NO312482B1

NO312482B1 - Integrert slampulsgenerator med turbindrevet elektrisk generator for måling under boring av en brönn

Info

Publication number: NO312482B1
Application number: NO19951721A
Authority: NO
Inventors: Daniel Lerner; Peter Masak
Original assignee: Anadrill Int Sa
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 2002-05-13
Also published as: DK0681090T3; EP0681090A3; DE69529188D1; EP0681090A2; EP0681090B1; CA2147592C; US5517464A; CA2147592A1; NO951721D0; NO951721L; DE69529188T2

Abstract

Et kombinert modulator- og turbinaggregat omfatter et turbin-løpehjul (58) som via en drivaksel er direkte forbundet med en raodulator-rotor (60) nedstrøms for løpehjulet (58). Modulator-rotoren (60) er dessuten via en drivaksel (54) og en tannhjulutveksling (62) forbundet med en trefase-vekselstrøm-generator (64) nedstrøms for modulator-rotoren. Modulator-statorbladene (52) er anordnet nedstrøms for og nær modulator-rotoren (60) og generatoren (64) er utstyrt med et Halleffekt-tachometer. Turbin-løpehjulet driver modulator-rotoren og generatoren avgir effekt. Modulator-rotorens (60) rotasjonshastighet reguleres i forhold til generatorens (64) rotasjonshastighet som angitt av tachometeret og i forhold til en referansefrekvens. En styrekrets innbefattende en elektromagnetisk bremsekrets som er forbundet med tachometeret og generatorens statorviklinger stabiliserer generatorhastigheten og følgelig rotorhastigheten og modulerer rotoren, slik at man oppnås den ønskete frekvens for den slambaserte trykkbølge ved selektivt å kortslutte generatorens (64) statorviklinger. I de tidsrom hvor det ikke skjer noen bremsing, avgir generatoren (64) effekt for styre- og følerelektronikk.

Description

Oppfinnelsen angår en integrert slampulsgenerator med turbindrevet elektrisk generator for måling under boring av en brønn. Det er videre beskrevet en anordning og en fremgangsmåte for overføring og modulering av data som er innhentet ved hjelp av et MWD-("measuring while drilling")verktøy under boring av et borehull, samt generering av elektrisk effekt for drift av et MWD-verktøy. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen et kombinert slamstrøm-telemetri-modulator- og turbinaggregat for samtidig generering av kontinuerlige bølgetrykk-signaler og generering av kraft for modulatoren og for en elektronisk følerpakke hos et MWD-verktøy.

Moderne brønnbore-teknikker, særlig de som angår boring av olje- og gassbrønner, innebærer bruk av flere ulike måle- og telemetrisystemer for å fremskaffe data vedrørende formasjonen og data vedrørende boremekanismer under boreprosessen. I MWD-verktøy innhentes data ved hjelp av følere som er plassert i borestrengen nær borkronen. Disse data blir enten lagret i nedihull-minnet eller overført til overflaten ved bruk av slamstrøm-telemetrianordninger. Slamstrøm-telemetrianordninger overfører informasjon til en opphull- eller over-flatedetektor i form av akustiske trykkbølger som moduleres gjennom borefluidet (slam) som normalt sirkuleres under trykk gjennom borestrengen under bore-operasjoner. En typisk modulator er utstyrt med en fast stator og en motordrevet, roterbar rotor som begge er utformet med et antall innbyrdes adskilte armer. Spaltene mellom naboarmer oppviser et antall åpninger eller porter for slam-strømmen. Når portene til statoren og rotoren står rett overfor hverandre (korre-sponderer), danner de det største strømningstverrsnitt for boreslamstrømmen gjennom modulatoren. Når rotoren roterer i forhold til statoren, omstilles korre-spondansen mellom de respektive porter, hvorved slamstrømmen avbrytes slik at det dannes trykkpulser i form av akustiske signaler. Ved selektivt å variere rotorens omdreining for å frembringe endringer i de akustiske signaler, oppnås modulering i form av kodete trykkpulser. Forskjellige midler anvendes for å regulere rotorens omdreining.

Både nedihull-følerne og modulatoren til MWD-verktøyet krever elektrisk effekt. Ettersom det ikke er mulig å fremføre en elektrisk krafttilførsel-kabel fra overflaten gjennom borestrengen til følerne eller modulatoren, må elektrisk effekt frembringes nede i borehullet. Kjente MWD-anordninger får slik effekt nedihull enten fra en batteripakke eller turbinaggregat. Mens føler-elektronikken i et typisk MWD-verktøy kan greie seg med en effekt på 3 watt, krever modulatoren typisk minst 60 watt og kan kreve en effekt på opptil 700 watt. Med disse effektbehov er det blitt vanlig praksis å anordne et slamdrevet turbinaggregat i borestrengen nedstrøms for modulatoren, med følerelektronikken plassert mellom turbinen og modulatoren.

Det boreslam som anvendes for drift av nedihull-turbinaggregatet og som er det medium gjennom hvilket de akustiske trykkbølger moduleres, pumpes fra overflaten ned gjennom borestrengen. Slammet aktiverer borkronen hvor det virker som et smøremiddel og et kjølemiddel for boring og tvinges oppover i hullet gjennom ringrommet mellom borehullveggen og borestrengen. Når slammet strømmer gjennom borestrengen nedover i hullet, strømmer det gjennom telemetrimodulatoren og turbinaggregatet. Som ovenfor nevnt er modulatoren forsynt med en rotor montert på en aksel og en fast stator som danner kanaler som slammet strømmer gjennom. Omdreiningen av rotoren i forhold til statoren virker som en ventil for å bevirke trykkmodulering av slamstrømmen. Turbinaggregatet er utstyrt med turbinblad (et skovlhjul) som er forbundet med en aksel som driver en vekselstrømgenerator. Fastkilingsproblemer opptrer ofte ved turbindrevne systemer. Særlig dersom modulatoren fastkiles i en delvis eller helt stengt stilling på grunn av gjennomstrømning av faste materialer i slamstrømmen, vil nedstrømsturbinen sakne og minske den tilgjengelige effekt til modulatoren. Med redusert effekt er det vanskelig eller umulig å dreie rotoren i modulatoren. Selv om turbinene generelt gir tilstrekkelig effekt, kan de således svikte på grunn av fastkiling av modulatoren. Selv om batterier ikke utsettes for effektreduksjon på grunn av fastkiling av modulatoren, gir de mindre effekt enn turbinaggregater og vil til slutt svikte. I begge tilfeller er derfor bibeholdt av nedihull-effekt av av-gjørende betydning.

U.S-patent nr. 4.847.815 viser en trykkpulsgenerator som genererer relativt sinusformede trykkpulser i et fluid som strømmer i et borehull. Trykkpulsgenera-toren for et måling under boringsverktøy omfatter grovt sett et hus tilpasset for å bli forbundet i en produksjonsrørstreng slik at fluid som strømmer i strengen i det minste delvis vil strømme gjennom huset. En stator montert i huset har en rekke vinger med spalter plassert i mellom og en rotor koaksialt med statoren, som

roterer i forhold til statoren, og som er montert inne i huset og har en rekke vinger med mellomliggende spalter mellom tilstøtende vinger. Rotorens vinger og stator

er innrettet slik at ettersom rotoren roteres i forhold til statoren, varierer arealet av de tilstøtende mellomrommene mellom vingene på statoren og rotoren gjennom hvilket fluid kan strømme i en retning parallell med borehullet. Strømmen varierer omtrent med det inverse av kvadratroten av en lineær-funksjon av en sinuskurve.

U.S.-patent nr. 5.197.040 viser en datautsendingsanordning for borehull. En sentrifugalpumpe-impeller blir brukt for å tilveiebringe et turbintrinn med en trykk-karakteristikk som reagerer på forandring av rotasjonshastigheten av en aksel, for trykkpulsing av data fra borehullet gjennom boreslammen og til overflaten.

U.S-patent nr. 4.914.637 viser en trykkmodulator som styres ved hjelp av en solenoid-påvirket låseinnretning som har forholdsvis lave effektkrav. En stator med skovler er beliggende oppstrøms for en rotor med kanaler. Når slam strømmer og passerer over skovlene vil disse gi slammet en virvlingsbevegelse som følgelig påtrykker et dreiemoment på rotoren når slammet strømmer gjennom kanalene i rotoren. Rotoren hindres fra å rotere ved hjelp av en solenoidpåvirket låseanordning med et antall pinner og sperrer. Når solenoiden aktiveres, frigjøres en pinne fra en sperre og rotoren kan fritt rotere over en vinkel på 45° hvoretter den stoppes ved hjelp av en annen pinne og sperre. Når rotoren stoppes, blokkerer den slamstrømmen inntil solenoiden igjen aktiveres. Blokkering av slamstrømmen bevirker en trykkpuls som kan detekteres ved overflaten. Effektbehovet til modulatoren ifølge ovennevnte US-patent (ca. 10 watt) er tilstrekkelig lavt til at det tilfredsstilles av en nedihulls batteripakke. Ettersom modulatoren ikke er motordrevet, men isteden slamdrevet, er den imidlertid avhengig av borefluidets hydrauliske forhold som kan variere betydelig. Det dreiemoment som virker på rotoren vil således variere og interferere med signalgenerering. Dessuten er dreiemomentet i mange tilfeller så stort at låseanordningen utsettes for for høy belastning som utsetter den for sterk slitasje og tidlig svikt.

En annen løsning på bevaring av energi nede i borehullet, er vist i US-patent nr. 5.182.731. Omdreiningen av modulatorens rotor er begrenset til to stillinger ved hjelp av faste anslag på statoren, slik at den bare kan dreie over en vinkel som er nødvendig for å åpne eller lukke slamstrøm-portene. En omkastbar likestrømsmotor som er koplet til rotoren brukes til å dreie rotoren til åpen eller lukket stilling. En bryterkrets som er koplet til motoren kan også brukes til å bremse motoren ved å kortslutte strømmen som genereres av motoren når den roterer fritt. Effekt bevares i henhold til den teori at på-varigheten av motoren alltid er forholdsvis kort.

I tillegg til å ta hensyn til effektbehov, må modulator-konstruksjon alltid ta hensyn til den telemetri-plan som vil bli brukt til å overføre nedihull-data til overflaten. Slamstrømmen kan moduleres på flere forskjellige måter, f.eks. digitalpulsing, amplitude-modulasjon, frekvens-modulasjon, eller faseskift-modutasjon. Modulatoren ifølge US-patent 4.914.637 oppnår en energi-effektivitet delvis ved bruk av amplitude-modulasjon. Dessverre er amplitude-modulasjon meget følsom for støy, og slampumper ved overflaten, samt også rørbevegelse, skaper en betydelig mengde støy. Når den modulerte slamstrøm detekteres ved overflaten for opptak av data som er overført fra borehullet, utgjør støyen fra slampumpene en betydelig hindring for nøyaktig demodulering av telemetri-signalet. Modulatoren ifølge US-patent nr. 5.182.731 er avhengig av digitalpulsing, som, selv om den er mindre følsom for støy, gir en sakte dataoverføringshastighet. Digitalpulsing av slamstrømmen kan gi en data-overføringshastighet på bare ca. én bit pr. sekund. Sammenligningsvis kan et modulert bærebølgesignal oppnå en overføringshastighet på opptil 8 biter pr. sekund, dvs. én byte.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slamstrøm-modulator som bevarer energi uten at det går på bekostning av andre drifts-karakteristika.

Det er også et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slamstrøm-modulator som arbeider kontinuerlig og modulerer en bærebølge.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slamstrøm-modulator som benytter en telemetri-plan som er iboende ufølsom for støy.

Det er også et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe slamstrøm-modulator som er selvdrevet, men som ikke er fullstendig avhengig av hydrau-likken til slamstrømmen.

Det er enda et annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en turbin-generator for drift av MWD-følerelektronikk som ikke vil saktne dersom slam-strømmodulatoren fastkiles.

Det er også et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slamstrøm-modulator som har et bedre oppstartingsmoment for å motvirke fastkiling og gjenopprette drift ved fastkiling.

Det er enda et annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en enkel krets for regulering av rotorstrømshastighet i en slamstrømmodulator, og samtidig gi elektrisk kraft.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en slam-strømmodulator med en rotor som bare krever små akselerasjoner og decelera-sjoner for å modulere en bærebølge.

I samsvar med disse formål som vil bli nærmere beskrevet nedenfor, omfatter det kombinerte modulator- og turbinaggregat ifølge foreliggende oppfinnelse, et turbinhjul som via en drivaksel er direkte forbundet med en modulator-rotor nedstrøms for skovlhjulet. Modulator-rotoren er videre ved hjelp av en drivaksel og en tannhjul-utveksling beliggende nedstrøms for modulator-rotoren forbundet med en vekselstrømgenerator som er utstyrt med et Hall-effekt-tachometer. Med dette arrangement driver turbinhjulet modulator-rotoren direkte. Modulator-rotorens rotasjonshastighet reguleres i forhold til vekselstrømgenera-torens rotasjonshastighet som angitt av tachometeret. En tilbakekopling-styrekrets innbefattende en elektromagnetisk bremsekrets som er forbundet med tachometeret og vekselstrømgeneratoren, stabiliserer vekselstrømgenerator-hastighetene og således rotorhastigheten og modulerer rotoren for å oppnå den ønskete trykkbølge-frekvens i slammet. Under bremseperioder gir en ladet kondensator elektrisk kraft til føler- og styreelektronikkene. Foretrukne sider ved oppfinnelsen innbefatter: bruk av en trefase-generator; kopling av generatoren til drivakselen via en 14:1 tannhjul-utveksling, slik at generatoren roterer meget hurtigere enn drivakselen; tilførsel av en referansefrekvens for sammenligning med den hastighet som tachometeret angir; og modulering av generatorhastigheten ved å dele referansefrekvensen i henhold til et signal fra en følerpakke nede i borehullet. Ytterligere formål og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende nærmere beskrivelse i sammenheng med tegningene, hvor: Figur 1 er et skjematisk diagram av et MWD-verktøy i det typiske boremiljø; Figur 2 er et tenkt skjematisk tverrsnitt av det kombinerte modulator- og turbinaggregat ifølge oppfinnelsen; Figur 2a til 2d er avbrutte lengdesnitt gjennom et MWD-verktøy ifølge oppfinnelsen; Figur 2e er et snitt gjennom verktøyet ifølge figur 2a langs linjen 2e-2e og viser hylsen fra figur 2; Figur 2f er et snitt gjennom verktøyet ifølge figur 2a langs linjen 2f-2f og viser hylsen fra figur 2; Figur 3 er et skjematisk diagram av en trefase-generator; Figur 3a er et lengdesnitt gjennom trefase-generatoren ifølge oppfinnelsen; Figur 4 er et skjematisk diagram av en styrekrets ifølge oppfinnelsen; Figur 5a er en kurve som viser vekselstrøm-generatorens utgangsspenning når det ikke foregår noen bremsing; Figur 5b er en kurve som viser generatorens utgangsspenning under sterk bremsing og høy volumstrøm; Figur 5c er en kurve som viser generatorens utgangsspenning under lett bremsing og lav volumstrøm; Figur 5d er en kurve som viser vekselstrømgeneratorens likerettete utgangsspenning under lett bremsing og lav volumstrøm; og Figur 5e er en kurve over generatorens filtrerte og regulerte utgangsspenning.

På figur 1 er det vist en borerigg 10 med en drivmekanisme 12 som frembringer et driv-dreiemoment til en borestreng 14. Den nedre ende av borestrengen 14 bærer en borkrone 16 for boring av et hull i en undergrunnsformasjon 18. Boreslam 20 hentes opp fra en slamtank 22 ved hjelp av én eller flere slampumper 24 som typisk er av stempeltypen. Slammet 20 sirkuleres gjennom en slamledning 26 ned gjennom borestrengen 14, gjennom borkronen 16, og tilbake til overflaten 29 via ringrommet 28 mellom borestrengen 14 og veggen i borehullet 30. Når slammet når overflaten 29, strømmer det gjennom en ledning 32 tilbake ut i slamtanken 22 hvor borekaks og andre brønn-rester avsettes på bunnen før slammet resirkuleres.

Et MWD-verktøy 34 kan på kjent måte inngå i borestrengen 14 nær borkronen 16 for opptak og overføring av data fra borehullet. MWD-verktøyet 34 omfatter en elektronisk følerpakke 36 og en slamstrøm-telemetrianordning 38. Slamstrøm-telemetrianordningen 38 blokkerer selektivt gjennomstrømning av slammet 20 gjennom borestrengen 14 for derved å bevirke trykkendringer i slamledningen 26. Med andre ord modulerer telemetrianordningen 38 trykket i slammet 20 med sikte på å overføre data fra følerpakken 36 til overflaten 29. Modulerte trykkendringer detekteres av en trykkmåler 40 og en pumpestempel-posisjon-føler 42 som er forbundet med en prosessor (ikke vist). Prosessoren tolker de modulerte trykkendringer for rekonstruksjon av data som er sendt fra følerpakken 36. Det skal her bemerkes at moduleringen og demoduleringen av trykkbølgen er nærmere beskrevet i US-patentsøknad nr. 07/934.137 som det herved henvises til.

Slamstrøm-telemetrianordningen 38 ifølge oppfinnelsen, vist på figur 2, omfatter en hylse 44 med en øvre åpen ende 46 som slammet strømmer inn i i retning nedad som antydet ved den nedadrettede pil-hastighetsprofil 21 i figur 2. Et verktøyhus 48 er montert i strømningshylsen 44 og skaper derved en ringformet kanal 50. Verktøyhusets 48 øvre ende bærer modulator-statorblader 52. En drivaksel 54 er sentralt montert i den øvre ende av verktøyhuset ved hjelp av tetnings-lagre 56. Drivakselen 54 strekker seg oppad ut fra verktøyhuset 48 og nedad inn i verktøyhuset 48. Et turbinhjul 58 er montert ved den øvre ende av drivakselen 54, like nedstrøms for hylsens 44 øvre åpne ende 46. En modulator-rotor 60 er montert på drivakselen 54 nedstrøms for turbinhjulet 58 og umiddelbart oppstrøms for modulator-statorbladene 52. Drivakselens 54 nedre ende er koplet til en 14:1 tannhjulutveksling 62 som er montert i verktøyhuset 48 og som i sin tur er koplet til en vekselstrømsgenerator 64. Generatoren 64 er montert i verktøyhuset 48 ned-strøms for tannhjulutvekslingen 62.

Som vist i figur 2a til 2d, er telemetrianordningen 38 typisk utstyrt med en standard spydspiss 39 for heving og senking av verktøyet gjennom en borestreng. Modulatorrotoren 60 er koplet til drivakselen 54 med en spisskrage 59, en for-belastningsfjær 57, og en endeflate-tetning 55. Modulatorstatoren 52 er koplet til verktøyhuset 48 med en flerpakke-tetning 51 som omgir drivakselen 54. Drivakselen 54 er også forsynt med et kompensatorstempel 53 som vist i figur 2a. Verktøyhuset 48 er videre utstyrt med en webb-minsker 51 nedstrøms for statoren 52. Den nedre ende av drivakselen 54 er utstyrt med vinkelkontaktlagre 61, og forspenningsmutre 63 og 66. Drivakselen 54 er via en magnetisk posisjonsrotor 68 og en bøyelig spiral-akselkopling 72 forbundet med tannhjulutvekslingen 62 (figur 2b). En magnetisk posisjoneringsstator 70 er anordnet nær den magnetiske posisjonrotor 68. Den nedre ende av generatoren 64 er koplet til et magnethus 172 som dreier i et tachometerspolehus 74 som holdes på plass ved hjelp av forspenningsfjærer 76.

For å minimere spenningene på grunn av trykkforskjellene over verktøy-huset 48, er den mekaniske sammenstilling fylt med olje. Et kompensatorhus 67

(figur 2c) er beliggende nedstrøms for generatoren 64 og innbefatter en tilbake-slagsventil 78, et mellomstykke 79, og en kompensatoraksel 65. Kompensator-akselen 65 er omgitt av en strekkfjær 81 og et oljereservoar 83. Et kompensatorstempel 69 omgir kompensatorakselens 65 nedre ende og står i inngrep med en ende av strekkfjæren 81. Et koplingshus 71 er beliggende nedstrøms for kompen-satorhuset 67 og er utstyrt med en oljefylleport 73 og et høytrykk-koplingsstykke 77. Trykkompensatoren gir rom for oljeutvidelse og -sammentrekning på grunn av trykk- og temperaturendringer. Føler-elektronikken 75 er montert nedstrøms for koplingshuset 71 i elektronikkhuset 87 som vist i figur 2d. Figur 2e og 2f viser slamstrømbanen 49 mellom verktøyhuset 48 og hylsen 44 ved to punkter langs telemetrianordningen 38.

Det vises igjen til figur 2. Når slammet 20 trenger inn i øvre ende av verktøyhuset 48, treffer det løpehjulet 58 som er konstruert til å rotere som en følge av dette. Støttehjulets 58 rotasjon gir drivakselen 54 et dreiemoment T-j (in<*>lb) og en vinkelhastighet co (r/min). Dette dreiemoment er tilstrekkelig til å overvinne motstands-dreiemomentet Td i lagrene 56 og tannhjulutvekslingen 62. På grunn av 14:1 tannhjulutvekslingen 62, er generatorens 64 omdreinings-hastighet fjorten ganger hurtigere enn drivakselens 54 rotasjon. En bremse-mekanisme som fortrinnsvis er elektronisk som nærmere beskrevet i forbindelse med figur 3, 3a og 4, er koplet til generatoren 64 og benyttes til å regulere generatorens 64 rotasjonshastighet og således drivakselen 54 ved å påtrykke et bremsemoment Tb på drivakselen 54. Fagmenn på området vil innse at reguleringen av drivakselens 54 rotasjonshastighet følgelig vil bevirke en regulering av modulatorrotorens 60 rotasjonshastighet, for derved å bevirke trykkendringer i slamledningen 26 for frembringelse av den akustiske bølge som nedihull-data moduleres på. Det vil videre forstås at for å oppnå en riktig modulering av trykket i slamledningen 26, må hastigheten til drivakselen 54 og generatoren 64 være nøyaktig regulert. Dessuten må reguleringen være nøyaktig over et område av slam-volumstrømmer og slamdensiteter som påvirker dreiemomentet og effekten som genereres av turbinhjulet 58. For en gitt volumstrøm vil dreiemomentet T|

som skapes av turbinhjulet 58 være omvendt proporsjonal med drivakselens 54 vinkelhastighet co, i henhold til:

hvor rr»| er en negativ proporsjonalitetskonstant som forbinder løpehjulets vinkelhastighet med det dreiemoment det frembringer, og T0 er pumpe-dreiemomentet (det maksimale dreiemoment ved 0 r/min.) Med et dreiemoment på T|, er den effekt Pt (Watt) som leveres gjennom drivakselen 54 ved hjelp av turbinhjulet 58: hvor 84.5 er en faktor for omregning av in<*>lb<*>r/min til Watt. Konstanten m-i forblir uendret for forskjellige volumstrømmer. Pumpedreiemomentet TQ øker imidlertid kvadratisk med økende volumstrøm Q (GPM) og lineært med densiteten p (Ib/gal) til borefluidet (slam) 20. Pumpe-dreiemomentet T0 er således definert som følger: hvor n er en proporsjonalitetskonstant (in<*>lb/GPM) som forbinder pumpe-dreiemoment med volumstrøm. Ved å kombinere ligningene (1) til (3), kan effekten Pt fra turbinen ved enhver volumstrøm Q og slamdensitet p uttrykkes som: Likeledes øker vekselstrømgeneratorens 64 elektromagnetiske bremse-dreiemoment TD proporsjonalt med drivakselens 54 vinkelhastighet co i henhold til ligningen

hvor rri2 er en positiv proporsjonalitetskonstant som forbinder bremse-dreiemoment med vinkelhastighet, GR er tannhjulutvekslingens 62 utvekslingsforhold, x

er bremse-driftssyklusen, og e er virkningsgraden til tannhjulutvekslingen. Følge-lig er den effekt PD som går tapt under elektromagnetisk bremsing

Graden av bremsing (driftssyklus) kan variere fra 03Ax3A I, hvor 0 betegner ingen bremsing og I betegner 100% bremsing. Det skal forstås at når graden av bremsing x = I, skal bremseeffekten Pb være lik effekten Pt som utvikles av turbinløpehjulet, som derved bringer modulatorrotoren i likevekt. Det er derfor nødvendig å velge et turbinløftehjul som kan drive tannhjulutvekslingen og vekselstrømgeneratoren, og en vekselstrømgenerator (elektromagnetisk bremse) som kan levere tilstrekkelig bremseeffekt Pb ved ulike volumstrømmer og borefluid-densiteter. Ved å sette ligning (4) lik ligning (6) og løse for x, kan graden av bremsing av vekselstrømgeneratoren uttrykkes som følger:

Vekselstrømgeneratorens nyttbare driftsområde vil bli etablert som et område av volumstrømmer Q. For eksempel kan den maksimale volumstrøm som kan tolereres av generatoren når x = 1 uttrykkes som:

Likeledes er den minste volumstrøm som turbinhjulet trenger for å drive drivakselen etablert når bremsegraden x = 0 og kan uttrykkes som:

Som et praktisk eksempel, hvor m-| = -3,75 <*> 10-<3> in<*>lb/r/min, nri2 = 3.443 <*> 10-<3>

in<*>lb/r/min, n = 2.614 <*> 10"<5> in<*>lb/r/min, e = 0,70, p = 8,5 Ib/gal, Td = 3 in<*> Ib og FR = 13,88: Qmin = 145 gpm og Qmaks <=> 564 gpm ved ca. 510 r/min. Fagmenn på området vil innse at det er ønskelig å tilveiebringe et turbinhjul og en elektromagnetisk bremseanordning som dekker det bredest mulige strømningsområde, kanskje fra 100 til 1000 gpm. Den maksimale volumstrøm som vekselstrøm-generatoren kan klare, kan maksimeres ved å velge et større tannhjulutveksl-ingsforhold og en tannhjulutveksling med en høyere virkningsgrad, dvs. ved å maksimere GR og e. Dessuten kan proporsjonalitetskonstanten 1712, som gjelder forholdet mellom bremse-dreiemomentet fra vekselstrømgeneratoren og dens rotasjonshastighet, maksimeres ved å velge en stor generator med nedre klaringer mellom stator og rotor. Den minste volumstrøm som turbinhjulet trenger, kan minskes ved å øke turbinbladenes stigningsvinkel, hvilket fører til større utgangs-dreiemoment pr. volumstrøm-enhet og følgelig en større verdi av konstanten n. Ifølge en fortiden foretrukket utføringsform, er vekselstrømgeneratoren istand til å forbruke en effekt på opptil 580 watt under bremsing.

Når modulatorrotoren er i likevekt, kan modulerte pulser i slamstrømmen skapes ved å variere generatorhastigheten nøyaktig gjennom selektiv elektromagnetisk bremsing. Som her benyttet kan uttrykket "selektiv bremsing" bety kontinuerlig bremsing under variering av bremsegraden, eller det kan bety valg mellom bremsing og ikke-bremsing, slik det vil bli bedre forstått ut fra den følgende beskrivelse. Typisk vil generatorhastigheten varieres mellom to hastigheter, f.eks. 7.140 r/min. og 7.980 r/min., som svarer til modulatorrotor-hastigheter på henholdsvis 510 r/min. og 570 r/min. Hastighetsforskjellen er proporsjonal med den ønskete borkrone-hastighet, ca. 3,5% pr. bps. En modulatorrotor som har to armer vil skape en lydbølge i slamstrømmen med en frekvens innenfor det foretrukne driftsområde på mellom 17 og 19 Hz ved en rotasjonshastighet på mellom 510 og 570 r/min. Dette forhold utledes fra følgende ligning:

Et av formålene med oppfinnelsen er å anvende en telemetrimetode som modulerer en bærebølge på en støysvak måte. Det er vanlig kjent at frekvens-skiftnøkling (FSK)- og faseskiftnøkling (PSK)-modulasjonsmetoder er vesentlig mer støysvake enn amplitudemodulasjon (AM). Dessuten har forsøk vist at FSK-modulasjon kan gi en dataoverføringshastighet som er flere ganger hurtigere enn AM. I tillegg er det en hoved-fordel ved et FSK-system at det ikke krever så sterke motor-akselerasjoner og -decellerasjoner som i et PSK-system. For ytterligere å bedre telemetrisystemet ifølge oppfinnelsen, velges en bærefrekvens som er slik at den unngår omgivelsesstøy-frekvenser, som f.eks. slike som skapes av slampumpene.

I figur 3, 3a og 4 er vekselstrømgeneratoren 64 ifølge oppfinnelsen vist som en trefase-generator med tre statorviklinger 80, 82, 84 med en innbyrdes avstand på 120° og en permanentmagnet-rotor 86. Spenning fremkommer som et resultat av det roterende magnetfelt som skjærer over de faste statorviklinger. Ifølge foreliggende oppfinnelse er rotoren 86 via tannhjulutvekslingen 62 forbundet med drivakselen 54 som drives av turbinhjulet 58 (figur 2). Rotoren 86 blir således drevet av turbinhjulet 58, og det frembringes en utgangsspenning ved statorviklingene 80, 82, 84. Utgangen fra statorviklingene 80, 82, 84 likerettes ved hjelp av dioder 88 (figur 4) og reguleres ved hjelp av en spenningsregulator 90 til å gi en 5V-effektkilde 94 for drift av MWD-verktøyets 34 halvleder-elektronikk, for lading av en kondensator 92. Statorviklingene 80, 82, 84 er også forbundet med tre felt-virkningstransistorer 96, 98, 100, som vist i figur 4. Disse transistorer kortslutter selektivt viklingene 80, 82, 84 for elektronisk bremsing av rotorens 86 rotasjon. Når f.eks. transistorene 96 og 98 aktiveres, kortsluttes statorviklingen 80. Når transistorene 96 og 100 aktiveres, kortsluttes statorviklingen 82, og når transistorene 98 og 100 aktiveres, kortsluttes statorviklingen 84. Hver transistor er koplet til en pulsbredde-modulator 102 som styrer når og hvor lenge hver transistor skal være aktivert. Kondensatoren 92 gir effekt til elektronikken når transistorene 96, 98, 100 kortslutter statorviklingene 80, 82, 84 for påtrykking av elektromagnetisk bremsing.

Den ønskete hastighet for generatoren bestemmes ved hjelp av en mikro-prosessor (ikke vist) som er forbundet med følerpakken 36. Den ønskete hastighet oppnås ved hjelp av tilbakekoplingskretsen ifølge figur 4 som fortrinnsvis omfatter en oscillator 110, en valgbar frekvensdeler 108, en frekvenskomparator 106, en pulsbredde-modulator 102, og en Halleffektføler 104. Utgangssignalet fra mikroprosessoren som styrer modulasjonsfrekvensen er et 5V/0V-digitalsignal. Signalet brukes til å styre den valgbare frekvensdeler 108. Dette oppnås fortrinnsvis ved å bringe den valgbare frekvensdeler til å neddele oscillatorens 110 frekvens med en første verdi når styresignalet er høyt (5V), og med en andre verdi når styresignalet er lavt (0V). Derved skapes generatorens ønskete frekvenser i henhold til den foretrukne modulasjonsplan og sendes som et første inngangssignal til frekvenskomparatoren 106. Det andre inngangssignal til frekvenskomparatoren 106 er generatorens virkelige hastighet som avfølt av halv effekt-føleren 104. Et differansesignal som vedrører forskjellen mellom generatorens virkelige hastighet og generatorens ønskete hastighet avgis av frekvenskomparatoren 106 til pulsbreddemodulatoren 102. Pulsbreddemodulatoren 102 bremser generatoren effektivt ved å regulere den tid transistorene er på. Når transistorene er på, kortslutter de generatorviklingene, hvilket tillater en høy strømstyrke i viklingene, begrenset av viklingsmotstanden. Strømmen bevirker et høyt elektromagnetisk bremse-dreiemoment på generator-rotoren. Effekten som fjernes fra rotoren forbrukes i generatorviklingene. Den ønskete generatorhastighet er således oppnådd. Det skal forstås at den "ønskete" generatorhastighet blir typisk endret basert på de data som skal overføres.

Det skal videre forstås at avhengig av den modulasjonsplan som benyttes og den valgbare deler som benyttes, kan styresignalet fra mikroprosessoren endres. F.eks. dersom det er nødvendig med flere frekvenser i modulasjons-planen, kan mikroprosessoren avgi flere forskjellige frekvenser som vil aktivere ulike neddelingskrefter i den valgbare deler. Selvsagt kan andre planer benyttes.

Den beskrevne tilbakekoplingskrets vil alltid nedstille generatorens rotasjonshastighet (dvs. bremsegeneratoren) ettersom generatoren alltid vil bli akselerert til en overhastighet-tilstand av turbinen via tannhjulutvekslingskopling-en. Dessuten er verken turbinen eller modulatoren utsatt for fastkiling, ettersom trykket i slamstrømmen alltid vil bringe turbinen til å rotere fordi den er beliggende oppstrøms for modulatoren. I tillegg blir energien som forbrukes ved den elektromagnetiske bremsing ledet i form av varme gjennom alternatorkappen og inn i verktøylegemet. Under perioder når bremsing ikke er påkrevet (se figur 5a-5d som omtalt i det følgende), frembringer generatoren effekt for styre- og føler-elektronikkene.

Figur 5a til 5e viser utgangsspennings-bølgeformen til en av statorviklingene 80, 82, 84 hos generatoren 64 under forskjellige driftstrinn. F.eks. viser figur 5a det normale utgangssignal fra en statorvikling hos generatoren 64 over tid, når det ikke foregår noen bremsing. En kontinuerlig vekselstrøm-sinusbølge 202 er den typiske bølgeform under dette driftstrinn. Den frembragte spenning likerettes ved hjelp av dioder 88 og reguleres ved hjelp av spenningsregulator 90 som ovenfor beskrevet, for derved å frembringe et konstant likestrømspennings-utgangssignal 209 som vist i figur 5e.

Under sterk bremsing eller høy volumstrøm, avbrytes sinusbølgen 202 som vist i figur 5b. Den deravfølgende bølgeform 203 er en rekke pulser 204, 206, 208, 210 etc. som har varierende amplituder. Bredden av pulsene representerer det tidsrom under hvilket generatoren avgir effekt for styre- og føler-elektronikkene og lader kondensatoren 92. Rommene 212, 214, 216 etc. mellom pulsene 203, 206, 208, 210 etc, representerer det tidsrom under hvilket bremsing utføres ved kortslutning av generatorens statorvikling. Som det fremgår av figur 4b er pulsene 204, 206, 208, 210 etc, under sterk bremsing (ofte på grunn av en høy volum-strøm) forholdsvis smale og rommene 212, 214, 216 etc mellom pulsene 204, 206, 208, 210 etc. forholdsvis brede, hvilket indikerer at statorviklingen er kortsluttet i lengre tidsrom. Ved sammenligning med figur 5c vil man se at under lett bremsing (ofte på grunn av en lav volumstrøm), er pulsene 204, 206, 208, 210 etc forholdsvis brede og rommene 212, 214, 216 etc. mellom pulsene 204, 206, 210 etc. relativt smale, hvilket indikerer at statorviklingen er kortsluttet over kortere tidsrom. Dette fører til en litt annen bølgeform 205.

Det skal forstås at selv under sterk bremsing vil det forekomme tider da spenningen fra generatoren likerettes ved hjelp av diodene 88 slik at man får bølgeformen 207 vist i figur 5d. Det skal videre forstås at under bremse-mellomrommene 212, 214, 216 etc. vil kondensatoren 92 utlades og supplere spenningen fra generatoren, og følgelig er den regulerte spenningsutgang fra spenningsregulatoren 90 en kontinuerlig likestrøm-spenning 209 som vist i figur 5e.

Det er her blitt beskrevet et kombinert modulator- og turbin-aggregat for bruk i et MWD-verktøy. Selv om spesielle utføringsformer av oppfinnelsen er blitt beskrevet, er det ikke meningen at oppfinnelsen skal begrenses til disse, idet det er meningen at oppfinnelsen skal være så bred i omfang som teknikken vil tillate og at beskrivelsen skal leses slik. Selv om det således er angitt et spesielt tannhjul-utvekslingsforhold for tilkopling av generatoren til drivakselen, skal det forstås at andre tannhjul-utviklingsforhold kan benyttes. Det skal også erkjennes at selv om en trefase-generator er blitt vist, kan andre typer av vekselstrømgeneratorer eller bremseanordninger benyttes med lignende resultater. Dessuten skal det forstås at selv om bremsekretsen er vist med enkeltvis styrte transistorer for selektiv kortslutting av hver av tre statorviklinger, kan statorviklingene kortsluttes samtidig. Videre skal det forstås at konseptet ifølge oppfinnelsen av en kombinert turbin-modulator-bremseanordning kan anvendes på hydrauliske eller hydro-mekaniske bremseanordninger istedenfor en elektrisk bremseanordning. I tilfelle av elektriske bremseanordninger kan disse innbefatte permanentmagnet-anordninger, elektromagentiske induksjonsanordninger, virvelstrøm-dissiperings-anordninger, skiver, motstander og halvledere. I tilfelle av ikke-elektriske bremseanordninger kan disse innbefatte pumper, vifter og fluid-skjæreanordninger. Selv om spesielle utforminger er blitt vist i forbindelse med løpehjulet, modulator-

rotoren og modulator-statoren, skal det forstås at andre utforminger likeledes kan brukes.

Patentvernets omfang bestemmes av patentkravene.

Claims

1. Anordning for overføring av en modulert trykkpuls i et borehull-fluid som strømmer gjennom et borehull, der anordningen omfatter: a) et verktøyhus (48) med en åpen ende innrettet til å motta borehull-fluidet; b) en drivaksel som er montert for rotasjon i huset; c) et turbin-hjul (58) er mekanisk koplet til drivakselen slik at det strømmende borehull-fluid bringer turbin-hjulet til å rotere; d) en modulator-rotor (60) er koplet til drivakselen slik at rotasjon av turbinhjulet bringer modulator-rotoren til å rotere; e) en modulator-stator (52) er montert i huset nær modulator-rotoren, slik at rotasjon av modulator-rotoren (60) i forhold til modulator-statoren (52) skaper trykkpulser i borehull-fluidet; og f) en styrbar bremseinnretning (64, 102)for selektiv bremsing av modulator-rotorens (60) rotasjon for modulering av trykkpulsene der anordningen er karakterisert ved at den styrbare bremseinnretning omfatter en styrekrets som er koplet til statorviklingen(e) for selektiv kortslutning av statorviklingen(e) for derved å bremse generatoren (64) elektromagnetisk og selektivt bremse modulator-rotorens (60) rotasjon for derved å modulere trykkpulsene.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den styrbare bremseinnretningen videre omfatter: en vekselstrømgenerator (64) som er koplet til drivakselen og som har minst én statorvikling (80).

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: en tannhjul-innretning (62) som er innkoplet mellom drivakselen og generatoren for å bringe generatoren til å rotere hurtigere enn drivakselen.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at tannhjulinnretningen har et utviklingsforhold på stort sett 14:1.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: en tachometerinnretning (104) som er koplet til generatoren eller drivakselen og koplet til styrekretsen for bestemmelse av generatorens rotasjonshastighet.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at tachometerinnretningen er en Hall-effekt-føler.

7. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at generatoren er en trefasegenerator med tre statorviklinger (80, 82, 84).

8. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at styrekretsen omfatter en oscillatorinnretning for frembringelse av en bærefrekvens på hvilken trykkpulsene moduleres.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at trykkpulsene moduleres ifølge en frekvensskiftnøkkel (FSK)-plan.

10. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at styrekretsen omfatter en oscillatorinnretning (110) for frembringelse av en konstant referansefrekvens; en valgbar deleinnretning (108) som er koplet til oscillatorinnretningen for selektivt å dele den konstante referansefrekvensen for derved å frembringe en ønsket utgangsfrekvens; en frekvenskomparatorinnretning (106) som er koplet til deleinnretningen og til tachometerinnretningen for å sammenligne generatorens rotasjonshastighet med den ønskete utgangsfrekvens; og en pulsbreddemodulatorinnretning (102) som er koplet til fre-kvenskomparatorinnretningen og til generatorens statorvikling(er) (80) for selektivt å kortslutte statorviklingen(e) slik at rotasjonshastigheten er lik den ønskete utgangsfrekvens.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert ved at den valgbare deleinnretning er koplet til en følerinnretning (36) for avføling av forhold i borehullet og for å fremskaffe utgangsdata til den valgbare deler.

12. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at utgangsdataene er binærkodedata.

13. Anordning ifølge krav 12, karakterisert ved at den ønskete utgangsfrekvens varieres mellom to forutbestemte frekvenser.

14. Anordning ifølge krav 13, karakterisert ved at generatorens rotasjonshastighet varieres mellom stort sett 7100 og 8000 r/min.

15. Anordning ifølge krav 13, karakterisert ved at de to forutbestemte frekvenser er beliggende stort sett mellom 15 og 20 Hz.

16. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: en elektroeffektlagringsinnretning (92) som er koplet til statorviklingen(e) og til styrekretsen, hvor generatoren lader elektroeffekt-lagringsinnretningen og skaffer effekt til styrekretsen når statorviklingen(e) kortsluttes, og at elektroeffekt-lagringsinnretningen frembringer effekt til styrekretsen når statorviklingen(e) kortsluttes.

17. Anordning ifølge krav 16, karakterisert ved at elektroeffekt-lagringsinnretningen er en kondensator.

18. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at den videre omfatter: en elektroeffektlagringsinnretning (92) som er koplet til statorviklingen(e) og til styrekretsen, hvor generatoren lader elektroeffekt-lagringsinnretningen og skaffer effekt til styrekretsen og følerinnretningen når statorviklingen(e) kortsluttes, og at elektro-lagringsinnretningen skaffer effekt til styrekretsen og følerinnretningen når statorviklingen(e) kortsluttes.

19. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: en trykkompensator som er montert nær generatoren, hvor verktøyhuset er fylt med olje og trykkompensatoren gir plass for utvidelse og sammentrekning av oljen som reaksjon på temperatur- og trykkendringer i borehullet.

20. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at modulator-rotoren (60) er koplet til drivakselen nedstrøms for turbinhjulet.

21. Fremgangsmåte for modulering av en trykkbølge i en strømningsbane for borefluid som sirkuleres i et borehull, som omfatter: a) anbringelse av et turbinhjul (58) i borefluidets strømningsbane, slik at sirkulering av borefluidet bevirker rotasjon av turbinhjulet; b) anbringelse av en modulator-rotor (60) som er mekanisk forbundet med turbinhjulet i strømningsbanen slik at rotasjon av turbinhjulet bevirker rotasjon av modulator-rotoren; og c) anbringelse av en modulator-stator plassert nær modulator-rotoren, slik at rotasjon av modulator-rotoren i forhold til modulator-statoren avbryter borefluidets sirkulasjon og frembringer trykkbølgen i borefluidets strømningsbane; og d) selektiv bremsing av modulator-rotorens rotasjon, for å modulere trykkbølgen i borefluidets strømningsbane, der fremgangsmåten er karakterisert vede) kopling av en vekselstrømsgenerator (64) til modulator-rotoren, hvilken generator har minst én statorvikling (80); f) overvåking av generatorens rotasjonshastighet; og g) selektiv kortslutning av statorviklingen(e) for å bremse generatoren til en ønsket rotasjonshastighet.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 21, karakterisert ved at: den selektive kortslutning av statorviklingen(e) skjer som reaksjon på binærdata; generatoren nedbremses til én av de to ønskede hastigheter som reaksjon på et binært 0; og generatoren nedbremses til den andre av de to ønskede hastigheter som reaksjon på et binært 1.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 22, karakterisert ved at de to ønskede hastigheter avviker fra hverandre med minst ca. 10%.