Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in Bohrspülungsmedien

Abstract

 Eine Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang (1) durchströmenden Bohrspülungsmedium zur Fernübertragung von Meßdaten umfaßt ein in dem Bohrrohr­strang (1) angeordnetes Ventil, das ein ortsfest abge­stütztes, rohrförmiges Gehäuse (2), einen in diesem koaxial verschieblichen, rohrförmigen Hauptventilkörper (8), einen koaxial im Hauptventilkörper(8) angeordneten, ortsfesten, rohrförmigen Trägerkörper (5) und ein Hilfsventil (26,27) aufweist. Zwischen einer Engstelle (3) des Gehäuses (2) und dem Hauptventillkörper (8) ist eine Drosselstrecke (12) mit in Abhängigkeit von der Stellung des Hauptventilkörpers (8) veränderlichem Durchflußquerschnitt vorgesehen und der Trägerkörper (5) und der Hauptventilkörper (8) umgrenzen einen Innenströmungskanal (15), dessen Eintrittsöffnung zentral und in Strömungsrichtung (4) vor der Engstelle (3) des Gehäuses (2) am Ende eines Rohrfortsatzes (7) ange­ordnet und dessen Austrittsöffnung im Bereich des Fußteils (6) des Trägerkörpers (5) gelegen und mittels des Hilfsven­tils (26,27) freigeb- und verschließbar ist. Dabei ist der Trägerkörper (5) mit dem Rohrfortsatz (7) versehen und der Rohrfortsatz (7) bildet eine zweite Gleitführung (14) für das diesen umgreifende vordere Ende (11) des Haupt­ventilkörpers (8), wobei zwischen dem Rohrfortsatz (7) des Trägerkörpers (5) und dem Hauptventilkörper (8) eine Druckkammer (24) ausgebildet ist, die über Verbindungskanäle an den Innenströmungskanal (15) angeschlossen ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeu­gung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang durch­strömende Bohrspülungsmedium in einer Ausbildung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art (DE-PS 37 15 514, US-PS 3 958 217) ist der Hauptventilkörper im Bereich seines in Strömungsrichtung rückwärtigen Endes auf dem Trägerkörper axial verschieblich abgestützt und geführt. Der Hauptventil­körper weist dabei an seiner der Strömung zugewandten Stirn­seite einen Rohrfortsatz auf, der einen den Durchmesser der Engstelle unterschreitenden Durchmesser hat, sich ent­gegen Strömungsrichtung durch die Engstelle hindurch er­streckt und im Bereich seines Endes Seitenschlitze auf­weist, welche die Eintrittsöffnung für den Innenströmungs­kanal bilden.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache, verschleißarme und funktionssichere Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, und die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An­spruchs 1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestal­ tungen wird auf die Ansprüche 2 bis 8 verwiesen.

[0004] Die Zuordnung des Rohrfortsatzes zum Trägerkörper macht die Druckentnahme vor der Engstelle des Gehäuses von der Stellung und von Bewegungen des Hauptventilkörpers unab­hängig und damit von daraus resultierenden Schwankungen frei. Zugleich vereinfacht sich die Ausbildung des Haupt­ventilkörpers, der daher geringerem Verschleiß unterliegt und eine erhöhte Ansprechempfindlichkeit darbietet. Die Doppelführung des Hauptventilkörpers wirkt Kippbewegungen und daraus resultierenden Klemmerscheinungen entgegen, so daß die Vorrichtung zuverlässig auch in sandhaltigen Bohrspülungsmedien sowie in Bohrrohrsträngen für Richtungs-, insbesondere Horizontalbohrungen, Verwendung finden kann. Bei vereinfachter Möglichkeit zur Kabelumführung und zur Herstellung einer mechanischen und/oder elektrischen Ver­bindung mit der Vorrichtung oberhalb des Gehäuses ist ferner die besonders interessante Möglichkeit gegeben, den Haupt­teil der Vorrichtung als aufziehbare Baueinheit auszubilden.

[0005] Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbei­spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem abge­brochenen Längsschnitt veranschaulicht ist.

[0006] Die in der Zeichnung veranschaulichte Vorrichtung zur Er­zeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang 1 durchströmenden Bohrspülungsmedium umfaßt im einzelnen ein im Bohrrohrstrang 1 ortsfest abgestütztes rohrförmiges Gehäuse 2 mit einer Engstelle, die bei dem dargestellten Beispiel von einem gesonderten, auf das in Strömungsrichtung 4 vordere Ende des Gehäuses 2 aufgesetzten Ringkörper 3 gebildet ist.

[0007] Im Gehäuse 2 ist ein Trägerkörper 5 ortsfest abgestützt, der im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist und einen Fußteil 6 sowie einen Rohrfortsatz 7 aufweist, der einen den Durchmesser der Engstelle 3 des Gehäuses 2 unterschrei­tenden Durchmesser aufweist und durch die Engstelle 3 hin­durch entgegen Strömungsrichtung 4 bis in den Hochdruckbe­ reich des strömenden Bohrspülungsmediums vorgezogen ist.

[0008] Auf dem Trägerkörper 5 ist ein im wesentlichen rohrförmiger Hauptventilkörper 8 abgestützt, der ebenso wie der Träger­körper 5 koaxial im Gehäuse 2 angeordnet ist und axial aus seiner dargestellten, durch eine Schulter 9 des Träger­körpers 5 definierten Ausgangslage entgegen der Strömungs­richtung 4 des Bohrspülungsmediums in eine obere Betriebs­endstellung verschieblich ist. Der Hauptventilkörper 8 begrenzt zwischen sich und dem Gehäuse 2 einen Außenströ­mungskanal 10 für die Bohrspülung und zwischen einem sich verjüngenden vorderen Ende 11 und der Engstelle 3 eine Drosselstrecke mit in Abhängigkeit von der Stellung des Hauptventilkörpers 8 veränderlichem Durchflußquerschnitt.

[0009] Der Trägerkörper 5 weist im Bereich seines Fußteils 6 einen Gleitführungsbereich 13 auf, auf dem sich der rückwärtige Bereich des Hauptventilkörpers 8 verschieblich abstützt. Dieser Gleitführungsbereich 13 ist bevorzugt mit einem Hartbelag, z.B. einer gesonderten Hülse aus Wolframkarbid, versehen, der als Panzerung den Verschleiß im Gleitführungs­bereich herabsetzt. Dies ist insbesondere bei Bohrspülungs­medien, die abrasive Partikel wie Sand mit sich führen, von Bedeutung.

[0010] Auch das sich entgegen Strömungsrichtung 4 verjüngende vordere Ende 11 des Hauptventilkörpers 8 ist auf dem Rohr­fortsatz 7 im Bereich einer zweiten Gleitführung 14 abge­stützt und geführt, die ebenfalls von einer Hartmetallhülse oder einem sonstigen panzernden Hartmetallbelag gebildet sein kann. Durch diese Doppelführung des Hauptventilkörpers 8, der seinerseits vollständig aus einem Hartmetall, z.B. Wolframkarbid, bestehen kann, werden Kipperbewegungen mit der Folge eines Verklemmens des Hauptventilkörpers 8 auf dem Trägerkörper 5 wirksam auch dann vermieden, wenn die Vorrichtung in einem horizontalen Bohrrohrstrang, für den die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet ist, zum Einsatz kommt.

[0011] Die Zuordnung des Rohrfortsatzes 7 zum Trägerkörper 5 ermög­licht eine wesentliche Vereinfachung der Gestalt des Haupt­ventilkörpers 8. Infolge dieser Vereinfachung kann der Hauptventilkörper 8 ein geringeres Massenträgheitsmoment darbieten und dementsprechend empfindlicher auf Druckdif­ferenzen reagieren, die auf ihn einwirken. Insbesondere aber vermindert die Vereinfachung in der Gestalt den Ver­schleiß, dem der Hauptventilkörper 8 im Betrieb, insbeson­dere in Bohrspülungsmedien mit abrasiven Partikeln wie Sand, ausgesetzt ist.

[0012] Der Trägerkörper 5 umgrenzt einen koaxialen, durchgehenden Innenströmungskanal 15, dessen Eintrittsöffnung zentral und in Strömungsrichtung 4 vor der Engstelle 3 des Gehäuses 2 angeordnet und von einer Anzahl von radial ausgerichteten Bohrungen 16 gebildet ist. Diese Bohrungen 16 sind in einem auf dem Ende des Rohrfortsatzes 7 angeordneten Aufsatzteil 17 angebracht, dessen oberes Ende als Kupplungszapfen 18 für ein Ziehwerkzeug ausgebildet ist. Der Aufsatzteil 17 weist eine rückwärtige Stirnfläche 19 auf, die einen Sicherungsanschlag für den Hauptventilkörper 8 bildet und verhindert, daß der Hauptventilkörper 8 vom Trägerkörper 5 entgegen Strömungsrichtung 4 abgleitet, was bei horizontal ausgerichtetem Bohrrohrstrang 1 unter bestimmten Druckver­hältnissen und dann nicht ausgeschlossen ist, wenn der lichte Innendurchmesser des Ringkörpers 3 den Außendurchmes­ser des Hauptventilkörpers 8 überschreitet.

[0013] Zur Herabsetzung von Verstopfungsgefahren ist den die Ein­trittsöffnung für den Innenströmungskanal 15 definierenden Bohrungen 16 ein gemeinsames Sieb 20 vorgeordnet, dessen Außenfläche koaxial ausgerichtet ist und mit der Außenfläche des Aufsatzteils 17 fluchtet. Die Außenfläche des Siebs 20 wird daher in voller axialer Länge parallel von dem Bohrspülungsmedium überströmt, so daß das Sieb einer stän­digen Selbstreinigung ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere bei Versatz des Bohrspülungsmediums mit dichtenden Zusätzen von Bedeutung. Hinter dem Sieb 20 ist ein Ringraum 21 vor­gesehen, aus dem die Bohrungen 16 ausmünden, so daß sämt­ liche Bohrungen 16 auch dann betriebsbereit bleiben, wenn das Sieb 20 vorübergehend partiell verstopft sein sollte.

[0014] Der Innenströmungskanal 15 weist im Bereich des Fußteils 6 des Trägerkörpers 5 eine Erweiterung 22 auf, und die Erweiterung 22 steht über Verbindungskanäle 23 mit einer Druckkammer 24 in Verbindung, die zwischen dem Rohrfortsatz 7 des Trägerkörpers 5 und dem Hauptventilkörper 8 vorgesehen ist. In der Druckkammer 24 herrscht dementsprechend ein Druck, der dem Druck im Bohrspülungsmedium im Innenströ­mungskanal 15 in Höhe des Abzweigs der Verbindungskanäle 23 entspricht.

[0015] Der Innenströmungskanal weist im Bereich des Fußteils 6 des Trägerkörpers 5 eine Austrittsöffnung in der Gestalt einer Ventilöffnung 25 in einem in die Erweiterung 22 des Innenströmungskanals 15 eingeschraubten Ventilsitzteils 26 auf. Diese Ventilöffnung 25 ist mittels eines Ventilkör­pers 27 verschließbar, der mittels eines nicht näher darge­stellten, beispielsweise von einem Elektromagneten gebil­deten Antriebs aus seiner dargestellten Offenstellung in eine Schließstellung bewegbar ist. Die Teile 26,27 bilden ein Hilfsventil, durch das die Durchströmung des Innen­strömungskanals 15 mit Bohrspülungsmedium freigeb- oder absperrbar ist.

[0016] Das Hilfsventil 26,27 wird durch eine nicht näher veran­schaulichte Vorrichtung zur Ermittlung von Meßdaten aus dem Bohrloch, die stromab des Trägerkörpers 5 angeordnet ist, gesteuert, und die durch das Hilfsventil 26,27 initiierten Druckpulse im Bohrspülungsmedium werden von einem Drucksensor oberirdisch empfangen und einer Auswerte­vorrichtung zugeleitet. Insoweit kann auf die Darstellungen und Darlegungen in der DE-PS 37 15 514 verwiesen werden.

[0017] Zur Erzeugung eines Druckpulses im Bohrspülungsmedium wird aufgrund einer Ansteuerung durch die Meßvorrichtung das Hilfsventil 26,27 geschlossen. Im Innenströmungskanal 15 und damit in der Druckkammer 24 baut sich dementsprechend ein Druck auf, der dem Druck des Bohrspülungsmediums in Höhe der Eintrittsöffnung des Innenströmungskanals 15 ent­spricht. Dieser in der Druckkammer 24 herrschende Druck übt auf den Hauptventilkörper 8 entgegen der Strömungsrich­tung 4 gerichtete hydraulische Kräfte aus, deren Summe die Summe der in Strömungsrichtung auf den in der Ausgangs­stellung befindlichen Hauptventilkörper 8 wirkenden Kräfte übersteigt. Die axial in Strömungsrichtung 4 auf den Haupt­ventilkörper 8 wirkenden hydraulischen Kräfte setzen sich aus statischen und dynamischen Kräften zusammen, die sich aus den Druck- und Strömungsverhältnissen im Außenströmungs­kanal 10,12 ableiten.

[0018] Unmittelbar nach Schließen des Hilfsventils 26,27 bewegt sich der Hauptventilkörper 8 daher mit einer aus der herrschenden Differenz der Axialkräfte resultierenden Be­schleunigung entgegen Strömungsrichtung 4, und mit dieser Bewegung verändern sich die in Strömungsrichtung 4 auf den Hauptventilkörper 8 wirkenden hydraulischen Kräfte, da sich durch die Annäherung des Hauptventilkörpers 8 an die Engstelle 3 der Durchflußquerschnitt und die Strömungs­verhältnisse in der Drosselstrecke 12 verändern.

[0019] Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind wie bei dem Ventil nach der DE-PS 37 15 514 die hydraulisch wirk­samen Abmessungen so aufeinander abgestimmt, daß die ent­gegen Strömungsrichtung 4 Gesamtresultierende aller auf den Hauptventilkörper 8 wirkenden Kräfte zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Hauptventilkörper 8 nach dem Schließen des Hilfsventils 26,27 aus seiner Ausgangsstellung aufwärts zu bewegen beginnt, zunächst verhältnismäßig klein ist, dann mit zunehmender Hubweglänge größer wird und schließlich wieder abnimmt, bis sie den Wert Null erreicht. In der Stellung, in der die Gesamtresultierende aller auf den Hauptventilkörper 8 einwirkenden Kräfte den Wert Null hat, nimmt der Hauptventilkörper 8 seine druckpulsbestimmende Betriebsendstellung ein, in der der Hauptventilkörper 8 anschlagsfrei im Bohrspülungsmedium schwebt.

[0020] Nach Öffnen des Hilfsventils 26,27 nimmt der Druck im Druck­ raum 24 wieder einen Wert an, bei dem die Summe der in Strömungsrichtung 4 auf den Hauptventilkörper 8 wirkenden Kräfte die Summe der entgegen Strömungsrichtung 4 wirkenden Kräfte übersteigt mit der Folge, daß der Hauptventilkörper 8 in seine dargestellte Ausgangsstellung zurückkehrt und für ein erneutes druckpulserzeugendes Arbeitsspiel bereit ist.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Druckpulsen in einem einen Bohrrohrstrang (1) durchströmenden Bohrspülungsmedium zur Fernübertragung von Meßdaten, mit einem in dem Bohrrohr­strang (1) angeordneten Ventil, das ein ortsfest abge­stütztes, rohrförmiges Gehäuse (2), einen in diesem koaxial unter Belassung eines Außenströmungskanals (10) angeordne­ten, axial aus einer durch einen Anschlag (9) definierten Ausgangslage entgegen der Strömungsrichtung (4) des Bohr­spülungsmediums in eine obere Betriebsendstellung verschieb­lichen, rohrförmigen Hauptventilkörper (8), einen koaxial im Hauptventilkörper (8) angeordneten, ortsfesten, rohrför­migen Trägerkörper (5) und ein Hilfsventil (26,27) umfaßt, wobei zwischen einer Engstelle (3) des Gehäuses (2) und dem Hauptventilkörper (8) eine Drosselstrecke (12) im Außen­strömungskanal (10) mit in Abhängigkeit von der Stellung des Hauptventilkörpers (8) veränderlichem Durchflußquer­schnitt vorgesehen ist und wobei der Trägerkörper (5) und der Hauptventilkörper (8) einen Innenströmungskanal (15) umgrenzen, dessen Eintrittsöffnung zentral und in Strömungs­richtung (4) vor der Engstelle (3) des Gehäuses (2) am Ende eines Rohrfortsatzes (7) mit einem den Durchmesser der Engstelle (3) des Gehäuses (2)unterschreitenden Durch­messer angeordnet und dessen Austrittsöffnung im Bereich des Fußteils (6) des Trägerkörpers (5) gelegen und mittels des Hilfsventils (26,27) freigeb- und verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (5) mit dem Rohrfortsatz (7) versehen ist und der Rohrfortsatz (7) eine zweite Gleitführung (14) für das diesen umgreifende vordere Ende (11) des Hauptventilkörpers (8) bildet, wobei zwischen dem Rohrfortsatz (7) des Tägerkörpers (5) und dem Hauptventilkörper (8) eine Druckkammer (24) ausgebildet ist, die über Verbindungskanäle an den Innenströmungskanal (15) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrfortsatz (7) im Bereich der Gleitführung (14) für das vordere Ende (11) des Hauptventilkörpers (8) eine von einem Hartbelag gebildete Panzerung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Eintrittsöffnung des Innenströmungskanals (15) aus einer Anzahl von radial ausgerichteten Bohrungen (16) gebildet ist, die in einem auf dem Ende des Rohrfort­satzes (7) angeordneten Aufsatzteil (17) angebracht sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Bohrungen (16) ein gemeinsames Sieb (20) vorgeordnet ist, dessen Außenfläche zur Außenfläche des Aufsatzteils (17) koaxial und im wesentlichen fluchtend ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (16) aus einem hinter dem Sieb (20) ange­ordneten Ringraum (21) ausmünden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ende des Rohrfortsatzes (7) und dem Bereich der Gleitführung (14) ein Sicherungs­anschlag (19) für den Hauptventilkörper (8) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherungsanschlag (19) vom Aufsatzkörper (17) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohrträgers (5) bzw. des Aufsatzkörpers (17) mit einem Kupplungszapfen (18) für ein Ziehwerkzeug versehen ist.

Zeichnung