DE2941855C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der auf eine Bohrgarnitur wirkenden Spannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt geworden durch die französische Patentschrift 20 41 342 sowie durch die US-Patentschrift 38 55 853.

Diese Vorrichtungen umfassen aus Dehnungsmeßstreifen bestehende Meßeinrichtungen, wobei diese Meßeinrichtungen befestigt sind an wenigstens ein elastisch unter dem Einfluß der Spannungen verformbares Organ oder den Probekörper (metallische Buchse relativ geringer Dicke), welche die beiden Leitungen verbindet, die jeweils an einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt des Bohrsatzes bzw. der Bohrgarnitur angeschlossen sind.

Eine fest mit einer der Leitungen verbundene Muffe schützt das verformbare Organ gegen den radialen Druck; Sicherheitseinrichtungen begrenzen die Relativverschiebungen der Leitungen unter dem Einfluß der auf den Bohrsatz ausgeübten Spannungen bzw. Beanspruchungen, um eine Beschädigung oder das Reißen des verformbaren Organs unter dem Einfluß eines momentanen Anstiegs der wirkenden Spannungen zu verhindern.

Diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch erheblichen Längsbeanspruchungen aufgrund des hydrostatischen Drucks des Bohrschlamms (Bohrspülung) und aufgrund eines Kolbeneffekts aufgrund von Einschnürung des Strömungsquerschnitts des Bohrfluids (Bodeneffekt) ausgesetzt.

Wenn beispielsweise bei einem Werkzeug mit einem Nenndurchmesser von 9 ½ Zoll keinerlei Vorkehrungen getroffen werden, um diese Einflüsse zu eliminieren, kann man mit 600 bar hydrostatischen Drucks eine axiale Kompressionskraft von 70 t auf dem Probekörper erhalten, während es gilt, Kräfte von nur 0-40 t überhaupt zu messen. Auch kann die Kraft aufgrund des Bodeneffekts, wenn ein Differenzialdruck von 200 bar zwischen dem Inneren und Äußeren des Werkzeugs zur Wirkung kommt, eine axiale Zugkraft von 20 t oder eine axiale Kompressionskraft von 20 t erreichen, wenn der äußere Druck den inneren um 200 bar überschreitet.

Die mittels des Probekörpers unter diesen Bedingungen vorgenommenen Messungen müssen um Werte korrigiert werden, die wesentlich größer als der Meßbereich sind. Diese Korrekturen können aber nur dann vorgenommen werden, wenn die Drücke mit Genauigkeit bekannt sind. Wenn nicht, so kann keine brauchbare Messung durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die nicht den Längsspannungen aufgrund des hydrostatischen Drucks und des Bodeneffekts ausgesetzt ist.

Erreicht wird dies mit den Maßnahmen des Anspruchs 1.

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird es also möglich, den Nutzquerschnitt des Probekörpers auf ein Minimum zu reduzieren, um die maximale Beanspruchung der Meßfühler zu erhalten und so eine maximale Sensibilität zu erreichen.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 im Teilschnitt eine Variante dieser Ausführungsform und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform, die insbesondere für Bohrsätze geringen Durchmessers zweckmäßig sein kann.

In Fig. 1, in der links der obere Teil, rechts der untere Teil der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, steht ein verformbares Organ 1 unter dem Einfluß von an der Bohrleitung (Bohrstrang) zur Wirkung kommenden Beanspruchungen und Spannungen, wobei dieses Organ beispielsweise aus einem metallischen Rohr besteht, von dem wenigstens ein Teil (der Teil 1 a in Fig. 1) verminderte Dicke aufweist, derart, daß er unter der Wirkung von Zugbeanspruchungen, Kompressionsbeanspruchungen und/oder Torsionsbeanspruchungen, die auf den Bohrsatz wirken, relativ verformbar ist.

Die Verformungen dieses Organs können mittels Dehnungsmeßstreifens 2 ermittelt werden, die von an sich bekannter Art sein können und bei denen die Meßstreifen beispielsweise parallel zur Achse der Vorrichtung zur Messung der Zug- und Kompressionsbeanspruchungen angeordnet sind und Meßstreifen senkrecht zu den vorhergehenden zum Messen der Torsionsbeanspruchungen vorgesehen sind. Diese Dehnungsmeßstreifen sind elektrisch bei drei mit elektronischen Schaltungen 4 verbunden, mit denen ebenfalls andere Meßfühler verbunden sind, die andere Parameter am Boden des Bohrlochs messen, beispielsweise der Meßfühler 5, der die Temperatur mißt, sowie die Meßfühler 6 a und 6 b, die jeweils den Druck außerhalb und innerhalb des Bohrsatzes messen. Die Messungen dieser verschiedenen Meßfühler werden von den Schaltungen 4 an die Oberfläche über mit einem Axialstecker 8 verbundene Kabel 7 übertragen.

Für den Fall, daß die Bohrleitung eine flexible Leitung ist, in welche Informationsübertragungsleitungen eingebaut sind, läßt sich der Koaxialstecker 8 an wenigstens einen dieser Leiter anschließen.

Die Vorrichtung kann auch verbunden werden mit einer Anordnung, welche in den Bohrschlamm Druckimpulse überträgt oder auch mit irgendeiner anderen Transmissionsanordnung. In diesem Fall verarbeiten die elektronischen Schaltungen die Informationen, um sie mit der Übertrageanordnung kompatibel zu machen.

Die Speisung der elektrischen Kreise 4 mit elektrischer Energie kann von Batterien aus geschehen, die am Boden angeordnet sind; aber auch über Leiter, die mit der Oberfläche des Bohrlochs verbunden sind. Die Vorrichtung kann aber auch mit Energie, beispielsweise Strom, über die Übertrageanordnung versorgt werden.

Das verformbare Organ 1 verbindet zwei benachbarte Leitungen 9 und 10, an denen es beispielsweise über Keilbolzen 11 und 12 befestigt ist. Eine Außenmuffe 14, die über beliebige Einrichtungen fest mit der Leitung 10, beispielsweise über Keilbolzen 15 und Mutter 15 a verbunden ist, schützt das verformbare Organ 1 gegen den radialen Außendruck. Die Leitung 9 ist vermittels des Gewindes 9 a mit einem unteren Abschnitt des Bohrsatzes verbunden; ein Ende 14 a der Muffe 14, das fest mit der Leitung 10 verbunden ist, ist über das Gewinde 14 c mit einem oberen Abschnitt dieses Bohrsatzes verbunden. Das Bohrfluid kann in den Leitungen 9 und 10 (Pfeil) über Kanäle wie beispielsweise den Kanal 13 innerhalb der Leitung 10 fließen.

Ringdichtungen isolieren den Teil 1 a geringer Dicke des verformbaren Organes 1 gegen den Bohrschlamm.

Sicherheitseinrichtungen begrenzen die Amplitude der Relativverschiebung der Leitungen 9 und 10 unter dem Einfluß von auf den Bohrsatz wirkenden Beanspruchungen, um ein Reißen des verformbaren Organs 1 zu vermeiden, was zu ungewollt erhöhten Werten der Beanspruchungen (oberhalb des Meßbereiches) führt.

Nach den dargestellten Ausführungsbeispielen bestehen diese Sicherheitseinrichtungen aus Rollen 16, 17, die an einem Ende 14 b der Muffe 14 befestigt sind und Langlöcher oder Schlitze 16 a durchsetzen oder in einen Nut 17 a eingreifen, wobei jedes dieser Elemente den sie durchsetzenden Rollen ein Spiel in wenigstens einer Richtung bietet (Langlöcher können kreisförmig sein, wobei deren Durchmesser größer als der der Rollen 16 und 17 ist oder sie können in einer Richtung oval ausgebildet sein).

Diese Sicherheitseinrichtungen ermöglichen es dem Organ 1, begrenzte Verformungen in mehreren Richtungen entsprechend den unterschiedlichen Beanspruchungen (Zug, Kompression, Torsion), die auf den Bohrsatz wirken, zu haben.

Ist die für das Organ 1 festgelegte Verformungsgrenze erreicht, so kommt wenigstens eine der Rollen 16, 17 in Anschlag gegen den Rand eines Langloches 16 a, dessen Profil entsprechend dem für die Verformung des empfindlichen Elements unter dem Einfluß der Beanspruchungen in jeder Richtung hiervon zulässigen Wert bestimmt worden war.

Beispielsweise legt man diesen Grenzwert mit 40 t für Zugkräfte und mit 1000 mkg für auf den Bohrsatz wirkende Torsionsmomente fest, wobei diese Werte selbstverständlich nur größenordnungsmäßig gegeben werden.

Ist der Grenzwert erreicht, so nimmt die Leitung 9 einen Teil der Beanspruchungen auf, die bisher das verformbare Organ 1 allein aufnahm. Andere Sicherheitseinrichtungen können verwendet werden, um mit begrenztem Spiel das verformbare Organ 1 mit der Leitung 9 zu verbinden, beispielsweise mittels komplementärer Rechteckgewinde, die untereinander ein gewisses Spiel haben.

Nach den verschiedenen dargestellten Ausführungsformen weist die Leitung 9 benachbart dem Ende 18 der Leitung 10 einen ersten zylindrischen Wandteil mit im wesentlichen dem gleichen Außendurchmesser (entsprechend dem Querschnitt S 1) wie die Leitung 10 benachbart ihrem Ende 18 (Querschnitt S 0 der Leitung 10) auf.

Diese Gleichheit des Querschnitts läßt jede Axialkraft in Fortfall kommen, die aus dem auf die benachbarten Enden der Leitungen 9 und 10 der Vorrichtung wirkenden hydrostatischen Druck resultieren kann. Der dem atmosphärischen Druck ausgesetzte Raum 1 a nämlich, der die elektronischen Schaltungen 4 sowie den Probekörper 1 enthält, besitzt keinerlei dem hydrostatischen Druck ausgesetzten Querschnitt, was jeden Kolbeneffekt oder dergleichen eliminiert. Die radialen Schubkräfte werden von den zylindrischen Partien der Bauteile 1, 9, 10 und 14 und die axialen Schubkräfte vom Querschnitt in Höhe der Mutter 15 a oben und von der Ringwandung 20 unten, die sämtlich fest mit dem Bauteil 14 sind, aufgenommen. Im übrigen wird durch die Vorrichtung nach der Erfindung der Einfluß auf die Messungen des Organs durch die unvermeidliche Strömungsquerschnittsverminderung am unteren Ende des Bohrsatzes, mit dem der Bohrmeißel und ggf. ein ihn antreibender Bodenmotor verbunden ist, unterdrückt; wobei diese Querschnittsverminderung sich gewöhnlich (aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren des Bohrsatzes) als axialer nach unten gerichteter Schub darstellt, den die Erfindung durch die unten beschriebene Anordnung kompensiert.

Die Muffe 14 bildet mit der Leitung 9 die seitlichen Wandungen eines Ringraumes, der durch zwei ringförmige Elemente 20 und 21 begrenzt ist, welche die Endwandungen dieses Ringraumes bilden.

Eines dieser Elemente, das Element 20, befindet sich in Höhe des ersten zylindrischen Teils 19 der Leitung 9 und das andere Element, das Element 21, befindet sich in Höhe eines zweiten Teils der zylindrischen Wandung 22 vom Querschnitt S 2 der Leitung 9. Das Ringelement 20 ist bei 23 an der Muffe 14 befestigt und ermöglicht die Verschiebung des ersten Teils der Außenwandung 19 der Leitung 9.

Das Ringelement 21 ist an der Muffe 14 vermittels des Gewindes 24 befestigt und ermöglicht die Verschiebung des zweiten Teils der Außenwandung 22 der Leitung 9.

Nach der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der Ringraum zwischen den Elementen 20 und 21 durch den Ringkolben 25 in eine erste Ringkammer 26, die mit der Umgebung außerhalb des Bohrsatzes über wenigstens eine Öffnung 27 in Verbindung steht, und in eine zweite Ringkammer 28 in Verbindung mit dem Inneren des Bohrsatzes über wenigstens eine Öffnung 29 unterteilt.

Nach dem Beispiel der Fig. 1 ist der Ringkolben 25 mit der Leitung 9 über das Gewinde 25 a verbunden und kann nicht im Inneren der Muffe 14 gleiten.

Wenn man im übrigen mit S die Fläche des Innenquerschnitts der Muffe 14 in Höhe des Kolbens 25 bezeichnet, so ist die Fläche

s₁ = S-S₁

des Wirkquerschnitts der ersten Ringkammer in Höhe des Kolbenkopfes 25 von der Konstruktion her im wesentlichen gleich der Fläche S₂ des Außenquerschnitts des zweiten Teils der zylindrischen Wandung 22 der Leitung 9 und die Fläche

s₂ = S-S₂

des Wirkquerschnitts der zweiten Ringkammer 28 ist so im wesentlichen gleich der Fläche S₁ des Außenquerschnitts des ersten Teils der zylindrischen Wandung 19 der Leitung 9.

Diese Ausbildung hat zur Folge:

1. Fall:

Der Druck Pi im Inneren des Bohrsatzes ist größer als der Druck Pe außerhalb dieses Bohrsatzes.

Aufgrund der Verminderung des Querschnitts in der Fluidströmung des unteren Teils des Bohrsatzes aufgrund des Vorhandenseins des Meißels (über dem ggf. ein Bodenmotor sich befindet) wird eine nach unten gerichtete Vertikalkraft vom Wert

(Pi-Pe) × S₁

an die Leitung 9 gelegt.

Dieser Kraft wirkt eine nach oben gerichtete den Kolben 25 beaufschlagende Vertikalkraft vom Wert:

(Pi-Pe) × s₂

entgegen.

Diese auf die festen Bauteile 9 und 25 gerichteten Kräfte kompensieren sich da s₂ = S₁.

2. Fall:

Der Druck Pe außerhalb des Bohrsatzes Pe ist größer als der Druck Pi im Inneren dieses Bohrsatzes.

Hieraus resultiert eine nach oben gerichtete Vertikalkraft vom Wert

(Pe-Pi) × S₂,

die die Leitung 9 beaufschlagt.

Dieser Kraft wirkt eine nach unten gerichtete Vertikalkraft entgegen, die den Wert

(Pe-Pi) × s₁

hat und die den Kolben 25 beaufschlagt.

Diese beiden, gleiche feste Bauteile 9 und 25 beaufschlagenden Kräfte kompensieren sich, da s₁ = S₂.

Die Ausbildung der Fig. 1 ermöglicht es also, am verformbaren Organ 1 den Einfluß des Differenzdruckes innen und außen am Bohrsatz zu kompensieren. Nach dieser Ausführungsform der Fig. 1 gilt

S₁ + s₁ = S₂ + s₂.

Fig. 2 zeigt in der Teildarstellung eine Variante dieser Ausführungsform mit einer gewissen Anzahl von Modifikationen.

Zunächst sind die Ringelemente 20 und 21 der vorhergehenden Ausführungsform ersetzt durch Elemente 20 a bzw. 21 a, die dieses Mal fest mit der Leitung 9 verbunden sind (Gewinde 30 bzw. 31) und die längs der Innenwandung der Muffe 14 gleiten können; die Anordnung der Ringkammern 26 (in Verbindung mit der Umgebung außerhalb des Bohrsatzes) und 28 (in Verbindung mit dem Inneren) ist bezogen auf den Ringkolben 25 umgekehrt. Letzterer ist hier fest mit der Muffe 14 verbunden und ermöglicht das Gleiten der Leitung 9.

Im übrigen ist auf der Seite des Elementes 21 a gegenüber der Kammer 26 eine Ringkammer 32 ausgebildet, die Luft bei atmosphärischem Druck enthält, wobei diese Kammer durch einen Ringkolben 33 begrenzt ist, der sie von einer anderen Ringkammer, der Kammer 34, trennt, die über die Öffnung 35 mit der Umgebung außerhalb des Bohrsatzes in Verbindung steht.

Nach der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform setzt man das verformbare Organ 1 dem Einfluß des hydrostatischen Drucks und des Differenzdrucks zwischen dem Inneren und Äußeren des Bohrsatzes aus, indem man die Vorrichtung so konstruiert:

S₁ = S₂ und

S₁ × Pi = s₂ × Pi

S₂ × Pe = s₁ × Pe

was bedeutet

S₁ = S₂ = s₁ = s₂.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, die sich von der der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Ringkammern 26 und 28 halbiert bzw. verdoppelt wurden (Ringkammern 26 a und 26 b) mit wirksamen Ringquerschnitten s₁ und s′₁, die mit der äußeren Umgebung des Bohrsatzes in Verbindung stehen sowie Ringkammern 28 a und 28 b mit wirksamen Ringquerschnitten s₂ und s′₂ jeweils, die mit dem Inneren des Bohrsatzes in Verbindung stehen.

Die Ringkammern 26 a und 28 a sind zu beiden Seiten des Kolbens 25 angeordnet und die Ringkammern 26 b und 28 b sind zu beiden Seiten eines anderen Ringkolbens 36 angeordnet, der zwischen dem Ringkolben 20 a und dem Ringelement 21 sich befindet und vermittels des Gewindes 36 a mit der Leitung 9 verbunden ist. Ein mit der Muffe 14 verbundener Kolben 37, der das Gleiten der Leitung 9 ermöglicht, trennt die Kammer 28 a von der Kammer 28 b.

Nach dieser Ausführungsform erhält man die Kompensation der Effekte des hydrostatischen Drucks und des Differenzdrucks zwischen der inneren und äußeren Umgebung des Bohrsatzes, indem man die Vorrichtung wie folgt konstruiert:

s₂ = s′₂ = S₁

s₁ = s′₁ = S₃.

Diese Ausführungsform kann insbesondere für den Fall von Bohrsätzen geringen Durchmessers interessant werden, da die oben genannte Doppelbedingung dann leichter zu realisieren ist als die beiden Bedingungen

s₂ = S₁ und s₁ = S₂,

wie sie für die Ausführungsform der Fig. 1 gelten.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Messen der auf eine Bohrgarnitur wirkenden Spannungen, mit Meßeinrichtungen, die wenigstens einem elastischen, zwei benachbarte Leitungen verbindenden Organ zugeordnet sind und die Leitungen jeweils mit einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt der Bohrgarnitur verbunden sind; einer dieses verformbare Organ gegen den radialen Ausdruck schützenden Muffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (9, 10) an ihren benachbarten Enden im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser aufweisen; und daß diese Muffe (14) und eine der Leitungen (9) die Seitenwandungen eines Ringraumes bilden, in welchem wenigstens ein Ringzwischenkolben (25) lagert, der von die Stirnwandungen dieses Raums bildenden Ringelementen (20 und 21) begrenzt ist, wobei diese Ringelemente (20, 21) mit einer ersten (14) dieser Seitenwandungen verbunden sind und auf der zweiten Wandung (9) gleiten, während dieser Kolben (25) fest mit der zweiten Wandung (9) verbunden ist und auf der ersten (14) gleitet; daß der Kolben (25) die beiden Ringkammern trennt, von denen die eine (26) mit dem Raum außerhalb des Bohrsatzes und die andere (28) mit dem Innenraum in Verbindung steht, wobei die ringförmigen Wirkquerschnitte (s 1 bzw. s 2) dieser Kammern zu beiden Seiten dieses Kolbens (25) als Funktion der Werte (S 1 bzw. S 2) des kleinsten Durchmessers dieses Ringraums in Höhe der jeweiligen Endwandungen (20, 21) dieses Raumes gewählt sind, derart, daß im wesentlichen jede axiale Beanspruchung eliminiert wird, die aus einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Bohrsatzes und der äußeren Umgebung resultieren kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Ringzwischenkolben (25), der zwei Ringkammern (26, 28) trennt, wobei der Wirkquerschnitt (s 1 bzw. s 2) jeder der Kammern (26, 28) benachbart dieses Kolbens (25) gleich dem Außenquerschnitt (S 2 bzw. S 1) dieser eine Seitenwandung dieses Ringraumes bildenden Leitung (9) ist, und zwar gemessen in Höhe der Endwandung (21 bzw. 20) des Ringraumes, der sich auf der anderen Seite des Kolbens (25), bezogen auf diese Kammer (26, 28), befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei Ringzwischenkolben (25, 37, 36), die den Ringraum in vier Ringkammern (26 a, 28 a, 26 b, 28 b) unterteilen, wobei die beiden zu beiden Seiten ein und des gleichen Ringkolbens befindlichen Kammern, die eine in Verbindung mit dem Raum außerhalb, die andere mit dem Raum innerhalb des Bohrsatzes sich befinden, wobei die Summe (s 1 + s′ 1) der Flächen der Ringwirkquerschnitte der Kammern (26 a, 26 b) in Verbindung mit dem Außenraum im wesentlichen gleich der Fläche (S 3) des Außenquerschnitts der Leitung (9), die eine Seitenwandung dieses Ringraumes bildet, ist, gemessen in Höhe der Endwandung (21) des Raumes, wodurch eine Ringkammer (28 b) in Verbindung mit dem Innenraum begrenzt wird; und daß die Summe (s 2 + s 2′) der Flächen der Ringquerschnitte der Kammern (28 a, 28 b) in Verbindung mit dem Innenraum im wesentlichen gleich der Fläche (S 1) des Außenquerschnitts der Leitung (9) ist, gemessen in Höhe der Endwandung (20) der eine Ringkammer (26 a) in Verbindung mit dem Raum außerhalb des Bohrsatzes begrenzenden Kammer.