DE68929040T2 - Einrichtung und Verfahren zum Steuern eines Bohrlochwerkzeugs - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren und Einrichtungen zur Steuerung des Betriebs von untertägigen Bohrlochgeräten von der Oberfläche aus und insbesondere auf ein neues und verbessertes Steuersystem für untertägige Geräte, das auf Befehlssignale mit einer bestimmten Signatur, die über Tage in Fluide im Bohrloch eingespeist werden, reagiert und ein Betätigen eines Ventilstellglieds bewirkt, das seinerseits ein Ventilelement öffnet oder schließt.
Hintergrund der Erfindung
• Es ist allgemeine Praxis geworden, Bohrlochüberwachungsvorgänge wie etwa das Prüfen und Bewerten der Formation mit Hilfe von druckgesteuerten Ventilelementen wie etwa jenen, die im Nutter-Patent Re 29,638, das am 28. Mai 1978 veröffentlicht und an den Anmelder dieser Erfindung erteilt wurde, gezeigt werden, durchzuführen. Andere verwandte Einrichtungen sind beispielsweise in den Nutter-Patenten Nr. 3,823,773, veröffentlicht am 16. Juli 1974, und Nr. 3,986,554, veröffentlicht am 19. Oktober 1976, sowie in den US-Patenten Nr. 4,403,659, veröffentlicht am 13. September 1983, Nr. 4,474,242, veröffentlicht am 2. Oktober 1984, und Nr. 4,576,234, veröffentlicht am 18. März 1986, die alle an den Anmelder dieser Erfindung erteilt wurden, gezeigt. Alle diese Einrichtungen sind Ventilanordnungen, die in Reaktion auf Änderungen des Drucks in Fluiden betätigt werden können und entweder in dem Ringraum zwischen dem Rohrstrang und der Verrohrung oder in der Verrohrung stehen. Diese Geräte sind bei der Prüfung verrohrter Bohrlöcher, bei der in die Fluide im Ringraum ein Hochdrucksignal zuverlässig eingespeist werden kann, sehr erfolgreich eingesetzt worden. Jedoch werden manche sehr tiefe, verrohrte Bohrlöcher nicht über druckgesteuerte Geräte geprüft, weil der Betriebsdruck den Berstgrenzwert der Verrohrung überschreiten könnte. Zudem ist das Prüfen unverschalteter (unverrohrter) Bohrlöcher nicht mit druckgesteuerten Standardgeräten durchgeführt worden, da die Gefahr bestand, daß die Betriebsdrücke einen Einbruch der freiliegenden Formationen und einen Verlust ihrer Belastungsfähigkeit verursachen könnten. Bestimmte Typen von Ventilelementen wie etwa Zirkulationsventile erforderten vergleichsweise lange Betätigungszeiten aufgrund der komplizierten Folgen von Ringraum- oder Verrohrungsdruckänderungen, die erforderlich sind, um das Gerät aus der geschlossenen in die geöffnete Stellung zu steuern und, falls erforderlich, wieder zu schließen. Für solche Anordnungen ist eine angestiegene Länge bis zu einem Punkt, an dem eine typische Kombination aus Prüfeinrichtung (tester), Abtasteinrichtung (sampler) und Zirkulationsventilen eine Gesamtlänge besitzt, die gut über 100 Fuß betragen kann, bezeichnend. Selbstverständlich setzt die höhere Komplexität der Ventilsysteme im allgemeinen die Zuverlässigkeit herab und erhöht das Risiko von Fehlern. Nichstdestoweniger besteht in dieser Industrie ein ständiger Bedarf, die Anzahl der Überwachungsvorgänge, die unter Tage bei einem einzelnen Einfahren des Bohrlochprüfgerätestrangs in das Bohrloch abgewickelt werden können, zu erhöhen. Mit den obigen Einschränkungen und dem Bedarf der Industrie vor Augen ist das in dieser Anmeldung offenbarte und beanspruchte Bohrlochgerät-Steuersystem erfunden worden.
• Das Dokument US-A-4,712,613, das den Stand der Technik repräsentiert, auf den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 9 Bezug genommen wird, offenbart einen Bohrlochschieber (blow-out preventer), der für einen Einbau unter Tage in einem fluidgefüllten Bohrloch vorgesehen ist. Der Bohrlochschieber enthält eine Signalempfangseinheit, die geeignet ist, ein codiertes Schlammimpulssignal zu empfangen, das über Tage von einem Akkumulator erzeugt und in das Bohrloch übertragen wird. Die Signalempfangseinheit steuert mehrere Magnetventile.
• Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges und verbessertes Steuersystem für untertägige Geräte zu schaffen, das in Reaktion auf Signale durch Änderungen des Niederdrucks betrieben werden kann und somit für alle Bohrlochtypen einschließlich tiefer verrohrter Bohrlöcher und unverschalter Bohrlöcher Anwendung findet.
Zusammenfassung der Erfindung
• Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuersystem für ein Bohrlochgerät geschaffen, das unter Tage in einem fluidgefüllten Bohrloch angeordnet ist, um den Betrieb von einen Teil des Geräts bildenden Einrichtungen zu steuern, wobei das System übertägige Signalerzeugungsmittel für das Einleiten von Druckimpulsen in das Bohrlochfluid für die Übertragung durch dieses zu dem Gerät, Controllermittel in dem Gerät für das Erfassen der übertragenen Impulse und eine oder mehrere von den Controllermitteln gesteuerte und für die Steuerung des Betriebs der Einrichtungen angeschlossene Signalerzeugungsmittel umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Signalerzeugungsmittel für die Bildung jedes der Impulse als Niederdruckimpuls vorbestimmter Amplitude und Dauer und zur Bildung einer Mehrzahl unterschiedlicher Eingangsstimuli aus diesen Impulsen ausgebildet sind, wobei jeder Eingangsstimulus eine zugeordnete, durch die Amplitude und/oder Dauer des Impulses oder der Impulse, die ihn bilden, bestimmte Signatur aufweist, und daß die Controllermittel auf die Eingangsstimuli reagierende Wandlermittel zum Erzeugen von für die jeweilige Signatur repräsentativen elektrischen Signalen umfassen, und daß ein Steuerschaltkreis für das Abfragen des Ausgangs der Wandlermittel vorgesehen ist, um zu bestimmen, ob ein signatur-repräsentatives Signal an ihnen vorhanden ist und, bei Erkennen eines solchen signatur-repräsentativen Signals, die Steuervorrichtung oder -vorrichtungen zu betätigen und damit die Einrichtungen in Abhängigkeit davon zu betätigen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern des Betriebs von einen Teil eines Bohrlochgeräts, das sich unter Tage in einem fluidgefüllten Bohrloch befindet, bildenden Einrichtungen geschaffen, wobei das Verfahren das übertägige Erzeugen von Druckimpulsen in dem Bohrlochfluid für die Übertragung durch dieses zu dem Gerät, Erfassen der übertragenen Impulse in dem Gerät und das Steuern der Einrichtungen in Reaktion auf die erfaßten Impulse umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Erzeugungsschritt die Bildung jedes der Impulse als Niederdruckimpuls vorbestimmter Amplitude und Dauer und die Bildung einer Mehrzahl unterschiedlicher Eingangsstimuli aus den Impulsen umfaßt, wobei jeder Stimulus eine zugeordnete, durch die Amplitude und/oder Dauer des Impulses oder der Impulse, die ihn bilden, bestimmte Signatur aufweist, und die Erfassungs- und Steuerschritte das Empfangen der Eingangsstimuli an dem Bohrlochgerät und ihre Umsetzung in für solche Signaturen repräsentative elektrische Ausgangssignale, das Abfragen der Ausgangssignale zur Bestimmung, ob ein signatur-repräsentatives Signal erzeugt wird und, bei Erfassung eines solchen signatur-repräsentativen Signals, die Betätigung der Einrichtungen in Abhängigkeit davon umfaßt.
• In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfaßt das Gerät ein rohrförmiges Gehäuse mit einer auf Druck reagierenden Stellgliedspindel, die sich darin zwischen longitudinal beabstandeten Stellungen bewegen kann. Die Längsbewegung der Stellgliedspindel wird beispielsweise verwendet, um das Verschieben eines zugeordneten Ventilelements zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung in bezug auf einen Strömungsdurchlaß zu bewirken, wobei dieser Durchlaß entweder innerhalb des Gehäuses liegt oder durch dessen Seitenwand verläuft. Die Spindel weist eine Kolbenfläche auf, auf die das unter Druck stehende Arbeitsmedium wirkt, um eine longitudinal wirkende Kraft zu entwickeln, wobei das Arbeitsmedium bei einem Druck, der im wesentlichen gleich dem hydrostatischen Druck der das Gehäuse umgebenden Bohrlochfluide ist, aus einer Kammer im Gehäuse versorgt wird.
• Das Arbeitsmedium wird von dem Stellgliedkolben selektiv über ein System von Steuerventilen geliefert, die in Reaktion auf einen batteriebetriebenen Controller, der sich im Gehäuse befindet, betätigt werden können. Die Stellgliedspindel verharrt solange in einer ihrer Stellungen, bis vom Controller ein Befehlssignal empfangen wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein solches Befehlssignal eine Folge von Niederdruckimpulsen, die über Tage in den Bohrlochringraum eingespeist werden, wobei ein solches Signal eine "Signatur" oder eine Charakteristik besitzt, durch die es identifiziert werden kann. Beispielsweise, jedoch keinesfalls einschränkend kann jeder Niederdruckimpuls einen Spitzenwert aufweisen, der eine bestimmte Zeit dauert. Wenn ein Befehlssignal empfangen wird, bewirkt der Controller, daß das System aus Steuerventilen verschiedene Zustände einnimmt, wobei das unter Druck stehende Arbeitsmedium zur Entwicklung der erforderlichen Kraft, die bewirkt, daß das Stellglied aus einer Stellung in die andere wechselt, dem Stellgliedkolben zugeführt wird. Die Stellgliedspindel wird in Reaktion auf ein anderes Befehlssignal in ihre ursprüngliche Stellung zurückbewegt, wobei während dieses Rückstellens das Arbeitsmedium in einer Niederdruckkammer im Gehäuse gespeichert wird. In einer Ausführung wird das Rückstellen der Stellgliedspindel durch eine Feder bewirkt, während in einer anderen Ausführung das Rückstellen durch ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium erzwungen wird, das auf die gegenüberliegende Seite des Stellgliedkolbens wirkt. In der als zweites erwähnten Ausführung sorgen das Steuerventilsystem und der Controller beim Zurückschieben der Stellgliedspindel in ihre Ausgangsstellung dafür, daß das Arbeitsmedium von der gegenüberliegenden Seite des Kolbens in die Niederdruckkammer gefüllt wird.
• Die Dauer jedes Niederdruckimpulses im Befehlssignal kann relativ kurz, beispielsweise 30 Sekunden, sein. Wenn eine Folge solcher Impulse verwendet wird, müssen zwischen eingespeisten Impulsen nur wenige Sekunden liegen. Die Druckimpulse besitzen eine relativ kleine Amplitude und können in der Größen ordnung von nur ungefähr 500 psi (pounds per square inch) oder darunter sein. Die für den Betrieb des Systems erforderliche Energie ist ausschließlich unter Tage vorgesehen, wobei die zum Verschieben der Stellgliedspindel erforderlichen Drücke ausschließlich aus einer untertägigen Quelle, nämlich der Höhe des hydrostatischen Drucks der im Bohrloch stehenden Fluide, hergeleitet werden. Da nur Niederdruckimpulse oder -signale in den Ringraum eingespeist werden, um ein Verstellen der untertägigen Ventile hervorzurufen, kann die Erfindung in allen Bohrlöchern einschließlich tiefer verrohrter Bohrlöcher sowie unverschalter Bohrlöcher angewandt werden. Durch die Anwendung des Systems der vorliegenden Erfindung ist eine große Anzahl von Ventilelementzyklen möglich, wodurch mit einem einzelnen Einfahren in das Bohrloch eine höhere Anzahl von Bohrlochüberwachungen durchgeführt werden kann. Die Gesamtbetriebszeit wird verringert, wobei komplizierte und langdauernde Folgen von Hochdruckeinspeisungen in den Ringraum vermieden werden. Das hier offenbarte erfundene System ist relativ einfach und kompakt und ermöglicht ein wesentliches Verkürzen der Längen der Gerätekomponenten des Standes der Technik. Außerdem erhöht sich die Zuverlässigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Die vorliegende Erfindung besitzt weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile, die in Verbindung mit der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungen deutlicher werden, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ausgeführt ist, worin:
• Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Drillstem-Testgerätestrangs (drill stem = Bohrschwerstange) ist, der in einem zu prüfenden Bohrloch angeordnet ist,
• Fig. 2 eine schematische Zeichnung der hydraulischen Komponenten der vorliegenden Erfindung ist,
• Fig. 3 ein Blockschaltbild der Steuerkomponenten, die zum Betrieb des hydraulischen Systems aus Fig. 2 verwendet werden, ist,
• Fig. 4 ein Druck-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung eines Befehlssignals, das eine Folge von Niederdruckimpulsen umfaßt, ist,
• Fig. 5A-5F Längsschnitte sind, die dieselben Abschnitte einer in Übereinstimmung mit dieser Erfindung konstruierten Zirkulationsventilkomponente eines Drillstem-Teststrangs als Seitenrisse zeigen (der obere Abschnitt von Fig. 5D ist hierbei in bezug auf den unteren Abschnitt von Fig. 5D gedreht, um die Druckdurchlässe im Schnitt zu zeigen),
• Fig. 6 und 7 transversale Querschnitte gemäß den Linien 6-6 bzw. 7-7 in Fig. 5D sind und
• Fig. 8 eine Schnittansicht einer Gerätestrangkomponente mit einem Kugelventilelement, das zur Steuerung des Formationsfluidflusses durch einen mittigen Durchlaß eines Gehäuses in Reaktion auf die Funktion des Steuersystems der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Zuerst wird in Fig. 1 ein Drillstem-Testgerätestrang gezeigt, der in einem Bohrloch 10 an einem Gestängerohr oder einer Verrohrung 11 aufgehängt ist. Die Prüfgeräte enthalten einen typischen Einfachschieber (packer) 12, der zum Abschotten des zu prüfenden Bohrlochabschnitts vor dem hydrostatischen Druck der im Ringraum 13 darüber stehenden Fluide dient, und eine Hauptprüfventileinheit 14, die dazu dient, den Fluß der Formationsfluide aus dem abgeschotteten Abschnitt in den Rohrstrang 11 zu ermöglichen oder zu verhindern. Das Hauptventil 14 ist während des Absenkens der Geräte geschlossen, so daß das Innere der Verrohrung einen Niederdruckbereich bildet, in das die Formationsfluide fließen können. Nachdem der Einfachschieber 12 angesetzt ist, wird das Ventil 14 für eine relativ kurze Fließperiodenzeit, während der sich die Drücke im Bohrloch absenken, geöffnet. Danach wird das Ventil 14 für eine längere Fließperiodenzeit, während der ein Aufbauen des Drucks in dem abgeschotteten Bohrloch aufgezeichnet wird, geschlossen. Weitere Ausrüstungsteile wie etwa ein Topf und eine Sicherheitsverbindung können zwischen das Prüfventil 14 und den Einfachschieber 12 gekuppelt sein, jedoch sind diese in der Zeichnung nicht gezeigt, da sie wohlbekannt sind. Ein durchbrochenes Saugrohr 15 ist mit dem unteren Ende der Spindel des Einfachschiebers 12 verbunden, um den Fluiden im Bohrloch das Eindringen in den Gerätestrang zu ermöglichen, während typische innenliegende und außenliegende Druckaufzeichnungsgeräte 16, 17 vorgesehen sind, um mit fortschreitender Prüfung Druckdaten zu erhalten.
• Ein Zirkulationsventil 20, das gewählt wurde, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, ist im Gerätestrang über der Hauptprüfventileinheit 14 angeschlossen. Wie in Fig. 2 schematisch gezeigt wird, enthält die Ventileinheit 20 ein verlängertes rohrförmiges Gehäuse 21 mit einem mittigen Strömungsdurchlaß 22. Ein Ventilstellglied 23 ist im Gehäuse 21 gleitbar angebracht und enthält eine Spindel 24 mit einem mittigen Durchlaß 25 und einem nach außen gerichteten, ringförmigen Kolben 26, der durch einen Dichtungsring 28 gegen einen Zylinder 27 im Gehäuse 21 abgedichtet ist. Zusätzliche Dichtungsringe 29, 30 werden zur Verhinderung einer Undichtigkeit zwischen dem Zylinder 27 und dem Durchlaß 22 eingesetzt. Die Dichtungsringe 29, 30 sind vorzugsweise mit demselben Durchmesser in Eingriff, so daß die Spindel 24 in bezug auf die Fluiddrücke im Durchgang 22 im Gleichgewicht ist. Eine im Gehäuse unter dem Kolben 26 befindliche Schraubenfeder 32 drückt gegen eine nach oben gerichtete Fläche 33 am unteren Ende des Zylinders 27 und gegen eine nach unten gerichtete Fläche 34 des Kolbens 26. Die Feder 32 erzeugt eine zum Verschieben der Spindel 24 in bezug auf das Gehäuse 21 nach oben tendierende Aufwärtskraft. Der Ringbereich 35, in dem die Feder 32 angeordnet ist, enthält Luft unter atmosphärischem oder einem anderen niedrigen Druck. Der Zylinderbereich 36 oberhalb des Kolbens 26 ist über eine Öffnung 37 mit einer Hydraulikleitung 38 verbunden, durch die Öl oder ein anderes hydraulisches Fluid unter Druck zugeführt wird. Ein ausreichender, auf die Oberfläche 40 des Kolbens 26 wirkender Druck bewirkt, daß sich die Spindel 24 nach unten, gegen den durch die Schraubenfeder 32 aufgebrachten Widerstand verschiebt, während ein Nachlassen dieses Drucks der Feder ermöglicht, die Spindel nach oben in ihre Ausgangsstellung zu verschieben. Die entgegengesetzte Bewegung der Spindel 24 wird, wie nachfolgend beschrieben wird, benutzt, um irgendeines der verschiedenartigen Ventilelemente zu betätigen, die den Fluß der Fluide entweder durch den mittigen Durchlaß 22 des Gehäuses 21 oder durch eine oder mehrere seitliche Öffnungen durch die Wand des Gehäuses 21 steuern.
• Die Quelle des unter Druck stehenden hydraulischen Fluids ist eine Kammer 42, die mit hydraulischem Öl gefüllt ist. Wie weiter unten erläutert wird, wird die Kammer 42 durch den hydrostatischen Druck der Bohrlochfluide im Bohrlochringraum 13, der auf einen schwimmenden Kolben wirkt, der diesen Druck auf das Öl überträgt, unter Druck gesetzt. Eine Leitung 43 führt von der Kammer 42 zu einem ersten Magnetventil 44, das ein federbelastetes, normal schließendes Ventilelement 45 enthält, das in einen Sitz 46 eingreift. Eine weitere Leitung 47 führt vom Sitz 46 zu einer Leitung 48, die mit einem ersten Servoventil 50 verbunden ist, das zur Steuerung der Kommunikation zwischen einer Hydraulikleitung 51, die mit der Stellgliedleitung 38 verbunden ist, und einer Leitung 52, die ebenfalls von der Hochdruckkammer 42 ausgeht, dient. Ein zweites Magnetventil 53, das ebenfalls ein federbelastetes, normal schließendes Ventilelement 54 enthält, das mit einem Sitz 55 in Eingriff kommen kann, befindet sich in einer Leitung 56, die die Leitungen 47, 48 mit einer Speicherkammer 57, die anfänglich von Flüssigkeiten frei ist und somit Luft unter atmosphärischem oder einem anderen niedrigen Druck enthält, verbindet.
• Das Servoventil 50 enthält ein Pendelelement 60, das Dichtungsringe 61, 62 trägt und durch eine Schraubenfeder 63 in eine Position gezwungen wird, in der es die Zylinderleitung 51 verschließt. Wenn jedoch das zweite Magnetventil 53 durch die Erregung mit elektrischem Strom geöffnet wird, wechselt das Pendel 60 in seine gezeigte geöffnete Stellung, wodurch das hydraulische Fluid hinter dem Pendel 60 über die Leitungen 48 und 56 zur Niederdruck-Speicherkammer 57 abgesaugt werden kann. Bei geöffnetem Servoventil 50 fließt das unter Druck stehende Öl aus der Kammer 42 durch die Leitungen 52, 51 und 38 in den Zylinderbereich 36 über dem Stellgliedkolben 26. Der Öldruck, der annähernd gleich dem hydrostatischen Druck ist, drückt die Stellgliedspindel 24 gegen die Spannung der Schraubenfeder 32 nach unten.
• Das hydraulische System, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, enthält außerdem ein drittes, normal schließendes Magnetventil 65, das in einer Leitung 66 angeordnet ist, die von der Kammer 42 zu einer Leitung 67 führt, die mit der Druckseite eines zweiten Servoventils 68 verbunden ist. Das Servoventil 68 enthält ebenfalls ein Pendel 70, das Dichtungsringe 71, 72 führt und durch eine Schraubenfeder 74 in seine geschlossene Stellung nach oben gezwungen wird, wobei das Pendel eine Absaugleitung 73 schließt, die zur Speicherkammer 57 führt. Ein viertes, normal schließendes Magnetventil 76 befindet sich in einer Leitung 77, die die Druckleitung 67 des Servoventils 68 mit der Speicherkammer 57 verbindet. Das Magnetventil 76 enthält ein federbelastetes Ventilelement 78, das mit einem Sitz 79 zusammenwirkt, um in der geschlossenen Stellung den Fluß in Richtung der Speicherkammer 57 über die Leitung 77 zu verhindern. Ebenso enthält das dritte Magnetventil 65 ein normal schließendes, federbelastetes Ventilelement 80, das mit einem Sitz 81 zusammenwirkt, um den Ölfluß aus der Hochdruckkammer 42 über die Leitung 66 zur Servoeingangsleitung 67 zu verhindern, sofern es nicht, wie gezeigt, durch die Versorgung ihrer Spule mit elektrischem Strom geöffnet ist. Wenn das Magnetventil 65 geöffnet ist, bewirkt das unter Druck der Eingangsseite des Servoventils 68 zugeführte Öl, daß das Pendel 70 die Speicherleitung 73 verschließt. Obwohl in der Leitung 82, die die Außenseite des Pendels 70 mit den Leitungen 51 und 38 verbindet, Hochdruck herrschen kann, sind die Drücke in den Leitungen 67 und 82 gleich, wodurch die Feder 74 das Pendel über der Leitung 73 geschlossen hält. Obwohl ein funktional getrenntes Servoventil gezeigt wird, könnte selbstverständlich ein einzelnes Dreiwege-Servoventil verwendet werden.
• Damit die treibende Feder 32 die Stellgliedspindel 24 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung nach oben schieben kann, werden das erste Magnetventil 44 und das vierte Magnetventil 76 erregt und das zweite Magnetventil 53 und das dritte Magnetventil 65 gleichzeitig aberregt. Indem dies geschieht, wechseln die Magnetventile 53 und 65 in ihre normal geschlossenen Stellungen, während die Ventile 44 und 76 öffnen. Das Öffnen des Ventilelements 45 ermöglicht einen Ausgleich der Drücke auf den entgegengesetzten Seiten des Pendels 60, wodurch das Pendel 60 durch seine Feder 63 in die Stellung, in der es die Zylinderleitung 51 verschließt, verschoben wird. Das Ventilelement 54 des Magnetventils 53 schließt gegen den Sitz 55, um zu verhindern, daß der Druck in der Kammer 42 über die Leitung 56 in die Speicherkammer 57 entweicht. Das Schließen des Ventilelements 80 und das Öffnen des Ventilelements 78 verbindet die Servoleitung 67 über die Leitung 77 mit der Speicherkammer 57, so daß der Zylinderhochdruck in den Leitungen 38 und 82 das Pendel 70 dazu zwingt, sich gegen die Spannung der Feder 74 zu verschieben und die Verbindung zwischen den Leitungen 82 und 73 zu öffnen. Somit wird, wenn sich die Feder 32 ausdehnt und die Stellgliedspindel 20 nach oben drückt, um einen Abwärts- und Aufwärtsbewegungszyklus abzuschließen, das hydraulische Fluid im Zylinderbereich 36 über dem Kolben 26 in die Speicherkammer 57 abgesaugt. Die Magnetventile 44, 53, 65 und 76 können, wie oben beschrieben worden ist, jeweils paarweise erregt werden, um zusätzliche Stellgliedbewegungszyklen zu erzielen, bis das ganze hydraulische Öl aus der Kammer 42 in die Speicherkammer 57 überführt worden ist. Die Stellgliedspindel 20 wird selbstverständlich entweder in ihrer oberen oder in ihrer unteren Stellung gehalten, wenn sämtliche Magnetventile aberregt sind.
• Wie weiter unten mit Bezug auf die verschiedenen Zeichnungen, die Fig. 5 bilden, beschrieben wird, kann das unter Druck stehende Arbeitsmedium dem Bereich 35 unterhalb des Kolbens 26 zugeführt werden, um die Aufwärtsbewegung der Stellgliedspindel 24 zu erzwingen. In diesem Fall könnte statt der Feder 32 eine weitere Gruppe aus Servoventilen und Magnetventilen, wie sie in Fig. 2 gezeigt wird, eingesetzt werden.
• Ein Steuersystem zur selektiven Erregung der Magnetventile 43, 53, 65 und 76 ist als funktionales Blockschaltbild in Fig. 3 schematisch gezeigt. Die verschiedenen, im Blockschaltbild gezeigten Komponenten sind alle in den Wänden des Gehäuses 21 des Zirkulationsventils 20 eingebaut, wie nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 5A-5F erläutert wird. Eine oder mehrere Batterien 90 speisen eine Energieversorgungsbaugruppe 91, die eine Befehlsempfängerbaugruppe 92, eine Controllerbaugruppe 93 und eine Magnettreiberbaugruppe 94 mit elektrischer Energie versorgt. Das über Tage in den Bohrlochringraum 13 eingespeiste Befehlssignal wird von einem Wandler 95 abgetastet, der ein für dieses Signal repräsentatives elektrisches Signal an die Empfängerbaugruppe 92 liefert. Die Empfängerbaugruppe 92 dient zur Umsetzung eines elektrischen Tiefpegelsignals vom Wandler 95 in ein elektrisches Signal mit einem bestimmten Format, das von einer Controllerbaugruppe 93 abgefragt werden kann, um zu bestimmen, ob wenigstens ein oder vorzugsweise zwei oder mehrere elektrische Signale, die die Befehlssignatur repräsentieren am Ausgang des Sensors 95 vorhanden sind. Wenn und nur dann wenn dies der Fall ist, liefert die Controllerbaugruppe 93 ein Ausgangssignal, das die Funktion der Treiberbaugruppe 99 auslöst, die bewirkt, daß die Treiber ausgewählte Paare der Magnetventile 43, 53, 65 und 76 mit elektrischem Strom versorgen, wobei die Paare in der Zeichnung schematisch mit SV-1 und SV-2 angegeben sind.
• Fig. 4 ist ein Druck-Zeit-Diagramm, das eine Ausführung des Befehlssignals zeigt, das die Ventilfunktion auslöst. Wie gezeigt wird, besitzt das Signal die Form einer Folge von Niederdruckimpulsen P-1, P-2. Die Druckimpulse P-1, P-2 werden über Tage in die Fluide, die im Bohrlochringraum 13 stehen, wie in Fig. 1 gezeigt wird, über die Leitung 18 eingespeist, wobei jeder Druckimpuls für eine bestimmte Zeitperiode eingespeist wird und danach ausgesetzt wird. Solche Zeitperioden sind in der Zeichnung mit T-1 und T-2 angegeben. Diese diskreten Druckimpulse sind, wie angegeben, durch kurze Zeitintervalle getrennt, jedoch sind die Längen dieser Intervalle in der gezeigten Ausführung nicht bezeichnend. Die Pegel der eingespeisten Druckimpulse sind relativ niedrig und müssen beispielsweise 500 psi nicht überschreiten. Die Dauer der Spitzenwerte T-1, T-2 jedes Impulses kann ziemlich kurz, beispielsweise 30 Sekunden, sein. Solange der Empfänger 92 jedoch nicht mit einem Ausgangssignal des Wandlers 95 versorgt wird, das Spannungen enthält, die auf einen bestimmten Pegel ansteigen und für die vorbestimmten Zeitperioden auf diesem Pegel gehalten werden, liefert der Controller 93 kein Ausgangssignal für den Treiber 94. In dieser Weise werden unechte oder zufällige Druckanstiege oder Druckschwankungen, die u. a. auftreten können, wenn das Gerät abgesenkt wird, unterschieden und lösen keine Funktion des Steuersystems aus. Zur Auslösung des Controllers 93 könnte ein einzelner Druckimpuls P-1 verwendet werden, jedoch wird ein Folge von wenigstens zwei solcher Impulse vorgezogen.
• Selbstverständlich dienen einige der bisher beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung zur Begrenzung des Energiebedarfs auf ein Minimum. Beispielsweise sind die Magnetventile normal geschlossene Einrichtungen, für die Energie nur erforderlich ist, wenn sie erregt werden und dadurch öffnen. Die Controllerbaugruppe 93 liefert kein Ausgangssignal, solange deren Abfrage des Ausgangs des Empfängers 92 nicht angibt, daß vom Wandler 95 ein Befehlssignal mit einer bekannten Signatur abgetastet worden ist. Der Treiber 94 gibt dann natürlich keinen Strom an ein ausgewähltes Magnetventilpaar ab, solange von der Controllerbaugruppe 93 nicht signalisiert wird, daß dies geschehen soll. In jedem Fall ist nur soviel elektrische Energie erforderlich, wie zur Versorgung der Schaltungsbaugruppen und zur Erregung der Magnetventile benötigt wird, da die Kräfte, die die Stellgliedspindel 24 verschieben, entweder aus dem Druckunterschied zwischen dem hydrostatischen Druck und dem Druck in der Speicherkammer oder der Ausgangsgröße der Feder 32 hergeleitet werden. Somit ist der Strom, der den Batterien 90 entzogen wird, ziemlich gering, so daß das System für extrem lange Untertagezeiträume betrieben werden kann.
• Die baulichen Einzelheiten einer Zirkulationsventileinheit 20, die in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert ist, sind in den Fig. 5A-5F genauer gezeigt. Die Zirkulationsventileinheit 20 weist ein verlängertes rohrförmiges Gehäuse auf, das allgemein mit 100 bezeichnet ist und eine obere Untereinheit 101 mit einer oder mehreren Zirkulationsöffnungen 102 umfaßt, die sich durch deren Wand erstrecken. Die Gewinde 103 am oberen Ende der Untereinheit 101 werden verwendet, um das Gehäuse 100 mit dem unteren Ende der Verrohrung 11 oder einer weiteren Gerätestrangkomponente darüber zu verbinden. Die obere Untereinheit 101 ist bei 99 (Fig. 5B) mit dem oberen Endes einer Anpassungshülse 104 verschraubt, die wiederum bei 105 mit dem oberen Ende eines rohrförmigen Speicherkammerelements 106 verschraubt ist. Das Element 106 ist mittels Schraubverbindung über eine Anpassungshülse 108 mit einem rohrförmigen Ölkammerelement 107 (Fig. 5C) verbunden, während das untere Ende des Ele ments 107 bei 109 (Fig. 5D) mit dem oberen Ende einer Servo- und Magnetventiluntereinheit 110 verschraubt ist. Die Untereinheit 110 ist mit einem weiteren rohrförmigen Element 111 (Fig. 5E) verschraubt, das die Druckwandler 95 sowie sämtliche verschiedene Schaltungsbaugruppen, die im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert worden sind, beherbergt. Schließlich ist das untere Ende des Elements 111 bei 112 mit dem oberen Ende einer Batterieträgeruntereinheit 113 verschraubt, die in geeigneten Aussparungen 114 in ihren Wänden eine oder mehrere Batterien 90 aufnimmt. Das untere Ende der Batterieuntereinheit 113 besitzt API-Bolzengewinde 115 (Fig. 5F), mit denen das untere Ende des Gehäuses 100 beispielsweise mit dem oberen Ende der Hauptprüfventileinheit 14 verbunden werden kann.
• Erneut mit Bezug auf die Fig. 5A und 5B ist die obere Gehäuseuntereinheit 101 mit Innenflächen mit abgestuften Durchmessern versehen, die einen mittigen Durchlaß 22, eine Dichtungsbohrung 117 und eine Zylinderbohrung 118 definieren. Eine Stellgliedspindel 24 mit einem nach außen gerichteten Kolbenabschnitt 26 ist in der Untereinheit 101 gleitbar angeordnet und führt Dichtungsringe 30, 28 und 29, die jeweils gegen die Dichtungsbohrung 117, die Zylinderwand 118 und eine untere Dichtungsbohrung 120, die im oberen Endabschnitt der Anpassung 104 ausgebildet ist, abdichten. Die Durchmesser des abdichtenden Eingriffs der Ringe 30 und 29 sind vorzugsweise gleich, so daß die Spindel 24 in bezug auf die inneren Fluiddrücke im Gleichgewicht gehalten wird. Ein Öldurchlaß 37 führt über eine Öffnung 122 zum Zylinderbereich 36 oberhalb des Kolbens 26 und ist über die Öffnungen 123 mit einem weiterführenden Durchlaß 37A verbunden, der sich nach unten in die Anpassungsuntereinheit 104 erstreckt. Die Dichtungen 124 verhindern eine Undichtigkeit an den Öffnungen 123 sowie hinter den Gewinden 99.
• In der in Fig. 2 gezeigten Ausführung entwickelt sich infolge des im Zylinderbereich 36 komprimierten Öls eine Abwärtskraft auf die Spindel 24, wobei auf die Feder 32, die sich in einer atmosphärischen Kammer 35 befindet, eine Aufwärtskraft ausgeübt wird. In der in den Fig. 5A-5F gezeigten Ausführung entwickelt sich infolge des komprimierten Öls ebenfalls eine Abwärtskraft auf die Spindel 24, die selektiv auf einen Zylinderbereich 126 unterhalb des Kolbens 26 ausgeübt wird. Selbstverständlich liegen beide Ausführungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. Wo zur Entwicklung einer Kraft in beide Längsrichtungen komprimiertes Öl verwendet wird, erstreckt sich, wie auf der linken Seite in Fig. 5B in durch gezogenen und gestrichelten Linien angedeutet wird, ein weiterer Öldurchlaß 125 vom Zylinderbereich 126 unterhalb des Kolbens 26 nach unten in die Anpassungsuntereinheit 104. Auch wenn dies im einzelnen nicht erläutert wird, ist die Art und Weise, in der sich der Durchlaß 125 nach unten in das Gehäuse 100 zur Steuerventiluntereinheit hin erstreckt, im wesentlichen mit der in bezug auf den Durchlaß 37 beschrieben gleich.
• Der Öldurchlaß 37A geht bei den Öffnungen 126 in einen weiteren Durchlaß 128 über, der im oberen Abschnitt 128 des Verbindungsrohres 130 ausgebildet ist. Der Abschnitt 128 führt Dichtungsringe 131-133, um ein Entweichen von Fluid zu verhindern, während das untere Ende des Durchlasses 37B über eine bestimmte Länge mit der Steckverrohrung 134 geringen Durchmessers verbunden ist, die sich nach unten durch einen verlängerten ringförmigen Hohlraum 57, der zwischen der Außenwand des Verbindungsrohres 130 und der Innenwand der Kammeruntereinheit 106 ausgebildet ist, erstreckt. Der Hohlraum 57 bildet die oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben Niederdruck-Speicherkammer und kann ein relativ großes Volumen, in der gezeigten Ausführung beispielsweise 150 Kubikzoll, besitzen. Das untere Ende der Steckverrohrung 134 schließt an den vertikalen Durchlaß 37C (Fig. 5C) im unteren Abschnitt 136 des Verbindungsrohres 130 an, das wiederum bei den Öffnungen 139, die, wie gezeigt, geeignet abgedichtet sind, in einen Durchlaß 37D übergeht, der sich nach unten in die Anpassungsuntereinheit 108 erstreckt. In der Nähe des unteren Endes der Untereinheit 108 geht der Durchlaß bei den Öffnungen 137 wieder in einen Öldurchlaß 37E über, der sich nach unten in die Wand der Ölkammeruntereinheit 107 erstreckt.
• Ein verlängertes Rohr 140 ist in der Untereinheit 107 konzentrisch angeordnet und so ausgebildet, daß zwischen der Außenwandfläche des Rohrs und der Innenwandfläche der Untereinheit ein weiterer ringförmiger Hohlraum 42 gebildet wird. Der Hohlraum 42 bildet die in Fig. 3 schematisch gezeigte Hochdruckölkammer und kann ebenfalls ein Volumen nahe bei 150 Kubikzoll besitzen. Die äußeren Dichtungsringe 143-146 dichten gegen die Kammeruntereinheit 108 in der Nähe der Öffnungen 137 ab, während die inneren Dichtungsringe 147 gegen den oberen Endabschnitt des Rohrs 140 abdichten.
• Ein Kolben 150 zur Übertragung des hydrostatischen Drucks in Form eines Ringelements, das innere und äußere Dichtungen 156, 157 führt, ist innerhalb der ringförmigen Kammer 42 gleitbar angeordnet und befindet sich in deren oberen Ende, wenn die Kammer mit Öl gefüllt ist. Der Bereich 151 oberhalb des Kolbens 150 steht mit dem Bohrlochringraum außerhalb des Gehäuses 100 über eine oder mehrere radiale Öffnungen 152 in Verbindung. Wie in Fig. 5D gezeigt wird, ist das untere Ende der Kammer 42 durch die obere Fläche des oberen Abschnitts 153 einer Servo- und Magnetventiluntereinheit 110 definiert, wobei die inneren und äußeren Dichtungsringe 155, 154 das Entweichen von Fluid verhindern. Die Kammer 42 wird über Tage mit einem geeigneten hydraulischen Öl befüllt, wobei, wenn die Geräte in ein fluidgefülltes Bohrloch abgesenkt werden, der Kolben 150 den hydrostatischen Druck der Bohrlochfluide auf das Öl in der Kammer 42 überträgt, wodurch das Öl stets einen Druck besitzt, der im wesentlichen gleich diesem hydrostatischen Druck ist. Die Speicherkammer 57 enthält andererseits anfänglich Luft unter atmosphärischem oder einem anderen relativ niedrigen Druck. Die Differenz dieser Drücke ist somit zur Erzeugung von Kräften verfügbar, die bewirken, daß die Ventilstellgliedspindel 24 in jeweils eine Richtung vertikal verschoben wird, wie weiter unten genauer beschrieben wird.
• Wie in Fig. 5D gezeigt wird, geht der Durchlaß 37E bei den Öffnungen 160, die durch Ringe 161 abgedichtet sind, nach innen in einen vertikalen Durchlaß 82 über, der sich nach unten in die Ventiluntereinheit 110 erstreckt und eine transversale Bohrung 165, die in der Wand der Untereinheit 110 ausgebildet ist, schneidet. Die Bohrung 165 nimmt die Servoventileinheit 68 auf, die mit Bezug auf Fig. 6 allgemein beschrieben worden ist. Wie in Fig. 6 genau gezeigt wird, enthält die Einheit 68 eine Zylinderhülse 166 mit einem verschlossenen äußeren Ende 167. Die Zylinderhülse 166 weist eine äußere ringförmige Aussparung 168, die mit dem Durchlaß 67 verbunden ist, und Öffnungen 168 auf, so daß die Aussparung mit der Innenbohrung 170 der Hülse in Verbindung steht. Wie gezeigt wird, sind Dichtungsringe vorgesehen, um die Zylinderhülse 166 in bezug auf die Bohrung 165 abzudichten. Ein becherförmiger Pendelkolben 172 mit einem verschlossenen äußeren Ende 173 kann abdichtend in bezug auf die Zylinderhülse 166 gleiten, während eine Schraubenfeder 174 den Kolben 172 aus der Hülse 166 nach außen drückt. Ein rohrförmiger Einsatz 175, der in die Bohrung 165 geschraubt ist, um die Zylinderhülse 166 an ihrer Stelle zu halten, besitzt eine äußere, ringförmige Aussparung 176 und Öffnungen 177, die den Körperdurchlaß 82 mit dem Inneren des Einsatzes 175 verbinden. Das äußere Ende des Einsatzes 175 ist durch einen Dichtungsstopfen 178 verschlossen. Wie gezeigt wird, sind verschiedene Dichtringe vorgesehen, um den Einsatz 175 in bezug auf die Bohrung 165 sowie dessen inneren Endabschnitt in bezug auf den Kolben 172 abzudichten. Eine Dichtungsschutzhülse 180, die von einer Schraubenfeder 181 gegen den Kolben 172 gedrückt wird, ist im Einsatz 175 gleitbar angebracht. Wie gezeigt besitzt die Hülse 180 eine Bohrung 182, um einen ungestörten Ölfluß zu ermöglichen. Der Hauptzweck der Hülse 180 ist, den O-Ring 183 abzudecken und diesen in seiner Rille zu halten, wenn der Kolben 172 sich rückwärts in den Zylinderraum 170 bewegt. Der innere Endabschnitt der Zylinderhülse 166 kann bei 184 geschlitzt sein, um den ungestörten Ölfluß durch den Durchlaß 73 zu ermöglichen, wenn sich der Kolben 172 aus seiner geschlossenen Stellung, wie gezeigt, in seine geöffnete Stellung, in der er in die Zylinderbohrung 170 teleskopartig eingeschoben wird, bewegt wird. Der Durchlaß 73 ist innerhalb der Wände von verschiedenen Bestandteilen des Gehäuses 100 bis zu einer Stelle erweitert, an der seine oberes Ende in die Speicherkammer 57 mündet. Diese Struktur ist nicht gezeigt, gleicht jedoch der Art und Weise, in der der Durchlaß 37 gebildet ist, mit Ausnahme, daß er in einem Winkel zu diesem versetzt ist. Die andere, mit Bezug auf Fig. 2 allgemein beschriebene Servoventileinheit 50 ist in einer weiteren transversalen Bohrung 185 in der Wand der Ventiluntereinheit 110 in derselben Höhe wie die Servoeinheit 68 untergebracht, wie in Fig. 6 gezeigt wird. Da die Einheit 50 mit der Einheit 68 strukturell gleich ist, wird zur Vereinfachung der Offenbarung eine genaue Beschreibung der verschiedenen Teile dieser Einheiten nicht wiederholt. Die verschiedenen Durchlässe, die die Bohrung 185 schneiden, sind der Zylinderdurchlaß 51, der Versorgungsdurchlaß 52 und die Servodrucköffnung 48.
• Das Magnetventilpaar 65 und 76, das operativ dem Servoventil 68 zugeordnet ist, ist, wie in Fig. 7 gezeigt wird, in transversalen Bohrungen 190 und 205 in der Wand der Untereinheit 110 untergebracht. Die Ventileinheit 65 enthält einen Dichtungsstopfen 191, der, wie gezeigt, in die Bohrung 190 geschraubt wird, wobei der Stopfen ein ringförmiges Sitzelement 192 mit einer mittigen Öffnung 193 trägt. Die Bohrung 194 des Stopfens 191, in Strömungsrichtung hinter der Öffnung 193, ist über einen Durchlaß 195 mit einer äußeren, ringförmigen Rille 196 verbunden, die durch einen Durchlaß 67' in der Ventiluntereinheit 110 geschnitten wird, der, wie gezeigt, mit dem Durchlaß 67, der zum Servoventil 68 führt in Verbindung steht. O-Ringe an geeigneten Stellen dichten, wie gezeigt, gegen ein Entweichen von Fluid ab. Das Sitzelement 192 wirkt mit einem Ventilelement 197 am Ende eines Plungers 200 zusammen, um einen Durchfluß durch die Öffnung 193 zu verhindern, wenn das Element gegen das Sitzelement gedrückt wird, und um einen solchen Durchfluß zu gestatten, wenn das Element in der geöffneten, vom Sitzelement entfernten Stellung ist, wie in Fig. 7 gezeigt wird. Der Plunger 200 ist durch eine Schraubenfeder 202 gegen das Sitzelement 192 vorbelastet, die gegen die Grundfläche einer konischen Fassung 203 wirkt, die bei 204 in die Untereinheit 110 geschraubt ist. Eine Spule 205, die an der Fassung 203 befestigt ist, umgibt den Plunger 200 und bewirkt, wenn sie durch elektrischen Strom erregt ist, daß sich der Plunger 200 und das Ventilelement 197 vom Sitzelement 192 weg in die geöffnete Stellung zurückbewegen. Wenn die Spule 205 nicht erregt ist, zwingt die Feder 202 den Plunger und das Ventilelement, sich nach vorn in die geschlossene Stellung zu bewegen, in der eine konische Stirnfläche des Elementes mit einer konisch zulaufenden Sitzoberfläche 192 in Eingriff kommt, um die Öffnung 193 zu verschließen. Wie durch gestrichelte Linien angedeutet wird, mündet der Durchlaß 66, in Strömungsrichtung hinter dem Sitzring 192, in die Bohrung 190, während der Durchlaß 67' vom Bohrungsbereich in der Nähe der Rille 196 wegführt. Der Durchlaß 66 führt im Gehäuse 110 nach oben und in die offene Verbindung zur Hochdruckkammer 42.
• Wie in Fig. 7 gezeigt wird, ist auf der zur Einheit 65 gegenüberliegenden Seite der Untereinheit 110 in einer transversalen Bohrung 205 eine völlig gleich aufgebaute Magnetventileinheit 76 untergebracht, die somit nicht weiter im Detail beschrieben werden muß. Die Bohrung 205 wird, wie gezeigt, durch die Durchlässe 67" und 77 geschnitten, wobei der Durchlaß 67" eine weitere Erweiterung des Durchlasses 67 ist. Der Durchlaß 67" schneidet die Bohrung 205 an einer in Strömungsrichtung vor dem Sitzelement der Ventileinheit 76 befindlichen Stelle, während der Durchlaß 77 die der äußeren, ringförmigen Aussparung der Ventileinheit benachbarte Bohrung schneidet, die sich in Strömungsrichtung hinter dem Sitzelement befindet. Der Durchlaß 77 erstreckt sich nach oben in das Gehäuse 100 bis zu einer Stelle, an der er mit der Speicherkammer 57 in Verbindung steht, wie in Fig. 5C gezeigt wird.
• Das andere Magnetventilpaar 44 und 53, das operativ dem Servoventil 50 zugeordnet ist, ist in mit den Bohrungen 190 und 205 identischen Bohrungen, jedoch, wie gezeigt, in einer anderen axialen Höhe in der Untereinheit 110 in der Nähe des Bodens von Fig. 5D untergebracht. Da sie völlig gleich aufgebaut sind, werden diese Einheiten ebenfalls weder gezeigt noch im Detail beschrieben, um die Offenbarung einfach zu halten. Die jeweiligen Bohrungen, in denen die Einheiten 44 und 53 untergebracht sind, werden durch die Durchlässe 43, 47 bzw. 56, 47' geschnitten, wie mit Bezug auf Fig. 2 allgemein beschrieben worden ist. Selbstverständlich führen entsprechende elektrische Leiter durch entsprechend konstruierte Bohrungen, Schlitze und Hochdruck-Durchführungsverbinder (nicht gezeigt) der Magnettreiberbaugruppe 94, die schematisch in Fig. 3 gezeigt wird, zu den jeweiligen Spulen der Magnetventileinheiten 44, 53, 65, 76.
• Der Zylinderdurchlaß 125 (Fig. 5B), der mit dem Bereich 126 unterhalb des Kolbens 26 verbunden ist, führt nach unten in eine weitere Gruppe von Steuerventilkomponenten einschließlich eines Paars von Servoventilen, wovon jedes operativ einem Magnetventilpaar in der gleichen Anordnung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, zugeordnet ist. Diese Elementgruppe befindet sich in der Untereinheit 110 unterhalb der in der Nähe des Bodens von Fig. 5D gezeigten Gruppe. Die einzelnen Elemente sind wiederum hier nicht genauer beschrieben, um die Offenbarung zu kürzen und zu vereinfachen.
• Wie in Fig. 5E gezeigt wird, ist der Druckwandler 95, der in der Nähe des unteren Endes der Steueruntereinheit 110 angebracht ist, über eine vertikale Öffnung 210 und eine radiale Öffnung 211 mit dem Bohrlochringraum 13 außerhalb des Gehäuses 100 verbunden und ist somit geeignet, Ringraumdrücke abzutasten und ein für diese Drücke bezeichnendes Ausgangssignal zu liefern. Ein verlängerter, ringförmiger Hohlraum 212 ist zwischen der Innenwand des Gehäuseelements 111 und der Außenwand einer Hülse 214 ausgebildet, deren oberes Ende, wie gezeigt, mit dem unteren Endabschnitt der Untereinheit 110 verschraubt und dicht verschlossen ist. Der ringförmige Hohlraum 212 nimmt verschiedene, in Fig. 3 als Blockschaltbild gezeigte Schaltungsbaugruppen 91-94, nämlich die Empfänger-, die Controller-, die Treiber und die Energieversorgungsbaugruppen auf. Die elektrischen Leiter 215, die durch einen geeigneten Kanal in einer rohrförmigen Anpassung 216 führen, verbinden die Energieversorgungsbaugruppe 91 mit einer oder mehreren Speicherbatterien 90, die sich in einem anderen Hohlraum 218 in der Nähe des unteren Endes des Geräts befinden. Der Hohlraum 218 ist wie der Hohlraum 212 zwischen dem Gehäuseelement 113 und der Außenwand eines zentralen Rohrs 219 ausgebildet. Das untere Ende der Hülse 214 und das obere Ende des Rohrs 219 sind, wie gezeigt, mit der Anpassung 216 verschraubt und dicht abgeschlossen. Das untere Ende des Rohrs 219 ist gegen den unteren Abschnitt 220 des Gehäuseelements 112 mit Ringen 221 abgedichtet, wie in Fig. 5F gezeigt wird. Die gesamte Gehäuseanordnung 100 besitzt einen zentralen Fluiddurchgang 22, der sich durch die jeweiligen Bohrun gen der verschiedenen Rohre, Hülsen, Untereinheiten und Gehäuseelemente erstreckt.
• Wie oben mit Bezug auf Fig. 2 erwähnt worden ist, wird die Stellgliedspindel 24 in Reaktion auf eine selektive Erregung der magnetbetätigten Ventile in bezug auf das Gehäuse 21 nach unten und nach oben bewegt. Wo die vorliegende Erfindung in einem Zirkulationsventil 20, das zur Steuerung der Verbindung zwischen dem Durchgang 22 und dem Bohrlochringraum 13 dient, verwirklicht ist, kann das zugeordnete Ventilelement die Form einer gleitenden Hülse annehmen, das wie in Fig. 5A gezeigt wird, durch den oberen Abschnitt 220 der Stellgliedspindel 24 gebildet ist. Die Hülse 220 führt eine obere Dichtungsringanordnung 221, die zusammen mit dem Dichtungsring 30 den Durchfluß durch die seitlichen Öffnungen 102 in der Gehäuseuntereinheit 101 verhindert, wenn die Hülse und die Stellgliedspindel in der oberen Stellung sind, in der die Hülse 220 die Öffnungen 102 abdeckt. In der unteren Stellung der Hülse 220 und des Stellglieds 24 sind die Öffnungen 102 für einen Fluidfluß geöffnet, so daß Bohrlochfluide vom Ringraum 13 in die Verrohrung oder die Schwerstange 12 durch Ausüben von Druck auf den Bohrlochringraum 13 über Tage zurückgeleitet werden können. Eine positive Informationsrückkopplung von unter Tage bestätigt das Öffnen der Öffnungen 102, da in dem Moment, in dem die Öffnungen geöffnet werden, eine plötzliche oder abrupte Ringraumdruckänderung eintritt. Diese Druckänderung kann durch eine geeignet Einrichtung in der Druckversorgungsleitung 18 über Tage erfaßt werden.
• Falls es wünschenswert ist, die Öffnungen 102 wieder zu verschließen, so daß andere Überwachungsarbeiten wie etwa das Säuern des Bohrlochabschnitts unterhalb des Einfachschiebers durchgeführt werden können, wird über Tage über die Leitung 18 eine andere Folge von Niederdruckimpulsen in den Ringraum 13 eingespeist, die bewirkt, daß der Controller 93 dem Treiber 94 ein Signal zur Erregung der Magnetventile 44 und 76 und zur Abschaltung der Stromversorgung für die Magnetventile 53 und 65 liefert. Dadurch werden die Hülse 220 und das Stellglied 24 in Reaktion auf den Hochdruck, der auf die Unterfläche 34 des Kolbens 26 wirkt, nach oben geschoben, um, wie oben beschrieben worden ist, die Dichtungsanordnung 221 oberhalb der Öffnungen 102 zu positionieren. Das Zirkulationsventil 20 bleibt solange geschlossen, bis ein anderes Befehlssignal mit einer vorbestimmten Signatur in den Ringraum 13 eingespeist wird, um eine Abwärtsbewegung der Spindel 24 hervorzurufen.
• Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung, in der ein Ventilelement zur Steuerung des Fluidflusses durch den zentralen Durchgang 22 verwendet wird, ist in Fig. 8 gezeigt. Hier ist das obere Ende der Stellgliedspindel 24 mit einem Paar seitlich versetzter, nach oben stehender Arme 225 versehen, die exzentrische Ansätze 226 aufweisen, die in radiale Schlitze 227 in den äußeren Seitenwänden eines Kugelventilelements 228 greifen. Das Kugelventil 228 dreht sich um die Achse der Drehzapfen 230 an seinen gegenüberliegenden Seiten zwischen einer geöffneten Stellung, in der die durchgehende Bohrung 231 des Kugelelements mit dem Durchgang 22 axial ausgerichtet ist, und einer geschlossenen Stellung, in der dessen sphärische Außenfläche 232 mit einem Sitzgegenstück 233 am unteren Ende einer Sitzhülse 234 in Eingriff ist. In der geschlossenen Stellung verhindert eine zusammengesetzte Dichtungsringanordnung 235 das Entweichen von Fluid. Wie oben beschrieben worden ist, wird die Spindel 24 auf einen Befehl hin nach oben und nach unten bewegt, um das Kugelelement entsprechend zu öffnen und zu schließen. Eine positive Rückkopplung der Stellung des Kugelelements 228 wird über Tage durch ein geeignetes Überwachen des Drucks in der Verrohrung 11 erhalten. Die Verwendung eines Kugelelements 228 schafft eine Ventilstruktur, die in der geöffneten Stellung einen ungestörten vertikalen Durchlaß durch die Geräte bietet, so daß eine weitere Bohrlochausrüstung wie etwa Strangspreng-, Tiefbohr- und Druckaufzeichnungseinrichtungen in Seilarbeit durch den Gerätestrang abgesenkt werden können. Das Kugelelement 228 bietet außerdem in der geöffneten Stellung eine große Durchflußfläche, die beim Prüfen bestimmter Bohrlöcher von Vorteil ist. Das Kugelelement 228 kann, wie einem Fachmann ersichtlich ist, als Hauptprüfventil, Sicherheitsventil oder als Teil einer Abtasteinrichtung dienen.
Betrieb
• Während des Betriebs ist das Ventil- und Betriebssystem wie in der Zeichnung gezeigt angeordnet, wobei die Kammer 42 mit einem geeigneten hydraulischen Öl befüllt wird, bis sich der schwimmende Kolben 150, wie in Fig. 5C gezeigt wird, am oberen Ende der Kammer befindet. Die Kammer 42 kann dann soweit unter Druck gesetzt werden, daß sie das Öffnen des Pendels 60 bewirkt, so daß sich die Leitungen 52, 51 und 38 mit Öl füllen, worauf die Magnetventile 44 und 65 vorübergehend geöffnet werden, so daß sich die Leitungen 43, 47 und 48 sowie die Leitungen 66 und 67 ebenfalls mit Öl füllen können. Die Speicherkammer 57 enthält anfänglich nur Luft unter atmosphärischem Druck. Die Stellglied spindel 24 ist in ihrer oberen Stellung, in der die Zirkulationsöffnungen 102 durch den Spindelabschnitt 220 verschlossen sind, und wird durch die Rückstellfeder 32, falls diese, wie in Fig. 2 gezeigt wird, verwendet wird, in dieser oberen Stellung gehalten. In der in Fig. 5B gezeigten Stellgliedausführung verharrt die Spindel aufgrund der Dichtungsreibung in ihrer oberen Stellung, da die Spindel ansonsten eine den Druck ausgleichende Konstruktion aufweist. Die Einheit 20 wird dann mit dem Gerätestrang verbunden und zusammen mit diesem in das Bohrloch bis zur Prüftiefe abgesenkt. Während des Betriebs der Geräte überträgt der Kolben 150 den hydrostatischen Druck auf das Öl in der Kammer 42, so daß der Öldruck in der Kammer stets im wesentlichen gleich dem hydrostatischen Druck der Fluide im Ringraum 13 ist.
• In der Prüftiefe wird der Gerätestrang zum Stehen gebracht und der Einfachschieber 12 durch eine geeignete Rohrmanipulation so angesetzt, daß er den Bohrlochabschnitt unterhalb von ihm von der Bohrlochfluidsäule, die im Ringraum 13 darüber steht, trennt. Um eine Prüfung zu starten, wird das Hauptventil 14 für eine kurze Fließperiode geöffnet, um den Druck in dem vom Bohrloch getrennten Abschnitt abzusenken, und danach für eine Schließperiode, in der sich die Fluiddrücke aufbauen können, mit der Absicht, daß die Formationsfluide in das Bohrloch unterhalb des Einfachschiebers gelangen, geöffnet. Die Druckaufzeichnungseinrichtungen 16, 17 dienen zur Erstellung von Diagrammaufzeichnungen des Drucks über der während der Prüfung verstrichenen Zeit. Falls gewünscht, können geeignete bekannte Einrichtungen eingesetzt werden, die während der Prüfung für ein Auslesen der Daten über Tage sorgen.
• Um den Rohrstrang 11 von Formationsfluiden, die sich während der Prüfung angesammelt haben, frei zu machen, wird das Zirkulationsventil 20 in der folgenden Weise geöffnet. Ein Befehlssignal, das aus einer Folge von Niederdruckimpulsen, wovon jeder eine bestimmte Dauer besitzt, besteht, wird über Tage über die Leitung 18 in die Fluide, die im Bohrlochringraum 13 stehen, eingespeist. Die Druckimpulse werden durch den Wandler 95 erfaßt, dessen Ausgang mit dem Verstärker oder Empfänger 92 gekoppelt ist. Der Empfänger 92 setzt die elektrischen Tiefpegelsignale vom Wandler 95 in ein elektrisches Signal um, das ein bestimmtes Format besitzt. Das formatierte Signal wird durch den Controller 93 abgefragt, um zu bestimmen, ob elektrische Signale, die die Befehlssignatur repräsentieren, vorhanden sind. Wenn dies der Fall ist, löst der Controller 93 die Funktion des Magnettreibers 99 aus, wodurch ausgewählte Magnetventilpaare mit Strom versorgt werden. Folglich wird die Stellgliedspindel 24 auf einen Befehl von der Oberfläche aus nach oben oder nach unten bewegt. Wenn das Paar 53, 65 erregt wird, steht der Niederdruck in der Speicherkammer 57 mit der Rückseite des Servoventilpendels 60 in Verbindung, wodurch dieses in den geöffneten Zustand versetzt wird, wodurch der hydrostatische Druck des Öls in der Kammer 42 auf die obere Fläche 40 des Stellgliedkolbens 26 ausgeübt wird. Die Erregung des Magnetventils 65 sorgt für ein Gleichgewicht der Drücke auf beiden Seiten des Pendels 70, so daß dessen Feder 74 das Pendel über der Leitung 73 hält, wobei diese verschlossen wird. Der Unterschied zwischen dem hydrostatischen Fluiddruck und dem atmosphärischen Druck wirkt somit auf den Stellgliedkolben 26, der eine Abwärtskraft erzeugt, um die Stellgliedspindel 24 gegen die Spannung der Rückstellfeder 32 nach unten zu treiben. Diese Bewegung positioniert die Ventildichtungsanordnung 221 unterhalb der seitlichen Öffnungen im Gehäuse 21, wobei die Magnetventile 53 und 65 nach einer geeigneten Zeitverzögerung, die das vollständige Ausfahren der Spindel 24 garantiert, vom Treiber 94 in Reaktion auf Signale vom Controller 93 aberregt werden. Anschließend kann über Tage Druck auf den Ringraum 13 ausgeübt werden, um zu bewirken, daß alle Fluide im Rohrstrang 11 zurück zur Oberfläche geleitet werden, wo sie zur Prüfung und Analyse in einen geeigneten Behälter abgeleitet oder, falls gewünscht, entsorgt werden können. Wenn die Prüfung an dieser Stelle beendet werden soll, wird der Einfachschieber 12 gelöst und der Gerätestrang aus dem Bohrloch herausgezogen, so daß die Druckaufzeichnungsdiagramme ebenfalls geprüft und analysiert werden können.
• Wenn weitere Prüfungs- oder Überwachungstätigkeiten ohne Entfernen der Ausrüstung aus dem Bohrloch zu erledigen sind, wird das Zirkulationsventil 20 wieder geschlossen. Zu diesem Zweck wird über Tage eine andere Folge von Niederdruckimpulsen in die Fluide im Bohrlochringraum eingespeist. Diese Impulse aktivieren, wie oben beschrieben, den Controller 93, der bewirkt, daß der Treiber 94 das andere Magnetventilpaar 44, 76 erregt. Das Öffnen des Magnetventils 44 gleicht die Drücke um das Servoventilpendel 60 aus, so daß dessen Feder 63 das Pendel in den geschlossenen Zustand über der Leitung 51 zwingt. Wenn das Magnetventil 53 nicht mehr erregt wird, bewegt es sich in seine normal gegen den Sitz 55 geschlossene Stellung. Das Öffnen des Magnetventils 76 verringert den Druck auf die Federseite des Servopendels 70, wodurch der Druck in der Leitung 82 das Pendel in seine geöffnete Stellung versetzt, in der eine Verbin dung zwischen der Leitung 82 und der Speicherleitung 73 hergestellt ist. Selbstverständlich bewegt sich das Magnetventil 65, wenn es nicht erregt wird, in seine normal geschlossene Stellung. Die Rückstellfeder 32 drückt die Stellgliedspindel 24 nach oben, wobei das Ölvolumen im Kammerbereich 36 in die Speicherkammer 57 verdrängt wird. Durch wiederholtes Einspeisen von Befehlssignalen in die Fluide im Ringraum 13 kann das Zirkulationsventil 20 wiederholt geöffnet und geschlossen werden.
• Die Zyklen der Abwärts- und Aufwärtsbewegung der Stellgliedspindel 24 können außerdem dazu verwendet werden, das in Fig. 8 gezeigte Kugelelement 228 zwischen seiner geöffneten und seiner geschlossenen Stellung in bezug auf den Strömungsdurchlaß 22 zu drehen. Somit kann in Verbindung mit dem Steuersystem der vorliegenden Erfindung ein Kugelelement als Hauptprüfventil 14 oder als Abtasteinrichtungs-Sicherheitsventileinrichtung verwendet werden. Jede Ventilkomponente des Prüfstrangs kann ihr eigenes Steuersystem besitzen, das in Reaktion auf ein Befehlssignal mit unterschiedlicher Signatur betrieben wird. Außerdem kann ein Steuersystem verwendet werden, um eine Anzahl verschiedener Ventilkomponenten zu betätigen, wobei der Treiber 94 zur Steuerung der Erregung mehrerer Magnetventilpaare, die den jeweiligen Ventilkomponenten zugeordnet sind, vorgesehen ist.
• Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Drillstem-Testgeräten beschrieben worden ist, findet sie Anwendung auf andere Bohrlochgeräte wie etwa Schießsysteme und Schießauslöser, die bei der Tiefbohrung verwendet werden, Einfachschieber-Aufsetzvorrichtungen und Sicherheitsventile, um nur einige der Einrichtungen zu nennen, bei denen die Längsbewegung einer Spindel in einem Gehäuse dazu verwendet werden kann, um eine andere Einrichtung zu aktivieren oder zu steuern.
• Obwohl hier an mehreren Stellen ein Befehlssignal, das aus einem oder mehreren Niederdruckimpulsen mit einer vorbestimmten Dauer des Spitzenpegels besteht, angesprochen worden ist, können selbstverständlich Niederdrucksignale mit anderen Signaturen verwendet werden. Beispielsweise könnte das Befehlssignal ein Anstiegszeitcharakteristik besitzen, oder das zusammengesetzte Signal könnte eine Folge von Zeitfenstern besitzen, wobei das Vorhandensein oder das Fehlen eines Druckimpulses in den verschiedenen Fenstern eine Signatur bildet.
• Es ist deutlich geworden, daß ein neuartiges und verbessertes Steuersystem für untertägige Geräte offenbart worden ist. Das System reagiert auf Nieder druckimpulse, die in Fluide im Bohrloch eingespeist werden, und findet somit Anwendung auf alle Typen von Bohrlöchern einschließlich tiefen verrohrten und unverschalten (unverrohrten) Bohrlöchern. Das Energiequellen- und Befehlsmodul ist im Gerät enthalten und aufgrund der Verwendung von normal schließenden Magnetventilen und der Verwendung von hydrostatischen Drücken unter Tage zur Erzeugung von Kräften, die eine zyklische Bewegung eines Stellglieds bewirken, für eine minimale Leistungsaufnahme ausgelegt. Langdauernde Betriebszeiten sowie komplizierte Folgen von Hochdruckeinspeisungen können vermieden werden. Das System ermöglicht Gerätekonstruktionen, die sehr kompakt, einfach und zuverlässig sind. Da die offenbarten Ausführungen bestimmten Änderungen und Modifikationen unterzogen werden können, ohne vom erfinderischen inhaltlichen Gedanken abzuweichen, ist es Ziel der folgenden Ansprüche, alle diese Änderungen und Modifikationen, die in den Rahmen dieser Ansprüche falten, abzudecken.

Claims (12)

1. Steuersystem für ein Bohrlochgerät, das unter Tage in einem fluidgefüllten Bohrloch angeordnet ist, um den Betrieb von einen Teil des Geräts bildenden Einrichtungen (20, 50, 68) zu steuern, welches System übertägige Signalerzeugungsmittel (18) für das Einleiten von Druckimpulsen in das Bohrlochfluid für die Übertragung durch dieses zu dem Gerät, Controllermittel (92, 93, 94, 95) in dem Gerät für das Erfassen der übertragenen Impulse und eine oder mehrere von den Controllermitteln gesteuerte und für die Steuerung des Betriebs der Einrichtungen angeschlossene Steuervorrichtungen (45, 53, 65, 76) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungsmittel (18) für die Bildung jedes der Impulse als Niederdruckimpuls vorbestimmter Amplitude und Dauer und zur Bildung einer Mehrzahl unterschiedlicher Eingangsstimuli (P-1, P-2) aus diesen Impulsen ausgebildet sind, wobei jeder Eingangsstimulus eine zugeordnete durch die Amplitude und/oder Dauer des Impulses oder der Impulse, die ihn bilden, bestimmte Signatur hat, und daß die Controllermittel (92, 93, 94, 95) auf die Eingangsstimuli (P-1, P-2) reagierende Wandlermittel (92, 95) zum Erzeugen von für die jeweilige Signatur repräsentativen elektrischen Signalen umfassen, und daß ein Steuerschaltkreis (93, 94) für das Abfragen des Ausgangs der Wandlermittel vorgesehen ist, um zu bestimmen, ob ein signatur-repräsentatives Signal an ihnen vorhanden ist und, bei Erkennung eines solchen signaturrepräsentativen Signals, die Steuervorrichtung oder -vorrichtungen (45, 53, 65, 76) zu betätigen und damit die Einrichtungen (20, 50, 68) in Abhängigkeit davon zu betätigen.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, bei dem die Wandlermittel (92, 95) auf Eingangsstimuli reagieren, die jeweils die Form mindestens eines Niederdruckimpulses vorbestimmter Dauer haben.

3. Steuersystem nach Anspruch 2, bei dem die Wandlermittel (92, 95) auf Eingangsstimuli reagieren, die jeweils die Form mindestens zweier Niederdruckimpulse von jeweils vorbestimmter Dauer haben.

4. Steuersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die oder jede Steuervorrichtung (45, 53, 65, 76) ein elektrisch betätigtes Ventil umfaßt.

5. Bohrlochgerät mit einem Steuersystem nach Anspruch 4, bei dem die Einrichtungen ein hydraulisch betätigtes Ventil (20), eine Arbeitsmediumquelle (42) mit einem Druck im wesentlichen gleich dem hydrostatischen Druck des Bohrlochfluids, und mindestens ein Pilotventil (50, 68) für die Zufuhr des Arbeitsfluids zu dem hydraulisch betätigten Ventil (20) umfassen, wobei das oder jedes Pilotventil von dem elektrisch betätigten Ventil oder Ventilen (45, 53, 65, 76) gesteuert ist.

6. Bohrlochgerät nach Anspruch 5, bei dem das hydraulisch betätigte Ventil (20) ein auf Druck reagierendes, eine auf Druck reagierende Oberfläche (40) aufweisendes Glied (23) umfaßt, das aus einer ersten Position unter dem Einfluß des Arbeitsmediums in eine zweite Position beweglich ist.

7. Bohrlochgerät nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Niederdruckkammer (57), ausgebildet zur Aufnahme eines diskreten Volumens des Arbeitsmediums während der Verschiebung des auf Druck reagierenden Gliedes (23) zurück in seine erste Position.

8. Bohrlochgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das hydraulisch betätigte Ventil (20) Teil eines Bohrlochtestsystems ist.

9. Verfahren zum Steuern des Betriebs von einen Teil eines Bohrlochgeräts, das sich unter Tage in einem fluidgefüllten Bohrloch befindet, bildenden Einrichtungen, welches Verfahren das übertägige Erzeugen von Druckimpulsen in dem Bohrlochfluid für Übertragung durch dieses zu dem Gerät, Erfassen der übertragenen Impulse in dem Gerät und das Steuern der Einrichtungen in Reaktion auf die erfaßten Impulse umfaßt, und dadurch gekennzeichnet ist, daß: Der Erzeugungsschritt die Bildung jedes der Impulse als Niederdruckimpuls vorbestimmter Amplitude und Dauer und die Bildung einer Mehrzahl unterschiedlicher Eingangsstimuli (P-1, P-2) aus den Impulsen umfaßt, wobei jeder Stimulus eine zugeordnete, durch die Amplitude und/oder Dauer des Impulses oder der Impulse, die ihn bilden, Signatur aufweist, und der Erfassungs- und Steuerschritt das Empfangen der Eingangsstimuli (P-1, P-2) an dem Bohrlochgerät und ihre Umsetzung in für solche Signaturen repräsentative elektrische Ausgangssignale, das Abfragen der Ausgangssignale zur Bestimmung, ob ein signatur-repräsentatives Signal erzeugt wird und, bei Erfassung eines solchen signatur-repräsentativen Signals, die Betätigung der Einrichtungen in Abhängigkeit davon umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, umfassend das Erzeugen eines jeden solchen Eingangsstimulus als mindestens ein Niederdruckimpuls vorbestimmter Dauer.

11. Verfahren nach Anspruch 10, umfassend das Erzeugen jedes solchen Eingangsstimulus als mindestens zwei Niederdruckimpulse von jeweils vorbestimmter Dauer.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Einrichtungen ein hydraulisch betätigtes Teil eines Bohrlochtestsystems bildendes Ventil ist.