NO154674B

NO154674B - Innretning for signalering i et borehull under boring.

Info

Publication number: NO154674B
Application number: NO812775A
Authority: NO
Inventors: Michael King Russell; Anthony William Russell
Original assignee: Sperry Sun Inc
Priority date: 1980-11-20
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1986-08-18
Also published as: NL8103974A; IT8123575A0; SU1199204A3; JPS5789093A; DE3132820A1; NO812775L; DE3132820C2; CA1165854A; BR8105394A; JPS642757B2; US4802150A; CH644184A5; FR2494340B1; NO154674C; IT1139400B; FR2494340A1

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for signalering

i et borehull under boring, og særlig en borehull-signal-

sender for et slam-puls-telemetrisystem.

Forskjellige typer av systemer for måling under

boring, såkalte MWD-systemer (measurements-while-drilling systems), er blitt foreslått for utførelse av målinger i et borehull mens boring pågår og for overføring av måledataene til overflaten. Hittil har imidlertid bare én systemtype hatt kommersiell suksess, dvs. det såkalte slam-puls-tele-metrissystem. I dette system blir slamstrømmen, som passe-

rer ned gjennom borestrengen til borkronen og deretter til-

bake opp gjennom det ringformede rom mellom borestrengen og borehullveggen med det formål å smøre borestrengen og føre bort boreproduktene, benyttet til å overføre måledataene fra et måleinstrument nede i borehullet til en mottaker og data-prosessor ved overflaten. Dette oppnås ved å modulere slam-

trykket i nærheten av måleinstrumentet under styring av det elektriske utgangssignal fra måleinstrumentet, og å avføle de resulterende slampulser ved overflaten ved hjelp av en trykkomvandler.

Nåværende slampuls-telemetrisystemer benytter en

i borehullet anbrakt signalsender som er innbygget i bore-

kragen eller, borevekten (drill coilar). Disse systemer lider derfor av den ulempe at hele borestrengen, i tilfelle av instrumenteringssvikt i senderen, må trekkes opp for å

gjøre det mulig å erstatte den feilaktige del. Videre er den kombinerte sender/borevekt meget kostbar å produsere.

Ett sådant system omfatter en turbin som drives av slamstrømmen og driver en elektrisk generator for tilførsel av effekt til måleinstrumentet. Turbinen driver også en hydraulisk pumpe for forskyvning av en strupedel for å

frembringe de nødvendige slampulser. Forskyvningen av strupedelen bestemmes av det elektriske utgangssignal fra måleinstrumentet. Det er imidlertid av den største viktig-

het at slammet ikke trenger inn i det hus som inneholder den elektriske generator og den tilhørende mekanisme, og følgelig omgir en roterende tetning den aksel som kopler turbinen til generatoren. En sådan tetning er vanskelig å

fremstille og tilbøyelig til svikt som fører til at hele borestrengen må trekkes opp og borekragen eller borevekten (drill coilar) må erstattes.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en generelt forbedret borehull-signalsender for et slampuls-telemetrisystem.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en borehull-signalsender for et slampuls-telemetrisystem, omfattende en strømningsinnsnører som avgrenser en strupeåpning for slammet som passerer langs en■borestreng, en strupedel som er forskyvbar i forhold til strupeåpningen, for å variere strupeåpningens gjennomstrømningstverrsnitt, en styreanordning for forskyvning av struedelen for å modulere slamtrykket, og en turbogenerator som har et skovlhjul som er innrettet til å drives av slammet som passerer langs borestrengen, og en elektrisk generator som er anbrakt i en slamfri omgivelse i en kappe, hvilken sender er kjennetegnet ved at skovlhjulet er magnetisk koplet til den elektriske generator for å bibringe drivende dreiemoment til denne.

Et sådant arrangement er særlig bekvemt da det ikke bare genererer den elektriske effekt som er nødvendig for å drive måleinstrumentet og/eller andre anordninger, men også setter generatoren i stand til å holdes i en ren-fluidum-omgivelse inne i kappen uten at en roterende tetning må anordnes mellom skovlhjulet og generatoren.

Turbogeneratoren omfatter fortrinnsvis en i kappen anordnet, roterbar magnetmontasje som er innrettet til å rotere med skovlhjulet og er koplet til generatoren, og skovlhjulet omfatter en elektrisk ledende ring som omgir kappen i nærheten av den roterbare magnetmontasje, slik at det i den elektrisk ledende ring, når skovlhjulet roteres av slamstrømmen, induseres hvirvelstrømmer av det magnetfelt som er knyttet til magnetmontasjen, og magnetmontasjen bringes til å rotere med skovlhjulet i kraft av vekselvirkningen mellom det magnetfelt som er knyttet til magnetmontasjen, og det magnetfelt som er knyttet til de induserte strømmer. Den elektrisk ledende ring består fortrinnsvis av en ring av et materiale med god elektrisk ledningsevne, såsom kobber, i hvilken hvirvelstrømmer kan induseres, og som er omgitt av en ring av et kraftig magnetiserbart materiale, såsom stål, som kan tilveiebringe en returbane for den magnetiske fluks.

Alternativt kan skovlhjulet omfatte en magnetiserbar ring som omgir kappen i nærheten av den roterbare magnetmontasje, slik at magnetmontasjen, når skovlhjulet roteres av slamstrømmen, bringes til å rotere med skovlhjulet i kraft av den magnetiske tiltrekning mellom magnetmontasjen og den magnetiserte ring. Den magnetiserbare ring er fortrinnsvis en hysteresering, dvs. en ring av ferromagnetisk materiale, såsom 35 % coboltstål, som har en høy koersitivkraft og derfor en hysteresesløyfe med stort areal, da størrelsen av det dreiemoment som kan overføres av ringen til magnetmontasjen, er avhengig av hysteresesløyfens areal.

Magnetmontasjen er fortrinnsvis en magnetmontasje av sjeldne jordarter, dvs. en magnetmontasje som benytter sådanne magneter som samarium-cobolt-magneter som omfatter sjeldne jordmetaller. Sådanne magneter har en meget høy koersitivkraft, slik at magnetene, selv når de benyttes i en konfigurasjon med åpen sløyfe, kan være i stand til å indusere betydelige hvirvelstrømmer i den elektrisk ledende ring, eller til å magnetisk mette den magnetiserbare ring. Videre er slike magneter nesten umulige å avmagnetisere.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utføreleseksempel under henvisning til teningene som viser en foretrukket utførelse av en nedhulls-signalsender ifølge oppfinnelsen, og der fig. 1 viser et lengdesnitt gjennom en øvre del av senderen, fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom en sentral del av senderen, fig. 3 viser et lengdesnitt gjennom en nedre del av senderen, og fig. 4 viser et lengdesnitt gjennom et parti av den nedre del etter linjen IV - IV på fig. 3.

Den på tegningen viste signalsender 1 er under drift montert inne i en ikke-magnetisk borekrage eller bore-vekt og koplet til et måleinstrument som er anbrakt i en instrument-trykk-kappe som er montert inne i borevekten umiddelbart under senderen 1. Borevekten er anbrakt ved

enden av en borestreng i et borehull som er under boring,

og måleinstrumentet kan for eksempel tjene til å overvåke borehullets helling i nærheten av borkronen under boring. Signalsenderen 1 tjener til å sende måledataene til overflaten i form av trykkpulser ved å modulere trykket av det slam som passerer ned gjennom borestrengen. Senderen 1 er dannet som en komplett enhet og er montert inne i borevekten på en slik måte at den kan gjenvinnes eller gjenopptas, for eksempel i tilfelle av instrumenteringssvikt, ved å

føre en ståltrådline ned gjennom borestrengen og sammenkople ståltrådlinen med en fiskehals på senderen, for eksempel ved hjelp av en i og for seg kjent gripeanordning på enden av stråltrådlinen, og å trekke senderen opp gjennom borestrengen på enden av ståltrådlinen.

Idet det henvises til fig. 1 - 3, omfatter senderen 1 en kanal eller et rør 2 som ved sin øvre ende er forsynt med en ringformet strømningsinnsnører 4 som avgrenser en strupeåpning 6 for slammet som passerer ned gjennom borestrengen i retning av pilen 8. Inne i røret 2 er anordnet en langstrakt kappe 10 som ved sin øvre ende, i nærheten av strupeåpningen 6, bærer en strupedel 12 som er forskyvbar i forhold til kappen 10 i retning av rørets 2 akse for å variere strupeåpningens 6 gjennomstrømningstverrsnitt. Strupedelen 12 er forsynt med et skaft 14 som strekker seg inn i kappen 10, idet rommet inne i kappen 10 er fylt med hydraulisk olje for å sikre hydrostatisk trykkbalanse, og er avtettet ved sin øvre ende ved hjelp av en Viton-membran 16 som strekker seg mellom kappens 10 innervegg og skaftet 14. Kapen 10 er stivt montert i røret 2 ved hjelp av tre øvre bæresteg 18 og tre nedre bæresteg 20 som strekker seg radialt mellom kappen 10 og røret 2, slik at det mellom kappen 10 og røret 2 er tilveiebrakt et ringformet mellom-rom for slamstrøm.

Et ringformet skovlhjul 22 med en rekke blad 24 som er fordelt på skovlhjulets omkrets og er skråttstilt i forhold til slamstrømmen, omgir kappen 10 og bæres på en skulder 26 på kappen ved hjelp av et fylt PTFE (polytetra-fluorethylen)-trykklager 28. Bladene 24 er montert på et magnetiserbart stålboss 30 som omgir en kobber-drivring 32. En magnetmontasje 34 av skjeldne jordarter bæres av en ringformet aksel 36 som er roterbart montert inne i kappen 10 ved hjelp av lagre, såsom 38, og omfatter seks Sm Co (samarium-cobolt)-magneter 40 som er fordelt rundt akselens 36 omkrets. Tre av magnetene 4 0 har sine Nordpoler vendende radialt utover, og ytterligere tre av magnetene 40, som veksler med de foregående tre magneter 40, har sine Sydpoler vendende radialt utover. Når skovlhjulet 22 rote-rer i slamstrømmen, vil hvirvelstrømmer bli indusert i kobber-drivringen 32 på grunn av det intense magnetfelt som er knyttet til de seks Sm Co-magneter 40, idet det magnetiserbare stålboss 30 tilveiebringer returbaner for magnet-fluksen, og magnetmontasjen 34 og dermed akselen 36 vil bli brakt til å rotere med skovlhjulet 32 i kraft av vekselvirkningen mellom det magnetfelt som er knyttet til magnetene 40, og det magnetfelt som er knyttet til hvirvelstrømmene som induseres i drivringen 32.

Den ringformede aksel 3 6 driver en rotor 4 2 av en elektrisk generator 44 for tilførsel av effekt til måleinstrumentet via en sirkulær gangplate 4 6 som er svingbart montert inne i akselen 36 ved hjelp av dreietapper 47, og en dreiemoment-drivarm 48 (se fig. 4) som er festet til platens 46 omkrets og innrettet til å danne inngrep med en drivtapp 50 som er festet til rotorens 42 omkrets. Den ringformede aksel 36 driver dessuten en hydraulisk pumpe 52 via en skråttstilt skvalpeplate 54 og en tilhørende stempel-trykkplate 56 som er forsynt med en kulelagerbane 57.

Den hydrauliske pumpe 52 omfatter åtte sylindre

58 som strekker seg parallelt med kappens 10 akse og er anordnet i en ringformet konfigurasjon, og et respektivt stempel 60 som er knyttet til hver sylinder 58. Den nedre ende av hvert stempel 6 0 er permanent forspent i inngrep med trykkplaten 56 ved hjelp av en respektiv stempelretur-fjær 62, slik at rotasjon av skvalpeplaten 54 med akselen 36 vil bringe stemplene 60 til å føres aksialt frem og tilbake i sine sylindre 58, idet de åtte stempler 60 resi-prokeres syklisk slik at når ett av stemplene befinner seg ved toppen av sitt slag, vil de diametralt motstående stempler befinne seg ved bunnen av sitt slag og omvendt. I til-legg omfatter pumpen 52 en dreieventildel 64 som er montert på lagre 65 og er beregnet å rotere i synkronisme med skvalpeplaten 54 for å tilføre utgangssignalet fra hver sylinder 58 i rekkefølge til den ene side av et dobbeltvirkende trykkstempel 66 som er anbrakt inne i en sylinder 68. Det dobbeltvirkende trykkstempel 66 er koplet til strupedelens 12 skaft 14 ved hjelp av en utgangsaksel 70, slik at strupedelen 12 kan forskyves av pumpen 52 for å variere strupeåpningens 6 gjennomstrømningstverrsnitt.

Mer spesielt blir den hydrauliske olje som fyller kappen 10 og som tilføres til hver av sylindrene 58 fra den ene side av det dobbeltvirkende trykkstempel 66, av det til-hørende stempel 60 presset inn i en respektiv, aksial boring 72 i en ventil 74 som omgir dreieventildelen 64 ved stempe-lets 60 oppadgående slag. Hver av de aksiale boringer 72 krysses av en respektiv øvre, radial boring 76 og en respektiv nedre, radial boring 78. Dreieventildelen 64 er forsynt med en øvre omkretsutsparing 80 som åpner seg ved ventilens omkrets over en bue på ca. 180° og som også er åpen ved toppen av ventildelen 64 inn i sylinderens 68

nedre del 82 under trykkstempelet 66, og en nedre omkretsutsparing 84 (vist på fig. 2 med strektegnede linjer) som åpner seg ved ventildelens 64 omkrets over en bue på ca. 180° på den motsatte side av ventildelen i forhold til den øvre omkretsutsparing 80, og som også er åpen ved sitt øvre område inn i en sentral, ringformet utsparing 86 som er dannet i ventildelen 64. Den sentrale, ringformede utsparing 86 holdes permanent i fluidumforbindelse med en ringformet passasje 88 som omgir sylinderen 68 og ventilhuset 74, ved hjelp av radiale passasjer (ikke vist) som strekker seg gjennom ventilhuset 74. Den ringformede passasje 88 står selv i fluidumforbindelse med sylinderens 68 øvre del 90 over trykkstempelet 66.

Det eksisterer to mulige rotasjonsfaser for dreieventildelen 64 i forhold til skvalpeplatens 54 rotasjon, nemlig en første rotasjonsfase i hvilken den øvre omkretsutsparing 80 står i forbindelse med de øvre, radiale boringer 76 på de tilhørende stemplers 60 oppadgående slag, og den nedre omkretsutsparing 84 står i forbindelse med de nedre, radiale boringer 78 ved de tilhørende stemplers 60 nedadgående slag, og en andre rotasjonsfase i hvilken den øvre omkretsutsparing 80 står i forbindelse med de øvre, radiale boringer 76 på de tilhørende stemplers 60 nedadgående slag, og den nedre omkretsutsparing 84 står i forbindelse med de nedre, radiale boringer 78 ved de tilhørende stemplers 60 oppadgående slag. Under den første rotasjonsfase av ventildelen 64 vil således pumpens 52 innløp bli forbundet med sylinderens 68 øvre del 90 og pumpens 52 utløp vil bli forbundet med sylinderens 68 nedre del 82, slik at trykkstempelet 66 og dermed strupedelen 12 vil bli forskjø-vet oppover. Under den andre rotasjonsfase av ventildelen 64 vil omvendt umpens 52 innløp bli forbundet med sylinderens 68 nedre del 82 og pumpens utløp vil bli forbundet med sylinderens 68 øvre del 90, slik at trykkstempelet 66 og strupedelen 12 vil bli forskjøvet nedover.

Dreieventildelen 64 er koplet til en dreiemoment-følsom aktuator bestående av en sirkulær drivplate 92 som er anbrakt motsatt av gangplaten 46, ved hjelp av en driv-aksel 94 som ved hjelp av lagre 96 er roterbart montert inne 1 den ringformede aksel 36. Drivplaten 92 er ved sin omkrets forsynt med en drevet tapp 98 som i en første rotasjonsstilling påvirkes av en første gangtapp (escapement pin) 100 ved gangplatens 46 omkrets for å bringe ventildelen 64 til å drives av akselen 36 med den første rotasjonsfase, eller alternativt påvirkes en andre gangtapp 102 (se fig. 4) som er anbrakt i en andre rotasjonsstilling som er forskjøvet 180° i forhold til den første rotasjonsstilling ved gangplatens 46 omkrets, for å bringe ventildelen 64 til å drives av akselen 36 med den andre rotasjonsfase.

Slik som klart vist på fig. 4, som viser et snitt etter linjen IV - IV på fig. 3, men med kappen 10 og røret 2 utelatt, er ganglaten 46 i stand til å vipes om en vippe-akse som er definert ved dreietappene 47 mellom en første vinkelstilling (vist med heltrukne linjer på fig. 4) og en

andre vinkelstilling (vist med brutte linjer på fig. 4).

En strekkfjær 104 forspenner gangplaten 46 til dens første vinkelstilling. For forholdsvis lave, elektriske belast-ninger som tilføres til generatorens 44 utgang, vil gangplaten 46 drive drivplaten 92 med den første rotasjonsfase ved hjelp av den første gangtapp 100, og den vil også drive generatorens 44 rotor 42 via dreiemoment-drivarmen 48. Dersom imidlertid generatorens belastning øker til et punkt hvor det dreiemoment som er nødvendig for å drive rotoren 42, er tilstrekkelig til å overvinne fjærens 104 forspenning, vil dreiemoment-drivarmen 48 bli påvirket slik at den vipper gangplaten 46 til sin andre vinkelstilling mot virkningen av fjæren 104. Dette vil bevirke at den første gangtapp 100 blir brakt ut av inngrep med drivplatens 92 drevne tapp 98, og at den andre gangtapp 102 bringes i inngrep med den drevne tapp 98 etter at gangplaten 4 6 har rotert 180° i forhold til drivplaten 92. Dette vil bevirke at drivplaten 92 blir drevet med den andre rotasjonsfase ved hjelp av den andre gangtap 102, og tilførselen av hydraulisk fluidum fra pumpen 52 til det dobbeltvirkende trykkstempel 66 vil bli reversert. Dersom generatorbelastningen senere avtar i tilstrekkelig grad, vil fjæren 104 selvsagt vippe gangplaten 46 tilbake til dens første vinkelstilling, og drivplaten 92 vil på nytt bli drevet med den første rotasjons-f ase.

Det vil derfor innses at dersom måledataene fra måleinstrumentet er innrettet til å variere generatorens 44 elektriske belastning på passende måte, vil dreieventil-delens 64 rotasjonsfase, og dermed forskyvningsretningen for det dobbeltvirkende trykkstempel 66, variere med måle-instrumentets utgangssignal. Dette vil på sin side forår-sake at strupedelen 12 blir forskjøvet i forhold til strupeåpningen 6 for å modulere trykket av slamstrømmen på strupeåpningens 6 oppstrømsside, og vil frembringe en rekke trykkpulser svarende til måledataene som vil vandre oppover i slamstrømmen og kan avføles ved overflaten ved hjelp av en trykkomvandler i nærheten av utgangen fra pumpen som frem-bringer slamstrømmen. Dette arrangement muliggjør derfor at data i digital form kan overføres til overflaten.

Claims

1. Borehull-signalsender for et slampuls-telemetrisystem, omfattende en strømningsinnsnører som avgrenser en strupeåpning for slammet som passerer langs en borestreng, en strupedel som er forskyvbar i forhold til strupeåpningen, for å variere strupeåpningens gjennomstrømningstverrsnitt, en styreanordning for forskyvning av strupedelen for å modulere slamtrykket, og en turbogenerator som har et skovlhjul som er innrettet til å drives av slammet som passerer langs borestrengen, og en elektrisk generator som er anbrakt i en slamfri omgivelse i en kappe, karakterisert ved at skovlhjulet (22) er magnetisk koplet til den elektriske generator (44) for å bibringe drivende dreiemoment til denne.

2. Sender ifølge krav 1, karakterisert ved at turbogeneratoren omfatter en i kappen (10) anordnet, roterbar magnetmontasje (34) som er innrettet til å rotere med skovlhjulet (22) og er koplet til den elektriske generator (44) .

3. Sender ifølge krav 2, karakterisert ved at skovlhjulet (22) omfatter en elektrisk ledende ring (32) som omgir kappen (10) i nærheten av den roterbare magnetmontasje (34), slik at når skovlhjulet (22) dreies av slamstrømmen, induseres hvirvelstrømmer i den elektrisk ledende ring (32) av det magnetfelt som er knyttet til magnetmontasjen (34), og magnetmontasjen (34) bringes til å rotere med skovlhjulet (22) i kraft av vekselvirkningen mellom det magnetfelt som er knyttet til magnetmontasjen (34), og det magnetfelt som er knyttet til de induserte strømmer.

4. Sender ifølge krav 3, karakterisert ved at den elektrisk ledende ring omfatter en ring (32) av et materiale med god elektrisk ledningsevne, og som er omgitt av en ring (30) av et kraftig magnetiserbart materiale som tilveiebringer en returbane for den magnetiske fluks.

5. Sender ifølge krav 2, karakterisert ved at skovlhjulet (22) omfatter en magnetiserbar ring som omgir kappen (10) i nærheten av den roterbare magnetmontasje (34), slik at magnetmontasjen (34), når skovlhjulet (22) roteres av slamstrømmen, bringes til å rotere med skovlhjulet (22) i kraft av den magnetiske tiltrekning mellom magnetmontasjen (34) og den magnetiserte ring.

6. Sender ifølge krav 5, karakterisert ved at den magnetiserbare ring er en hysteresering som har en høy koersitivkraft og derfor en hysteresesløyfe med stort areal.

7. Sender ifølge ett av kravene 2-6, karakterisert ved at magnetmontasjen (34) omfatter magneter (40) av sjeldne jordarter.

8. Sender ifølge krav 7, karakterisert ved at magnetene (40) av sjeldne jordarter er samarium-cobolt-magneter.

9. Sender ifølge ett av kravene 2-8, karakterisert ved at magnetmontasjen (34) omfatter et antall magneter (40) som er fordelt rundt omkretsen av en drevet del (36), idet magnetene (40) har radialt utadvendende poler av én polaritet som veksler med magneter (40) som har radialt utadvendende poler av den motsatte polaritet.

10. Sender ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at styreanordningen (66, 52, 92, 46) omfatter en hydraulisk pumpe (52) for forskyvning av strupedelen (12), idet den hydrauliske pumpe (52) er anbrakt i kappen (10) og er innrettet til å drives av den magnetiske koling.