DE69014567T2

DE69014567T2 - Vorrichtung zur kraftmessung für ein bohrgestänge.

Info

Publication number: DE69014567T2
Application number: DE69014567T
Authority: DE
Inventors: Frederic Clayer; Henri Henneuse; Jean Lutz; Jean-Luc Tanguy
Original assignee: Societe National Elf Aquitaine
Current assignee: Societe National Elf Aquitaine
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1990-06-26
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2010-06-27
Also published as: EP0431136B1; CA2035477C; FR2649155A1; WO1991000413A1; NO178641C; US5347859A; NO910771L; FR2649155B1; OA09285A; CA2035477A1; NO178641B; DE69014567D1; NO910771D0; EP0431136A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dynamometrische Meßvorrichtung für einen Bohrschaft. Eine dynamometrische Meßvorrichtung für einen Bohrschaft ist aus der US-A- 3,626,482 bekannt.
Um eine dynamometrische Meßvorrichtung zur Messung der auf den Bohrschaft einwirkenden Kräfte herzustellen, ist nicht das Hauptproblem die Erfassung des Meßwerts sondern seine Übertragung zur Erfassungseinrichtung unter optimalen Bedingungen, wo der Meßwert verarbeitet wird. Wenn man die Länge der Kabel berücksichtigt, die die Meßvorrichtung und die Erfassungseinrichtung verbinden, ist es äußerst wichtig, Vorkehrungen gegen alle möglichen Ursachen einer Beeinträchtigung der zu übertragenden Signale zu treffen.
Außerdem ist es notwendig, die elektrischen Signale von einer sich drehenden Einheit, die aus dem Bohrschaft besteht, auf eine feste Einrichtung zu übertragen, die aus dem Bohrturm besteht.
Schließlich ist es notwendig, Vorkehrungen zu treffen, die verhindern, daß das Signal bei seiner Übertragung von sich bewegenden auf feste Teile gestört wird.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist also, wenigstens eine dieser Schwierigkeiten zu bewältigen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die Information, die man aus den Erfassungseinrichtungen gewinnen kann, beträchtlich zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die Zahl der gleichzeitig zulässigen Leitungen auf ein Minimum zu beschränken, während die Signal-Analysequalität erhalten bleibt.
Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß die dynamometrische Meßvorrichtung für einen Bohrschaft Meßfühler aufweist, die an einer am Bohrschaft ausgebildeten Einschnürung angeordnet sind, wobei jeder Meßfühler über eine ihm zugeordnete Meßstrecke zur Aussendung eines Signals geeignet ist, mit Schaltung zur Verarbeitung der von den Meßfühlern ausgesandten Signale, mit einer aus einem drehbaren Kollektor und einer feststehenden Bürste bestehenden Einheit, die die von der ersten elektronischen Schaltung ausgehenden Signale an ein feststehendes Teil weitergibt, wobei der drehbare Kollektor auf dem Bohrschaft, die feststehende Bürste auf dem festehenden Teil angeordnet ist und der Durchgang der aus einem drehbaren Kollektor und einer feststehenden Bürste bestehenden Einheit stromlos erfolgt, und eine zweite elektronische Schaltung aufweist, die auf dem festen Teil angeordnet und mit den Bürsten verbunden ist und die eine der aus einem drehbaren Kollektor und einer feststehenden Bürste bestehenden Einheit nachgeschaltete Verstärkerstufe mit hoher Eingangsimpedanz, die die an den feststehenden Teil weitergegebenen Signale aufnimmt, und die einen Pufferkreis zum Puffern der statischen Komponente und einen Pufferkreis zum Puffern der dynamischen Komponente aufweist, die jedem nachgeschalteten Verstärker nachgeschaltet sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Meßsignale von jedem Meßfühler über eine Meßstrecke übertragen, die aus einem unabhängigen Leiter und einer Masseleitung besteht, wobei jede der beiden Leiter mit einem doppelten Bürstenpaar in Verbindung steht, wobei jede Bürste eine eigene Resonanzfrequenz aufweist.
Nach einem weiteren Aspekt umfaßt die Vorrichtung Meßfühler zum Messen von Traktion, Torsion, Längsbeschleunigung, Querbeschleunigung, Temperatur und Drehzahl des Bohrschafts.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Kompromiß zu finden zwischen der Beweglichkeit und dem Ort der elektronischen Schaltung.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die elektronische Schaltung, die mit den sich drehenden Teilen ein Stück bildet und zwischen die Meßfühler und den sich drehenden Kollektor geschaltet ist, für jede Meßstrecke aus Verstärkerstufen mit niedriger Ausgangsimpedanz besteht.
Nach einem weiteren Aspekt ist die Stromversorgung der sich mitdrehenden elektronischen Schaltung durch zwei zusätzliche Leiter gewährleistet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß der Pufferkreis zum Puffern der statischen Komponente ein Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von 10 kHz aufweist, das mit einem Leitungsverstarker in Reihe geschaltet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, daß der Pufferkreis zum Puffern der dynamischen Komponente des Signals einen Kondensator zum Abschneiden der statischen Komponente aufweist, der mit einem dynamischen Bandpaßfilter mit einem Frequenzband zwischen 0,1 Hz und 1 kHz und einem Leitungsverstärker in Reihe geschaltet ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung herzustellen, die machbar, abgedichtet und explosionsgeschützt ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Einheit in einem Raum angeordnet ist, der an seinen Enden von oberen und unteren Flanschen, die abdichtend und mit dem Bohrschaft drehbar angeordnet sind, und von einer zylindrischen Stulpe, die in der Länge der Distanz entspricht, die die oberen Flansche von den unteren Flanschen trennt, begrenzt ist, wodurch ein abgedichteter Ringraum zwischen dem Bohrschaft und dem Inneren der Stulpe gebildet wird.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich. Es zeigt:
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung der dynamometrischen Meßvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der elektrischen und elektronischen Elemente der Vorrichtung;
Fig. 3A ein Schema der sich drehenden elektronischen Schaltung, die vor den Bürstenkollektor geschaltet ist;
Fig. 3B ein Schema der festen elektronischen Schaltung, die dem Bürstenkollektor nachgeschaltet ist;
Fig. 4 das Schema des Stromversorgungsteils der elektronischen Schaltung.
Die dynamometrische Meßvorrichtung ist auf einem Bohrschaft 1, in einem von einem oberen Flansch 110 begrenzten Raum, drehbar und abgedichtet auf dem Bohrschaft mittels eines Rollenlagers 11 befestigt. In gleicher Weise ist ein unterer Flansch 120 drehbar mittels eines Rollenlagers 12 auf dem Bohrschaft 1 befestigt. Eine Stulpe 100 wird so angebracht, daß ein Raum entsteht, der vom oberen Flansch 110, dem unteren Flansch 120 und dem Innendurchmesser der Stulpe 100 begrenzt wird.
Im Innern des zwischen der Stulpe 100 und dem Bohrschaft 1 gelegenen ringförmigen Raums, sind in einer Einschnürung 10 des Schafts 1 Traktionsmeßfühler 60, 61, ein einen Torsionsfühler bildendes Paar Meßfühler 70, 71, ein Temperaturmeßfühler 50, ein Paar Längsbeschleunigungsmesser 20, 21 und drei Querbeschleunigunsmesser 40, 41, 42 angebracht. Jeder dieser Meßfühler ist Bestandteil einer Meßstrecke. Eine elektronische Schaltung 3 zur Verarbeitung der von den verschiedenen Meßfühlern gelieferten Signale ist im Innern des von den Flanschen begrenzten Raums am Bohrschaft 1 fest angebracht. Über der Einschnürung 10 und fest an den Bohrschaft ist eine Spurenanordnung angebracht, die einen Dreh-Kollektor 80 bildet. Ein Spurenpaar ist jeder Meßgröße zugeordnet. Die durch das jeweilige Spurenpaar gelieferten Signale werden von zwei Paar jedem Leiter zugeordneten Bürsten aufgenommen, die die Bürstenanordnung 81 bilden. Die Bürsten-Trägeranordnung 81 ist mit dem oberen Flansch 110 durch einen drehbaren Haltearm mit dem festen Teil, der aus dem Bohrturm besteht, fest verbunden. Die Bürsten sind mit einer zweiten elektronischen Schaltung zur Verarbeitung der Signale aus den jeweiligen Meßgrößen verbunden, von denen die Ausgangssignale über einen Anschluß 90 an ein Übertragungskabel weitergeleitet werden, das aus N einzeln abgekapselten Leiterpaaren besteht, die für N/2 Meßstrecken durch eine äußere Abkapselung abgeteilt werden. Die von den Meßfühlern 20, 40, 70, 60 gelieferten Signale werden an eine erste elektronische Schaltung 3 weitergeleitet, die dem Drehkollektor 80 und der festen Bürstenanordnung 81 vorgeschaltet ist. Die von der festen Bürstenanordnung 81 aufgenommenen Signale werden an eine elektronische Schaltung 9 weitergeleitet, die den vorangehenden Elementen nachgeschaltet ist, und die Ausgangssignale dieser elektronischen Schaltung werden an eine ADF-Klemme 90 zum Einspeisen in das gekapselte Kabel weitergeleitet. Zusätzlich zu den Meßstrecken, die jeweils durch ein Paar sich drehender Kollektorspuren vertreten sind, weist die Kollektor-Bürstenanordnung noch zwei weitere Spurpaare auf, über die die von der elektronischen Schaltung kommende Stromversorgung zur Versorgung der Meßfühler und der sich drehenden elektronischen Schaltung 3 geleitet wird.
Ein erstes Spurenpaar des Kollektors 80 ist, wie in Fig. 4 dargestellt, mit einem Kondensator 395 verbunden. Dieses Spurenpaar liefert auf der einen Seite eine Spannung von +12 V, auf der anderen Seite die Masse für die sich drehende elektronische Schaltung. Das Spurenpaar ist mit einem doppelten Bürstenpaar 81 verbunden, das an die Anschlüsse eines Kondensators 955 angeschlossen ist, der wiederum mit den Anschlüssen eines Kondensators 954 parallel geschaltet ist. Dieser Kondensator 954 ist auf der einen Seite an den Ausgang einer Steuerschaltung 953 und auf der anderen Seite an einen der Anschlüsse eines Kondensators 952 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit dem Eingang der Steuerschaltung 953 verbunden ist. Ein anderer Kondensator 951 ist in der gleichen Weise parallel zwischen die Anschlüsse des Kondensators 952 geschaltet. Schließlich ist eine Schutzeinrichtung 950 parallel an die Ausgänge des Kondensators 951 und über die Klemme 90 einerseits an die Stromversorgung mit +18 V und andererseits an Masse angeschlossen.
Eine mit der in Fig. 4 dargestellten identische Schaltung, die mit 96 bezeichnet ist, dient zur Erzeugung einer negativen Spannung von -12 V, die für die Funktion der Meßfühler und der sich drehenden elektronischen Schaltung 3 erforderlich ist.
Eine Meßeinrichtung, die aus der elektronischen Schaltung 3 besteht und vorgeschaltet ist, ist in Fig. 3A dargestellt. Diese Meßeinrichtung umfaßt einen Meßfühler 20, der z.B. aus einer Wheatstonebrücke besteht, die durch das Zusammenschalten von vier Widerständen 20, 31, 32, 33 entsteht. Die Diagonale dieser Brücke ist einerseits an den positiven Anschluß, andererseits an den negativen Anschluß eines Differenzverstärkers 34 angeschlossen, während die andere Diagonale dieser Wheatstonebrücke einerseits mit der Stromversorgung von +12 V und andererseits mit der Stromversorgung von -12 V verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 34 ist mit dem positiven Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 35 verbunden, dessen Ausgang auf seinen negativen Eingang rückgekoppelt ist. Dieser zweite Verstärker 35 stellt eine Folgestufe mit sehr niedriger Ausgangsimpedanz dar. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 35 wird an einen Ring der Kollektoranordnung weitergeleitet, wobei der andere Kollektorring für diese Meßgröße die Masse bildet.
Das vom Ringpaar abgegebene Signal wird von einem doppelten Bürstenpaar 81 (Fig. 3B) aufgenommen und an den positiven Eingang eines Differenzverstärkers 91 weitergeleitet, dessen Ausgang auf seinen negativen Eingang rückgekoppelt ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers 91 wird einerseits an eine Schaltung zum Herausfiltern der statischen Komponente und andererseits an eine Schaltung 94 zum Herausfiltern der dynamischen Komponente des Meßsignals weitergeleitet. Diese Stufen werden von einer Schutz-Leitungsverstärkerstufe gefolgt. Der Verstärker 91 ist eine Folgestufe mit sehr hoher Eingangsimpedanz. Die Kombination der Folgestufe mit niedriger Ausgangsimpedanz mit der Folgestufe mit hoher Eingangsimpedanz, die der Kollektoranordnung vor- bzw. nachgeschaltet sind, ermöglicht ein Übertragen der Meßsignale mit einer Stromstärke null. Dadurch wird ein relativ großes Paßband bereitgestellt und die Genauigkeit der Größe erhalten, wenn auch der Sauberkeits- und Abnutzungszustand der Scheiben und Bürsten der Kollektoranordnung die hauptsächliche Rauschquelle im Innern der dynamometrischen Meßvorrichtung darstellt. Außerdem wird durch die Trennung der statischen und der dynamischen Komponente und die extreme Verstärkung der letzteren vor der Übermittlung die danach zu verarbeitende Information beträchtlich verbessert. Die Stufe zur Trennung der statischen Komponenten von den Meßsignalen besteht aus einer Integrationsschaltung, die aus einem Widerstand 920 gebildet wird, der in Reihe mit einem Kondensator 921 zwischen den Ausgang des Verstärkers 91 und Masse geschaltet ist. Der gemeinsame Anschluß des Widerstands 920 und des Kondensators 921 ist mit dem positiven Eingang eines Leitungsverstärkers 930 verbunden, dessen Ausgang auf den negativen Eingang rückgekoppelt ist. Der Ausgang dieses Leitungsverstärkers 930 wird über einen Widerstand 931, dessen Ausgang einerseits an eine Klemme 90 und andererseits an Masse angeschlossen ist, über ein Schutzelement 932, wie z.B. eine Zenerdiode, weitergeleitet. Die Schaltung 94 zum Herausfiltern der dynamischen Komponente besteht aus einem Kondensator 940, der an den Ausgang des Verstärkers 91 angeschlossen ist. Der Kondensator 940 ist andererseits über eine Schaltung aus einem Widerstand 941 in Reihe mit einem Kondensator 943 an Masse angeschlossen. Der dem Widerstand 941 und dem Kondensator 943 gemeinsame Anschluß ist einerseits über einen Widerstand 942 an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 945 und andererseits über einen Widerstand 947 an den Ausgang des Verstärkers 945 angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 945 ist auch über einen Kondensator 946 an den negativen Eingang des letzteren angeschlossen. Der positive Eingang des Verstärkers 945 ist über einen Widerstand 944 an Masse angeschlossen. Das Ausgangssignal des Verstärkers 945 wird an ein Tiefpaßfilter weitergeleitet, das aus einem Widerstand 992 besteht, der über einen Kondensator 923 an Masse angeschlossen ist. Der dem Widerstand 922 und dem Kondensator 923 gemeinsame Anschluß ist mit dem positiven Eingang eines Leitungsverstärkers 930 verbunden, dessen Ausgang auf den negativen Eingang rückgekoppelt ist. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird an einen Widerstand 931 weitergeleitet, der einerseits mit der Klemme 90 und andererseits über eine Sicherung 932 an Masse angeschlossen ist. Der Kondensator 940 ermöglicht die Eliminierung der Gleichstromkomponente der Signale und die Schaltung aus dem Verstärker 945, den Widerständen 941, 942, 944, 947 und den Kondensatoren 943, 946 bildet ein Bandpaßfilter, dessen Grenzfrequenzen zwischen 0,1 und 1 kHz liegen.
Die Trennung der statischen und der dynamischen Komponenten und die extreme Verstärkung der letzteren vor der Übertragung verbessert beträchtlich die Information, die nach der Messung entsprechend ausgewertet werden kann. Zum Beispiel kann durch die getrennte Übertragung der statischen Komponente und der 300-fach verstärkten dynamischen Komponente ein Signal/Rausch-Verhältnis, das nach der Übertragung 300 mal größer ist, erreicht werden.
Angenommen, die statische Komponente wird im folgenden als numerische Menge betrachtet, dann ist das eine nicht vernachlässigbare Steigerung der Auflösung, die durch die Technik der Trennung von statischer und dynamischer Signalkomponente ermöglicht wird.
Die Trennung der statischen und dynamischen Komponenten wird dem Kollektor nachgeschaltet vorgenommen, um die Anzahl der Kollektorringe zu verringern und so das Volumen und die Kosten der Vorrichtung.
Hiermit ergeben sich für die so hergestellte Vorrichtung verringerte Abmessungen, eine minimale Anzahl von Einzelteilen und eine optimale Meßsicherheit und -qualität.
Schließlich werden bei einer gleichen Anzahl von Leitungsverstärkern wie von zu übertragenden Kanälen, die der Klemme 90 vorgeschaltet sind, die Eigenschaften der übertragenen Signale verbessert und insbesondere der Rauschpegel der Übertragung verringert, vor allem bei älteren Geräten. Außerdem schützen die vorgesehenen Schutzstufen, entweder auf der Ebene der Ausgangsstufen, d.h. nach den Leitungsverstärkern, oder auf der Ebene der Versorgungs-Eingangsstufen, die Geräte vor den Risiken der Bohrstelle oder einfach gegen Störungen aufgrund von Blitzschlag oder aufgrund von Kommutation großer, nahe gelegener elektrischer Maschinen.

Claims

1. Dynamometrische Meßvorrichtung für ein Bohrgestänge, mit Meßfühlern (20, 40, 60, 70, 50), die an einem im Bohrgestänge ausgebildeten Hals (10) angeordnet sind, wobei jeder Meßfühler zur Aussendung eines Signals über einen entsprechenden Weg geeignet ist, mit einer ersten, auf dem Bohrgestänge angeordneten elektronischen Schaltung (3) zur Verarbeitung der von den Meßfühlern ausgesandten Signale, mit einer aus einem drehbaren Kollektor (80) und einer feststehenden Bürste (81) bestehenden Einheit, die die von der ersten elektronischen Schaltung ausgehenden Signale an ein feststehendes Teil (110, 9, 81) weitergibt, wobei der drehbare Kollektor auf dem Bohrgestänge, die feststehende Bürste auf dem festehenden Teil angeordnet ist und der Durchgang der aus einem drehbaren Kollektor (80) und einer feststehenden Bürste (81) bestehenden Einheit stromlos erfolgt, gekennzeichnet durch eine zweite elektronische Schaltung (9), die auf dem festen Teil angeordnet und mit den Bürsten (81) verbunden ist und die eine der aus einem drehbaren Kollektor (80) und einer feststehenden Bürste (81) bestehenden Einheit nachgeschaltete Verstärkerstufe (91) mit hoher Eingangsimpedanz, die die an den feststehenden Teil weitergegebenen Signale aufnimmt, und die einen Pufferkreis zum Puffern der statischen Komponente und einen Pufferkreis zum Puffern der dynamischen Komponente aufweist, die jedem nachgeschalteten Verstärker (91) nachgeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale jedes Meßwegs, die von jedem Meßfühler oder von jeder Meßvorrichtung erzeugt werden, auf einem vom Kollektor unabhängigen Leiter und auf einem Masseleiter übertragen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der in Drehung versetzten elektronischen Schaltung (3) durch zwei zusätzliche Leiter gewährleistet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den drehbaren Teilen fest verbundene elektronische Schaltung zwischen die Meßfühler (20, 40, 60) geschaltet ist und der drehbare Kollektor (80) in jedem Leiter aus einer Verstärkerstufe (35) mit niedriger Ausgangsimpedanz besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Meßfühler zur Messung der Traktion (70, 71), der Torsion (20, 21), der Längsbeschleunigungen (40, 41, 42), der Querbeschleunigungen (50), der Temperatur und der Rotationsgeschwindigkeit des Bohrgestänges.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferkreis zum Puffern der statischen Komponente ein Tiefpaßfilter (920, 921) mit einer Grenzfrequenz von 10 kHz aufweist, das mit einem Leitungsverstärker (930) und einem Schutzelement (932) in Reihe geschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferkreis zum Puffern der dynamischen Komponente des Signals einen Kondensator (940) zum Abschneiden der statischen Komponente aufweist, der mit einem dynamischen Bandpaßfilter mit einem Frequenzband zwischen 0,1 Hertz und 1 kHz, einem Leitungsverstärker (930) und einer Schutzschaltung (932) in Reihe geschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit in einem Raum angeordnet ist, der an seinen Enden von oberen (110) und unteren (120) Flanschen, die abdichtend und im Verhältnis zu dem Bohrgestänge (1) drehbar angeordnet sind, und von einer zylindrischen Stulpe (100), die in der Länge der Distanz entspricht, die die oberen Flansche (110) von den unteren Flanschen (120) trennt, begrenzt ist, wodurch ein abgedichteter Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Inneren der Stulpe gebildet wird.