DE4126249A1 - Telemetrieeinrichtung insbesondere zur uebertragung von messdaten beim bohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Telemetrieeinrichtung zur Übertra­ gung von Informationen in einem flüssigen Medium durch Erzeu­ gung von Druckimpulsen, insbesondere zur Übertragung von Meß­ daten beim Bohren aus einem Bohrloch zur Erdoberfläche, mit einem in einem von dem Medium durchströmten Kanal einbaubaren Signalgeber mit einem Stator, der den Kanal teilweise sperrt und wenigstens einen Durchgang aufweist, durch den Medium von einer stromaufliegenden Seite des Stators zur einer stromab liegenden Seite geleitet wird, und einem in dem Kanal drehbaren Rotor, der dem Stator benachbart ist, und wenigstens eine durchgehende Öffnung hat und der durch eine Drehbewegung ent­ weder in eine Drosselstellung, in der der Rotor den Durchfluß durch den Durchgang im Stator drosselt, oder in eine Durch­ gangsstellung bewegbar ist, in der die Öffnung des Rotors einen im wesentlichen ungedrosselten Durchfluß durch den Durchgang im Stator ermöglicht, wobei durch wiederholtes Bewegen des Rotors von der Durchgangsstellung in die Drosselstellung und von die­ ser wieder in die Durchgangsstellung in gesteuerten Intervallen eine kodierte Serie von positiven Druckimpulsen erzeugbar ist, die durch das flüssige Medium an eine entfernte Stelle über­ tragbar und dort von einem Empfänger aufnehmbar sind.

Vor allem in der Richtbohrtechnik werden Telemetrieeinrichtun­ gen der angegebenen Art eingesetzt, um die während des Bohrens untertage von Meßgeräten, die im Bohrstrang angeordnet sind, ermittelten Meßergebnisse nach übertage zu übertragen, und an­ hand dieser Meßergebnisse den Bohrfortgang in dem gewünschten Maße beeinflussen zu können.

Bekannte Anwendungen für derartige Telemetrieeinrichtungen sind in den US-Patenten 33 09 656, 37 64 968, 37 64 969, 37 70 006 und 39 82 224 beschrieben. Die Telemetrieeinrichtun­ gen sind hierbei Teil von Bohrlochmeßgeräten für das Messen beim Bohren, die in das untere Ende des Bohrstrangs in der Nähe des Bohrmeißels eingebaut werden und die gewonnenen Meßdaten in Form von Druckimpulsen durch die Bohrspülung an einen Überta­ geempfänger übertragen. Die Druckimpulse werden hierbei durch den von einem Elektromotor kontinuierlich drehend angetriebenen Rotor erzeugt, dessen Winkelgeschwindigkeit zur Änderung der Pulsfrequenz mit Hilfe von besonderen, ebenfalls elektrisch ansteuerbaren Getrieben nach Maßgabe der zu übertragenden Daten variiert wird. Diese bekannten Geräte haben sich als groß, aufwendig und teuer erwiesen. Sie benötigen weiterhin umfang­ reiche und teure Energiesysteme und Getriebe, um die Teleme­ trieeinrichtungen zu betreiben, so daß entweder große und teure Batteriepakete oder turbinengetriebene Generatoren zur Energie­ erzeugung benötigt werden. Weiterhin werden die bekannten Gerä­ te fest in den Bohrstrang eingebaut und können nicht ohne ein Ausbauen des Bohrstranges gezogen werden.

Aus der US-PS 49 14 637 ist ein Bohrlochmeßgerät mit einer Te­ lemetrieeinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem der Rotor im Strom der Bohrspülung angeordnet ist und Schaufeln aufweist, die vom Bohrspülungsstrom beaufschlagt wer­ den, wodurch ein kontinuierliches Drehmoment auf den Rotor einwirkt, welches den Rotor jeweils schrittweise von einer Stellung in die nächste weiterdreht, wenn eine Sperreinrichtung gelöst wird, durch die der Rotor in einer Drosselstellung oder einer Durchgangsstellung arretierbar ist. Durch diesen direkten Antrieb des Rotors mit Hilfe des Bohrspülungsstroms wird bei diesem bekannten Gerät der Bedarf an elektrischer Energie ver­ ringert, es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß das auf den Rotor einwirkende Drehmoment je nach Stellung des Rotors un­ terschiedlich ist, so daß die Sperreinrichtung teilweise sehr hohen Kräften ausgesetzt ist und einem verhältnismäßig hohen Verschleiß unterliegt. Weiterhin ist das Drehmoment des Rotors in starkem Maße von den Strömungsbedingungen der Bohrspülung abhängig, so daß Drehmomentschwankungen auftreten können, die die Signalerzeugung und damit die Informationsübertragung stö­ ren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Telemetrieein­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen einfachen Aufbau, geringen Energiebedarf und eine stör­ sichere Signalerzeugung auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Drehbarkeit des Rotors durch feste Anschläge am Stator auf einen zwischen der Durchgangsstellung und der Drosselstellung liegenden Drehwinkel begrenzt ist, daß der Rotor durch einen in seiner Drehrichtung umsteuerbaren Rotationsmotor abwechselnd in einer Drehrichtung an den einen Anschlag und in der entgegen­ gesetzten Drehrichtung an den anderen Anschlag bewegbar ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Rotor ohne Ansteuerung des Rotationsmotors in der Durchgangs- oder Drosselstellung halten.

Die erfindungsgemäße Telemetrieeinrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, der wenig Bauteile erfordert und damit kostengünstig ist. Es sind keine komplizierten Getriebe zur Beeinflussung der Drehbewegungen des Rotors vorhanden, und es werden keine elektromagnetisch betätigbare Steuereinrichtun­ gen benötigt, um die Rotorbewegung intermittierend zu sperren. Statt dessen ist ein Drehantrieb in Form eines Rotationsmotors vorgesehen, der vergleichsweise klein und einfach aufgebaut sein kann, da die Rotorbewegung auf einen kleinen Drehwinkel beschränkt ist und der Drehwiderstand des Rotors vergleichs­ weise gering ist. Entsprechend diesen Eigenschaften zeichnet sich die erfindungsgemäße Einrichtung weiterhin durch einen geringen Energiebedarf aus. Es bereitet daher keine Probleme, zur Deckung des Energiebedarfs für einen angemessenen Be­ triebszeitraum einen Energiespeicher in Form von Batterien vorzusehen, ohne daß zusätzliche Einrichtungen zur Energieer­ zeugung vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungs­ gemäßen Einrichtung ist die Eindeutigkeit des erzeugten Signals, die dadurch erreicht wird, daß die beiden möglichen Schaltstellungen des Rotors, die Durchgangsstellung und die Drosselstellung, jeweils unverwechselbar mit einer Drehrichtung des Rotors korrelieren. Eine Drehbewegung in eine vorgegebene Richtung führt daher immer zu der dieser Drehbewegung entspre­ chenden Rotorstellung, so daß Signalverwechslungen, beispiels­ weise nach einer Schaltstörung, ausgeschlossen sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß Rotor und Stator so ausgebildet und so zueinander positioniert sind, daß der Rotor in seinen Endlagen durch Strömungskräfte gehalten wird, die durch das den Durchgang im Stator und die Öffnung im Rotor durchströmende Medium hervorgerufen werden. Hierbei hat sich gezeigt, daß bei geeigneter Ausbildung von Rotor und Sta­ tor mit mehreren im gleichmäßigen Abstand voneinander liegenden Durchgängen bzw. Öffnungen der Rotor aufgrund der auftretenden Strömungskräfte das Bestreben hat, sich in die Drosselstellung zu bewegen und dort zu verharren. Zur Stabilisierung des Rotors in der Durchgangsstellung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der die Durchgangsstellung festlegende Anschlag so positio­ niert ist, daß die jeweilige Öffnung des Rotors in der Durch­ gangsstellung gegenüber der der Öffnung benachbarten Mündung des Durchgangs im Stator in der die Durchgangsstellung bewir­ kenden Drehrichtung des Rotors exzentrisch versetzt ist. Durch die exzentrische Lage der Öffnung sind die Strömungskräfte bestrebt, den Rotor in Richtung des Anschlags weiterzudrehen und halten dadurch den Rotor in seiner Durchgangsstellung am Anschlag fest. Für die Stabilisierung des Rotors in seinen beiden Endstellungen ist daher eine Ansteuerung des Rotations­ motors oder einer anderen Betätigungseinrichtung nicht erfor­ derlich. Dies trägt ebenfalls zu einer Verringerung des Ener­ giebedarfs bei.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Durchgang im Stator wenigstens einen stromauf und einen stromab des Rotors liegenden Kanal aufweist, wobei die dem Rotor be­ nachbarten Mündungen der Kanäle koaxial zueinander ausgerichtet sind und im wesentlichem den gleichen Querschnitt haben. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders günstig im Hinblick auf eine Stabilisierung des Rotors in seinen beiden Endstellungen mit Hilfe der Strömungskräfte erwiesen.

Zum Antrieb des Rotors kann erfindungsgemäß ein polumschaltba­ rer Gleichstrommotor vorgesehen sein, der über eine zeitge­ steuerte Schalteinheit an eine Batterie anschließbar ist, wobei die Einschaltzeit je Einschaltvorgang gleich oder größer als die maximale Zeit ist, die der Rotor für seine Bewegung von einer Endstellung in die andere benötigt und Mittel vorgesehen sind, die den Gleichstrommotor abschalten, wenn der Rotor seine Endstellung an dem jeweiligen Anschlag erreicht hat. Diese Ausgestaltung des Rotorantriebs stellt sicher, daß der Rotor jeweils seine Endstellung erreicht und ermöglicht einen gerin­ gen Stromverbrauch, da die Einschaltzeit je nach Bewegungsge­ schwindigkeit der Dauer des Bewegungsvorgangs angepaßt wird. Als geeignetes Mittel zum Abschalten des Gleichstrommotors vor Beendigung der Einschaltzeit kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß nach dem Anlaufen des Gleichstrommotors seine Strom­ aufnahme gemessen und ein durch das Anschlagen des Rotors be­ dingter Anstieg der Stromaufnahme als Signal für das Abschalten des Gleichstrommotors verarbeitet wird. Eine derartige Steue­ rung ist unabhängig von der jeweiligen Höhe der Stromaufnahme, die erheblichen Schwankungen unterliegen kann und paßt sich daher vorteilhaft den unterschiedlichen Betriebsbedingungen an. Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn der Gleichstrommotor beim Abschalten von der Batte­ rie auf Generatorbetrieb geschaltet wird. Hierdurch kann der Drehimpuls vermindert und die mechanische Beanspruchung des Rotorantriebs reduziert werden. Die Generatorschaltung kann erfindungsgemäß auf einfache Weise dadurch ermöglicht werden, daß der Gleichstrommotor mit Hilfe eines Leistungstransistors geschaltet wird, der beim Abschalten nicht leitend wird. Die sich nach dem Abschalten des Gleichstrommotors aufbauende Span­ nung sorgt für eine Gegenkraft, die die Drehbewegung des Ankers bremst. Die Bremswirkung der Generatorschaltung trägt zusätz­ lich zur Endlagenstabilisierung bei.

Zur Reduzierung der mechanischen Beanspruchung beim Anschlagen des Rotors an die festen Anschläge des Stators kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Gleichstrommotor über eine elastische Kupplung mit der Antriebswelle des Rotors verbunden sein. Aus baulichen Gründen kann es weiterhin zweckmäßig sein, wenn die Antriebswelle des Rotors Anschlagnocken aufweist, die mit den Anschlägen am Stator zusammenwirken. Eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich weiterhin dadurch erreichen, daß die Drehbewegungen des Gleichstrommotors über ein Reduziergetriebe auf die Antriebswelle übertragen wird. Das Getriebe kann so ausgelegt werden, daß der Motor mehrere Umdrehungen ausführen muß, um den Rotor von der Durch­ gangsstellung in die Drosselstellung zu bewegen.

Vor allem für die Anwendung der erfindungsgemäßen Telemetrie­ einrichtung in einer in ein Bohrgestänge einfahrbaren Sonde zur Messung verschiedener Parameter beim Bohren ist es zweckmäßig, den Rotorantrieb zu kapseln. Hierzu ist erfindungsgemäß vor­ gesehen, daß die Lagerung der Antriebswelle, der Gleichstrom­ motor sowie ggf. die Kupplung und das Reduziergetriebe in einer druckdichten Gehäusekammer angeordnet sind, die mit einem flüs­ sigen Medium geringer Viskosität gefüllt ist, und daß in einer Wand der Gehäusekammer ein vom Umgebungsdruck beaufschlagbarer Ausgleichskolben angeordnet ist. Das die Gehäusekammer ausfül­ lende flüssige Medium schützt die darin befindlichen Aggregate vor Verschmutzung und Korrosion und sorgt für eine geeignete Schmierung der Lager der drehbaren Bauelemente. Durch den Aus­ gleichskolben wird der Druck in der Gehäusekammer dem Umge­ bungsdruck angeglichen, so daß die Gehäusekammer auch bei hohen Außendrücken keinen großen Druckbelastungen unterworfen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen, einen erfindungsgemäßen Signalgeber enthaltenden Endab­ schnitt einer Meßsonde für das Erfassen und Übermit­ teln von Meßdaten beim Bohren,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen weiteren sich an den Endabschnitt gem. Fig. 1 anschließenden Abschnitt der Meßsonde,

Fig. 3 einen Querschnitt der Meßsonde entlang der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 ein Querschnitt der Meßsonde entlang der Linie IV-IV in Fig. 1.

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der elektro-hy­ draulischen Signalumformung und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Motor­ steuerung.

Die dargestellte Meßsonde 1 weist einen aus mehreren mitein­ ander verschraubten Gehäuseteilen bestehendes Gehäuse 2 auf, welches die Form eines zylindrischen Stabes hat, in dem die einzelnen Aggregate, wie Meßaufnehmer, Meßumformer, Signaler­ zeuger, Signalgeber und Energiespeicher angeordnet sind. Aus den Fig. 1 und 2 ist nur der obere Endbereich der Meßsonde 1 ersichtlich, der den Signalgeber enthält.

An seinem oberen Ende weist die Meßsonde 1 einen nach Art einer Speerspitze geformten Fanghaken 3 auf, an dem sie mit Hilfe eines Greifers gehalten und an einem Seil in einen Bohrstrang bis zu einer Aufnahme in der Nähe des Bohrmeißels eingefahren oder bei Bedarf auch wieder herausgezogen werden kann. Der Außendurchmesser der Meßsonde 1 ist kleiner als der Innendurch­ messer der Bohrrohre des Bohrstrangs, so daß zwischen der Meß­ sonde 1 und der Wand der Bohrrohre ein Ringraum verbleibt, durch den die durch den Bohrstrang gepumpte Bohrspülung zum Bohrmeißel gelangt. An seinem oberen Ende weist das Gehäuse 2 radial nach außen gerichtete Führungsleisten 4 auf, die die Meßsonde 1 im Bohrstrang zentrieren und für eine Einschnürung des die Meßsonde 1 umgebenden Ringquerschnitts sorgen. Bei größeren Durchmesserunterschieden können die Führungsleisten 4 zusätzlich von einer Hülse umgeben sein. Ebenso können ver­ gleichbare Einrichtungen anstelle der Führungsleisten 4 im Bohrstrang ausgebildet sein.

Der in Fig. 1 dargestellte Endabschnitt der Meßsonde 1 enthält einen hydromechanischen Signalgeber 5 mit einem in dem Gehäuse 2 angeordneten Stator 6 und einem gegenüber dem Stator 6 dreh­ baren Rotor 7. Der Stator 6 weist beiderseits des Rotors 7 miteinander fluchtende und durch zylindrische Bohrungen gebil­ dete Durchgänge 8, 9 auf, die in gleichmäßigem Abstand von der Rotorachse angeordnet sind und sich parallel zu dieser er­ strecken. Die stromauf des Rotors 7 liegenden Durchgänge 8 sind durch Einlaßbohrungen 10 mit Einlaßöffnungen 11 in der oberen Stirnfläche 12 des Gehäuses 2 verbunden. Von den Durchgängen 9 stromab des Rotors 7 führen Auslaßbohrungen 13 zu Auslaßöff­ nungen 14, die in der zylindrischen Mantelfläche des Gehäuses 2 angeordnet sind.

Der Rotor 7 hat die Form einer flachen, kreisförmigen Scheibe, die in ihrem Randbereich im Abstand voneinander angeordnete, durchgehende Öffnungen 15 hat, die sich in einer Stellung des Rotors 7 mit den Durchgängen 8, 9 derart zur Deckung bringen lassen, daß ein Flüssigkeitsstrom über die Öffnungen 5 die Durchgänge 8, 9 nahezu ungehindert passieren kann. Im Bereich zwischen den Öffnungen 15 weist der Rotor 7 einen geschlossenen Abschnitt von solcher Größe auf, daß nach einer Drehung des Rotors 7 um einen vorgegebenen Winkel die Durchgänge 8, 9 des Stators 6 von der Scheibe des Rotors 7 abgedeckt sind, so daß ein durch die Einlaßbohrungen 10 den Durchgängen 8 zugeführter Flüssigkeitsstrom nur über die zwischen Rotor 7 und Stator 6 vorhandenen Spalte in die Öffnungen 15 und von dort über weite­ re Spalte zu den Durchgängen 9 gelangen kann. Dies führt zu einer starken Drosselung des Flüssigkeitsstroms.

Zur Lagerung und Drehung des Rotors 7 dient eine Antriebswelle 16, die in einer durch das Gehäuse 2 gebildeten Gehäusekammer 17 mit Hilfe von Wälzlagern 18 in axialer und radialer Richtung gelagert ist. Ein Ende 19 der Antriebswelle 16 ragt durch eine Bohrung 20 aus der Gehäusekammer 17 heraus und ist dort dreh­ fest mit dem Rotor 7 verbunden. Eine Dichtung 21 dichtet die Antriebswelle 16 gegenüber der Bohrung 20 ab. Die Antriebswelle weist einen Ringbund 22 auf, der mit einer Aussparung 23 ver­ sehen ist, in der sich ein gehäusefester Anschlagbolzen 24 befindet. Die Aussparung 23 erstreckt sich über einen Teil des Umfangs des Ringbunds 22. Die Bogenlänge der Aussparung 23 bestimmt die Größe eines Drehwinkels x, um den die Antriebs­ welle 16 und damit der Rotor 7 gegenüber dem Gehäuse 2 und dem Stator 6 drehbar ist. Radiale Anschlagflächen 25, 26 begrenzen die Ausnehmung 23 in Umfangsrichtung und legen im Zusammenwir­ ken mit dem Anschlagbolzen 24 die Endstellung des Rotors 7 in der jeweiligen Drehrichtung fest. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß in der einen Endstellung, wenn beispielsweise die Anschlagfläche 26 am Anschlagbolzen 24 anliegt, der Rotor 7 die Durchgänge 8, 9 vollständig abdeckt, wobei sich die Öff­ nungen 15 des Rotors 7 jeweils in der Mitte zwischen Durchgän­ gen 8, 9 befinden. Diese Stellung entspricht der zuvor bezeich­ neten Drosselstellung. In der anderen Endstellung, in der nach einer Drehung des Rotors um den Drehwinkel x die Anschlagfläche 25 am Anschlagbolzen 24 anliegt, befinden sich die Öffnungen 15 des Rotors 7 im wesentlichen in einer Flucht mit den Durchgän­ gen 8, 9. Diese Stellung entspricht der zuvor bezeichneten Durchgangsstellung.

Während der Rotor 7 in der Drosselstellung durch die auftreten­ den Strömungskräfte in seiner Lage stabilisiert wird und daher auch ohne größere Krafteinwirkung in dieser Stellung verbleibt, ist die Stellung des Rotors 7 nicht stabil, wenn die Öffnungen 15 mit den Durchgängen 8, 9 fluchten, so daß es zu einer Rück­ kehr des Rotors 7 in die Drosselstellung kommen kann, wenn der Rotor 7 nicht festgehalten wird. Um dies zu vermeiden, ist der Drehwinkel x durch Zurücksetzen der Anschlagfläche 26 um einen geringen Betrag größer als die Hälfte des Winkels, den die Teilungsradien, auf denen die Öffnungen 15 liegen, miteinander bilden. Hierdurch wird erreicht, daß die Öffnungen 15 in der Durchgangsstellung soweit über die mit den Durchgängen 8, 9 fluchtende Mittelstellung hinaus versetzt sind, daß die auf­ tretenden Strömungskräfte das Bestreben haben, den Rotor 7 in diese Richtung weiter zu verdrehen. Auf diese Weise wird die Anschlagfläche 26 in der Durchgangsstellung ständig gegen den Anschlagbolzen 24 gedrückt und der Rotor 7, ohne daß es zu­ sätzlicher Maßnahmen bedarf, in dieser Lage stabilisiert.

Das dem Rotor 7 entgegengesetzte Ende 27 der Antriebswelle 16 ist über eine drehelastische Kupplung 28, die die Stöße beim Anschlagen des Ringbunds 22 an den Anschlagbolzen 24 dämpft, mit der Ausgangswelle 29 eines Antriebsaggregats verbunden, welches aus einem Reduziergetriebe 30 und einem Gleichstrommo­ tor 31 besteht und mit Hilfe von Schrauben 32 in der Gehäuse­ kammer 17 befestigt ist. Das dem Gleichstrommotor 31 benach­ barte Ende der Gehäusekammer 17 ist durch ein Wandelement 33 verschlossen, welches mit Dichtungen 34 gegenüber dem Gehäuse 2 abgedichtet ist. In dem Wandelement 33 befindet sich eine Zy­ linderbohrung 35, in der ein Ausgleichskolben 36 axial ver­ schiebbar angeordnet ist. Die Dichtung 37 dichtet den Aus­ gleichskolben 36 gegenüber der Zylinderbohrung 35 ab. Die Zy­ linderbohrung 35 ist zur Gehäusekammer 17 hin offen. Das durch den Ausgleichskolben 36 von der Gehäusekammer 17 getrennte Ende der Zylinderbohrung 35 ist durch eine Bohrung 38 mit einer Ringnut 39 verbunden, die an eine Durchgangsbohrung 40 im Ge­ häuse 2 angeschlossen ist. Durch diese Verbindung wird die der Gehäusekammer 17 abgekehrte Seite des Ausgleichkolbens 36 mit dem außerhalb der Meßsonde 1 vorhandenen Umgebungsdruck beauf­ schlagt. Die Gehäusekammer 17 ist vollständig mit einer Flüs­ sigkeit gefüllt, die bei geringer Viskosität günstige Schmier- und Korrosionsschutzeigenschaften hat und sich durch eine ge­ ringe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet. Die Flüssigkeit soll weiterhin temperaturbeständig sein und einen hohen Siede­ punkt haben, um die Sonde auch bei höheren Umgebungstemperatu­ ren einsetzen zu können.

Der Gleichstrommotor 31 ist über ein Anschlußkabel 41, welches druckdicht durch eine Bohrung im Wandelement 33 hindurchgeführt ist, mit einer in dem nachfolgenden nicht weiter dargestellten Abschnitt der Meßsonde 1 angeordneten Signalsteuereinrichtungen verbunden, durch die der Gleichstrommotor mit wechselnder Stromrichtung ansteuerbar ist, um so jeweils entgegengesetzte Drehbewegungen auszuführen und den Rotor 7 von einer Endstel­ lung in die andere zu bewegen. Da Stromrichtung und Drehrich­ tung jeweils einander entsprechen, sind die beiden Rotorstel­ lungen durch die Stromrichtungen eindeutig definiert und eine Verwechslung der beiden Signalformen - Druck hoch, Druck nied­ rig - ist ausgeschlossen.

Die Erzeugung der Drucksignale erfolgt bei einem Betrieb der beschriebenen Meßsonde durch ständiges Hin- und Herbewegen des Rotors 7 von einer Endstellung in die andere. Befindet sich der Rotor 7 in der Durchgangsstellung, so kann der durch den Bohr­ strang geförderte Spülstrom einerseits zwischen den Führungs­ leisten 4 an der Außenseite der Meßsonde 1 entlangströmen und andererseits über die Einlaßöffnungen 11, die Einlaßbohrungen 10, die Durchgänge 8, die Öffnungen 15, die Durchgänge 9, die Auslaßbohrung 13 und die Auslaßöffnungen 14 durch die Meßsonde 1 hindurchfließen. Wird der Rotor 7 in die Drosselstellung bewegt, so ist der Strömungsquerschnitt innerhalb der Meßsonde 1 nahezu vollständig verschlossen, was zu einem plötzlichen Druckanstieg in dem Spülungsstrom oberhalb der Meßsonde 1 führt. Der Druckanstieg pflanzt sich bis nach übertage fort und kann dort von einem Empfänger aufgenommen werden. Wird der Rotor 7 danach in die Durchgangsstellung zurückgesteuert, so steht dem Spülungsstrom wieder der gesamte Strömungsquerschnitt zur Verfügung, so daß der Druck wieder auf das vorherige Niveau absinkt, was ebenso übertage gemessen werden kann. Durch eine schnelle Folge solcher Steuerbewegungen lassen sich auf diese Weise kodierte Meßsignale als Druckimpulse über die Bohrspülung nach übertage senden.

Durch die in Fig. 5 wiedergegebenen Diagramme wird der be­ schriebene Ablauf verdeutlicht. Die Kurve I gibt den zeitlichen Verlauf der Signalspannung U_s wieder, welche in kodierter, di­ gitaler Form einen Meßwert der Meßsonde 1 beschreibt. Bei einer Änderung der Signalspannung U_s wird der Gleichstrommotor 31 jeweils solange an eine Betriebsspannung U_b geschaltet, bis der Rotor 7 jeweils von einer Endstellung in die andere Endstellung bewegt ist. Die Linie II gibt den entsprechenden Verlauf der am Gleichstrommotor 31 anliegenden Betriebsspannung U_b über der Zeit T wieder. Die Linie 111 zeigt den entsprechenden Drehwin­ kel x der jeweiligen Stellung des Rotors 7, wobei der Drehwin­ kel x = 0 die Durchgangsstellung und x = 1 die Drosselstellung bezeichnet. Aus der jeweiligen Stellung des Rotors 7 gemäß Linie III resultiert mit einer durch die Kompressibilität des als Bohrspülung verwendeten flüssigen Mediums bewirkten zeitli­ chen Verzögerung ein Anstieg des Drucks P in der über der Meß­ sonde 1 befindlichen Flüssigkeitssäule gemäß Linie IV. Dieser Druckanstieg, der beispielsweise 10 bar betragen kann, wird übertage als Druckimpuls von einem Drucksensor erfaßt und von einer Auswerteeinheit ausgewertet.

In Fig. 6 ist die Stromaufnahme I_m des Gleichstrommotors über der Zeit T während einer Schaltphase aufgetragen, in der der Gleichstrommotor mit der Betriebsspannung U_b beaufschlagt wird. Die Kurven a, b, c geben hierbei unterschiedliche Betriebssi­ tuationen wieder, die aus unterschiedlichen Drehwiderständen am Rotor 7 resultieren. Beim Einschalten des Gleichstrommotors steigt der Strom I_m zunächst auf einen Maximalwert an und nimmt bei einem geringen Drehwiderstand am Rotor 7 einen durch die Linie a wiedergegebenen, zeitlichen Verlauf. Aufgrund des ge­ ringeren Drehwiderstands wird die Endstellung des Rotors 7 bereits nach einer Zeit T_xa erreicht. Der Rotor 7 kann sich nun nicht mehr weiterdrehen, so daß der Drehwiderstand in Abhängig­ keit von der Drehelastizität der Kupplung 28 und den Drehimpul­ sen der in Drehung befindlichen Massen zunimmt, was mit einem Anstieg des Stroms I_m verbunden ist. Dieser Anstieg des Stroms I_m wird von einer Meßeinrichtung erfaßt und bewirkt das Ab­ schalten des Gleichstrommotors. Ist der Drehwiderstand am Rotor 7 größer, so kann sich ein Verlauf der Stromaufnahme I_m des Gleichstrommotors gemäß Linie b oder c ergeben. Im Fall der Linie b wird die Endstellung des Rotors 7 nach einer Zeit T_xb und Falle der Linie c nach einer Zeit T_xc erreicht. Je größer der Drehwiderstand am Rotor 7, umso größer ist auch die Strom­ aufnahme des Gleichstrommotors und die Zeit, die zum Durchfah­ ren des Drehwinkels x benötigt wird. Da das Abschalten des Gleichstrommotors jedoch vorrangig von dem Anstieg der Strom­ aufnahme I_m nach Erreichen der Anschlagstellung abhängig ist, sind die drehwiderstandsbedingten, zeitlichen Schwankungen ohne störenden Einfluß auf das Betriebsverhalten. Der Motor bleibt in jedem Falle soweit angeschaltet bis der Rotor seine Endstel­ lung erreicht hat, und die Einschaltdauer des Motors wird zur Erzielung eines minimalen Stromverbrauchs in optimaler Weise an den jeweiligen Zeitbedarf angepaßt. Zusätzlich kann das Ab­ schalten des Gleichstrommotors durch eine Zeitsteuerung bewirkt werden, durch die der Motor nach einer vorgegebenen maximalen Einschaltzeit ebenfalls abgeschaltet wird. Dies kann vorteil­ haft sein, um im Falle eines Blockierens des Rotors und einem dadurch bedingten Ausfall des Stromanstiegsignals die Ein­ schaltdauer des Motors auf einen Maximalwert zu begrenzen. Ein Wirksamwerden der Zeitabschaltung kann dabei auch als Überwa­ chungssignal zur Anzeige einer Betriebsstörung ausgewertet werden.

Claims (13)

1. Telemetrieeinrichtung zur Übertragung von Informationen in einem flüssigen Medium durch Erzeugung von Druckimpulsen, insbesondere zur Übertragung von Meßdaten bei Bohrungen aus einem Bohrloch zur Erdoberfläche, mit einem in einem von dem Medium durchströmten Kanal einbaubaren Signalgeber mit einem Stator, der den Kanal teilweise sperrt und we­ nigstens einen Durchgang aufweist, durch den Medium von einer stromaufliegenden Seite des Stators zu einer strom­ ab liegenden Seite geleitet wird, und einem in dem Kanal drehbaren Rotor, der dem Stator benachbart ist, und we­ nigstens eine durchgehende Öffnung hat und der durch eine Drehbewegung entweder in eine Drosselstellung, in der der Rotor den Durchfluß durch den Durchgang im Stator dros­ selt, oder in eine Durchgangsstellung bewegbar ist, in der die Öffnung des Rotors einen im wesentlichen ungedrossel­ ten Durchfluß durch den Durchgang im Stator ermöglicht, wobei durch wiederholtes Bewegen des Rotors von der Durch­ gangsstellung in die Drosselstellung und von dieser wieder in die Durchgangsstellung in gesteuerten Intervallen eine kodierte Serie von positiven Druckimpulsen erzeugbar ist, die durch das flüssige Medium an eine entfernte Stelle übertragbar und dort von einem Empfänger aufnehmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbarkeit des Rotors (7) durch feste Anschläge (22, 24, 25, 26) am Stator (2, 6) auf einen zwischen der Durchgangsstellung und der Drossel­ stellung liegenden Drehwinkel (x) begrenzt ist, daß der Rotor (7) durch einen in seiner Drehrichtung umsteuerbaren Rotationsmotor (31) abwechselnd in einer Drehrichtung an den einen Anschlag (25 bzw. 26) und in der entgegengesetz­ ten Drehrichtung an den anderen Anschlag (26 bzw. 25) bewegbar ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Rotor (7) ohne Ansteuerung des Rotationsmotors (31) in der Durchgangs- oder Drosselstellung halten.

2. Telemetrieeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (7) und der Stator (2, 6) so aus­ gebildet und so zueinander positioniert sind, daß der Rotor (7) in seinen Endlagen durch Strömungskräfte gehal­ ten wird, die durch das den Durchgang (8, 9) im Stator (2, 6) und die Öffnung (15) im Rotor (7) durchströmende Medium hervorgerufen werden.

3. Telemetrieeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) und der Stator (6) mehrere, in gleichmäßigem Abstand voneinander liegende Durchgänge (8, 9) bzw. Öffnungen (15) haben.

4. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Durchgangs­ stellung festlegende Anschlag (25) so positioniert ist, daß die jeweilige Öffnung (15) des Rotors (7) in der Durchgangsstellung gegenüber der der Öffnung benachbarten Mündung des Durchgangs (8, 9) im Stator (6) in der die Durchgangsstellung bewirkenden Drehrichtung des Rotors (7) exzentrisch versetzt ist.

5. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (8, 9) im Stator (6) wenigstens einen stromauf und einen stromab des Rotors (7) liegenden Kanal (8 bzw. 9) aufweist, wobei die dem Rotor (7) benachbarten Mündungen der Kanäle (8 bzw. 9) koaxial zueinander ausgerichtet sind und im we­ sentlichen den gleichen Querschnitt haben.

6. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Ro­ tors (7) ein polumschaltbarer Gleichstrommotor (31) vor­ gesehen ist, der über eine zeitgesteuerte Schalteinheit an eine Batterie anschließbar ist, wobei die Einschaltzeit je Einschaltvorgang gleich oder größer als die maximale Zeit ist, die der Rotor (7) für seine Bewegung von einer End­ stellung in die andere benötigt und Mittel vorgesehen sind, die den Gleichstrommotor (31) abschalten, wenn der Rotor (7) seine Endstellung an dem jeweiligen Anschlag (25, 26) erreicht hat.

7. Telemetrieeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Anlaufen des Gleichstrommotors (31) seine Stromaufnahme gemessen und ein durch das Anschlagen des Rotors (7) bedingter Anstieg der Stromaufnahme als Si­ gnal für das Abschalten des Gleichstrommotors (31) ver­ arbeitet wird.

8. Telemetrieeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (31) beim Abschalten von der Batterie auf Generatorbetrieb geschal­ tet wird.

9. Telemetrieeinrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (31) mit Hilfe eines Leistungstransistors geschaltet wird, der beim Abschalten nichtleitend wirkt.

10. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (31) über eine drehelastische Kupplung (28) mit der An­ triebswelle (16) des Rotors (7) verbunden ist.

11. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (16) des Rotors (7) Anschlagnocken (22, 25, 26) aufweist, die mit Anschlägen (24) des Stators (2, 6) zusammenwirken.

12. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegungen des Gleichstrommotors (31) über ein Reduziergetriebe (30) auf die Antriebswelle (16) übertragen werden.

13. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche für eine in ein Bohrgestänge einfahrbare Sonde zur Messung verschiedener Parameter beim Bohren, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lagerung (18) der Antriebswelle (16), der Gleichstrommotor (31) sowie ggf. die Kupplung (28) und das Reduziergetriebe (30) in einer druckdichten Gehäusekammer (17) angeordnet sind, die mit einem Medium geringer Viskosität gefüllt ist, und daß in einer Wand (33) der Gehäusekammer (17) ein vom Umgebungsdruck beauf­ schlagbarer Ausgleichskolben (36) verschiebbar angeordnet ist.