NO151907B - Telemetrianordning for generering av trykkpulser som representerer en eller flere parametre nede i et borehull - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en telemetrianordning for generering

av trykkpulser som representerer én eller flere parametre nede i et borehull under en boreoperasjon som anvender en boreinnretning med en rørformet borestreng og en borkrone ved den nedre ende, en pumpe til å presse borefluidum ned gjennom det indre av borestrengen og boreinnretningen for å strømme tilbake gjennom et ringformet omgivende rom, hvilken boreinnretning medfører en restriksjon for borevæskens strømning slik at det fremkommer en høytrykkssone og en lavtrykkssone, og en innretning til å detektere trykkpulsene og gi et mål på størrelsen av hver av parametrene. En slik anordning omfatter et borevæske-gjennomslipningsorgan for å danne fluidumforbindelse mellom høytrykkssonen og lavtrykkssonen, hvilket gjennomslipningsorgan dannes delvis av et ventilsete, et ventillegeme som er bevegbart til og bort fra ventilsetet og utgjør en ventil som er i stand til å arbeide hurtig for lukning eller åpning av gjennomslipningen, og en innretning til å detektere størrelsen av én eller flere paremetre nede i borehullet og til å frembringe elektriske signaler som representerer disse størrelser.

Det er gjort mange forsøk på å tilveiebringe en tilfredsstil-lende overvåkning av tilstanden i et borehull under boring som f. eks. kjent fra US-patentskrift nr. 2.096.279 hvor det anvendes elektriske ledere inne i borstammen, US-patentskrift nr. 3.825.078 hvor det anvendes uttrekkbare sløyfer av ledning inne i borstammen, US-patentskrift nr. 2.354.887 hvor det anvendes induktiv kopling

av en spole eller spoler med borstammen nær borkronen med måling av indusert elektrisk spenning ved jordoverflaten, US-patentskrift nr. 2.787.759 og US-patentskrif nr. 3.488.629 hvor det anvendes pulsede strupninger i borvæskestrømmen som tilveiebringer trykk-pulssignaler til jordoverflaten, og US-patentskrifter nr. 3.186.222, 3.315.224, 3.408.561, 3.732.728, 3.737.845, 3.949.354 og 4.001.774. Hvert av de ovenfor nevnte forslag har en eller annen ulempe som

har gjort at de ikke er kommet til vanlig anvendelse, f.eks. det uhensiktsmessige og tidskrevende ved et stort antall forbindelser av elektriske ledere, at de bare kan anvendes for korte boredybder, og at signal-støyforholdet er slik at det vanskelig kan anvendes på større boredybder.

Endelig kan det nevnes at US-patent 4.078.620 beskriver ven-tilanordninger og tilhørende manøvrerings- og omstillingsinnret-

ninger, for overføring av informasjon fra et borehull.

Etter at jetborkroner er blitt alminnelige og meget store slamvolumer med høyt slamtrykk anvendes, er også overvåkningen blitt upålitelig og utsatt for hurtig nedbrytning. Anvendelse av styrte strupinger i meget kraftige slamstrømmer krever stor og kraftig apparatur som slites hurtig og krever stor energi.

Tilstanden er meget ugunstig i bunnen av et borehull hvor borkronen kan ha vibrasjoner i størrelsesorden 50 g. Temperaturen er ofte så meget som 204°C. Trykket i bunnen av borehullet kan være mer enn 1050 kg/cm 2. Borevæsken som strømmer gjennom borkraven og borkronen er meget slitende. Med dagens boreutstyr med forbedrede borkroner kan det oppnås kontinuerlig boretid med en bestemt borkrone i størrelsesorden 100 til 300 timer og noen ganger lenger før det er nødvendig å skifte borkrone. Dermå må et utstyr for å av-føle og sende signaler for forholdene nær borkronen være i stand til å arbeide uten tilsyn i lengere tid uten justering og med en kontinuerlig kilde for elektrisk energi. Også signaloverførings-utstyret må være i stand til å sende et kontinuerlig brukbart signal eller signaler til jordoverflaten etter hver skjøting av borstammen som vanligvis skjer etter som borehullets dybde øker.

Generelt ansees anordninger som anvender borslampulsering for signaloverføring å være mest praktisk fordi boringen i det tilfelle er minst forstyrrende. Hittil har imidlertid påliteligheten som er oppnådd ved slike anordninger ikke tilfredsstillet kravene. Tidligere foreslått anvendelse av innføring av styrt struping i bore-slamstrømmen er imidlertid komplisert og krever kraftig utstyr nede i borehullet som krever stor energi for å variere strupingen når boreslamstrømmen overskrider 2270 liter pr. minutt og pumpetryk-ket overskrider 210 kg/cm 2.

Hensikten med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en anordning av den innledningsvis nevnte art med sikte på å oppnå en tilstrekkelig sterk trykkpuls til å være effektiv for signalering av tilstander eller betingelser nede i borehullet, samtidig som den anvendte energi for å generere pulsen, holdes på en tilstrekkelig lav verdi til å være operativ på feltet.

Det nye og særegne ved anordningen ifølge oppfinnelsen be-

står i en passasje i forbindelse med gjennomslipningsorganet og forsynt med et bevegelig kompenserende tetningsorgan forbundet med

ventillegemet slik at fluidumtrykket utøver en første hydraulisk kraft på tetningsorganet i den retning som svarer til åpning av ventilen, og væsketrykket utøver en annen hydraulisk kraft på ventillegemet i den retning som svarer til lukning av ventilen idet den netto hydrauliske kraft på ventillegemet er proporsjonal med differansen mellom den nevnte første kraft og den annen kraft, og en innretning som er påvirkbar av de elektriske signaler til å bevege ventillegemet for generering av trykkpulsene i borevæsken.

De foran omtalte problemer ved kjente utførelser er overvunnet med den her angitte løsning, spesielt som følge av den hurtige virkning som er oppnådd, og reduksjonen i nødvendig energi for å manøvrere ventilen.

Ytterligere særegne trekk og fordeler oppnådd ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse, hvor oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningene.

Fig. 1 viser skjematisk en vanlig roterende borerigg utstyrt

med en anordning ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2A viser skjematisk en generator for frembringelse av en

negativ borslamtrykkpuls, med ventilen i åpen stilling.

Fig. 2B viser på samme måte ventilen i lukket stilling.

Fig. 3A viser skjematisk et lengdesnitt gjennom en utførelse av trykkpulsgeneratoren på fig. 2A og 2B sammen med--:føle-innretningen og instrumenteringen i borstammen nær borkronen . Fig. 3B viser et aksialt snitt gjennom en pulsgenerator ifølge

fig. 2A og 2B i en praktisk utførelsesform.

Fig. 3C viser et blokkskjema for en radioaktiv føler med til- hørende instrumentering. Fig. 3D viser et blokkskjema for en temperaturføler med tilhø-rende instrumentering.

Fig. 3E viser et blokkskjema for instrumentering for styring

av ventilen i trykkpulsgeneratoren.

Fig. 4 viser skjematisk utstyret på jordoverflaten i forbin-else med en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen for avføling av en radioaktiv parameter nede i borehullet.

Før en nærmere beskrivelse av oppfinnelsen skal det nedenfor redegjøres for noen grunnleggende faktorer.

I en borstamme med en lengde på 3050 m og en diameter på 11,5 cm er boreslamvolumet i borstammen i størrelsesorden av 19000 liter. Hvis det antas at elastisitetsmodulen for det sammenpressede boreslam er 400 000, vil en uttapping av 1,9 liter væske bevirke et trykktap på 2,8 kg/cm 2. Det kan derfor antas at en uttapping av boreslam nær bunnen av en slik borstamme med en hastighet på

0,47 l/sek., vil bevirke et signal på 0.7 kg/cm 2 pr. sekund på jordoverflaten. Endringstakten for trykket skal her betegnes som i foreliggende tilfelle er lik 10.

Tre viktige eksperimenter er utført:

1. Målingene er gjort i et prøveborehull i en dybde på

549 m med moderate differensialtrykk på 70 kg/cm 2 over en ventil i bunnen. 2. Målingene er gjort i et borehull i et oljefelt i en dybde på 2440 m og lave differensialtrykk på 28 kg/cm 2. 3. Målingene er gjort i et andre borehull i oljefeltet i en

dybde på 1525 m og med høye differensialtrykk på 112 kg/cm 2.

Alle tre serier av eksperimenter indikerte at ^ for trykkpulsene som ble mottatt på jordoverflaten når ventilen plutselig ble åpnet var vesentlig høyere enn beregnet. Grunnene for dette er: (a) meget sammenpresset borslam kan ha en elastisitetsmodul noe høyere enn 400 000, (b) det er noe bølgeledende effekt som skyldes borstammen som bevirker at signalet beveger seg meget mer fordelaktig enn det ville ha blitt i en stor tank med samme volum, og (c) en plutselig åpning av en ventil ved bunnen av borehullet bevirker høyere ^ enn i tilfelle av en stor tank som følge av elastisi-teten av boreslamsøylen over ventilen.

I en borstamme med en lengde på 4575 m med lukket bunn og med en markør plassert på toppen av slamsøylen, ville markøren falle ca. 3 3,5 m når et slampumpetrykk på 210 kg/cm <2>påtrykkes. Det kan derfor antas at slamsøylen er kontinuerlig sammenpresset ca. 30,5

m og virker som en lang fjær i hvilken det er lagret stor potensial energi. Når ventilen ved bunnen av borstammen plutselig åpnes, blir denne potensielle energi utløst og bevirker.en stor negativ slamtrykkpuls, slik at slamtrykkpulsen blir vesentlig større enn i det tilfelle hvor slammet ikke var sammentrykkbart.

Ved eksperimentene som ble foretatt i et borehull på 1525 m

ble en smal passasje på 0,30 cm 2 åpnet mellom innsiden av borkra-

ven og omkretsen og lukket i samsvar med en styrt rekkefølge.

Trykket over ventilen var 112 kg/cm 2 og uttappingen var beregnet

til ca. 0,95 l/sek. Slamvolumet inne i borstammen var ca. 9462

liter og med en elastisitetsmodul for slammet på 400 000 ble trykkfallet beregnet til 2,8 kg/cm 2 pr. sekund. Ved prøvene ble trykkfallet på jordoverflaten målt til over 7 kg/cm 2 pr. sekund eller vesentlig mer enn antatt fra den enkle beregning. Følgende kon-klusjon ble gjort: Med høye trykk (70 kg/cm 2 eller mer) over borkronen, kan store skarpe signaler frembringes på jordoverflaten ved åpning og lukking av en meget liten ventil nær borkronen. Ven-tiler med en åpning på 0,3 5 cm 2kan frembringe sterke signaler fra en dybde på 1525 m og svekkelsen av signalamplituden fra dybder mellom 762 og 1525 m har vist seg å være meget liten.,, hvilket indikerer at signaldempningen er liten.

Anordningen ifølge oppfinnelsen har flere viktige fordeler:

Den hurtige uttapping med en takt på så lite som 0,47 l/sek. vil frembringe en skarp puls, dvs. en puls som har en meget stor trykk-endringstakt, dvs. stor ^ på f.eks. 40. Videre vil den hurtige åpning av ventilen også minske slitasje av følgende grunner: Når ventilen er lukket, er det klart ingen slitasje av ventilsetet.

Når ventilen er åpen og åpningsarealet er stort sammenlignet med

den etterfølgende struping, vil ventilen ha en meget lav strømnings-hastighet og følgelig vil slitasjen ligge hovedsakelig i den etter-følgende struping som kan tåles å være av ikke eroderbart materiale som f.eks. borkarbid. Slitasje opptrer i ventilen bare under åpning og lukking, dvs. bare når strømningshastigheten i ventilsetet er meget stor. Ventilbetjeningen bør ,derfor være så hurtig som mulig for åpning og lukking og det er ingen grenser for ønsket hastighet. Uttappingshastigheten gjennom ventilen bør også være hurtig, men det er en øvre grense over hvilken én hurtigere uttapping ikke er fordelaktig. Dette skyldes at det er en grense for høyfrekvens-overføringen gjennom slammet. Frekvenser høyere enn 100 Hz blir sterkt dempet og er av liten verdi for oppbygningen av en hurtig puls på jordoverflaten. For å bestemme maksimal brukbar utstrømnings-hastighet er det nødvendig å gjøre eksperimenter i full målestokk under anvendelse av et riktig oljeborehull og lang lengde av en van-

lig borstamme. Eksperimentene omfattet en spesielt stor ventil etterfulgt av en innstillbar åpning.

Endringer av åpningens størrelse kan bestemme strømningshas-tigheten i liter pr. sekund. Det ble fastslått at en strømnings-hastighet større enn ca. 11,35 l/sek. betød lite forbedring av signalet. En sammenligning av signaler fra en dybde på 1529 m med forskjellige åpningsstørrelser ble foretatt med 1,3cm diameter, 1,08 cm diameter og 0,68 cm diameter. Det ble fastslått at med en åpningsdiameter på 0,68 cm ble det frembragt et signal på jordoverflaten som var tilnærmet like stort som det som ble frembragt med en åpningsdiameter på 1,3 cm.

Fig. 1 viser en typisk borerigg 10 med en slamsirkulasjonspumpe 12 , et rør 14, et standrør 16, en fleksibel roterbar høy-trykkslange 18, et dreieledd 20 og en borstamme 22 som omfatter en borkrave 24 og en borkrone 26. I kort avstand over borkronen 26 og montert i borkraven 24 er det montert en negativ slamtrykkpulsgenerator 28, en føleinnretning og instrumentering 30. Pulsgeneratoren 28 er av spesiell konstruksjon. Den frembringer en rekke programmerte pulser som hver består av en kort momentan minskning av slamtrykket. Ved en utførelse oppnås dette ved hjelp av en ventil som åpnes momentant og gir en passasje mellom innsiden og utsiden av borkraven 24, dvs. at ventilen styrer en passasje mellom innsiden av borkraven 24 og det ringformede rom 29 mellom borkraven og borehullets vegg.

Utstyret 32 på jordoverflaten er forbundet med en trykkomformer 100 som på sin side er forbundet med ståndrøret 16. Alternativt kan omformeren 100 være forbundet med den stasjonære del av det dreibare ledd 20.

Fig. 2A og 2B viser den negative slamtrykkpulsgenerator 28 skjematisk for å lette forklaringen av dens funksjon og virkemåte. Pulsgeneratoren omfatter et ventilinnløpskammer 42, et ventilut-løpskammer 44 og et kompenseringskammer 72. Innløpskammeret 42

er hydraulisk forbundet via et innløp 38 med innsiden av borkraven 24. Dette kammer 42 er også hydraulisk forbundet med en passasje

48 til utløpskammeret 44. Den hydrauliske strøm gjennom passasjen 48 styres ved samvirke mellom ventillegemet 36 og ventilsetet 37. Utløpskammeret 44 er hydraulisk forbundet med et utløp 51 til det ringformede rom 29. I utløpet 51 er det anordnet en første 52 og en andre 53 kompenseringsåpning. Rommet 40 mellom åpningene 52 og 53 er hydraulisk forbundet gjennom et rør 74 med kompenseringskammeret 72. Innløpskammeret 42 kommuniserer med kompenseringskammeret 72 via en sylinder 49 som inneholder et bevegelig tetningsorgan i form av et kompenseringsstempel 50 som er forbundet med ventillegemet 36 via en stempelstang 46. Ventillegemet 36 er også forbundet ved hjelp av en forbindelsesstang 47 (fig. 3A og 3B) med et betjeningsorgan 54.

Fig. 2B viser ventillegemet 36 i lukket stilling hvor den skraverte del indikerer høytrykksdelen og de ikke skraverte deler betegner lavtrykksdelene. Høyt, lavt og midlere trykk er relative, dvs. differansen mellom trykk på et bestemt sted og det omgivende trykk som her er antatt å være null, men det reelle trykk vil være lik dette trykk pluss det hydrostatiske trykk som kan være 700

2

kg/cm eller mer.

Det effektive areal av ventillegemet 36 gjøres noe større enn det effektive areal av stemplet 50 slik at når ventillegemet 36

er lukket eller tilnærmet lukket,vil kraften på stempelstangen 46 ha den retning som er vist med pilen på fig. 2B og kan tilnærmet være lik 1000 X (a-a') hvor a er det effektive areal av ventillegemet 36 og a<1> er det effektive areal av kompenseringsstemplet 50 på stempelstangsiden.

Fig. 2A viser ventillegemet 36 i åpen stilling, dvs. at slam-strømmen fra innløpskammeret 42 kan passere til utløpskammeret 44 via passasjen 51 til det ringformede rom 29. Den første og andre kompenseringsåpning 52 respektive 53 gir en forhåndsbestemt struping av slamstrømmen og de bevirker begge et trykkfall. Føl-gelig vil trykket i kompenseringskammeret 72 ha enhver verdi mellom det maksimale trykk i kammeret 44 og det minimale trykk i utløpet 51 som svarer til trykket i det ringformede rom 29.

Som nevnt ovenfor, er den skraverte del på fig. 2A likesom på fig. 2B betegnende for høyt trykk og den ikke-skraverte del uten-for 51 betegner lavt trykk. Under åpningen av ventilen vil slammet passere åpningene 52 og 53 og som følge derav vil trykket i rommet 40 mellom høytrykket og lavtrykket være et midlere trykk som er antydet med prikker som vist på fig. 2A. Det midlere trykk i rommet 40 mellom åpningene 52 og 53 kommuniserer via ledningen 74 med kompenseringskammeret 72. Trykket i kompenseringskammeret 72 kan følgelig justeres til enhver egnet verdi mellom høyt trykk og lavt trykk. Dimensjoneringen av åpningene 52 og 53 bestemmer derfor trykket i kompenseringskammeret 72 og følgelig kraften på kompenseringsstemplet 50. Hvis åpningen 52 hadde samme tverrsnitts-areal som åpningen 52, ville trykket i rommet 40 og følgelig i kompenseringskammeret 72 ligge midt mellom høyt og lavt trykk. Når åpningen 53 gjøres større enn åpningen 52, vil trykket i kompenseringskammeret 72 bli mindre og når åpningen 53 gjøres mindre enn åpningen 52, vil trykket i kompenseringskammeret 72 øke. F.eks. hvis åpningen 53 er liten sammenlignet med åpningen 52, vil trykket i kompenseringskammeret 72 være høyt og derfor vil kraften på stemplet 5 0 være stor og lukke ventilen. På den annen side, hvis åpningen 53 er stor sammenlignet med åpningen 52, vil trykket i kompenseringskammeret 72 være lavt slik at ventilen vil forbli åpen. Det er derfor klart at kraften på stemplet 50 kan justeres mellom vide grenser og derved styre virkningen av ventilen.

Det er viktig at kraften som lukker ventilen på fig. 2B

og åpner ventilen på fig. 2A er bestemt av en første og en andre uavhengig parameter, dvs. kraften som lukker ventilen stammer fra den effektive arealdifferanse mellom ventillegemet 36 og den side av kompenseringsstemplet 50 som vender mot stempelstangen, mens den kraft som tjener til å åpne ventilen utledes fra areal-dif feransen mellom åpningene 52 og 53. Ved egnet valg av disse parametre kan ventilen bringes til å åpne og lukke ved hjelp av en meget liten ytre mekanisk kraft.

Det er også viktig at ventilen har bistabil virkning, dvs. at ventilen kan kippe fra åpen til lukket stilling eller omvendt.

Med andre ord velges den første uavhengige parameter slik at når ventilen befinner seg i området for nesten lukket til fullt åpen stilling, blir en forhåndsbestemt kraft påtrykt ventilen i lukkeret-ningen og bibeholdes, og den andre uavhengige parameter velges slik at når ventilen befinner seg i området mellom nesten åpen og fullt åpen påtrykkes en forhåndsbestemt kraft på ventillegemet til åpen stilling og bibeholdes.

Det er således klart at den negative slamtrykkpulsgenerator

28 ifølge oppfinnelsen utnytter den forhåndenværende energi som utledes fra slamtrykket på en slik måte at graden av ytre energi som er nødvendig for å betjene ventilen blir vesentlig minsket og i

tillegg oppnås en bistabil virkning av ventilen.

Fig. 3A viser skjematisk utførelse av pulsgeneratoren 28 og tilhørende utstyr nede i borehullet montert i den nedre ende av borstammen. På fig. 3A har en borstammedel 58 en ytre diameter på 17 cm og en lengde på 91 cm som opptar et hus 5 6 og holdes av ikke viste bæreorganer. Huset 56 inneholder pulsgeneratoren 28 og har i den nedre ende instrumenteringsseksjonen 62, 66 og fødeseksjonen 64. Slam fra det indre av borstammen passerer på utsiden av huset 56

i retning av pilene. Et filter 60 hindrer at faste slampartikler trer inn i huset. Ventillegemet 36 betjenes av en betjeningsinnretning 54. Når ventilen er åpen som vist på fig. 2A, vil noe slam tre ut i det ringformede rom 29. De bøyede piler viser retningen av slamstrømmen. Trykket som tvinger slammet inn i det ringformede rom 29 er trykket over borkronen 26. Når ventilen er lukket, er tilgangen til det "ringformede rom 29 også lukket.

Stemplet 76 skiller kammeret 72 fra det oljefylte kammer 78. Betjeningsinnretningen 54 er montert inne i et oljefylt kammer 80. En utjevningspassasje 82 forbinder kamrene 78 og 80. Samvirket mellom stemplet 76 og passasjen 74, kamrene 72, 78 og 80 opprett-holdes på hovedsakelig samme trykk som kammeret 40. Passasjen 82 er vist med strekede linjer på fig. 3A og er ikke vist på Fig. 3B, fordi det befinner seg i et annet plan enn på det viste tverr-snitt .

Seksjonen 6 6 har en diameter på 6 cm og passer inn i en borstammedel med en ytre diameter på 17 cm og en indre diameter på 8,25 cm. Delene 30 er forsynt med sentraliseringsarmer 70 som passer inn i sporstammedelen 69. Sentraliseringsarmene er beregnet på å sentralisere delen 30, men å gi fri passasje for slammet.

Fig. 3B viser en mer detaljert utførelse av pulsgeneratoren

28 med en betjeningsinnretning 54 som omfatter et par elektriske energiseringsviklinger som er anordnet overfor hverandre. Viklingen 55 er anordnet øverst på tegningen og utøver en kraft i retning oppover på ankeret 57, mens viklingen 59 nederst på tegningen utøver en kraft nedover på ankeret 61. Ankrene 57 og 61 er løst koplet med et mekanisk ledd 63 som er festet på koplingsstangen 47 slik at det oppnås en hammervirkning, dvs. når en av energi-seringsviklingene energiserer, beveges ankeret et kort stykke før det opptar belastningen av stangen 4 7 slik at det oppnås et hammer-lignende slag. Denne hammervirkning har en fordelaktig virkning på åpning og lukking av ventillegemet 36.

Åpningene 52 og 53 har mindre areal enn passasjen 48, slik

at hastigheten av slamstrømmen forbi ventillegemet 36 og setet 37 er vesentlig minsket sammenlignet med hastigheten av slamstrøm-men gjennom åpningene 52 og 53, slik at slitasjen konsentreres til åpningene 52 og 53 som består av slitasjeholdbart materiale som f.eks. borkarbid og som lett kan byttes ut som antydet på fig. 3B. Disse små slitasjebestandige åpninger 52 og 53 gjør at pulsgeneratoren 28 blir fullstendig feilsikker, dvs. at det er det samme hva som hender med ventillegemet 36 som f.eks. at det blir stående i åpen stilling, vil mengden av slam som kan strømme gjennom åpningene 52 og 53 ikke ha noen vesentlig uheldig virkning på boringen. En ytterligere fordel ved å gjøre åpningene 52 og 53 lett utskiftbare er at de kan tilpasses varierende vekt og viskositet av slammet.

Da pulsgeneratoren 28 utsettes for sterke vibrasjonskrefter, må det sørges for stabilitet av ventillegemet 36 i både åpen og lukket stilling. Dette sikres ved en bistabil virkning av ventillegemet 36 som tidligere beskrevet.

Den vertikale akselerasjon som skyldes boring er sterkere i retning oppover enn i retning nedover. Når tennene i borkronen 26 møter hardt fjell, blir borkronen og borkraven 24 presset oppover, dvs. akselerert i retning oppover, men når borkronen beveges oppover og ut av berøring med fjell, er det liten kraft uten akselerasjonen som skyldes tyngdekraften som tvinger borkronen og borkraven nedover. Følgelig kan aselerasjonen oppover være flere hundrede g mens akselerasjonen nedover bare er av størrelsesorden 1 g. Ventillegemet 36 må derfor konstrueres slik at når det befinner seg i lukket stilling, må sterk akselerasjon oppover holde ventillegemet lukket og sterk akselerasjon nedover vil åpne ventilen. Dette er oppnådd ved den konstruksjon som er vist på fig. 3A og 3B.

Ved forskjellige prøver og eksperimenter er det funnet at en kraft på ca. 15 kg er nødvendig for å betjene ventillegemet 36 når den første og andre uavhengige parameter som ovenfor beskrevet er valgt slik at det oppnås en bistabil virkning for å oppnå tilstrekkelig stabilitet av ventillegemet 36. Med god sikkerhetsfaktor i tillegg er den nødvendige kraft 30 til 45 kg. For å utøve kraft av denne størrelse over den nødvendige bevegelsesvei for ventillegemet med elektromagnetiske viklinger av rimelig størrelse, er det nødvendig med ca. 350 Watt eller nærmere en halv hestekraft. Med så stor nødvendig elektrisk energi synes det umiddelbart at for et større antall betjeninger av ventillegemet 36 er det nødvendig med en elektrisk energikilde som ligger langt over kapasiteten for en vanlig selv-underholdende matekilde. Dette problem er overvunnet ved hjelp av den beskrevne pulsgeneratoren 28 som gir en meget hurtig bevegelse av ventillegemet 36, dvs. at ventillegemet 36 kan. åpnes eller lukkes med 350 watt i løpet av bare 20 millisekunder. Energiforbruket for åpning eller lukking av ventilen er derfor

Det står idag til rådighet batterier av rimelig størrelse til å

bli anbragt inne i en borkrave 24 og som lett kan levere 2000

watt timer. Et slikt batteri kan derfor uten gjenoppladning levere nok energi til å betjene ventillegemet 36 ca. 1 million ganger. Hvis det antas at ventilen betjenes 1 gang hver 4. sekund, kan ett enkelt batteri være i stand til å betjene ventilen kontinuerlig i over 1 måned. Dette er viktig ved kontinuerlig boring fordi den tid som forløper mellom utskifting av borkrone er ca. 100 til 300 timer slik at 30 dager skulle være mer enn tilstrekkelig.

Konstruksjonen av pulsgeneratoren 28 er en kompleks sak. Selv om omhyggelige beregninger på grunnlag av hydrodynamiske teorier er gjort, må mange parametre bestemmes empirisk. Et viktig punkt her er at boreslammets viskositet er tiksotropisk og det dynamiske forløp er meget forskjellig fra væsker med såkalt Newton-viskositet. Boreslammets egenvekt gram pr. kubikkcentimeter og viskositet varierer over et stort område og egenvekten varierer vanligvis over et meget mindre område enn viskositeten. Boreslam inneholder vanligvis ikke bare kolloide partikler i oppløsning, men også større sand-korn og andre partikler.

Bestemmelse av det minste areal for åpningene 52 og 53 som bestemmer uttømmingshastigheten av væsken i det ringformede rom 29

er gjort eksperimentelt. Det ble da anvendt en stor servoventil med en diameter på 25 mm og mindre utskiftbare åpninger. Eksperimentene

ble utført i borehull med en dybde på 2440 og 1525 m ved omhyggelige målinger av størrelsen av den negative slamtrykkpuls på jordoverflaten som funksjon av størrelsen av åpningene. Når åpningene ble minsket, ble størrelsen av pulsen på jordoverflaten tilnærmet

uavhengig av arealet av åpningene inntil et overraskende lite areal på 0,35 mm , hvoretter en liten minsking i pulsstørrelsen ble iakt-tatt. Dette var absolutt uventet, men er senere forstått etter omhyggelige .overveielser av de elastiske egenskaper for slamsøylen og den lagrede potensielle energi som beskrevet ovenfor. Denne oppda-gelse førte til det resultat at en liten pulsgenerator kan levere

et brukbart signal j?å jordoverflaten. Deretter ble det foretatt beregninger og det ble bestemt at servoprinsippet for ventilvirkningen ikke var nødvendig og at servoventilen derfor ble sløyfet. Den di-rekte hurtigvirkende pulsgenerator som her beskrevet, ble deretter konstruert og har vist seg velegnet.

En negativ slamtrykkpulsgenerator 28 med følgende dimensjoner har vist seg velegnet: Åpningen 52 har en diameter på 1,27 cm, åpningen 53 har en diameter på 0,78 cm, arbeidsslaget for ventillegemet 36. er 0,3 cm, diameteren av stemplet 50 er 0,97 cm, diameteren av ventillegemet 36 i seteflaten er 1,1 cm, vinkelen for setet 37 i forhold til ventillegemets akse er 60°, diameteren for åpningen i setet 37 eller passasjen 48 er 0,95 cm, og diameteren av stempelstengene 46 og 47 er 0,475 cm.

Et annet viktig forhold ved oppfinnelsen er at lengden av det tidsrom i hvilket ventilen er åpen ikke har noen forbindelse med mengden av energi som er nødvendig. Den eneste energi som er nød-vendig er den som bringer ventilen til åpen stilling. Viktigheten av dette fremgår tydelig av følgende overveielse.

Det er ved eksperimenter fastslått at for å oppnå et sterkt signal fra en dybde på 3050 m til 6100 m må ventilen holdes åpen i ca. i til 1 sekund og enhver elektromekanisk innretning som ar-beider i så lang tid vil ikke bare nødvendiggjøre meget energi, men vil også bli overopphetet og under spesielle forhold brenne opp som følge av den utviklede varme.

Som nevnt ovenfor, er det som eksempel angitt to typiske følere som kan anvendes i forbindelse med oppfinnelsen. Fig. 3C viser en føler for naturlig gammastråle og tilhører utstyr som i dette eksempel er av analog art. Fig. 3D viser en temperaturføler og i dette eksempel er denne av digital art. Den ene eller den andre av disse følere kan forbindes med inngangsklemmen i instrumenteringen som vist på fig. 3E som skal beskrives nedenfor.

Fig. 3C viser en geigerteller 168 som på vanlig måte tilfører en høyspenning +HV. Geigertelleren frembringer pulser som via en kondensator 169 tilføres en forsterker 171 som frembringer pulser i utgangen svarende til geigertellerens pulser. Disse pulser til-føres en krets 172 som frembringer en utgangspuls for hver 1024 geigertellerpulser og disse utgangspulser har en tidsavstand t^.

Jo sterkere gammastråling, jo større blir pulsfrekvensen fra kret-sen 172 og jo kortere vil tiden t^ være.

Fig. 3D viser temperaturføleren som er utstyrt med en tempera-turavhengig motstand 173 som leverer en likespenning som er proporsjonal med temperaturen. En forsterker 174 forsterker likespen-ningen og tilfører denne til en analog-digitalomformer 175 som leverer en rekke bittgrupper, den ene etter den annen som hver representerer et tall som er proporsjonalt med den avfølte temperatur. Utgangssignalene fra kraftforsterkerne 185, 186 anvendes for énergi-sering av viklingene som betjener ventillegemet 36. Når viklingen 55 energiseres, vil ankeret 57 på fig. 3B beveges oppover slik at stangen 47 betjener ventillegemet 36 slik at det åpner. Når viklingen 59 energiseres, vil ankeret 61 beveges nedover og dermed stangen 47 som betjener ventillegemet 36 til lukket stilling.

Ved de her anvendte følere representeres størrelsen av para-meterne nede i borehullet av elektriske pulser. Rekken av pulser

representerer en kode (binær eller annen) og rekken representerer størrelsen av parameteren. Fig. 3E viser hvorledes hver enkelt puls i denne kode betjener ventillegemet 36. På fig. 3E representerer 177 en slik puls som er meget kort i tid, bare noen få

mikrosekunder. Denne puls 177 påtrykkes blokken 178 som inneholder en monostabil multivibrator og fortrinnsvis inverterende likeretten-de kretser som reagerer på en enkelt inngangspuls og leverer to utgangspulser som er adskilt i tid ved liten t^, av hvilke den første opptrer samtidig med inngangspulsen og den andre opptrer med en for-sinkelse på t^ som vist med pulsene 179 og 180. Disse pulser 179 og 180 påtrykkes hver sin blokk 181, 182 som er identiske og for- ' lenger pulsene. Hver inngangspuls forlenges til en puls 183 respektivt 184 og tilføres en "Darlington"-forsterker 185 respektivt 186.

Ved en praktisk utførelse av fig. 3E er det valgt en konstant

t^ = 500 millisekunder og t2 = 20 millisekunder. Når en enkelt puls 177 påtrykkes ledningen 167, blir Darlington-forsterkeren 185 koplet inn i 20 millisekunder og deretter koplet ut. 500 millisekunder senere blir Darlington-forsterkeren 186 koplet inn i 20 millisekunder og deretter koplet ut. Ventillegemet 36 åpnes i 500 millisekunder uten at det kreves energi i denne periode. Energi kreves bare i de korte 20 millisekunder som er nødvendig for å betjene ventillegemet 36 til åpen eller til lukket stilling. Med den hurtige bistabile virkning utøves høye trykk og volumer i slammet uten at det er nødvendig å anvende store kvanta energi, men derimot liten energi fra batterier som kan betjene ventillegemet ca. 1 million ganger.

Ved en utførelse av anordningen ifølge oppfinnelsen er vekten av hele mekanismen innbefattet ventillegemet 36, ankeret 54, stangen 46 og stemplet 50, ca. 255 g. Ventillegemet 36 er beregnet på et differensialtrykk på 112 kg/cm 2 som inkluderer kraften som er nød-vendig for å åpne og lukke ventillegemet 36 og må overskride krefter som skyldes vertikal akselerasjon av hele anordningen nær borkronen 26. Hvis det antas en vibrasjon på 60 g og en vekt på 255

g, er den maksimale vertikale kraft på ventillegemet 36 som skyldes vibrasjon av anordningen 56 ca. 15,5 kg. For å være sikker på at ventillegemet 36 ikke vil åpne utilsiktet, må kraften som holder ventillegemet lukket på fig. 2B og kraften som åpner ventilen på

fig. 2A begge over^skride ca. 15,5 kg. Ved egnet valg av den første og andre uavhengige parameter kan det oppnås en balansert tilstand. Ved balansert skal her forstås at kraften som er nød-vendig for å åpne ventilen er lik kraften som er nødvendig for å lukke den.

Utstyret på jordoverflaten som anvendes i forbindelse med anordningen nede i borehullet må eliminere interferensvirkning som opptrer i trykkomformeren 100 og som kan ha forskjellige former.

Fig. 4 viser utstyret på jordoverflaten for overvåkning av radioaktivitet for jordformasjoner som boret passerer under boringen. Trykkomformeren 100 er forbundet med standrøret 16 og omformer variasjoner i slamtrykket i standrøret til elektrisk spenning. Denne spenning representerer en blanding av to kompo-nentsignaler, nemlig det nyttige informasjonssignal og interfe-renssignal. Informasjonssignalet er en rekke av korte negative slamtrykkpulser som dannes ved hurtig åpning og lukking av ventilen. Interferenssignalet har form av forholdsvis langsomme og periodiske trykkvariasjoner som frembringes ved slagene i slampumpen 12. Disse slampumpesignaler maskerer eller gjør informasjonssignalene

utydelige.

En viktig funksjon i denne forbindelse,er fra det forstyrrede signal som leveres av omformeren 100, å utlede et rent, ønsket informasjonssignal. Dette oppnås ved hjelp av en signalutleder 102 som er forbundet med utgangsklemmen 101 på trykkomformeren 100. Signalutlederen eliminerer den interfererende virkning og leverer på utgangen 108 en rekke pulser fra hvilke informasjonen med hensyn til parameteren nede i borehullet lett kan utledes. ^Det er klart at innenfor oppfinnelsens ramme er det mulig forskjellige endringer og modifikasjoner. F.eks. kan det nede i borehullet være anbragt følere for flere enn to parametere. Det er videre klart at følere for flere parametere kan anvendes samtidig og i dette tilfelle anvendes kjent teknikk som f.eks. tidsdeling, multipleksing og lignende for behandling av data som representerer de forskjellige parametere.

Det er videre klart at borstammen 31 på fig. 1 ikke behøver roteres ved hjelp av et roterende organ på jordoverflaten, men borkronen 26 kan roteres ved hjelp av en slammotor som er anordnet umiddelbart over borkronen 26 i borstammen. Når en slik slammotor anvendes, vil det over denne opptre et stort trykkfall fordi den drives av slamstrømmen. Dette store trykkfall kan utnyttes for å oppnå trykkforskjell mellom innsiden av borstammen og det ringformede rom mellom borstammen og borehullets vegg, og i et slikt tilfelle behøver det ikke anvendes borkrone av jettypen.

Tilstedeværelsen av trykkfallet over slammotoren understøtter driften av anordningen ifølge oppfinnelsen så lenge den negative slamtrykkpulsgenerator befinner seg over slammotoren.

Den nevnte struping gjelder enten en borkrone av jet-typen eller en slammotor eller begge. Uttrykket høytrykkssone gjelder på oversiden av strupingen og lavtrykkssonen gjelder undersiden av strupingen.

Det er klart at i enkelte tilfeller kan det anvendes flere slampumper i en enkelt borerigg og disse pumper må nødvendigvis arbeide synkront.

Claims (21)

1. Telemetrianordning for generering av trykkpulser som representerer én eller flere parametre nede i et borehull under en boreoperasjon som anvender en boreinnretning med en rørformet borestreng og en borkrone ved den nedre ende, en pumpe til å presse borefluidum ned gjennom det indre av borestrengen og boreinnretningen for å strømme tilbake gjennom et ringformet omgivende rom, hvilken boreinnretning medfører en restriksjon for borevæskens strømning slik at det fremkommer en høytrykkssone og en lavtrykkssone, og en innretning til å detektere trykkpulsene og gi et mål på størrelsen av hver av parametrene, og omfattende et borevæske-gjennomslipningsorgan (4 2) for å danne fluidumforbindelsé mellom høytrykkssonen og lavtrykkssonen, hvilket gjennomslipningsorgan (42) dannes delvis av et ventilsete (37), et ventillegeme (36) som er bevegbart til og bort fra ventilsetet og utgjør en ventil som er i stand til å arbeide hurtig for lukning eller åpning av gjennomslipningen, og en innretning (64) til å detektere størrelsen av én eller flere parametre nede i borehullet og til å frembringe elektriske signaler som representerer disse størrelser, karakterisert ved en passasje (49) i forbindelse med gjennomslipningsorganet og forsynt med et bevegelig kompenserende tetningsorgan (50) forbundet med ventillegemet (36) slik at fluidumtrykket utøver en første hydraulisk kraft på tetningsorganet i den retning som svarer til åpning av ventilen, og væsketrykket utøver en annen hydraulisk kraft på ventillegemet (36) i den retning som svarer til lukning av ventilen idet den netto hydrauliske kraft på ventillegemet (36) er proporsjonal med differansen mellom den nevnte første kraft og den annen kraft, og en innretning (54) som er påvirkbar av de elektriske signaler.til å bevege ventillegemet for generering av trykkpulsene i borevæsken.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det bevegelige tetningsorgan (50) er et stempel og passasjen (49) er en sylinder.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at ventilen er innrettet til å energiseres elektrisk og er i stand til å arbeide hurtig for lukning og åpning av gjennomslipningen, og omfatter en elektrisk energikilde (181) som er påvirkbar av de nevnte elektriske signaler for å tilføre en forholdsvis stor mengde elektrisk effekt for å igangsette åpning av ventilen, henholdsvis vesentlig mindre effekt når ventilen er åpen eller lukket, for å generere trykkpulsene i borevæsken.

4. Anordning ifølge et av kravene 1-2, karakterisert ved at den innretning som er påvirkbar av de elektriske signaler er innrettet til å generere en første spenningsendring (183) til å åpne ventilen og på en annen spenningsendring (184) til å lukke ventilen.

5. Anordning ifølge et av kravene 1 - 4, karakterisert ved at en del av gjennomslipningsorganet (42) har en lengdeakse og har det nevnte ventilsetet (37) i denne, og at ventillegemet (36) er bevegbart i en lineær bane som faller sammen med aksen gjennom ventilsetet, samt at elektromagnetinnretning (55) utøver en kraft som aksielt faller sammen med ventillegemet, for å omstille ventilen.

6. Anordning ifølge et av kravene 1- 5, karakterisert ved en innretning (181, 182) til å levere elektriske strømsignaler til omstilling av ventilen og i avhengighet av den nevnte størrelse som representerer elektriske signaler, og en innretning (50) , som når ventilen holdes i åpen eller lukket stilling, anvender elektriske strømmer som er lavere enn de elektriske strømstørrelser som opprinnelig ble påtrykket for å åpne eller lukke ventilen.

7. Anordning ifølge et av kravene 1- 6, karakterisert ved at ventilen er utformet slik at den foretar omstilling fra lukket til åpen stilling på en tid som er kortere enn 20 millisekunder.

8. Anordning ifølge et av kravene 1- 7, karakterisert ved at ventilen (36) er dimensjonert til å avstedkomme en strømningshastighet for borevæske gjennom gjennomslipningsorganet på i det minste 0,4 7 1 pr. sekunder når ventilen er i åpen stilling.

9. Anordning ifølge et av kravene 1- 8, karakterisert ved at ventilen er dimensjonert til å være i stand til å avstedkomme en økningshastighét i borevæskestrømning gjennom gjennomslipningsorganet når ventilen bringes til å åpne seg, på i det minste 23,8 1 pr. sekund pr. sekund, for derved å frembringe skarpe trykkpulser i borevæsken.

10. Anordning ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved en innretning (131, 182) for avledning av ventil-påvirkningssignaler fra den nevnte størrelsen som representerer elektriske signaler (175) og en innretning (50) for å holde ventilen i en åpen eller lukket stilling ved fravær av et påvirknings-signal.

11. Anordning ifølge et av kravene 1-10, karakterisert ved at innretning (50) til å holde ventilen i åpen eller lukket stilling er basert på hydraulisk frembragte krefter.

12. Anordning ifølge et av kravene 1 - 11, karakterisert ved at ventilen etter å være beveget til åpen stilling blir presset til lukket stilling av kraften av bore-væskestrømning gjennom gjennomslipningsorganet (42).

13. Anordning ifølge et av kravene 1 - 12, karakterisert ved at ventillegemet (36) er forbundet med det bevegelige, kompenserende tetningsorgan med fluidumforbindelse med gjennomslipningsorganet (42) for å avstedkomme en trykkdifferanse over dette slik at det genereres en kraft i retning motsatt av den kraft som genereres av væsketrykket på ventillegemet (36) , for derved å redusere den kraft som er nødvendig for å åpne ventilen.

14. Anordning ifølge et av kravene 1-13, karakterisert ved at en elektromagnetinnretning (55, 59) tjener til å påtrykke en kraft i en første retning for å åpne ventilen og til å påtrykke en kraft i en annen retning for å lukke ventilen.

15. Anordning ifølge et av kravene 1 - 14, karakterisert ved en elektromagnetinnretning (55, 59) som omfatter to viklinger som er arrangert slik at når den ene vikling energiseres utøver den en kraft i den nevnte første retning for å åpne ventilen, og når den annen vikling energiseres utøver den en kraft i den annen retning for å lukke ventilen.

16. Anordning ifølge et av kravene 1-15, karakterisert ved at væskegjennomslipningsorganet (42) har et inn-løp (38) for borevæske og en væskefilterinnretning (60) er anbragt i gjennomslipningsorganet mellom innløpet og ventilen.

17. Anordning ifølge et av kravene 1-16, karakterisert ved at ventillegemet (36) befinner seg over ventilsetet (40) slik at oppadrettet akselerasjon av ventilsetet (40) presser ventilen mot lukket stilling.

18. Anordning ifølge et av kravene 1-17, karakterisert ved en innretning (74) til å anlegge trykket nedstrøms for ventilen, på den side av kompensasjonsorganet (50) som ligger motsatt av ventilen (36).

19. Anordning ifølge et av kravene 1-18, karakterisert ved at gjennomslipningsorganet (42) har et utløp (53) for borevæske og en åpning (52) plassert mellom ventilsetet og ut-løpet, for - når ventilen er åpen - å frembringe eh mellomtrykksone (40), og omfattende en innretning (74) til å forbinde mellomtrykk-sonen (40) med den side av det kompenserende tetningsorgan (50) som er motsatt av ventillegemet, hvor de effektive arealdifferanser mellom ventillegemet (36) og det nevnte organ (50), samt de relative dimensjoner av åpningen (52) er valgt slik at ventillégemet (36) kan omstilles til åpen eller lukket stilling ved påtrykning av krefter som har reduserte størrelser.

20. Anordning ifølge et av kravene 1 - >1 9 , karakterisert ved en innretning (181, 182) som leverer strømsig-naler for påvirkning av elektromagneten i avhengighet av den nevnte størrelse som representerer elektriske signaler (175), og en innretning (178) som når ventillegemet (36) holdes i åpen stilling eller lukket, stilling, anvender elektriske strømmer hvis størrelser er lavere enn de elektriske strømstørrelser som opprinnelig ble påtrykket for å omstille ventillegemet.

21. Anordning ifølge krav 3 og et av kravene 4-20, karakterisert ved at i det vesentlige mindre effekt innbefatter i det vesentlige ingen effekt.