DE4129252A1 - Anordnung zur wechselspannungs-, insbesondere hochfrequenz-signaluebertragung bei einem bohrgestaenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Signalübertragung in einem aus einzelnen Rohren zusammensetzbaren Bohrgestänge der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Beim Erdbohren, also beim Niederbringen von Bohrlöchern mittels eines am unteren Ende eines Bohrgestänges vorgesehe­ nen Bohrkopfes, wird die Steuerung des Bohrkopfes vielfach durch eine in diesem angeordnete Elektronik gewährleistet. Hierzu ist es erforderlich, entsprechende Steuersignale von einer die Steuerung vornehmenden Bodenstation zum Bohrkopf und umgekehrt zu übertragen. Außerdem ist oft auch die Über­ tragung von Meßsignalen vom Bohrkopf zur Bodenstation erfor­ derlich.

Insbesondere für die Übertragung von Steuersignalen werden entsprechende Impulse durch Druckmodulation der Bohrflüssig­ keit übertragen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr langsam.

Die Übertragung der Steuersignale mittels elektrischer Kabel ist nur beim Bohren mittels nicht drehender Gestänge möglich und hat den Nachteil, daß das Kabel selbsttragend sein muß, so daß die Bohrtiefe begrenzt wird, und leicht beschädigt werden kann.

Aus der EP 03 99 987 A1 ist bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Signalübertragung in drehenden Bohrgestängen bekannt, bei dem jedes Einzelrohr, aus dem das Bohrgestänge zusammengesetzt wird, an seinen Enden mit einer Induktions- Leiterschleife versehen ist. Jede dieser Leiterschleifen, die mit einer gegenüberliegenden Leiterschleife eines an­ schließenden Rohres einen Transformator zur induktiven Sig­ nalübertragung bildet, ist mit der anderen Leiterschleife desselben Rohres über zwei Leiter verbunden, von denen einer durch das metallische Rohr selbst und der andere durch eine gegenüber diesem isolierte Leitung gebildet sein kann. Auf diese Weise werden Kabelübergänge zwischen den Rohren vermieden.

Durch unvermeidliche Streuinduktivitäten und andere Leitungs­ verluste wird das Signal jedoch in jedem Übertrager oder Transformator abgeschwächt, so daß längere Strecken nicht überbrückt werden können.

Aus der US-A-24 14 719 ist bereits ein Signalübertragungs­ system bekannt, bei dem die Leiter an den Rohrenden, durch Induktivitäten verbunden sind, wobei benachbarte Induktivi­ täten transformatorartig zusammenwirken. Bei dieser bekann­ ten Anordnung sind zur Impedanzherabsetzung mit den Induk­ tivitäten Kondensatoren in Reihe geschaltet, so daß ein Bandpaß für einen bestimmten Frequenzbereich geschaffen wird. Die Eigenschaften der Verbindungskabel zwischen den Induktivitäten eines Rohres führen jedoch zu undefinierten Verhältnissen, so daß die dem Kettenleiter nachgesagten Vor­ teile nur unzureichend oder gar nicht zum Tragen kommen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine weitere Anordnung zur Signalübertragung der eingangs genann­ ten Art zu schaffen; insbesondere soll eine große Reichweite für die Signalübertragung ermöglicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei nach Anspruch 2 die Leitungs­ kapazität in die Resonanzschwingkreise einbezogen wird.

Erfindungsgemäß wird also der Resonanzkreis an den Enden der Rohre unter Einbeziehung der Leitungskapazität gebildet, so daß die diesbezügliche Eigenschaft der Verbindungskabel nicht nur nicht stört, sondern in positiver Weise zur weit­ gehend verlustfreien Signalübertragung ausgenutzt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach Anspruch 3 die Lei­ tungsanordnung sowie das isolierende Dielektrikum so gewählt werden, daß allein die Leitungskapazität in Kombination mit einer geeignet gewählten Induktivität zur Schaffung eines auf die Signalfrequenz abgestimmten Resonanzkreises aus­ reicht. Dann brauchen keinerlei zusätzliche elektronische Bauelemente zur Schaffung einer verlustarmen Signalübertra­ gung vorgesehen zu werden.

Eine derartige Ausbildung ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 4 besonders gut zu verwirklichen.

Es ist aber auch möglich, zwecks Abstimmung nach Anspruch 5 auch noch einen oder mehrere Kondensatoren zwischen die Leiter zu schalten.

Bei allen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung läßt sich die unvermeidliche Durchlaßdämpfung, die sich mit der Zahl der verwendeten Übertrager bzw. Reaktanzvierpole auf­ addiert und durch Wirbelstrom- und Ummagnetisierungsverluste im Rohr entsteht, durch aus der Nachrichtentechnik allgemein bekannte konstruktive Maßnahmen, wie Anordnung von Ferrit­ material an von den Magnetfeldern beaufschlagten Stellen, kleinhalten, so daß auch insoweit eine hohe Reichweite er­ zielt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Übertragers zur Signalübertragung in einem Bohrgestänge,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Ver­ bindungsstelle zweier Rohre eines Bohrgestänges mit einem Übertrager nach Fig. 1,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Kettenleiters, der aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter symmetrischer Übertrager gebildet ist.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt einen Übertrager 10 für ein vorzugsweise modu­ liertes Frequenzsignal mit einer ersten und einer zweiten Leiterschleife 11 bzw. 12, die als Transformatorwicklung dienen und auch in dieser Weise dargestellt sind. Die Enden der Leiterschleifen 11, 12 sind jeweils mit einem Leiter 13 bzw. 14 verbunden, die gegeneinander isoliert sind. Parallel zu jeder Leiterschleife 11, 12 ist ein Kondensator 15 zwischen die Leiter 13, 14 geschaltet.

Der Übertrager 10 stellt einen symmetrischen Reaktanzvierpol dar, bei dem die Kabel- oder Leitungskapazität 15′ der Lei­ ter 13, 14 jeweils parallel zu den Kapazitäten der Kondensa­ toren 15 liegt und erfindungsgemäß bei der Festlegung der Frequenzcharakteristik des Übertragers 10 für die Übertra­ gung von Frequenzsignalen einbezogen wird. Die Resonanzkrei­ se 11, 15, 15′ bzw. 12, 15, 15′ sind auf die Signalfrequenz abgestimmt.

Fig. 2 zeigt eine nach dem Schaltbild der Fig. 1 arbeitende Anordnung aus einem ersten Rohr 21 eines im einzelnen nicht näher dargestellten Bohrgestänges, das mit einem zweiten Rohr 22 desselben Bohrgestänges über eine z. B. als Schraub­ verbindung 23 ausgebildete Rohrkupplung verbunden ist. An dem in Fig. 2 linken Rohr 21 ist in der dem Rohr 22 gegen­ überliegenden Stirnfläche 24 benachbart zur Innenoberfläche 25 eine umfangsmäßig umlaufende Nut 26 vorgesehen, in die eine als Transformatorwicklung dienende isolierte Leiter­ schleife 11 eingesetzt ist. Zur Isolation der Leiterschleife 11 gegenüber dem Rohr 21 ist z. B. ein nicht leitendes Kunststoffmaterial 27 in der Nut 26 vorgesehen, das die Leiterschleife 11 auch mechanisch in der Nut 26 hält.

In entsprechender Weise ist an einer abgesetzten Stirnfläche 28 am Rohr 22, die dem Rohr 21 gegenüberliegt, in einer Nut 26 eine Leiterschleife 12 mittels nicht leitendem Kunststoff­ material 27 eingebettet. Das eine Ende der Leiterschleife 12 ist in geeigneter Weise, z. B. durch Schweißen, mit dem Rohr 22 elektrisch verbunden, so daß das Rohr 22 selbst als Leiter 14 dient. Der mit dem anderen Ende der Leiterschleife 12 verbundene Leiter 13 ist als Kabel 13 ausgebildet, das in eine Längsnut 29 in der Innenoberfläche 25 des Rohrs 22 eingelegt ist, so daß das Kabel 13 gegen Abrieb durch von in Bohrflüssigkeit mitgeführtem Material geschützt ist.

Die andere Leiterschleife 11 ist in entsprechender Weise mit einem isolierten Leiter 13 bzw. dem Rohr 21, das einen Leiter 14 bildet, verbunden.

Die in Fig. 2 nicht dargestellten Enden der beiden Rohre 21, 22 sind in entsprechender Weise mit Leiterschleifen versehen.

Als mit den Leiterschleifen 11, 12 einen Resonanzkreis bil­ dende Kapazität dient bei diesem Ausführungsbeispiel ledig­ lich die Leitungskapazität 15′ der die an den entgegenge­ setzten Enden eines Rohres 21, 22 vorgesehenen Leiterschlei­ fen 11, 12 verbindenden Leiter 13, 14, also die Kapazität zwischen dem Leiter 13 und dem Rohr 22 (14). Dabei ist die Leitungskapazität je zur Hälfte den beiden an den Enden eines Rohres 21, 22 angeordneten Leiterschleifen zugeordnet. Zusätzliche Kondensatoren 15, wie sie beim Schaltbild nach Fig. 1 vorhanden sind, sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nicht vorgesehen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Kettenleiter, der - wie angedeutet - in einem aus Rohren 21, 22 zusammengesetzten Bohrgestänge angeordnet und aus einer Vielzahl von aneinan­ dergereihten Übertragern 10 mit zur Übertragerinduktivität parallel geschalteten Kondensatoren 15 gebildet ist. Der erste, in Fig. 3 links dargestellte, eingangsseitige Über­ trager 10 ist mit seinem Wellenwiderstand 19 abgeschlossen und mit einer Signalquelle 20 verbunden. Der letzte, in Fig. 4 rechte, ausgangsseitige Übertrager 10 weist zwei Ausgangs­ klemmen 30 auf, an die ein geeignetes Signalempfangsgerät angeschlossen werden kann.

Durch den Abschluß der Übertrager 10 mit ihrem Wellenwider­ stand wird ein Bandpaß gebildet, dessen Durchlaßfrequenz auf die Frequenz der zu übertragenden Signale abgestimmt ist.

Beim Niederbringen einer Bohrung wird der in Fig. 3 darge­ stellte Kettenleiter beim Zusammensetzen des Bohrgestänges gebildet, da jedes Rohr 21, 22 an seinem einen Ende die als sekundäre Transformatorwicklung dienende Leiterschleife 12 eines Übertragers 10 und an seinem anderen Ende die als primäre Transformatorwicklung dienende Leiterschleife 11 des benachbarten Übertragers 10 trägt.

Beim Niederbringen einer Bohrung werden von einer nicht dar­ gestellten Bodenstation Steuersignale über einen derartigen Kettenleiter zu einer Elektronik im Bohrkopf und/oder umge­ kehrt Steuer- und/oder Meßsignale oder dergl. von der Elek­ tronik im Bohrkopf zur Bodenstation übertragen. Dabei ist die Durchlaß- bzw. Resonanzfrequenz des von den Übertragern 10 gebildeten Bandfilters auf die zu übertragende Signalfrequenz abgestimmt, so daß durch Resonanzüberhöhung die Ab­ schwächung der Signale infolge der Durchlaßdämpfung kompen­ siert wird.

Da sich eine Signalabschwächung jedoch nicht vollständig ver­ hindern läßt, so daß jeder Übertrager 10 eine Durchlaß­ dämpfung aufweist, die sich mit der Zahl der verwendeten Übertrager 10 bzw. Reaktanzvierpole aufaddiert, müssen konstruktive Maßnahmen vorgesehen sein, um diese Verluste möglichst klein zu halten, so daß auch eine für sehr tiefe Bohrungen ausreichende hohe Signalübertragungsreichweite erzielt werden kann. Derartige konstruktive Maßnahmen sind aus der Nachrichtentechnik allgemein bekannt und brauchen lediglich auf die Gegebenheiten im Bohrgestänge angewendet zu werden.

Claims (5)

1. Anordnung zur Wechselspannungs-, insbesondere Hoch­ frequenz-Signalübertragung in einem aus einzelnen Rohren zusammensetzbaren Bohrgestänge, dessen Rohre an ihrem einen Ende eine erste Transformatorwicklung aufweisen, deren Enden über zwei Leiter, denen zumindest eine Kapa­ zität zugeordnet ist, mit den Enden einer am anderen Ende desselben Rohres angeordneten zweiten Transforma­ torwicklung verbunden sind, und die mit der am gegenüber­ liegenden Ende eines anschließenden Rohres vorgesehenen zweiten Transformatorwicklung einen Signalübertragungs­ transformator bildet, wobei die Induktivität der Trans­ formatorwicklungen und die Kapazität auf die Signal­ frequenz abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (15, 15′) parallel zu den Transforma­ torwicklungen (11, 12) zwischen den Leitern (13, 14, 13′, 14′) vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (15, 15′) zumindest teilweise durch die Leitungskapazität der Leiter (13, 14) gebildet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (13, 14) so zueinander angeordnet sind und das Dielektrikum zwischen ihnen so gewählt ist, daß die Leitungskapazität (15′) in Kombination mit der geeignet gewählten Induktivität auf die Signalfrequenz abgestimmte Resonanzkreise bilden.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leiter (13) zur Verbindung der beiden Trans­ formatorwicklungen (11′, 12′) eines Rohres (21, 22) durch ein Kabel (13′) gebildet ist und der andere durch das metallische Rohr (21, 22) selbst.

5. Anordnung Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Leitungskapazität ein Kondensator (15) an jeder Transformatorwicklung (11, 12) vorgesehen ist.