DE60209212T2

DE60209212T2 - Oszillierendes scherventil zur druckpulstelemetrie

Info

Publication number: DE60209212T2
Application number: DE60209212T
Authority: DE
Inventors: Detlef Hahn; Volker Peters; Cedric Rouatbi
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: US7808859B2; EP1379757A2; US20060118334A1; DE60209212D1; EP1379757B1; WO2002068797A3; CA2439453A1; US20080068929A1; US20040069535A1; US6626253B2; US20020117306A1; WO2002068797B1; US7280432B2; US6975244B2; CA2439453C; US20030056985A1; WO2002068797A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bohrfluid-Telemetriesysteme und insbesondere auf ein Telemetriesystem, das ein oszillierendes Scherventil zum Modulieren des Drucks eines in einem Bohrstrang in einem Bohrloch zirkulierenden Bohrfluids enthält.
Bohrfluid-Telemetriesysteme, die im allgemeinen als Schlamm(im)pulssysteme bezeichnet werden, sind für die Telemetrie von Informationen vom Boden eines Bohrlochs zur Oberfläche der Erde während Ölbohrloch-Bohrvorgängen besonders geeignet. Die telemetrierten Informationen umfassen häufig, jedoch nicht darauf begrenzt, die Parameter Druck, Temperatur sowie Richtung und Ablenkung des Bohrlochs. Weitere Parameter umfassen Bohrloch-Messdaten wie etwa den spezifischen elektrischen Widerstand der verschiedenen Schichten, die Schalldichte, die Porosität, die Induktion, das Eigenpotential und Druckgradienten. Diese Informationen sind kritisch für die Leistung beim Bohrvorgang.
Schlammimpulsventile müssen unter extrem hohen statischen Bohrlochdrücken, hohen Temperaturen, hohen Durchflüssen und verschiedenen erosiven Strömungstypen arbeiten. Bei allen diesen Bedingungen muss das Ventil in der Lage sein, Druckimpulse von etwa 100 bis 300 psi (689 bis 2068 kPa) zu erzeugen.
Zum Erzeugen von Bohrloch-Druckimpulsen werden verschiedene Typen von Ventilsystemen verwendet. Ventile, die eine Umgehung von innerhalb des Bohrstrangs zum Bohrloch-Ringraum öffnen und schließen, erzeugen Unterdruckimpulse; siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4.953.595. Ventile, die eine gesteuerte Drosselstelle verwenden, die in der zirkulierenden Schlammströmung angeordnet ist, werden gewöhnlich als Überdruckimpulssysteme bezeichnet; siehe beispielsweise US-Patent Nr. 3.958.217.
Der Bedarf der Ölbohrindustrie besteht in einem wirksamen Steigern der Schlammimpulsdaten-Übertragungsraten, um die ständig anwachsende Menge an Bohrloch-Messdaten unterzubringen. Der Hauptnachteil von verfügbaren Schlammimpulsventilen ist die niedrige Datenübertragungsrate. Das Steigern der Datenrate bei verfügbaren Ventiltypen führt zu einem unannehmbar großen Energieverbrauch oder einer unannehmbaren Impulsverzerrung oder kann aufgrund von Erosion, Schlämmung und Abrasion physikalisch undurchführbar sein. Nahezu alle vorkommenden Schlammimpulsventile sind wegen ihrer niedrigen Betätigungsgeschwindigkeit nur in der Lage, diskrete Impulse zu erzeugen. Um Trägerwellen zum Senden von durch Frequenzumtastung (FSK) oder durch Phasenumtastung (PSK) codierte Signale zur Oberfläche wirksam zu nutzen, müsste die Betätigungsgeschwindigkeit erhöht und vollständig gesteuert werden.
Ein weiteres Beispiel für ein Unterdruckimpulsventil ist in dem US-Patent Nr. 4.351.037 gezeigt. Diese Technologie umfasst ein Bohrlochventil zum Abziehen eines Teils des zirkulierenden Fluids von innerhalb des Bohrstrangs zum Ringraum zwischen dem Rohrstrang und der Bohrlochwand. Bohrfluide werden den Innenraum des Bohrstrangs hinab, aus der Bohrkrone heraus und den Ringraum hoch zur Oberfläche umgewälzt. Durch kurzzeitigen Abzug eines Teils des Fluidflusses aus einer seitlichen Öffnung wird ein momentaner Druckabfall erzeugt, der an der Oberfläche erfassbar ist und eine Angabe für den Abzug im Bohrloch liefert. Es ist ein Bohrlochinstrument angeordnet, um beim Eintreten eines im Bohrloch erfassten Ereignisses ein Signal oder eine mechanische Wirkung zu erzeugen, um den oben beschriebenen Abzug hervorzurufen. Das offenbarte Bohrloch-Ventil ist teilweise durch einen Ventilsitz mit einem Einlass und einem Auslass und einen Ventilschaft, der in Längsrichtung des Bohrstrangs zur Einlassseite des Ventilsitzes hin und von dieser weg bewegt werden kann, definiert.
Alle Unterdruckimpulsventile benötigen einen bestimmten hohen Differenzdruck unterhalb des Ventils, um einen ausreichenden Druckabfall zu erzeugen, wenn das Ventil geöffnet ist. Wegen dieses hohen Differenzdrucks sind Unterdruckimpulsventile anfälliger für Schlämmung. Im allgemeinen sollte die Strömung nicht oberhalb der Bohrkrone in den Ringraum umgeleitet werden. Daher muss sichergestellt sein, dass das Ventil in der Lage ist, die Umgehung vollständig zu verschließen. Bei jeder Betätigung schlägt das Ventil gegen den Ventilsitz. Wegen dieses Stoßes sind Unterdruckimpulsventile für mechanischen und abrasiven Verschleiß anfälliger als Überdruckimpulsventile.
Überdruckimpulsventile könnten den Strömungspfad vollständig verschließen, müssen dies jedoch nicht tun. Überdruck-Tellerventile sind für eine Abnutzung des Ventilsitzes weniger anfällig. Die Hauptkräfte, die auf Überdruck-Tellerventile einwirken, sind hydraulische Kräfte, weil die Ventile in Achsenrichtung gegen die Strömung öffnen und schließen. Um die Betätigungsenergie zu reduzieren, werden manche Tellerventile hydraulisch betätigt, wie in dem US-Patent Nr. 3.958.217 gezeigt ist. Hierbei wird das Hauptventil indirekt durch ein Servoventil betätigt. Das Servoventil mit niedrigem Energieverbrauch schließt eine Strömungsdrossel, die das Hauptventil betätigt, um den Druckabfall zu erzeugen. Der Energieverbrauch dieser Art von Ventil ist sehr gering. Der Nachteil dieses Ventils ist das passive, betätigte Hauptventil. Bei hohen Betätigungsfrequenzen ist das passive Hauptventil nicht in der Lage, dem aktiven, betätigten Servoventil zu folgen. Das erzeugte Impulssignal ist stark verzerrt und an der Oberfläche kaum erfassbar.
Rotationsscheibenventile öffnen und schließen Strömungskanäle senkrecht zur Strömung. Hydraulische Kräfte, die auf das Ventil einwirken, sind kleiner als bei Tellerventilen. Mit zunehmender Betätigungsgeschwindigkeit sind dynamische Trägheitskräfte die hauptsächlichen energieverbrauchenden Kräfte. Das US-Patent Nr. 3.764.968 beschreibt ein Rotationsventil zum Zweck der Übertragung von durch Frequenzumtastung (FSK) oder durch Phasenumtastung (PSK) codierten Signalen. Das Ventil verwendet eine drehende Scheibe und einen drehfesten Stator mit einer Anzahl von entsprechenden Schlitzen. Der Rotor wird durch einen Elektromotor kontinuierlich angetrieben. In Abhängigkeit von der Motordrehzahl wird in der Strömung, wenn der Rotor intermittierend den Fluidfluss unterbricht, eine bestimmte Frequenz von Druckimpulsen erzeugt. Um die Druckimpulsfrequenz zu verändern und FSK- oder PSK-Signale zu ermöglichen, sind Motordrehzahländerungen erforderlich. Der Anzahl von Schlitzen in dem Rotor und dem Stator entsprechend gibt es mehrere Impulse pro Rotorumdrehung. Um die Phase oder die Frequenz zu ändern, muss die Drehzahl des Rotors zunehmen oder abnehmen. Es kann eine Rotorumdrehung dauern, bis die Rotationsträgheit überwunden ist und die neue Phase oder Frequenz erreicht ist, weshalb mehrere Impulszyklen erforderlich sind, um den Übergang durchzuführen. Eine Amplitudencodierung des Signals ist bei dieser Art von sich kontinuierlich drehender Vorrichtung von Natur aus nicht möglich. Um die Frequenz oder die Phase zu ändern, müssen große Trägheitsmomente überwunden werden, was eine große Menge an Energie erfordert. Wenn ständig mit einer bestimmten Geschwindigkeit gedreht wird, könnte eine Turbine verwendet werden oder könnte ein Getriebe aufgenommen sein, um den Energieverbrauch des Systems zu verringern. Andererseits erhöhen beide Optionen die Trägheit und den Energieverbrauch des Systems dramatisch, wenn zur Signalcodierung von einer auf die andere Geschwindigkeit gewechselt wird.
Ein weiteres Rotationsscheibenventil ist in dem US-Patent Nr. 5.182.731 beschrieben, gegenüber dem die unabhängigen Ansprüche abgegrenzt sind. Bei diesem Ventil wird eine Scheibe in oszillatorischer Weise bewegt. An den Endanschlägen jeder Bewegung wird die Steuerung der Scheibenbewegung unterbrochen.
Die voranstehend genannten Beispiele veranschaulichen einige der kritischen Überlegungen, die bei der Anwendung eines schnell arbeitenden Ventils zur Erzeugung eines Druckimpulses angestellt werden. Weitere Überlegungen bei der Verwendung dieser Systeme für Bohrlochoperationen betreffen die extremen Stoßkräfte und dynamischen Energien (Vibrationsenergien), die beim Bewegen eines Bohrstrangs vorkommen. Das Ergebnis sind übermäßiger Verschleiß, Ermüdung und Fehler an arbeitenden Teilen des Systems. Die besonderen Probleme, denen in einer Bohrstrangumgebung begegnet wird, einschließlich der Anforderung nach einem langlebigen System, um frühzeitiges Versagen und Ersetzen von Teilen zu verhindern, erfordern ein robustes und zuverlässiges Ventilsystem.
Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung beseitigen die voranstehend genannten Nachteile des Standes der Technik, indem sie ein neuartiges Schlammimpuls-Telemetriesystem bereitstellen, das ein rotatorisches, oszillierendes Scherventil verwendet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bohr-Telemetriesystem bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie es in Anspruch 15 beansprucht wird.
Die bevorzugte Ausführungsform fasst ein Schlammimpuls-Telemetriesystem ins Auge, das ein oszillierendes Scherventilsystem zum Erzeugen von Druckimpulsen in dem in einem Bohrstrang in einem Bohrloch zirkulierenden Bohrfluid ver wendet. Eine bevorzugte Ausführungsform umfasst ein Werkzeuggehäuse, das so beschaffen ist, dass es in der Nähe der Bohrkrone in den Bohrstrang eingeführt werden kann. In dem Werkzeuggehäuse ist ein oszillierendes Scherventilsystem angebracht, das einen drehfesten Stator und einen rotierend oszillierenden (drehoszillierenden) Rotor umfasst, wobei der Stator und der Rotor in Längsrichtung mehrere Strömungskanäle zum Kanalisieren der Strömung aufweisen. Der Rotor ist mit einer Antriebswelle verbunden, die in einem mit Schmiermittel gefüllten Impulsgebergehäuse angeordnet ist, und wird durch einen Elektromotor angetrieben. Eine Dichtung verhindert, dass Bohrlochfluid in das mit Schmiermittel gefüllte Gehäuse eindringt. Der Motor wird durch ein Elektronikmodul gespeist und gesteuert. Der Rotor wird auf eine rotierend oszillierende Weise angetrieben, derart dass die Rotor-Strömungskanäle abwechselnd auf die Stator-Strömungskanäle ausgerichtet werden und danach dazu gebracht werden, die Strömung von den Stator-Strömungskanälen teilweise zu blockieren, wodurch Druckimpulse in dem strömenden Bohrfluid erzeugt werden.
Eine weitere Ausführungsform umfasst einen elastischen, elastomeren Federbalg, der zwischen der rotatierend oszillierenden Welle und dem mit Schmiermittel gefüllten Gehäuse abdichtet.
In einer Ausführungsform wird das oszillierende Scherventil durch einen Prozessor in dem Elektronikmodul entsprechend programmierten Anweisungen gesteuert.
In einer Ausführungsform erfasst das Elektronikmodul Druckmesswerte von Drucksensoren, die in dem Werkzeuggehäuse an Orten oberhalb und unterhalb der Impulsgeberanordnung angebracht sind. Der Prozessor in dem Elektronikmodul dient zum Steuern des durch die Sensoren angegebenen Differenzdrucks entsprechend programmierten Anweisungen.
In einer weiteren Ausführungsform verwendet das Elektro nikmodul die im Werkzeuggehäuse angebrachten Sensoren zum Empfangen von an der Oberfläche erzeugten Druckbefehlssignalen und zum Modifizieren der Bohrloch-Codierung anhand der an der Oberfläche erzeugten Befehle.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Torsionsfeder an dem Motor und an dem Ende des Impulsgebergehäuses befestigt, wobei die Feder so beschaffen ist, dass die Kombination aus der Feder und den rotierenden Massen ein in der Nähe der gewünschten Betriebsfrequenz des Impulsgebers drehend schwingendes Feder-Masse-System schafft. In einer Ausführungsform ist die Torsionsfeder eine Drehstabfeder. In einer nochmals anderen Ausführungsform ist die Torsionsfeder eine magnetische Feder.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen eines schnellen Übergangs in einem Schlammimpuls-Telemetriesystem beschrieben, das eine Phasenumtastungscodierung (PSK-Codierung) anwendet und die folgenden Schritte umfasst: Verwenden eines oszillierenden Scherventils, um Druckimpulse zu erzeugen, Antreiben des oszillierenden Rotors mit einer ersten vorgegebenen Phasenbeziehung und Ändern des Antriebssignals bei einer vorgegebenen Rotordrehzahl zu einer zweiten vorgegebenen Phasenbeziehung sowie Erhalten der zweiten vorgegebenen Phasenbeziehung in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen eines schnellen Übergangs in einem Schlammimpuls-Telemetriesystem beschrieben, das eine Frequenzumtastungscodierung (FSK-Codierung) anwendet und die folgenden Schritte umfasst: Verwenden eines oszillierenden Scherventils, um Druckimpulse zu erzeugen, Antreiben des oszillierenden Rotors mit einer ersten vorgegebenen Frequenz und Ändern des Antriebssignals bei einer vorgegebenen Rotordrehzahl zu einer zweiten vorgegebenen Frequenz sowie Erhalten der zweiten vorgegebenen Frequenz in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erzeugen eines schnellen Übergangs in einem Schlammimpuls-Telemetriesystem beschrieben, das eine Amplitudenumtastungscodierung (ASK-Codierung) anwendet und die folgenden Schritte umfasst: Verwenden eines oszillierenden Scherventils, um Druckimpulse zu erzeugen, Antreiben des oszillierenden Rotors zu einem ersten vorgegebenen Drehwinkel, um eine erste Signalamplitude zu erzeugen, und Ändern des Antriebssignals bei einer vorgegebenen Rotordrehzahl, um den Rotor zu einem zweiten vorgegebenen Drehwinkel anzutreiben, um eine Impulsamplitude zu erzeugen, die größer oder kleiner als die erste Signalamplitude ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steigern der Datenübertragungsrate eines Schlammimpuls-Telemetriesystems durch Verwendung einer Kombination aus FSK- und ASK-Signalen zum Übertragen von Daten beschrieben, das die folgenden Schritte umfasst: Verwenden eines oszillierenden Scherventils, um Druckimpulse zu erzeugen, Antreiben des oszillierenden Rotors mit einer ersten vorgegebenen Frequenz und bei einem ersten vorgegebenen Drehwinkel und Ändern des Antriebssignals bei einer vorgegebenen Rotordrehzahl, um gleichzeitig zu einer zweiten vorgegebenen Frequenz und einem zweiten vorgegebenen Drehwinkel zu wechseln, sowie Erhalten der zweiten vorgegebenen Frequenz und des zweiten vorgegebenen Drehwinkels in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steigern der Datenübertragungsrate eines Schlammimpuls-Telemetriesystems durch Verwendung einer Kombination aus PSK- und ASK-Signalen zum Übertragen von Daten beschrieben, das die folgenden Schritte umfasst: Verwenden eines oszillierenden Scherventils, um Druckimpulse zu erzeugen, Antreiben des oszillierenden Rotors mit einem ersten vorgegebenen Phasenwinkel und um einen ersten vorgegebenen Drehwinkel und Ändern des Antriebssignals bei einer vorgegebe nen Rotordrehzahl, um gleichzeitig zu einem zweiten vorgegebenen Phasenwinkel und einem zweiten vorgegebenen Drehwinkel zu wechseln, sowie Erhalten des zweiten vorgegebenen Phasenwinkels und des zweiten vorgegebenen Drehwinkels in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Verhindern einer Blockierung eines Schlammimpulsventils durch einen Fremdkörper in einem Fluidstrom beschrieben. Das Verfahren umfasst das Verwenden eines oszillierenden Scherventils zum Erzeugen von Druckimpulsen, wobei das oszillierende Scherventil einen drehfesten Stator und einen oszillierenden Rotor umfasst, wobei der Rotor so beschaffen ist, dass er sich in einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung dreht, wobei die zweite Richtung zur ersten Richtung entgegengesetzt ist. Die Oszillationstätigkeit des Rotors fördert das Auswaschen jeglicher Fremdkörper, die zwischen dem Rotor und dem Stator stecken.
Nun werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausschließlich beispielhaft und mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, worin:
1 eine schematische Darstellung ist, die einen an Bohrvorgängen beteiligten Bohrturm 1 zeigt,
2 eine schematische Darstellung eines oszillierenden Scherventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
3a eine schematische Darstellung einer typischen Drehmomentsignatur ist, die auf ein oszillierendes Scherventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einwirkt,
3b eine schematische Darstellung einer Magnetfederanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
4 eine schematische Darstellung ist, die eine Phasenumtastungscodierung, die ein oszillierendes Scherventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, beschreibt,
5 eine schematische Darstellung ist, die eine Frequenzumtastungscodierung, die ein oszillierendes Scherventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, beschreibt,
6a ein sich kontinuierlich drehendes Scherventil zeigt,
6b ein oszillierendes Scherventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
6c die Blockierungsneigung eines sich kontinuierlich drehenden Scherventils aufzeigt,
6d ein Antiblockierungsmerkmal eines oszillierenden Scherventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
7 eine schematische Darstellung ist, die eine Kombination aus einer Frequenzumtastungscodierung und einer Amplitudenumtastungscodierung, die ein oszillierendes Scherventil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet, beschreibt.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen an Bohrvorgängen beteiligten Bohrturm 1 zeigt. Bohrfluid 31, das auch als Bohrschlamm bezeichnet wird, wird durch eine Pumpe 12 durch den Bohrstrang 9 hinab, durch den unteren Teil der Bohrgarnitur (BHA, bottom hole assembly) 10, durch die Bohrkrone 11 und durch den Ringraum 15 zwischen dem Bohrstrang 9 und der Bohrlochwand 16 zurück zur Oberfläche umgewälzt. Die BHA 10 kann eine beliebige Anzahl von Sen sormodulen 17, 20, 22 umfassen, die Formationsbewertungssensoren und Richtungssensoren umfassen können. Diese Sensoren sind an sich wohl bekannt und werden nicht näher beschrieben. Die BHA 10 umfasst außerdem eine Impulsgeberanordnung 19, die Druckschwankungen in die Schlammströmung induziert. Die Druckschwankungen oder Druckimpulse breiten sich durch die Schlammströmung im Bohrstrang 9 zur Oberfläche aus und werden an der Oberfläche durch einen Sensor 18 und eine Steuereinheit 24 erfasst. Der Sensor 18 ist mit der Fließlinie 13 verbunden und kann ein Drucksensor oder alternativ ein Durchflussmesswandler sein.
2a ist eine schematische Ansicht der Impulsgeberanordnung 19 (der Impulsgeber wird auch als oszillierendes Scherventil bezeichnet) für Schlammimpulstelemetrie. Die Impulsgeberanordnung 19 ist in der Innenbohrung des Werkzeuggehäuses 101 angeordnet. Das Gehäuse 101 kann eine gebohrte Schwerstange in dem unteren Teil der Bohrgarnitur 10 oder alternativ ein separates Gehäuse sein, das in eine Schwerstangenbohrung eingepasst sein kann. Das Bohrfluid 31 strömt durch den Stator 102 und den Rotor 103 und geht durch den Ringraum zwischen dem Impulsgebergehäuse 108 und dem Inndurchmesser des Werkzeuggehäuses 101.
Der Stator 102, siehe 2a und 2b, ist in Bezug auf das Werkzeuggehäuse 101 und das Impulsgebergehäuse 108 fest und weist mehrere längs liegende Strömungskanäle 120 auf. Der Rotor 103, siehe 2a und 2c, ist scheibenförmig mit gekerbten Blättern 130, die Strömungskanäle 125 erzeugen, die den Strömungskanälen 120 in dem Stator 102 nach Größe und Form ähnlich sind. Alternativ können die Strömungskanäle 120 und 125 Löcher durch den Stator 102 bzw. den Rotor 103 sein. Die Rotorkanäle 125 können in einer Winkelposition auf die Statorkanäle 120 ausgerichtet werden, um einen geradlinigen Durchflusspfad zu schaffen. Der Rotor 103 ist in nächster Nähe zu dem Stator 102 angeordnet und kann rotatierend oszillieren. Eine Winkelverlagerung des Rotors 103 in Bezug auf den Stator 102 verändert den effektiven Durchflussquerschnitt und erzeugt Druckschwankungen in der umgewälzten Schlammsäule. Um einen Druckzyklus zu erreichen, muss der Strömungskanal durch Verändern der Winkelpositionierung der Rotorblätter 130 in Bezug auf den Stator-Strömungskanal 120 geöffnet und geschlossen werden. Dies kann durch eine oszillierende Bewegung des Rotors 103 erfolgen. Die Rotorblätter 130 werden in einer ersten Richtung gedreht, bis der Durchflussquerschnitt völlig oder teilweise beschränkt ist. Dies erzeugt eine Druckzunahme. Sie werden danach in die entgegengesetzte Richtung gedreht, um den Strömungspfad wieder zu öffnen. Dies erzeugt eine Druckabnahme. Die geforderte Winkelverlagerung hängt von der Gestaltung des Rotors 103 und des Stators 102 ab. Je mehr Strömungspfade der Rotor 103 aufweist, desto kleiner ist die zum Erzeugen einer Druckschwankung erforderliche Winkelverlagerung. Ein kleiner Betätigungswinkel zum Erzeugen des Druckabfalls ist wünschenswert. Die zum Beschleunigen des Rotors 103 erforderliche Energie ist zur Winkelverlagerung proportional. Je geringer die Winkelverlagerung ist, desto geringer ist die erforderliche Betätigungsenergie zum Beschleunigen oder Verzögern des Rotors 103. Als Beispiel wird bei acht Strömungsöffnungen an dem Rotor 103 und an dem Stator 102 eine Winkelverlagerung von etwa 22,5° verwendet, um den Druckabfall zu erzeugen. Dadurch bleibt die Betätigungsenergie bei hohen Impulsfrequenzen relativ gering. Es sei angemerkt, dass es nicht notwendig ist, die Strömung vollständig zu blockieren, um einen Druckimpuls zu erzeugen, weshalb unterschiedliche Blockierungs- oder Winkeldrehungsgrade unterschiedliche Impulsamplituden erzeugen.
Der Rotor 103 ist an einer Welle 106 befestigt. Die Welle 106 geht durch einen elastischen Federbalg 107 und führt durch Lager 109, die die Welle in der radialen und axialen Position in Bezug auf das Gehäuse 108 fixieren. Die Welle ist mit einem Elektromotor 104 verbunden, der ein umsteuerbarer bürstenloser Gleichstrommotor, ein Servomotor oder ein Schrittmotor sein kann. Der Motor 104 wird durch eine Schaltungsanordnung in dem Elektronikmodul 135 elektronisch gesteuert, damit der Rotor 103 in jeder Richtung genau angetrieben werden kann. Die genaue Steuerung der Position des Rotors 103 sorgt für eine spezifische Formgebung des erzeugten Druckimpulses. Solche Motoren sind im Handel erhältlich und werden nicht näher besprochen. Das Elektronikmodul 135 kann einen programmierbaren Prozessor umfassen, der vorprogrammiert sein kann, um Daten zu übertragen, die eine beliebige Anzahl von Codierschemata verwenden, die die Amplitudenumtastung (ASK), die Frequenzumtastung (FSK) oder die Phasenumtastung (PSK) oder die Kombination dieser Techniken umfassen können, jedoch nicht darauf begrenzt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Werkzeuggehäuse 101 nicht dargestellte Drucksensoren, die an Stellen oberhalb und unterhalb der Impulsgeberanordnung angebracht sind, wobei die Messflächen dem Fluid in der Bohrstrangbohrung ausgesetzt sind. Diese Sensoren werden durch das Elektronikmodul 135 gespeist und können dazu dienen, von der Oberfläche übertragene Druckimpulse zu empfangen. Der Prozessor im Elektronikmodul 135 kann so programmiert sein, dass er die Datencodierungsparameter auf der Grundlage der von der Oberfläche übertragenen Impulse verändert. Die Codierparameter können einen beliebigen Typ eines Codierschemas, einer Baseline-Impulsamplitude oder Baseline-Frequenz oder andere Parameter, die das Codieren von Daten beeinflussen, umfassen.
Das gesamte Impulsgebergehäuse 108 ist mit einem geeigneten Schmiermittel 111 gefüllt, um die Lager 109 zu schmieren und den Innendruck des Impulsgebergehäuses 108 mit dem Bohrlochdruck des Bohrschlamms 31 auszugleichen. Die Lager 109 sind typisch reibungsmindernde Lager, die an sich bekannt sind und nicht weiter beschrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dichtung 107 eine elastische Federbalgdichtung, die mit der Welle 106 und dem Impulsgebergehäuse 108 direkt gekoppelt ist und das mit Öl gefüllte Impulsgebergehäuse 108 hermetisch verschließt. Die Winkelbewegung der Welle 106 führt dazu, dass sich das elastische Material der Federbalgdichtung 107 verwindet und dadurch der Winkelbewegung anpasst. Das elastische Federbalgmaterial kann ein elastomeres Material oder alternativ ein faserverstärktes elastomeres Material sein. Die Winkeldrehung muss relativ klein gehalten sein, damit das Federbalgmaterial durch die verwindende Bewegung nicht überbeansprucht wird. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann die Dichtung 107 eine elastomere Radialwellendichtung oder eine mechanische Gleitringdichtung sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Motor 104 mit einer doppelseitigen Welle oder alternativ mit einer Hohlwelle versehen. Ein Ende der Motorwelle ist an der Welle 106 befestigt, während das andere Ende der Motorwelle an einer Torsionsfeder 105 befestigt ist. Das andere Ende der Torsionsfeder 105 ist an der Endkappe 115 verankert. Die Torsionsfeder 105 bildet zusammen mit der Welle 106 und dem Rotor 103 ein mechanisches Feder-Masse-System. Die Torsionsfeder 105 ist so beschaffen, dass dieses Feder-Masse-System eine Eigenfrequenz bei oder nahe bei der gewünschten Oszillationsimpulsfrequenz des Impulsgebers aufweist. Diese Methodik der Gestaltung eines resonant schwingenden Feder-Masse-Systems ist auf dem Gebiet der Mechanik wohlbekannt und wird hier nicht beschrieben. Der Vorteil eines Resonanzsystems ist, dass, sobald sich das System in Resonanz befindet, der Motor nur die Energie zum Überwinden äußerer Kräfte und der Systemdämpfung bereitstellen muss, während die Rotationsträgheitskräfte durch das schwingende System im Gleichgewicht gehalten werden.
3a zeigt eine typische Drehmomentsignatur, die auf ein oszillierendes Scherventil einwirkt. Das Drehmoment, das auf die drehende Scheibe einwirkt, ist in drei Hauptteile, das durch die Fluidkraft bedingte Drehmoment 310, das durch die Trägheit und Beschleunigung bedingte dynamische Drehmoment 315 und das ein Gegengewicht bildende Federdrehmoment 320, unterteilt (ein Beispiel ist für 40 Hz genommen). Wenn das dynamische Drehmoment 315 und das Federdrehmoment 320 hinzugenommen werden, hebt das Federdrehmoment 320 den größten Teil des dynamischen Drehmoments 315 auf, so dass im wesentlichen nur das fluidische Drehmoment 310 verbleibt.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die in dem Feder-Masse-System verwendete Feder eine in 3b dargestellte Magnetfederanordnung 300. Die Magnetfederanordnung 300 umfasst einen inneren Magnetträger 303, der mit der Welle 106 starr gekoppelt ist, innere Magnete 301, die an dem inneren Magnetträger 303 befestigt sind, und einen äußeren Magnetträger 304, der die äußeren Magnete 302 trägt. Der äußere Magnetträger 304 kann in axialer Richtung in Bezug auf die Werkzeugachsen bewegt werden, wobei er in Bezug auf das Impulsgebergehäuse 108 in einer konstanten Winkelposition verbleibt. Die Magnetfederanordnung 300 erzeugt ein magnetisches Drehmoment, wenn der innere Magnetträger 303 in Bezug auf den äußeren Magnetträger 304 gedreht wird. Bei Verwendung einer geeigneten Anzahl von Polen (Anzahl von Magnetpaaren) ist es möglich, ein Magnetfederdrehmoment zu erzeugen, das die dynamischen Drehmomente des Rotors 103, der Welle 106, der Lager 108, des inneren Magnetträgers 303 und des Motors 104 kompensiert. Durch axiale Verlagerung des äußeren Magnetträgers 304 in Bezug auf den inneren Magnetträger 303 kann die Magnetfederkonstante und daher die Feder-Masse-Eigenfrequenz so eingestellt werden, dass dieses Feder-Masse-System eine Eigenfrequenz bei oder nahe bei der gewünschten Oszillationsimpulsfrequenz des Impulsgebers aufweist.
Das oben beschriebene Rotorantriebssystem sorgt für eine genaue Steuerung der Winkelposition des Rotors 103 in Bezug auf die Position des Stators 102. Eine solche genaue Steuerung ermöglicht die verbesserte Verwendung von einigen auf dem Gebiet der Schlammimpulstelemetrie gebräuchlichen Codierschemata.
Im Gegensatz zu einer sich axial hin- und herbewegenden Strömungsdrossel hängt das Drehmoment zum Antreiben eines Strömungsscherventils nicht von dem erzeugten Druckabfall ab. Folglich ist die Energie zum Antreiben eines Scherventils bei der gleichen Frequenz und dem gleichen Druckabfall geringer. Gewöhnlich verwendete Rotationsscherventile, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit drehen, verbrauchen eine relativ geringe Energie, wenn sie mit konstanter Frequenz arbeiten. Eine hohe Energiespitze ist erforderlich, wenn jene Vorrichtungen beispielsweise in einem FSK-System von einer Frequenz zu einer zweiten Frequenz wechseln. Mit dem oszillierenden Feder-Masse-System erfordert das Codieren oder Umschalten zwischen Phase/Frequenz/Amplitude eine hohe Betätigungsenergie, da die Geschwindigkeit stets null ist, wenn das Ventil vollständig geschlossen oder geöffnet ist. Beim Starten von dem Nullgeschwindigkeitspegel aus beeinflusst ein Phase/Frequenz/Amplitude-Wechsel den Gesamtenergieverbrauch nicht wesentlich. In einer bevorzugten Ausführungsform des Scherventils wird die Hauptenergie dazu verwendet, das System auf Hochfrequenzebene anzutreiben. Sobald eine Hochfrequenz erzeugt werden kann, kann nahezu sofort auf eine andere umgeschaltet werden. Dieser schnelle Wechsel ergibt einen sehr hohen Freiheitsgrad für das Codieren von Telemetriedaten. Die für das Codieren verwendete Charakteristik (Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenänderung) kann von einem Zustand in einen zweiten Zustand umgeschaltet werden, wodurch Informationen innerhalb einer Periode oder darunter übertragen werden. Zwischen den verschiedenen Ebenen codierter Informationen wird keine Übergangszone benötigt. Folglich ergibt sich ein Informationsgehalt pro Rahmen in dem Druckimpulssignal des oszillierenden Scherventils, der höher als bei einem herkömmlichen Scherventilsystem ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Codierungscharakteristikänderung bei einer beliebigen Rotorposition ausgelöst, wobei dennoch der neue Zustand der Phase, Frequenz oder Amplitude innerhalb einer Oszillationsperiode erreicht wird.
4 zeigt einen Graphen, der die Phasenumtastungscodierung des oszillierenden Scherventils im Vergleich zu einem kontinuierlich drehenden Scherventil darstellt. Das kontinuierliche Phasenverschiebungssignal 400 erfordert 1½ Signalperioden des Referenzsignals 405, um eine vollständige 180°-Phasenverschiebung zu erreichen. In der Übergangszeit zwischen 0,5 s und 0,9 s können die Informationen des kontinuierlichen Phasenverschiebungssignals 400 nicht verwendet werden, da es mehrere Frequenzen enthält. Bei dem oszillierenden Scherventil ermöglicht der Gleichstrommotor, den Rotor im wesentlichen jederzeit zu starten, womit eine im wesentlichen sofortige Phasenverschiebung bewirkt wird. Wie in 4 gezeigt ist, beginnt das Phasenverschiebungssignal 410 des oszillierenden Scherventils bei 0,5 s bereits in der richtigen Phaseverschiebungsbeziehung mit dem Referenzsignal 400, so dass die folgende Signalperiode bereits für Codierzwecke verwendet werden kann. Somit ergeben sich bei einem Phasenumtastungssignal, das mit einem im Winkel oszillierenden Scherventil erzeugt wird, mehr Informationen pro Zeitrahmen als bei einem kontinuierlich drehenden Scherventil.
5 zeigt einen Graphen, der ein Frequenzumtastungssignal des im Winkel oszillierenden Scherventils im Vergleich zu einem Signal eines kontinuierlich drehenden Scherventils, das dasselbe Codierschema verwendet, darstellt. Dieses Beispiel zeigt eine Frequenzverschiebung von 40 Hz nach 20 Hz und zurück zu 40 Hz. Bei 0,10s wird die Frequenz von 40 Hz nach 20 Hz verschoben, wobei das Signal 500 von dem kontinuierlich drehenden Scherventil nur eine volle Amplitude 500a der niedrigen Frequenz bei 0,16 s verschiebt, bevor zu dem hochfrequenten Signal bei 500b zurückgewechselt werden muss. Nur die Spitzen bei 500a und 500b sind zum Codieren von Informationen geeignet. Die Übergangsperioden vor und nach der Frequenzverschiebung enthalten mehrere Frequenzen, die für Codierzwecke nicht verwendet werden können. Bei dem Signal 505 von dem im Winkel oszillierenden Scherventil gibt es dennoch zwei voll verwendbare Amplituden 505a und 505b bei der niedrigeren Frequenz und zwei verwendbare Spitzen 505c und 505d bei der höheren Frequenz. Die Phasenumtastung betreffend ergibt sich bei dem im Winkel oszillierenden Scherventil ein Informationsgehalt pro Rahmen, der größer als bei einem kontinuierlich drehenden Scherventil ist. Dies kann dadurch, dass mehr Zyklen zur Überprüfung bereitgestellt sind oder alternativ die Frequenzänderungen schneller sein können, wodurch die Datenrate gesteigert wird, oder eine Kombination daraus angewandt wird, eine höhere Erfassungszuverlässigkeit schaffen.
Bei dem oszillierenden Scherventil der bevorzugten Ausführungsform kann ohne weiteres ein Amplitudenumtastungssignal (ASK-Signal) erzeugt werden. Die Signalamplitude ist zum Grad der Strömungsdrosselung proportional und folglich zum Grad der Winkeldrehung des Rotors 103 proportional. Der Rotordrehwinkel kann kontinuierlich gesteuert werden, weshalb die Amplitude jedes Zyklus verschieden sein kann, wenn der Motor 104 den Rotor 103 entsprechend einer programmierten Steuerung von dem Elektronikmodul 135 in jedem Zyklus um eine andere Winkelumdrehung genau drehen kann.
Da der Rotor kontinuierlich und genau gesteuert werden kann, können außerdem Kombinationen von ASK und FSK oder ASK und PSK verwendet werden, um mehrere Signale zur gleichen Zeit zu codieren und zu übertragen, wodurch die effektive Datenrate stark erhöht wird. 7 ist eine schematische Darstellung, die ein Schema für das Kombinieren eines ASK- und eines FSK-codierten Signals zeigt. Beide Signale sind in einer konstanten Phasenbeziehung ausgeführt, wobei eine Amplitudenverschiebung von A1 nach A2 oder von A2 nach A1 Datenbits eines ersten codierten Signals repräsentiert und die Frequenzverschiebungen von F1 nach F2 oder von F2 nach F1 Datenbits eines zweiten codierten Signals repräsentieren. Dieser Signaltyp wird erzeugt, indem sowohl die Oszillationsfrequenz des Rotors und gleichzeitig der Rotoroszillationswinkel verändert werden, wie oben beschrieben worden ist. Ähnlich kann ein Signal, das eine ASL- und eine PSK-Codierung kombiniert (nicht gezeigt) erzeugt werden, indem die Phasenbeziehung eines Signals konstanter Frequenz verändert wird und dabei gleichzeitig durch Verändern des Rotoroszillationswinkels die Amplitude verändert wird. Hier repräsentieren die Amplitudenverschiebungen ein erstes codiertes Signal, während die Phasenverschiebungen ein zweites codiertes Signal repräsentieren.
Ein Problem bei in einem Bohrstrang verwendeten Rotationsventilen ist das Verstopfen des Ventils während des Betriebs, beispielsweise durch verlorene Umwälzmaterialien oder durch Fremdkörper in der Strömung. Die 6a bis 6d zeigen das Antiblockierungs- bzw. Antiverstopfungsmerkmal des im Winkel oszillierenden Scherventils in Gegensatz zu einem kontinuierlich drehenden Scherventil. Die 6a und 6b zeigen ein kontinuierlich drehendes Scherventil bzw. ein oszillierendes Scherventil. Ein Rotor 603 dreht sich unter einem Stator 602. Der Rotor 603 und der Stator 602 weisen mehrere Öffnungen 607 und 606 auf, die jeweils als Strömungskanäle dienen. Aufgrund der Rotordrehung ist der Strömungskanal geöffnet, wenn die Strömungskanäle 606 und 607 aufeinander ausgerichtet sind, während der Strömungskanal geschlossen ist, wenn die beiden Strömungskanäle 606 und 607 nicht aufeinander ausgerichtet sind. Ein kontinuierlich drehendes Scherventil öffnet und schließt den Strömungskanal nur in einer Drehrichtung, wie in 6a zu sehen ist. Ein im Winkel oszillierendes Ventil öffnet und schließt den Strömungskanal durch Abwechseln der Drehrichtung, wie in 6b gezeigt ist. Ein Fremdkörper 605 dringt ein und durchquert einen Strömungskanal sowohl im Stator 602 als auch im Rotor 603. 6c demonstriert, dass das kontinuierlich drehende Scherventil den Fremdkörper zwischen dem Rotor 603 und dem Stator 602 einklemmt und sich nicht weiter drehen kann, was möglicherweise das Einholen des Bohrlochwerkzeugs an die Oberfläche, um es zu warten, erfordert. Jedoch öffnet ein oszillierendes Scherventil, wie in 6d gezeigt ist, während seines Standardbetriebs das Ventil wieder in der entgegengesetzten Richtung. Der Strömungskanal gewinnt seine volle Querschnittsfläche zurück, wobei der Fremdkörper 605 befreit wird und das Ventil seinen Betrieb fortsetzt.
Die vorangehende Beschreibung ist zum Zweck der Veranschaulichung und Erläuterung auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet. Einem Fachmann auf dem Gebiet ist jedoch klar, dass viele Abwandlungen und Änderungen an der dargelegten Ausführungsform möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die folgenden Ansprüche sollten so interpretiert werden, dass sie alle solche Abwandlungen und Änderungen umfassen.

Claims

Bohr-Telemetriesystem, mit: einem Bohrstrang (9) mit einem darin strömenden Bohrfluid (31), wobei sich der Bohrstrang in einem Bohrloch von einem Bohrturm (1) zu einem Ort in dem Bohrloch erstreckt, einem Impulsgeber (19), der in dem Bohrstrang (9) angeordnet ist, mit: einem drehfesten Stator (102; 602), der in dem strömenden Bohrfluid (31) angeordnet ist, einem Rotor (103; 603), der in dem strömenden Bohrfluid (31) in der Nähe des Stators (102; 602) angeordnet ist, einem Antriebsmotor, der den Rotor (103; 603) auf eine steuerbare, drehoszillierende Weise antreibt, um in dem Bohrfluid (31) Druckschwankungen zu erzeugen, wobei der Antriebsmotor (104) mindestens eine interessierende Oszillationscharakteristik des Rotors (103; 603) steuert, und einem Elektronikmodul (135), das den Antrieb (104) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (104) derart beschaffen ist, dass er den Rotor (103; 603) auf eine kontinuierlich steuerbare, drehoszillierende Weise antreibt, und das Elektronikmodul (135) im Gebrauch den Antriebsmotor (104) kontinuierlich steuert.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine interessierende Oszillationscharakteristik des Rotors (103; 603) (i) eine Ozsillationsfrequenz des Ro tors (103; 603), und/oder (ii) ein Oszillationswinkel des Rotors (103; 603), und/oder (iii) eine Oszillationsphase des Rotors (103; 603) ist.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 1 oder 2, das des weiteren eine Torsionsfeder (105; 300) umfasst, die mit dem Antriebsmotor (104) zusammenwirkt, um die Leistung, die erforderlich ist, um den Rotor (103, 603) auf die gesteuerte, drehoszillierende Weise anzutreiben, zu verringern.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 3, bei dem die Torsionsfeder einen Vollstab (105) umfasst.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 3, bei der die Torsionsfeder folgendes umfasst: einen äußeren Magnetträger (304), der derart beschaffen ist, dass er an einem Impulsgebergehäuse (108) rotatorisch verankert ist, und sich in dem Impulsgebergehäuse (108) axial bewegt, wobei der äußere Magnetträger (304) mehrere Permanentstabmagneten (302) aufweist, die um einen Innendurchmesser des äußeren Magnetträgers (304) beabstandet angebracht sind, wobei die Magneten (302) mit abwechselnden Magnetpolen senkrecht zu dem Innendurchmesser des äußeren Magnetträgers (304) angebracht sind, und einen inneren Magnetträger (303), der derart beschaffen ist, dass er an einem Ende einer Motorantriebswelle (106) entfernt von dem Rotor (103; 603) befestigt ist, wobei der innere Magnetträger (303) mehrere Permanentstabmagneten (301) aufweist, die um einen Außendurchmesser des inneren Magnetträgers (303) entsprechend beabstandet angebracht sind, wobei die Magneten (301) mit abwechselnden Magnetpolen senkrecht zum Außendurchmesser des inneren Magnetträgers (303) angebracht sind.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem die Torsionsfeder (105; 300) eine vorgegebene Federkonstante hat, derart dass die Torsionsfeder (105; 300) in Zusammenwirkung mit mehreren rotierenden Massen einschließlich des Antriebsmotors (104) und des Rotors (103; 603) bewirkt, dass ein Torsionsfeder/Massen-System geschaffen wird, dessen Torsionsresonanzfrequenz mit einer vorgegebenen Druckschwankungsfrequenz in Beziehung steht.
Bohr-Telemetriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, das des weiteren ein Werkzeuggehäuse (101) umfasst, das in dem Bohrstrang (9) angeordnet ist, um den Impulsgeber (19) in dem Bohrstrang (9) zu unterstützen.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 1, das des weiteren ein mit Öl gefülltes Impulsgebergehäuse (108) umfasst, das eine Fluiddichtung (107) aufweist, um das Eindringen von Bohrlochfluid (31) zu verhindern.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 8, bei dem die Fluiddichtung (107) einen flexiblen Elastomerbalg aufweist.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 7, bei dem das Werkzeuggehäuse (101) des weiteren derart beschaffen ist, dass es mindestens einen oberen Drucksensor in der Nähe eines oberen Gehäuseendes und mindestens einen unteren Drucksensor in der Nähe eines unteren Gehäuseendes aufnimmt.
Bohr-Telemetriesystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Elektronikmodul (135) eine Schaltungsanordnung aufweist, die die Bewegung des Motors (104) steuert, wobei die Schaltungsanordnung einen programmierbaren Prozessor umfasst, der derart beschaffen ist, dass er programmierte Anweisungen zum Steuern der Bewegung des Motors (104) ausführt.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 10, bei dem das Elektronikmodul (135) eine Schaltungsanordnung aufweist, um den mindestens einen oberen Drucksensor und den mindestens einen unteren Drucksensor mit Leistung zu versorgen und auszulesen, wobei die Schaltungsanordnung einen programmierbaren Prozessor aufweist, der derart beschaffen ist, dass er programmierte Anweisungen zum Steuern der Bewegung des Motors (104) ausführt, wobei der Prozessor des weiteren derart beschaffen ist, dass er Drucksignale von dem mindestens einen oberen Drucksensor und von dem wenigstens einen unteren Drucksensor ausliest, wobei der Prozessor die Motorbewegung entsprechend programmierten Anweisungen modifiziert, um einen vorgegebenen Druckunterschied zwischen dem mindestens einen oberen Drucksensor und dem mindestens einen unteren Drucksensor aufrechtzuerhalten.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 12, bei dem der programmierbare Prozessor gemäß programmierten Anweisungen ein Solldruck-Impulssignal, das von einem Ort an der Oberfläche gesendet wird, erfasst und decodiert, wodurch der Prozessor die Bewegung des Motors (104) entsprechend programmierten Anweisungen modifiziert.
Bohr-Telemetriesystem nach Anspruch 1, bei dem der Antriebsmotor (104) (i) ein Gleichstrom-Umkehrmotor oder (ii) ein Schrittmotor ist.
Verfahren zum Erzeugen von Druckschwankungen in einem strömenden Bohrfluid, mit den folgenden Schritten: Anordnen eines drehfesten Stators (102; 602) in dem strömenden Bohrfluid (31), Anordnen eines Rotors (103; 603) in dem strömenden Bohrfluid (31) in der Nähe des Stators (102; 602), und Antreiben des Rotors (103; 603) mit einem Motor (104) auf eine steuerbare, drehoszillierende Weise, um im Gebrauch Druckschankungen in dem strömenden Bohrfluid (31) entsprechend einem vorgegebenen Codierungsschema zu erzeugen, wobei der Motor (104) (i) die Oszillationsfrequenz des Rotors (103; 603), und/oder (ii) den Oszillationswinkel des Rotors (103; 603), und/oder (iii) die Oszillationsphase des Rotors (103; 603) steuert, gekennzeichnet durch das Antreiben des Rotors (103; 603) mit dem Motor (104) auf eine kontinuierlich steuerbare, drehoszillierende Weise, um im Gebrauch Druckschwankungen in dem strömenden Bohrfluid (31) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 15, das des weiteren das Koppeln einer Torsionsfeder (105; 300) mit dem Motor (104) umfasst, wobei die Torsionsfeder (105; 300) mit dem Motor (104) zusammenwirkt, um die Leistung, die erforderlich ist, um den Rotor (103; 603) auf eine drehoszillierende Weise anzutreiben, zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 16, das des weiteren das Auswählen einer Federkonstante der Torsionsfeder (105; 300) umfasst, derart dass die Torsionsfeder (105; 300) gemeinsam mit mehreren rotierenden Massen einschließlich des Antriebsmotors (104) und des Rotors (103; 603) bewirkt, dass ein Torsionsfeder/Massen-System geschaffen wird, dessen Torsionsresonanzfrequenz mit einer vorgegebenen Druckschwankungsfrequenz in Beziehung steht.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17 bei dem das vorgegebene Codierungsschema (i) ein Phasenumtastungs-Codierungsschema (PSK-Codierungsschema) und/oder (ii) ein Frequenzumtastungs-Codierungsschema (FSK-Codierungsschema) und/oder (iii) ein Amplitudenumtastungs-Codierungsschema (ASK-Codierungsschema) und/oder (iv) eine Kombination aus einem Amplitudenumtastungs-Codierungsschema (ASK-Codierungsschema) und einem Frequenzumtastungs-Codierungsschema (FSK-Codierungsschema) und/oder (v) eine Kombination aus einem Amplitudenumtastungs-Codierungsschema (ASK-Codierungsschema) und einem Phasenumtastungs-Codierungsschema (PSK-Codierungsschema) ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Phasenumtastungs-Codierungsschema (PSK-Codierungsschema) die folgenden Schritte umfasst: Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillatorischen periodischen Bewegung mit einer ersten vorgegebenen Signalphasenbeziehung, Ändern eines Antriebssignals zu einer zweiten vorgegebenen Phase gemäß dem PSK-Schema bei einer vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit, und Erhalten der zweiten vorgegebenen Phasenbeziehung in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die vorgegebene Rotorgeschwindigkeit zum Ändern des Antriebssignals ein Nullgeschwindigkeitsdurchgang ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Frequenzumtastungs-Codierungsschema (FSK-Codierungsschema) die foglenden Schritte umfasst: Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillatorischen periodischen Bewegung mit einer ersten vorgegebenen Frequenz, Ändern eines Antriebssignals zu einer zweiten vorgegebenen Frequenz gemäß dem FSK-Schema bei einer vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit und Erhalten der zweiten vorgegebenen Frequenz in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die vorgegebene Rotorgeschwindigkeit zum Ändern des Antriebssignals ein Nullgeschwindigkeitsdurchgang ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Amplitudenumtastungs-Codierungsschema (ASK-Codierungsschema) die folgenden Schritte umfasst: Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillierenden periodischen Bewegung um einen ersten vorgegebenen Drehwinkel, um eine erste Impulsamplitude zu erzeugen, Ändern eines Antriebssignals zu einem zweiten vorgegebenen Drehwinkel gemäß dem ASK-Schema mit einer vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit und Erhalten einer zweiten Impulsamplitude in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die vorgegebene Rotorgeschwindigkeit zum Ändern des Antriebssignals eine Maximalgeschwindigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Kombination aus einem Amplitudenumtastungs-Codierungsschema (ASK-Codierungsschema) und einem Frequenzumtastungs-Codierungsschema (FSK-Codierungsschema) die folgenden Schritte umfasst: Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillatorischen periodischen Bewegung um einen ersten vorgegebenen Drehwinkel mit einer ersten Frequenz, um eine erste Impulsamplitude mit einer ersten Frequenz zu erzeugen, Ändern eines Antriebssignals zum Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillatorischen periodischen Bewegung um einen zweiten vorgegebenen Drehwinkel mit einer zweiten vorgegebenen Frequenz gemäß dem ASK- und dem FSK- Codierungsschema mit einer vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit, und Erhalten einer zweiten Impulsamplitude mit einer zweiten Frequenz in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Kombination aus einem Amplitudenumtastungs-Codierungsschema (ASK-Codierungsschema) und einem Phasenumtastungs-Codierungsschema (PSK-Codierungsschema) die folgenden Schritte umfasst: Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillatorischen periodischen Bewegung um einen ersten vorgegebenen Drehwinkel mit einem ersten Phasenwinkel, wodurch eine erste Impulsamplitude mit einer ersten Phase erzeugt wird, Ändern eines Antriebssignals zum Antreiben des Rotors (103; 603) zu einer oszillatorischen periodischen Bewegung um einen zweiten Drehwinkel mit einem zweiten vorgegebenen Phasenwinkel gemäß dem ASK- und dem PSK-Codierungsschema mit einer vorgegebenen Rotorgeschwindigkeit, und Erhalten einer zweiten Impulsamplitude mit einem zweiten Phasenwinkel in nicht mehr als einer Oszillationsperiode.