DE4126249C2 - Telemetrieeinrichtung insbesondere zur Übertragung von Meßdaten beim Bohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Telemetrieeinrichtung zur Übertragung von Informationen in einem flüssigen Me­ dium durch Erzeugung von Druckimpulsen, insbesonde­ re zur Übertragung von Meßdaten beim Bohren aus einem Bohrloch zur Erdoberfläche, mit einem in einem von dem Medium durchströmten Kanal einbaubaren Si­ gnalgeber mit einem Stator, der den Kanal teilweise sperrt und wenigstens einen Durchgang aufweist, durch den Medium von einer stromaufliegenden Seite des Sta­ tors zur einer stromab liegenden Seite geleitet wird, und einem in dem Kanal drehbaren Rotor, der dem Stator benachbart ist, und wenigstens eine durchgehende Öff­ nung hat und der durch eine Drehbewegung entweder in eine Drosselstellung, in der der Rotor den Durchfluß durch den Durchgang im Stator drosselt, oder in eine Durchgangsstellung 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 In­ tervallen eine kodierte Serie von positiven Druckimpul­ sen erzeugbar ist, die durch das flüssige Medium an eine entfernte Stelle übertragbar und dort von einem Emp­ fänger aufnehmbar sind.

Vor allem in der Richtbohrtechnik werden Teleme­ trieeinrichtungen der angegebenen Art eingesetzt, um die während des Bohrens untertage von Meßgeräten, die im Bohrstrang angeordnet sind, ermittelten Meßer­ gebnisse nach übertage zu übertragen, und anhand die­ ser Meßergebnisse den Bohrfortgang in dem gewünsch­ ten Maße beeinflussen zu können.

Bekannte Anwendungen für derartige Telemetrieein­ richtungen sind in den US-Patenten 33 09 656, 37 64 968, 37 64 969, 37 70 006 und 39 82 224 beschrieben. Die Te­ lemetrieeinrichtungen sind hierbei Teil von Bohrloch­ meßgeräten für das Messen beim Bohren, die in das untere Ende des Bohrstrangs in der Nähe des Bohrmei­ ßels eingebaut werden und die gewonnenen Meßdaten in Form von Druckimpulsen durch die Bohrspülung an einen Übertageempfänger übertragen. Die Druckim­ pulse werden hierbei durch den von einem Elektromo­ tor kontinuierlich drehend angetriebenen Rotor er­ zeugt, dessen Winkelgeschwindigkeit zur Änderung der Pulsfrequenz mit Hilfe von besonderen, ebenfalls elek­ trisch ansteuerbaren Getrieben nach Maßgabe der zu übertragenden Daten variiert wird. Diese bekannten Geräte haben sich als groß, aufwendig und teuer erwie­ sen. Sie benötigen weiterhin umfangreiche und teure Energiesysteme und Getriebe, um die Telemetrieein­ richtungen zu betreiben, so daß entweder große und teure Batteriepakete oder turbinengetriebene Genera­ toren zur Energieerzeugung benötigt werden. Weiter­ hin werden die bekannten Geräte 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 Telemetrieeinrichtung der eingangs genann­ ten Art bekannt, bei welchem der Rotor im Strom der Bohrspülung angeordnet ist und Schaufeln aufweist, die vom Bohrspülungsstrom beaufschlagt werden, wodurch ein kontinuierliches Drehmoment auf den Rotor ein­ wirkt, welches den Rotor jeweils schrittweise von einer Stellung in die nächste weiterdreht, wenn eine Sperrein­ richtung gelöst wird, durch die der Rotor in einer Dros­ selstellung 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 verringert, es ergibt sich jedoch der Nachteil, daß das auf den Rotor einwirkende Drehmoment je nach Stellung des Rotors unterschiedlich ist, so daß die Sperreinrichtung teilweise sehr hohen Kräften ausgesetzt ist und einem verhältnis­ mäßig 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 Informationsüber­ tragung stören.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tele­ metrieeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, die sich durch einen einfachen Aufbau, geringen Energiebedarf und eine störsichere 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 entge­ gengesetzten 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 zeich­ net 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 vergleichsweise gering ist. Entsprechend diesen Eigenschaften zeichnet sich die er­ findungsgemäße Einrichtung weiterhin durch einen ge­ ringen Energiebedarf aus. Es bereitet daher keine Pro­ bleme, zur Deckung des Energiebedarfs für einen ange­ messenen Betriebszeitraum einen Energiespeicher in Form von Batterien vorzusehen, ohne daß zusätzliche Einrichtungen zur Energieerzeugung vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrich­ tung ist die Eindeutigkeit des erzeugten Signals, die da­ durch erreicht wird, daß die beiden möglichen Schalt­ stellungen des Rotors, die Durchgangsstellung und die Drosselstellung, jeweils unverwechselbar mit einer Drehrichtung des Rotors korrelieren. Eine Drehbewe­ gung in eine vorgegebene Richtung führt daher immer zu der dieser Drehbewegung entsprechenden Rotor­ stellung, so daß Signalverwechslungen, beispielsweise 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 durch­ strömende Medium hervorgerufen werden. Hierbei hat sich gezeigt, daß bei geeigneter Ausbildung von Rotor und Stator mit mehreren im gleichmäßigen Abstand voneinander liegenden Durchgängen bzw. Öffnungen der Rotor aufgrund der auftretenden Strömungskräfte das Bestreben hat, sich in die Drosselstellung zu bewe­ gen und dort zu verharren. Zur Stabilisierung des Ro­ tors in der Durchgangsstellung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß der die Durchgangsstellung festle­ gende Anschlag so positioniert ist, daß die jeweilige Öffnung des Rotors in der Durchgangsstellung gegen­ über der der Öffnung benachbarten Mündung des Durchgangs im Stator in der die Durchgangsstellung bewirkenden Drehrichtung des Rotors exzentrisch ver­ setzt 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 End­ stellungen ist daher eine Ansteuerung des Rotationsmo­ tors oder einer anderen Betätigungseinrichtung nicht erforderlich. Dies trägt ebenfalls zu einer Verringerung des Energiebedarfs bei.

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

Zum Antrieb des Rotors kann erfindungsgemäß ein polumschaltbarer Gleichstrommotor vorgesehen sein, der über eine zeitgesteuerte Schalteinheit an eine Batte­ rie anschließbar ist, wobei die Einschaltzeit je Einschalt­ vorgang 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 ermög­ licht einen geringen Stromverbrauch, da die Einschalt­ zeit je nach Bewegungsgeschwindigkeit der Dauer des Bewegungsvorgangs angepaßt wird. Als geeignetes Mittel zum Abschalten des Gleichstrommotors vor Be­ endigung der Einschaltzeit kann erfindungsgemäß vor­ gesehen sein, daß nach dem Anlaufen des Gleichstrom­ motors seine Stromaufnahme gemessen und ein durch das Anschlagen des Rotors bedingter Anstieg der Stromaufnahme als Signal für das Abschalten des Gleichstrommotors verarbeitet wird. Eine derartige Steuerung ist unabhängig von der jeweiligen Höhe der Stromaufnahme, die erheblichen Schwankungen unter­ liegen kann und paßt sich daher vorteilhaft den unter­ schiedlichen Betriebsbedingungen an. Nach einem wei­ teren Vorschlag der Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn der Gleichstrommotor beim Abschalten von der Batterie auf Generatorbetrieb geschaltet wird. Hier­ durch kann der Drehimpuls vermindert und die mecha­ nische Beanspruchung des Rotorantriebs reduziert wer­ den. 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 Spannung sorgt für eine Gegenkraft, die die Drehbewegung des Ankers bremst. Die Bremswirkung der Generatorschaltung trägt zusätzlich zur Endlagen­ stabilisierung 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 zweck­ mäßig sein, wenn die Antriebswelle des Rotors An­ schlagnocken aufweist, die mit den Anschlägen am Sta­ tor zusammenwirken. Eine kompakte Bauweise der er­ findungsgemäßen Vorrichtung läßt sich weiterhin da­ durch erreichen, daß die Drehbewegungen des Gleich­ strommotors über ein Reduziergetriebe auf die An­ triebswelle übertragen wird. Das Getriebe kann so aus­ gelegt werden, daß der Motor mehrere Umdrehungen ausführen muß, um den Rotor von der Durchgangsstel­ lung in die Drosselstellung zu bewegen.

Vor allem für die Anwendung der erfindungsgemä­ ßen Telemetrieeinrichtung in einer in ein Bohrgestänge einfahrbaren Sonde zur Messung verschiedener Para­ meter beim Bohren ist es zweckmäßig, den Rotoran­ trieb zu kapseln. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgese­ hen, daß die Lagerung der Antriebswelle, der Gleich­ strommotor sowie ggf. die Kupplung und das Reduzier­ getriebe in einer druckdichten Gehäusekammer ange­ ordnet sind, die mit einem flüssigen Medium geringer Viskosität gefüllt ist, und daß in einer Wand der Gehäu­ sekammer ein vom Umgebungsdruck beaufschlagbarer Ausgleichskolben angeordnet ist. Das die Gehäusekam­ mer ausfüllende flüssige Medium schützt die darin be­ findlichen Aggregate vor Verschmutzung und Korro­ sion und sorgt für eine geeignete Schmierung der Lager der drehbaren Bauelemente. Durch den Ausgleichskol­ ben wird der Druck in der Gehäusekammer dem Umge­ bungsdruck angeglichen, so daß die Gehäusekammer auch bei hohen Außendrücken keinen großen Druckbe­ lastungen unterworfen ist.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den oberen, einen er­ findungsgemäßen 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 Ab­ schnitt der Meßsonde,

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

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

Fig. 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der elek­ tro-hydraulischen Signalumformung und

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Mo­ torsteuerung.

Die dargestellte Meßsonde 1 weist einen aus mehre­ ren miteinander verschraubten Gehäuseteilen beste­ hendes Gehäuse 2 auf, welches die Form eines zylindri­ schen Stabes hat, in dem die einzelnen Aggregate, wie Meßaufnehmer, Meßumformer, Signalerzeuger, Signal­ geber 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 Außen­ durchmesser der Meßsonde 1 ist kleiner als der Innen­ durchmesser der Bohrrohre des Bohrstrangs, so daß zwischen der Meßsonde 1 und der Wand der Bohrrohre ein Ringraum verbleibt, durch den die durch den Bohr­ strang gepumpte Bohrspülung zum Bohrmeißel gelangt. An seinem oberen Ende weist das Gehäuse 2 radial nach außen gerichtete Führungsleisten 4 auf, die die Meßson­ de 1 im Bohrstrang zentrieren und für eine Einschnü­ rung des die Meßsonde 1 umgebenden Ringquerschnitts sorgen. Bei größeren Durchmesserunterschieden kön­ nen die Führungsleisten 4 zusätzlich von einer Hülse umgeben sein. Ebenso können vergleichbare Einrich­ tungen 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 drehbaren Rotor 7. Der Stator 6 weist beiderseits des Rotors 7 miteinander fluchtende und durch zylindrische Bohrungen gebildete Durchgänge 8, 9 auf, die in gleichmäßigem Abstand von der Rotorachse angeordnet sind und sich parallel zu dieser erstrecken. Die stromauf des Rotors 7 liegenden Durchgänge 8 sind durch Einlaßbohrungen 10 mit Ein­ laßöffnungen 11 in der oberen Stirnfläche 12 des Ge­ häuses 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 vonein­ ander 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 Flüssig­ keitsstrom über die Öffnungen 5 die Durchgänge 8, 9 nahezu ungehindert passieren kann. Im Bereich zwi­ schen den Öffnungen 15 weist der Rotor 7 einen ge­ schlossenen 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 Schei­ be 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 weitere 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 ge­ bildeten 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 drehfest 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 ei­ ner Aussparung 23 versehen ist, in der sich ein gehäuse­ fester Anschlagbolzen 24 befindet. Die Aussparung 23 erstreckt sich über einen Teil des Umfangs des Ring­ bunds 22. Die Bogenlänge der Aussparung 23 bestimmt die Größe eines Drehwinkels x, um den die Antriebswel­ le 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 Umfangsrich­ tung und legen im Zusammenwirken mit dem Anschlag­ bolzen 24 die Endstellung des Rotors 7 in der jeweiligen Drehrichtung fest. Hierbei ist die Anordnung so getrof­ fen, 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 Öffnungen 15 des Rotors 7 jeweils in der Mitte zwischen Durchgängen 8, 9 befinden. Diese Stel­ lung entspricht der zuvor bezeichneten 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 Öffnun­ gen 15 des Rotors 7 im wesentlichen in einer Flucht mit den Durchgängen 8, 9. Diese Stellung entspricht der zuvor bezeichneten Durchgangsstellung.

Während der Rotor 7 in der Drosselstellung durch die auftretenden 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 Durchgän­ gen 8, 9 fluchten, so daß es zu einer Rückkehr 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 Öffnun­ gen 15 liegen, miteinander bilden. Hierdurch wird er­ reicht, daß die Öffnungen 15 in der Durchgangsstellung soweit über die mit den Durchgängen 8, 9 fluchtende Mittelstellung hinaus versetzt sind, daß die auftretenden 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 zusätzlicher Maßnahmen bedarf, in dieser Lage stabilisiert.

Das dem Rotor 7 entgegengesetzte Ende 27 der An­ triebswelle 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 Gleichstrommotor 31 besteht und mit Hilfe von Schrauben 32 in der Gehäuse­ kammer 17 befestigt ist. Das dem Gleichstrommotor 31 benachbarte 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 Zylinderbohrung 35, in der ein Ausgleichskolben 36 axial verschiebbar ange­ ordnet ist. Die Dichtung 37 dichtet den Ausgleichskol­ ben 36 gegenüber der Zylinderbohrung 35 ab. Die Zylin­ derbohrung 35 ist zur Gehäusekammer 17 hin offen. Das durch den Ausgleichskolben 36 von der Gehäusekam­ mer 17 getrennte Ende der Zylinderbohrung 35 ist durch eine Bohrung 38 mit einer Ringnut 39 verbunden, die an eine Durchgangsbohrung 40 im Gehäuse 2 angeschlos­ sen ist. Durch diese Verbindung wird die der Gehäuse­ kammer 17 abgekehrte Seite des Ausgleichkolbens 36 mit dem außerhalb der Meßsonde 1 vorhandenen Um­ gebungsdruck beaufschlagt. Die Gehäusekammer 17 ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt, die bei geringer Viskosität günstige Schmier- und Korrosionsschutzei­ genschaften hat und sich durch eine geringe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet. Die Flüssigkeit soll weiterhin temperaturbeständig sein und einen hohen Siedepunkt haben, um die Sonde auch bei höheren Umgebungstem­ peraturen einsetzen zu können.

Der Gleichstrommotor 31 ist über ein Anschlußkabel 41, welches druckdicht durch eine Bohrung im Wandele­ ment 33 hindurchgeführt ist, mit einer in dem nachfol­ genden nicht weiter dargestellten Abschnitt der Meß­ sonde 1 angeordneten Signalsteuereinrichtungen ver­ bunden, durch die der Gleichstrommotor mit wechseln­ der Stromrichtung ansteuerbar ist, um so jeweils entge­ gengesetzte Drehbewegungen auszuführen und den Rotor 7 von einer Endstellung in die andere zu bewegen. Da Stromrichtung und Drehrichtung jeweils einander entsprechen, sind die beiden Rotorstellungen durch die Stromrichtungen eindeutig definiert und eine Ver­ wechslung der beiden Signalformen - Druck hoch, Druck niedrig - ist ausgeschlossen.

Die Erzeugung der Drucksignale erfolgt bei einem Betrieb der beschriebenen Meßsonde durch ständiges Hin- und Herbewegen des Rotors 7 von einer Endstel­ lung in die andere. Befindet sich der Rotor 7 in der Durchgangsstellung, so kann der durch den Bohrstrang geförderte Spülstrom einerseits zwischen den Füh­ rungsleisten 4 an der Außenseite der Meßsonde 1 ent­ langströmen und andererseits über die Einlaßöffnungen 11, die Einlaßbohrungen 10, die Durchgänge 8, die Öff­ nungen 15, die Durchgänge 9, die Auslaßbohrung 13 und die Auslaßöffnungen 14 durch die Meßsonde 1 hin­ durchfließen. 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 Ro­ tor 7 danach in die Durchgangsstellung zurückgesteu­ ert, 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 beschriebene Ablauf verdeutlicht. Die Kurve I gibt den zeitlichen Verlauf der Signalspannung U_s wie­ der, welche in kodierter, digitaler Form einen Meßwert der Meßsonde 1 beschreibt. Bei einer Änderung der Signalspannung U_s wird der Gleichstrommotor 31 je­ weils 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 wie­ der. Die Linie 111 zeigt den entsprechenden Drehwinkel x der jeweiligen Stellung des Rotors 7, wobei der Dreh­ winkel 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 zeitlichen Verzögerung ein Anstieg des Drucks P in der über der Meßsonde 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 Gleichstrom­ motors über der Zeit T während einer Schaltphase auf­ getragen, in der der Gleichstrommotor mit der Betriebs­ spannung U_b beaufschlagt wird. Die Kurven a, b, c ge­ ben hierbei unterschiedliche Betriebssituationen 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 Ro­ tor 7 einen durch die Linie a wiedergegebenen, zeitli­ chen Verlauf. Aufgrund des geringeren Drehwider­ stands 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 Ab­ hängigkeit von der Drehelastizität der Kupplung 28 und den Drehimpulsen der in Drehung befindlichen Massen zunimmt, was mit einem Anstieg des Stroms I_m verbun­ den ist. Dieser Anstieg des Stroms I_m wird von einer Meßeinrichtung erfaßt und bewirkt das Abschalten 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 Stromaufnahme des Gleich­ strommotors und die Zeit, die zum Durchfahren des Drehwinkels x benötigt wird. Da das Abschalten des Gleichstrommotors jedoch vorrangig von dem Anstieg der Stromaufnahme I_m nach Erreichen der Anschlag­ stellung abhängig ist, sind die drehwiderstandsbeding­ ten, 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 Abschalten des Gleichstrommotors durch eine Zeitsteuerung bewirkt werden, durch die der Motor nach einer vorgegebenen maximalen Einschalt­ zeit ebenfalls abgeschaltet wird. Dies kann vorteilhaft sein, um im Falle eines Blockierens des Rotors und ei­ nem dadurch bedingten Ausfall des Stromanstiegsignals die Einschaltdauer des Motors auf einen Maximalwert zu begrenzen. Ein Wirksamwerden der Zeitabschaltung kann dabei auch als Überwachungssignal zur Anzeige einer Betriebsstörung ausgewertet werden.

Claims (13)

1. Telemetrieeinrichtung zur Übertragung von In­ formationen in einem flüssigen Medium durch Er­ zeugung von Druckimpulsen, insbesondere zur Übertragung von Meßdaten bei Bohrungen aus ei­ nem Bohrloch zur Erdoberfläche, mit einem in ei­ nem von dem Medium durchströmten Kanal ein­ baubaren Signalgeber mit einem Stator, der den Kanal teilweise sperrt und wenigstens einen Durch­ gang aufweist, durch den Medium von einer strom­ aufliegenden Seite des Stators zu 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 entweder in ei­ ne Drosselstellung, in der der Rotor den Durchfluß durch den Durchgang im Stator drosselt, oder in eine Durchgangsstellung bewegbar ist, in der die Öffnung des Rotors einen im wesentlichen unge­ drosselten Durchfluß durch den Durchgang im Sta­ tor ermöglicht, wobei durch wiederholtes Bewegen des Rotors von der Durchgangsstellung in die Drosselstellung und von dieser wieder in die Durchgangsstellung in gesteuerten Intervallen eine kodierte Serie von positiven Druckimpulsen er­ zeugbar ist, die durch das flüssige Medium an eine entfernte Stelle übertragbar und dort von einem Empfänger aufnehmbar sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehbarkeit des Rotors (7) durch feste Anschläge (22, 24, 25, 26) am Stator (2, 6) auf einen zwischen der Durchgangsstellung und der Drosselstellung liegenden Drehwinkel (x) begrenzt ist, daß der Rotor (7) durch einen in seiner Dreh­ richtung umsteuerbaren Rotationsmotor (31) ab­ wechselnd in einer Drehrichtung an den einen An­ schlag (25 bzw. 26) und in der entgegengesetzten Drehrichtung an den anderen Anschlag (26 bzw. 25) bewegbar ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Rotor (7) ohne Ansteuerung des Rotationsmo­ tors (31) in der Durchgangs- oder Drosselstellung halten.

2. Telemetrieeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (7) und der Stator (2, 6) so ausgebildet und so zueinander positioniert sind, daß der Rotor (7) in seinen Endlagen durch Strömungskräfte gehalten wird, die durch das den Durchgang (8, 9) im Stator (2, 6) und die Öffnung (15) im Rotor (7) durchströmende Medium hervor­ gerufen werden.

3. Telemetrieeinrichtung nach einem der Ansprü­ che 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ tor (7) und der Stator (6) mehrere, in gleichmäßi­ gem Abstand voneinander liegende Durchgänge (8, 9) bzw. Öffnungen (15) haben.

4. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Durchgangsstellung festlegende Anschlag (25) so positioniert ist, daß die jeweilige Öffnung (15) des Rotors (7) in der Durchgangsstellung ge­ genüber der der Öffnung benachbarten Mündung des Durchgangs (8, 9) im Stator (6) in der die Durch­ gangsstellung bewirkenden Drehrichtung des Ro­ tors (7) exzentrisch versetzt ist.

5. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (8, 9) im Stator (6) wenigstens einen stromauf und einen stromab des Rotors (7) liegen­ den 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 vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Rotors (7) ein polumschaltbarer Gleichstrommotor (31) vorgesehen ist, der über ei­ ne zeitgesteuerte Schalteinheit an eine Batterie an­ schließbar ist, wobei die Einschaltzeit je Einschalt­ vorgang gleich oder größer als die maximale Zeit ist, die der Rotor (7) für seine Bewegung von einer Endstellung in die andere benötigt und Mittel vor­ gesehen sind, die den Gleichstrommotor (31) ab­ schalten, wenn der Rotor (7) seine Endstellung an dem jeweiligen Anschlag (25, 26) erreicht hat.

7. Telemetrieeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anlaufen des Gleichstrommotors (31) seine Stromaufnahme ge­ messen und ein durch das Anschlagen des Rotors (7) bedingter Anstieg der Stromaufnahme als Si­ gnal für das Abschalten des Gleichstrommotors (31) verarbeitet wird.

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

9. Telemetrieeinrichtung nach einem der Ansprü­ che 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich­ strommotor (31) mit Hilfe eines Leistungstransi­ stors geschaltet wird, der beim Abschalten nichtlei­ tend wirkt.

10. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (31) über eine drehelasti­ sche Kupplung (28) mit der Antriebswelle (16) des Rotors (7) verbunden ist.

11. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (16) des Rotors (7) Anschlagnoc­ ken (22, 25, 26) aufweist, die mit Anschlägen (24) des Stators (2, 6) zusammenwirken.

12. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegungen des Gleichstrommotors (31) über ein Reduziergetriebe (30) auf die Antriebswel­ le (16) übertragen werden.

13. Telemetrieeinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche für eine in ein Bohrgestänge einfahrbare Sonde zur Messung verschiedener Pa­ rameter beim Bohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (18) der Antriebswelle (16), der Gleichstrommotor (31) sowie ggf. die Kupplung (28) und das Reduziergetriebe (30) in einer druck­ dichten Gehäusekammer (17) angeordnet sind, die mit einem Medium geringer Viskosität gefüllt ist, und daß in einer Wand (33) der Gehäusekammer (17) ein vom Umgebungsdruck beaufschlagbarer Ausgleichskolben (36) verschiebbar angeordnet ist.