DE3402386A1 - Induktive energie- und datenuebertragung - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-HH/Sa/bl

Theodor-Stern-Kai 1 HH 83/24

D-6000 Frankfurt 70

"Induktive Daten- und Energieübertragung"

Die Erfindung betrifft einen Übertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

FUr die Überwachung räumlich langgestreckter Strukturen werden absenkbare Meßstationen eingesetzt. Als Beispiel sei ein Rohrstrang/Bohrloch erwähnt, der von einem Schiff zum Meeresboden und in den Untergrund führt. Die Gesamtanordnung kann zur Exploration und Förderung von Kohlenwasserstoffen dienen. Je nach verwendeter Sensoreinheit können Daten, wie Orientierung des Bohrloches und des Neigungsübergangs, Formationseigenschaften, Bohrparameter und Bohrlochzustand ermittelt werden, Diese Daten werden zur Operatorkonsole fernübertragen.

Der Terminus "Measurement While Drilling" (MWD) umfaßt nicht nur die Meßwerterfassung untertage samt deren Fernübertragung, sondern auch die Aufzeichnung dieser Daten übertage, die für die Optimierung des Bohrvorgangs notwendig sind.

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Mit dem Ansteigen der Ölpreise in den 70er Jahren wurden von mehreren Firmen unterschiedliche Projekte unter dem Namen "Logging While Drilling" (LVD), "Downhole Logging While Drilling" (DLWD) oder auch ¹TWD" begonnen. In den meisten Fällen waren diese nicht wie früher als Konkurrent zum konventionellen Schlumberger-Logging, sondern für Messungen von Bohrlochorientierungsdaten zur Durchführung von Richtbohrprojekten konzipiert. Von der Industrie wurde der Begriff "MWD" akzeptiert, mit dem Verständnis, daß jede Meßgröße von der Bohrlochsohle beinhaltet wird, die nach Übertage übertragen wird.

Die Gründe für die natürliche Drift des Bohrlochverlaufes von seinem geplanten Kurs sind in einem Wechsel der Gebirgscharakteristik bzw. dem Einfallen der geologischen Schichten und dem Schwerstangenverha1ten zu suchen. Die Kenntnis einer derartigen Bohrlochgestalt samt seiner Koor dinaten hängt von der Häufigkeit der Messungen und der Genauigkeit der verwendeten Meßsysteme ab. Art, Lokation und Ziel des Bohrprogramms bestimmen in der Regel die geplanten Servicekosten. Für dae Bohrprojekt sind unter Minimierung der BohrturmstilIstandzeiten und Meßkosten optimale Genauigkeitsstufen für die benötigten Informationen zu definie- ren, die zur sicheren Durchführung ohne eus ätzliche Risiken notwendig erscheinen. Dieser Aufwand ist dem zu erwartenden Nutzen, der aus der Anwendung genauerer Systeme entsteht, gegenüberzustellen und in den Entscheidungsprozeß für die Wahl eines MWD-Systems einzubeziehen. Die Genauigkeit dieser Systeme wird weniger durch Schwierigkeiten bei der technischen Realisierung, als vielmehr durch den hohen finanziellen Aufwand begrenzt.

Die eigentlichen Meßeinrichtungen befinden sich innerhalb einer nicht magnetisierbaren Schwerstange über dem Meißel bzw. dem Meißeldirektantrieb. Die Meßeinrichtungen und die Prozessoren (Mikrorechner) sind in einem Sensorpaket untergebracht, das entweder fest eingebaut ist, oder bei bestimmten Systemen im Bedarfsfalle mittels geeigneter Einrichtungen untertägig eingebaut werden kann.

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Das Sensorpaket besteht aus dem eigentlichen Meßteil, dem Sensor oder Meßwertaufnehmer, der Meßwertverarbeitung und dem Übertragungselement, welches die Größen codiert mittels Übertragungsmedium nach Übertage "telemetriert". Die modernen Sensoren für liichtbohrarbeiten messen die Neigung des Bohrlochs mittels drei normal zueinander ausgerichteten "Accelerometern", ältere mit Hilfe eines elektronisch oder auch mechanisch abgegriffenen Pendels. Die Richtung wird in der Regel mit Hilfe von drei Magnetometern gemessen. Die Orientierung des Neigungsüberganges eines Mud-Motors kann mittels magnetischer oder Gravitations-Methoden ermittelt werden.

Diese Sensorpakete sind aufgrund der Umweltanforderungen sehr teuer und deshalb so aufgebaut, daß sie im Bohrloch ein- bzw. ausgebaut werden können; dies erfordert Steckverbindungen.

Wenn für den Anschluß Steckverbindungen gewählt werden, wie in der Christensen-Druckschrift vom Mai 1982 beschrieben wird, so besteht die Gefahr, daß diese sehr leicht verschmutzen und dadurch vielschichtige Störungen der Datenübertragung verursachen und eine erhebliche Verringerung der Betriebssicherheit mit sich bringen. Die meisten metallischen Steckverbindungen korrodieren sehr schnell bei den gegebenen Umweltbedingungen .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Übertrager anzugeben, der wenig störanfällig ist und eine sichere Daten- und Energieübertragung gewährleistet.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1 gegeben.
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Durch die induktive Übertragung der Daten wird eine von dem Zustand der metallischen Kontaktflächen unabhängige Weitergabe erreicht. In dieser Beziehung kommt sie den häufig verwendeten Ringkernwandlern nahe mit

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dem Vorteil, daß die Herstellung des Anschlusses wesentlich schneller und einfacher erfolgen kann.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt

FiR. 1 eine Schaltungsanordnung einer Energie- und Datenübertragung, Fig. 2 und 3 den prinzipiellen Aufbau eines Übertragers.

Gemäß dem Strukturbild nach Fig. 1 wird die Versorgungsspannung von einem Turbinengenerator geliefert, die in weiten Grenzen mit entsprechenden proportionalen Frequenzänderungen schwankt. Diese Spannung wird über einen Transformator 1 zugeführt, an dessen Sekundärwicklung ein Gleichrichter 2 angeschlossen ist, der wiederum einen Wechselrichter 3 speist. Die vom Ausgang des Wechselrichters 3 gelieferte Spannung hat eine konstante Frequenz von etwa 10 kHz mit konstanter Amplitude.

. Diese Wechselspannung wird mit Hilfe eines noch näher zu beschreibenden Übertragers 4 auf das weiterführende. Rohrstück übertragen. Ein Gleichrichter mit Stützkondensatoren speist ein getaktetes Netzgerät 5, dessen Ausgangsspannung + 15 V bei einem Nennstrom von 1 A beträgt.

Die Datenübertragung erfolgt mittels Trägerfrequenzmodulation, wobei jede Richtung eine eigene Frequenz erhält, die im Abstand so gewählt ist, daß keine nennenswerte Kopplung auftritt. Auch der Abstand zur Frequenz des Energiestromes wird ausreichend groß gewählt. Die Impulstelegramme werden jeweils in einer Umformstufe 6,7 in Wechselspannungen umgeformt, auf den Übertrager 4 gegeben und auf der Sekundärseite in den Stufen 8,9 wieder in Telegramme umgeformt.

Der Übertrager besteht gemäß Fig. 2 aus einem Steckerstift und gemäß Fig. 3 aus einer Steckbuchse. Bei einer Frequenz von 10 kHz ist der Kern aus Dynamoblech zu schichten, um die Wirbelstromverluste klein zu halten. Daher sind nach Fig. 2 auf einen Gewindestift 10 drei voneinander getrennte Kernabschnitte gebildet, von denen der Abschnitt 11 einen

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Spulenkörper 12 zur Energieübertragung, der Abschnitt 13 mit einem Spulenkörper 14 zur Datenübertragung in der einen Richtung und der Abschnitt 15 mit einer Spule 16 zur Datenübertragung in der anderen Richtung dienen. Die Kernabschnitte mit den Spulen sind zur magnetischen Entkopplung durch Isolierscheiben 17 voneinander getrennt. Ferner sind Führungsscheiben 18 zur sicheren Führung des Stiftes in der Steckerbuchee verteilt vorgesehen, die mit einem Gewinde versehen sind und die Kernbleche zusammenpressen. Die Anschlußdrähte für die Spulen sind in einer Nut im Gewindestift 10 verlegt.

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Claims (4)

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH PTL-HH/Sa/bl Theodor-Stern-Kai 1 HH 83/24 D-6000 Frankfurt 70 Patentansprüche

1. Induktive Daten- und Energieübertragung für Bohrlöcher unter Verwendung von Übertragern beim Zusammenfügen einzelner Rohrstücke zu einer Bohrlochleitung dadurch gekennzeichnet, daß für eine Energieübertragung die Spannung eines Energieerzeugers einem Gleichrichter (2) zugeführt wird, der einen Wechselrichter (3) speist, dessen Ausgangsspannung über einen steckbaren Übertrager (4) auf ein getaktetes Netzgerät (5) des anschließenden Rohrstückes geführt ist, und daß für jede Richtung der Datenübertragung eine eigene Trägerfrequenz vorgesehen ist, wobei die Abstände der Trägerfrequenzen und Frequenz des Energiestromes so gewählt sind, daß die Kopplung minimal ist.

2. Induktive Übertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (4) einen Kern (11,13,15) aus geschichteten Dynamoblech aufweist und zur magnetischen Entkopplung der Spulen (12,14,16) eine isolierende Zwischenlage (17) eingefügt ist.

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3. Induktive Übertragung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschichteten Dynamobleche mittels schraubbarer Führungsscheiben (18) zusammengepreßt werden.

4. Induktive übertragung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte der Spulen in einer Nut einer zentralen Gewindestange (10) verlegt sind.