EP0440123B1 - Vorrichtung zur Übertragung von Signalen in einem Bohrloch - Google Patents

Vorrichtung zur Übertragung von Signalen in einem Bohrloch Download PDF

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EP0440123B1
EP0440123B1 EP19910101043 EP91101043A EP0440123B1 EP 0440123 B1 EP0440123 B1 EP 0440123B1 EP 19910101043 EP19910101043 EP 19910101043 EP 91101043 A EP91101043 A EP 91101043A EP 0440123 B1 EP0440123 B1 EP 0440123B1
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tubes
drill line
electrically
electrically conductive
fixed
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Rainer Dr. Jürgens
Dagobert Feld
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Baker Hughes Holdings LLC
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Baker Hughes Inc
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R4/00—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation
    • H01R4/58—Electrically-conductive connections between two or more conductive members in direct contact, i.e. touching one another; Means for effecting or maintaining such contact; Electrically-conductive connections having two or more spaced connecting locations for conductors and using contact members penetrating insulation characterised by the form or material of the contacting members
    • H01R4/60—Connections between or with tubular conductors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/003—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings with electrically conducting or insulating means
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/18—Pipes provided with plural fluid passages

Definitions

  • the invention relates to a device for, in particular, shaft drilling with a drill string, which comprises inner tubes which delimit inner flow spaces and which enclose outer tubes with spacing to form outer flow spaces, according to the preamble of claim 1.
  • Devices of the aforementioned type with a drill string of double-walled drill pipes to be attached to one another are used, for example, for shaft drilling, the double-walled drill pipe comprising an outer pipe and an inner pipe and a flushing medium generally being pumped to the bottom of the hole in the annular space between the inner pipe and the outer pipe, past the drill head can flow into the inner flow space bounded by the inner pipe and can convey the cuttings to the surface through the inner flow space.
  • drilling strings with such double-walled drilling pipes information is to be acquired in the course of the drilling process and is to be passed on electrically to the earth's surface for conversion into control signals, special cables for the electrical transmission of Provide measurement and control signals.
  • EP-A-0 257 744 discloses a drilling device with a drill string which has an inner tube and an outer tube.
  • the inner and outer tubes are spaced apart and held together by spacer elements.
  • Special line elements are provided for the transmission of signals from the bottom of the borehole to the surface of the earth.
  • a line element is arranged at a distance from the inner tube and the outer tube, so that flow spaces are created for a medium which in turn has to take care of insulation of the line element.
  • the line element is provided with an outer insulation and is arranged like a segment of a circle between the inner tube and the outer tube.
  • the design of the device according to the invention enables the transmission of measurement and control signals and also of energy between the surface of the earth or the mouth of the borehole and the bottom of the borehole in a wear-resistant manner, without the need for transmission cables which are particularly susceptible to faults.
  • the mutually insulated inner and outer tubes of the tubing form the electrical conductors of a two-wire system, which also in areas of rotary unions, for. B. rotary drive, drill head and the like.
  • the electrical insulation is to be provided in a simple manner.
  • the electrical insulation between the inner and outer tubing can be implemented in a structurally simple manner by the electrically non-conductive design of the spacers.
  • the spacers can be produced, for example, by producing the spacers from an electrically non-conductive material, for example plastic and the like, or by means of a suitable coating, for example an epoxy resin coating, of a metallic spacer core. If it is necessary in certain applications, e.g. due to the necessity of guiding a medium in the external flow space between the inner surface of the outer tube and the outer surface of the inner tube with electrical conductivity, the inner and outer surface including the spacers must be covered with an electrically non-conductive material to avoid energy losses, for example coat.
  • an electrically non-conductive material for example plastic and the like
  • a suitable coating for example an epoxy resin coating
  • the inner tubes to be connected to one another at their ends are to be provided at the ends with electrical contacts which ensure a functionally reliable, automatic electrical connection when fastening the drill string via the threads of the outer tubes.
  • contact elements in the form of electrically conductive worm springs or electrically conductive contact surfaces made of, for example, copper are used in the inner tubes, which are to be arranged in the outer recesses of the inner tubes and, after insertion into the recesses, protrude to a slight extent beyond the edge of the recesses in such a way that after fitting a corresponding end of an inner tube on the associated end of the adjacent inner tube, the worm spring or the fan element is compressed slightly, with which a secure contact connection goes hand in hand in the rough everyday operation of such a device without additional assembly work.
  • electrical contact units such as slip ring transmission unit, induction coil transmission unit and the like, can be used, in particular in circumstances in which different speeds between the drill string and the measuring transducer or transducer are to be taken into account Find.
  • the exemplary embodiment illustrated in the drawing of the drilling device is designed as a shaft drilling device with a drill bit 2 and a drilling drive 3.
  • the drill string generally numbered 4, consists of double-walled tubes 5 which are screwed together.
  • the double-wall tubes 5 have outer tubes 6 and inner tubes 7.
  • the inner tube delimits an inner flow space 8.
  • the outer tube 6 encasing the inner tube 7 at a distance, together with the inner tube, delimits an annular outer flow space 9.
  • the inner tube 7 is supported on the outer tube by spacers 10 made of an electrically non-conductive material.
  • the inner tube 7 carries a perforated centering piece 11 at its upper end in order to hold the inner tube 7 radially and axially.
  • This centering piece 11 also forms a non-conductive spacer 10.
  • the sleeve element which is placed on the pin of the following tube.
  • a centering piece 13 is also provided, which is also made of plastic and also forms spacers 10.
  • the spigot and socket part of the inner tube are arranged in relation to the outer tube 6 in such a way that the inner connection is automatically centered when the outer tubes 6 are screwed on and can therefore be introduced without additional measures.
  • the sleeve and pin elements lie in a flow direction 14 of a z. B. flushing medium favorable arrangement.
  • the outer tubes 6 and the inner tubes 7 made of a metallic material are, however, as mutually insulated electrical conductors for the transmission of measurement and control signals also energy, for example, formed between the surface of the earth and the bottom of the borehole during the drilling operation.
  • the spacers 10 are not electrically conductive, so that the inner tubes 7 and the outer tubes 6 can transmit measurement and control signals as conductors of a two-wire system.
  • a secure electrical connection is made at all connection points of inner and outer tubes 6, 7.
  • the threaded connections 15 of the outer tubes 6 are provided with an electrically conductive thread grease.
  • a first mold recess 16 and a second mold recess 17 are provided in the lateral surface.
  • a worm spring 19 can be inserted into the mold recess 16 and, after fitting an adjacent inner tube, ensures a secure electrical connection of the interconnected inner tubes 7.
  • An O-ring 18 is arranged in the mold recess for sealing.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum insbesondere Schachtbohren mit einem Bohrstrang, der Innenströmungsräume umgrenzende Innenrohre sowie diese unter Ausbildung von Außenströmungsräumen mit Abstand ummantelnde Außenrohre umfaßt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Vorrichtungen der vorgenannten Art mit einem Bohrstrang aus aneinander zu befestigenden doppelwandigen Bohrrohren werden beispielsweise zum Schachtbohren eingesetzt, wobei das doppelwandige Bohrrohr ein Außenrohr sowie ein Innenrohr umfaßt und ein Spülmedium in aller Regel in dem Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr zur Bohrlochsohle gepumpt, am Bohrkopf vorbei über in den vom Innenrohr umgrenzten Innenströmungsraum strömen und durch den Innenströmungsraum das Bohrklein nach Übertage fördern kann. Sollen bei Bohrsträngen mit derartigen doppelwandigen Bohrrohren im Verlaufe des Bohrvorganges Informationen erfaßt und zur Umwandlung in Steuersignale an die Erdoberfläche elektrisch weitergeleitet werden, sind besondere Kabel zur elektrischen Übertragung von Meß- und Steuersignalen vorzusehen. Derartige Kabel sind jedoch nicht nur außerordentlich verschleiß- und damit störanfällig insbesondere bei derartigen Doppelwandrohren mit nur besonderen baulichen Maßnahmen vorzusehen und anzubringen. Dabei ist der Ein- und Ausbau des Bohrstranges mit den aneinander festzulegenden Innen- und Außenrohren erheblich erschwert.
  • In der EP-A-0 257 744 ist eine Bohrvorrichtung mit einem Bohrstrang offenbart, welcher ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweist. Innen- und Außenrohr sind beabstandet und über Abstandselemente aneinander gehalten. Zur Übertragung von Signalen von der Bohrlochsohle an die Erdoberfläche sind besondere Leitungselemente vorgesehen. Einerseits ist ein Leitungselement mit Abstand zum Innenrohr und zum Außenrohr angeordnet, so daß Strömungsräume für ein Medium geschaffen sind, das seinerseits für eine Isolierung des Leitungselementes Sorge zu tragen hat. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Leitungselement mit einer äußeren Isolierung versehen und kreissegmentartig zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr angeordnet.
  • Damit ist auch bei dieser Vorrichtung ein verschleiß- und störanfälliges besonderes Bauteil vorzusehen, wodurch der Ein- und Ausbau des Bohrstranges mit den aneinander festzulegenden Innen- und Außenrohren erheblich erschwert ist.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der in möglichst störunanfälliger Weise elektrische Signale zwischen Bohrlochsohle und Erdoberfläche übertragen werden können, gleichfalls jedoch auch der Ein- und Ausbau des Bohrstranges in nicht wesentlichem Maße durch Signalübertragungselemente beeinträchtigt ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aus. Hinsichtlich weiterer wesentlicher Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Ansprüche 2 bis 11 verwiesen.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht in verschleißunanfälliger Weise die Übermittlung von Meß- und Steuersignalen sowie auch von Energie zwischen Erdoberfläche bzw. Bohrlochmund und Bohrlochsohle, ohne daß es besonderer störanfälliger Übertragungskabel bedarf. Die gegeneinander isolierten Innen- und Außenrohre des Rohrstranges bilden dabei die elektrischen Leiter eines Zweileitersystems, wobei gleichfalls in Bereichen von Drehdurchführungen, z. B. Drehantrieb, Bohrkopf und dgl. die elektrische Isolierung in einfacher Weise vorzusehen ist. Die elektrische Isolierung zwischen Innen- und Außenrohrstrang ist in baulich einfacher Weise durch die elektrisch nicht leitende Ausbildung der Abstandshalter zu realisieren. Dies kann beispielsweise durch die Herstellung der Abstandshalter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, beispielsweise Kunststoff und dgl., erfolgen oder durch eine geeignete Beschichtung, z.B. einer Epoxydharzbeschichtung, eines metallischen Abstandshalterkerns. Ist es in bestimmten Anwendungsfällen, z.B. aufgrund der Notwendigkeit der Führung eines Mediums im Außenströmungsraum zwischen Innenmantelfläche des Außenrohres und Außenmantelfläche des Innenrohres mit elektrischer Leitfähigkeit geboten, sind zwecks Vermeidung von z.B. Energieverlusten die Innen- und Außenmantelflächen einschließlich der Abstandshalter mit einem elektrisch nicht leitenden Material zu beschichten.
  • In baulich einfacher Weise sind darüber hinaus die miteinander an ihren Enden zu verbindenden Innenrohre endseitig mit elektrischen Kontakten zu versehen, die eine funktionssichere automatische elektrische Verbindung beim Befestigen des Bohrstranges über die Gewinde der Außenrohre sicherstellen. Dabei finden Kontaktelemente in Gestalt von elektrisch leitfähigen Wurmfedern oder elektrisch leitfähigen Kontaktflächen aus z.B. Kupfer bei den Innenrohren Verwendung, die in Außenformausnehmungen der Innenrohre anzuordnen sind und nach Einführen in die Formausnehmungen über den Formausnehmungsrand in einem geringfügigen Maße derart überstehen, daß nach Aufsetzen eines entsprechenden Endes eines Innenrohres auf das zugehörige Ende des benachbarten Innenrohres die Wurmfeder bzw. das Fächerelement geringfügig zusammengedrückt wird, womit eine sichere Kontaktverbindung auch im rauhen Alltagsbetrieb einer derartigen Vorrichtung ohne einen Montagemehraufwand einhergeht. Zur Ein- und Ausleitung von elektrischen Signalen können insbesondere bei Gegebenheiten, in denen unterschiedliche Geschwindigkeiten zwischen Bohrstrang und Meßwertgeber bzw. -aufnehmer zu berücksichtigen sind, elektrische, mit dem Innen- bzw. Außenrohr einenends zu verbindende Kontakteinheiten wie Schleifringübertragungseinheit, Induktionsspulenübertragungseinheit und dgl. Verwendung finden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung und die nachfolgende Beschreibung verwiesen. Die Zeichnung zeigt:
    • Fig. 1
    in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung, und
    Fig. 2
    ein Doppelrohrelement des in Fig. 1 veranschaulichten Bohrstranges.
  • Das in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsbeispiel der allgemein mit 1 bezifferten Bohrvorrichtung ist als Schachtbohrvorrichtung mit einem Bohrmeißel 2 sowie einem Bohrantrieb 3 ausgebildet.
  • Der allgemein mit 4 bezifferte Bohrstrang besteht aus miteinander verschraubten doppelwandigen Rohren 5. Die Doppelwandrohre 5 haben Außenrohre 6 und Innenrohre 7. Das Innenrohr umgrenzt einen Innenströmungsraum 8. Das mit Abstand das Innenrohr 7 ummantelnde Außenrohr 6 umgrenzt gemeinsam mit dem Innenrohr einen ringförmigen Außenströmungsraum 9. Das Innenrohr 7 ist jeweils über Abstandshalter 10 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material am Außenrohr abgestützt.
  • Das Innenrohr 7 trägt an seinem oberen Ende ein durchbohrtes Zentrierstück 11, um das Innenrohr 7 radial und axial zu haltern. Dieses Zentrierstück 11 bildet gleichfalls einen nicht leitenden Abstandshalter 10 aus. Zwischen Außenrohr 6 und Zentrierstück 11 befindet sich eine Kunststoffhülse 12, die ein spielfreies Halten des Innenrohres 7 ermöglicht. Am unteren Ende des Innenrohres 7 befindet sich das Muffenelement, das auf den Zapfen des folgenden Rohres aufgesetzt wird. Am unteren Ende des Innenrohres 7 ist gleichfalls ein Zentrierstück 13 vorgesehen, das ebenfalls aus Kunststoff besteht und gleichfalls Abstandshalter 10 ausbildet. Zapfen und Muffenteil des Innenrohres sind zum Außenrohr 6 derart angeordnet, daß die Innenverbindung beim Verschrauben der Außenrohre 6 automatisch zentriert und damit ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen eingeführt werden kann. Außerdem liegen dabei die Muffen- und Zapfenelemente in einer zu einer im Ausführungsbeispiel gewählten Strömungsrichtung 14 eines z. B. Spülmediums günstigen Anordnung.
  • Die Außenrohre 6 und die Innenrohre 7 aus einem metallischen Werkstoff sind als gegeneinander isolierte elektrische Leiter zur Übertragung von Meß- und Steuersignalen, aber auch beispielsweise Energie, zwischen Erdoberfläche und Bohrlochsohle während des Bohrbetriebes ausgebildet. Die Abstandshalter 10 sind nicht elektrisch leitend, so daß die Innenrohre 7 und die Außenrohre 6 als Leiter eines Zweileitersystems Meß- und Steuersignal übermitteln können.
  • Um die Rohre 6 und 7 als elektrische Leiter benutzen zu können, ist an allen Verbindungsstellen von Innen- und Außenrohren 6, 7 für eine sichere elektrische Verbindung Sorge getragen. Die Gewindeverbindungen 15 der Außenrohre 6 sind dazu mit einem elektrisch leitenden Gewindefett versehen. Am oberen Ende des Innenrohres 7 (Fig. 2) ist in der Mantelfläche eine erste Formausnehmung 16 sowie zweite Formausnehmung 17 vorgesehen. In die Formausnehmung 16 ist eine Wurmfeder 19 einsetzbar, die nach Aufsetzen eines benachbarten Innenrohres für eine sichere elektrische Verbindung der miteinander verbundenen Innenrohre 7 Sorge trägt. In der Formausnehmung ist ein O-Ring 18 zur Abdichtung angeordnet.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum insbesondere Schachtboren mit einem Bohrstrang, der Innenströmungsräume (8) umgrenzende Innenrohre (7) sowie diese unter Ausbildung von Außenströmungsräumen (9) mit Abstand ummantelnde Außenrohre (6) umfaßt, einem Bohrantrieb (3) sowie einem über den Bohrstrang (4) antreibbaren Bohrwerkzeug (2), dadurch gekenn zeichnet, daß die Innen- und die Außenrohre (7,6) als gegeneinander isolierte elektrische Leiter zur Übertragung von insbesondere Meß- und Steuer- signalen zwischen Erdoberfläche und Bohrlochsohle während des Bohrbetriebes ausgebildet, über elektrisch nicht leitende Abstandshalter (10) aneinander abstütztbar und jeweils mit elektrisch arbeitenden Meß- und Steuereinrichtungen verbindbar sind, wobei die Außenrohre (6) des Rohrstranges (4) an ihren Verbindungsstellen (15) unter Zwischenlage eines Kontaktmaterials aneinander festlegbar sind und die ineinandersteckbaren Innenrohre (7) unter Zwischenlage von elektrisch ausgebildeten Kontakt- elementen (19) aneinander festlegbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abstandshalter (10) aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abstandshalter (10) mit einem elektrisch nicht leitfähigen Material beschichtet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Innenrohre (7) und Abstandshalter (10) einstückig ausgebildet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Kontaktmaterial ein elektrisch leitendes Gewindefett ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenrohre (6) des Rohrstranges (4) an ihren Verbindungsstellen (15) unter Zwischenlage eines Kontaktmaterials aneinander festlegbar sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und/oder Außenrohre (7,6) elektrisch mit einem auf dem Außenrohr (6) festlegbaren Schleifring (20,21) verbindbar sind, mit dem ein Kontaktelement (22) einer Meß- und/oder Steuereinrichtung während der Rotationsbewegung des Bohrstranges (4) in Kontakt bringbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und/oder Außenrohre (7,6) elektrisch mit einer Induktionsübertragungseinheit (23) einer elektrisch arbeitenden Datenverarbeitungseinrichtung verbindbar sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Verbindungsstellen (15,19) zwischen Innen- und/oder Außenrohren durch eine Kapselung nach außen hin verschließbar sind.
  10. Elektrische Verbindung für aneinander festlegbare Rohre eines Bohrstranges, insbesondere für Innenrohre (7) eines Bohrstranges (4) einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß als Kontaktelement zumindest ein in einer Rohrformausnehmung (17) einführbares Wurmfederelement (19) aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen ist.
  11. Elektrische Verbindung für aneinander festlegbare Rohre eines Bohrstranges, insbesondere für Innenrohre (7) eines Bohrstranges (4) einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß als Kontaktelement zumindest ein in eine Rohrformausnehmung (17) einführbares Fächerelement aus einem elektrisch leitfähigen Material vorgesehen ist.
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