NO172862B - Trykkpulsgenerator - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår trykkpulsgeneratorer av typen "slamsirene" som anvendes i oljeindustrimålinger under boreoperasjoner (MWD). Mer spesielt angår oppfinnelsen en uforming av en modulator for et MWD-verktøy hvor sinusformede trykkpulser blir generert for transmisjon til borehull-overflaten ved hjelp av en slamsøyle som befinner seg i en borestreng.

Mange systemer er kjent for å overføre data som represen-terer en eller flere målte tilstander nede i brønnhullet til en borehullsoverflate under boringen av brønnhullet. Det er vanlig at systemene anvender en brønnhullstrykkpulsgenerator eller modulator som overfører modulerte signaler som bærer innkodede data ved akustiske frekvenser via slamsøylen i borestrengen. Det er kjent å anvende koherente differensialfase-skiftstyrt modulasjon for å kode dataene, slik at dersom en binær "en" skal sendes, så blir signalet ved enden av sample-perioden anordnet slik at det er 180° ute av fase med signalet i begynnelsen av perioden. Dersom en binær "null" skal sendes, er signalet i slutten av perioden anordnet slik at det er i fase med signalet ved begynnelsen av perioden.

I noen av de kjente MWD-verktøyene blir de elektriske komponentene i brønnhullet forsynt med effekt ved hjelp av en selvforsynt slamdrevet turbingeneratorenhet som er anordnet nedstrøms for modulatoren. Således er modulatorer av slam-sirentypen vanligvis utformet som signalgenererende ventiler anordnet i borestrengen nær borekronen slik at de blir utsatt for den sirkulerende slamstrømmen. En vanlig modulator består av en fast stator og en motordreven roterbar rotor anordnet koaksialt med hverandre. Som det fremgår av figurene la-lc og 2a-2c, er statoren og rotoren til de kjente modulatorer hver tildannet med flere blokklignende radielle forlengelser eller neser som er adskilt og anordnet rundt omkretsen til et sentralt nav slik at gapene mellom tilliggende neser tilveiebringer flere åpninger eller porter som tar inn den påkommende strømmen av slam. Som det sees på figur la og 2a, vil det når de respektive neser og porter til statoren og rotoren er direkte innrettet (åpen posisjon) tilveiebringes den største passasjen for strømmen av slammet gjennom modulatoren og således vil trykkfallet over modulatoren være lite. Når rotoren roterer i forhold til statoren som det sees på figur 2a, blir innrettingen mellom de respektive neser og porter endret, og derved avbrytes slamstrømmen slik at den deles som det fremgår av figur 2b. Slikt avbrudd bringer trykkfallet over modulatoren til å stige. Ved et visst punkt, som det sees på figur lc, inntar nesene og portene til statoren og rotoren motsatte posisjoner (lukket posisjon) slik at strømmen til alt slammet må følge en bane gjennom modulatorgapet (som det sees på figur 2c). Et slikt arrangement bringer trykket over modulatoren til et maksimum. Således vil rotasjon av rotoren i forhold til statoren i den sirkulerende slamstrømmen frembringe et syklisk akustisk signal som vandrer opp slamsøy-len i borestrengen og som kan detekteres på borestedsoverfla-ten. Ved selektivt å variere rotasjonen til rotoren for å frembringe endringer i signalet, kan det oppnås en koherent differensialfaseskiftetastet modulert trykkpuls.

Mens trykkpulsgeneratorer som anvender rotorer og stato-rer sørger for at MWD-verktøy har muligheter for å overføre data, har det ofte vært vanskelig å detektere signalene på grunn av at signalene som er blitt generert er så svake. Det er kjent at signalet som er generert av modulatoren dempes ettersom dybden til verktøyet øker, og ettersom viskositeten til slammet øker. Videre er de eneste kjente måtene for å øke signalstyrken å øke slamstrømmen gjennom modulatoren, minske strømningsarealet gjennom modulatoren, eller ved å øke slamtettheten. Det vil således forstås at den eneste kjente måten for å øke signalstyrken som kan påvirkes av modulatorstrøm-utformingen er å minske strømningsarealet til modulatoren ved å redusere modulatorgapet. Minsking av modulatorgapet gjør imidlertid modulatoren utsatt for forstyrrelser ettersom sirkulasjonsmaterialet kan bli faststengt mellom rotoren og statoren. Faststengning er kostbart ettersom den stopper modulatorrotasjonen i den fullt stengte posisjonen og derved forhindrer sirkulasjon gjennom NWD-verktøyet og dette nødven-diggjør fjerning av verktøyet fra borehullet.

Det er således et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en modulatorstrømningsutforming for et MWD-verktøy som øker amplituden og effekten til signalet som skal dekodes.

Det er et ytterligere med oppfinnelsen å tilveiebringe en modulator for et MWD-verktøy som øker effekten til signalet som skal dekodes ved at det genereres et hovedsakelig sinusformet signal.

Det er så et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en rotor og statorgeometri for en MWD-verktøymodu-lator som vil generere et hovedsakelig sinusformet signal når rotoren beveger seg i forhold til statoren.

Disse formål oppnås i henhold til oppfinnelsen ved en trykkpulsgenerator som angitt i det etterfølgendé krav 1. Fordelaktige utføringsformer er angitt i de øvrige etter-følgende krav.

Ved å arrangere statoren og rotoren på den måten som er beskrevet, vil trykket over modulatoren variere som en sinus-bølge. For å kunne tilveiebringe dette er det geometriske arrangementet til statoren og rotoren fortrinnsvis identiske. Statoren og rotoren innebefatter fortrinnsvis flere neser med mellomliggende gap rundt et sentralt sirkulært nav, med en første side av hver nese definert av en radiell forlengelse fra det sirkulære navet, og med den andre siden av hver nese hovedsakelig parallell med den første siden. Utsidekantene til nesen er fortrinnsvis plassert langs en sirkel som er konsentrisk med det sirkulære navet. Mens gapene mellom nesene ikke er definerbare i forhold til sektorer til det sirkulære navet, strekker vinkelen definert av aksen gjennom senteret til det sirkulære navet, skjæringen av den første siden til en nese og den ytre kanten, og skjæringen av den andre siden til den samme nesen og den ytre kanten seg fortrinnsvis over 30° (hvor det er seks neser). På samme måte strekker vinkelen definert av navaksen, skjæringen av den første siden til en nese og den ytre kanten, og skjæringen til den andre siden til en nabonese og den ytre kanten seg fortrinnsvis over 30° (for seks neser).

Andre formål, egenskaper og fordeler med oppfinnelsen vil bli tydeliggjort for fagkyndige under henvisning til den føl-gende detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen og de medfølgende tegninger.

Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningene hvor: Figurene la-lc er skjematiske toppriss av stator og rotoren til tidligere kjente anordninger og viser åpen, delvis åpen og lukket posisjon; Figurene 2a-2c korresponderer med figurene la-lc og er skjematiske sideriss av slamstrømmen gjennom statoren og rotoren til de tidligere kjente anordninger; Figur 3a er et skjematisk oppriss av en trykkpulsgenerator i samsvar med oppfinnelsen, vist koplet i en borestreng i en vanlig MWD-boreoperasjon; Figur 3b er et sideriss, delvis i snitt, av generatoren på figur 3a; Figur 3c er et perspektivriss av trykkpulsmodulatoren på figur 3a; Figurene 4a og 4b er kurver som relaterer seg til signaltrykket og det åpne arealet som er resultatet av rotasjons-posisjonen til henholdsvis de tidligere kjente modulatorer og modulatoren i henhold til oppfinnelsen; Figur 5a og 5b er opptegninger av amplitude som funksjon av frekvensen for henholdsvis modulatoren i henhold til tidligere kjent teknikk og modulatoren i henhold til oppfinnelsen; Figur 6a er et topp-planriss av statoren til modulatoren i henhold til oppfinnelsen; Figur 6b er et snitt av statoren tatt etter linjen 6b-6b på figur 6a; Figur 7a er et topp-planriss av rotoren til modulatoren i henhold til oppfinnelsen; og Figur 7b er et snitt av rotoren tatt etter linjen 7b-7b på figur 7a. Figur 3a i tegningene viser et rørformet MWD-verktøy 20 forbundet i en rørformet borestreng 21 som har en roterende borkrone 22 koplet til enden, og er anordnet for å bore et borehull 23 gjennom jordformasjoner 25. Ettersom borestrengen 21 dreies av en konvensjonell borerigg (ikke vist) ved formasjonsoverflaten, blir vesentlige volumer av en egnet borefluid (dvs. boreslam) kontinuerlig pumpet ned gjennom borestrengen 21 og avledet fra borekronen 22 til å kjøle og smøre kronen og til å føre bort jordavskjæringer som fjernes av kronen. Slammet blir returnert til toppen av borehullet langs det ringformede rommet som befinner seg mellom veggene til borehullet 23

og det ytre av borestrengen 21. Den sirkulerende slamstrømmen som flyter gjennom borestrengen 21 kan dersom det er ønskelig tjene som et medium for å overføre trykkpulssignaler som bærer informasjon fra MWD-verktøyet 2 0 til formasjonsoverflaten.

En brønnhull datasignaleringsenhet 24 har transdusere montert på vertkøyet 20 som har form av én eller flere innretninger 26 og 27 som reagerer på tilstander og er koplet til dertil egnede kretser, såsom en koder 28, som produserer sekvensielle kodede digitale dataelektriske signaler som er representative for målingene frembragt ved hjelp av transduserne 26 og 27. Transduserne 26 og 27 er valgt og tilpasset etter behov for den spesielle anvendelsen å måle slike brønn-hullsparametre som brønnhullstrykket, brønnhullstemperaturen og motstanden eller ledningsevnen til boreslammet eller tilliggende jordformasjoner, såvel som å måle forskjellige andre brønnhullstilstander tilsvarende de som måles ved hjelp av dagens lineloggeverktøy.

Elektrisk effekt for driften av datasignaleringsenheten 24 tilveiebringes ved hjelp av en vanlig rotasjonsdrevet aksiell strømningsslamturbin 29 som har et skovlhjul 30 som reagerer på strømmen av boreslam og som driver en aksel 31 for å produsere elektrisk energi.

Datasignaleringsenheten 24 innebefatter også en modulator 3 2 som drives av en motor 3 5 for selektivt avbrudd eller hind-ring av strømmen av boreslam gjennom borestrengen 21 for å kunne frembringe digitalt kodede trykkpulser i form av akustiske signaler. Modulatoren 32 er selektivt drevet som respons på det datakodede elektriske utgangssignalet fra koderen 28 for å generere et korresponderende kodet akustisk signal. Dette signalet blir sendt til brønnoverflaten ved hjelp av fluidet som strømmer i borestrengen 21 som serier av trykkpulssignaler som fortrinnsvis er kodede binære representasjo-ner av måledata som indikerer brønnboreparametre og forma-sjonstilstander som avføles av transdusere 26 og 27. Disse signaler når overflaten, blir detektert, dekodet og omformet til meningsfulle data ved hjelp av en egnet signaldetektor 36, såsom vist i US-patentene 3.309.656; 3.764.968; 3.764.969 og 3.764.970.

Modulatoren 32 innebefatter en fortrinnsvis fast stator 40 og en roterbar rotor 41 som blir drevet av motoren 35 som respons på signalene generert av koderen 28. Rotasjon av rotoren 41 blir styrt som respons av det datakodede elektriske utgangssignalet fra koderen 28 for å kunne frembringe et korresponderende kodet akustisk utgangssignal. Dette kan ut-føres ved å anvende velkjente teknikker for å variere retningen eller hastigheten til motoren 35 eller på styrbar måte kople/frakople rotoren 41 fra drivakselen til motoren 35.

Som det vil bli beskrevet mer detaljert i det etterføl-gende, har statoren 40 i henhold til oppfinnelsen flere likt adskilte blokkiignende neser 71 som er anordnet om omkretsen til et sentralt nav. Gapene mellom naboneser 71 tilveiebringer flere porter i statoren gjennom hvilke innkommende boreslam kan passere som stråler eller strømmer rettet mer eller mindre parallelt med statornavaksen. Som det også vil bli mer detaljert beskrevet i det etterfølgende, har rotoren 41 en lignende utforming som statoren. Rotoren 41 er fortrinnsvis anordnet koaksialt med og inntil statoren 4 0 slik at rotoren kan rotere om en akse som er koaksial med navaksen til statoren. Ettersom rotoren 41 blir rotert, beveger dens neser 72 seg suksessivt inn og ut av posisjoner som hindrer strømmen av boreslam gjennom portene til statoren. På denne måte blir trykkpulssignaler frembragt og sendt oppstrøms i det sirkulerende slammet.

Når rotoren 41 blir rotert i forhold til statoren 40 for momentant å frembringe den største strømningshindringen for den sirkulerende slamstrømmen, vil det resulterende akustiske signalet være ved sin maksimale amplitude. Ettersom rotoren 41 fortsetter å rotere, vil amplituden til det akustiske signalet frembragt av modulatoren 32 minske fra maksimalverdien til minimalverdien når rotoren beveger seg til en posisjon hvor den gir den minste hindringen for slamstrømmen. Ytterligere rotorrotasjon vil forårsake en korresponderende økning i signalamplituden ettersom rotoren igjen nærmer seg sin neste maksimale strømningshindringsposisjon.

Fagkyndige vil forstå at rotasjonen av modulatorrotoren 41 vil frembringe et akustisk utgangssignal som har en syklisk bølgeform med suksessivt alternerende positive og negative topper som befinner seg om et midlere trykknivå. Kontinuerlig rotasjon av rotoren 41 vil tilveiebringe et typisk alternerende eller syklisk signal med en bestemt frekvens som vil ha et bestemmende faseforhold i forhold til et annet alternerende signal, såsom et valgt referansesignal generert i kretsen til signaldetektoren 36. Ved momentant å fremskyve, retardere, stoppe eller reversere rotasjonen til rotoren 41 som respons på utgangssignalene fra koderen 28, kan rotoren selektivt endres til en forskjellig posisjon vis a vis statoren 40 i forhold til den posisjonen den ville ha hatt dersom den hadde fortsatt å rotere uten endring. Denne selektive endring bringer fasen til det akustiske signalet til å endre seg i forhold til fasen til referansesignalet. Slik styrte fase-endringer av signalet generert av modulatoren 32 virker til å overføre brønnhullmålingsinformasjon ved hjelp av slamsøylen til borehullsoverflaten eller deteksjon av signaldetektoren 36. En faseendring i et bestemt tilfelle signalerer en binær bit "1" (eller "0", etter ønske) og fravær av et faseskifte signalerer en binær bit "0" (eller "1"). Andre signalmodula-sjonsteknikker er også anvendbare, og hvilken av de spesielle kode-, modulasjons- og dekodeteknikker som skal anvendes i forbindelse med driften av modulatoren 3 2 er et spørsmål om valg, og detaljert beskrivelse av disse er unødvendig for forståelsen av den foreliggende oppfinnelse.

Som vist på figur 3b er både statoren 4 0 og rotore 41 montert inne i et rørformet hus 42 som er med presspasning innført i en del av et vektrør 4 3 ved hjelp av utvidede ringformede deler 44 og 45 til huset 42 som er i kontakt med den indre overflaten til vektrøret 43. Flere O-ringer 46 og 47 tilveiebringer tettende inngrep mellom vektrøret 43 og huset 42. Statoren 40 er montert ved hjelp av gjengede forbindelser 50 til en ende av en opplagringsstruktur 51 som befinner seg sentralt i huset 42 og er låst på plass ved hjelp av en sett-skrue 56. Rommet mellom det gjengede partiet til statoren 40 og en tilliggende skulder til opplagringsstrukturen 51 er fylt med flere O-ringer 55. Opplagringsstrukturen 51 holdes i avstand fra de indre veggene til huset 42 ved hjelp av en frontavstandholder eller et kryss 52. Avstandsholderen 52 er festet til opplagringsstrukturen 51 ved hjelp av flere skrubolter 53 (bare én er vist) og i sin tur festet til huset 42 ved hjelp av flere skrubolter 54 (bare én er vist). Front-avstandsholderen 52 er utstyrt med flere adskilte porter for å tillate passasjen av borefluid i det ringformede rommet mellom opplagringsstrukturen 51 og de indre veggene til huset 42.

Rotoren 41 er montert for rotasjon på en aksel 60 til ' motoren 35 (på figur 3a) som driver rotoren 41. Rotoren 41 har en rotorbøssing 59 festet nær enden av akselen 60 og tvunget i kontakt med en skulder 61 til akselen 60 ved hjelp av en bøssing 62 som også er fastgjort til enden av akselen 60. Bøssingen 62 er tvunget mot rotorbøssingen 59 ved hjelp av. en sekskantmutter 63 som er gjenget til den frie enden av akselen 60. En inspeksjonsport 58 er tilveiebragt for å undersøke stator- og rotornesene 71, 72 for å måle rotor-statoravstanden og for å oppdage slitasje.

Akselen 60 er opplagret i et lagerhus 65 for rotasjon om en lagerstruktur 66. Lagerhuset 65 er opplagret i avstand fra de indre veggene til huset 42 ved hjelp av bakre avstandshol-der eller kryss 67 festet til lagerhuset ved hjelp av skrubolter 68 og, som i sin tur igjen er festet til huset 42 ved hjelp av bolter 69.

Som indikert på figurene 3b og 3c, strømmer borefluid inn i toppen av huset 42 i retningen til pilene 70 gjennom det ringformede rommet mellom den ytre veggen til opplagringsstrukturen 51 og de indre veggene til huset 42 og strømmer gjennom porter til statoren 40 og rotoren 41. Fluidet strøm-mer kontinuerlig forbi den bakre avstandsholderen 67 og til borkronen 22. Akselen 60 driver rotoren 41 til å avbryte fluidstrømmene som passerer gjennom portene til statoren 40 for å generere et kodet akustisk signal som forplanter seg oppstrøms.

I henhold til oppfinnelsen kan rotoren 41 være anordnet enten oppstrøms eller nedstrøms for statoren 40 etter behov under forutsetning av at et akustisk signal blir sendt oppover i hullet. Som det vil bli forklart detaljert i det etterføl-gende, er statoren og rotoren 41 begge forsynt med flere neser 71 og 72 som strekker seg fra koaksiale sentrale nav til statoren og rotoren. Nesen 71 til statoren 40 er identisk utformet, og nesene 72 til rotoren 41 er identisk utformet. I tillegg er formen til nesen 71 til statoren 40 i hovedsak lik formen til nesene 72 til rotoren 41, og det samme antall neser blir brukt både for stator og rotor. Nesene er generelt definert ved en topp (oppstrømsoverflate), en bunn (nedstrømsover-flate), sider (overflater som strekker seg fra navet og som binder sammen topp og bunn), og en ytre kant (overflate lengst borte fra og hovedsakelig konsentrisk med navet). Dersom det er ønskelig av stivhetsgrunner kan enten statoren 40 eller rotoren 41 eller begge være utstyrt med en kant eller flens som strekker seg rundt den ytre kanten til nesene. Dersom det er ønskelig kan også statoren 4 0 være tildannet integrert med huset 42.

Før en forklarer detaljert geometrien til nesene til statoren 4 0 og rotoren 41, er det nødvendig med en grunnleg-gende forståelse av teorien bak geometrien. Som beskrevet under angivelsen av den kjente teknikken, har signaldetektering fra NWD-verktøy ofte vært vanskelig på grunn av svakheten til de genererte signalene. Hittil har imidlertid de eneste kjente måtene til å øke signalstyrken vært å øke slamstrømmen gjennom modulatoren, minske strømningsarealet gjennom modulatoren, eller øke slamtettheten, og bare det sistnevnte kan påvirkes av modulatorstrømningsutformingen. I virkeligheten er det funnet at de tre måtene til å øke signalstyrken på har følgende forhold:

hvor Sig er signaltrykket, Q slamstrømningshastigheten, p er slamtettheten, og A er modulatorens strømningsareal. Reduk-sjon av modulatorgapet er selvfølgelig ikke alltid ønskelig ettersom det gjør modulatoren utsatt for forstyrrelser og fastlåsning ettersom sirkulasjonsmaterialer kan bli fastlåst mellom rotoren og stator. Således er det ønskelig å øke signalamplituden på en hittil ukjent måte.

Oppfinneren har innsett at mens den absolutte størrelsen til signalet ikke kan endres, så kan den harmoniske fordelin-gen til signalet bli endret. Således har oppfinneren innsett at med de tidligere kjente stator- og rotorarrangementer (som det fremgår av figurene la-lc, varierer åpningsarealet mellom statoren og rotor lineært med rotasjonen. Med en konstant rotasjonshastighet tar signalamplituden (eller signaltrykket) form av en toppet bølge hvor toppen opptrer når arealet er ved et minimum. Denne signalamplitudebølge er vist på figur 4a hvor signaltrykket og det åpne arealet mellom rotoren og statoren er opptegnet som funksjon av gradene fra åpen posisjon på figur la. I den åpne posisjonen hvor arealet er størst, er trykket lavest. Ettersom rotoren lukker seg i forhold til statoren, avtar det åpne arealet som er representert ved linjen 102 lineært. Samtidig stiger trykket, representert ved linje 104, som en funksjon av den inverse verdien til kvadratet av arealet. Når rotoren er lukket i forhold til statoren som vist på figur lc er det åpne arealet minimalt og trykket ved et maksimum. En bør merke seg at trykket aldri stiger mot uendelig selv når rotoren og statoren er i en lukket posisjon ettersom slam alltid vil strømme gjennom gapet mellom rotoren og statoren. Således når det "åpne arealet" som er vist på figur 4a aldri null.

Med trykkbølgen til de tidligere kjente innretninger som vist på figur 4a, og med den tidligere modulator arrangert for å bevege rotoren i forhold til statoren for å tilveiebringe en 12 Hz bærefrekvens, kan det vises at bare en del av trykk-bølgesignalet blir sendt med frekvensen på 12 Hz. Den gjen-værende delen av energien svinner som høyere harmoniske frekvenser. Således som det fremgår av figur 5a som viser signalamplituden som funskjon av frekvensen (og som ble generert ved å utføre en fast Fourier transformasjon på dataene som ble brukt for å frembringe figur 4a), mens toppen på 12 Hz til en vanlig modulator av kjent type kan ha en relativ størrelse på 50 psi med bølgen vist på figur 4a, blir over halvparten av trykkbølgeenergien funnet som energitopper til harmoniske frekvenser på 24, 3 6 og 48 Hz.

For å kunne lokalisere så mye energi som mulig i en enkelt frekvenstopp foretrekkes å anordne nesene til rotoren og statoren slik at ettersom rotoren roterer i forhold til statoren varierer arealet som fluidet kan strømme gjennom i en retning parallelt med borehullet omtrent med den inverse verdien av kvadratroten til en lineær funksjon til en sinusbølge.

Et slikt arrangement vil tilveiebringe et sinusformet trykk-signal med hele energien ved én frekvens. Dette kan forstås av det følgende. I samsvar med ligning (1) ovenfor er signaltrykket proporsjonalt med den inverse verdien av kvadratet til arealet til gapene. Dersom arealet til gapene (A) varierer over tiden med den inverse verdien til kvadratroten til en lineær funksjon til en sinusbølge, slik at

hvor a er en funksjon av amplituden (f.eks. a = to ganger amplituden) til sinusbølgen, w er frekvensen til sinus-bølgen, K er en konstant (f.eks. K = forskyvning + a/2) og t er tiden, så vil trykket variere som:

Dersom frekvensen til sinusbølgen som trykket varierer med er anordnet slik at den er bærefrekvensen, så vil ideelt hele energien til sinusbølgen være ved denne frekvensen. Således vil den effektive amplituden til signalet stige vesent-lig. En bør merke seg at konstanten K er innlemmet slik at trykket over modulatoren aldri vil være null, og derved nød-vendiggjøre et uendelig areal i henhold til ligning (1). I fraværet av K vil også verdien for arealet A forbli uendelig når sin wt = nn, hvor n er et heltall. Det vil forstås at i et positivt trykksystem så er trykkforskyvningen positiv og amplituden a/2 positiv slik at det målte trykket over tid vil variere som en sinusbølge over den forskjøvne verdien, dvs. forskjøvet + a/2 (1 + sin wt), hvor a/2 (1 + sin wt) varierer fra 0 til a. I et negativt trykksystem er forskyvningen positiv og amplituden a/2 negativ slik at det målte trykket vil variere over tid som en sinusbølge under forskyvningsverdien.

Ved å danne en rotor og stator som har en geometri som tilveiebringer gap som varierer med den inverse verdien til

.kvadratroten til en lineær funksjon av en sinusbølge ettersom rotoren roterer, ble det funnet at et arrangement som gir den samme løsningen er å tilveiebringe neser for både rotoren og statoren med en første side til hver nese definert ved en radial forlengelse fra det sirkulære navet, og med den andre siden til hver nese hovedsakelig parallell med den første kanten. For å kunne tilveiebringe situasjonen hvor rotoren og statoren ikke er i en relativt åpen eller lukket posisjon for mer enn et øyeblikk, ble rotoren og statoren arrangert slik at vinkelen definert av senteret til nevnte sirkulære nav, og

avskjæringen til en første side til en nese og den ytre kanten, og avskjæringen til den andre siden til den samme nesen og den ytre kanten ble hovedsakelig lik vinkelen definert ved sentrum til det sirkulære navet, avskjæringen til den første siden til en nese og den ytre kanten, og avskjæringen til den andre siden av en tilliggende nese og den ytre kanten.

Statoren og rotoren utformet i henhold til den beskrevne geometri er vist på figurene 6a, 6b og 7a og 7b respektivt. Første sider 152 til nesen 71 strekker seg på en radiell måte fra statornavnet 150. De første sidene 152 er fortrinnsvis anordnet med 60° intervaller rundt navet 150, slik at seks neser kan være anordnet. Den andre siden 154 til hver nese 71 er fortrinnsvis parallell med den første siden 152. Vinkelen a dannet ved nullpunktet 0, og punktene definert ved avskjæringen eller skjæringen til den ytre kanten 156 til nesen 71 og de første og andre sider 152 og 154, er fortrinnsvis 30°. På samme måten er vinkelen (p dannet av senterpunktet 0 og punktene definert ved skjæringen av den ytre kanten 156 og den første siden til en nese og skjæringen til den ytre kanten 156 og den andre siden til en nabonese også fortrinnsvis 30°. Fortrinnsvis er også vinkelen p definert ved den første siden til en nese, den andre siden til en nabonese, og punktet på omkretsen til navet 150 hvor de to sidene møter hverandre 60°. Som det vil sees med henvisning til figur 6b, innebefatter hver statornese 7.1 gjengede boringer 158 som mottar bolter som tjener til å montere statoren til en statoropplagringsinhret-ning (ikke vist). Statoropplagringsinnretningen sørger i sin tur for montering av statoren til verktøyet.

Under henvisning til figurene 7a og 7b vil det sees at rotorgeometrien er mye den samme som statorgeometrien. Således strekker første sider 162 til nesene 72 seg på en radiell måte fra rotornavet 160. De første sidene 162 er fortrinnsvis, anordnet med 60° intervaller rundt navet 160, slik at seks neser 72 kan være tilveiebragt. Den andre siden 164 til hver nese 72 er fortrinnsvis parallell med den første siden 162. Vinkelen a dannet av senterpunktet 0, og punktene definert av skjæringen til den ytre kanten 166 til nesen 72 og den første og andre siden 162. og 164, er fortrinnsvis 30°. På samme måte er vinkelen cp dannet av senterpunktet 0 og punktene definert av skjæringen til den ytre kanten 166 og første side til en nese og skjæringen til den ytre kanten 166 og den andre siden til en nabonese også fortrinnsvis 30°. Vinkelen /3 definert av den første siden til en nese, den andre siden til en nabonese, og punktet på omkretsen til navet 160 hvor de to sidene møtes er også fortrinnsvis 60°.

Dimensjonene til eksempelrotoren 41 og statoren 4 0 vist på figurene 6a og 7a kan være:

Stator 4 0

Antall neser = 6

Utvendig diameter = 9,66 cm

Dybde = 1,6 cm

Navdiameter = 4,69 cm

Rotor 41

Antall neser = 6

Utvendig diameter = 9,96 cm

Dybde = 1,59 cm

Navdiameter = 2,86 cm

Med en modulator bygd av rotoren og statoren ovenfor blir signaltrykket som frembringes som vist på figur 4b. Det åpne arealet til modulatoren kan vises å være generelt inverst relatert til kvadratroten til en lineær funksjon av en sinus-bølge, og tilveiebringer et signaltrykk som er hovedsakelig

sinusformet i relasjon til en konstant relativ rotasjonsbeve-gelse til rotoren og statoren. Med det generelt sinusformede

signaltrykket vil det forstås at en stor prosentdel av energien til trykkbølgen faller innenfor en enkelt frekvens. Således, som det sees av.figur 5b, er energien til modulatoren i henhold til oppfinnelsen opptegnet som en funksjon av frekvensen med 12 Hz-frekvensen med en relativ størrelse på 90 psi.

Det fremgår at andre og tredje harmoniske har en mye mindre størrelse og høyere harmoniske er nærmest ikke-eksisterende. Sammenlignet med tidligere modulatorer vil det forstås at modulatoren i henhold til oppfinnelsen tilveiebringer et nyttbart signal som har nærmest den doble amplituden til de tidligere modulatorene. Således er effekten til signalet som anvender modulatoren i henhold til oppfinnelsen nesten fire ganger effekten til standardmodulatoren.

Fordelene med å ha en modulator som frembringer et signal som har fire ganger effekten eller to ganger amplituden er vel kjent for fagkyndige. Med et sterkere signal kan signalgapet økes og derved minskes tetnings- og forstyrrelsestendensene og vibrasjonen og trykkpåkjenning på verktøyet. Med et sterkere nyttbart signal kan også dybden som et MWD-verktøy kan anvendes i også økes med omtrent 4000 fot i en gjennomsnittsbrønn ettersom den økte signalstyrken tillater signaldetektering ved større dybder.

Det må forstås at spesielle aspekter ved modulatoren i henhold til oppfinnelsen kan endres for å tilpasses med andre fordeler på området. F.eks., som det fremgår i den parallelle søknad med serienummer 924.171, kan sidene til rotoren avtrappes på utsiden i nedstrømsretningen. På denne måten vil dersom generatoren skulle få feil fluidkrefter tvinge generatoren i en posisjon med en minimal strømningsblokkasje. På samme

måte, ved å utstyre rotornesene med sider som har redusert bredde i et ikke^avtrappende område ved deres bakre kanter inntil bunnoverflaten til nesen, kan det dannes en aerodyna-misk vifte for å forhindre avfall i å blokkere strømningen av fluid gjennom modulatoren.

Det er her blitt beskrevet og illustrert en modulator for et MWD-verktøy. Mens spesielle utførelser av oppfinnelsen har blitt beskrevet, er det ikke hensikten å begrense oppfinnelsen til disse, og det er hensikten at oppfinnelsen skal ha brede

rammer og spesifikasjonene må sees i lyset av dette. Således må det forståes at mens en bestemt utførelse av rotoren og statoren har blitt beskrevet, med rotoren og statoren med flere neser med en første side til hver nese definert av en radiell forlengelse fra et sirkulært nav, og med den andre siden til nesen hovedsakelig parallell med nevnte første sider, kan andre arrangementer som tilveiebringer et areal for fluidstrøm som varierer omtrent med den inverse verdien til kvadratroten til en lineær funksjon til en sinusbølge ligge innenfor rammen av oppfinnelsen. F.eks. kan den ene eller begge sidene til nesen være litt buet, eller med en rotor og stator i samsvar med figurene la til lc, hvor åpningene varierer lineært med rotasjonen, og et strømnihgsareal som varierer omtrent med den inverse verdien til kvadratroten til en lineær funksjon til en sinusbølge over tiden, være tilveiebragt ved å anordne innretninger for på egnet måte å variere

rotasjonshastigheten til rotoren. Mens et spesielt arrangement for et MWD-verktøy som anvender en rotor og en stator har blitt beskrevet, vil fagkyndige på området forstå at MWD-verk-tøyet kan ta andre former uten at det avvikes fra læren i henhold til oppfinnelsen. F.eks. kan tallerkenventiler som er

kjent på området, såvel som positive og negative trykkpulssys-temer kjent på området (som beskrevet f.eks. i US-patentene 3.756.076 tilhørende Quichaud et al., 4.351.037 som tilhører

Scherbatskoy, og 4.630.244 som tilhører Larronde) bli anvendt for å tilveiebringe åpninger gjennom hvilke fluidstrømningene blir begrenset på en måte som varierer med den inverse verdien til kvadratroten til en lineær funksjon av en sinusbølge.

Det vil videre forstås at detaljer vedrørende rotor og statormodulatoren beskrevet her også kan endres innenfor rammen av oppfinnelsen. Således vil bestemmelser som hvorvidt nesene skal avtrappes, hvorvidt rotoren skal plasseres opp-strøms eller nedstrøms for statoren, etc, være utformings-beslutninger utført i samsvar med utredningene som ligger bak rammen for oppfinnelsen. Det vil derfor være åpenbart for fagkyndige på området at andre endringer og modifikasjoner kan utføres med oppfinnelsen som beskrevet i spesifikasjonen uten at ånden og rammen for oppfinnelsen forlates.

Claims (8)

1. Trykkpulsgenerator (32) for generering av pulser i et fluid som strømmer i et borehull (23) , omfattende: a) et hus (42) innrettet til å innkoples i en rørstreng (21) slik at fluid som strømmer i strengen i det minste delvis vil strømme gjennom huset; b) en i huset montert stator (40) som har et antall neser (71) anordnet rundt et sentralt sirkulært nav (150) med mellomliggende gap mellom naboneser som tjener til å danne et antall porter for gjennomstrømning av fluid som strømmer gjennom huset; og c) en i huset koaksialt med statoren (40) montert rotor (41) som har et antall neser (72) anordnet rundt et sentralt sirkulært nav (160) med mellomliggende gap mellom naboneser som virker til å danne et antall porter for gjennomstrømning av fluid som strømmer gjennom huset; idet rotoren roterer i forhold til statoren, karakterisert ved at hver av rotorens (41) og statorens (40) neser (71, 72) omfatter en første side (152, 162) som hovedsakelig utgjøres av en radiell forlengelse av det sentrale nav (150, 160), og en andre side (154, 164) som strekker seg hovedsakelig parallelt med den første side, slik at når rotoren roterer i forhold til statoren, vil arealet til nabogapene mellom nesene til statoren og rotoren som fluidet kan strømme i en retning parallelt med borehullet variere tilnærmet som den inverse verdi av kvadratroten av en lineær funksjon av en sinusbølge.

2. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 1, karakterisert ved at det geometriske arrangement av nevnte stator (40) og nevnte rotor (41) er hovedsakelig identiske.

3. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 1, karakterisert ved at nesenes (71, 72) ytre kanter (156, 166) fortrinnsvis er beliggende hovedsakelig langs en sirkel som er konsentrisk med det sirkulære nav (150, 160) .

4. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 3, karakterisert ved at vinkelen (9) som dannes av senteret til det sirkulære nav (150, 160), skjæringslinjen mellom en første side av en nese og den ytre kant, og skjæringslinjen mellom den andre side av samme nese og den ytre kant, er hovedsakelig lik vinkelen (ø) som dannes av senteret til det sirkulære hav (150, 160), skjæringslinjen mellom den første side av en nese og den ytre kant, og skjæringslinjen mellom den andre side av en nabonese og den ytre kant.

5. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 4, karakterisert ved at rotoren (41) og statoren (40) hver har seks neser, og de hovedsakelig like vinkler (9, ø) er lik 30°.

6. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 4, karakterisert ved at rotoren (41) og statoren (40) hver har fem neser (71, 72) og at de hovedsakelig like vinkler (9, ø) er lik 36°.

7. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 5 eller 6, karakterisert ved at arealet (A) til nabogapene mellom statorens (40) og rotorens (41) neser (71, 72) som fluidet kan strømme gjennom i retning parallelt med borehullet varierer i tid (t) hovedsakelig i henhold til A(t) =1/ (K + a sin wt) 1/2 hvor a er en funksjon av sinusbølgens amplitude, w er sinus-bølgens frekvens, og K er en konstant.

8. Trykkpulsgenerator (32) i henhold til krav 7, karakterisert ved at sinusbølgens amplitude er a/2, at K er satt til a/2 + 0, hvor 0 er en forskyvningsverdi, og at amplituden a/2 er en positiv verdi.