NO844026L - Trykkpulsgenerator - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår trykkpulsgeneratorer i alminnelighet, og spesielt trykkpulsgeneratorer såsom "slamsirene"-typen som brukes i oljeindustriens MWD-operasjoner (measure-' ments-while-drilling) for å sende måleinformasjon fra borehullet til overflaten via en boreslamsøyle i borestrengen.

Det finnes mange systemer for å sende data som represente-rer en eller flere målte tilstander i et borehull opp til overflaten under boring av et brønnhull. Et slikt system, beskrevet i US-patent 3 309 6 56 (Godbey) benytter en trykkpulsgenerator eller -modulator nede i borehullet, og blir brukt til å sende modulerte signaler som bærer kodede data ved akustiske fre-kvenser til overflaten via boreslamstrømmen i borestrengen. I

et slikt system har man funnet det formålstjenlig å forsyne de elektriske komponentene i borehullet med elektrisk kraft fra en selvstendig, boreslam-dreven turbingenerator (kjent som en slamturbin), plassert i strømretningen nedenfor modulatoren.

Eksisterende modulatorer av slamsirene-typen er vanligvis

i form av turbin-lignende signalgenerator-ventiler plassert i borestrengen nær borkronen og utsatt for det sirkulerende boreslam. En typisk modulator av denne typen består av en fast stator og en motordrevet, roterbar rotor plassert koaksialt med hverandre. Statoren og rotoren er begge utformet med et flertall av blokk-lignende radielle fremspring eller fliker plassert langs omkretsen rundt et sentralt nav, slik at åpningene mellom tilstøtende fliker utgjør et flertall av åpninger eller porter for det tilstrømmende boreslam. Når de tilsvarende porter i statoren og rotoren er direkte på linje med hverandre, danner de største løp for strøm av boreslam gjennom modulatoren. Når rotorbladene roterer i forhold til statoren, blir tilpasningen mellom de respektive porter skiftet slik at strømmen av boreslam avbrytes og genererer trykkpulser i form av akustiske signaler. Rotering av rotoren i forhold til statoren i den sirkulerende slamstrømmen genererer et syklisk akustisk signal som beveger seg oppover slamsøylen i borestrengen for å detekteres ved borehullets overflate. Ved selektiv variasjon av rotorens rotasjon til å generere endringer i signalet, kan man oppnå mo-dulasjon i form av en kodet trykkpuls som bærer med seg informasjon fra instrumenter nede i borehullet til overflaten for analyse.

Flik-utformingen og den relative plassering av stator og rotor-elementene i konvensjonelle modulatorer er slik at den utsetter rotoren for dynamiske fluidum-krefter på grunn av slamstrømmen, noe som forårsaker at rotoren søker en "stabil lokket" stilling, i hvilken flikene på rotoren blokkerer portene på statoren. Det er således en uønsket tendens for modulatoren å stille seg inn i en stilling som blokkerer fri strøm av boreslam hver gang rotoren, selv midlertidig, kommer ut av drift. Detteøker sannsynligheten for at modulatoren vil kjøre seg fast, når faste gjenstander som bæres av slamstrømmen blir tvunget til å passere gjennom begrensete modulator-løp. Gjen-starting av rotoren blir vanskeligere på grunn av at den redu-serte slamstrøm påvirker turbingeneratorens generering av ro-torkraft. Forlenget modulator-avstenging kan sperre strømmen av boreslam i en slik utstrekning at smøring av borkronen og andre viktige funksjoner av boreslammen blir så skadelig påvir-ket at hele boreoperasjonen kommer i fare.

Et antall fremgangsmåter har vært foreslått for å løse det problemet som oppstår ved de eksisterende modulatorers tendens til å innta den lukkede stilling som beskrevet ovenfor. En slik tilnærming, beskrevet i US-patent 3 792 429 (Patton et al) er å bruke magnetisk kraft til å forspenne modulatoren mot en åpen stilling og holde den der i tilfelle rotoren kommer ut av drift. Magnetisk tiltrekning mellom en magnet festet til modu-latorhuset og et samvirkende magnetisk element basert på rotor-akselen utvikler tilstrekkelig dreiemoment til å overvinne det dynamiske dreiemoment forårsaket av boreslam-strømmen. Denne fremgangsmåte har den ulempe at verktøyet må forlenges for å gi plass for magnetene, og at innføringen av et ekstra magnetfelt nede i hullet kan påvirke målinger av jordens magnetfelt (brukt til å utlede verktøy-orientering).

I kommersielle MWD-operasjoner må rommet mellom rotor- og stator-komponentene i modulatoren være smale for å generere tilfredsstillende akustiske signaler. Dette kravet gjør modulatoren spesielt utsatt for fastlåsing eller sperring av faste materialer som er til stede i slamstrømmen. Et system for å unngå slik fastkjøring, beskrevet i US-patent Re29 734 (Manning) omfatter en styringsanordning som er følsom for tilstander som har en tendens til å redusere motorens hastighet (såsom en økning i trykkforskjellen over modulatoren og enøkning av kravet til driver-moment) for midlertidig å skille rotoren og statoren for å tillate at rust blir fjernet fra modulatoren av det strømmende boreslam. Et slikt system kan bli brukt til å av-hjelpe den avtagende slamstrøm man opplever med en lukket modulator ved å skille modulatordelene som følge av den økningen i trykkforskjell som resulterer fra at modulatoren inntar en lukket stilling.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer en forbedret trykkpulsgenerator eller modulator av den typen som brukes for å sende informasjon mellom punkter i et brønnborehull via en væskestrøm i en rørstreng som omfatter et hus innrettet til å forbindes i borestrengen slik at væskestrømmen i borestrengen i det minste delvis vil strømme gjennom huset; en stator, fast montert inne i huset; en rotor montert roterbar inne i huset nær statoren; statoren og rotoren hver har et flertall av adskilte fliker ved åpninger mellom dem, som danner et flertall av porter for fluidum-passasje slik at rotering av rotoren i forhold til statoren vil skifte innrettingen av de respektive stator- og rotorporter fra en stilling som gir det største fluidum-løp til en stilling som gir det minste fluidum-løp, slik at fluidum-strøm gjennom huset vil bli avbrutt for å generere og sende et trykkpulssignal mot strømmen. Oppfinnelsen er i ett av dens aspekterkarakterisert veden innretning som er følsom for strømmen av væske i borestrengen for å etablere dynamiske fluidum-krefter som forspenner generatoren i en stabil åpen stilling .

En trykkpulsgenerator, strukturert ifølge et aspekt ved

den foreliggende oppfinnelse omfatter en fast stator og en roterbar motor, begge montert inne i huset innrettet for å forbindes i en rørstreng slik at væske som flyter i strengen, vil i det minste delvis strømme gjennom huset. Rotoren er montert nær statoren og nedenfor denne i strømretningen. Både stator og rotor er utformet med et flertall av radielle fremspring eller fliker, hvor mellomliggende åpninger mellom tilstøtende fliker tjener til å danne et flertall av porter eller åpninger for passering av fluidum som strømmer gjennom huset. Rotering av rotoren i forhold til statoren vil variere blokkeringseffekten

av rotor-fremspringene mot strøm fra statorportene, slik at den relative innretning av de respektive stator- og rotorporter skifter mellom en stilling som gir det største løp for fluid-strøm gjennom huset (åpen stilling) og en.stilling som gir det minste løp for fluid-strøm gjennom huset (lukket stilling). Denne ven-tilvirkningen avbryter fluidum-strømmen på en slik måte at den forårsaker generering og spenning av et pulssignal gjennom fluidet mot strømmen. Den relative plassering av stator og rotor, og den spesielle utforming av deres respektive fliker er slik at dynamiske fluid-krefter blir etablert som resultat av strøm-men av fluidum i huset, noe som forspenner rotoren til en slik orientering at den gir det største fluidum-løp gjennom generatoren. Skulle generatoren slå feil eller på annen måte komme ut av drift, vil fluidum-kreftene tvinge den inn i den stilling som gir minimum blokkering for strømmen.

I alminnelighet blir kreftene utviklet fra fluidstrømmen ved å anordne hver flik av rotoren med sider som skråner utover i strømretningen, og som delvis ligger under statorflikene. Skråningen av hver side på rotorflikene er fortrinnsvis i området fra omkring 8° til omkring 30° i forhold til en vertikal akse.

I et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er rotor-flikene utformet på en slik måte at de forårsaker at rotoren svinger mellom en åpen stilling og en delvis lukket stilling på grunn av fluidets dynamiske aksjon. Dette tjener til å hindre at rust blokkerer strømmen av fluidum gjennom modulator-*-.. en, og anordner en periodisk bevegelse og signal hvis frekvens varierer med strømhastigheten. Svingningene arter seg som aerodynamiske vibrasjoner, skapt ved at rotorflikene ved sine bak-kanter, nær basen, er utstyrt med ikke-skrånende områder av redusert bredde. Rotorflikenes sider kan også ha ikke-skrånende områder ved forkantene, nær toppen av flikene, for å frembringe en kappe-virkning på rusk som passerer inn i portene og inn i rommet mellom stator og rotor.

Modulatoren ifølge den foreliggende oppfinnelse frembringer en forbedret signalkilde med god evne til å unngå obstruk-sjon. Den er spesielt anvendelig i oljeindustrien for målinger under boring, Ubrønnprøving og overvåkning av kompletterte brønner som en signalkilde for kommunikasjon fra nede i bore hullet til overflaten, fra overflaten og ned i hullet, og mellom mellomliggende punkter i en brønn. Andre anvendelser omfatter dens bruk som en lydkilde for undervanns-seismologiundersø-kelser, bruk som en strømmålingsanordning og bruk som en enveis strømventil.

Konstruksjon, drift og fordeler ved oppfinnelsen kan bedre forstås ved henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 er et skjematisk riss av en trykkpulsgenerator iføl-ge den foreliggende oppfinnelse, vist innkoblet i en borestreng for en typisk boreoperasjon, i sin anvendelse for kommunikasjon mellom en MWD-verktøy nede i borehullet og brønnens overflate; Fig. 2 er et sideriss, delvis i snitt, av generatoren på fig. 1;

Fig. 3a er et perspektivriss av generatoren på figurene

1 og 2; Fig. 3b er et utfoldet enderiss av stator- og rotorflikene i generatoren på fig. 3a; Fig. 4a er et toppriss av statoren på fig. 3a; Fig. 4b er et snitt tatt langs linjen 4b-4b på fig. 4a; Fig. 5a er et toppriss av rotoren på fig. 3a; Fig. 5b er et snitt tatt langs linjen 5b-5b på fig. 5a; Fig. 5c er et delvis enderiss sett fra linjen 5c-5c på en av flikene i rotoren på fig. 5a; Fig. 6 er et skjematisk perspektiv-riss som identifiserer henvisningssymboler som kan være til hjelp til å forstå de relative dimensjoner; Fig. 7a er et toppriss av en modifisert utførelse av trykk-pulsgeneratoren på figurene l-5c; Fig. 7b er et enderiss som sett fra linjen 7b-7b i et sett av stator- og rotorflikene på fig. 7a; Fig. 8 er et oppstykket perspektivriss av en videre modifikasjon av generatoren på figurene l-5c, hvor rotoren har en redusert del nær rotornavet; Fig. 9 er et toppriss av rotoren på fig. 8; Fig. 10a er et "perspektivriss av en videre modifikasjon av generatoren på figurene l-5c, og illustrerer en konstruksjon som skal bevirke aerodynamisk vibrasjon; og

fig. 10b er et utfoldet enderiss av stator- og rotorflikene på fig. 10a.

På alle tegningene er like henvisningstall brukt til å

identifisere like deler.

Fig. 1 på tegningene viser et rørformet verktøy 20 fo.rlmål-ing under boring (MWD) forbundet i en rørformet borestreng 21

med en roterende borkrone 22 koplet til enden av denne og anordnet for boring av et borehull 23 for en brønn gjennom forskjellige jordformasjoner. Når borestrengen 21 blir rotert av en konvensjonell borerigg(ikke vist) på overflaten av borehullet 23 blir et betydelig volum av en passende borevæske (kjent som boreslam) kontinuerlig pumpet ned gjennom borestrengen 21 og tømt ut av borekronen 22 for å avkjøle borekronen og for å føre bort materialer som fjernes av borkronen. Slammene blir returnert til overflaten gjennom ringrommet mellom veggene av borehullet 23 og utsiden av borestrengen 21. Den sirkulerende slam-strøm-men som flyter gjennom borestrengen 21 tjener som et medium for å sende trykkpuls-signaler med informasjon fra MWD-verktøyet 20 til overflaten, som nærmere beskrevet nedenfor.

En datasignalerings-enhet 24 nede i borehullet har på verk-tøyet 20 påmontert transducere i form av en eller flere tilstands-følsomme innretninger 26 og 27, koplet til hensiktsmessige elektriske data-kodingskretser, såsom kodekretsen 28, som sekvensi-elt genererer kodede elektriske digitale datasignaler som re-presenterer målinger tatt med transducerne 26 og 27. Transducerne 26 og 27 er valgt og innrettet etter behov for den spesielle anvendelse å måle slike parametere i borehullet som trykk, tempe-ratur, og resistivitet eller konduktivitet av boreslammet og tilstøtende jordformasjoner, såvel som å måle andre tilstander i borehullet i likhet med de som i dag blir målt med elektriske logge-instrumenter.

Elektrisk effekt for drift av datasignaleringsenheten 24 blir levert av en typisk roterende aksiell slamturbin 29 med en impeller 30 som reagerer på strømmen av boreslam og driver skaf-tet 31 for å generere elektrisk energi.

Datasignaleringsenheten 24 omfatter også en modulator 32

som blir drevet av en motor 35 for selektivt å avbryte eller hindre strømmen av boreslam gjennom borestrengen 21 for å generere digital-kodede trykkpulser i form av akustiske signaler.Modulatoren 32 blir selektivt drevet som følge av de data-kode-

de elektriske utgangssignaler fra kodekretsen 28 til å generere et tilsvarende kodet akustisk signal. Dette signalet blir sendt til brønnens overflate gjennom boreslammet som strømmer i bore-

strengen 21 som en serie av trykkpuls-signaler, som fortrinnsvis er kodede binær-representasjoner av måledata for borepara-meterne i borehullet, som målt av transducerne 26 og 27. Når disse signalene når overflaten, blir de detektert, dekodet og omformet til forståelige data ved en passende signaldetektor 36, som den vist i US-patenter nr. 3 309 656; 3 764 968; 3 764 969 og 3 764 970.

Modulatoren 32 omfatter en fast stator 40 og en roterbar rotor 41 som blir drevet av motoren 35 som følge av signaler som blir generert av kodekretsen 28. Rotasjon av rotoren 41 blir styrt av de datakodede elektriske utgangssignaler fra kodekretsen 28 for å generere et tilsvarende kodet akustisk utgangssignal. Dette kan oppnås ved å anvende velkjente teknikker for å variere retningen eller hastigheten av motoren 35 eller til styrbart å koble/utkoble rotoren 41 fra drivakselen på motoren 35'.

Statoren 40 har et flertall av likt adskilte, blokklignen-r de fliker 71 anordnet langs omkretsen rundt et sentralt nav. Åpningen mellom tilstøtende fliker 71 gir et flertall av porter for å slippe det innkommende boreslam gjennom statoren som strømmer, retter mer eller mindre parallelt med stator-navaksen. Rotoren 41 har en lignende utformning som statoren 40, og er plassert nær denne i strømretningen nedenfor statoren for å rotere om en akse som er koaksial med statorens navakse. Når rotoren 41 roterer, vil dens fliker 72 suksessivt bevege seg inn og ut av stillinger som stenger strømmen av boreslam gjennom portene i statoren 40, for å generere et trykkpulssignal som blir sendt mot strømmen i det sirkulerende boreslam.

Når rotoren 41 blir rotert i forhold til statoren 40 slik at den for øyeblikket presenterer den største hindring mot strømmen av sirkulerende boreslam, vil det akustiske signal bli av maksimum amplitude. Når rotoren 41 fortsetter å rotere,

vil amplituden av det akustiske signal som genereres av modulatoren 32 avta fra sin maksimale til sin minimale verdi når rotoren beveger seg til en stilling hvor den presenterer den minste hindring mot boreslamstrømmen. Videre rotasjon av rotoren vil forårsake en tilsvarende økning i signalamplitude når rotoren igjen nærmer seg den neste maksimale strømbegrensnings-stilling.

Fagfolk på området vil forstå at rotasjon av modulator- rotoren 41 vil generere et akustisk utgangssignal med en cyklisk bølgeform, som suksessivt veksler mellom positive og nega-tive topper rundt et middel-trykknivå. Kontinuerlig rotasjon av rotoren 41 vil generere et typisk vekslende eller cyklisk signal med en fastsatt frekvens, som vil ha et bestemtbart fase-forhold med et annet vekslende signal, såsom et utvalgt referan-se signal generert i signaldetektorkretsen 36. Ved øyeblikks-annonsering, sinking, stopping eller reversering av rotasjonen av rotoren 41 som følge av utgangssignalet fra kodekretsen 28, kan rotoren bli selektivt skiftet til forskjellige stillinger vis-a-vis statoren 40 enn den ville ha vært hvis den hadde fort-satt å rotere uten endring. Denne selektive skifting forårsaker at fasen av det akustiske signalet skifter i forhold til fasen av referansesignalet. En slik styrt faseskifting av signalet som genereres av modulatoren 32 virker til å sende måleinforma-sjoner fra borehullet, via boreslamstrømmen til brønnens overflate for å detekteres av signaldetektor-kretsen 36. Skifting av fasen i et gitt øyeblikk betyr et binært bit "1" (eller "0") og fravær av en faseskifting betyr et binært bit "0"(eller "1"). Andre signal-modulasjonsteknikker er brukbare, og valg av den spesielle kodings-, modulasjons- og dekodingsteknikk som skal benyttes i forbindelse med modulatoren 32 er et spørsmål om ønske, og en detaljert diskusjon av dette er unødvendig for å forstå den foreliggende oppfinnelse.

Som vist på fig. 2 er både statoren 40 og rotoren 41 montert inne i et rørformet hus 42 som er press-tilpasset inne i en del av borekraven 43 ved hjelp av de forstørrede ringformede deler 44 og 45 i huset 42, som er i kontakt med den indre overflate av borekraven 43. Et flertall av "0"-ringer 46 og 47 anordner tettende kontakt mellom kraven 43 og huset 42.

Statoren 40 er montert ved hjelp av gjengede forbindelser 50 (se også fig. 4b) til en ende av en støtte-struktur 51, plassert fremfor alt inne i huset 42 og låst på plass med en settskrue 56. Rommet mellom enden av den gjengede del av statoren 40 og en tilstøtende skulder på støttestrukturen 51 er fylt med et flertall av "0"-ringer 55. Støttestrukturen 51 blir holdt i et adskilt forhold med den indre vegg av huset 42 ved hjelp av et avstandsstykke 52. Avstandsstykket 52 er festet til støttestrukturen 51 ved hjelp av et flertall sekskant-bolter 53 (bare én av hvilke er vist), og er i sin tur festet til huset 42 vedet flertall av sekskant-bolter 54 (bare én av hvilke er vist). Avstandsstykket 52 er utstyrt med et flertall av atskilte porter for å tillate passering av boreslam i det ringformede rommet som dannes mellom støttestrukturen 51 og den indre vegg av huset 42.

Rotoren 41 er montert for rotasjon på en aksel 60 i motoren 35 (fig. 1) som driver rotoren 41. Rotoren 41 har en rotor-bøssing 59 (fig. 2) styrt nær enden av akselen 60 og tvunget i kontakt med en skulder 61 på akselen 60 av en bøssing 62, som også er styrt på enden av akselen 60. Bøssingen 62 blir tvunget mot rotor-bøssingen 59 ved hjelp av en sekskantmutter 63 som er gjenget på den frie ende av akselen 60. En inspeksjonsport 58 er anordnet for å tillate undersøkelse av stator- og rotor-flikene 71,72 for å måle rotor/stator-atskillelsen og å oppdage slitasje.

Akselen 60 er understøttet inne i et lagerhus 65 for å rotere rundt en lagerstruktur 66. Lagerhuset 65 er understøttet i en avstand fra den indre vegg i huset 4 2 ved hjelp av et avstandsstykke 67, festet til lagerhuset ved hjelp av sekskantboltene 68, og er i sin tur festet til huset 42 ved hjelp av sekskantboltene 69.

Som vist på figurene 2 og 3 strømmer boreslam inn i toppen av huset 4 2 i den retning som er vist ved pilene 70 (fig. 2), gjennom det ringformede rom mellom den ytre vegg av støttestruk-turen 51 og den indre vegg av huset 42, og strømmer gjennom portene i statoren 40 og rotoren 41. Fluidum-strømmen fortsetter forbi det bakre avstandsstykke 67 og til borkronen 22 (fig. 1). Akselen 60 driver rotoren 41 til å avbryte fluidum-strømmene som passerer portene i statoren 40, for å generere et kodet akustisk signal som beveger seg mot strømmen.

Ifølge den'foreliggende oppfinnelse er rotoren 41 plassert

i strømretningen nedenfor statoren 40, og dens fliker 72 er slik utformet at de frembringer dynamiske fluidum-krefter som følge av boreslamstrømmen som driver rotoren 41 til en åpen stilling i forhold til statoren 40 hver gang rotoren 41 ikke blir drevet av motoren 35. Mer spesielt, den relative geometri og plassering av statoren 40 og rotoren 41 etablerer dynamisk fluidum-forspenning av rototen 41 til en orientering i hvilken flikene 72 gir minst hindring for fluidum som strømmer gjennom

portene i statoren 40.

Figurene 3a-5c viser trekk av en første utførelse av modulatoren 32 som viser en slik "stabil åpen" oppførsel. Figur 6 identifiserer dimensjoner som er viktige for forståelsen av disse trekkene.

De generelle forhold mellom statoren 40 og rotoren 41 i modulatoren 32 er vist på fig. 3a. Som indikert ved pilene, flyter boreslam gjennom huset 4 2 i retning nedover i borehullet, og rotasjon av rotoren 41 genererer et akustisk signal som blir sendt oppover. I motsetning til modulatorer ifølge tidligere kjent teknikk, som vanligvis plasserer rotoren mot strømretnin-gen ovenfor statoren, er rotoren i modulatoren 32 plassert i strømretningen nedenfor statoren.

Som vist er både statoren 40 og rotoren 41 utstyrt med et flertall av radielt utstrakte fliker 71,72 langs omkretsen, atskilt på en symmetrisk måte rundt koaksiale nav. Flikene utgjør kile-lignende utstikkere, radielt fra navene. Hver flik er definert ved en topp (overflaten mot strømmen), en base (overflaten med strømmen), motsatte radial-vendte sider (overflater som strekker seg utover fra navet som forbinder toppen og basen),

og en ende (overflate lengst borte fra og konsentrisk med navet, som støter mot den indre vegg av huset). Alle flikene 71 i statoren 40 er likt konstruert, og alle flikene 72 på rotoren 41 er likt konstruert. Det samme antall fliker er brukt for statoren og rotoren, og antallet seks er funnet passende. Valg av et annet antall er mulig, men vil endre karakteristikken av det genererte signal.

For bedre stivhet kan enten statoren eller rotoren 41 eller begge disse bli utstyrt med en kant som omskriver endene på deres fliker. Statoren 40 kan også, alternativt, bli inte-grert i huset 42. Dette valget er basert på beleilig frem-stilling .

Portene mellom tilstøtende fliker på statoren og rotoren er definert ved periferien av navet og de nærliggende sider av tilstøtende fliker. Det regnes for fordelaktig, men ikke nød-vendig, at de respektive fliker og mellomliggende porter er slik dimensjonert at de er av omtrent den samme størrelse.

De 6 flikene 71 på statoren 40 (fig. 3a-3b,4a og 4b) er jevnt fordelt rundt stator-navet. Toppene og basene av stator-flikene 71 er parallelle med hverandre og i rett vinkel med nav-aksen. Sidene på flikene 71 er i alminnelighet radielle i forhold til navaksen, med motsatte sider av hver flik i en vinkel på 30°, og like sider av tilstøtende fliker i en vinkel på 60° i forhold til navaksen (fig. 4a). De innvendige gjenger 50 på innsiden av statornavet (se fig. 4b) frembringer, i tillegg til å forbinde statoren 40 til støttestrukturen 51 som beskrevet ovenfor, en anordning for å justere amplituden av det genererte akustiske signal ved å variere åpningen mellom basen på stator-flikene 71 og toppene på rotor-flikene 72. Stator-flikene 71 er utformet med en ytre bredde Wl, og overflaten av toppene på flikene er lik den ytre bredde W2 og overflaten av basen på fliken (fig. 6). Statorportene er utformet slik at de har like innløps- og utløpsåpninger, hvor de indre og ytre bredder Pl, P3 og innløpsåpningene er de samme som de respektive indre og ytre bredder P2,P4 av utløpsåpningene.

R6.tor-flikene 72 (fig. 3a,3b og 5a-5c) er jevnt fordelt rundt rotornavet slik at de radielle linjer trukket fra navaksen og gjennom sentrene av flikene 72 danner vinkler på 60° med hverandre, og vinkler på 30° med linjer trukket fra navaksen og gjennom sentrene av tilstøtende rotorporter (se fig. 5a). I likhet med statoren 40 har flikene 72 på rotoren 41 parallelle topper og baser som er i rett vinkel med navaksen. Sidene av flikene 72 skråner imidlertid utover i retning av fluidum-strømmen (positiv skråning). Den utvendige bredden W4 (se fig. 5) og ba-sens overflate (baksiden) av hver rotor-flik 72 er større enn den tilsvarende utvendige bredde W3 og overflaten av dens topp (forside). Fig. 5c illustrerer en foretrukken positiv jevn skråning på 12° for sidene av flikene 72. Andre skråninger på 8° til 30° er også anvendelige.

Som vist på fig. 5a er kantene 74 og 75 av hver rotorflik

72 (utformet hvor sidene møter toppen) i en vinkel på 2 7°, og det er også kantene 76 og 77 (utformet hvor siden møter basen). Toppene av rotor-flikene 72 ligger under basene av stator-flikene 71, og den utvendige bredde W3 (fig. 6) og overflate av toppene på hver rotor-flik 72 er mindre enn den tilsvarende utvendige bredde W2 og overflaten av basen på hver stator-flik 71. Rotorportene er utformet på en komplementerende måte, slik at den innvendige bredde P5, den utvendige breddeP7 og overflaten av innløpsåpningen for hver rotorport er større enn den tilsvarende innvendige bredde P2, utvendige bredde P4 og overflate av utløps-åpningen på hver statorport (se fig. 6). Da rotorportene blir utformet av rommet mellom rotor-flikene 72, skråner sidene av portene innover i strømretningen.

Som vist på figurene 5a og 5b har hver rotorflik 72 en utboring 80 for å motta maskinskruene 57 (fig. 2) som tjener til å feste flikene 72 til rotorbøssingen 59.

Den relative dimensjonering av stator- og rotorfliker 71, 72 som beskrevet, forårsaker at det strømmende boreslam utøver dynamiske krefter på rotoren, slik at modulatoren 32 blir for-spent i en stabil åpen stilling. Når modulatoren 32 er i en ikke-likevekt-stilling som vist på fig. 3b, blir det generert krefter som virker på modulatorens geometri for å forårsake at høyt trykk blir påtrykt én side av rotorflikene 72, og lavt trykk blir påtrykt den andre siden. Disse kreftene tvinger ro-tcr-flikene 72 inn i stillinger direkte nedenfor stator-flikene 71, og bringer dermed stator- og rotorportene på linje for å anordne det største gjennomløp for fluidum gjennom modulatoren 32.

Eksempler på stator- og rotordimensjoner for en modulator, utformet som vist på fig. 3a-5c, som utviser stabil åpen virke-måte er vist nedenfor. Disse dimensjonene gir en underlapping mellom rotor og stator på 3,18 mm, og ga tilfredsstillende virkningsgrad med en rotor/stator-atskillelse på 1,59 mm. Dimensjonene er identifisert med henvisning til fig. 6.

Stator 40

Antall fliker = 6

Ytre diameter = 114,3 mm

Dybde = 15,9 mm

Bredde Wl = 23,9 mm

Bredde W2 = 23,9 mm

Tykkelse = 25,4 mm

Nav-diameter = 5 7,2 mm

Portavstand Pl = 15,9 mm

P2 = 15,9 mm

P3 = 23,9 mm

P4 = 23,9 mm

I

Rotor 41

Antall fliker = 6

Ytre diameter = 113,5 mm

Dybde = 15,1 mm

Bredde W3 = 20,6 mm

Bredde W4 = 28,6 mm

Tykkelse - 15,9 mm

Nav-diameter = 5 7,2 mm

Skråning = 12°

Portavstand P5 = 15,9 mm

P6 = 9,5 mm

P7 = 25,4 mm

P8 = 17,5 mm

Det har vært påpekt at stabil åpen virkningsgrad ble opp-nådd bare for væskestrømretningen som er vist på fig. 3a.

For væskestrøm i den motsa<J>_te retning vil modulatoren 32 ut-vise den stabile lukkede virkningsgrad som innretninger ifølge tidligere kjent teknikk. For en fritt roterende aksel 60 (ikke drevet og ikke hindret fra å rotere), vil således modulatoren 32 virke som en tilbakeslagsventil som åpner seg som følge, av væs-kestrøm i én retning og lukker seg som følge av væskestrøm i den andre retningen.

Andre utførelser av modulatorer 32 av stabil åpen type kan konstrueres ved å følge de samme prinsipper som anvendt ovenfor. I alminnelighet skal statoren plasseres ovenfor rotoren mot strømretningen. Stator-flikene skal fortrinnsvis ha rette (ikke skrånende) radielt-utstrakte sider, og være dimensjonert slik at flikene og de mellomliggende portene har tilnærmet samme størrel-se. Rotorens tykkelse (fig. 6) skal fortrinnsvis være lik eller mindre enn statorens tykkelse. Sidene på rotorens fliker bør skråne utover i retning med strømmen, med positiv skråning fortrinnsvis på 8° til 30°. Underlapping bør anordnes mellom toppen av rotorflikene og basen av statorflikene (dvs. overflaten av toppen på rotorflikene bør være mindre enn overflaten av basene på statorflikene). Den nødvendige mengde av underlapping vil avhenge av rotorens tykkelse og skråning. Jo tynnere rotoren, desto mindre underlapping vil være nødvendig. Rotor/stator-avstanden bør ikke være for liten. Passende avstand kan bestem-mes empirisk. Mindre avstander gir sterkere signaler, mens

større avstander gir bedre stabil åpen virkningsgrad.

En annen utførelse av modulatoren 32, konstruert ifølge de foregående kriterier, omfatter en stator 85 og en rotor 86 som illustrert på figurene 7a og 7b. Statoren 85 har fem fliker 87, jevnt atskilt rundt periferien av et statornav. Eksempler på stator- og rotordimensjoner for en stabil åpen modulator, utformet som vist på figurene 7a og 7b for drift med rotor/stator-avstand på 2,38 mm, er gitt nedenfor:

Stator 85

Antall fliker = 5

Ytre diameter = 111,1 mm

Dybde = 19,05 mm

Bredde Wl = 34,1 mm

BreddeW2 = 34,1 mm

Tykkelse = 31,8 mm

Nav-diameter = 71,4 mm

Portavstand Pl = 20,6 mm

P2 = 20,6 mm

P3 = 32,5 mm

P4 = 32,5 mm

Rotor 86

Antall fliker = 5

Ytre diameter = 110,3 mm

Dybde = 19,05 mm

Bredde W3 = 37,8 mm

Bredde W4 = 4 7,6 mm

Tykkelse = 10,3 mm

Nav-diameter = 71,4 mm

Skråning = 30°

Portavstand P5 = 23,8 mm

P6 = 13,5 mm

P7 = 46 mm

P8 = 19,05 mm

Radielle linjer trukket gjennom sentrene av tilstøtende fliker 87 danner vinkler på 72° med hverandre. De motsatte sider av hver flik 87 danner en vinkel på 36°, og de motstående sider av tilstøtende fliker 87 danner også en vinkel på 36°. Statoren er således symmetrisk, og størrelsen av dens fliker

er den samme som størrelsen på dens porter.

Rotoren 86 er plassert i strømretningen nedenfor statoren 85, og har likeledes fem fliker 88 jevnt fordelt rundt et sentralt nav. Sidene av flikene 88 skråner utover i strømretningen med en positiv skråning på 30°. Den utvendige bredden W3 av hver rotortopp er noe større enn den utvendige bredde W2 av hver statorflik-base (se endesnitt fig. 7b). Underlapping frembrin-ges mellom stator-flikene 87 og rotor-flikene 88 ved å anordne en større konvergens-vinkel for toppkantene på sidene av rotor-flikene 88 enn for bunnkantene av sidene på stator-flikene 87. Som vist på fig. 7a har de nedre kantene 89 av sidene på hver rotor-flik 85 en vinkel på 52°, og strekker seg radielt utover fra et punkt på rotornavets senterakse. De øvre kanter 90 og 91 på sidene av hver rotor-flik 86, som også har en vinkel på 52°, strekker seg radielt fra et punkt langs flikens senterlin-je, istedenfor fra navakselen. Følgelig, har rotorflikens topp en mindre overflate enn basen på statorf liken 85:. Selv om underlappingen ved hver tilstøtende kant på endene av rotor- og statorflikene er noe negativ (W2-W3 = -0,0625 mm i det ovenstående eksempel), øker underlappingen raskt med flik-dybden mot navet.

Fig. 8 illustrerer en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse, og omfatter en stator 100 plassert mot strømmen ovenfor en rotor 101. Statoren 100 har seks fliker, og ligner på statoren 40 som beskrevet ovenfor under henvisning til fig.

4a og 4b. Størrelsen på stator-flikene 102 og de mellomliggende stator-portene er de samme, og breddene Wl, W2, P3 og P4 er alle like (se fig. 6). Rotoren 101 er slik konstruert at den utvendige bredde W4 av basen på hver flik 103 er lik den utvendige bredden P8 av utløpet for hver port. Forholdet mellom dimensjonene for statoren 100 av rotoren 101 er slik at Wl = W2 = W4

= P3 = P4 = P8. Denne utformingen, hvor statorportenes innløps-og utløpsåpninger og rotorportenes utløpsåpninger er av samme størrelse, minimaliserer rotor-skråningens forstyrrelse av fluidum-strømmen når modulatoren er i sin åpne stilling. Dette med-fører fordelen med redusert slitasje og erosjon av rotor-flikene 103 .

For å forbedre det akustiske signalet kan rotorens tykkelse bli redusert ved å frese ned toppen av rotoren. Dette reduserer imidlertid underlappingen mellom toppene av rotor-flikene 103 og basene av stator-flikene 102. For å sikre stabil åpen virkningsgrad er det anordnet et område 104 med økende skråning ved at det er laget skår i en innvendig del (nær rotor-navet 105)

i den kanten av sidene på flikene 103 som vender mot strømmen. Disse skårene 104 hjelper de skrånende sidene å etablere dynamiske krefter i fluidet for å frembringe en stabil åpen karakteristikk for modulatoren 32.

Fig. 9 viser en modifikasjon av en delvis skår-konstruksjon av rotoren loi på fig. 8. Rotoren 106 på fig. 9 skiller seg fra rotoren 101 på fig. 8 ved at de utvendige breddene W2, W4 og P4 , P8 ikke er like. Sidene av hver rotor-flik 107 har hver en positiv skråning på omtrent 12°, og hver flik 107 er utstyrt med delvise skår 108 medøkende skråning i likhet med skårene 104 på rotoren 101.

Videre modifikasjoner på de foregående utførelser kan bli utført for å frembringe en modulator som ikke bare utviser den ønskede stabile åpne karakteristikk, men som også vil frembringe en væskestrøm-indusert omrøring for å fjerne rust som har festet seg mellom rotoren og statoren. En slik modifikasjon er illustrert på figurene 10a og 10b, hvor en modulator 34 omfatter en stator 110 og en rotor 113, montert i et hus 42. Statoren 110 er lik den 6-flikete stator 40 som tidligere beskrevet. Sidene av dens fliker 111 er ikke-skrånende, og er generelt radielle i forhold til statorens navakse. Sidene av flikene 111 på rotoren 113 omfatter imidlertid et sentralt skrånende område i likhet med de tidligere beskrevne utførelser, men har også ikke-skrånende for- og bakkant-områder 115,116 som er parallelle med sidene av statorflikene 111 (se utfoldet riss på fig. 10b). Den ytre bredde W3 (fig. 6) av toppen på rotor-fliken 114 som ligger an mot den ikke-skrånende forkantregion 115 er mindre enn den ytre bredde W2 på basen av statorfliken 111, og gir således en underlapping. Den ytre bredde W4 av basen på rotor-fliken 114 som ligger an mot den ikke-skrånende bakkant-region 116 er omtrent den samme som den ytre bredde W3 av toppen. Den ikke-skrånende bakkant-region 116 av hver rotor-flik-side er utformet ved underkutting av den skrånende region tvers over hele dybden av rotorfliken 114. Kantene mellom rotorflik-toppen og forkant-regionen 115 på rotorflik-sidene er fortrinnsvis skarpe for å hjelpe i en skjære-virkning på rust som har festet seg

i gapet mellom statoren og rotoren.

Utformingen av figurene 10a og 10b genererer dynamiske fluidum-krefter som følge av boreslam gjennom direkte anslag og virvelatskillelse som virker på rotoren 113 for å tvinge modulatoren inn i en stabil åpen stilling. Tilbakestillingskreftene i<:>asimut-retningen er imidlertid proporsjonale med vinkelforskyv-ningen, med det resultat at en periodisk bevegelse i form av aerodynamiske vibrasjoner blir satt opp når rotoren ikke blir drevet av akselen. Amplituden og frekvensen av vibrasjonene avhenger av fluidum-strømhastigheten, modulatorens utforming og akselens treghet. Denne vibrasjonen forårsaker at rotor-flikene 114 svinger mellom delvis og helt åpen stilling, og genererer også et akustisk signal hvis frekvens avhenger av vibrasjonstakten. Da vibrasjonstakten er en vibrasjon av strømhas-tigheten, kan modulatorkonstruksjonen på fig. 10a og 10b bli benyttet for overvåkning av strømhastigheten, mens frekvensen av det genererte signal blir overvåket på en kjent måte, f..eks. ved konvensjonelle frekvens-analyseringskretser innlagt i signal-detektorkretsen 36 (fig. 1).

Skjønt spesielle utførelser av den foreliggende oppfinnelse er vist og beskrevet i de foregående eksempler, vil det være klart for fagfolk på det området som oppfinnelsen omhandler at videre endringer og modifikasjoner kan utføres uten å avvike fra oppfinnelsen og dens videre aspekter. Målet med kravene er derfor å dekke alle slike endringer og modifikasjoner som fal-ler innenfor oppfinnelsens ånd og omfang.

Claims (14)

1. Trykkpulsgenerator av den type som brukes for å kommunisere informasjon mellom punkter i et brønnhull via et fluidum som strømmer i en rørstreng, omfattende: et hus innrettet for å forbindes i strengen slik at et fluidum som strøm-mer i strengen i det minste delvis vil strømme gjennom huset; en stator montert fast inne i huset; en rotor montert roterbart inne i huset nær statoren, hvor statoren og rotoren hver har et flertall av atskilte fliker med åpninger mellom dem som presenterer et flertall av porter for passering av fluidum slik at rotering av rotoren i forhold til statoren vil skifte innretnin-gen av de respektive stator- og rotorporter fra en stilling som gir det største fluidum-gjennomløp til en stilling som gir det minste fluidum-gjennomløp, slik at fluidums-strøm gjennom huset vil bli avbrutt til å forårsake generering og transmisjon mot strømmen av et trykkpuls-signal; karakterisert ved : en anordning for å etablere dynamiske fluidum-krefter som følge av fluidum-strømmen gjennom huset som forspenner rotoren generelt i en slik orientering at portene gir det største fluidum-gjennomløp.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at kraft-etableringsanordningen omfatter relativ plassering av stator og rotor, og at stator- og rotor-flikene er utformet på en slik måte at generatorens geometri retter strømmen av fluidum til å frembringe kreftene.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at stator- og rotorflikene har sider, hvor rotoren er plassert'i strømretningen nedenfor statoren, at rotorflikenes sider skråner utover i strømretningen, og at rotorflikene er underlappet i forhold til statorflikene.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at rotorflikenes sider skråner med en vinkel på 8° til 30°.

5. Apparat ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at antallet av stator-fliker er det samme som antallet av rotor-fliker.

6. Apparat ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at størrelsen av stator- og rotorfliker er generelt den samme som størrelsen av de respektive mellomliggende stator- og rotorporter.

7. Apparat ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at både stator- og rotorflikene har topp-overflater som vender mot strømmen og base-overflater som vender med strømmen, og hvor basene av toppene på rotorflikene er mindre enn flatene på basene for de tilsvarende statorflikene.

8. Apparat ifølge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at de ytre breddene av toppene på rotor-flikene er mindre enn de ytre breddene på basene for de tilsvarende statorflikene.

9. Apparat ifølge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at de ytre bredder av ttoppene på rotor-flikene er de samme som de ytre breddene av basene på de tilsvarende statorflikene, og kantene av rotorflikene som dannes hvor sidene møter toppene av rotorflikene konvergerer mot navet med en konvergensvinkel som er større enn for kantene av stator-flikene som dannes hvor sidene møter basene av stator-flikene.

10. Apparat ifølge et av kravene 1 til 9, karakterisert ved at rotorflikene har topp-overflater mot strømmen, og rotorsidene omfatter regioner av øket skråning ved de kantene som dannes hvor sidene møter toppene.

11. Apparat ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at generatoren videre omfatter en anordning for å etablere ytterligere dynamiske fluidum-krefter som følge av fluidumstrømmen gjennom huset, som forårsaker at rotoren svinger med en bevegelse i form av aerodynamiske vibrasjoner når rotoren er plassert i den orientering hvor portene gir det største fluidum-gjennomløp.

12. Apparat ifølge krav 11, karakterisert ved at anordningen for etablering av ytterligere krefter omfatter utforming av rotor-flikene på en slik måte at rotorgeometri-en retter strømmen av fluidum for å frembringe tilleggskreftene.

13. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at rotorflikene har baser i strømretningen, og at anordningen for etablejring av tilleggskrefter omfatter at rotorflikenes sider har underskårne, ikke-skrånende bakkant-regioner ved de kanter som dannes ved at sidene møter basene.

14. Apparat ifølge krav 13, karakterisert ved at rotorflikene har topper mot strømmen, og at rotorflikenes sider har ikke-skrånende forkantregioner ved de kantene som dannes ved at sidene møter toppene.