DE4427367C2 - Elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Kenntnis der Parameter des Zustands des Bohrlochs am Ausbruchschieber ist extrem wichtig, um einen einwandfreien Zustand des Bohrlochs aufrechtzuerhalten. Aufgrund dieser Parameter läßt das Bohrloch sich so betreiben, daß unter den üblichen Betriebsbedingungen ein sicherer Zustand erhalten bleibt; wird ein unsicherer, nicht kontrollierbarer Zustand erfaßt, kann ein manuelles oder automatisches Abpserren des Bohrlochs eingeleitet werden. Bspw. verwendet man am Ausbruchschieber Druck- sowie Temperaturwandler, um Signale zu erhalten, die diese Bedingungen und Zu­ stände darstellen. Diese und andere Signale werden typischerweise als Ansteuersignale an ein Steuerpult gegeben, um den Bohrlochbetrieb von Hand zu beeinflussen, indem er bspw. die Drehzahl des Bohrrohrs, den Abwärtsdruck des Bohrmeißels oder die Umlaufpumpen für die Bohrflüssigkeit steuert und/oder das Ausmaß einstellt, zu dem der Ringraum geöffnet bzw. geschlossen wird, indem man die auf die hin- und hergehenden Kolben arbeitende Hydraulik entsprechend betätigt.

Bisher war es schwierig, die genauen Positionen der Sperrkolben genau festzustellen, obgleich die Bedienungsperson sie einstellt. Man mußte sich auf sekundäre Messungen - bspw. an der Bohrlochströmung - verlassen, um die Position des Sperrkolbens feststellen zu können. Die Bohrlochströmung wird jedoch auch von anderen Faktoren als nur der Position des Sperrkolbens bestimmt. Es besteht also Bedarf an einer ver­ besserten und genaueren Bestimmung der Position des Sperrkolbens.

Aus der US-PS 4,922,423 ist eine Positions-Anzeigevorrichtung für den Sperrkolben in einem Ausbruchschiebergehäuse bekanntgeworden, bei der Ultraschall eingesetzt wird. Die bekannte Vorrichtung verwendet einen Ultraschallsensor, der in einem mittels einer Präzisionswerkzeugmaschine hergestellten Bolzen untergebracht ist, um die Position des Sperrkolbens bestimmen zu können. Der Bolzen besitzt Vertiefungen ausgehend von einer Endwandkappe, so daß Signale, die von der Endwandkappe zurückreflektiert werden, die Positionsmessungen des Sperrkolbens nicht stören.

Aus der US-PS 5,150,049 ist ein magnetostriktiver Wandler zur Bestimmung der Position eines Kolbens im Hydraulikzylinder bekanntgeworden. Der Wandler besitzt einen Signalverarbeitungskopf an dem einen Ende des Hydraulikzylinders, einen Wellenleiter, der vom Signalverarbeitungskopf ausgeht, sowie eine Einheit mit Permanentmagneten, die den Wellenleiter umgibt und vom Kolben mitgeführt wird. Der magnetostriktive Wandler arbeitet normalerweise bei Raumtermperatur. Der Wandler besitzt auch eine Einrichtung zur Kompensation der Umgebungstemperatur, die automatisch thermisch bedingte Geschwindigkeitsänderungen der Ultraschallsignale und andere von der Temperatur beeinflußte Größen kompensiert, wenn der Hydraulikzylinder in Temperaturbereichen oberhalb oder unterhalb der Raumtemperatur arbeitet.

Eine der in der Vergangenheit eingesetzten Vorrichtungen zur Ableitung eines die relative Position von Bauteilen innerhalb eines geschlossenen Gehäuses anzeigenden Signals (nicht unbedingt im Gehäuse eines Ausbruchschiebers) ist ein potentiometrischer Wandler. Eine solche Vorrichtung arbeitet mit einem oder zwei Fühlern, die unter ungünstigen Arbeitsbedingungen verschleißen und ungenau arbeiten. Weiterhin heben solche Fühler u. U. von der Oberfläche des erfaßten Bauteils ab, so daß ebenfalls Ungenauigkeiten entstehen. Weiterhin werden bei Stromausfällen die Meß­ werte beeinträchtigt, da diese Vorrichtungen inkrementell arbeiten, wobei Werte, die sich auf bestimmte Drahtwindungen oder -segmente beziehen, zu vorherigen Werten addiert oder von ihnen subtrahiert werden. Weiterhin sind diese Vorrichtungen dafür bekannt, daß sie zu langsam ansprechen. Eine potentiometrische Messung ist daher zur Bestimmung der Ortsparameter der Kolbenbewegung nicht geeignet. Da weiterhin auch die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparameter der Kolbenbewegung wichtig sind, sind potentiometrische Vorrichtungen nicht brauchbar, da sie diese Informationen nicht nur schlecht, sondern überhaupt nicht liefern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird darin gesehen, eine elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers zu schaffen, die weniger störanfällig gegen äußere Einwirkungen ist als die bekannte, auf eine ungehinderte Ausbreitung von Ultraschallwellen angewiesene Vorrichtung. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Position eines Sperr- oder eines Stellkolbens in einem Ausbruchschieber stetig und absolut bestimmbar ist, und daß die Vorrichtung zur Bestimmung der Position bei einem Stromausfall nicht rückgesetzt werden muß.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungformen der Erfindung nachstehend näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine teilgeschnittene Darstellung eines Ausbruchschiebers, mit dem die Erfindung einsetzbar ist;

Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil eines - im Schließzustand befindlichen - Ausbruchschiebers nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch den gleichen Teil des Ausbruchschiebers wie in Fig. 2, der sich jedoch hier im offenen Zustand befindet;

Fig. 4 zeigt eine Einzelheit aus der Fig. 3;

Fig. 5 zeigt schaubildlich die magnetischen und magnetostriktiven Kräfte, die im Betrieb der Erfindung auftreten;

Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung des Schließens eines Scherkolbens.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausbruchschieber 10 mit Sperrkolben auf einem Bohrlochrohr 12, das Teil eines Rohrstrangs am oberen Ende eines Bohrlochs oder Teil eines Förderstrangs eines produzierenden Erdöl- oder Gasbohrlochs sein kann. Wie die Fig. 1 zeigt, verläuft das Bohrlochrohr 12 durch eine mittige Bohrung 14 im Kolbengehäuse 16 des Ausbruchschiebers. Das Kolbengehäuse enthält entgegengesetzt angeordnete, quer zur Öffnung 14 verlaufende Kolbenführungen 18, die nach außen in an das Kolbengehäuse 16 angesetzte Kappen 17 hinein vorstehen. In den Kolbenführungen 18 laufen Sperrkolben 20, die von hydraulischen Stellkolben 22 angetrieben werden, die in Buchsen 23 in zugehörigen Zylindern 19 laufen, die außerhalb der Kappen 17 angesetzt sind. Die Stellkolben verfahren die Sperrkolben in den Führungen hin und her, um Verschleißblöcke 24 in den Stirnflächen der Sperrkolben 20 bezüglich der Oberfläche des Rohrs zu öffnen und zu schließen. Die Anschlüsse für das hydraulische Druckmittel sind in der Zeichnung nicht speziell gezeigt, aber aus dem Stand der Technik bekannt; sie arbeiten in Verbindung mit der Öffnungskammer 25 und der Schließkammer 26. Das hintere Kolbenende läuft in einem Zylinderkopf 19 hin- und her, der an die Kappe 17 angeschraubt ist.

Es wird angestrebt, die Position der Sperrkolben 20 genau zu bestimmen. Dies erfolgt durch Auseinanderfahren der Teile einer magnetostriktiv arbeitenden Linear- Verschiebungsanordnung zur Bestimmung des Orts einiger der Bauteile in einem Zylinderkopfgehäuse 30, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, die mit dem in Fig. 1 gezeigten Zylinder 19 verbunden sind. Wie unten erläutert und in Fig. 4 gezeigt, ist ein außerhalb des Zylinderkopfgehäuses 30 angeordneter Wandler 32 mit den internen Bauteilen der Anordnung durch die Abschlußkappe 34 hindurch verbunden, die an das Zylinderkopf­ gehäuse 30 angesetzt ist. Der Wandler 32 erzeugt ein, elektrisches Signal für ein Meßinstrument oder eine andere Anzeigeeinrichtung und/oder für ein Steuerpult.

Die Fig. 5 zeigt nun schaubildlich eine magnetostriktiv arbeitende Linear- Verschiebungseinrichtung. Der Ausdruck "magnetostriktiv" bezeichnet dabei die Fähigkeit einiger Metalle wie Eisen, Nickel und Eisen-Nickel-Legierungen, unter einem Magnetfeld zu expandieren bzw. zu kontrahieren. Ein magnetostriktives wellenleitendes Rohr 36 (Hohlleiter) weist einen Bereich innerhalb einer externen elektromagnetischen Anordnung 38 auf, der längsmagnetisiert wird, wenn die das Rohr 36 umgreifende Anordnung 38 in Längsrichtung verschoben wird. Die Anordnung 38 liegt von der Oberfläche des Rohrs 36 beabstandet und ist so gelagert, daß sie axial am Rohr 36 entlang verschoben werden kann, ohne es zu berühren. Die Anordnung 38 weist typischerweise 4 Permanentmagnete 40 auf, die in einer zum Rohr 36 querlie­ genden Ebene unter 90 zueinander und bezüglich der Oberfläche des Rohrs 36 radial gleichbeabstandet sind. Es sind auch mehr als 4 Magnete möglich. Es wird das externe magnetische Feld 42 aufgebaut, das einen Bereich des Rohrs 36 in Längsrichtung magnetisiert.

Das Rohr 36 umgibt einen leitfähigen Draht 44, der entlang seiner Achse verläuft. Dieser Draht wird auf bekannte Art periodisch mit einem elektrischen Stromimpuls erregt bzw. abgefragt. Dieser Strom erzeugt um den Draht 44 und das Rohr 36 herum ein toroidförmiges Magnetfeld. Sobald das Toroid-Magnetfeld 46 das Feld 42 am Ort 48 schneidet, wird im Rohr 36 ein wendelförmiges Magnetfeld induziert, so daß ein Schallimpuls entsteht, der zu beiden Enden des Rohrs 36 läuft. Nicht gezeigte geeignete Dämpfungselemente an beiden Rohrenden verhindern Echos und so ein Hin- und Her­ schwingen des Impulses. Am wandlerseitigen Ende wird die Wendelwelle jedoch zu einem Hohlleiter-Drall 48 umgewandelt, der in sehr dünnen magnetostriktiven Bändern 50 eine lateral gerichtete mechanische Spannung erzeugt. Das als Villari-Effekt bekannte Phänomen bewirkt, daß die Flußverkopplung der Magnete 52 mit dem Fühler 53 durch die mechanischen Spannungs-Wanderwellen in den Bändern gestört wird, wobei über den Spulen eine elektrische Spannung entsteht. Diese elektrische Spannung wird dann zur Anzeige-, Meß- oder Steuerungszwecken verstärkt.

Da der Stromimpuls praktisch mit Lichtgeschwindigkeit, der Schallimpuls aber nur etwa mit der Schallgeschwindigkeit läuft, liegt zwischen dem Empfang jedes Impulses durch den kopfseitigen Wandler und dem Zeitpunkt des elektrischen Impulses aus der kopfseitigen Elektronik ein Zeitintervall, das eine Funktion des Abstands der externen Magnetanordnung 38 vom kopfseitigen Rohrende ist. Durch sorgfältiges Messen dieses Zeitintervalls und Division durch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit im Rohr läßt sich der absolute Abstand der Magnetanordnung vom kopfseitigen Rohrende bestimmen.

Es ist bekannt, daß der akustische Hohlleiter aus besonders temperaturstabilen Werkstoffen hergestellt wird. Ein solches Rohr ist daher besonders geeignet für die Anwendung in der unten für den Einsatz in einem Ausbruchschieber beschriebenen Meßanordnung.

In Fig. 2 befindet sich der Stellkolben 22 in seiner vollständig geschlossenen und in Fig. 3 in seiner vollständig offenen Stellung. Wie die Fig. 4 zeigt, ist ein Träger 54 für die Magnetanordnung 38 über die Halteplatte 58 und die Schraube 60 am freien Ende 56 des Stellkolbens angeordnet.

Das ortsfeste Rohr 36 (Hohlleiter) befindet sich im Zylinderkopfgehäuse 30, das mit dem Schiebergehäuse verbunden ist. Das Rohr 36 liegt parallel zur Achse bzw. Mittellinie der Kolbenstange und ist so von dieser beabstandet, daß es die Bewegung des Stellkolbens 22 nicht stört. Das Rohr 36 ist dicht abgeschlossen und widersteht einem hydrostatischen Druck von 310 bar, wie ihn der Schließdruck des Ausbruch­ schiebers ausübt. Die ringartige elektromagnetische Anordnung 38 umgreift beabstandet das Rohr 36 in einem vom Abstandselement 62 bestimmten Abstand vom Träger 54. Die Magneten in der Anordnung befinden sich in einer quer zum Rohr 36 liegenden Ebene. Die Anordnung 38 und das Abstandselement 62 sind mit nichtmagnetischen Schrauben 64 am Träger 54 befestigt. Ersichtlich sind der Träger 54 gemeinsam mit dem Abstandselement 62 und der Anordnung 38 in zwei Stellungen gezeigt sind. In der Fig. 2 befindet die Anordnung 38 sich in der vollständig geschlossenen, in Fig. 3 in der vollständig offenen Stellung. Es wird darauf hingewiesen, daß beim Verschieben des Trägers 54 von links nach rechts die Anordnung 38 die Oberfläche des Rohres 36 nicht berührt, so daß kein Verschleiß auftritt.

Der leitfähige Draht 66 ist mittig durch das Hohlleiterrohr 36 gezogen. Sowohl der Draht 66 als auch das Rohr 36 sind mit dem Wandler 32 verbunden, der außerhalb der Kappe 34 liegt, wobei die Wandleranordnung auch geeignete Mittel aufweist, um einen elektrischen Abfrage-Stromimpuls auf den Draht 66 zu legen. Ein O-Ring 68 schließt die Stirnkappe 34 dicht ab.

Wie ersichtlich, führt bei einer axialen Verschiebung des Sperrkolbens 20 die Anordnung 38 eine gleichgroße Bewegung aus. Infolge der in ihr enthaltenen magnetostriktiven Linear-Verschiebungseinrichtung läßt sich also der Ort des Sperrkolbens 20 stetig und absolut bestimmen. Bei einem Signalausfall erfolgt kein Informationsverlust und es ist kein Null- oder Neuabgleich irgendeines Signals erforderlich. Die Anzeige wird durch die Position der Anordnung 38 relativ zum Wandler 32 absolut bestimmt, wie oben anhand der Fig. 2, 3 und 4 erörtert.

Die Verschleißfläche des Blocks 24 am Sperrkolben 20, die außen auf dem Bohrlochrohr 12 aufliegt, ist für das dichte Verschließen des Ringraums kritisch. Bei neuen Verschleißblöcken läßt die Schließstellung des Sperrkolbens 20 sich wie oben beschrieben bestimmen. Nach einer gewissen Betriebsdauer des Sperrkolbens 20 gibt seine Schließstellung bezüglich derjenigen im Neuzustand an, wie weit die Verschleißblöcke abgenutzt sind. Läßt ein abgenutzter Verschleißblock sich auswechseln, während das Bohrloch aus anderem Grund stillgelegt ist und bevor er im Betrieb ausfällt, lassen sich ein kostspieliges Stillegen des Bohrlochs zu ungünstiger Zeit oder ausfallbedingte Schäden vermeiden. Die Bedienungsperson kann die genauen Orts-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsdaten auch für andere Zwecke verwerten.

Mit der Kenntnis der absoluten Position des Sperrkolbens läßt sich also bestimmen, ob der Sperrkolben vollständig geschlossen ist, ob er blockiert ist, wie weit der Ver­ schleißblock vorn auf dem Stößel abgenutzt ist, und wie weit in der Stellkolbenmechanik Verschleiß oder Spiel vorliegt. Mit aufeinanderfolgenden Abfrageimpulsen kann man auch die Schließgeschwindigkeit des Stelkolbens oder die Geschwindigkeit sowie die (positive oder negative) Beschleunigung des Stellkolbens bestimmen.

Es wird darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungs-Meßanordnung nur ein sich bewegendes Teil, nämlich die Anordnung 38 aufweist, das darüberhinaus nicht kontaktierend arbeitet. Es tritt also hier kein Verschleiß auf.

Es wurde oben darauf hingewiesen, daß es sich bei den in der Vergangenheit zum Betrieb von Ausbruchschiebern angelieferten Daten im wesentlichen um Druckwerte handelte. Die Fig. 6 zeigt den Schließdruck 70 auf der Schließseite des Sperrkolbens und auf der offenen Seite den Öffnungsdruck 72 des Sperrkolbens bei der erfindungsge­ mäßen Messung des Sperrkolbenspalts 74. Beide Drücke sind im wesentlichen konstant, bis der Sperrkolben aufliegt; dann steigt der Schließdruck stark an. Nach dem Abtrennen des Rohrs stabilisiert sich der Schließdruck wieder, bis der Ringraum dicht abgeschlossen ist. Dann erreicht der Schließdruck sein Maximum. Obgleich die Drucksignale sinnvolle Daten enthalten, enthält das erfindungsgemäße Kolbenspaltsignal mehr Daten.

Während oben die Ortsinstrumentierung für einen Stellkolben eines Ausbruchschiebers gezeigt und beschrieben ist, ist es erwünschtenfalls möglich, beide Sperrkolben eines Ausbruchschiebers unabhängig voneinander zu instrumentieren, wobei in Fig. 1 die Instrumentierung für eine bestimmte Ausbruchschieber-Bauart gezeigt und anhand der Fig. 6 für eine weitere beschrieben ist.

Claims (3)

1. Elektromagnetische Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Sperrkolbens eines Ausbruchschiebers, mit einem Kolbengehäuse mit einer vertikalen Bohrung zur Aufnahme eines Bohrlochrohrs und entgegen­ gesetzten, von der Bohrung abgehenden Kolbenführungen, mit jeweils in einer Führung hin- und herfahrbaren Sperrkolben zum Öffnen und Schließen der vertikalen Bohrung, mit verfahrbaren hydraulischen Stellkolben zum Verfahren jeweils eines Sperrkolbens, sowie mit einer elektromagnetischen Anordnung, die betrieblich mit einem der Stellkolben verbunden ist, um beim Öffnen und Schließen desselben seinen Ort absolut zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro­ magnetische Anordnung einen magnetostriktiven Fühler zum direkten stetigen Erfassen der Position eines der Stellkolben aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler sich im Sperrkolbengehäuse befindet und betrieblich mit einem der Stellkolben zusammen hin- und herfahrbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil des Fühlers sich im Sperrkolbengehäuse befindet und betrieblich mit einem der Stellkolben zusammen hin- und herfahrbar ist und ein zweiter Teil des Fühlers sich außerhalb des Sperrkolbengehäuses befindet.