DE60208662T2 - Druckimpulsgenerator für bohrlochmessung während des bohrens - Google Patents

Druckimpulsgenerator für bohrlochmessung während des bohrens Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem, welches während des Bohrens von Bohrlöchern in der Erde für Zwecke wie z.B. Öl- oder Gaserforschung und -förderung, die Erstellung unterirdischer Versorgungskanäle und bei anderen Anwendungen im Bauwesen angewandt wird.
  • Nimmt man das Bohren von Öl- und Gasbohrlöchern als ein Beispiel, ist es sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus technischen Gründen sehr wünschenswert, Information über den Fortschritt des Bohrlochs und die Schichten, welche der Bohrer gerade durchdringt, von nahe an dem Bohrer positionierten Instrumenten zu erhalten, und eine solche Information zurück zur Erdoberfläche zu übertragen, ohne das Bohren des Bohrlochs zu unterbrechen. Der allgemeine Name, welcher mit solchen Verfahren verbunden ist, ist „Messung während der Bohrung" („Measurement-while-Drilling", MWD). Während der letzten 25 Jahre haben wesentliche Entwicklungen in der MWD-Technologie stattgefunden.
  • Eines der Hauptprobleme in der MWD-Technologie ist dasjenige, Daten vom Boden eines Bohrlochs, welcher mehrere tausend Meter unter der Erdoberfläche liegen kann, zuverlässig fernzumessen. Es gibt mehrere etablierte Verfahren, um dieses Problem zu überwinden, von welchen eine eine Übertragung der Daten, geeignet verschlüsselt, als eine Folge von Druckimpulsen in der Bohrflüssigkeit ist; dieses Verfahren ist als „Schlammimpulstelemetrie" bekannt.
  • Eine typische Anordnung eines Schlammimpuls-MWD-Systems ist schematisch in 1 gezeigt. Ein Bohrturm (50) stützt einen Bohrstrang (51) in dem Bohrloch (52). Bohrflüssigkeit, welche mehrere wichtige Funktionen bei dem Bohrvorgang hat, wird aus einem Tank (53) gesaugt und von einer Pumpe (54) in der Mitte des Bohrstrangs (55) nach unten gepumpt, wobei sie mittels des ringförmigen Raums (56) zwischen dem Bohrstrang und dem Bohrloch (52) zurückkehrt. Die MWD-Ausrüstung (58), welche nahe bei dem Bohrer (59) installiert ist, umfasst ein Mittel zur Erzeugung von Druckimpulsen in der Bohrflüssigkeit. Die Druckimpulse bewegen sich in der Mitte des Bohrstrangs nach oben und werden an der Erdoberfläche von einem Druckempfänger (57) empfangen. Eine Verarbeitungseinrichtung (60) entschlüsselt die Impulse und gewinnt die Daten wieder, welche von unten im Bohrloch übertragen wurden.
  • Bei einem Mittel zur Erzeugung von Druckimpulsen an einer Stelle unten im Bohrloch wird der Flüssigkeitsströmungsweg durch den Bohrstrang durch die Betätigung eines Ventils vorübergehend eingeengt. Dies erzeugt einen Impuls, dessen Vorderkante ein Druckanstieg ist; daher ist dieses Verfahren umgangssprachlich, wenngleich relativ frei als „positive Schlammimpulstelemetrie" bekannt. Im Gegensatz dazu wird der Begriff „negative Schlammimpulstelemetrie" verwendet, um jene Systeme zu beschreiben, bei welchen ein Ventil vorübergehend einen Durchlass zur Umgebung mit einem niedrigeren Druck außerhalb des Bohrstrangs öffnet und so einen Impuls erzeugt, welcher eine abfallende Vorderkante aufweist.
  • Vorrichtungen zur Erzeugung von Impulsen für positive Schlammimpulstelemetrie sind z.B. in den US-Patenten 3 958 217, 4 905 778, 4 914 637 und 5 040 155 beschrieben worden. Die obigen Referenzen stellen nur einige der sehr vielen impulserzeugenden Vorrichtungen dar, welche über einen verhältnismäßig langen Zeitraum entwickelt worden sind.
  • In dem US-Patent 5,040,155 ist eine Art eines Flüssigkeitsimpulsgenerators beschrieben, bei welchem die Betätigungsener gie durch Erzeugung eines Druckabfalls in der fließenden Bohrflüssigkeit abgeleitet wird: dieser Differenzdruck wird verwendet, um ein Hauptventilelement unter der Kontrolle eines Steuerventils zu betätigen.
  • In dem US-Patent 4,742,948 ist ein Druckimpulsgenerator zur Verwendung bei einer Übertragung von Drucksignalen zu einer Oberfläche in einem flüssigkeitsbasierten Bohrsystem offenbart, wobei der Generator im Gebrauch in dem Weg einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit zum Betrieb einer Bohranordnung angeordnet ist und eingerichtet ist, betätigt zu werden, um Drucksignale in einer solchen Flüssigkeit zur Übertragung zu einer Oberflächendrucküberwachungseinrichtung zu erzeugen, wobei der Impulsgenerator umfasst:
    ein Außengehäuse (12b), welches in dem Zuführungsweg von unter Druck gesetzter Flüssigkeit positionierbar ist (1A, 1B), wobei das Gehäuse eine Einlassanordnung (24, 34) zum Einlassen eines Teils der Flüssigkeit in das Gehäuseinnere und eine Auslassanordnung (32) zur Abgabe von Flüssigkeit von dem Gehäuseinneren für eine Zufuhr zu der Bohranordnung aufweist;
    ein Steuerelement (34, 38, 36, 50, 92), welches in dem Gehäuse für eine Bewegung zwischen einer offenen (1B) und einer geschlossenen Stellung (3) bezüglich der Einlassanordnung verschiebbar angebracht ist (42, 64), wobei das Steuerelement wirksam ist, um einen Druckimpuls (Spalte 4, Zeilen 52-54) in der Zuführung von Druckflüssigkeit zu erzeugen, wenn das Steuerelement die geschlossene Stellung einnimmt; einen Steuerdurchlass (44, 76, 74, 126), welcher sich durch das Steuerelement erstreckt (1A, 1B) und durch ein Ven tilelement (70) schließbar ist, welches angeordnet ist, um dem Druck der Flüssigkeit in dem Durchlass (1A) ausgesetzt zu sein; und
    eine Betätigungseinrichtungsanordnung (720), welche mit dem Steuerelement verbunden ist und welche bei einer Betätigung (Spalte 4, Zeilen 33-35 und 52-55) das Steuerelement relativ zu der Einlassanordnung bewegt (3), um einen Druckimpuls in der Flüssigkeit für eine Übertragung zur Oberfläche zu erzeugen, wobei die Betätigungseinrichtungsanordnung, wenn sie deaktiviert ist (1A), auch den Durchfluss von Flüssigkeiten durch den Steuerdurchlass blockiert, so dass die gesamte Flüssigkeit als eine Umgehungsströmung über die Einlassanordnung fließt (1B).
  • Erfindungsgemäß wird ein Druckimpulsgenerator, wie er in Anspruch 1 definiert ist, bereitgestellt.
  • In der Zeichnung:
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer typischen Bohrstranginstallation, bei welcher ein erfindungsgemäßer Druckimpulsgenerator verwendet werden kann;
  • 2 ist eine Detailansicht in einem Vertikalquerschnitt einer allgemeinen Art eines Druckimpulsgenerators, bei welchem die Erfindung angewandt werden kann;
  • 3 ist eine Ansicht, ähnlich zu 2, eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckimpulsgenerators; und
  • 4 ist eine Detailansicht auf einer vergrößerten Skala einer Steuerventilanordnung des in 3 gezeigten Generators.
  • Zunächst wird der grundlegende Aufbau und Betrieb eines Impulsgenerators unter Bezugnahme auf 2 der beigefügten Zeichnung besprochen werden. Dies wird dazu dienen, die Vorteile der Erfindung deutlicher zu machen, welche in dem zweiten Teil der Beschreibung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt werden, welches in 3 und 4 der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.
  • 2 zeigt einen Querschnitt einer im Allgemeinen zylinderförmigen druckimpulserzeugenden Vorrichtung. Der Impulsgenerator 1 ist in einem Bohrstrang 2 installiert, von welchem nur ein Teil gezeigt ist. Die Strömung von Bohrflüssigkeit in dem Bohrstrang ist in Bezug auf die Ausrichtung der Zeichnung nach unten gerichtet. Der Druckimpulsgenerator ist durch elektrische bzw. mechanische Verbindungsstücke 3 bzw. 4 für die Verbindung mit anderen Druckgehäusen begrenzt gezeigt, welche z.B. Stromversorgungen, Instrumentenausrüstung zum Erfassen der zu übertragenden Daten und ein Mittel zum Steuern des Betriebs des Impulsgenerators selbst umfassen würden. Solche Untereinheiten bilden einen normalen Teil eines MWD-Systems und werden hier nicht weiter beschrieben werden.
  • Der Impulsgenerator weist ein Gehäuse 100 auf, welches in dem Bohrstrangelement durch obere bzw. untere Zentrierelemente 5 bzw. 6 angebracht und gestützt ist. Die Zentrierelemente weisen eine Anzahl, typischerweise drei, von radialen Rippen zwischen einem inneren und einem äußeren Ring auf. Die Räume zwischen den Rippen erlauben den Durchfluss von Bohrflüssigkeit. Die Rippen können auf eine solche Weise profiliert sein, dass sie die Effekte von Flüssigkeitserosion minimieren. Das untere Zentrierelement 6 liegt auf einem Ansatz 7 in dem Bohrstrangelement auf. Eine Abstandshülse 8 stützt einen Ring 9 und schützt die Bohrung des Bohrstrangelements vor Flüssigkeitserosion. Zusammen mit einem Hauptventilelement 10 (welches später detaillierter beschrieben werden wird) definiert der Ring eine Einlassanordnung in das Innere des Gehäuses 100 und bildet gleichzeitig eine wesentliche Engstelle für den Durchgang von Flüssigkeit. Der Impulsgenerator ist durch (nicht gezeigte) herkömmliche Mittel in dem Bohrstrangelement arretiert, um zu verhindern, dass er sich unter dem Einfluss eines Stoßes und einer Schwingung von dem Bohrvorgang dreht oder hin- und herbewegt.
  • Betrachtet man einstweilen nur die Hauptströmung, passiert Bohrflüssigkeit, welche von den vorhergehend beschriebenen Aufbewahrungstanks und Pumpen an der Oberfläche zugeführt wird, das obere Zentrierelement 5, den Ring 9, eine Hauptventilanordnung 11 (welche das Ventilelement 10 umfasst) und das untere Zentrierelement 6, bevor sie in Richtung des Bohrers nach unten weiterfließt. Wie wohlbekannt ist, kehrt die Bohrflüssigkeit zur Oberfläche über den ringförmigen Raum zwischen der Bohranordnung und der im Allgemeinen zylinderförmigen Wand der Lochs zurück, welches durch den Bohrer in der Erde erzeugt wird.
  • Der Durchfluss von Bohrflüssigkeit durch die Engstelle, welche durch den Ring 9 und das Hauptventilelement 10 ausgebildet wird, erzeugt einen wesentlichen Druckabfall über die Engstelle. Der absolute Druck an einem Punkt wie z.B. P1 ist hauptsächlich zusammengesetzt aus dem hydrostatischen Druck aufgrund der vertikalen Druckhöhe von Flüssigkeit oberhalb dieses Punkts zusammen mit der Summe der dynamischen Druck verluste, welche durch die fließende Flüssigkeit erzeugt werden, wenn sie alle übrigen Teile des Systems zurück zu den Oberflächenaufbewahrungstanks durchquert. Es gibt andere kleinere Quellen von Druckverlust und -gewinn, welche hier nicht detailliert beschrieben werden müssen. Es sollte beachtet werden, dass die Oberflächenpumpen immer von einer Verdrängerpumpenart sind, und dass daher der Durchfluss durch das System für eine gegebene Pumpengeschwindigkeit im Wesentlichen konstant ist, falls der gesamte Durchflusswiderstand in dem ganzen System ebenfalls im Wesentlichen konstant bleibt. Selbst wenn sich der gesamte Durchflusswiderstand ändert, ist die daraus folgende Durchflussänderung verhältnismäßig klein, da sie nur durch die Änderung der Pumpeneffizienz bestimmt wird, wenn der Ausgangsdruck erhöht oder erniedrigt wird, natürlich vorausgesetzt, dass die geplante Leistungsfähigkeit der Pumpen nicht überschritten wird.
  • Der Druck an einem Punkt wie z.B. P2 ist nur um den oben beschriebenen Druckverlust in der Engstelle kleiner als derjenige bei P1, da die Änderung der hydrostatischen Druckhöhe im Vergleich mit der Länge des Bohrlochs vernachlässigbar ist. Obwohl, wie wohlbekannt ist, in dem Bereich, in welchem sich die Strömungsfläche aufweitet, in 1 bei 12, eine gewisse Druckerholung eintritt, bewirkt die Hauptengestelle bei dem Ring 9 und dem Hauptventil 10 dennoch, dass eine deutliche Druckdifferenz, welche näherungsweise zum Quadrat der Durchflussrate proportional ist, über die dargestellten Punkte hinweg auftritt.
  • Die innere Anordnung enthält eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung mit einer Spule 13, einem Joch 14, einem Anker 15 und einer Rückstellfeder 16. Ein erster Schaft 17 verbindet die Betätigungseinrichtung mit einem Steuerfedergehäu se 18. Ein zweiter Schaft 19 verbindet das obere Ende der Steuerfeder 20 mit einem Steuerventilelement 21.
  • Wie bei Vorrichtungen dieser Art üblich ist, gibt es Teile der Anordnung, welche bevorzugt vor einem Eintritt der Bohrflüssigkeit zu schützen sind, welche üblicherweise einen hohen Anteil von Partikelsubstanz enthält und elektrisch leitfähig ist. In 2 sind die mit dem Buchstaben F bezeichneten Volumina mit einer geeigneten Flüssigkeit, z.B. Mineralöl gefüllt, und es gibt eine Verbindung zwischen diesen Volumina durch Durchlässe und Ausnehmungen, welche nicht detailliert gezeigt sind. Für den Betrieb des Impulsgenerators ist es wichtig, dass der Druck in den ölgefüllten Räumen immer gleich demjenigen der Bohrflüssigkeit, welche ihn umgibt, gehalten werden sollte. Wo dies nicht so ist, würde der Differenzdruck zwischen den zwei Bereichen zu einer unerwünschten Axialkraft in einer oder der anderen Richtung auf den Schaft 19 führen. Ein nachgiebiges Element 22 stellt diese Druckausgleichsfunktion zur Verfügung, ebenso der nachgiebige Balg 23. Untereinander ermöglichen diese zwei Elemente, dass sich das innere Volumen des ölgefüllten Raums ändert, entweder durch eine Ausdehnung des Öls mit der Temperatur oder durch eine axiale Bewegung des Balgs, ohne die auf den Schaft 19 wirkende Kraft wesentlich zu beeinflussen. Diese volumenkompensierte Ölfüllungstechnik ist wohlbekannt.
  • An dem oberen Ende des Impulsgenerators befindet sich ein Fühler 24, welcher ein zylinderförmiges Filterelement 25 trägt. (Das Profil des oberen Endes des Fühlers ist derart ausgestaltet, dass es ermöglicht, dass ein Rückhohlwerkzeug an ihm eingeklinkt wird, und ist anderweitig nicht wesentlich für den Gegenstand dieser Anmeldung.)
  • Es gibt eine Flüssigkeitsverbindung von dem Inneren des Filters 25 durch die Durchlässe 26, 27, 28 zu einer Öffnung 29 unmittelbar oberhalb des Steuerventilelements 21. Diese Flüssigkeit steht ebenfalls in Verbindung mit dem Raum 30 unterhalb des Hauptventilelements 10 und dem Raum 31 oberhalb des Hauptventilelements.
  • Das Hauptventilelement 10 ist verschiebbar an den Strukturteilen der Anordnung 32, 33, 34 angebracht. Es sollte beachtet werden, dass die effektiven Betätigungsflächen, auf welchen eine senkrecht gerichtete Kraftkomponente bewirken kann, dass sich das Ventil bewegt, die ringförmigen Flächen sind, welche in 1 als A1 und A2 bezeichnet sind. Die Fläche A1 ist durch die als d1 und d2 gezeigten Durchmesser definiert. Die Fläche A2 ist durch die als d2 und d3 gezeigten Durchmesser definiert.
  • Wenn Flüssigkeit durch den Impulsgenerator strömt, umgeht ein kleiner Teil der Strömung die Hauptströmungsbereiche und passiert durch den Filter 25 und die Durchlässe 26, 27, 28 zu der Steuerventilöffnung 29. Der Durchlass 27 bildet eine Engstelle aus, welche diesen Steuerdurchfluss steuert und sicherstellt, dass der Druck in dem Durchlass 28 wesentlich kleiner als der Druck P1 ist. In diesem Zustand ist der Impulsgenerator inaktiv. Der Druck im Durchlass 28 wird sowohl zur Fläche A1 als auch zur Fläche A2 übertragen. Die Flächen A1 und A2 sind so gewählt, dass das Produkt (Druck im Durchlass 28) × (A2 – A1) nicht hinreichend ist, um die nach unten gerichtete hydrodynamische Kraft zu überwinden, welche durch die Hauptflüssigkeitsströmung verursacht wird, und das Hauptventilelement 10 verbleibt in seiner Ruhestellung.
  • Um zu bewirken, dass ein Druckimpuls in der Hauptströmung erzeugt wird, wird die Spule 13 mit Energie versorgt, und der Anker 15 bewegt sich nach oben. Diese Bewegung wird auf den Schaft 17 und die Steuerfeder 20 übertragen.
  • Die Funktion der Steuerfeder 20 ist in einer separaten und ebenfalls anhängigen PCT-Patentanmeldung vollständig offenbart, welche am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung im Namen von Geolink (UK) Ltd. angemeldet worden ist, und für den Zweck der vorliegenden Erfindung ist es unwesentlich, ob die Feder anwesend ist, oder ob sie durch eine starre Verbindung ersetzt ist. Es ist beabsichtigt, dass die die Steuerfeder betreffende Offenbarung in die vorliegende Beschreibung durch diese Bezugnahme einbezogen ist.
  • Um den Gegenstand der vorliegenden Erfindung klar und deutlich zu halten, wird die folgende Erläuterung einfach annehmen, dass die Steuerfeder 20 eine sehr hohe Federkonstante aufweist, welche hinreichend ist, dass sie sich zu jeder Zeit so verhält, als ob sie effektiv eine starre Verbindung wäre.
  • Zur Beschreibung des Betriebs zurückkehrend, wird das Steuerventil 21 nach oben getragen, bis es die Steueröffnung 29 schließt.
  • Das Schließen der Steueröffnung stoppt den Steuerdurchfluss, und als eine Folge steigt der Druck in der Folge von Durchlässen unterhalb des Filterelements 25 auf den gleichen Wert wie der Druck am Äußeren des Filters, der Druck P1, an. Dieser Druck wird auf die Flächen A1 und A2 ausgeübt, und da die Fläche A2 wesentlich größer als A1 ist, wird eine Nettokraft nach oben auf das Hauptventilelement 10 ausgeübt. Diese Kraft ist hinreichend, um den hydrodynamischen Widerstand gegen ei ne Bewegung zu überwinden, und das Ventilelement 10 bewegt sich nach oben, um die Einengung zu erhöhen, welche der Strömung an dem Bereich zwischen ihm und dem Ring 9 dargeboten wird. Da, wie früher beschrieben, der Durchfluss im Wesentlichen konstant bleibt, steigt der Druck P1 nun wesentlich an. Diese Druckänderung ist an der Erdoberfläche detektierbar und bildet die Vorderkante eines Datenimpulses aus. Wenn die Spule 13 nicht mehr mit Energie versorgt wird, bewegen die durch den Druckabfall über das Steuerventil und durch die Rückstellfeder 16 bereitgestellten Kräfte das Steuerventil zurück zu seiner Ruhestellung. Die Nettokraft auf das Hauptventilelement wird ihrer Richtung nach umgekehrt, und das Ventil kehrt zu der früher beschriebenen Ruhestellung zurück. Der Überdruck wird abgebaut, und die an der Oberfläche detektierte Druckänderung bildet die Hinterkante des Datenimpulses. In der oben beschriebenen grundlegenden Form funktioniert der Impulsgenerator im Allgemeinen nach den Grundlagen, welche im US-Patent 5,040,155 beschrieben sind.
  • Die vorliegende Erfindung stellt im Vergleich mit dem Stand der Technik einen wesentlichen Vorteil in der Funktionsfähigkeit des Impulsgenerators zur Verfügung, welcher nun beschrieben werden wird.
  • Die meisten Bohrflüssigkeiten sind sehr abschleifend: Sie enthalten feine Partikelfeststoffe, welche in der ursprünglichen Formulierung anwesend sein können und welche sich aus der gerade gebohrten Gesteinsformation anhäufen, während die Flüssigkeit zirkuliert: Die Siebe und Hydrozyklone, welche abgeschnittene Gesteinsstücke und verhältnismäßig kleine Partikel entfernen, können z.B. nicht äußerst feine Sandkörner entfernen. Es ist wohlbekannt, dass die Anwesenheit einer derartigen Partikelsubstanz die bereits wesentliche Erosions fähigkeit von Flüssigkeitsstrahlen mit einer hohen Geschwindigkeit erhöht.
  • Weiterhin gibt es viele Gelegenheiten, bei welchen es nötig ist, eine Substanz mit einer verhältnismäßig großen Partikelgröße in die zirkulierende Bohrflüssigkeit einzuführen. Üblicherweise ist diese eine aus einer Gruppe von Materialien, welche zusammenfassend als „Zirkulationsverlustmaterialien" bekannt sind, und ihre Funktion ist es, einen Verlust von Bohrflüssigkeit in außergewöhnlich poröse und durchlässige Bereiche der Bohrlochwand zu verhindern. Sie wird aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, an der Bohrlochwand anzuhaften und eine undurchlässige Oberfläche auf dieser auszubilden.
  • Man wird bemerken, dass bei der grundlegenden Form der oben beschriebenen Vorrichtung Bohrflüssigkeit kontinuierlich durch das Filterelement 25, die Durchlässe 26, 27, 28 und die Öffnung 29 fließt, außer während der Erzeugung eines Druckimpulses. Bei vielen Schlammimpulstelemetriesystemen ist der Impulsarbeitszyklus viel weniger als 1:1. In Abhängigkeit von dem Verschlüsselungssystem und gelegentlich von Einschränkungen der zur Energieversorgung des Systems verfügbaren Energiemenge, kann der Arbeitszyklus so gering wie 1:10 sein, d.h. der Generator ist nur 10 % der Zeit, während welcher er in Gebrauch ist, in dem aktiven Zustand.
  • Bei dem oben beschriebenen Impulsgenerator kann der kontinuierliche Durchfluss von Flüssigkeit durch den Filter 25 und die Öffnung 29 zu einer relativ raschen Erosion der Teile führen, welche der Flüssigkeit mit einer hohen Geschwindigkeit ausgesetzt sind. Obwohl das Filterelement 25 so ausgestaltet sein kann, dass die Flüssigkeitsgeschwindigkeit anfangs niedrig ist, kann der kontinuierliche Durchfluss rasch zu einer teilweisen Blockierung führen, welche von einer Erosion des Filterelements gefolgt wird. Dies sind Angelegenheiten, welche durch eine sorgfältige Ausgestaltung und regelmäßige Wartung bewältigt werden können. Jedoch ist es bei MWD-Systemen im Allgemeinen von großer Wichtigkeit, die Zeitintervalle zwischen Wartungsvorgängen zu maximieren. Es ist wohlbekannt, dass der Vorgang, einen Bohrstrang zur Oberfläche zu bringen und ihn in dem Loch zu ersetzen zeitaufwändig und teuer ist, da er Zeit darstellt, welche für den Bohrvorgang vollständig verloren ist. Bohrvorgänge sind so ausgestaltet, dass, soweit möglich, der Strang aus dem Bohrloch nur für die Zwecke des Wechselns des Bohrers oder für größere Vorgänge, z.B. das Setzen einer Ummantelung, entfernt wird. Es ist daher äußerst wünschenswert, dass die Hilfsteile der Anordnung des Bohrstrangs unten im Loch über die gesamte Zeit einer so genannten Bohrerlaufzeit funktionieren können, welche eine Dauer von vielen Tagen aufweisen kann, ohne Wartung zu benötigen.
  • Ein noch ernsthafterer Nachteil des oben beschriebenen grundlegenden Impulsgenerators tritt auf, wenn der zirkulierenden Flüssigkeit Zikulationsverlustmaterial („lost circulation material", LCM) hinzugefügt wird: Es wird den Filter 25 sofort blockieren, und der Impulsgenerator kann nicht mehr funktionieren. Weiterhin wird dieses Material nicht schnell von dem Filter abgewaschen, selbst wenn der Großteil des Materials von der Hauptzirkulation entfernt wird, da es durch den Differenzdruck über das Filterelement an seiner Stelle gehalten wird und dazu neigt, in den Filterlöchern oder in den Filterschlitzen festgeklemmt zu werden. Dieser Effekt ist kaum überraschend, da er genau das ist, wozu Zirkulationsverlustmaterial an der Bohrlochwand ausgestaltet ist, nämlich, kleine Löcher unter dem Einfluss eines Differenzdrucks zu blockieren.
  • Die Erfindung, welche der Gegenstand dieser Patentanmeldung ist und welche die oben detailliert dargestellten Nachteile überwindet, wird nun (nur beispielhaft) unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben werden, welches in 3 und 4 gezeigt ist.
  • 3 zeigt einen Impulsgenerator nach dieser Erfindung. Deutlichkeitshalber ist ein Teil der Figur bei 4 auf einer größeren Skala wiedergegeben, welche eine vergrößerte Ansicht des oberen Endes eines Betätigungsverbindungsstücks zeigt, das mit dem Steuerventil 21 verbunden ist.
  • Der Kopf des Steuerventils 21 ist nun auch mit einer Schubstange 35 verbunden. An ihrem oberen Ende trägt die Schubstange 35 einen Abstoßventilkopf 36 oberhalb einer sekundären Öffnung 37 (wodurch ein sekundäres Ventil ausgebildet wird). Eine Bewegung des Ventilkopfs 36 nach oben ermöglicht, dass Flüssigkeit zu der Betätigungsfläche A2 des Hauptventilelements 10 und zu dem Steuerventil 21, 29 passiert. Wie vorher stellen radiale Durchlässe 38 in dem im Allgemeinen zylinderförmigen Hilfsventilgehäuse 39 eine Verbindung zwischen dem Steuerventil und dem Volumen mit einem niedrigeren Druck bei P2 her. Es ist wichtig zu beachten, dass der Betätigungseinrichtungskopf 40 nicht starr mit der Steuerventilanordnung 21 verbunden ist. Es gibt einen kleinen Zwischenraum 44 zwischen dem Betätigungseinrichtungskopf 40 und der unteren Oberfläche der Schubstange 35. Es gibt einen weiteren kleinen Zwischenraum 41 zwischen der oberen Oberfläche des Schafts 19 und der unteren Seitenfläche des Hohlraums an der Basis der Schubstange 35 (siehe 4).
  • In der Ruhestellung des Ankers 15 gibt es, wie vorher beschrieben, einen Differenzdruck zwischen den Durchlässen, welche mit dem Filter 25 in Verbindung stehen, und dem Bereich mit niedrigerem Druck P2. Es ist ersichtlich, dass dieser Druck über das geschlossene sekundäre Ventil 36, 37 auftritt. Der Ventilkopf 36 erfährt eine Nettokraft, welche dazu neigt, ihn gegen die Öffnung 37 geschlossen zu halten, und die vorher beschriebenen Freiräume bei 41 und 44 stellen sicher, dass das Ventil 36 tatsächlich frei ist, um sich unabhängig von Temperaturänderungen, einer geringfügigen Abnutzung der Teile und von Montagetoleranzen vollständig zu schließen. Folglich steht die Flüssigkeit in dem Betriebsbereich des Hauptventilelements 10 über das Steuerventil 21, 29 mit dem niedrigen Druck bei P2 in Verbindung. Dies ist die gleiche Situation, wie man sie bei dem ursprünglich beschriebenen Impulsgenerator enthält, mit der einzigen und wichtigen Ausnahme, dass es nunmehr keinen kontinuierlichen Durchfluss durch den Filter 25 oder das Steuerventil 21, 29 gibt, wenn sich der Impulsgenerator in dem Ruhezustand befindet.
  • Wenn es nötig ist, einen Druckimpuls zu erzeugen, wird die Spule 13 mit Energie versorgt. Zuerst bewegt sich der Betätigungseinrichtungsschaft 17 noch oben, wobei er gleichzeitig den Schaft 19 trägt (man erinnere sich, dass für den Zweck dieser Beschreibung die Feder 20 als starr zu betrachten ist). Der Betätigungseinrichtungskopf 40 bewegt sich nach oben, wobei er den Zwischenraum 44 schließt und Bewegung auf die Schubstange 35 überträgt, welche dadurch ebenfalls nach oben getragen wird. An diesem Punkt treten mehrere gleichzeitige Ereignisse ein. Das sekundäre Ventil 36, 37 beginnt sich zu öffnen, wodurch es Flüssigkeit in die Durchlässe 42, 43 einlässt (3). Das Steuerventil 21 beginnt sich zu schließen, wobei es dazu neigt, den Durchfluss der neu freigegebenen Flüssigkeit in den Bereich mit einem niedrigeren Druck P2 zu blockieren. Der Druck von dem Bereich P1 fängt nun an, zu der Betätigungsfläche A2 des Hauptventilelements 10 übertragen zu werden, und das letztere beginnt, sich wie vorhergehend beschrieben zu bewegen.
  • Mit dem Abschluss des Schließens des Zwischenraums zwischen dem Anker 15 und dem Joch 14 befindet sich das System nun in genau dem gleichen Zustand auf einem Impuls, wie er vorhergehend für den grundlegenden Impulsgenerator beschrieben worden ist, aber dieser Zustand ist mit nicht mehr als einem kleinen vorübergehenden Durchfluss von Bohrflüssigkeit durch den Filter 25 und die zugehörigen Durchlässe erreicht worden.
  • Wenn die Spule 13 nicht mehr mit Energie versorgt wird, bewirkt die Rückstellfeder 16, dass der Anker 15 zu seiner Ruhestellung zurückkehrt. Dies gibt das Steuerventilelement 21 und das angebrachte sekundäre Ventilelement 36 frei, um unter dem Einfluss von Differenzdruck zu ihren ursprünglichen Positionen zurückzukehren. Der auf die Fläche A2 wirkende Druck fällt zu dem Druck bei P2 zurück. Auf das Hauptventilelement 10 wirkt nun eine Kraft nach unten, und es kehrt zu seinem Ruhezustand zurück. Wiederum wird dieser Vorgang mit nur einem kleinen vorübergehenden Durchfluss durch das Filterelement 25 erreicht.
  • Diese Erfindung ist gleichermaßen anwendbar, wenn sie in Verbindung mit dem Impulshöhenbestimmungsmechanismus verwendet wird, welcher in unserer ebenfalls anhängigen PCT-Anmeldung beschrieben ist.
  • Tests sind unter der Verwendung eines hocheffizienten Zirkulationsverlustmaterials, welches als „medium nut plug" bekannt ist, ausgeführt worden. Es wird typischerweise in Mengen zwischen 10 lb und 30 lb pro US Barrel (28 kg-84 kg pro Kubikmeter) in die Bohrflüssigkeitsströmung eingeführt. Ein Impulsgenerator, welcher nicht mit der Erfindung ausgestattet war, hörte unmittelbar zu funktionieren auf, als dieses Material in den Strömungsstrom eingeführt wurde, sogar bei einer Konzentration unterhalb von 5 lb pro US Barrel (14 kg pro Kubikmeter). Ein Impulsgenerator mit der oben beschriebenen Modifizierung fuhr ohne eine Leistungsverschlechterung fort in einer Flüssigkeit zu funktionieren, welche 30 lb pro US Barrel (84 kg pro Kubikmeter) medium nut plug enthielt.
  • In Tests ist weiterhin bemerkt worden, dass, wie erwartet, die Verschleißrate der mit dem Steuerventilelement 29 verknüpften Teile im Vergleich mit einem Impulsgenerator, welchem diese Erfindung nicht beigefügt war, auf ein niedriges Niveau verringert wird.
  • Für einen Impulsgenerator der hier beschriebenen Art kann die Verringerung der Verschleißrate wie folgt abgeschätzt werden.
  • Es gibt einen endlichen Zeitraum, während welchem jedes Mal, wenn der Impulsgenerator aktiviert wird, und jedes Mal, wenn er deaktiviert wird, ein Durchfluss durch das Steuerventil auftritt. Wenn der Generator in dem aktivierten Zustand („Impuls-ein") eingerichtet ist, gibt es keinen Durchfluss, und wenn er sich in dem deaktivierten Zustand („Impuls-aus") befindet, gibt es wiederum keinen Durchfluss.
  • Man nehme an, dass für jeden Impuls das Verhältnis der gesamten Übergangszeit zu der Impuls-ein-Zeit R1 ist. Man nehme auch an, dass das Verhältnis der Impuls-ein-Zeit zur Impulsaus-Zeit R2 ist.
  • Man nehme ebenfalls an, dass die Zeitdauer T hinreichend lang ist, dass viele Impulsvorgänge während ihr stattfinden.
  • Dann gilt bei einem Impulsgenerator der grundlegenden Art ohne die hier beschriebene Erfindung während einer Zeitdauer T:
    Der Generator befindet sich eine Zeitdauer R2·T bei Impuls-ein. Es gibt einen vorübergehenden Durchfluss durch das Steuerventil während der Zeitdauer R1·R2·T und auch immer dann, wenn sich die Vorrichtung bei Impuls-aus befindet. Nur für die übrige Zeit t hört der Steuerdurchfluss auf.
  • Nach dem Obigen ist, während einer Zeitdauer T, t = T – (R2 × T) + (R1 × R2 × T). Das Verhältnis t/T ist (1 – R2 (1 – R1)). Dies ist der Bruchteil der gesamten funktionsbereiten Zeit, während welchem ein Durchfluss durch das Steuerventil stattfindet.
  • Im Gegensatz dazu ist für den Impulsgenerator, welcher nach der vorliegenden Erfindung gebaut ist, während des Intervalls T der Steuerdurchfluss nur während der transienten Phase der Ventilbetätigung an. In diesem Fall ist das Verhältnis t/T gerade R1 × R2.
  • Bei einem typischen System könnte R1 0,2 sein (zwei transiente Zeitabschnitte von jeweils 50 ms während eines 500 ms Impulses) und R2 könnte 0,1 sein. R2 kann natürlich viel größer sein, z.B. in einem Fall, in welchem Dateneinheiten kontinuierlich übertragen werden, oder es kann viel kleiner sein, wie in dem Fall, in welchem das System alle paar Stunden aus schließlich gewisse Richtungsdaten überträgt. Es ist jedoch vernünftig anzunehmen, dass R2 im Bereich von 0,05 bis 0,5 liegt.
  • Somit liegt unter Verwendung der obigen Zahlen der Bruchteil der funktionsfähigen Zeit, während welchem ein Steuerdurchfluss auftritt, in dem Fall des Systems in der Abwesenheit der Erfindung zwischen 0,96 (R2 = 0,05) und 0,60 (R2 = 0,5).
  • Verwendet man die gleichen Zahlen, liegt der Bruchteil der funktionsfähigen Zeit, während welchem ein Steuerdurchfluss auftritt, bei dem System, welches die vorliegende Erfindung umfasst, in dem Bereich zwischen 0,01 (R2 = 0,05) und 0,1 (R2 = 0,5).
  • Die durch die Erfindung bereitgestellte Verbesserung hinsichtlich der Flüssigkeitserosion der Steuerventilteile kann als das Verhältnis der relativen Steuerdurchfluss-an-Zeitdauern quantifiziert werden. Dieses ist 96, wenn R2 = 0,05, und 6, wenn R2 = 0,5. Wenn das andere gleich ist, werden die Verschleißteile des Steuerdurchflusssystems bei der vorliegenden Erfindung somit einen Lebensdauer- oder Wartungsintervallvorteil um einen Faktor, welcher von 6 bis 96 mal reicht, über die grundlegende Form des Generators aufweisen.
  • Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, können Umgehungsöffnungen in dem Drosselring vorgesehen sein, um einen primären Druckabfall bereitzustellen. Die Umgehung kann verwendet werden, um das Durchflussvermögen zu erhöhen, ohne die Größe der Hauptventilteile ändern zu müssen. Dies kann wichtig sein, da es bedeutet, dass der zentrale Teil des Impulsgenerators über verschiedene Rohrbohrungen hinweg ausgetauscht werden kann; nur die Montagekomponenten müssen geändert werden.
  • Die relative Fläche der Umgehungsöffnungen kann bei einer gegebenen Strömungssituation von entscheidender Wichtigkeit sein. Falls die Umgehungsfläche zu groß ist, gibt einen nicht ausreichenden anfänglichen Druckabfall, die Betätigung des Hauptventils wird schwerfällig, und die Impulsamplitude wird zu niedrig. Falls die Umgehungsfläche zu klein ist, wird die Durchflussgeschwindigkeit durch das Hauptventil zu groß, was eine rasche Erosion verursacht. An einem Umgehungsring können mehrere Öffnungen vorgesehen sein, welche am Ort des Bohrlochs durch Einführen der richtigen Anzahl von „Zuschließ"-Stopfen leicht geöffnet oder geschlossen werden können.

Claims (5)

  1. Druckimpulsgenerator zur Verwendung bei einer Übertragung von Drucksignalen zu einer Oberfläche bei einem flüssigkeitsbasierten Bohrsystem (50), wobei der Generator im Gebrauch im Weg einer unter Druck gesetzten Flüssigkeit zum Betrieb einer Bohranordnung (59) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, betätigt zu werden, um in einer solchen Flüssigkeit Drucksignale zur Übertragung zu einer Oberflächendrucküberwachungseinrichtung (57) zu erzeugen, wobei der Impulsgenerator umfasst: ein Außengehäuse (100), welches im Zuführungsweg der unter Druck gesetzten Flüssigkeit positionierbar ist, wobei das Gehäuse eine Einlassanordnung (9, 10) zum Einlassen eines Teils der Flüssigkeit in das Gehäuseinnere und eine Auslassanordnung zum Abgeben von Flüssigkeit vom Gehäuseinneren für eine Zufuhr zur Bohranordnung (59) aufweist; ein Steuerelement (10), welches in dem Gehäuse (100) für eine Bewegung zwischen einer offenen und einer geschlossenen Stellung bezüglich der Einlassanordnung (9, 10) verschiebbar angebracht ist, wobei das Steuerelement wirksam ist, um einen Druckimpuls in der Zuführung von Druckflüssigkeit zu erzeugen, wenn das Steuerelement die geschlossene Stellung einnimmt; einen Steuerdurchlass (26, 27, 28), welcher sich durch das Steuerelement (10) erstreckt und durch ein Ventilelement (36) schließbar ist, welches angeordnet ist, um dem Druck der Flüssigkeit im Durchlass ausgesetzt zu sein; und eine Betätigungseinrichtungsanordnung (13, 14, 15, 17, 19, 21, 35, 36, 37), welche mit dem Steuerelement (10) verbunden ist und welche bei einer Betätigung das Steuerelement (10) relativ zur Einlassanordnung (9, 10) bewegt, um einen Druckimpuls in der Flüssigkeit zur Übertragung zur Oberfläche zu erzeugen, wobei die Betätigungseinrichtungsanordnung, wenn sie deaktiviert ist, auch den Durchfluss von Flüssigkeiten durch den Steuerdurchlass (26, 27, 28) blockiert, so dass die gesamte Flüssigkeit als eine Umgehungsströmung über die Einlassanordnung (9, 10) fließt, und wobei die Betätigungseinrichtungsanordnung ein Steuerventil (21) umfasst, welches über eine Betätigungseinrichtung (17, 19) angeschlossen ist, um zwischen einer offenen und der geschlossenen Stellung bezüglich eines Ventilsitzes (29) bewegt zu werden, um den Impulsgenerator zu aktivieren oder zu deaktivieren; dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (21) über eine weitere Betätigungseinrichtung (35) mit einem Sekundärventil (36) verbunden ist, wobei das Sekundärventil (36) einen Durchfluss durch den Steuerdurchlass (26, 27, 28) blockiert, wenn die Betätigungseinrichtung deaktiviert ist.
  2. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil (21) über eine Totgangverbindung (41, 44) mit der Betätigungseinrichtung (17, 19) verbunden ist.
  3. Druckimpulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mit dem Steuerventil (21) verbundene Betätigungseinrichtung eine erste Betätigungseinrichtung (17), welche mit einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung (13, 14, 15) verbunden ist, eine zweite Betätigungseinrichtung (19), welche mit dem Steuerventil (21) verbunden ist, und ein Verbindungsglied (20) zwischen der ersten und der zweiten Betätigungseinrichtung (17, 19) umfasst.
  4. Druckimpulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlassanordnung einen feststehenden Ring (9) umfasst, welcher innerhalb des Gehäuses (100) angebracht ist und einen inneren Einlassdurchlass für Flüssigkeit zwischen sich und dem beweglichen Steuerelement (10) definiert.
  5. Druckimpulsgenerator nach Anspruch 4, wobei der Ring (9) eine Umgehungsöffnung definiert oder umfasst.
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