DE4427367C2 - Elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers - Google Patents
Elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines AusbruchschiebersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der
Position eines Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Die Kenntnis der Parameter des Zustands des Bohrlochs am Ausbruchschieber ist
extrem wichtig, um einen einwandfreien Zustand des Bohrlochs aufrechtzuerhalten.
Aufgrund dieser Parameter läßt das Bohrloch sich so betreiben, daß unter den üblichen
Betriebsbedingungen ein sicherer Zustand erhalten bleibt; wird ein unsicherer, nicht
kontrollierbarer Zustand erfaßt, kann ein manuelles oder automatisches Abpserren des
Bohrlochs eingeleitet werden. Bspw. verwendet man am Ausbruchschieber Druck-
sowie Temperaturwandler, um Signale zu erhalten, die diese Bedingungen und Zu
stände darstellen. Diese und andere Signale werden typischerweise als Ansteuersignale
an ein Steuerpult gegeben, um den Bohrlochbetrieb von Hand zu beeinflussen, indem er
bspw. die Drehzahl des Bohrrohrs, den Abwärtsdruck des Bohrmeißels oder die
Umlaufpumpen für die Bohrflüssigkeit steuert und/oder das Ausmaß einstellt, zu dem
der Ringraum geöffnet bzw. geschlossen wird, indem man die auf die hin- und
hergehenden Kolben arbeitende Hydraulik entsprechend betätigt.
Bisher war es schwierig, die genauen Positionen der Sperrkolben genau festzustellen,
obgleich die Bedienungsperson sie einstellt. Man mußte sich auf sekundäre Messungen
- bspw. an der Bohrlochströmung - verlassen, um die Position des Sperrkolbens
feststellen zu können. Die Bohrlochströmung wird jedoch auch von anderen Faktoren
als nur der Position des Sperrkolbens bestimmt. Es besteht also Bedarf an einer ver
besserten und genaueren Bestimmung der Position des Sperrkolbens.
Aus der US-PS 4,922,423 ist eine Positions-Anzeigevorrichtung für den Sperrkolben in
einem Ausbruchschiebergehäuse bekanntgeworden, bei der Ultraschall eingesetzt wird.
Die bekannte Vorrichtung verwendet einen Ultraschallsensor, der in einem mittels einer
Präzisionswerkzeugmaschine hergestellten Bolzen untergebracht ist, um die Position
des Sperrkolbens bestimmen zu können. Der Bolzen besitzt Vertiefungen ausgehend
von einer Endwandkappe, so daß Signale, die von der Endwandkappe zurückreflektiert
werden, die Positionsmessungen des Sperrkolbens nicht stören.
Aus der US-PS 5,150,049 ist ein magnetostriktiver Wandler zur Bestimmung der
Position eines Kolbens im Hydraulikzylinder bekanntgeworden. Der Wandler besitzt
einen Signalverarbeitungskopf an dem einen Ende des Hydraulikzylinders, einen
Wellenleiter, der vom Signalverarbeitungskopf ausgeht, sowie eine Einheit mit
Permanentmagneten, die den Wellenleiter umgibt und vom Kolben mitgeführt wird. Der
magnetostriktive Wandler arbeitet normalerweise bei Raumtermperatur. Der Wandler
besitzt auch eine Einrichtung zur Kompensation der Umgebungstemperatur, die
automatisch thermisch bedingte Geschwindigkeitsänderungen der Ultraschallsignale
und andere von der Temperatur beeinflußte Größen kompensiert, wenn der
Hydraulikzylinder in Temperaturbereichen oberhalb oder unterhalb der
Raumtemperatur arbeitet.
Eine der in der Vergangenheit eingesetzten Vorrichtungen zur Ableitung eines die
relative Position von Bauteilen innerhalb eines geschlossenen Gehäuses anzeigenden
Signals (nicht unbedingt im Gehäuse eines Ausbruchschiebers) ist ein
potentiometrischer Wandler. Eine solche Vorrichtung arbeitet mit einem oder zwei
Fühlern, die unter ungünstigen Arbeitsbedingungen verschleißen und ungenau arbeiten.
Weiterhin heben solche Fühler u. U. von der Oberfläche des erfaßten Bauteils ab, so daß
ebenfalls Ungenauigkeiten entstehen. Weiterhin werden bei Stromausfällen die Meß
werte beeinträchtigt, da diese Vorrichtungen inkrementell arbeiten, wobei Werte, die
sich auf bestimmte Drahtwindungen oder -segmente beziehen, zu vorherigen Werten
addiert oder von ihnen subtrahiert werden. Weiterhin sind diese Vorrichtungen dafür
bekannt, daß sie zu langsam ansprechen. Eine potentiometrische Messung ist daher zur
Bestimmung der Ortsparameter der Kolbenbewegung nicht geeignet. Da weiterhin auch
die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparameter der Kolbenbewegung wichtig
sind, sind potentiometrische Vorrichtungen nicht brauchbar, da sie diese Informationen
nicht nur schlecht, sondern überhaupt nicht liefern.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, eine
elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines
Ausbruchschiebers zu schaffen, die weniger störanfällig gegen äußere Einwirkungen ist
als die bekannte, auf eine ungehinderte Ausbreitung von Ultraschallwellen angewiesene
Vorrichtung. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen herausgestellt.
Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Position eines Sperr- oder eines Stellkolbens
in einem Ausbruchschieber stetig und absolut bestimmbar ist, und daß die Vorrichtung
zur Bestimmung der Position bei einem Stromausfall nicht rückgesetzt werden muß.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungformen der
Erfindung nachstehend näher beschrieben.
Fig. 1 ist eine teilgeschnittene Darstellung eines Ausbruchschiebers, mit dem die
Erfindung einsetzbar ist;
Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil eines - im Schließzustand befindlichen -
Ausbruchschiebers nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schnitt durch den gleichen Teil des Ausbruchschiebers wie in Fig. 2, der
sich jedoch hier im offenen Zustand befindet;
Fig. 4 zeigt eine Einzelheit aus der Fig. 3;
Fig. 5 zeigt schaubildlich die magnetischen und magnetostriktiven Kräfte, die im
Betrieb der Erfindung auftreten;
Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung des Schließens eines Scherkolbens.
Die Fig. 1 zeigt einen Ausbruchschieber 10 mit Sperrkolben auf einem Bohrlochrohr
12, das Teil eines Rohrstrangs am oberen Ende eines Bohrlochs oder Teil eines
Förderstrangs eines produzierenden Erdöl- oder Gasbohrlochs sein kann. Wie die Fig. 1
zeigt, verläuft das Bohrlochrohr 12 durch eine mittige Bohrung 14 im Kolbengehäuse
16 des Ausbruchschiebers. Das Kolbengehäuse enthält entgegengesetzt angeordnete,
quer zur Öffnung 14 verlaufende Kolbenführungen 18, die nach außen in an das
Kolbengehäuse 16 angesetzte Kappen 17 hinein vorstehen. In den Kolbenführungen 18
laufen Sperrkolben 20, die von hydraulischen Stellkolben 22 angetrieben werden, die in
Buchsen 23 in zugehörigen Zylindern 19 laufen, die außerhalb der Kappen 17 angesetzt
sind. Die Stellkolben verfahren die Sperrkolben in den Führungen hin und her, um
Verschleißblöcke 24 in den Stirnflächen der Sperrkolben 20 bezüglich der Oberfläche
des Rohrs zu öffnen und zu schließen. Die Anschlüsse für das hydraulische
Druckmittel sind in der Zeichnung nicht speziell gezeigt, aber aus dem Stand der
Technik bekannt; sie arbeiten in Verbindung mit der Öffnungskammer 25 und der
Schließkammer 26. Das hintere Kolbenende läuft in einem Zylinderkopf 19 hin- und
her, der an die Kappe 17 angeschraubt ist.
Es wird angestrebt, die Position der Sperrkolben 20 genau zu bestimmen. Dies erfolgt
durch Auseinanderfahren der Teile einer magnetostriktiv arbeitenden Linear-
Verschiebungsanordnung zur Bestimmung des Orts einiger der Bauteile in einem
Zylinderkopfgehäuse 30, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, die mit dem in Fig. 1 gezeigten
Zylinder 19 verbunden sind. Wie unten erläutert und in Fig. 4 gezeigt, ist ein außerhalb
des Zylinderkopfgehäuses 30 angeordneter Wandler 32 mit den internen Bauteilen der
Anordnung durch die Abschlußkappe 34 hindurch verbunden, die an das Zylinderkopf
gehäuse 30 angesetzt ist. Der Wandler 32 erzeugt ein, elektrisches Signal für ein
Meßinstrument oder eine andere Anzeigeeinrichtung und/oder für ein Steuerpult.
Die Fig. 5 zeigt nun schaubildlich eine magnetostriktiv arbeitende Linear-
Verschiebungseinrichtung. Der Ausdruck "magnetostriktiv" bezeichnet dabei die
Fähigkeit einiger Metalle wie Eisen, Nickel und Eisen-Nickel-Legierungen, unter einem
Magnetfeld zu expandieren bzw. zu kontrahieren. Ein magnetostriktives wellenleitendes
Rohr 36 (Hohlleiter) weist einen Bereich innerhalb einer externen elektromagnetischen
Anordnung 38 auf, der längsmagnetisiert wird, wenn die das Rohr 36 umgreifende
Anordnung 38 in Längsrichtung verschoben wird. Die Anordnung 38 liegt von der
Oberfläche des Rohrs 36 beabstandet und ist so gelagert, daß sie axial am Rohr 36
entlang verschoben werden kann, ohne es zu berühren. Die Anordnung 38 weist
typischerweise 4 Permanentmagnete 40 auf, die in einer zum Rohr 36 querlie
genden Ebene unter 90 zueinander und bezüglich der Oberfläche des Rohrs 36 radial
gleichbeabstandet sind. Es sind auch mehr als 4 Magnete möglich. Es wird das externe
magnetische Feld 42 aufgebaut, das einen Bereich des Rohrs 36 in Längsrichtung
magnetisiert.
Das Rohr 36 umgibt einen leitfähigen Draht 44, der entlang seiner Achse verläuft.
Dieser Draht wird auf bekannte Art periodisch mit einem elektrischen Stromimpuls
erregt bzw. abgefragt. Dieser Strom erzeugt um den Draht 44 und das Rohr 36 herum
ein toroidförmiges Magnetfeld. Sobald das Toroid-Magnetfeld 46 das Feld 42 am Ort
48 schneidet, wird im Rohr 36 ein wendelförmiges Magnetfeld induziert, so daß ein
Schallimpuls entsteht, der zu beiden Enden des Rohrs 36 läuft. Nicht gezeigte geeignete
Dämpfungselemente an beiden Rohrenden verhindern Echos und so ein Hin- und Her
schwingen des Impulses. Am wandlerseitigen Ende wird die Wendelwelle jedoch zu
einem Hohlleiter-Drall 48 umgewandelt, der in sehr dünnen magnetostriktiven Bändern
50 eine lateral gerichtete mechanische Spannung erzeugt. Das als Villari-Effekt
bekannte Phänomen bewirkt, daß die Flußverkopplung der Magnete 52 mit dem Fühler
53 durch die mechanischen Spannungs-Wanderwellen in den Bändern gestört wird,
wobei über den Spulen eine elektrische Spannung entsteht. Diese elektrische Spannung
wird dann zur Anzeige-, Meß- oder Steuerungszwecken verstärkt.
Da der Stromimpuls praktisch mit Lichtgeschwindigkeit, der Schallimpuls aber nur
etwa mit der Schallgeschwindigkeit läuft, liegt zwischen dem Empfang jedes Impulses
durch den kopfseitigen Wandler und dem Zeitpunkt des elektrischen Impulses aus der
kopfseitigen Elektronik ein Zeitintervall, das eine Funktion des Abstands der externen
Magnetanordnung 38 vom kopfseitigen Rohrende ist. Durch sorgfältiges Messen dieses
Zeitintervalls und Division durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Rohr läßt sich
der absolute Abstand der Magnetanordnung vom kopfseitigen Rohrende bestimmen.
Es ist bekannt, daß der akustische Hohlleiter aus besonders temperaturstabilen
Werkstoffen hergestellt wird. Ein solches Rohr ist daher besonders geeignet für die
Anwendung in der unten für den Einsatz in einem Ausbruchschieber beschriebenen
Meßanordnung.
In Fig. 2 befindet sich der Stellkolben 22 in seiner vollständig geschlossenen und in Fig.
3 in seiner vollständig offenen Stellung. Wie die Fig. 4 zeigt, ist ein Träger 54 für die
Magnetanordnung 38 über die Halteplatte 58 und die Schraube 60 am freien Ende 56
des Stellkolbens angeordnet.
Das ortsfeste Rohr 36 (Hohlleiter) befindet sich im Zylinderkopfgehäuse 30, das mit
dem Schiebergehäuse verbunden ist. Das Rohr 36 liegt parallel zur Achse bzw.
Mittellinie der Kolbenstange und ist so von dieser beabstandet, daß es die Bewegung
des Stellkolbens 22 nicht stört. Das Rohr 36 ist dicht abgeschlossen und widersteht
einem hydrostatischen Druck von 310 bar, wie ihn der Schließdruck des Ausbruch
schiebers ausübt. Die ringartige elektromagnetische Anordnung 38 umgreift
beabstandet das Rohr 36 in einem vom Abstandselement 62 bestimmten Abstand vom
Träger 54. Die Magneten in der Anordnung befinden sich in einer quer zum Rohr 36
liegenden Ebene. Die Anordnung 38 und das Abstandselement 62 sind mit
nichtmagnetischen Schrauben 64 am Träger 54 befestigt. Ersichtlich sind der Träger 54
gemeinsam mit dem Abstandselement 62 und der Anordnung 38 in zwei Stellungen
gezeigt sind. In der Fig. 2 befindet die Anordnung 38 sich in der vollständig
geschlossenen, in Fig. 3 in der vollständig offenen Stellung. Es wird darauf
hingewiesen, daß beim Verschieben des Trägers 54 von links nach rechts die
Anordnung 38 die Oberfläche des Rohres 36 nicht berührt, so daß kein Verschleiß
auftritt.
Der leitfähige Draht 66 ist mittig durch das Hohlleiterrohr 36 gezogen. Sowohl der
Draht 66 als auch das Rohr 36 sind mit dem Wandler 32 verbunden, der außerhalb der
Kappe 34 liegt, wobei die Wandleranordnung auch geeignete Mittel aufweist, um einen
elektrischen Abfrage-Stromimpuls auf den Draht 66 zu legen. Ein O-Ring 68 schließt
die Stirnkappe 34 dicht ab.
Wie ersichtlich, führt bei einer axialen Verschiebung des Sperrkolbens 20 die
Anordnung 38 eine gleichgroße Bewegung aus. Infolge der in ihr enthaltenen
magnetostriktiven Linear-Verschiebungseinrichtung läßt sich also der Ort des
Sperrkolbens 20 stetig und absolut bestimmen. Bei einem Signalausfall erfolgt kein
Informationsverlust und es ist kein Null- oder Neuabgleich irgendeines Signals
erforderlich. Die Anzeige wird durch die Position der Anordnung 38 relativ zum
Wandler 32 absolut bestimmt, wie oben anhand der Fig. 2, 3 und 4 erörtert.
Die Verschleißfläche des Blocks 24 am Sperrkolben 20, die außen auf dem
Bohrlochrohr 12 aufliegt, ist für das dichte Verschließen des Ringraums kritisch. Bei
neuen Verschleißblöcken läßt die Schließstellung des Sperrkolbens 20 sich wie oben
beschrieben bestimmen. Nach einer gewissen Betriebsdauer des Sperrkolbens 20 gibt
seine Schließstellung bezüglich derjenigen im Neuzustand an, wie weit die
Verschleißblöcke abgenutzt sind. Läßt ein abgenutzter Verschleißblock sich
auswechseln, während das Bohrloch aus anderem Grund stillgelegt ist und bevor er im
Betrieb ausfällt, lassen sich ein kostspieliges Stillegen des Bohrlochs zu ungünstiger
Zeit oder ausfallbedingte Schäden vermeiden. Die Bedienungsperson kann die genauen
Orts-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten auch für andere Zwecke
verwerten.
Mit der Kenntnis der absoluten Position des Sperrkolbens läßt sich also bestimmen, ob
der Sperrkolben vollständig geschlossen ist, ob er blockiert ist, wie weit der Ver
schleißblock vorn auf dem Stößel abgenutzt ist, und wie weit in der
Stellkolbenmechanik Verschleiß oder Spiel vorliegt. Mit aufeinanderfolgenden
Abfrageimpulsen kann man auch die Schließgeschwindigkeit des Stelkolbens oder die
Geschwindigkeit sowie die (positive oder negative) Beschleunigung des Stellkolbens
bestimmen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Positions-, Geschwindigkeits-
und Beschleunigungs-Meßanordnung nur ein sich bewegendes Teil, nämlich die
Anordnung 38 aufweist, das darüberhinaus nicht kontaktierend arbeitet. Es tritt also hier
kein Verschleiß auf.
Es wurde oben darauf hingewiesen, daß es sich bei den in der Vergangenheit zum
Betrieb von Ausbruchschiebern angelieferten Daten im wesentlichen um Druckwerte
handelte. Die Fig. 6 zeigt den Schließdruck 70 auf der Schließseite des Sperrkolbens
und auf der offenen Seite den Öffnungsdruck 72 des Sperrkolbens bei der erfindungsge
mäßen Messung des Sperrkolbenspalts 74. Beide Drücke sind im wesentlichen
konstant, bis der Sperrkolben aufliegt; dann steigt der Schließdruck stark an. Nach dem
Abtrennen des Rohrs stabilisiert sich der Schließdruck wieder, bis der Ringraum dicht
abgeschlossen ist. Dann erreicht der Schließdruck sein Maximum. Obgleich die
Drucksignale sinnvolle Daten enthalten, enthält das erfindungsgemäße
Kolbenspaltsignal mehr Daten.
Während oben die Ortsinstrumentierung für einen Stellkolben eines Ausbruchschiebers
gezeigt und beschrieben ist, ist es erwünschtenfalls möglich, beide Sperrkolben eines
Ausbruchschiebers unabhängig voneinander zu instrumentieren, wobei in Fig. 1 die
Instrumentierung für eine bestimmte Ausbruchschieber-Bauart gezeigt und anhand der
Fig. 6 für eine weitere beschrieben ist.
Claims (3)
1. Elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines
Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers, mit einem Kolbengehäuse mit einer
vertikalen Bohrung zur Aufnahme eines Bohrlochrohrs und entgegen
gesetzten, von der Bohrung abgehenden Kolbenführungen, mit jeweils in
einer Führung hin- und herfahrbaren Sperrkolben zum Öffnen und
Schließen der vertikalen Bohrung, mit verfahrbaren hydraulischen
Stellkolben zum Verfahren jeweils eines Sperrkolbens, sowie mit einer
elektromagnetischen Anordnung, die betrieblich mit einem der Stellkolben
verbunden ist, um beim Öffnen und Schließen desselben seinen Ort absolut
zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro
magnetische Anordnung einen magnetostriktiven Fühler zum direkten
stetigen Erfassen der Position eines der Stellkolben aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Fühler sich im Sperrkolbengehäuse befindet und betrieblich mit einem der
Stellkolben zusammen hin- und herfahrbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster Teil des Fühlers sich im Sperrkolbengehäuse befindet und
betrieblich mit einem der Stellkolben zusammen hin- und herfahrbar ist und
ein zweiter Teil des Fühlers sich außerhalb des Sperrkolbengehäuses
befindet.
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