DE3150386A1

DE3150386A1 - Geraet zum messen der gewichtsbelastung an einem bohrstrang

Info

Publication number: DE3150386A1
Application number: DE19813150386
Authority: DE
Inventors: Jackson Reynolds 77040 Houston Tex. Claycomb
Original assignee: Dresser Industries Inc
Current assignee: Dresser Industries Inc
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-17
Publication date: 1982-09-16
Also published as: US4359899A; JPS57178120A; IT1144535B; IT8149900A0; GB2090981B; GB2090981A; FR2496750A1; NL8105567A; NO814325L; CA1165752A

Description

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Gerät zum Messen der Gewichtsbelastung an einem Bohrstrang

Die Erfindung bezieht sich auf das Einbringen bei Bohranlagen im allgemeinen und auf ein verbessertes Gerät zum Messen des Gewichts am Bohrmeißel während des Bohrens. Messungen mit diesem Gewichtsmeßgerät werden auf eine Übertragungsanlage an der Erdoberfläche weitergeleitet.

Es sind mehrere Gewichtsmeßeinrichtungen zum Feststellen des am Bohrstrang und insbesondere am Bohrmeißel angelegten Gewichts während des Bohrens bekannt. Eine Gruppe dieser Gewichtsanzeigegeräte benutzt an den Elementen im Gerät angebrachte Dehnungsmesser, die als Funktion des Gewichts am Gerät verformt werden. Diese Einrichtungen leiden an Problemen, die sich aus der schwierigen Art der Dehnungsmesser und deren Betrieb in meist rauher Umgebung am Unterteil eines Bohrstrangs ergeben. Diese Einrichtungen,- die Dehnungsmesser benutzen, sind infolge der physikalischen Empfindlichkeit von Dehnungsmessern beim Betrieb in Hochtemperaturumgebung oder ' anderer Umgebung mit Stoßen und Erschütterungen begrenzt. Die Dehnungsmesser sind auch wegen ihrer schwierigen Art. und der anspruchsvollen Forderungen hinsichtlich Installation und Betrieb zum Erhalt genauer und. wichtigen Messungen und Ergebnissen bekannt, während ihre Genauigkeit beim Bestimmen der Verformung von Materialien anerkannt wird. Bisher

waren solche Gewichtsmeßgeräte mit Dehnungsmessern wegen ihrer schwierigen Art wie auch ihrer Unterempfindlichkeit auf Fehler infolge äußerer Widerstände, die in den zugehörigen Schaltungen entstehen können, ungenügend.

Eine andere Gruppe von Gewichtsanzeigegeräten verwenden eine Flüssigkeitskammer innerhalb eines Bohrwerkzeugs, wobei das am Werkzeug angelegte Gewicht den Druck in der Kammer ändert und die Druckänderung von einem Druckaufzeichnungsgerät in einem Bohrstrang vermerkt wird. Ein solches Gerät kann an einem Ort im Bohrstrang benutzt werden, weil das Aufzeichnungsgerät aus dem Bohrstrang entnommen werden muß, um die aufgezeichneten Daten zu analysieren, wenn der Bohrte strang aus dem Bohrlich entfernt worden ist.

Das Bohrstranggewichtsmeßgerät nach der Erfindung enthält ein teleskopisches Gehäuse, das druckausgeglichen ist, um die Wirkungen der Bohrflüssigkeit in einer Innenleitung des Gehäuses und rund um das Gehäuse herum aufzuheben.

Im teleskopischen Gehäuse ist eine Flüssigkeitsfangkammer so angeordnet, daß der Druck in dieser Kammer gemessen und zum Gewicht oder zur Last am Gehäuse gemessen werden kann. Im Gehäuse befindet sich ein Wandler zum Feststellen des Drucks in der Flüssigkeitskammer und zum Umwandeln dieses in ein elektrisches Signal zur Weiterleitung an eine Messung, während das anderswo im Bohrstrang vorgesehene Bohrgerät diese Daten auf die Erdoberfläche überträgt.

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" Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues und verbessertes Gewichtsfeststellgerät zum Messen des Gewichts am Meißel eines Bohrstrangs anzugeben. Bei diesen am Bohrmeißel oder an einer ähnlichen Einrichtung in einem Bohrstrang angebrachte Gerät, bei dem die Wirkungen von Bohrflüssigkeitsdruck am Gerät eliminiert sind, wird die Längskraft am • Bohrmeißel und somit am Gewichtsmeßgerät mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt. Dabei wird der Flüssigkeitsdruck in einer Flüssigkeitsfangkainmer überwacht und kann auf das Gewicht am Meßgerät bezogen werden. Ferner wird im Gerat ein Druckwandler dazu benutzt, den Druck auf ein elektrisches Signal in Beziehung zu setzen, das im Übertragungsgerät im

^ 5 Bohrstrang, das. das Gewicht anzeigende Signal auf ein Empfangsgerät auf der Erdoberfläche überträgt.

Andere Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus der Beschreibung und. aus den Zeichnungen.
^ⁿ diesen ist: · '

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Bohrlochs mit einem in ihm hängenden Bohrstrang, der zum Messen der Bohrlochparameter während des Bohrens eingerichtet ist;

Figur 2 ein Teilschnitt des teleskopischen Gehäuses

des Gewichtsfeststellgerätes mit gestrichelt dargestellten Teilen;

Figur 3 ein Querschnitt des Gerätes, gesehen an der Linie 3-3 der Figur 2;

Figur 4· ein Querschnitt des Gerätes, gesehen
an der Linie 4-4 der Figur 2;

Figur 5^- eine Ansicht des oberen Teils des Gewicht sfühlers mit einem Teil des ab-. geschnittenen Außenteils; und

Figur 6 ein Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Druckwandleranordnung des
Gewichtssensorgehäuses mit einem gegebenen Bezugsdruck.

-in der Beschreibung und den Zeichnungen werden für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Beschreibung beschränkt.

Figur 1 zeigt ein Bohrloch 10 mit einem Bohrstrang 12, an dessen unterem Teil ein Bohrmeißel 14- angebracht ist. Unmittelbar über dem Meißel 14- befindet sich das teleskopartige Gehäuse 16 mit dem Sen-■sor des Gewichtsmeßgerätes nach der Erfindung.
Nachstehend wird das Gehäuse mit "Sensor 16" bezeichnet.

Unmittelbar über dem Sensor 16 befindet sich eine
Bohrhülse 18, die einen Sender 20 enthält, der mit • einem Wandler im Gewichtssensor 16 elektrisch verbunden ist.

Der Sender 20 kann entsprechende Daten zur Erdober-■ fläche übertragen. Das Gerät an der Erdoberfläche
enthält einen Empfänger 22 zur Aufnahme der Daten · vom Sender 20 und einen Dekoder und Prozessor 24 sowie eine Anzeigeeinrichtung 26 zum sichtbaren Darstellen der Daten zur Verwendung durch das Bohrper-

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sonal und/oder zum Aufzeichnen zur späteren Verwendung .

Der Sender 20 befindet sich in einer besonderen Bohrhülse 18 und läßt die Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang abwärts zirkulieren und liefert ein akustisches Signal, das entsprechend mit den aus dem Sensor 16 aufgenommenen Daten moduliert ist. Dieses akustische Signal wird an der Erdoberfläche von dem Empfänger 22 festgestellt und entsprechend ^zum Aufzeichnen und/oder Anzeigen an einem Anzeigeendgerät 26 hergerichtet. Obwohl ein akustisches Datenübertragungssystem beschrieben v/ird, können natürlich auch andere Datenübertragungsanlagen zum Übertragen vom Gewichtssensor 16 zur Erdoberfläche · zwecks Rückgewinnung durch ein entsprechendes Gerät und zur Verwendung beim Bohren verwendet werden. Während der dargestellte Bohrstrang einen üblichen Bohrmeißel 14- enthält, so kann er offensichtlich auch mit anderen Bohrgeräten wie einem Flüssigkeitskraftmotor und einem entsprechendem Schneidgerät arbeiten.

Figur 2 zeigt den Sensor 16 mit einem teleskopartigen, rohrförmigen Gehäuseoberteil 28, das teleskopartig mit einem unteren Gehäuseteil $0 verbunden ist. Das untere Ende des unteren Gehäuseteils 30 besitzt eine Innenseite mit einer GewindeÖffnung eines Kastens 32 zum Halten eines Bohrmeißels oder eines anderen Bohrgerätes. Der obere Teil des unteren Gehäuseteils 30 dient zur Aufnahme und zum Halten des unteren Endteils des oberen Gehäuseteils 28 in seinem Inneren. Eine Innenbohrung 34- im unte-

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ren Teil des unteren Gehäuseteils 30 dient zur Aufnahme einer unteren Dichtung am unteren Teil des oberen Gehäuseteils 28. Durch den Längsdurchgang 3^ des oberen Gehäuseteils 28 und durch die untere Gehauseteilinnenbohrung 34 geht Bohrflüssigkeit hindurch. Zum in Längsrichtung so gleitenden Verbinden der Gehäuseteile, daß sie drehbar zusammen blockiert sind, werden mehrere Dübelstifte 36 in länglichen Rillen 38 und 4-0 befestigt, die in das obere Gehäuseteil 28 bzw. in das untere Gehäuseteil 30 eingearbeitet sind.

Am unteren Ende des oberen Gehäuseteils befindet sich eine untere Dichtung zum Abdichten der Bohrung 34 im unteren Gehäuseteil 30. Diese Dichtung enthält eine innere Dichtungsmuffe 4-2, die in den unteren Endteil des oberen Gehäuseteils 28 eingeschraubt ist, einen vergrößerten unteren Teil besitzt, der das untere Ende des oberen Gehäuseteils 28 nach innen "überlappt. Zum Innendurchgang des Sensors 16 ist eine ringförmige Pläche 44 am untersten Ende der unteren Dichtungsmuffe 42 offen. Ein Dichtungsring 4-8 ergibt zwischen der Außenseite der unteren Muffe 42 und der Oberfläche der Bohrung 34 eine Dichtung und ein Dichtungsring 46 ergibt zwischen der Innenseite der unteren Muffe 42 und der Oberfläche der Bohrung 34 eine Dichtung zwischen diesen Teilen unter der . Schraubverbindung dieser Teile Zwischen dem überstehenden unteren Endteil der unteren Muffe 42 und dem. unteren Ende des oberen Gehäuseteils 28 dient ein federnder Sperring 49 zum Verbinden des Drehens der Sperrmuffe 42 am oberen Gehäuseteil. Am oberen Endteil der unteren Muffe 42 befindet sich ein ring-

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förmiger Anschlag 50, der die unteren Enden der Dübelstifte 36 berührt und so ihre Abwärtsbewegung am oberen Gehäuseteil 26 begrenzt.

über den Dübelstiften 36 befindet sich eine Flüssigkeitsfangkammer 52, die zwischen den Gehäuseteilen und der unteren Dichtung und einer mittleren Dichtung darüber liegt. Die Kammer 52 ist von den Druckwirkungen der Bohrflüssigkeit im Innern des Sensors 16 isoliert und kann sich in ihrem Volumen je nach der relativen Lage der beiden Gehäuseteile verändern.

Dadurch kann der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 52 je nach der Lage dieser Gehäuseteile verändert werden.

Die Mitteldichtung am oberen Ende der Kammer 52 enthält eine Mitteldichtungsmuffe 54 <üe um auf das Äußere des Mittelteils des oberen Gehäuseteils 28 geschraubt ist. Die Dichtungsringe 62 und 64 sind ein entsprechenden unteren und oberen Rillen in der Mitteldichtungsmuffe 5-4 vorgesehen. Sie dichten gegen die Dichtungsflächen 56 und 58 am oberen und . unteren Gehäuseteil 28 und 30 ab.

Die Muffe 54 endet an der Fläche 66 an ihrem unteren Ende. Die Dichtungsflächen 56 und 58 können als an radialen Anschlag 60 am unteren Ende auslaufend angesehen werden. Unter.der oberen Dichtung wird die Flüssigkeitskammer 52 von den Vorderseiten der Gehäuseteile 28 und 30 hinab zur unteren Dichtung gebildet. Zwischen diesen Dichtungen füllt die Flüssigkeit die Hohlräume, die die Dübelstifte 36 umgeben, und die zwischen den Rillen 38 und 40 aus.

Die Länge der Kammer 52 liegt zwischen dem Dichtungsring 64-, der an der Fläche 38 anliegt, und dem Dichtungsring 48, der an der Bohrfläche 34 anliegt. Das wirksame Gebiet der Kammer 52, das in die Ausgleichsbeziehung der Flüssigkeit gelangt, ist ringförmig und liegt zwischen den Dichtungspunkten der Ringe 64- und 4-8 an deren jeweiligen Dichtungsflächen 58 und 34.

In Längsrichtung durch das obere·Gehäuseteil 28 geht ein Flüssigkeitsdurchgang 68 hindurch, um eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Kammer 52 und einem Druckwandler im oberen Gehäuseteil' 28 herzustellen. Der Durchgang 68 enthält eine querliegende Segmentöffnung zur Kammer 52 durch die Außenfläche des oberen Gehäuseteils hindurch. In das obere Ende des Durchgangs 68 ist ein Stopfen 70 eingeschraubt, der es am oberen Ende im oberen Gehäuseteil 28 abdichtet. Es kann eine nicht zusammendrückbare Flüssigkeit wie öl oder dergl. zum Füllen der Kammer 52 und des zugehörigen Durchganges verwendet werdd.n.

In Abstand über der Mitteldichtung befindet sich eine obere Dichtung, die eine Ausgleichskammer bildet, die die Wirkungen der Bohrflüssigkeit am Sensor aufzuheben versucht. Es ist eine obere Dichtungsmuffe 72 auf das obere Endteil des unteren Gehäuseteils 30 aufgeschraubt. Diese Muffe enthält einen unteren Teil 74 ini unteren Gehäuseteil 30 und einen oberen Teil 76 größeren radialen Durchmessers über dem oberen Ende dieses Gehäuseteils. Die Innenfläche des unteren Teils 74 der oberen Dichtungsmuffe gleitet an der äußeren Dichtungsfläche 7⁸ des oberen Gehäuse-

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teils 28. Die Dichtungsringe 80 und 82 dieses Muffenteils 7^· ergeben eine Dichtung zwischen der Fläche. 79 des oberen Gehäuseteils 28 bzw. der Fläche 58 im Innern des unteren Gehäuseteie 30. Das obere Teil 76 der unteren Dichtung überlappt ein Segment des oberen Gehäuseteils 28, das im Durchmesser größer als die Dichtungsfläche 78 ist und. so eine Schutzdecke des oberen Teils der Dichtungsfläche 78 bildet. Zwischen dem oberen Teil der Fläche 78 und einem überlappenden Teil des oberen Dichtungsmuffenoberteils 76 befindet sich eine ringförmige Flüssigkeitskammer .86. Eine Lüftungsöffnung 84- durch den oberen Teil 76 der oberen Dichtungsmuffe bildet eine freie Flüssigkeitsverbindung zwischen der Kammer 86 und" der Bohrflüssigkeit, die sich normaler Weise im Ring um den Bohrstrang herum befindet. Die Lüftungsöffnung 84 gewährleistet, daß keine Flüssigkeit in der Kammer 86 gehalten wird, die das Arbeiten der Gewichtsfest-

P₀ stellteile des Gerätes behindern könnte.

Zwischen der Außenseite des oberen Gehäuseteils 28, der Innenseite des unteren Gehäuseteils 30 und dem unteren Ende 92 der oberen Dichtungsmuffe 72 befindet sich eine Druckausgleichskammer 88. Ein Flüssigkeitsdurchgang 94-» der quer durch das obere Gehäuseteil hindurchgeht, ergibt eine Flüssigkeitsverbindung zwischen der Ausgleichskammer. 88 und dem Innendurchgang 35 des oberen Gehäuseteils. Durch den Durchgang 9^- kann Bohrflüssigkeit in die Ausgleichs-

3Q kammer 88 eintreten, wodurch gleichzeitig auf beide Gehäuseteile Flüssigkeitsdruck ausgeübt wird.

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Dieser Druck wirkt an der Fläche 90 der mittleren .. Dichtungsmuffe 5^, die am oberen Gehäuseteil 28 befestigt ist, und auch auf der Fläche 92 der unteren Muffe 72, die sich am unteren Gehäuseteil 30 befindet.

Am oberen Endteil des Sensors befindet sich in der Wand' des rohrförmigen Gehäuseteils ein Druckwandler 96, der in die Flüssigkeitsverbindung mit dem Durchgang 68 geschaltet ist und zum Messen eines Flüssigkeitsdrucks dient, der auf einen Bezugsdruck bezogen ist. In dier>er Anlage mißt der Druckwandler 96 den Flüssigkeitse .ruck in der Kammer 52 relativ zum Druck im Ring um den Bohrstrang -herum in der Nähe des Sensors.16. Hierfür ist ein Sensorteil des Sensors 16 dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt, der dem in der Kammer 52 äquivalent ist, während ein anderer Bezugsteil des Sensors dem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt ist, der dem im Bohrlochring am Sensor 16 äquivalent ist. Die Wandler, die solche Messungen

20' ausführen können, sind bekannt und deshalb werden. Einzelheiten dieses Wandlers nicht besonders beschrieben. Der Wandler 96 befindet sich in einem Hohlraum und ist in einem Durchgang verschraubt, der mit der Kammer 52 zum Anlegen des zu messenden Drucks in den Wandler in Verbindung steht. Der Hohlraum, der den Wandler 96 enthält, wird durch einen hydrosta- . tischen Druckkompensator auf dem Druck des Bohrlochringes gehalten.

Die Figuren 2 und 4- zeigen einen ersten Querdurchgang 98, der den Längsdurchgang 68 kreuzt und wiederum an einem zweiten Querdurchgang 100 liegt, der

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in der Seitenwand des Gehäuseteils 28 winkelig ausgerichtet ist und einen Hohlraum mit dem Druckwandler 96 darin bildet. Der Wandler 96 besitzt ein Gewindeteil, das dicht mit einem Teil des zweiten Durchganges 100 verschraubt ist, um den Druckmeßteil mit den verbindenden Durchgängen" 98 und 68 und der Kammer 52 flüssigkeitsmäßig zu verbinden. Das Ende des ersten Durchganges 98, der nicht am V/andler 86 liegt, ist durch einen Stopfen 104 abgedichtet. Ein dritter Durchgang 106 kreuzt den zweiten Durchgang 100 an einer Stelle zwischen dem Stopfen 104 und dem V/andler .96. In diesem dritten Durchgang befinden sich kommende· Drähte vom Wandler 96 und ein Kabel-verbinder 108. In diesen Durch- · gang 106 ist der Verbinder 108 eingeschraubt und abgedichtet. Er ergibt eine Dichtung für den Durchgang und es ist ein elektrischer Verbindungspunkt ■ für das Kabel 110 vorgesehen. Das Kabel 110 dient zum Verbinden des Druckwandlers 96 mit dem Sender

20. 20, der sich in der Senderbohrhülse 18 befindet, die normalerweise unmittelbar über dem Gewichtssensor 16 liegt. Das oberste Ende des dritten Durchgangs 106 ist zur Außenseite des oberen Gehäuseteils 28"an einem Teil 112 verringerten Durchmessers an dessen Rand offen.

Im oberen Endteil des oberen Gehäuseteils 28 befindet sich ein hydrostatischer Druckkompensator, der mit dem Sensor 96 beim Messen des Flüssigkeitsdrucks in der Kammer 52 zusammenarbeitet; und eine quer im oberen Endteil des Gehäuseteils 28 verlaufende Kolbenbohrung 114 aufweist. In der Bohrung 114 kann ein Kolben 118 bewegt werden.

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Ein Dichtungsring 120 am Kolben 118 dichtet in der Bohrung 114 ab. In dieser Rille in der Kolbenbohrung 114 befindet sich ein Sperring 122, der die Auswärtsbewegung des Kolbens 118 begrenzt.

Die Außenseite des Kolbens 118 ist einem Bohrlochringdruck abgesetzt und seine Innenseite ist zum Druckwandler 96 offen. Im Betrieb ls.ßt der Kompensator hydrostatischen Flüssigkeitsdruck vom Bohrlochring über den Kolben an die Flüssigkeit im dritten Querdurchgang 116 und so an den Druckbezugsteil des Druckwandlers 96 gelangen. Damit der Flüssigkeitsdruck vom Druckkompensator angelegt werden kann, werden der dritte Durchgang 106 und der Hohlraum mit dem Druckwandler mit einer nicht zusammendrückbaren Flüssigkeit wie öl und dergl. gefüllt. Im Betrieb flutet der Kompensatorkolben 118 die Kolbenbohrung 114 und dient praktisch unbeschränkt zum· Überführen von Flüssigkeitsdruck aus dem Bohrloch- ■ ring zum Drucksensor 96·

Das obere Endteil des oberen Gehäuseteils 28 besitzt einen Gewindestift 124 zum Verbinden des Sensorgehäuses mit dem Bohrstrang. Am oberen Endteil des Gehäuseteils 28 ist eine Schutzmuffe 126 abnehmbar angeschraubt, die über den Endteil des Gehäuseteils, das den hydrostatischen Kompensator enthält, über den zweiten Stopfen 104 und über den Auslaß des dritten Durchgangs 106 und auch über einen Teil des Gewindestifts 124 führt. Die Muffe 126 paßt lose um den oberen Endteil des Gehäuseteils 28 herum, damit für die Bohrflüssigkeit im Bohrlochring Zugang zum Kompensator erhalten wird. Der untere Teil der Muffe 126 ist mit einem Innengewinde versehen und greift

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•an das entsprechende Außengewinde am oberen Gehäuseteil 28 an, so daß eine Schraubverbindung zum Befestigen der Muffe 126 am oberen Gehäuseteil 28 entsteht, wenn der Gewichtssensor im Bohrstrang installiert wird. Die Schutzmuffe 126 kann an der Verbindung 128 ohne Gewinde sein und am oberen Gehäuseteil 12 zum Einbau des Bohrstrangs und Anschließen des Kabels 110 nach unten gleiten. Wenn das Gehäuse im Bohrstrang befestigt ist, wird " die Muffe 126 aufwärts geführt und an der Schraubverbindung 128 zum Schutz der Verbindung zwischen dem Sensorgehäi^se und der Senderbohrhülse 18 befestigt.

Der Druckausgleich der beiden Gehäuseteile des Sensorgehäuses zum Abnehmen der Wirkungen der Bohr- flüssigkeit im Bohrstrang und der Bohrflüssigkeit um das Gehäuse im Ring zwischen dem Bohrstrang und Bohrloch herum aus der Gewichtsmeßlage. Der Auftriebseffekt des Bohrstrangs ist kein Faktor zum Bestimmen des Gewichts am Bohrmeißel bei der Verwendung der Meßeinrichtung nach der Erfindung, weil sie die Kraft oder Längsbelastung im Bohrstrang am Sensorgehäuse mißt. Eine in Betracht des an den Bohrmeißel-angelegten Gewichts zu ziehende Kraft ist die, die von der Hochdruckbohrflüssigkeit oder dessen Schlamm erzeugte Kraft, der vom Längsdurchgang 35 in clie Druckausgleichsflüssigkeitskammer 88 durch den Durchgang 94· eingedrungen ist, Der Druck in der Ausgleichskammer 88 wirkt zwischen dem Innern des unteren Gehäuseteils 30 und dem Äußern des oberen Gehäuseteils 28 über Gebiete, die praktisch gleich den Ringgebieten der . Flächen 90 und 92 an der Mitteldichtungsmuffe 54-

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bzw., der oberen Dichtungsmuffe 72 sind. Zur Erläuterung werden die Sebiete der Ringflächen 90 und 92 als gleich angesehen und mit A1 bezeichnet. Die Wirkung der unter relativ hohen Druck stehenden Bohrflüssigkeit in der Ausgleichskammer 88 verkürzt die Länge des Gewichtssensors 16 teleskopartig.

Im unteren Teil des Gehäuses befindet sich die unter hohem Druck stehende Bohrflüssigkeit im Längsdurchgang 35 am unteren Ende des oberen Gehäuseteils

28. Das Gebiet, auf das dieser Druck wirkt, verläuft an der Innenbohrung 34 des oberen Gehäuseteils 28. Hier wird dieses Gebiet mit A2 bezeichnet. Wenn.nur die Bohrflüssigkeit auf das Gebiet A2 einwirkt, besteht die Tendenz zum teleskopartigen Verlängern des Sensorgehäuses 16.

Der dritte druckbezogene Teil des Sensorgehäuses ist der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 52. Das am Gehäuseteil 28 angelegte Bohrstranggewicht wird auf das untere Gehäuseteil 30 durch die Flüssigkeit in der Kammer 52 infolge des veränderbaren Volumens der in dieser Kammer enthaltenen Flüssigkeit im jeweiligen beschriebenen teleskopisch angeordneten Aufbau.übertragen. Wo die Flüssigkeit, z.B. öl in der Kammer 52 praktisch nicht zusammengedrückt werden kann, dann ist die Kraftübertragung durch die Flüssigkeitsverbindung praktisch ungeschwächt. Hinsichtlich der Übertragung der-Längskräfte im Sensorgehäuse wirkt der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 52 über das Gebiet A3, das das Ringgebiet zwischen der Dichtungsfläche 58 innerhalb des unteren Gehäuseteils 30 unter der Mitteldichtung und der

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Bohrung 34 im unteren Ende des Gehäuseteils 30 ist. Dieses Gebiet kann auch als zwischen den sich bewegenden Dichtungspunkten der Dichtungsringe 64 und 48 liegend gedacht sein. Der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 52 variiert in bezug zur Längskraft am Sensor und ist der ^ruck, der vom Druck-.wandler 96 gemessen wird.

Wenn der Bohrstrang sich im Betriebszustand befindet, wird die Bohrflüssigkeit durch das Bohrrohr mit relativ hohem Arbeitsdruck gepumpt, worauf diese Flüssigkeit den Bohrmeißel verläßt und in den Bohrlochring mit verhältnismäßig geringem hydrostatischem Druck eintritt. In dieser Umgebung ist d-er Sensor unterschiedlichen Arbeitsdrücken ausgesetzt, die zum Messen des tatsächlich an den Meißel angelegten Gewichts in Rechnung gestellt werden muß. Hierfür gleicht das Innere des Sensors 16 den Druck hinsichtlich der Innen- und Außeridrücke aus, wenn die getrennten Gehäuseteile 28 und 30 so beschaffen sind, daß die Gebiete Al und A2 im Betrieb äquivalent sind, so daß die Wirkungen des Drucks ausgeglichen werden. Wenn diese Druckwirkungen aufgehoben sind, wird die an das obere Gehäuseteil 28 angelegte Kraft oder das Gewicht auf das untere Gehäuseteil 28 über die in der Kammer 52 enthaltene Flüssigkeit übertragen. .

Diese Flüssigkeit ist den Kräften des am Sensor angelegten Gewichts und auch dem hydrostatischen Bohrlochringdruck ausgesetzt, der an die Flüssigkeit in der Kammer 52 über den hydrostatischen Druck-Kompensator und dem Druckwandler 96 angelegt

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wird. Weil der Wandler 96 nur den relativen • oder Differentialdruck mißt, wird die Wirkung des hydrostatischen Bohrlochdrucks aufgehoben und mißt den Flüssigkeits-druck in der lammer 52 direkt.

Das Gewicht am Bohrmeißel kann mit folgender Gleichung errechnet werden:

W - P3 A3

worin
. W das· über den Bohrstrang an den Sensor 16

gelegtes Gewicht„
P3 - der Flüssigkeitsdruck in der Kammer 52,

und

AJ β das Ringgebiet der Kammer zwischen der Dichtungsfläche 58 und der Bohrung 54- ist«

Weil AJ aus den Messungen des Sensors 16 errechnet werden kann und praktisch ein konstanter Wert bleibt, ist es verhältnismäßig unkompliziert, P3 zu über= wachen und das Gewicht W zu errechnen«,

Bei Nutzung dieses Geräts mit einem Gerät zum Me s~ 'sen während des Bohrens würde es natürlich das Aufeinanderfolgen mit anderen Meßgeräten erfordern, so daß elektrische Signale aus den Instrumenten und dem Sender 20 den Druckwandler 96 periodisch abfragen, um auf den festgestellten Druck bezogene Daten und demnach den Flüssigkeitsdruck in der Kam-

' . mer 52 zu erhalten» Diese Daten werden wiederum vom Sender zum Datenempfänger auf der Erdoberfläche übertragen, worauf sie dekodiert und/oder auf ge=·

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zeichnet werden und von der Bohrmannschaft auf der Anzeigeeinrichtung 26 ausgewertet werden.

Es ergibt sich somit, daß ein neues und verbessertes Gerät zum Feststellen des an einen Bohrmeißel angelegten Gewichts geschaffen worden ist, das mit der Meßanlage im Bohrloch während des Bohrens vereinbar ist. Der Sensor ist im Aufbau einfach, besitzt nur wenige Teile und kann leicht hergestellt werden.

Der Sensor kann leicht in einen Bohrstrang unter einer Bohrhülse eingebracht werden, die einen entsprechenden Sender und Instrumente enthält. Er kann dazu verwendet werden das Gewicht oder.die Längskraft im Bohrstrang am Sensor zu messen. V/eil der Sensor einfach ist, arbeitet er in der äußerst rauhen Umgebung zuverlässig.

'Eine mögliche Abänderung bezieht sich auf den Druckfeststellteil des Sensors 16, um die auf eine gegebene Konstante bezogene Druckmessung durchzuführen, wie es Figur 6 zeigt. Hierfür wird der hydrostatische Druckkompensator nicht verwendet und der Hohlraum, in dem der Druckwandler 96 eingebracht ist, ist gegen die Flüssigkeit im ringförmigen Bohrloch durch einen Stopfen 104- und durch den Verbinder 108 abgedichtet. Der Druckwandler 96 ist auch mit einem gegebenen Bezugsdruck versehen, der bei der Berechnung des Drucks P3 in der Kammer in Rechnung gestellt werden muß. Der Bezugsdruck ist positiv und wird vom gemessenen Druck P3 abgezogen, der zum Bestimmen des

ZQ Gewichts am Bohrmeißel 14 benötigt wird. Bei der

Wendung dieses Wandlers kann der bestimmbare Druck atmosphärischer Druck oder ein anderer bestimmbarer Druck nach Wahl des Konstrukteurs sein. Es sind auch bestimmte Änderungen im beschriebenen Ausführungsbeispiel ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken möglich.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Gewichtsmeßgerät zum Messen der Gewichtsbelastung in einem Bohrstrang beim Bohren eines Bohrlochs, gekennzeichnet durch: a) ein rohrförmiges Gehäuse, daß in einen Bohrlochstrang (12) geschaltet werden kann und ein unteres und ein oberes teleskopartiges Gehäuseteil (28,30) besitzt, die eine begrenzte teleskopische Relativbewegung ermöglichen;

b) eine Einrichtung zwischen den teleskopartigen Gehäuseteilen (28,JO) zum Peststellen der Längskraftbelastung am Gehäuse (16) mit einer Kammer für ein veränderbares Flüssig-

TELEX: 1-8564« Inven d

TELEGRAMM:

WVENTION

KRLIN

TELEFON: BERLIN

030/891 60 37 030/8913026

BANKKONTO: BERLINERBANKAQ. BERLIN 31 3695719000

POSTSCHECKKONTO P MEISSNER BLN-W 404737-103

keitsvolumen zwischen den Gehäuseteilen, wobei der Druck der Flüssigkeit in einer Kammer (52) funktionsmäßig auf die Längskraftbelastung am rohrförmigen Gehäuse bezogen ist; und

•c) einen Druckwandler in der Feststelleinrichtung in einem der Gehäuseteile (28 oder 30) mit einer Flüssigkeitsverbindung mit der Kammer (52) zum Feststellen des Flüssigkeitsdrucks ^⁰ in der Kammer, wobei der Wandler betriebs

mäßig mit einem Sender (20) zum Übertragen gemessener Daten verbunden ist, um diese Daten auf das Bohrgerät auf der Erdoberfläche weiterzugeben.

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2. Gerät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (28, 30) zwischen seinem oberen und unteren Teil eine

s Druckausgleicheinrichtung (26) aufweist, die die

Wirkungen der Bohrflüssigkeit mit verhältnismäßig hohem Druck im Gehäuse aufhebt, das die teleskopartigen Teile (28,30) entsprechend verschiebt und die Wirkung der Bohrflüssigkeit an der Außenseite des Gehäuses, das die teleskopartigen Teile zusammen zu verschieben sucht, aufhebt.

3. Gerät nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskammer (52) sich zwischen den vorderen Flächen der beiden Gehäuseteile (28,30) und zwischen zwei räumlich getrennten Dichtungseinrichtungen befindet, die zwischen den beiden Gehäuseteilen

(28, 30) angebracht sind, so daß die Längsbewegung der Gehäuseteile das Volumen der Kammer (52) verändert und die Flüssigkeit in der Kammer (52) gehalten wird.

4·. Gerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Wandler zum Messen des Flüssigkeitsdrucks in der Kammer (52) in bezug auf einen gegebenen.Wert mißt.

5.' Gerät nach Anspruch 4-, dadurch g e kennzeichnet, daß der Bezugsdruck der Atmosphärendruck ist.

6. Gerät nach Anspruch 1,dadurch gekenn ze i chnet, daß der Wandler zum Messen des Flüssigkeitsdrucks in der Kammer

(52) in bezug auf den Flüssigkeitsdruck im Ring zwischen dem Bohrstrang (12) und dem Bohrloch (10) unmittelbar neben dem Meßgerät (16) mißt.

7. Gerät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß

a) eines der-teleskopartigen Teile (28 oder 30), das den Wandler besitzt, an seinem Randendteil neben einem Gewindeteil eine öffnung besitzt, um das Gewichtsmeßgerät in einen Bohrstrang zu schalten und die Öffnung zum

25" "· Durchführen elektrischer Drähte vom Druckwandler dient, und

b) eines der Gehäuseteile eine Muffe (18) besitzt, die um dieses herum angebracht ist

und in starrer Beziehung zum Gehäuseteil gebracht werden kann, um einen Teil des Gewindeendteils eines Schraubteils am Bohrstrang zu bedecken und die elektrisehen Drähte gegen physikalische Beschä

digung im Bohrlochumgebung zu schützen.

8. Gerät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Feststelleinrichtung (16) den Flüssigkeitsdruck in einem Bohrlochring um das rohrformige Gehäuse herum feststellt und die Druckmessungen der Feststelleinrichtung für den Flüssigkeitsdruck im Bohrlochring kompensiert. .

9. Gerät nach Anspruch 8,dadurch g e -

kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Feststellen des Flüssigkeitsdrucks einen Hohlraum aufweist, der den Druckwandler enthält, in dem •bei Betrieb der Hohlraum allgemein auf dem Druck des Bohrlochringes gehalten wird.

10. Gerät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das obere Gehäuseteil (28) an den Bohrstrang angeschlossen werden kann und im unteren Gehäuseteil (30) teleskopartig angebracht ist, das mit dem Bohrgerät, wie einem Meißel (14-) gekuppelt wird, daß das obere und das untere Gehäuseteil (28,30) Einrichtungen zum Ausgleichen der Wirkung des Drucks der inneren Bohrflüssigkeit besitzen, die die Gehäuseteile teleskopartig auseinanderziehen und die Wirkung des Drucks der äußeren Bohrflüssigkeit die Gehäuseteile

teleskopartig zurückzuziehen versucht, und daß die Gehäuseteile (28,30) eine Kammer (52) zum Messen des Flüssigkeitsdrucks zwischen sich ergeben, die flüssigkeitsmäßig von der Bohrflüssigkeit isoliert ist, und daß die Kammer in bezug auf die Längsdruckkraft an den rohrförmigen ■ Gehäuseteilen unter Druck gesetzt wird, und daß im rohrförmigen Gehäuse der Druck in der Kammer (52) und dadurch ein meßbarer Parameter festgestellt wird, der die Längskraft an der Meßeinrichtung (16) anzeigt, das das Gewicht an der Bohreinrichtung darstellt.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichseinrichtung (26) ein Gebiet an einem unteren Teil des oberen Gehäuseteils (28) aufweist, das einer Bohrflüssigkeit von relativ hohem Druck aus dem Inneren des Bohrstrangs (12) ausgesetzt ist, daß ein anderes Gebiet am oberen Teil des unteren Gehäuseteils (30) einer Bohrflüssigkeit relativ niedrigen Drucks aus Ring zwischen dem Bohrstrang und einem Bohrloch ausgesetzt ist, und daß andere Gebiete an einer aufwärts gerichteten Fläche des oberen Gehäuseteils (28) und an einer abwärts gerichteten Fläche des unteren Gehäuseteils (30) der Bohrflüssigkeit relativ hohen Drucks aus dem Innern des Bohrstrangs ausgesetzt sind.

12. Gerät nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeststelleinrichtung einen Druckwandler am oberen Endteil · des oberen Gehäuseteils (28) aufweist, das den

Flüssigkeitsdruck in der Flüssigkeitskammer (52) feststellt und die Messung in ein elektrisch wahrnehmbares Signal umformt, das das Gewicht der Bohreinrichtung anzeigt.

■ 13.-Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das obere Gehäuseteil (28) ein Gewindeendteil zum Anbringen dieses in einen Bohrstrang und eine Muffe (18) enthält, die abnehmbar um und an dem Gewindeendteil angebracht ist· und einen

Gewindeendteil des jeweiligen Bohrstrangs überlappt;

• b) die Feststelleinrichtung (16) zum Feststellen

des Drucks einen Durchgang (-35) "durch das obere Gehäuseteil vom Y/andler zu einem Auslaß

am oberen Gehäusegewindeendteil besitzt und von diesem Endteil und der Muffe überlappt wird, wenn ein Teil des Gewindeendteil überlappt wird; und

c) der Wandler mit einem elektrischen Kabel, das von diesem durch den Durchgang (35) zum Anschluß an einen Sender (20) führt, der sich im Bohrstrang (12) befindet und Daten vom Wandler zu einem Empfänger (22) auf der Erdoberfläche überträgt.

14. Gerät nach Anspruch 13,dadurch g e kennz e i chnet, daß die Druckfeststelleinrichtung eine Einrichtung zum Feststellen des Flüssigkeitsdrucks in der Flüssigkeitskammer (52) unabhängig vom Flüssigkeitsdruck in einem Bohrloch (10) enthält, das in dem sich das Meßgerät (16) befindet.

15· Gerät nach. Anspruch 13, dadurch g e kennzeichnet, daß die Einrichtung zum Feststellen des Flüssigkeitsdrucks in der Kammer (52) auf einen Bezugsdruck bezogen ist.

16. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse enthält:

a) eine untere Dichtungseinrichtung (4-2) zwischen dem unteren Gehäuseteil (30) und dem oberen Gehäuseteil (28) an einem

unteren Teil des Gehäuseteils, eine mitt-. lere Dichtungseinrichtung (5*0 zwischen dem unteren Gehäuseteil' (30) und dem oberen Gehäuseteil (28) über der Kammer (52), eine

15- obere Dichtungseinrichtung (72) zwischen

dem unteren Gehäuseteil und dem oberen Gehäuseteil, aufweist, die über der mittleren Dichtungseinrichtung mit Abstand angeordnet ist; und

I₃) cLje Ausgleichseinrichtung eine Bohrflüssigkeit verhältnismäßig hohen Drucks, die am oberen Gehäuseteil liegt, an der unteren. .. Dichtungseinrichtung (42) und an beiden Gehäuseendteilen (28,30) zwischen der mittleren Dichtungseinrichtung (52) und einer Bohr

flüssigkeit relativ niedrigen Drucks, der am unteren Gehäuseteil über der oberen Dichtung (72). liegt.

17. Gerät nach den vorhergehenden Ansprüchen, d a durch gekennzeichnet, daß der

Datensenaer (20) und Prozessor (24-) sich in mindestens einer Hülse des Bohrstrangs befindet und verschiedene auf das Bohren bezogene Meßdaten festgestellt und zur Erdoberfläche weiter-■ gegeben werden; die dann am Empfänger (27) auf der Erdoberfläche angezeigt und aif gezeichnet ' werden können, daß sich die beiden Gehäuseteile (28,30) zueinander teleskopartig bewegen können, daß der Flüssigkeitsdruck in der Kammer (52) mit veränderbarem Volumen funktionsmäßig auf die Langskraftbelastung an den Gehäuseteilen bezogen ist, und daß der Druckwandler betriebsmäßig mit einem Sender (20) für die gemessenen Daten verbunden ist und diese an das Bohrgerät auf der Erdoberfläche weitergibt, damit sie zum Errechnen des Gewichtsbelastungszustandes im Bohrstrang (12) an den Gehäuseteilen benutzt werden können.

18. Verfahren zum Messen des Gewichts an einem Bohrmeißel an einem Bohrstrang mit einem Gerät nach den vorhergehenden Ansprüchen, g e k e η η ζ e i c hnetdurch:

• a) betriebsmäßiges Anbringen des Gewichtssensors (16) am Bohrstrang (12), wobei die beiden Gehäuseteile (28,30) mit einer Kammer (52) veränderbaren Volumens zwischen sich den

Flüssigkeitsdruck messen, der auf die Langskraftbelastung am Sensor (16) bezogen ist und dieser Druck von einem Druckwandler festgestellt wird;

b) betriebsmäßiges Anbringen des Druckwandlers an die Datenübertragungseinrichtung; im Bohrstrang (16), um die Daten während des Bohrens auf die Erdoberfläche zu übertragen;

c) Feststellen des Flüssigkeitsdrucks in der

Kammer (52) mit dem Druckwandler und Erzeugen .eines den Druck anzeigenden elektrischen Signals; das zur Erdoberfläche übertragen wird,

d) Bestimmen der Längskraft am Bohrmeißel (14) durch Inbeziehungsetzen des Druckdatensignals

mit einem bekannten Druckparameter für den Gewichtssensor (16).

19. Verfahren nach Anspruch 18,dadurch gekennzeichnet, daß die Längskraft am ' Bohrmeißel (14·) bestimmt wird, die auf dem Druckdatensignal basiert, das den auf einen im druckbeeinflußtes Gebiet im Gewichtssensor (16) wirkenden Druck darstellt.

20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch, gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsdruck in der Kammer (52) unabhängig vom Flüssig-'keitsdruck im Bohrstrang und im Ring um den Bohrstrang (12) im Bohrloch (10) herum festgestellt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeits-' druck in der Kammer (52) relativ zu einem gebenen Bezugsdruck festgestellt wird.