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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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Erfindungsgemäß wird ein
Druckimpulsgenerator, wie er in Anspruch 1 definiert ist, bereitgestellt.
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In
der Zeichnung:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer typischen Bohrstranginstallation,
bei welcher ein erfindungsgemäßer Druckimpulsgenerator
verwendet werden kann;
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2 ist
eine Detailansicht in einem Vertikalquerschnitt einer allgemeinen
Art eines Druckimpulsgenerators, bei welchem die Erfindung angewandt werden
kann;
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3 ist
eine Ansicht, ähnlich
zu 2, eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckimpulsgenerators;
und
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4 ist
eine Detailansicht auf einer vergrößerten Skala einer Steuerventilanordnung
des in 3 gezeigten Generators.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Beschreibung des Betriebs zurückkehrend,
wird das Steuerventil 21 nach oben getragen, bis es die
Steueröffnung 29 schließt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Erfindung ist gleichermaßen
anwendbar, wenn sie in Verbindung mit dem Impulshöhenbestimmungsmechanismus
verwendet wird, welcher in unserer ebenfalls anhängigen PCT-Anmeldung beschrieben
ist.
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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.
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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.
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Für einen
Impulsgenerator der hier beschriebenen Art kann die Verringerung
der Verschleißrate wie
folgt abgeschätzt
werden.
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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.
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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.
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Man
nehme ebenfalls an, dass die Zeitdauer T hinreichend lang ist, dass
viele Impulsvorgänge während ihr
stattfinden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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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.