EP0290938A2 - Device for generating pressure pulses in a drilling fluid - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for generating pressure pulses in a drilling fluid flowing down a drill pipe string in a configuration according to the preamble of claim 1.
- contact seals in particular O-ring seals, are provided in the overlap area between the main valve body and the carrier body in order to completely prevent passage of drilling fluid between the main valve body and the carrier body .
- O-ring seals are provided in the overlap area between the main valve body and the carrier body in order to completely prevent passage of drilling fluid between the main valve body and the carrier body .
- the contact seals form dead water zones in the overlap area, in which solid particles carried by the drilling fluid are deposited. Such sedimentation can cause resistance to movement on the main venticor after a short time per exercise, which ultimately result in a complete fixing. With increasing resistance to movement, there are changes in the shape and height of the pressure pulses caused by the movements of the main valve body in the drilling fluid, with the result that the signals cannot be recognized or can no longer be recognized correctly.
- the invention has for its object to provide a device of the type mentioned, which effectively prevents the development of resistance to movement on the main valve body as a result of sediment formation.
- the invention solves this problem based on a device according to the preamble of claim 1 with the features of the characterizing part of this claim. With regard to further refinements, reference is made to claims 2 to 10.
- Leaving a gap between the main valve body and the carrier body through which the drilling fluid can flow completely avoids the formation of dead water zones and thus the formation of sediment, so that even after a long period of operation the operating conditions for the main valve body remain unchanged and are determined exclusively by the hydraulic pressure conditions.
- the formation of the gap in the overlap area as a narrow throttle plug nevertheless ensures the occurrence of clearly predeterminable pressure conditions in the internal flow channel, while at the same time ensuring that the angle of a theoretically conceivable tilting movement of the main valve body relative to the carrier body is small and counteracts clamping phenomena.
- the gap in the overlap region preferably forms two throttle sections located one behind the other at a distance, the gap of the gap adjoining the throttle sections in the overlap region having a substantially larger gap width.
- the gap in the region of the throttle section is preferably delimited at least on one side by a surface forming the armor surface, as a result of which the life of the parts exposed to the abrasive action of the drilling fluid is increased and the wear-related expansion of the gap in the region of the throttle section is delayed.
- the device for generating pressure pulses in a drilling fluid flowing down a drill pipe string 1 downwards in the direction of an arrow 2 - which flows out again after exiting through a rotary drill bit at the end of the drill pipe string into the borehole in the annular space between its wall and the outer wall of the drill pipe string - exists from a valve arranged in the drill pipe string 1, which comprises an outer part 3, a main valve body 4 and a carrier body 5.
- the substantially tubular outer part 3, which is supported in a stationary manner in the drill pipe string 1, comprises an upper ring part 6 with a central axial passage opening 7, the cross section of which is substantially smaller than the cross section in the drill pipe string 1 above the valve. Furthermore, the outer part 3 supports the foot part 8 of the support part 5 in a fixed manner in its lower region, which in its central region 9 is designed to be closed except for an axial through opening 10, but between the and the inside of the outer part 3, however, pass-through openings distributed over the circumference for the Drilling fluid remain, which flows downward through the annular outer flow channel 11 between the outer part 3 and the main valve body 4.
- the foot part 8 forms an integral (or also separate) part of the carrier body 5, which in its Main part is essentially tubular and has a central through opening 12. This continues in the through opening 10, which has a valve seat 13 at its lower end. This valve seat also forms the outlet opening of an internal flow channel which is delimited in its lower region by the axial through openings 12, 10.
- An auxiliary valve body 14 is assigned to the valve seat or the outlet opening 13 and is actuated by a drive 15, e.g. of an electromagnet, can be moved upward from its illustrated open position into a closed position, in which it closes the outlet opening 13.
- a drive 15 e.g. of an electromagnet
- the carrier body 5 is cylindrical in the area of the outer surface 16 of its main part 17 and defines with this cylindrical outer surface 16 an annular gap 18 which is delimited on the outside by a cylindrical surface 19 of a tubular extension part 20 of the main valve body 4.
- the surfaces 16, 19 opposite one another in the starting position of the main valve body 4 over their entire length define an overlap area between the main valve body 4 and the carrier body 5, the length of which decreases as soon as the main valve body 4 moves upwards in the direction of the ring part 6 executes.
- the main valve body 4 has an upper end part 22, which is closed except for a through opening 21, which has a conical surface 23 and merges into a tubular extension 24 in its central region.
- this offers side openings 25 located in the ring part 6 at the level of the passage opening 7, which side openings 25 are connected to the passage opening 21 stand.
- These side openings 25 form the inlet opening for the inner flow channel surrounded in its upper region by the through opening 21 and then continued by the through openings 12, 10.
- the extension 24 is closed at its front end 26 and in this way forms a kind of pitot tube.
- the external flow channel 11 forms a throttle section 28, the flow cross section of which depends on the position of the main valve body 4.
- the drilling fluid medium can flow freely through the gap 18 between the main valve body 4 and the carrier body 5 and is flowed through by drilling fluid in all positions of the main valve body 4 relative to the carrier body 5 due to a pressure gradient between the drilling fluid in the through opening 12 and in the external flow channel 11.
- the gap 18 forms a narrow throttling section, namely in that the width of the gap 18 in the area of the throttling section has a width which is less than a 100th of the diameter of the annular gap 18 and preferably in Range between 0.05 and 0.5 mm, preferably 0.15 mm.
- the gap 18 has a gap width which is constant over its length in the region of the throttle section.
- the throttle section can extend essentially over the entire length of the overlap region between the main valve body 4 and the carrier body 5, as shown in FIG. 4, in which the throttle section of the Column is designated 29.
- the gap 18 in the overlap region can also form two (or more) throttle sections 30 which are spaced one behind the other, as is shown schematically in FIGS. 2 and 3.
- the gap 18 has a much larger gap width in the areas adjacent to the throttle sections 30, as is also illustrated in FIGS. 2 and 3.
- the armor 31 can be designed as an application layer, as shown in FIG. 2, or of sleeve parts 32 that are attached or inserted, which are indicated by dashed lines in FIGS. 3 and 4.
- Tungsten carbide is preferably used as the material for the armor.
- any other valve can also be used, provided that it is provided with a main valve body, which is arranged coaxially in an outer part and has a carrier body as a support and guide element, and the latter two define an overlap area with a cylindrical gap.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in einem einen bohrrohstrang abwärts durchströmenden Bohrungspülungsmedium in einer Ausbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for generating pressure pulses in a drilling fluid flowing down a drill pipe string in a configuration according to the preamble of claim 1.
Bei derartigen Vorrichtungen wie sie beispielsweise die US-PS 3 958 217 veranschaulicht, sind im Überlappungsbereich zwischen dem Hauptventilkörper und dem Trägerköper Berührungsdichtungen, insbesondere O-Ring-Dichtungen, vorgesehen, um einen Durchtritt von Bohrspülungsmedium zwischen dem Hauptventilkörper und dem Trägerkörper hindurch vollständig zu unterbinden. Zugleich damit ist sichergestellt, daß im Innenströmungskanal kein Druckabfall eintritt, wenn zur Auslösung einer druckpulserzeugenden Bewegung des Hauptventilkörpers das Hilfsventilbetätigt und dadurch die Austrittsöffnung des Innenströmungskanals verschlossen wird.In such devices as illustrated, for example, in US Pat. No. 3,958,217, contact seals, in particular O-ring seals, are provided in the overlap area between the main valve body and the carrier body in order to completely prevent passage of drilling fluid between the main valve body and the carrier body . At the same time, it is ensured that no pressure drop occurs in the inner flow channel when the auxiliary valve is actuated to trigger a pressure pulse-generating movement of the main valve body and the outlet opening of the inner flow channel is thereby closed.
Durch die Berührungsdichtungen werden jedoch im Überlappungsbereich Totwasserzonen gebildet, in denen sich vom Bohrspülungsmedium mitgeführte Feststoffpartikel ablagern. Derartige Sedimentierungen können schon nach kurzer Zeit Bewegungswiderstände auf den Hauptventikör per ausüben, die schließlich ein vollständiges Festsetzen zur Folge haben. Mit wachsenden Bewegungswiderständen ergeben sich Veränderungen in Form und Höhe der durch die Bewegungen des Hauptventilkörpers im Bohrspülungsmedium hervorgerufenen Druckpulse mit der Folge, daß die Signale nicht oder nicht mehr richtig erkennbar sind.The contact seals, however, form dead water zones in the overlap area, in which solid particles carried by the drilling fluid are deposited. Such sedimentation can cause resistance to movement on the main venticor after a short time per exercise, which ultimately result in a complete fixing. With increasing resistance to movement, there are changes in the shape and height of the pressure pulses caused by the movements of the main valve body in the drilling fluid, with the result that the signals cannot be recognized or can no longer be recognized correctly.
Der Erfindung leigt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die das Entstehen von Bewegungswiderständen auf den Hauptventilkörper als Folge von Sedimentbildungen wirksam verhindert. Die Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils dieses Anspruchs. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 10 verwiesen.The invention has for its object to provide a device of the type mentioned, which effectively prevents the development of resistance to movement on the main valve body as a result of sediment formation. The invention solves this problem based on a device according to the preamble of claim 1 with the features of the characterizing part of this claim. With regard to further refinements, reference is made to claims 2 to 10.
Die Belassung eines vollständig vom Bohrspülungsmedium durchströmbaren Spaltes zwischen dem Hauptventilkörper und dem Trägerkörper vermeidet die Bildung von Totwasserzonen und damit das Auftreten von Sedimentbildung, so daß auch nach langer Betriebszeit die Betriebsbedingungen für den Hauptventilkörper unverändert bleiben und ausschließlich durch die hydraulischen Druckverhältnisse bestimmt werden. Die Ausbildung des Spaltes im Überlappungsbereich als enge Drosselstecke stellt dennoch das Auftreten von eindeutig vorbestimmbaren Druckverhältnissen im Innenströmungskanal sicher, während gleichzeitig sichergestellt ist, daß der Winkel einer theoretisch denkbaren Kippbewegung des Hauptventilkörpers relativ zum Trägerkörper klein ist und Klemmerscheinungen entgegenwirkt.Leaving a gap between the main valve body and the carrier body through which the drilling fluid can flow completely avoids the formation of dead water zones and thus the formation of sediment, so that even after a long period of operation the operating conditions for the main valve body remain unchanged and are determined exclusively by the hydraulic pressure conditions. The formation of the gap in the overlap area as a narrow throttle plug nevertheless ensures the occurrence of clearly predeterminable pressure conditions in the internal flow channel, while at the same time ensuring that the angle of a theoretically conceivable tilting movement of the main valve body relative to the carrier body is small and counteracts clamping phenomena.
Gleichzeitig aber ist auch im Bereich der Drosselstrecke des Spaltes zwischen Außenventilkörper und Trägerkörper sichergestellt, daß die Spaltweite die Partikelgröße von in dem Bohrspülungsmedium mitgeführten Feststoffpartikeln übersteigt, so daß ein Einklemmen von Feststoffpartikeln im Spalt auch im Bereich der Drosselstrecke vermieden ist.But at the same time is also in the area of the throttle section of the gap between the outer valve body and the carrier body ensures that the gap width exceeds the particle size of solid particles carried in the drilling fluid, so that jamming of solid particles in the gap is also avoided in the region of the throttle section.
Beovrzugt bildet der Spalt im Überlappungsbereich zwei im Abstand hintereinander liegende Drosselstrecken, wobei in den im Überlappungsbereich an die Drosselstrecken angrezenden Bereichen des Spaltes dieser eine wesentlich größere Spaltweite hat. Dies mindert die Gefahr eines Verklemmens aufgrund von Kippbewegungen und stellt zugleich sicher, daß die Drosselstrecke unabhängig von der Stellung des Haupventilkörpers relativ zum Trägerkörper eine stets gleiche Gesamtlänge hat. Dadurch ist zugleich erreicht, daß die Drosselwirkung auf das Bohrspülungsmedium in der Drosselstrecke stets gleich ist.The gap in the overlap region preferably forms two throttle sections located one behind the other at a distance, the gap of the gap adjoining the throttle sections in the overlap region having a substantially larger gap width. This reduces the risk of jamming due to tilting movements and at the same time ensures that the throttle section always has the same overall length regardless of the position of the main valve body relative to the carrier body. This also ensures that the throttling effect on the drilling fluid in the throttle section is always the same.
Bevorzugt ist der Spalt im Bereich der Drosselstrecke zumindest einseitig von einer die Oberfläche einer Panzerung bildenden Fläche begrenzt, wodurch die Lebensdauer der der abrasiven Wirkung des Bohrspülungsmediums ausgesetzten Teile erhöht und das verschleißbedingte Aufweiten des Spaltes im Bereich der Drosselstrecke verzögert wird.The gap in the region of the throttle section is preferably delimited at least on one side by a surface forming the armor surface, as a result of which the life of the parts exposed to the abrasive action of the drilling fluid is increased and the wear-related expansion of the gap in the region of the throttle section is delayed.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung schematisch veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1 einen abgebrochenen Längsmittelschnitt durch einen Bohrrohrstrang und eine in diesem angeordnete Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpul sen nach der Erfindung,
- Fig. 2 bis 4 abgebrochene schematisch Teilschnitte durch denÜberlappungsbereich zwischen Hauptventilkörper und Trägerkörper in Höhe der Kreislinie D in Fig. 1.
- Fig. 1 shows a broken longitudinal central section through a drill pipe string and a device arranged in this for generating pressure pulse sen according to the invention,
- 2 to 4 broken away schematic partial sections through the area of overlap between the main valve body and the support body at the level of the circular line D in FIG. 1.
Die Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang 1 abwärts in Richtung eines Pfeiles 2 durchströmenden Bohrspülungsmedium - das nach Austreten durch einen Drehbohrmeißel am Ende des Bohrrohrstranges in das Bohrloch im Ringraum zwischen dessen Wandung und der Außenwandung des Bohrrohrstranges wieder aufwärts strömt - besteht im wesentlichen aus einem in dem Bohrrohrstrang 1 angeordneten Ventil, das einen Außenteil 3, einen Hauptventilkörper 4 und einen Trägerkörper 5 umfaßt.The device for generating pressure pulses in a drilling fluid flowing down a drill pipe string 1 downwards in the direction of an arrow 2 - which flows out again after exiting through a rotary drill bit at the end of the drill pipe string into the borehole in the annular space between its wall and the outer wall of the drill pipe string - exists from a valve arranged in the drill pipe string 1, which comprises an outer part 3, a main valve body 4 and a
Der ortsfest im Bohrrohrstrang 1 abgestützte, im wesentlichen rohrförmige Außenteil 3 umfaßt einen oberen Ringteil 6 mit einer zentralen axialen Durchgangsöffnung 7, deren Querschnitt wesentlich geringer ist als der Querschnitt im Bohrrohrstrang 1 oberhalb des Ventils. Ferner stützt der Außenteil 3 den Fußteil 8 des Trägerteils 5 ortsfest in seinem unteren Bereich ab, der in seinem zentralen Bereich 9 bis auf eine axiale Durchgangsöffnung 10 geschlossenen ausgeführt ist, zwischen dem und der Innenseite des Außenteils 3 jedoch über den Umfang verteilte Durchtrittsöffnungen für das Bohrspülungsmedium verbleiben, das den ringförmigen Außenströmungskanal 11 zwischem dem Außenteil 3 und dem Hauptventilkörper 4 abwärts durchströmt.The substantially tubular outer part 3, which is supported in a stationary manner in the drill pipe string 1, comprises an
Der Fußteil 8 bildet einen integralen (oder auch gesonderten) Bestandteil des Trägerkörpers 5, der in seinem Hauptteil im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und eine zentrale Durchgangsöffnung 12 aufweist. Diese setzt sich in der Durchgangsöffnung 10 fort, die an ihrem unteren Ende einen Ventilsitz 13 aufweist. Dieser Ventilsitz bildet zugleich die Austrittsöffnung eines Innenströmungskanals, der in seinem unteren Bereich von den axialen Durchgangsöffnungen 12,10 umgrenzt ist.The
Dem Ventilsitz bzw. der Austrittsöffnung 13 ist ein Hilfsventilkörper 14 zugeordnet, der mittels eines Antriebs 15, z.B. eines Elektromagneten, aus seiner dargestellten Offenstellung aufwärts in eine Schließstellung bewegbar ist, in der er die Austrittsöffnung 13 verschließt.An
Der Trägerkörper 5 ist im Bereich der Außenfläche 16 seines Hauptteils 17 zylindrisch ausgebildet und begrenzt mit dieser zylindrischen Außenfläche 16 einen ringförmigen Spalt 18, der außenseitig von einer ihrerseits zylindrischen Fläche 19 eines rohrförmigen Ansatzteiles 20 des Hauptventilkörpers 4 begrenzt ist. Die einerander in der in Fig. 1 dargestellten Ausgangsstellung des Hauptventilkörpers 4 in ganzer Länge gegenüberliegenden Flächen 16,19 definieren einen Überlappungsbereich zwischen dem Hauptventilkörper 4 und dem Trägerkörper 5, dessen Länge sich verringert, sobald der Hauptventilkörper 4 eine Aufwärtsbewegung in Richtung auf den Ringteil 6 ausführt. Der Hauptventilkörper 4 weist einen oberen, bis auf eine Durchgangsöffnung 21 geschlossenen Stirnteil 22 auf, der eine kegelige Oberfläche 23 besitzt und in seinem zentralen Bereich in einen rohrförmigen Fortsatz 24 übergeht. Dieser bietet in Ausgangsstellung des Hauptventilkörpers 4 in Höhe der Durchlaßöffnung 7 im Ringteil 6 gelegene Seitenöffnungen 25 dar, die mit der Durchgangsöffnung 21 in Verbindung stehen. Diese Seitenöffnungen 25 bilden die Eintrittsöffnung für den in seinem oberen Bereich von der Durchgangsöffnung 21 umgebenen und dann von den Durchgangsöffnungen 12,10 forgesetzten Innenströmungskanal. Der Fortsatz 24 ist an seinem Stirnende 26 abgeschlossen und bildet auf diese Weise eine Art Pitotrohr.The
In dem Bereich zwischen einer ebenfalls kegelig abgeschrägten Unterseite 27 des Ringteils 6 und der kegeligen Oberseite 23 des Hauptventilkörpers 4 bildet der Außenströmungskanal 11 eine Drosselstrecke 28, deren Durchflußquerschnitt von der Stellung des Haupventilkörpers 4 abhängt.In the area between a likewise
Der Spalt 18 zwischen dem Hauptventilkörper 4 und dem Trägerkörper 5 ist von Bohrspülungsmedium frei durchströmbar und wird in allen Stellungen des Haupventilkörpers 4 zum Trägerkörper 5 von Bohrspülungsmedium aufgrund eines Druckgefälles zwischem dem Bohrspülungsmedium in der Durchgangsöffnung 12 und im Außenströmungskanal 11 durchströmt.
In dem durch die Flächen 16,19 definierten Überlappungsbereich bildet der Spalt 18 eine enge Drosselstrecke aus, und zwar dadurch, daß die Weite des Spaltes 18 im Bereich der Drosselstrecke eine Weite hat, die ein 100stel des Durchmessers des ringförmigen Spaltes 18 unterschreitet und bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 und 0,5 mm, vorzugsweise 0,15 mm, beträgt.The drilling fluid medium can flow freely through the
In the overlap region defined by the
Der Spalt 18 hat im Bereich der Drosselstrecke eine über seine Länge gleichbleibende Spaltweite. Die Drosselstrecke kann sich dabei im wesentlichen über die ganze Länge des Überlappungsbereiches zwischen dem Hauptventilkörper 4 und dem Trägerkörper 5 erstrecken, wie dies die Fig. 4 dargestellt, in der die Drosselstrecke des Spaltes mit 29 bezeichnet ist.The
Statt dessen kann der Spalt 18 im Überlappungsbereich auch zwei (oder mehr) im Abstand hintereinander liegende Drosselstrecken 30 bilden, wie dies in den Fig. 2 und 3 schematisch wiedergegeben ist. Dabei hat der Spalt 18 in den an die Drosselstrecken 30 angrezenden Bereichen eine wesentlich größere Spaltweite, wie dies ebenfalls in den Fig. 2 und 3 verdeutlicht ist.Instead, the
Anstelle der Möglichkeit, die Teile 4,5 als Verschleißteile zu betrachten und bei eintretendem Verschleiß durch abrasive Wirkung des Bohrspülungsmediums im Bereich des Spaltes 18 gegen neue Teile auszutauschen, besteht auch die Möglichkeit, daß der Spalt 18 ein oder beidseitig im Bereich der Drosselstrecken 29,30 von einer die Oberfläche einer Panzerung 31 bildenden Fläche begrenzt ist, wie dies für die Drosselstrecken 30 in Fig. 2 und 3 wiedergegeben ist.Instead of the possibility of considering the
Die Panzerung 31 kann dabei als Auftragsschicht ausgeführt sein, wie dies Fig. 2 wiedergibt, oder von auf- oder eingesetzten Hülsenteilen 32, die durch gestrichelte Linien in Fig. 3 bzw. 4 angedeutet sind. Bevorzugt findet als Material für die Panzerung Wolframcarbid Anwendung.The
In Abwandlung von dem dargestellten Beispiel kann auch irgendein anderes Ventil Verwendung finden, sofern dieses mit einem in einem Außenteil koaxial angeordneten Hauptventilkörper mit Trägerkörper als Stütz- und Führungselement versehen ist, und die beiden letzteren einen Überlappungsbereich mit einem zylindrischen Spalt begrezen.As a modification of the example shown, any other valve can also be used, provided that it is provided with a main valve body, which is arranged coaxially in an outer part and has a carrier body as a support and guide element, and the latter two define an overlap area with a cylindrical gap.
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