehäuse (2) elastisch gelagert ist.

9. Bohrlochsondeneinheit nach den Ansprüchen 7 und 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Endkappen (10) mit axialen Verlängerungen (11) versehen sind, die sich in Axialbohrun­ gen (12) in den Endwänden des äußeren Gehäuses (2) er­ strecken, um die Enden der Hülse (9) zu führen, und daß die Vorspanneinrichtungen durch Druckfedern (13) gebildet sind, die die axialen Verlängerungen (11) umgeben.

10. Bohrlochsondeneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Einheit (14) ein zylindrisches Gammastrahlen-Scintillatorkristall (15) und eine zylindrische Fotovervielfacherröhre (16) um­ faßt, die Ende an Ende angeordnet sind, wobei ihre benach­ barten Enden durch ein elastomeres optisches Grenzflächen­ element (17) voneinander getrennt sind.