DE2941855C2 - - Google Patents
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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:
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.
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.
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