DE4291022B4 - Kurzstreckenübertragungsverbindung für ein Tiefen-MWD-System - Google Patents

Kurzstreckenübertragungsverbindung für ein Tiefen-MWD-System Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Messen während des Bohrens, umfassend:
einen Bohrstrang mit einer unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, die mit einem Bohrmeißel abschließt;
eine Motoreinrichtung in der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, bezüglich des Bohrmeißels oben gelegen, um eine Relativbewegung an einem Ende des Motors bezüglich des anderen Motorendes zu erzeugen;
eine Einrichtung als Teil der unter dem Bohrloch befindlichen Anordnung zum Erfassen von Parametern unten im Bohrloch, wobei die Erfassungseinrichtung gegenüber der Motoreinrichtung unten im Bohrloch angeordnet ist und eine Übertragungseinrichtung mit einem Sender und einem Empfänger aufweist;
ein Steuermodul als Teil der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, enthaltend eine Sendeeinrichtung, die sich gegenüber der Motoreinrichtung oben befindet;
wobei das Steuermodul ein Befehlssignal an die Erfassungseinrichtung sendet und die Erfassungseinrichtung ein für einen erfaßten Parameter repräsentatives Datensignal an das Steuermodul sendet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Tiefen-Fernmeßvorrichtung zum Erleichtern des Messens von Bohrloch- und Bohrdaten, zum Speichern der Daten in einem Speicher und zum Senden der Daten zur Oberfläche zwecks Prüfung und Auswertung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Meßvorrichtung zum Messen beim Bohren ("MWD"), die Datenmeßwerte erfaßt und sie vom Boden einer im Bohrloch befindlichen Baugruppe eine kurze Strecke um die Bauelemente des Bohrstrangs herum sendet. Ganz speziell betrifft die Erfindung eine MWD-Vorrichtung (MWD ist abgeleitet von "measurement while drilling", bedeutet also etwa ("Messen beim Bohren"), welche in der Lage ist, Umgebungsbedingungen und Betriebsparameter zu messen, die sich auf den Bohrmeißel und/oder den Motor beziehen, um die Datenmeßwerte auf Echtzeitbasis um den Motor herum zu übertragen.
  • Die Vorteile des Ermittelns von Bohrlochdatenmeßwerten von dem Motor und dem Bohrmeißel während des Bohrbetriebs sind für den Fachmann evident. Die Möglichkeit, Datenmeßwerte während des Bohrens zu erhalten, insbesondere solche Werte, die sich auf den Betrieb des Bohrmeißels und des Bohrmotors sowie auf Umgebungsbedingungen in dem Bereich des Bohrmeißels beziehen, gestattet ein wirtschaftlicheres und effizienteres Bohren. Einige der Hauptvorteile bestehen darin, daß der Einsatz der Echtzeitübertragung von Meißeltemperaturen Echtzeiteinstellungen der Bohrparameter zum Optimieren der Leistungsfähigkeit des Meißels in Verbindung mit der Maximierung der Meißel-Lebensdauer gestattet. Ähnliche Messungen des Bohrschlags und der Bohrvibration ermöglichen die Einstellung oder das "Abstimmen" von Parametern derart, daß die Bohrung entlang des am meisten gewünschten Wegs oder an dem "sweet spot" er folgt, um dadurch die Lebensdauer der Bauteile der Bohranlage zu optimieren und zu verlängern. Die Messung des Neigungswinkels in der Nähe des Bohrmeißels verbessert die Bohrsteuerung während des Richtungsbohrens.
  • Ein Vorteil des Anordnens von Sensoren in größerer Nähe des Meißels ergibt sich deutlich aus dem nachfolgenden Beispiel, welches in 1 dargestellt ist.
  • 1 veranschaulicht eine Formation unten im Bereich eines Bohrlochs mit einer Ölgewinnungszone, deren Tiefe etwa 25 Fuß beträgt. In 1 ist eine herkömmliche steuerbare Bohrgruppe dargestellt, die einen Bohrmeißel, einen Motor und ein Sensorhilfsteil enthält, welches sich zwischen 25-50 Fuß oberhalb des Bohrmeißels befindet. Wie in 1 zu sehen ist, haben der Bohrmeißel und der Motor die Ölgewinnungszone bereits im wesentlichen passiert, bevor die Sensoren nahe genug sind, um die Zone zu erfassen. Folglich wird Zeit für das erneute Positionieren und erneute Richten der Bohrgruppe verschwendet. Dies ist besonders kostspielig in einer Situation, in der der vorgesehene Bohrplan vorsieht, das steuerbare System in 1 zum horizontalen Bohren innerhalb der Zone einzusetzen.
  • Befänden sich die Sensoren innerhalb des Meißels oder in größerer Nähe zu dem Meißel, so hätten die Sensoren die Zone bereits früher erkannt, und die Richtung der Bohrgruppe nach 1 hätte bereits früher geändert werden können, um mehr in eine horizontale Richtung zu bohren und so in der Ölgewinnungszone zu verbleiben.
  • Dies ist natürlich nur ein Beispiel der Vorteile des Anordnens der Sensoren innerhalb des oder in der Nähe des Bohrmeißels. Weitere Vorteile des Ermittelns von Daten bezüglich des Bohrmeißels oder des Motors sind für den Fachmann ersichtlich.
  • Es gibt eine Anzahl von Systemen im Stand der Technik, die bestrebt sind, Information bezüglich der Parameter unten im Bohrloch nach oben zur Oberfläche zu senden. Keines dieser herkömmlichen Fernmeßsysteme erfaßt und sendet allerdings Daten bezüglich Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparametern von unterhalb eines Motors zu einer Stelle oberhalb des Motors. Diese herkömmli chen Systeme lassen sich anschaulich folgendermaßen charakterisieren: (1) Schlammdruckimpuls; (2) Drahtverbindung; (3) akustische Welle; und (4) elektromagnetische Wellen.
  • In einem Schlammdruckimpuls-System wird der Bohrschlammdruck innerhalb des Bohrstrangs mit Hilfe eines Ventil- und Steuermechanismus moduliert, welcher in einer speziellen Impulsgeberstange oberhalb des Bohrmeißels und des Motors (falls einer eingesetzt wird) montiert ist. Der Druckimpuls wandert die Schlammsäule entlang mit Schallgeschwindigkeit oder annähernd Schallgeschwindigkeit, die etwa 4000-5000 Fuß pro Sekunde beträgt, innerhalb des Schlamms nach oben. Die Übertragungsgeschwindigkeit der Daten ist allerdings relativ gering aufgrund der Impulsstreuung, Modulationsgradbeschränkungen und weiterer abträglicher Einflüsse wie zum Beispiel des Umgebungsgeräusches innerhalb des Bohrstrangs. Eine typische Impulsrate liegt in der Größenordnung von einem Impuls pro Sekunde. Ein repräsentatives Beispiel für Schlammimpuls-Fernmeßsysteme lassen sich in folgenden US-Patenten finden: 3 949 354, 3 964 556, 3 958 217, 4 216 536, 4 401 134, 4 515 225, 4 787 093 und 4 908 804.
  • Zur Schaffung einer Drahtverbindung vom Meißel zu der Oberfläche hin wurden auch Drahtverbinder vorgeschlagen. Es gibt eine Anzahl offensichtlicher Vorteile des Einsatzes von Draht- oder Kabelsystemen, so zum Beispiel die Möglichkeit, eine hohe Datenrate zu übertragen, die Möglichkeit, Energie nach unten in das Bohrloch zu leiten und die Möglichkeit einer Zweiwegeübertragung. Beispiele für verdrahtete Systeme finden sich in den US-Patenten 3 879 097; 3 918 537 und 4 215 426.
  • Die Übertragung von akustischen oder seismischen Signalen durch ein Bohrgestänge oder das Erdreich (im Gegensatz zum Bohrschlamm) bietet eine weitere Möglichkeit der Übertragung. In einem derartigen System wird ein akustischer oder seismischer Generator unten in dem Bohrloch in der Nähe der oder innerhalb der Schwerstange angeordnet. Unten im Bohrloch wird eine beträchtliche Energiemenge benötigt, um ein Signal zu erzeugen, welches ausreichend stark ist, um an der Oberfläche erfaßt werden zu können. Die einzige Möglichkeit, ausreichend Energie nach unten in das Bohrloch zu leiten (wenn nicht eine Drahtverbindung unten in das Bohrloch geführt werden soll), besteht darin, unten im Bohrloch eine große Energiequelle vorzusehen. Ein Beispiel für ein akustisches Fernmeßsystem ist das Tiefenmeßsystem CAMSMART von Cameron Iron Works, wie es in dem Houston Chronicle am 7. Mai 1990 auf Seite 3B veröffentlicht wurde.
  • Die letzte wesentliche Methode nach dem Stand der Technik arbeitet mit der Übertragung von elektromagnetischen ("EM") Wellen durch ein Bohrgestänge oder das Erdreich. Bei diesem Typ von System werden Bohrlochdaten in eine Antenne eingespeist, die sich innerhalb einer Schwerstange unten im Bohrloch befindet. Typischerweise ist an der Oberfläche um den Bohrturm herum eine große Empfangsantenne oder Schleifenantenne angeordnet, um das von der unten im Bohrloch befindlichen Antenne gesendete EM-Signal zu empfangen.
  • Das Hauptproblem bei den herkömmlichen EM-Systemen besteht darin, daß eine beträchtliche Energiemenge benötigt wird, um ein Signal zu senden, welches an der Oberfläche erfaßt werden kann. Die Ausbreitung von EM-Wellen ist gekennzeichnet durch eine Zunahme der Dämpfung bei größerwerdendem Abstand, größerer Datenrate und größerer Leitfähigkeit des Erdreichs. Der Abstand zwischen der unten im Bohrloch befindlichen Antenne und der Oberflächenantenne kann im Bereich von 1500 bis 3000 m (5000 bis 10000) Fuß liegen. Als Ergebnis erfolgt ein beträchtliches Maß an Dämpfung des EM-Signals, was eine leistungsstärkere EM-Welle erforderlich macht. Die Leitfähigkeit des Erdreichs und des Bohrschlamms können entlang des Verlaufs des Bohrstrangs erheblichen Schwankungen unterliegen, was eine Verzerrung und/oder Dämpfung des EM-Signals bewirkt. Zusätzlich verursacht das beträchtliche Geräusch innerhalb des Bohrstrangs eine Störung der EM-Welle.
  • Die wichtigste Möglichkeit, die erforderliche Menge Leistung zum Senden der EM-Welle zu der Oberfläche bereitzustellen, besteht darin, eine große Energiequelle unten im Bohrloch vorzusehen, oder aber eine Drahtverbindung unten in das Bohrloch zu legen. Repräsentative Beispiele von EM-Systemen finden sich in den US-Patenten 2 354 887, 3 967 201, 4 215 426, 4 302 757, 4 348 672, 4 387 372, 4 684 946, 4 691 203, 4 710 708, 4 725 837, 4 739 325, 4 766 442, 4 800 385 und 4 839 644.
  • Im Stand der Technik wurden Versuche vorgenommen, um die Effekte der Dämpfung zu verringern, die während der Übertragung eines EM-Signals von unten in der Nähe der im Bohrloch befindlichen Bohrgruppe zu der Oberfläche hin auftreten. Das US-Patent 4 087 781 (Grossi et al.) beispielsweise offenbart den Einsatz von Zwischenverstärkerstationen, um niederfrequente Signale zu und von Sensoren in der Nähe der Bohrgruppe weiterzuleiten. In ähnlicher Weise macht das US-Patent 3 793 632 Gebrauch von Zwischenverstärkerstationen, um die Datenrate zu erhöhen, und es schlägt darüber hinaus die Verwendung von zwei verschiedenen Übertragungsarten vor, um Interferenz zu vermeiden. Die US-Patente 2 411 696 und 3 079 549 schlagen ebenfalls den Einsatz von Zwischenverstärkerstationen vor, um Information unten aus dem Bohrloch nach oben zur Oberfläche zu leiten. Keines dieser Systeme war erfolgreich, hauptsächlich aufgrund der sich ändernden Bedingungen unten im Bohrloch, wo die Leitfähigkeit im Bereich mehrerer Größenordnungen schwanken kann.
  • Darüber hinaus hat sich keines der Systeme nach dem Stand der Technik mit den zusätzlichen Problemen befaßt, die dann auftreten, wenn sich das Fernmeßsystem unterhalb eines Motors oder einer Turbine befindet. Ein Motor ruft zusätzliche Probleme deshalb hervor, weil per definitionem ein Ende des Motors eine Relativbewegung bezüglich des anderen Endes vollzieht. Diese Bewegung behindert die Übertragung von Signalen nach jeder der bekannten Methoden. Darüber hinaus bedeutet der Umstand, daß der Motor eine Relativbewegung an einem Ende bezüglich des anderen Endes vollzieht, daß im Bereich des Motors ein starkes Geräusch erzeugt wird, was die Übertragung von Signalen in der Nähe des Motors noch schwieriger macht.
  • Außerdem befassen sich die zum Stand der Technik gehörigen Druckschriften nicht mit den Problemen, die sich bei der Positionierung von Sensoren in dem Bohrmeißel oder in der Nähe des Bohrmeißels oder beim Gewinnen von Daten aus diesen Sensoren ergeben. Die herkömmlichen Systeme ordnen die Sensoren ein Stück oberhalb des Bohrmeißels an, um die Bedingungen oberhalb des Bohrmeißels festzustellen.
  • Darüber hinaus ist der unterhalb des Motors vorhandene Raum extrem beschränkt, so daß nicht genügend Raum für eine Energiequelle zur Verfügung steht, um Signale zu erzeugen, die stark genug sind, um die Oberfläche zu erreichen. Dies gilt speziell für ein steuerbares System, welches ein Biegegehäuse aufweist, wie in 2B gezeigt ist. Wenn die Länge der Baugruppe unterhalb des Biegegehäuses zu groß wird, werden die auf den Bohrmeißel einwirkenden Seitenkräfte für den Hebelarm zwischen dem Biegegehäuse und dem Bohrmeißel übermäßig groß. Wenn außerdem der Motor arbeitet und sich der Bohrstrang dreht, das heißt, wenn das System geradlinig bohrt, wird die Länge zwischen dem Bohrmeißel und dem Biegegehäuse kritisch. Je größer die Länge ist, desto größer ist der Durchmesser des gebohrten Lochs.
  • Aus der US 4 788 544 zeigt eine Datenübertragungsanlage zum Übertragen von Daten aus einem einem Bohrloch. Sensoren befinden sich in einem Bereich des Bohrlochs, der oberhalb des den Meißel drehenden Motors gelegen ist. Die Übertragung erfolgt mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen.
  • Die US 4 854 397 zeigt eine Vorrichtung zum Richtungs-Bohren mit einem unter dem Bohrloch befindlichen Motor mit MWD-System, welches Sensoren und Sender enthält. Auch hier befindet sich der Motor unterhalb der Sensoren und der Sender.
  • Aus der US 4 553 226 ist eine Messvorrichtung zum Durchführen von Messungen in Bohrlöchern bekannt, bei der die Signalübertragung mit Hilfe von Schlammdruckimpulsen erfolgt. Bei einem Druckabfall an dem Schlamm-Motor soll sich die Arbeitsweise der Anordnung noch verbessern, so lange der Impulsgenerator zum Erzeugen von Schlammdruckimpulsen sich oberhalb des Motor befindet.
  • Die US 4 932 005 zeigt eine Datenübertragungsvorrichtung zum Aufzeichnen von Daten, die über ein Fluid übertragen werden. Die Datenübertragung erfolgt akustisch. Mit Hilfe der übertragenen Daten soll der unten im Bohrloch befindliche Motor verlangsamt oder beschleunigt werden, indem der Strömungsdurchsatz des durch den Motor geleiteten Fluids verringert bzw. erhöht wird.
  • Während es von Vorteil wäre, Information bezüglich der Betriebsparameter und der Umgebungsbedingungen des Bohrmeißels und des Motors zur Verfügung zu haben, wurde bislang kein Fernmeßsystem erfolgreich entwickelt, welches in der Lage ist, solche Daten zu erfassen und sie zurück zur Oberfläche zu senden.
    •
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Folglich beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Datenerfassungssystem zum Senden gemessener Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparameter über eine kurze Strecke um einen Motor oder eine andere unten im Bohrloch befindliche Baugruppe herum. in einem Modul zwischen dem Motor oder einem anderen Bauteil und dem Bohrmeißel sind Fühler angeordnet, um den Betrieb und die Richtung des Motors oder des anderen Bauteils sowie des Bohrmeißels ebenso zu überwachen wie Umgebungsbedingungen in der Nähe des Bohrmeißels. Auch können Fühler innerhalb des Bohrmeißels angeordnet und elektrisch mit der Schaltung innerhalb des Sensormoduls verbunden sein. Das Sensormodul enthält einen Sender zum Senden eines elektromagnetischen Signals, welches kennzeichnend ist für die Meßdaten, die von den verschiedenen Fühlern aufgenommen werden. Das Sensormodul kann außerdem einen Prozessor zum Aufbereiten der Daten und zum Speichern der Datenwerte in einem Speicher zum anschließenden Abrufen aufweisen. Außerdem kann das Sensormodul einen Empfänger aufweisen, um Befehle von einem oben am Bohrloch befindlichen Steuermodul zu empfangen.
  • Das Sensormodul kann entweder in der Antriebswelle des Motors oder in einem (bei der bevorzugten. Ausführungsform) abnehmbaren Hilfsteil angeordnet sein, welches sich zwischen dem Motor und dem Bohrmeißel befindet. In jeder dieser Positionen befinden sich die Sensoren innerhalb des Sensormoduls in enger Nachbarschaft sowohl bezüglich des Bohrmeißels als auch des Motors und sind damit imstande, Daten bezüglich der gewünschten Parameter von Meißel und/oder Motor aufzunehmen. Das Sensormodul ist außerdem elektrisch mit den Fühlern innerhalb des Bohrmeißels verbunden, um elektrische Signale von dem Meißel zu empfangen, die repräsentativ sind für Umgebungs- und Betriebsparameter des Meißels. Das Sensormodul verarbeitet diese Signale und sendet die verarbeitete Information zu dem Steuermodul.
  • Das Steuermodul befindet sich eine relativ kurze Strecke entfernt in einem Steuer-Sendeempfängerteil entweder oberhalb oder unterhalb der Bohrschlamm-Impulsgeberstange. Das Steuermodul enthält einen Sendeempfänger zum Senden von Befehlssignalen und zum Empfangen von Signalen, die kennzeichnend sind für die erfaßten Parameter, zu und von dem Sensormodul. Der Steuer-Sendeempfänger empfängt die elektromagnetischen Signale von dem Sensor-Sender und gibt die Datensignale weiter an die in dem Steuermodl befindliche Verarbeitungsschaltung, welche die Daten formatiert und/oder speichert. Das Steuermodul sendet elektrische Signale zu einem Host-Modul, welches mit sämtlichen "Messen-beim-Bohren"-("MWD"-)Komponenten unten im Bohrloch verbunden ist, um den Betrieb sämtlicher unten im Bohrloch befindlicher Fühler zu steuern. Jeder der unten befindlichen Fühler enthält einen eigenen Mikroprozessor, um Befehle von dem Host-Modul zu empfangen und für die gelesenen Daten kennzeichnende Signale zu senden.
  • Das Host-Modul enthält eine Batterie, um sämtliche Sensor-Mikroprozessoren und die dazugehörigen Schaltungen zu speisen. Damit speist das Host-Modul auch die EM-Steuermodul-Schaltung. Das Host-Modul ist mit einem Bohrschlammimpulsgeber verbunden, welcher seinerseits an einen an der Oberfläche befindlichen Empfänger Schlammimpulse sendet, welche einige oder sämtliche der gefühlten Daten darstellen.
  • Sowohl das Sensormodul als auch das Steuermodul enthalten eine Antennenanordnung, über die die EM-Signale gesendet und empfangen werden. Die Antennen bestehen aus Streifen einer lamellierten Eisen/Nickel-Legierung, die zu einem ringförmigen Transformatorkern gewickelt sind, wobei sich zwischen jedem lamellierten Streifen eine Isolierung befindet. Die Sensor- oder unten im Bohrloch befindliche Antenne ist strategisch außerhalb eines Hilfsteils oder einer erweiterten Antriebswelle gelagert, während die Steuer- oder oben im Bohrloch befindliche Antenne außen an dem Steuerhilfsteil gelagert ist.
  • Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit einer großen Vielfalt von Motoren eingesetzt werden, darunter Bohrschlammotoren mit oder ohne Biegegehäuse, Bohrschlammturbinen oder andere Bauelemente, bei denen eine Bewegung an einem Ende relativ zum anderen Ende gegeben ist. Die vorliegende Er findung kann auch dann eingesetzt werden, wenn kein Motor verwendet wird, um Daten von dem Bohrmeißel eine kurze Strecke in einer unter dem Bohrloch befindlichen Baugruppe zu übertragen, zum Beispiel um einen Bohrschlammimpulsgeber herum. Das System kann ebenfalls Gebrauch machen von Fernmeßsystemen, die anders gestaltet sind als ein Bohrschlammimpulsgeber, um die Meßdaten zu der Oberfläche weiterzuleiten.
  • Da das EM-Signal lediglich eine kurze Strecke zurückzulegen hat, kann eine relativ kleine Stromversorgung benutzt werden, beispielsweise eine Batterie. Die unten im Bohrloch in der Nähe des Sensormoduls angeordnete Batterie liefert Leistung an den Sender, die Sensoren und den Prozessor. Ähnlich wie das Sensormodul kann die Batterie entweder in der Antriebswelle des Motors oder in einem separaten, abnehmbaren Hilfsteil (wie es für die bevorzugte Ausführungsform beschrieben ist) angeordnet werden.
  • Da die Leitfähigkeit innerhalb mehrerer Größenordnungen variieren kann, ist die vorliegende Erfindung in der Lage, in einem großen Frequenzbereich zu arbeiten. Das System arbeitet, indem die für eine gegebene Formation am besten funktionierende Frequenz bestimmt wird und bei dieser Frequenz Signale emittiert werden, um dadurch den Rauschabstand zu maximieren. Diese und weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Bei einer detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Richtungsbohranlage, die sich durch eine Erdformation bohrt;
  • 2A eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Drehbohranlage;
  • 2B eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer herkömmlichen steuerbaren Bohranlage;
  • 3 ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kurzstrecken-Datenfernmeßsystems, welches von einem erweiterten Hilfsteil zwischen dem Motor und dem Bohrmeißel Gebrauch macht;
  • 4 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des Kurzstrecken-Datenfernmeßsystems nach 3, welches eine erweiterte Antriebswelle anstelle des erweiterten Hilfsteils benutzt;
  • 5 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des Kurzstrecken-Datenfernmeßsystems gemäß der Erfindung, aufgebaut zum Einsatz ohne einen unten im Bohrloch befindlichen Motor;
  • 6 eine teilweise schematische, teilweise isometrische Teildarstellung des in 3 gezeigten Kurzstreckensystems;
  • 7 eine vertikale Teil-Schnittdarstellung eines Bohrmeißels für den Einsatz in dem in 3 gezeigten Kurzstreckensystem;
  • 8 eine teilweise im Vertikalschnitt und teilweise in Draufsicht gehaltene Ansicht des in 3 dargestellten erweiterten Hilfsteils;
  • 8B eine vergrößerte, teilweise vertikal geschnittene und teilweise in Draufsicht gehaltene Ansicht des Mittelabschnitts des erweiterten Hilfsteils gemäß 8;
  • 9 eine teilweise vertikal geschnittene und teilweise in Draufsicht gehaltene Ansicht der Verbindung des erweiterten Hilfsteils mit dem Meißel;
  • 10A-10B teilweise vertikal geschnittene und teilweise in Draufsicht gehaltene Ansichten des oberen bzw. des unteren Abschnitts eines Steuer-Sendeempfängerteils für das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß 3;
  • 10C eine teilweise vertikal geschnittene, teilweise in Draufsicht gehaltene vergrößerte Ansicht des Mittelabschnitts der Vorrichtung nach 10A, wobei einige Teile weggebrochen sind;
  • 11 eine isometrische Darstellung des oberen Abschnitts des Sendeempfänger-Teils nach 10A;
  • 12 eine teilweise geschnittene Teildarstellung des EM-Steuermoduls nach 10, wobei einige Teile weggebrochen sind;
  • 13 eine schematische Darstellung der Sensormodul-Schaltung;
  • 14 eine schematische Darstellung der Steuermodulschaltung;
  • 15 ein Blockdiagramm, welches die elektronischen und Fernmeß-Bauteile des Kurzstrecken-Datenfernmeßsystems nach 3 zeigt;
  • 16 eine teilweise geschnittene Teilansicht des EM-Sensormoduls nach 16, wobei einige Teile weggebrochen sind.
  • Im Verlauf der folgenden Beschreibung werden die Ausdrücke "oben im Bohrloch", "oberer", "oben" und dergleichen synonym verwendet, um eine solche Stelle im Verlauf eines Bohrlochs zu bezeichnen, an der sich die Oberfläche des Bohrlochs am oberen oder am höchsten Punkt befindet. In ähnlicher Weise werden die Ausdrücke "Bohrlochboden", "unten im Bohrloch", "unterer", "unten" und dergleichen ebenfalls dazu verwendet, eine Stelle innerhalb des Bohrlochwegs zu bezeichnen, an der der Boden des Bohrlochs der von der Oberfläche aus gesehen entlang dem Bohrlochweg am weitesten entfernte gebohrte Punkt ist. Wie der Fachmann weiß, kann ein Bohrloch gegenüber der Vertikalen beträchtlich abweichen, und es kann in der Tat in einigen Fällen horizontal verlaufen. Deshalb beziehen sich die oben angegebenen Ausdrücke nicht auf die Tiefe oder vertikale Höhe, sondern sind so zu verstehen, daß sie sich auf die Stelle innerhalb des Verlaufs des Bohrlochs- zwischen der Oberfläche und dem Boden des Bohrlochs beziehen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • I. BOHRANLAGE UNTEN IM BOHRLOCH
  • In den 2A und 2B sind zwei herkömmliche Bohranlagen dargestellt. 2A zeigt ein zum Stand der Technik gehöriges Bohrsystem, welches lediglich im Drehbetrieb arbeitet, während 2B ein herkömmliches steuerbares System darstellt, welches sowohl ein geradliniges als auch ein gerichtetes Bohren gestattet. Das Drehbohrsystem nach 2A enthält einen Bohrmeißel mit einer Impulsgeberstange zum Weiterleiten von Daten zu der Oberfläche mit Hilfe von Bohrschlammimpulsen. Oberhalb der Impulsgeberstange befindet sich ein Sensorteil, welches eine Vielfalt von Sensoren zum Messen von Parametern in der Nähe der Bohrstange aufweist, so zum Beispiel zum Messen von Widerstand, Gamma, des auf den Meißel einwirkenden Gewichts und des auf den Meißel einwirkenden Drehmoments. Die Sensoren übertragen Daten an den Impulsgeber, welcher seinerseits einen Bohrschlammdruckimpuls zur Oberfläche sendet. Ein Beispiel für ein Bohrschlammimpuls-Fernmeßsystem findet sich zum Beispiel in den US-Patenten 4 401 134 und 4 515 225, deren Lehre durch ausdrückliche Bezugnahme als hier offenbart betrachtet wird. Oberhalb der Sensormodulen befindet sich typischerweise eine nichtmagnetische Schwerstange. Typischerweise enthält die Schwerstange eine Richtungsfühlsonde. Die Schwerstange ist mit dem Rohrstrang verbunden, welcher sich zur Oberfläche hin erstreckt.
  • Der Bohren erfolgt im Drehbetrieb dadurch, daß der Bohrstrang an der Oberfläche gedreht wird, mit der Folge, daß sich der Meißel unten im Bohrloch dreht. Durch das Innere des Bohrstrangs wird Bohrschlamm gedrückt, um den Meißel zu schmieren und am Boden des Bohrlochs befindliches Bohrklein zu beseitigen. Der Bohrschlamm läuft dann zurück zur Oberfläche, wobei er außen an dem Bohrstrang vorbeiströmt. Der Bohrschlammimpulsgeber empfängt Daten, die kennzeichnend sind für die Bedingungen in der Nähe, wenn nicht am Boden des Bohrlochs, und er moduliert den Druck des Bohrschlamms entweder im Inneren oder außerhalb des Bohrstrangs. Die Schwankungen des Schlammdrucks werden an der Oberfläche durch einen Empfänger aufgenommen.
  • Das herkömmliche Steuersystem nach 2B weist die zusätzliche Fähigkeit auf, entweder in einer gestreckten Betriebsart oder in einer. gerichteten oder "Gleit"-Betriebsart zu bohren. Man vergleiche das US-Patent 4 667 751, dessen Lehre durch ausdrückliche Bezugnahme als hier offenbart betrachtet wird. Das steuerbare System enthält einen Motor, der zum Betreiben des Meißels arbeitet. Bei einem herkömmlichen Motor, wie er zum Beispiel in dem US-Patent 4 667 751 offenbart ist, enthält der Motor ein Motorgehäuse, ein Biegegehäuse und ein Lagergehäuse. Das Motorgehäuse enthält vorzugsweise einen aus einem an die Innenfläche des Gehäuses gebondeten Elastomer bestehenden Stator und einen zu dem Stator passenden Rotor. Der Stator besitzt mehrere spiralförmige Hohlräume in der Anzahl n, die mehrere Spiralnuten über die Länge des Motorgehäuses hinweg definieren. Der Rotor besitzt einen spiralenförmigen Aufbau mit (n-1) Spiralen, die spiralförmig um seine Achse gewunden sind. Man vergleiche die US-Patente 1 892 217; 3 082 858 und 4 051 910.
  • Während der Bohrarbeiten wird Bohrfluid durch das Motorgehäuse in den Stator gedrückt. Wenn das Fluid den Stator passiert, wird der Rotor gezwungen, sich zu drehen und sich von Seite zu Seite innerhalb des Stators zu bewegen, wodurch eine exzentrische Drehung des unteren Rotorendes erfolgt wird.
  • Das Biegegehäuse enthält eine Ausgangswelle oder eine Verbindungsstange, welche mit dem Rotor über ein Universalgelenk oder eine Gelenkverbindung verbunden ist. Gemäß herkömmlichen Methoden erleichtert das Biegegehäuse das gerichtete Bohren; vgl. hierzu die US-Patente 4 299 296 und 4 667 751. Um in einer gerichteten Betriebsweise zu arbeiten, wird der Meißel derart angeordnet, daß er in eine spezielle Richtung weist, indem die Biegung in dem Biegegehäuse in eine spezielle Richtung orientiert wird. Dann wird der Motor aktiviert, indem Bohrschlamm durch ihn hindurchgedrückt wird, was den Betrieb des Bohrmeißels veranlaßt. Solange das Bohrgestänge unbeweglich bleibt (es dreht sich nicht), bohrt der Bohrmeißel in der gewünschten Richtung nach Maßgabe des Krümmungsbogens, der durch das Ausmaß der Biegung des Biegegehäuses, die Orientierung der Biegung und weitere Faktoren, wie zum Beispiel das auf den Meißel einwirkende Gewicht, festgelegt ist. In einigen Fällen kann das Ausmaß der Biegung in dem Biegegehäuse einstellbar sein, um variierende Krümmungen zu ermöglichen; vgl. hierzu die US-Patente 4 067 404 und 4 077 657.
  • Typischerweise ist außerdem ein konzentrischer Stabilisator vorgesehen, um bei der Führung des Bohrmeißels unterstützend zu wirken; vgl. US-Patent 4 667 751.
  • Um in einer geradlinigen Betriebsweise zu arbeiten, wird der Bohrstrang gedreht, während gleichzeitig der Motor aktiviert wird, so daß ein Bohrloch mit vergrößertem Durchmesser gebohrt wird; vgl. US-Patent 4 667 751. Der Durchmesser des Bohrlochs hängt direkt ab vom Ausmaß der Biegung des Biegegehäuses und der Stelle der Biegung. Je kleiner das Ausmaß der Biegung ist und je dichter sich die Biegung an dem Bohrmeißel befindet, desto geringer ist der Durchmesser des gebohrten Bohrlochs.
  • Das Lagergehäuse enthält die Antriebswelle, die mit der Ausgangswelle über ein zweites Universalgelenk oder eine Gelenkverbindung verbunden ist. Die exzentrische Drehung des Rotors wird auf die Antriebswelle über die Universalgelenke und die Ausgangswelle übertragen, was die Antriebswelle zum Drehen veranlaßt. Aufgrund der immensen Kraft, die auf den am unteren Bohrloch befindlichen Motor aufgebracht wird, sind in dem Lagergehäuse Radial- und Längslager vorgesehen. Eine der Funktionen der Lager besteht darin, die Antriebswelle konzentrisch innerhalb des Lagergehäuses zu halten. Repräsentative Beispiele für Radial- und Lärgslager finden sich in den US-Patenten 3 982 797; 4 029 368; 4 098 561; 4 198 104; 4 199 201; 4 220 380; 4 240 683; 4 260 202; 4 329 127; 4 511 193 udn 4 560 014. Die Notwendigkeit, Lager in dem Antriebswellengehäuse vorzusehen, hat maßgeblichen Anteil an der Schwierigkeit bei der Entwicklung eines Fernmeßsystems, welches Daten durch einen Motor hindurch oder um einen Motor herum überträgt.
  • II. KURZSTRECKEN-DATENERFASSUNGSSYSTEM
  • Bezugnehmend auf 3 und 6 ist das Kurzstrecken-Datenerfassungssystem gemäß der bevorzugten Ausführungsform derart ausgebildet, daß es eine unten im Bohrloch befindliche Baugruppe mit einem Bohrmeißel 50, einem Motor 100 mit einem erweiterten Hilfsteil 200, das an den Bohrmeißel 50 anschließt, einer Sensorantenne 25, die sich außen an dem Hilfsteil 2, einem Sensormodul 125 im Inneren des erweiterten Hilfsteils 200, einer Impulsgeberstange 35, die bezüglich des Motors 100 oben angeordnet ist, einem Steuermodul 40 (10A), die in einem Hilfsteil 45 in der Nähe der Impulsgeberstange 35 angeordnet ist, ein Host-Modul 10, einer Steuerantenne 27 außen an dem Steuerhilfsteil 45, und einem Schutzhilfsteil 70 aufweist. Eine Schwerstange (85 in 5, in 3 und 4 nicht dargestellt) und das (nicht dargestellte) Bohrgestänge verbinden die Baugruppe unten im Bohrloch mit dem (nicht gezeigten) Bohrturm gemäß üblichen Methoden. Andere Hilfsteile 15 und/oder Sensorteile 80 können bei Bedarf in dem im Bohrloch befindlichen System enthalten sein.
  • In einer alternativen Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, ist das Sensormodul in einer erweiterten Antriebswelle 40 unterhalb des Motors 100 untergebracht. (Nicht dargestellte) Lager sind an der Innenfläche des Lagergehäuses des Motors gemäß üblichen Methoden angeordnet, um die Antriebswelle 40 konzentrisch mit dem Lagergehäuse zu halten. Wie der Fachmann erkennt, können verschiedene Lager vorgesehen sein. Die alternative Ausführungsform gemäß 4 ist vorzugsweise in der gleichen Weise wie die bevorzugte Ausführungsform nach 3 ausgebildet, mit der Ausnahme, daß das Sensormodul 125 und die Antenne 25 in der erweiterten Antriebswelle 400, und nicht in dem Hilfsteil 200, untergebracht sind. Diesen Unterschied vor Augen, erkennt der Fachmann, daß die nachfolgende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels nach 3 in gleicher Weise auf die alternative Ausführungsform nach 4 anwendbar ist.
  • Bei einer weiteren alternativen Ausfürungsform, die in 5 gezeigt ist, läßt sich die vorliegende Erfindung ohne Motor einsetzen, um Signale eine kurze Strecke um gewisse Bauteile herum, beispielsweise einen Bohrschlammimpulsgeber 35, nach unten zu senden. In einem derartigen Szenario ist das Sensormodul 125 in einem Sensorhilfsteil 450 untergebracht, welches vorzugsweise mit dem in 3 gezeigten Sensorteil 200 austauschbar ist. Wie der Fachmann erkennt, findet die vorliegende Erfindung ebenfalls Anwendung auf anderen Gebieten als bei MWD-Systemen, und zwar in Situationen, in denen es wünschenswert ist, Information über eine kurze Strecke um ein Bauteil herum unten im Bohrloch herum zu übertragen.
  • A. MOTOR UND ERWEITERTES HILFSTEIL
  • Nochmals bezugnehmend auf 3, enthält der Motor 100 vorzugsweise einen Dyna-Drill-Verdrängermotor mit einem Biegegehäuse, hergestellt von Smith International, Inc., wie oben im Abschnitt I "Bohranlage unter dem Bohrloch" beschrieben ist, und wie in dem US-Patent Nr. 4 667 751 gezeigt ist. Andere Motoren, zum Beispiel Bohrschlammturbinen, Schlammotoren, Moineau-Motoren, Kriechschleicher und andere Bauelemente, die an einem Ende Bewegung relativ zu dem anderen Ende erzeugen, können eingesetzt werden, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Gemäß 3 und 6 ist der Motor 100 gemäß der bevorzugten Ausführungsform mit einem erweiterten Hilfsteil 200 verbunden, welches ein Sensormodul 125 und dessen zugehörige Antenne 25 beinhaltet. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß das erwei terte Hilfsteil 200 entfernt werden kann, um in verschiedenen Bohrlochgarnituren austauschbar eingesetzt zu werden.
  • Gemäß 8 und 9 enthält das erweiterte Hilfsteil 200 vorzugsweise eine hohlzylindrische Kammer mit einem Innenraum, der gebildet wird durch einen ersten Bohrungsabschnitt 33 verringerten Durchmessers, einen zweiten Gegenbohrungsabschnitt 47 großen Durchmessers und einen Zwischenbohrungsabschnitt 43, der einen abgestuften Übergang von dem verkleinerten Bohrungsabschnitt 33 zu dem vergrößerten Gegenbohrungsabschnitt 47 bildet. Das untere oder bohrlochseitige Ende 38 des Gegenbohrungsabschnitts 47 ist mit einem Innengewinde versehen, um eine Gehäuseverbindung 88 zu bilden, während das obere Ende 36 des Bohrungsabschnitts 33 verringerten Durchmessers mit einer Zapfenverbindng abschließt. Der Zwischenbohrungsabschnitt 43 enthält eine erste geneigte Fläche 52, die den Gegenbohrungsabschnitt 47 mit dem Zwischenabschitt 43 verbindet, und eine zweite geneigte Fläche 54, welche den Zwischenabschnitt 43 mit dem Bohrungsabschnitt 33 verringerten Durchmessers verbindet.
  • Der Außenbereich des Hilfsteils 200 enthält vorzugsweise einen etwa zylindrischen Aufbau und umfaßt eine ringförmige Schulter 221 etwa im in Längsrichtung mittig gelegenen Bereich, um die Sensorantenne 25 aufzunehmen. Im Zwischenabschnitt 43 ist eine Querbohrung 29 enthalten, um einen Durchgang für eine elektrische Verbindung zwischen dem Inneren des Hilfsteils 200 und der Antenne 25 zu schaffen.
  • Die Bohrung 29 erstreckt sich von außerhalb des Hilfsteils 200 in der Nähe der Schulter 221 in den Zwischenbohrungsabschnitt 43 des Hilfsteils. Die Bohrung 29 enthält eine äußere Gewindeausnehmung zur Aufnahme einer Druckdurchführung 190, beispielsweise vom Typ KEMLON-16-B-980/K-25-BMS oder ein äquivalentes Bauteil. Die Durchführung 190 enthält eine Durchführungsbuchse 183 und einen Kontakthals 186. Die Durchführungsbuchse 183 enthält vorzugsweise einen Schaft 84 und einen Kopf 89. Der Kopf 89 der Buchse 183 enthält ein Außengewinde, welches zu der Gewindeausnehmung der Bohrung 29 paßt. Mehrere O-Ringe umfassen den Schaft 84 der Buchse 183, um die Bohrung 129 gegenüber der Buchse 183 abzudichten. Das Innere der Buchse 183 enthält einen Teflonmantel oder einen gleichwertigen Isolator, der den elektrisch leitenden Kontakthals 186 umgibt, welcher in ihm aufgenommen wird. Das innere Ende des Kontakthalses 186 enthält einen Bananenstecker 149, der in einer Aufnahmebuchse 192 innerhalb eines Isolators 161 im Inneren des Hilfsteils 200 aufgenommen ist. Das äußere Ende des Kontakthalses 186 ist mit einem elektrischen Verbinder 60 verbunden, der die Spule der Antenne 25 bildet. In dem Hilfsteil 200 ist neben der Durchführung 190 ein Rohrstecker 69 eingebettet, um Zugriff zu der durch die Schulter 221 gebildeten Zone zu haben.
  • Das Hilfsteil 200 enthält außerdem drei äquidistant über den Umfang des Hilfsteils 200 beabstandete und etwa mittig in Längsrichtung des Gegenbohrungsabschnitts 47 befindliche, sich in Querrichtung erstreckende Tandembohrungen 72. Die Bohrungen 72 erstrecken sich von außerhalb des Hilfsteils 200 zu dem Gegenbohrungsabschnitt 47 und beinhalten eine vergrößerte Gewindeausnehmung 134 an ihren äußeren Enden.
  • 1. Druckflasche
  • Gemäß 8 und 9 erstreckt sich der Druckflaschenbehälter 99 durch das Innere des erweiterten Hilfsteils in dem einen verringerten Durchmesser aufweisenden Bohrungsabschnitt 33, dem Zwischenbohrungsabschnitt 43 und dem Gegenbohrungsabschnitt 47. Wie der Name besagt, weist der Druckflaschenbehälter 99 einen gesteuerten Druck auf, um eine von Verunreinigungen freie Umgebung für die darin untergebrachte Sensormodulschaltung bereitzustellen.
  • Der Druckflaschenbehälter 99 ähnelt in seinem Aussehen etwa einer langhalsigen Flasche und beinhaltet das EM-Sensormodul 125 und den dazugehörigen Batteriepack 55. Das Innere des Druckflaschenbehälters 99 enthält vorzugsweise ein einen großen Durchmesser aufweisendes Modulgehäuse 141 und einen Flaschenhalsabschnitt 147 geringeren Durchmessers. Der Übergang zwischen dem Modulgehäuse 141 und dem Flaschenhalsabschnitt 147 enthält zwei Schultern 171, 173, um zwei interne Stufen zu bilden zwischen dem Inneren des Modulgehäuses 141 und dem Inneren des Flaschenhalsabschnitts 147.
  • Das obere oder oben im Bohrloch befindliche Äußere des Flaschenhalsabschnitts 147 enthält eine Trägerspinnenanordnung 111, die mit dem Inneren des Bohrungsabschnitts 33 verringerten Durchmessers des Hilfsteils 200 in Eingriff steht, um eine seitliche Abstützung für den Behälter 99 im Inneren des Hilfsteils 200 zu bilden. Außerdem ist in dem Modulgehäuse 141 größeren Durchmessers ein sich radial nach außen erstreckender Abschnitt 98 vorgesehen. Der unter Erstreckungsabschnitt 98 steht in Eingriff mit dem Inneren des Hilfsteils 200, um eine seitliche und Torsions-Lagerung für den Druckflaschenbehälter 99 zu bilden.
  • Außerdem befinden sich in der Außenfläche des Erweiterungsabschnitts 98 drei querverlaufende Blindausnehmungen in Ausrichtung mit den Querbohrungen 72 des Hilfsteils 200, um die inneren Enden von elektrisch leitenden Ankerstiften 257 aufzunehmen, die in Ausnehmungen 134 eingeschraubt sind und sich durch die Bohrungen 72 hindurch erstrecken. Zusätzlich zum Orientieren und Lagern des Druckflaschenbehälters 99 bilden die Ankerstifte 257 auch einen Strompfad von außerhalb des Hilfsteils über die ringförmige Rippe 98 zu dem Druckflaschenbehälter 99, die unten weiter ausgeführt wird.
  • Der Behälter 99 enthält eine Zwischenschulterzone 96 auf seiner Außenfläche, die in Eingriff gelangt mit dem Zwischenbohrungsabschnitt 43 des Hilfsteils 200. Die Zwischenschulterzone 96 enthält eine sie durchsetzende Bohrung 48 zur Aufnahme der Durchführung 190. Das Modulgehäuse 141 des Druckbehälters 99 enthält zwei Orientierungsstifte 101, die in dem Gehäuse 141 an dessen oberem Ende festgelegt sind. Das untere oder zum Bohrloch weisende Ende des Modulgehäuses 141 enthält Innengewinde zur Aufnahme eines Flaschendeckelhalters 105.
  • 2. Batteriepack
  • Innerhalb des Flaschenabschnitts des Druckbehälters 99 ist ein Batteriepack 55 zur Stromversorgung der Sensorschaltung untergebracht. Der Batteriepack 55 enthält vorzugsweise einen "Stapel" von zwei "Doppel-D''-(DD)-Lithiumbatteriezellen, die in einem Glasfaserrohr 131 mit Epoxyverguß eingekapselt sind, wobei Stromversorgungs- und -Rücklaufleitungn in einem einzelnen Verbinder 119 am unteren oder dem Bohrloch zugewandten Ende des Batteriepacks 55 münden. In der bevorzugten Ausführungsform enthält der Verbinder 119 einen MDM-Verbinder. Der Batteriepack 55 enthält vorzugsweise einen konventionellen integrierten Kurzschlußschutz (nicht dargestellt), sowie eine einzelne integrierte Reihendiode (nicht dargestellt) als Schutz gegen unbeabsichtigtes Aufladen, sowie Nebenschlußdioden parallel zu jeder Zelle (nicht dargestellt) als Schutz gegen Rückwärts-Aufladung, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Das obere Ende des Sensormoduls 125 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß der Batteriepack sowohl mechanisch als auch elektrisch vor Ort angeschlossen und gelöst werden kann, sei es zu dem Hauptzweck des Einschaltens und Ausschaltens der Batterie oder für den Austausch verbrauchter Batteriepacks.
  • 3. EM-Sensormodul
  • Gemäß 8, 8B und 16 enthält das gemäß der bevorzugten Ausführungsform aufgebaute Sensormodul 125 eine allgemein zylindrische Form aus Aluminium mit einem nicht-leitenden Überzug aus beispielsweise Glasfasermaterial.
  • Das Sensormodul 125 befindet sich vornehmlich innerhalb des Gegenbohrungsabschnitts 47 des Hilfsteils 200 und nimmt die Sensoren sowie die zugehörige Verarbeitungsschaltung auf. Das Sensormodul 125 enthält am oberen oder nach oben gerichteten Ende einen Steckverbinder 210, der sich in den Flaschenabschnitt des Behälters 99 hineinerstreckt, so daß er zu dem Batteriepack 55 paßt. Wie in 8 gezeigt ist, halten eine vordere Klemme 213 und eine hintere Klemme 217 den Batteriepack 55 in Kontakt mit dem Verbinder 210.
  • Zusätzlich zu dem Steckverbinder 210 enthält das obere Ende des Sensormoduls 125 außerdem zwei Bohrungen 114 und 116, welche die zur Orientierung dienenden Führungsstifte 101 aufnehmen, die in dem Modulgehäuse 141 des Flaschenbehälters 99 gelagert sind. Die zur Orientierung dienenden Führungsstifte 101 schaffen die Orientierung des Sensormoduls 125 nach dem Einsetzen in den Druckbehälter 99 und bilden auch eine Lagerung für das Sensormodul 125 während des Betriebs.
  • Ein drittes Bohrloch 107, ebenfalls am oberen Ende des Sensormoduls 125, bildet den Buchsenteil 76 für einen Bananenstecker 135, welcher Teil der elektrtichen Verbindung zwischen dem Sensormodul 125 und der Antenne 25 ist. Der Aufbau der Führungsstifte 101 und des passenden Bananensteckers 135 ist vorzugsweise derart gewählt, daß das Sensormodul 125 nur in einer Weise so orientiert werden kann, daß es in den Druckflaschenbehälter 99 paßt. Ein Modulgehäuseisolator 161 sorgt für die Isolierung und die Stabilität des EM-Sensormoduls 125. Der Isolator 161 enthält einen zylindrischen Abschnitt 159 mit einem Flansch 182 am unteren oder zum Bohrloch gerichteten Ende. Der Flansch 182 enthält vorzugsweise zwei Löcher, durch die hindurch die Ausrichtungs-Führungsstifte 101 aufgenommen werden, sowie vier zusätzliche Löcher zur Aufnahme von Schrauben zum Befestigen des Isolators 161 an dem Flaschenbehälter 99 an der Schulter 171.
  • Der Isolator 161 enthält einen Bananenstecker 135, der senkrecht von dem Flansch wegsteht. Der Bananenstecker 135 bildet eine elektrische Verbindung zu einem elektrischen Leiter 115, welcher in dem zylindrischen Abschnitt 159 eingebettet ist und sich über die Länge des zylindrischen Abschnitts bis zu einem elektrischen Anschluß 192 erstreckt. In der bevorzugten Ausführungsform enthält der elektrische Anschluß 192 vorzugsweise eine Buchse für einen zweiten Bananenstecker 149. Der elektrische Anschluß 192 ist so am Isolator 161 positioniert, daß er dem Bananenstecker 169 der Druckdurchführung 190 direkt gegenüberliegt. Der Bananenstecker 169 steht mit dem elektrischen Anschluß 192 und unter dem elektrischen Stift 186 der Druckdurchführung 190 in Verbindung. Der elektrische Stift 186 wiederum ist elektrisch mit der Leiterspule 60 der Antenne 25 verbunden.
  • Das untere oder zum Bohrloch gerichtete Ende des Sensormoduls 125 enthält einen Steckverbinder 288 zur Bildung eines elektrischen Eingangs/Ausgangs-Anschlusses für die Meißelfühler. Ferner enthält das untere Ende des Sensormoduls 125 einen leitenden Ring 112, welcher Teil eines Rückstromwegs von der Antenne 25 ist.
  • Innerhalb des Sensormoduls 125 untergebracht sind die Sensoren sowie verschiedene tragende elektrische Bauteile. Die Sensoren umfassen vorzugsweise Umgebungs-Beschleunigungssensoren, einen Neigungsmesser und einen Temperaturfühler.
  • Die Umgebungs-Beschleunigungssensoren messen nach im Stand der Technik bekannten Methoden vorzugsweise Stoß- und Vibrationspegel in seitlichen (X-Achsen-), axialen (Y-Achsen-) und Dreh(Z-Achsen)bereichen. Die seitliche Zone Ax enthält Information bezüglich der Linearbeschleunigung in bezug auf das Hilfsteil in einer festen Orientierung mit sich kreuzenden Achsen. Die axiale Zone (Ay) enthält Information bezüglich der Linearbeschleunigung in die Richtung der Hilfsteilachse. Die Drehzone (αz) enthält Information über die Winkelbeschleunigung um die Achse des Hilfsteils.
  • Der Neigungsmesser enthält, wie im Stand der Technik bekannt ist, ein Drei-Achsen-System von Trägheitsgrad-Fühl-Servo-Beschleunigungsmessern, die jeweils den Neigungswinkel der Hilfsteilachse (oder der Antriebswellenachse bei der alternativen Ausführungsform nach 4) unterhalb des Motors 10 und sehr dicht am Boden des Bohrlochs messen. Die Beschleunigungsmesser sind starr und orthogonal derart gelagert, daß eine Achse parallel zu der Hilfsteilachse ausgerichtet ist, während die beiden anderen Achsen (X und Y) radial bezüglich des Hilfsteils orientiert sind. Der Neigungsmesser hat vorzugsweise die Fähigkeit, Neigungswinkel zwischen 0 und 180° zu messen.
  • Gemäß 8 und 9 wird das Sensormodul 125 vorzugsweise in einer Positon innerhals des Druckflaschenbehälters 99 mit Hilfe eines Federmechanismus 215 gehalten, welcher vorzugweise aus einem Lastflansch 103, einem Haltering 109, einem Lastring 118, einem Stapel von Bellevillefedern 122 und einem Flaschendeckelhalter 115 besteht.
  • Der Lastflansch 103 besitzt vorzugsweise einen L-förmigen Querschnitt mit einem zylindrischen Körper 106 und einem sich radial nach außen erstreckenden Ringflansch 39, der sein oberes Ende umgibt. Der Ringflansch 39 enthält acht Löcher 3i, die über den Umfang um den Flansch 39 herum angeordnet sind, um Schrauben 32 mit Federringen aufzunehmen. Der Lastflansch 103 ist an dem leitenden Ring 112 am unteren Ende des Sensormoduls 125 durch mit Federringen versehene Schrauben 32 festgelegt. Der zylindrische Körper 106 erstreckt sich im Inneren des Halterings 109, des Lastrings 118 und der L-Federn 122 in das Innere des Flaschendeckelhalters 105 hinein. Der Lastring 118 besitzt vorzugsweise einen oberen Körper ringförmiger Gestalt und eine sich radial nach außen erstreckende Schulter oder Flansch 123 um sein unteres Ende herum, um zusammen mit der Bohrungswand des Flaschendeckelhalters 105 einen Ringraum zu bilden, in welchem sich der Haltering 109 befindet.
  • Der Flaschendeckelhalter 105 besitzt vorzugsweise einen trichterförmigen Aufbau mit einem länglichen unteren Ausguß, der von einer zentralen Axialbohrung 117 durchsetzt ist, die über das trichterförmig geformte obere Ende in Verbindung mit einer Bohrung 128 größeren Durchmessers steht. Die zentrale Axialbohrung 117 und die Bohrung 128 größeren Durchmessers bilden zwischen sich eine Schulter 113. Der obere Außenbereich 108 des Flaschendeckelhalters besitzt eine mit Außengewinde versehene Stiftverbindung, die zu den Innengewinden am bohrlochseitigen Ende der Druckflasche 99 paßt. Der Deckelhalter 105 enthält außerdem in der Bohrung 128 größeren Durchmessers einen ringförmigen ausgenommenen Schlitz 129 zur Aufnahme des Halterings 109. Der Flaschendeckelhalter enthält außerdem Nuten zur Aufnahme von O-Ringen zum Abdichten des Deckelbehälters 105 gegenüber dem Druckflaschenbehälter 99. Außerdem enthält der Flaschendeckelhalter Nuten 247, 248 zur Aufnahme von O-Ringen 238, 239, um den Deckelhalter 105 gegenüber dem Halter 305 des Bohrmeißels 50 abzudichten.
  • Der Federmechanismus 215 wird zusammengebaut, indem die konkave Fläche 28 jeder Bellevillefeder 26 so orientiert wird, daß sie der konkave Fläche einer benachbarten Feder derart gegenüberliegt, daß der Stapel aus Bellevillefedern 122 definiert wird durch paarweise gegenüberliegende Bellevillefedern. Der Stapel von Bellevillefedern 122 wird dann innerhalb des Flaschendeckelhalters 105 derart angeordnet, daß er an der Unterseite des Flansches 123 des Lastrings 118 anstößt. Der Haltering 109, welcher einen C-förmigen oder Sprengring aufweist, wird innerhalb des Schlitzes 129 des Flaschendeckelhalters 105 angeordnet, um die Bellevillefedern 122 und den Lastring 118 über die Bellevillefedern innerhalb des Deckelhalters 105 zu sichern. Der Flaschendeckelhalter 105 wird dann in den Druckflaschenbehälter 99 eingeschraubt, wobei die Schulter 113 auf den Lastring 118 über die Bellevillefedern drückt, die in Berührung mit dem Lastflansch 103 stehen, und den Stapel aus Bellevillefedern 122 unter Druck stellt.
  • Wiederum bezugnehmend auf 8 und 9, sind der Flaschendeckelhalter 105, die Bellevillefedern 26, der Lastring 118 und der Lastflansch 103 sämtlich elektrisch leitend und bilden einen Strompfad von der Antenne 25 zu dem leitenden Ring 112 am unteren Ende des Sensormoduls 125. Wie unten diskutiert werden wird, wird der Rest des Strompfads gebildet durch die Antennenabschirmung 65, das Hilfsteil 200 und die Verankerungsstifte 257.
  • 4. Sensorschaltung
  • Gemäß 13 enthält die EM-Sensormodulschaltung 300 vorzugsweise einen Mikroprozessor 250, einen Sender 205 und einen Empfänger 230, die beide elektrisch mit der Sensorantenne 25 verbunden sind, eine Signalaufbereitungsschaltung 220, eine geregelte Spannungsversorgung 225, die an den Batteriepack 55 angeschlossen ist, und verschiedene Fühler zum Messen der Umgebungsbeschleunigung, der Neigung und der Temperatur.
  • Die EM-Sensormodulschaltung 300 enthält vorzugsweise die folgenden Fühler innerhalb des EM-Sensormoduls 125: (1) Drei Neigungsmesser, die als X, Y, Z in 13 dargestellt sind; (2) drei Umgebungs-Beschleunigungsfühler, dargestellt als Ax, Ay, Aα,; und (3) einen Temperaturfühler 235. Zusätzlich kann die Sensorschaltung 300 bis zu sechs Eingangssignale von Sensoren aufnehmen, die sich innerhalb des Meißels befinden. Bei der bevorzugten Ausführungsform messen die Meißelfühler Temperatur und Verschleiß in dem Meißel.
  • Immer noch bezugnehmend auf 13, werden die Ausgangssignale von den Neigungssensoren und den Umgebungs-Beschleunigungsfühlern der herkömmlichen Signalkonditionierschaltung 220 zugeführt, damit die Signale verstärkt und Störung aus dem Signal beseitigt wird. Die Signale werden zusammen mit dem Ausgangssignal des Temperaturfühlers 235 in einen Multiplexer 245 eingegeben. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Multiplexer 245 um einen 8:1-Multiplexer.
  • Der Multiplexer 245 wählt eines der Ausgangssignale nach Maßgabe üblicher Methoden aus und gibt das ausgewählte Signal auf einen 12-Bit-Analog/Digital-Wandler 240. Das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 240 wird dem Mikroprozessor 250 zugeführt, bei dem es sich vorzugsweise um einen MOTOROLA 68HC11 oder ein äquivalentes Bauteil handelt.
  • In ähnlicher Weise werden die Ausgangssignale von den Meißelsensoren als Eingangssignale der Signalaufbereitungsschaltung 220 zugeführt und dann an einen Multiplexer 260 weitergegeben. Der Multiplexer 260 kann eine kaskadierte Multiplexerschaltung mit zwei 4:1-Multiplexern in Reihe mit einem 2:1-Multiplexer sein.
  • Das Ausgangssignal des Multiplexers 260 wird einem 8-Bit-Analog/Digital-Wandler 26 5 zugeführt, dessen Ausgang an den Mikroprozessor 250 angeschlossen ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind der Multiplexer 260 sowie der Analog/Digital-Wandler 265 als Teil der internen Hardward und Software des Mikroprozessors 205 ausgebildet.
  • Der Empfänger 230 ist elektrisch mit der Antenne 25 verbunden, um Befehlssignale von dem EM-Steuermodul 40 zu empfangen. Der Ausgang des Empfängers 230 ist elektrisch mit dem Eingang des Multiplexers 260 verbunden, der in der bevorzugten Ausführungsform in den Mikroprozessor 250 integriert ist. Das Befehlssignal wird in dem Ditital/Analog-Wandler 265 in ein digitales Signal umgesetzt und dann von dem Mikroprozessor 250 so verarbeitet, daß die seitens des Steuermoduls 40 gesendete Nachricht wiedergewonnen wird.
  • In ähnlicher Weise werden die Signale von den EM-Modul-Sensoren durch den Mikroprozessor 250 digitalisiert und verarbeitet, und dann werden die verarbeiteten Signale solange in dem Speicher gespeichert, bis sie gebraucht werden. Die Verarbeitung beinhaltet vorzugsweise die Formatierung und Codierung der Signale, um die Bitgröße des Signals zu minimieren. Zusätzlicher Speicher kann innerhalb der Sensorschaltung 300 vorgesehen sein, um sämtliche Meßsignale zu speichern, die dann abgerufen werden, wenn das Sensormodul 125 aus dem Bohrloch nach oben geholt wird.
  • Ist erst einmal bestimmt, daß die verarbeiteten Sensorsignale nach oben gesendet werden, was vorzugsweise auf einen Befehl seitens des Steuermoduls 40 hin erfolgt, so holt der Mikroprozessor 250 einige oder sämtliche der verarbeiteten Signale, führt eine zusätzliche Formatierung oder Codierung durch, die möglicherweise notwendig ist, und gibt die gewünschten Signale an den Sender 205. Der Sender 205 ist elektrisch mit der Antenne 25 verbunden und liefert an die Antenne 25 ein Signal mit einer Frequenz, die durch den EM-Sensor-Mikroprozessor festgelegt wird, der seinerseits das Aussenden des EM-Signals veranlaßt, welches an der Steuerantenne 27 empfangen wird.
  • Leistung für die EM-Sensor-Schaltung 300 wird von der geregelten Spannungsversorgung 225 erhalten. Die Spannungsversorgung 225 liegt parallel zu dem Batteriepack 55 und empfängt von dieser Gleichleistung. Die Spannungsversorgung 225 setzt die Batterieleistung in einen für die digitalen Schaltungen benötgigten Pegel um. Bei der bevorzugten Ausführungsform liefert die Batterie 55 eine Gleichspannung von 6,8 Volt.
  • 5. Antenne
  • Nach den 6, 8 und 8B ist eine Sensorantenne 25 außen auf dem Hilfsteil 200 auf einer Ringschulter 221 gelagert. Damit ist die über einen Transformator gekoppelte, mit einer isolierten Lücke versehene Antenne 25 dem Bohrschlammstrom innerhalb des Bohrlochs ausgesetzt.
  • Wie im Stand der Technik bekannt ist, enthält der Transformator einen Kern 63 und eine um den Kern gewickelte Spule 60. Der Kern 63 der Antenne 25 ist vorzugsweise aus einem hochpermeablen Stoff hergestellt, beispielsweise einer Eisen-Nickel-Legierung. Bei dem bevorzugten Aufbau ist die Legierung zu lamellierten Blättern geformt, die mit einer Isolierung beschichtet sind, beispielsweise Magnesiumoxid, und die um einen Dorn gewickelt sind, um den Kern zu bilden, und zur Maximierung der Anfangspermeabilität einer Wärmebehandlung unterzogen sind.
  • Immer noch auf 6 bezugnehmend, ist der elektrische Leiter 60 um den Kern 63 gewickelt, um die Spulen der Antenne 25 zu bilden. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält der Leiter 60 einen dünnen Kupferstreifen mit einer Breite von annähernd 3,175 mm (0,125 Zoll) und einer Dicke von annähernd 0,051 mm (0,002 Zoll), eingekleidet in CAPTON oder in ein anderes geeignetes dielektrisches Material.
  • Erneut bezugnehmend auf 6, 8 und 8B, ist die Sensorantenne 25 vorzugsweise unter Vakuum in einem isolierenden Epoxyharz eingegossen und neben der Schulter 221 des Hilfsteils 200 positioniert. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält das Epoxyharz TRA-CON TRA-BOND F202 oder ein gleichwertiges Material. Der elektrische Verbinder 60 durchsetzt das Epoxymaterial, um einen elektrischen An schluß an dem Kontaktstift 186 der Druckdurchführung 190 zu erhalten. Eine ringförmige Schutzabdeckung oder Abschirmung 65 bildet ein Gehäuse für die Antenne 25. Der Schutzdeckel 65 ist vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen geeigneten leitenden Material gefertigt, und die Antenne 25 ist an den Deckel oder die Abschirmung 65 mit Hilfe eines geeigneten isolierenden Epoxydmaterials gebonded. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das zuletzt erwähnte Epoxy aus TRA-CON TRA-BOND F202 oder einem gleichwertigen Material. Der elektrische Leiter 60 läuft, nachdem er um den Kern 63 gewickelt ist, durch das Epoxy und ist mit der Abschirmung 65 verbunden. Die Schutzabdeckung oder Abschirmung 65 ist an dem Hilfsteil 200 angeschweißt oder anderweitig befestigt. Es kann wünschenswert sein, das Innere der Abschirmung 65 gegenüber der Bohrlochumgebung mit Hilfe geeigneter Dichtungen oder anderer Isoliermittel abzutrennen.
  • 6. Verbinderanordnung
  • Gemäß 9 stellt eine Verbinderanordnung 82, die an dem unteren Ende des EM-Sensormoduls 125 angebracht ist, die elektrische Verbindung zwischen dem Bohrmeißel 50 unter dem EM-Sensormodul 125 dar. Die Verbinderanordnung 280 ist vorzugsweise derart aufgebaut, daß sie ein Verbinden oder Trennen der Meißelfühler vor Ort gestattet, wie es zum Austauschen von Bohrmeißeln, EM-Sensormodulen und/oder Batteriepacks erforderlich ist.
  • Die Verbinderanordnung 280 besteht vorzugsweise aus einer dem Sensorbauteil 200 zugeordneten Hilfsteilverbinder-Teilgruppe 215, und einer Bohrmeißelverbinder-Teilgruppe 335, welche dem Bohrmeiß 50 zugeordnet ist. Die Hilfsteilverbinder-Teilgruppe 315 enthält vorzugsweise den Steckerabschnitt eines siebenadrigen Verbinders vom Typ BEBRO ELECTRONIC oder ein äquivalentes Bauteil 320, eine Spiralfeder 270, einen Adapter 287, einen Lastflansch 296 und einen Haltering 289.
  • Der Adapter 287 ist an dem zylindrischen Körper 106 des Lastflansches 103 mit einer Schraube 291 befestigt. Die Schraube erstreckt sich durch einen Längsschlitz 277 in dem Körper 106 des Lastflansches 103 und wird in einer Gewindeausnehmung des Adapters 287 aufgenommen. Obschon an dem Lastflansch 103 festgelegt, kann sich der Adapter 287 in Längsrichtung bewegen, während sich die Schraube 291 in dem Schlitz 277 bewegt.
  • Die Schraubenfeder 270 umfaßt den Lastflansch 103, wobei ihr oberes Ende gegen den Flanschabschnitt 39 des Lastflansches 103 anliegt. Die Schraubenfeder 270 befindet sich im Inneren der Bellevillefedern 122 und erstreckt sich in die Mittelbohrung des Flaschendeckelhalters 105. Der Lastflansch 296 umfaßt den Adapter 287, und der radial nach außen gestreckte Flanschabschnitt 271 des Lastflansches 296 liegt am Boden der Schraubenfeder 270 an. Der Haltering 289 liegt an dem Lastflansch 296 an und stützt ihn ab, und er ist außerdem in einer Ausnehmung der Außenfläche des Adapters 287 festgelegt.
  • Wenn der Bohrmeißel 50 vollständig mit dem Sensorteil 200 zusammengefügt ist, liegt der Halter 305 des Bohrmeißels 50 gegen den Haltering 289 an und bewirkt, daß die Schraube 299 sich in Längsrichtung innerhalb des Schlitzes 277 nach oben verschiebt. Während die Schraube 291 nach oben wandert, geschieht dies ebenfalls mit dem Adapter 287 und dem Lastflansch 296, wodurch die Schraubenfeder 270 unter Druck gebracht wird. Auf diese Weise wird die Verbinderanordnung federbelastet.
  • Der Steckerteil des BEBRO-Verbinders 320 ist innerhalb der Mittelbohrung des Adapters 287 durch einen Trägerflansch 282 gesichert, dessen Flanschabschnitt 298 auf der Schulter 290 des Adapters 287 ruht, außerdem durch einen Verriegelungsring 283, der gegen den Flanschabschnitt 298 anliegt und der Verriegelungsrtig 283 besitzt einen abgestuften Innen- und Außenaufbau. Der Außenabschnitt des Verriegelungsrings 283 ist mit Gewinde versehen, welches mit dem Innengewinde des unteren Gehäuseendes des Adapters 287 in Eingriff steht. Der Verriegelungsring 283 faßt einen nach außen vorstehenden Flansch 297 an dem Steckerteil des BEBRO-Verbinders 320 zwischen seiner Innenschulter und dem unteren Flanschabschnitt 298 des Trägerflansches 282. Der Steckerteil des BEBRO-Verbinders 320 enthält Stiftkontakte an seinem oberen Ende, welche elektrisch mit einem Kabelbaum aus isolierten elektrischen Leitern 307 verbunden sind, die ihrerseits mit dem Verbinder 288 des EM-Sensormoduls 125 verbunden sind.
  • Die Meißelverbinder-Teilgruppe 335 enthält vorzugsweise einen Halter 305, eine Buchse 310, die den Buchsenabschnitt des BEBRO-Verbinders 285 festlegt, einen Kupplungsverbinder 312, eine Hochdruckdurchführung 317 und einen Kompaktblock 302.
  • Der Kupplungsverbinder 312 befindet sich zum Teil innerhalb des Bohrmeißels 50 und enthält eine Greiffläche 322, Nuten 326, 327 und eine Innenbohrung 324 entlang seiner Längsachse. Der Kontaktblock 302 ist in dem Bohrmeißel 50 innerhalb der Innenbohrung 324 des Kupplungsverbinders 312 festgelegt. Der Kontaktblock 302 nimmt elektrische Verbinder auf, die an die sechs Sensoren innerhalb des Bohrmeißels 50 angeschlossen sind.
  • Die Buchse 310 befindet sich zum Teil in der Innenbohrung 324 des Kupplungsverbinders, wobei das untere Ende der Buchse 310 gegen den Kontaktblock 302 anliegt. Das obere Ende der Buchse 310 erstreckt sich aus der Innenbohrung 324 heraus, um innerhalb des Halters 305 zu liegen. Die Buchse 310 enthält eine Mittelbohrung 322, in der der Buchsenabschnitt des BEBRO-Verbinders 285 und die Druckdurchführung 317 liegen.
  • In Nuten 313, 314 innerhalb der Durchführung 317 befinden sich zwei O-Ringe 333, 334, um die Durchführung 317 innerhalb der Mittelbohrung 322 der Buchse 310 aufzunehmen. Die Druckdurchführung 317 ist mit einem elektrischen Verbinder 329 an ihrem oberen Ende verbunden und ist mit dem Kontaktblock 302 an ihrem unteren Ende verbunden, und sie enthält einen Kontaktstift für eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter 329 und dem Kontaktblock 302. Der Leiter 329 ist elektrisch mit dem Buchsenteil des BEBRO-Verbinders 385 verbunden.
  • Der Halter 305 enthält eine sich längs durch ihn erstreckende Axialbohrung, in der die Buchse 310 des BEBRO-Verbinders 285 liegt. Der Halter enthält außerdem mehrere Nuten mit O-Ringen und einer Lagerfläche 328 an seinem oberen Ende.
  • Wenn der Bohrmeißel 50 an das Sensorhilfsteil 200 angeschlossen wird, läuft der Halter 305 innerhalb der Mittelbohrung 117 des Flaschendeckelhalters 105, wobei die obere Stirnfläche des Halters 305 mit dem Haltering 289 in Eingriff gelangt, was zur Folge hat, daß der Lastflansch 396 sich mit Adapter 287 und Schraube 291 nach oben bewegt, was die Schraubenfeder 270 unter Druck bringt. Gleichzeitig gelangt der Buchsenabschnitt des BEBRO-Verbinders 285 in den Steckerabschnitt 320, was die elektrische Verbindung zwischen dem Meißel 50 und dem Hilfsteil 200 vervollständigt.
  • Wie der Fachmann erkennt, können verschiedene andere Verbinder verwendet werden, ohne von dem hier offenbarten Grundgedanken abzuweichen. Die Verbinderanordnung 280 wird vorzugsweise in einer trockenen Umgebung gehalten, die gegenüber Betriebsumgebungsdrücken geschützt ist. Weiterhin ist die Verbinderanordnung 280 gemäß Beschreibung vorzugsweise federbelastet, um die Intaktheit der Verbindung mit dem Bohrmeißel zu gewährleisten. Die Verbinderanordnung 280 ist mit dem EM-Sensormodul 125 verbunden. Die Verbinderverdrahtung und der Aufbau des Verbinders ermöglichen ein Stecken und Lösen des Verbinders, während das Modul mit Energie gespeist wird, ohne daß irgendeine Beschädigung des EM-Moduls 125 verursacht wird.
  • 7. Arbeitsweise des EM-Sensors
  • Bezugnehmend auf die 6, 8, 8B und 13 funktioniert das EM-Sensormodul 125 derart, daß es von dem Steuermodul 40 über die EM-Kurzstreckenverbindung Befehle aufnimmt und Datensignale von den verschiedenen Sensoren innerhalb des Sensormoduls 125 und dem Bohrmeißel erhält. Das Sensormodul 125 codiert und formatiert die Daten nach Bedarf und sendet die Daten zu dem Steuermodul 40.
  • Der Strompfad zwischen dem EM-Sensormodul 125 und der Sensorantenne 25 ist folgender: Der Sender 205 (und der Empfänger 230) sind durch einen (nicht gezeigten) Leiter an die Buchse 76 des EM-Sensormoduls 125 angeschlossen. Ein aus dem Isolator 161 vorstehender Bananenstecker 135 paßt in die Buchse 76. Der Bananenstecker 135 ist mit dem elektrischen Leiter 115 verbunden, der in den Isolator 161 eingebettet ist, und steht in Verbindung mit einer Buchse 192. Der Bananenstecker 149 paßt zu der Buchse 192 und ist mit dem Kontaktstift 186 in der Druckdurchführung 190 verbunden. Der Kontaktstift 186 ist mit dem elektrischen Leiter 60 verbunden, der durch das Epoxydmaterial verläuft und um den Ringkern 63 gewickelt ist. Der Leiter 60 läuft durch das Epoxydmaterial, um mit dem Schutzschirm 65 verbunden zu sein.
  • Der Strom kehrt zu dem Sensormodul zurück, indem er den Schirm 65 zu dem Hilfsteil 200 passiert, läuft durch die Ankerstifte 257 und zu dem Druckflaschenbehälter 99. Der Strom läuft durch den Behälter 99 zu dem Deckelhalter 105, die Bellevillefedern 122, den Lastring 118 und den Lastflansch 103, zurück in das Sensormodul 125 zu einer geeigneten Erdung innerhalb des Sensormoduls 125.
  • B. Steuerteil
  • Bezugnehmend auf die 3, 10A, 10B, 10C, 11 und 12 ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform das EM-Steuerteil mit einem Sendeempfängerteil 45 mit daran angebrachter Antenne 27 und einem Steuermodul 40 ausgebildet, welches mit dem Sendeempfängerteil 45 in Eingriff steht und sich von diesem aus erstreckt. In der bevorzugten Ausführungsform ist ein Schutzteil 70 auf der Bohrlochseite des Sendeempfängerteils 45 angeordnet.
  • 1. Sendeempfängerteil
  • Das Sendeempfängerteil 45 enthält vorzugsweise eine Norm-Zapfenverbindung 81 unten am bohrlochseitigen Ende 83, die im Gewindeeingriff steht mit einer Gehäuseverbindung 94 an der oberen Seite des Schutzteils 70. Das obere Ende 97 des Sendeempfängerteils 45 enthält äußerdem vorzugsweise eine Zapfenverbindung 93, die zu einem Sensorteil 80 paßt, beispielsweise ein Gamma-, Widerstands- oder Meißelgewichts-Bauteil. Alternativ könnte das Sendeempfängerteil 45 an seinem oberen und seinem unteren Ende zu einem Houst-Teil, einem Fernmeßteil, beispielsweise einem Schlammimpulsgeber, oder einer Schwerstange passen. Das untere Ende des Schutzteils (nicht dargestellt) enthält eine Norm-Zapfenverbindung, die vorzugsweise mit der Schlammimpulsgeberstange 35 in Eingriff steht.
  • Bezugnehmend auf die 10A, 10B, 10C und 11 besitzt das Sendeempfängerteil 45 vorzugsweise einen allgemein zylindrischen äußeren Aufbau mit der Ausnahme, daß das Teil 45. eine Dopelschulter 48, 49 und zwei Rippenabschnitte 51, 53 im Mittelbereich besitzt. Die Doppelschulter enthält vorzugsweise eine ringförmige gebogene Schulter 48 in der Nachbarschaft einer ringförmigen abgewinkelten Schulter 49. Die gebogene Schulter 48 beinhaltet vorzugsweise die Steuerantenne 27, während die abgewinkelte Schulter 49 einen Antennenschirm 45 aufnimmt. Die Rippenabschnitte 51, 53 enthalten beide Längsrippen, um eine Angriffsfläche beim Zusammenbau zu bilden und außerdem eine Lagerung für das Hilfsteil 45 unten im Bohrloch zu schaffen.
  • Das Innere des Sendeempfängers 49 enthält eine Mittelbohrung 62, die sich vom bohrlochseitigen Ende etwa zur Hälfte über die Längserstreckung des Hilfsteils 45 bis zu einem Punkt etwa in dem Bereich der Doppelschulter 48, 49 erstreckt. Sechs gleichmäßig in einer kreisförmigen Anorndung beabstandete Bohrungen 59 erstrecken sich von der oberen Stirnseite 67 der Zapfenverbindung 93 des Sendeempfängerteils 45 aus in Längsrichtung, um die Mittelbohrung 62 zu schneiden. Darin steht jeder der Bohrungen 59 in Fluidverbindung mit dr Mittelbohrung 62.
  • Die obere Stirnseite 67 des Sendeempfängerteils 45 enthält vorzugsweise eine sich von ihr aus erstreckende Hohlwelle 57. Die Hohlwelle 57 erstreckt sich von der Mitte der oberen Stirnfläche 67 aus im Inneren des kreisförmigen, durch die Bohrungen 59 gebildeten Musters. Die Welle 57 enthält ein unteres Segment 64 größeren Durchmessers, welches durch eine Schulter von einem oberen Abschnitt 68 kleineren Durchmessers getrennt ist. Das Segment 64 größeren Durchmessers ist einstückig mit dem Sendeempfängerteil 45 verbunden und enthält an seiner Basis Ausnehmungen, die seine Außenfläche umgeben, um O-Ringe aufzunehmen, und ein Außengewinde, welches zu dem EM-Steuermodul 40 paßt. Das Segment 68 kleineren Durchmessers enthält ebenfalls ein Außengewinde.
  • Eine kleine Bohrung 77 erstreckt sich in Längsrichtung durch die Mitte der Hohlwelle 57 und durch die Mitte des Sendeempfängerteils 45 zu einer Stelle in der Nähe der Mittelbohrung 62. Das Sendeempfängerteil 45 enthält außerdem eine Bohrung 92, die sich von der kleinen Bohrung 77 aus unter einem Winkel von annähernd 45 ° erstreckt, um in eine geneigte Ausnehmung zu münden, die mit der gebogenen Schulter 48 in Verbindung steht. In der Bohrung 92 befindet sich eine Druckdurchführung 82 ähnlich der Durchführung 190 in dem Sensorhilfsteil 200, um eine elektrische Verbindung von der Bohrung 77 zu der Steuerantenne 27 zu schaffen.
  • Ein elektrischer Leiter 86, vorzugsweise eine mehrlitzige Kupferleitung, die in Teflon eingehüllt ist, befindet sich innerhalb der Bohrung 77. Der Leiter 86 steht in Verbindung mit dem Innenkontakt der Druckdurchführung 82 und erstreckt sich über die hänge der Bohrung 77 hinaus zu einer weiteren Druckdurchführung 91 an einer Stelle innerhalb der Hohlwelle 57. Innerhalb der Bohrung 77 ist vorzugsweise Baumwolle eingebracht, um eine Isolierung zu schaffen und die Leiter gegen übermäßiges Erschüttern zu sichern.
  • Die Druckdurchführung 91 sitzt in einer Ringnut innerhalb der Bohrung 77, wobei ein O-Ring eine korrekte Abdichtung zwischen der Durchführung 91 und der Wand der Bohrung 77 gewährleistet. Die Durchführung 91 steht in Verbindung mit einem elektrischen Verbinder 216, welcher seinerseits mit dem EM-Steuermodul 40 verbunden ist.
  • 2. EM-Steuermodul und -Gehäuse
  • Gemäß 10A, 10C und 12 ist das EM-Steuermodul 40 vorzugsweise innerhalb einer länglichen Druckhülse 175 untergebracht und steht mechanisch sowie elektrisch mit dem steuernden Sendeempfängerteil 45 über eine Zwischenverbinderanordnung 180 in Verbindung. Die Druckhülse 145 hat einen gleichmäßigen rohrförmigen Aufbau und besteht vorzugsweise aus Stahl oder einem äquivalent leitenden Stoff. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind sowohl das obere Ende 177 als auch das untere Ende 178 der Hülse 175 mit einem Innengewinde versehen, wobei sich eine ringförmige Lippe in Längsrichtung nach außen von dem Gewindeteil aus erstreckt.
  • Das EM-Steuermodul 40 ist vorzugsweise aus Aluminium gefertigt, wobei die Außenflächen schwarz anodisiert sind. Das Aluminiumgehäuse ist vorzugsweise in einem Mantelrohr aus Glasfaserstoff oder einem äquivalenten Isolator enthalten. Das Steuermodul 40 nimmt die EM-Steuerschaltung auf.
  • Das EM-Steuermodul 40 enthält vorzugsweise an seinem unteren Ende einen MDM-Verbinder 195 für den Anschluß an den elektrischen Leiter 216, der von der Steuerantenne 27 kommt, und einen elektrischen Verbinder 217 an seinem oberen Ende, um eine Verbindung zu einem Houst-Modul oder einem anderen MWD-Werkzeug zu schaffen. Das untere Ende des Steuermoduls enthält zwei bogenförmige Vorsprünge 196, welche den Verbinder 195 aufnehmen.
  • Das untere Ende des EM-Steuermoduls enthält einen Ansatzabschnitt mit einem ersten und einem zweiten, sich jeweils radial erstreckenden Ringflansch 172, 174. Der erste Ringflansch 172 enthält zwei ihn durchsetzende Bohrlöcher 173. In der bevorzugten Ausführungsform befinden sich die beiden Bohrlöcher 173 außerhalb der bogenförmigen Abschnitte 196 und sind gegeneinander um annähernd 160° versetzt. Ein Halte-Spaltring 187, der einen O-Ring 184 an seiner Außenfläche aufnimmt, befindet sich zwischen dem zweiten Ringflansch 174 und dem Körper des Steuermoduls.
  • Das Steuermodul 40 enthält außerdem zwei benachbarte Ringuten 197, die jeweils eine O-Ring 153 aufnehmen. Ein ringförmiger Ansatzabschnitt 164 befindet sich auch am oberen Ende des Moduls. Der Ansatz 164 nimmt einen Halte-Spaltring 137 auf, welcher einen O-Ring 244 enthält.
  • 3. Steuerschaltung
  • Gemäß 10A ist das EM-Steuermodul 40 vorzugsweise mit dem Host-Modul über ein Einzelleiterkabel verbunden. Gemäß 14 enthält das Steuermodul 40 eine Signalkonditionierschaltung zum Aufbereiten der EM-Datensignale, die von dem Sensormodul über die Antenne 27 empfangen werden. Die konditionierten Signale werden zu einem Signalprozessor geleitet, welcher die codierten Signale aus dem Sensormodul entschlüsselt. Die decodierten Signale werden dann zu dem Mehrzweckprozessor gesendet, der die Datensignale zu dem Host-Modul weiterleitet. Der Systemprozessor leitet auch das Senden von Signalen zu dem Sensormodul über die Fernmeßschaltung ein. Leistung für die Steuermodulschaltung wird von einem Batteriemodul und einer geregelten Leistungsquelle geliefert.
  • Wie in 15 gezeigt ist, enthält das EM-Steuermodul vorzugsweise eine verdrahtete Verbindung zu dem gemeinsamen Bus des Host-MWD-Moduls, der auch eine Verbindung zu sämtlichen anderen MWD-Sensoren bildet. Elektrische Leistung für das EM-Steuermodul wird über den Bus geführt. Das Steuermodul sendet Befehlssignale über die EM-Datenstrecke zu dem Sensormodul, um das Sensormodul zu instruieren, Daten von einigen oder sämtlichen der Fühler zu erfassen, die sich in dem Modul oder dem Meißel befinden, um diese Daten (über die gleiche EM-Strecke) zurückzusenden. Diese Daten werden vorzugsweise gemittelt, gespeichert und/oder formatiert für die Übergabe zu dem Steuermodul, welches seinerseits die Daten reformatiert für die Umsetzung in ein Format entsprechend einer Schlammimpulsübertragung und einen Datenstrom. Höherfrequente Daten, die in dem Steuermodul unten im Bohrloch gespeichert werden müssen, können kopiert und/oder zur Oberfläche zurückgespielt werden, nachdem das Modul aus dem Bohrloch herausgezogen worden ist.
  • Die Verbindung mit dem EM-Sensormodul kommt so zustande, wie es oben im Abschnitt II, A, 7 "Arbeitsweise des EM-Sensors" beschrieben ist.
  • 4. Zwischenverbinderanordnung
  • Die Zwischenverbinderanordnung 180 bildet eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem Sendeempfängerteil 45 und dem EM-Steuermodul 40. Gemäß 10A, 10B und 10C befindet sich die Zwischenverbinderanordnung 180 gemäß der bevorzugten Ausführungsform vollständig innerhalb der Druckhülse 175 und umfaßt einen Adapter 207, ein Distanzglied 223, eine Zwinge 211, einen Verbinder 195, einen elektrischen Leiter 216 innerhalb einer Teflonhülse 204, einer Druckdurchführung 91 und eine Rundkopfschraube 227 mit einem Anschluß. Wie oben angemerkt, enthält die obere Seite des Sendeempfängerteils 45 eine Hohlwelle 57, die ein unteres Segment 64 größeren Durchmessers aufweist, das durch eine Schulter von einem oberen Abschnitt 68 kleineren Durchmessers getrennt ist. Die Druckdurchführung 91 ist innerhalb der Bohrung 77 der Hohlwelle 57 gelagert und steht in Verbindung mit dem elektrischen Leiter 86, der von der Steuerantenne 27 kommt. Der elektrische Leiter 216 steht mit einem Ende der Oberseite der Durchführung 91 in Verbindung, und das entgegengesetzte Ende steht mit dem Verbinder 195 in Verbindung. Der Verbinder 195, bei dem es sich vorzugsweise um einen MDM-Verbinder handelt, befindet sich innerhalb einer isolierten Teflonhülle 204.
  • Das Distanzglied 223 enthält vorzugsweise einen Körper und einen Flansch, wobei der Körperabschnitt die Hülse 204 innerhalb der Hohlwelle 57 umgibt und gegen einen Lastring anliegt, der sich zwischen dem unteren Ende des Distanzglieds und der Durchführung 91 befindet.
  • Der Adapter 207 enthält vorzugsweise am unteren Ende einen Abschnitt 231 vollen Durchmessers, am oberen Ende einen Abschnitt 232 verringerten Durchmessers und eine zwischen den Abschnitten 231 und 232 gebildete Nut 233. Der Abschnitt 231 vollen Durchmessers enthält ein Innengewinde, welches zu dem Außengewinde an dem Segment 68 kleineren Durchmessers der Hohlwelle 57 paßt. Der Übergang zwischen dem Abschnitt 232 verringerten Durchmessers und der Nut 233 bildet eine Schrägfläche.
  • Die Zwinge 211 klemmt den Adapter 207 gegen die Schulter 181 des Steuermoduls 40 und enthält am unteren Ende einen in der Nut 233 aufgenommenen Vorsprung 241 sowie einen Vorsprung 343 am oberen Ende, der Zwischen Flanschen 172 und 174 liegt. Die Zwinge 211 wird durch die Innenfläche der Druckhülse in ihrer Lage gehalten.
  • Die Rundkopfschraube 227 ist innen an dem Abschnitt 232 verringerten Durchmessers des Adapters 207 angebracht und enthält einen isolierten elektrischen Draht, der mit dem MDM-Verbinder 212 verbunden ist.
  • 5. Steuerantenne
  • Bezugnehmend auf die 3, 6 und 10B ist eine Steuerantenne 27, die ähnlich ausgebildet ist wie die Antenne 25 für das Sensormodul 125, außen an dem Steuer-Sendeempfängerteil 45 gelagert. Der Hauptunterschied zwischen Steuerantenne 27 und der EM-Sensorantenne 25 besteht darin, daß die Steuerantenne 27 vorzugsweise zwei getrennte Kerne 252 und 254 aufweist, die eine geringere Breite aufweisen als der Kern 43, der in der Sensorantenne 25 verwendet wird. Die Kerne 252 und 254 sind bei der bevorzugten Ausführungsform deshalb dünner, weil weniger Platz zur Verfügung steht zwischen dem Sendeempfängerteil 45 und der Bohrlochwand, im Vergleich zu dem Platz zwischen dem Sensorhilfsteil 200 und der Bohrlochwandung.
  • Weil die Kerne 252 und 254 dünner sein müssen als der Kern 63, um in das Bohrloch zu passen, wird vorzugsweise ein axial längerer Kern verwendet, um eine Kompensation für den dünneren Kern zu schaffen. Zur einfachen Herstellbarkeit ist es zu bevorzugen, daß man zwei kurze Kerne 252 und 254 verwendet, um auf die benötigte Länge zu kommen.
  • Die Kerne 252 und 254 sind an der Schulter 48 des Steuer-Sendeempfängerteils 45 gelagert. Bei der bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Isolator 258 zwischen den stapelweise angeordneten Kernen 252 und 254. Ein elektrischer Leiter 264 ist um die gestapelten Kerne 252, 254 herumgewickelt, so daß die Kerne 252, 254 als Einzel-Kernstruktur behandelt werden.
  • Die Kerne 252, 254 sind vorzugsweise aus einem hochpermeablen Material hergestellt, beispielsweise einer Eisen/Nickel-Legierung. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Legierung zu lamellierten Blättern ausgebildet, die mit Isoliermaterial beschichtet sind, beispielsweise Magnesiumoxid, und die um einen Dorn gewickelt sind, um die Kerne zu bilden, und die weiterhin einer Wärmebehandlung unterzogen sind, um die Anfangspermeabilität zu maximieren.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält der Leiter 264 einen dünnen Kupferstreifen mit einer Breite von etwa 3,175 mm (0,125 Zoll) und einer Dicke von etwa 0,051 mm (0,002 Zoll), eingekleidet in CAPTON oder ein anderes geeignetes dielektrisches Material.
  • Die Steuerantenne 27 ist vorzugsweise unter Vakuum in ein isolierendes Epoxymaterial 229 eingegossen und neben der Schulter 48 des Sendeempfängerteil 45 angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Epoxymaterial um TRA-CON TRA-BOND F202 oder ein äquivalentes Material. Der elektrische Verbinder 264 durchsetzt das Epoxymaterial 229, um elektrisch mit der Druckdurchführung 62 in Verbindung zu treten.
  • Eine ringförmige Schutzabdeckung oder Abschirmung 75 innerhalb der Schulter 49 des Sendeempfängerteils 45 nimmt die Antenne 27 auf. Die Schutzabdeckung 75 besteht vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen geeigneten leitenden Material, wobei die Antenne 27 an dem Überzug oder der Abschirmung 75 durch ein geeignetes isolierendes Epoxymaterial 279 angebondet ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das Epoxymaterial 279 ebenfalls aus TRA-CON TRA-BOND F202. Der elektrisch Verbinder 264 durchsetzt das Epoxymaterial 279, nachdem er um die Kerne 252, 254 gewickelt ist, und ist an die Abschirmung 75 angeschlossen. Die Schutzabdeckung oder Abschirmung 75 ist an dem Sendeempfängerteil 45 angeschweißt oder anderweitig angebracht. Wiederum kann das Innere der Abschirmung 75 von der umgebenden Bohrlochumgebung getrennt sein.
  • C. MWD-Host-Modul
  • Bezugnehmend auf die 3 udn 15 enthält das MWD-Host-Modul 10 vorzugsweise eine Steuerung auf Mikroprozessorbasis, um sämtliche MWD-Komponenten unten im Bohrloch zu überwachen und zu steuern. Damit empfängt, wie in der bevorzugten Ausführungsform nach 15 gezeigt ist, das Host-Modul Datensignale von dem EM-Steuermodul, einem Gamma-Sensor, einem Richtungssensor, einem Widerstandssensor, einem Meißelgewicht/Meißeldrehmoment-("WOB/TOB")Sensor und weiteren MWD-Sensoren, die unten im Bohrloch eingesetzt werden, und die sämtlich ihren eigenen Mikroprozessor enthalten. Vorzugsweise ist ein Bus vorgesehen, um das MWD-Host-Modul mit dem EM-Steuermodul und weiteren MWD-Sensoren zu verbinden. Darüber hinaus enthält das Host-Modul vorzugsweise eine Batterie, um das Houst-Modul und die MWD-Sensoren über die Busleitung mit Leistung zu versorgen.
  • Das Host-Modul sendet vorzugsweise Befehlssignale an die Sensoren, zum Beispiel das EM-Steuermodul, um die Sensoren anzuhalten, Datensignale aufzunehmen und/oder zu senden. Das Host-Modul empfängt die Datensignale und sorgt für jegliche zusätzliche Formatierung und Codierung der Datensignale, welche unter Umständen notwendig ist. In der bevorzugten Ausgestaltung enthält das Host-Modul vorzugsweise einen zusätzlichen Speicher zum Speichern der Datensignale für späteres Abrufen. Das Host-Modul ist vorzugsweise an einen Schlammimpulsgeber angeschlossen und sendet codierte Datensignale an den Schlammimpulsgeber, die über den Schlammimpulsgeber zu der Oberfläche geleitet werden.
  • D. Bohrmeißel
  • Gemäß 3 und 7 kann der Bohrmeißel 50 irgendeiner von einer Anzahl herkömmlicher Bohrmeißel sein, darunter ein Rollkegel-(oder Gesteins-)Meißel oder ein Diamantmeißel. Zum Zwecke der vorliegenden Diskussion wird ein Gesteinsmeißel diskutiert. Der Fachmann erkennt, daß die hier vermittelte Lehre ebenfalls anwendbar ist auf andere Typen von Bohrmeißeln. Ungeachtet des Typs des verwendeten Bohrmeißels enthält der Meißel vorzugsweise einen Körper 150 und eine Meißelfläche 145, die als Bohr- oder Schneidmechanismus dient. Wie auf diesem Gebiet bekannt ist, kann die Meißelfläche 145 wesentlich variieren, abhängig von dem Typ des verwendeten Meißels sowie der Härte der Gesteinsformation.
  • Bezugnehmend nunmehr auf die 7 und 9, enthält der Bohrmeißel 50 vorzugsweise eine Zapfenverbindung 136 an seinem oberen Ende, welche mit dem Sensorteil 200 in Verbindung steht. Der Meißel 50 enthält an seinem oberen Ende eine Bohrung 156, die sich eine kurze Strecke in den Körper 150 des Meißels 50 hineinerstreckt.
  • Gemäß der in 7 gezeigten bevorzugten Ausführungsform enthält der Bohrmeißel 50 mehrere Temperatursensoren 170 zum Überwachen des Betriebs des Meißels 50, einen elektrischen Kontaktblock 302 und einen elektrischen Kabelbaum 165, der in einem Verzweiger 162 untergebracht ist, der die Fühler 170 mit dem Kontaktblock 302 verbindet. Die Temperaturfühler 170 enthalten vorzugsweise sechs Thermistoren, die in der Lage sind, Temperaturen zwischen 38°C (100°F) und 316°C (600°F) bei einer absoluten Genauigkeit +/- 8°K (15°F) zu messen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden über ein 10-Sekunden-Intervall hinweg kontinuierlich Abtastwerte übernommen, und es werden die Mittelwerte der Abtastwerte während des Intervalls berechnet. Die Temperaturfühler 170 sind strategisch in dem Bohrmeißel angeordnet, vorzugsweise dicht an der Meißelfläche 145. Sämtliche Temperaturfühler 170 und die dazugehörigen elektrischen Leitung 138, 139, sind in isolierten Rohren 191 kleineren Durchmessers untergebracht, die in geeigneter Weise abgedichtet und imstande sind, den äußeren Schlammdruck aufzunehmen und Korrosion zu widerstehen. Die Rohre 191 befinden sich in Bohrungen 179, die sich durch den Körper 150 des Meißels 50 erstrecken. In der bevorzugten Ausführungsform sind die isolierten Rohre 191 in einem Stahlrohr 157 aufgenommen. Zwei elektrische Leitungen 138, 139 sind vorzugsweise mit jedem Fühler 170 verbunden, um eine Signalleitung und eine Rückführleitung zu bilden. Die Enden der Leitung 138, 139 stehen über die Rohre 191 hinaus und sind durch Hochtgemperaturlöten mit den Thermistoren 170 verbunden. Sowohl die Thermistoren 170 als auch die Enden der Leitungen 138, 139 sind in einem isolierenden Epoxymaterial 143 eingegossen. Ein Stopfen 158 dichtet die Bohrung 179 ab.
  • Alternativ können die Fühler und Leitungen in einer Umgebung aus nichtleitendem Schmiermittel verlaufen, welches bezüglich des Drucks des Bohrschlamms kompensiert ist, der ansonsten in die Hohlräume eindringen würde, oder sind durch eine Mischkombination aus diesen zwei Verfahren unter Verwendung von Dichtungen und Druckdurchführungen geschützt, falls erforderlich.
  • Die elektrischen Leitungen 138, 139 von den Fühlern 170 verlaufen in einem elektrischen Kabelbaum 165, der sich in dem Verzweiger 162 befindet. Der Verzweiger 162 ist auf der Mittellinie der Bohrung 156 gelagert und enthält vorzugsweise mehrere Öffnungen zur Aufnahme der elektrischen Leitung 138, 139 von jedem der Thermistoren 170. Die Leitungen 138, 139 von jedem Fühler sind mechanisch in dem Kabelbaum 165 zusammengebunden und stehen in Verbindung mit einem Kontaktblock 302 und einem Durchführungs-Druckkopf 317, der vorzugsweise mindestens sieben Stifte oder Verbinder enthält. Wenn lediglich sieben Verbinder in der Durchführung 317 vorgesehen sind, so werden sechs der Verbinder für die sechs Signalleitungen zu den Temperaturfühlern 170 verwendet, während ein Verbinder als Rückführleitung oder Masse verwendet wird. Wenn also lediglich sieben Leitungen vorgesehen sind, existiert gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine gemeinsame Masse innerhalb des Kabelbaums 165, um die Rückführleitung von jedem Thermistor 170 auf Masse zu legen. Der Verzweiger 162 ist vorzugsweise in der Lage, dem externen Umgebungsdruck standzuhalten. Die Lagerungsanordnung am unteren Ende des Verzweigers 162 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß sie an einen Bohrmeißel 50 angepaßt werden kann, der eine Mitteldüse benötigt.
  • Der Boden der Durchführung 217 ist elektrisch mit dem Kontaktblock 302 verbunden, während das obere Ende mit dem Leiter 329 (siehe 9) verbunden ist, der seinerseits an die Buchsenhälfte eines BEBRO-Verbinders 285 angeschlossen ist.
  • Die vorliegende Erfindung kann bei sämtlichen verfügbaren Größen von Gesteinsbohrern, Diamantbohrern oder Kunstdiamantbohrern eingesetzt werden. In kleineren Bohrmeißeln, in denen der Raum mehr beschränkt ist, kann es notwendig sein, die Fühler 170 in dem Sensorteil 200 unterzubringen. Zusätzlich zu dem Einsatz von Temperaturfühlern in dem Bohrmeißel 50 können auch Verschleißfühler oder andere Fühler eingesetzt werden.
  • Die Länge von der Zapfenschulter zu der Fläche des Meißels beträgt vorzugsweise weniger als 330 mm (13 Zoll). Einige Meißel, die länger sind, wie beispielsweise die Diamantmeißel, werden vorzugsweise derart modifiziert, daß sie einen neueren oberen Schaft (mit einer Zapfenverbindung für das erweiterte Hilfsteil oder die Antriebswelle) enthalten, oder sie werden alternativ so modifiziert, daß sie einen speziellen kurzen oberen Schaft enthalten und einen Spezialmeißelbrecher verwenden, der die Meßblätter des Meißels verwendet.
  • E. Impulsgeberstange
  • Wiederum bezugnehmend auf die 3, 4 und 5 kann die Impulsgeberstange 35 nach üblichen Methoden mittels eines Übergangsteils, eines Biegeteils oder eines Schwimmteils an die Motoranordnung angeschlossen sein. Im Rahmen der Erfindung kann jede herkömmliche Impulsgeberstange eingesetzt werden. Ein Beispiel für eine solche Impulsgeberstange findet sich in den US-Patenten 4 401 134 und 4 515 225, deren Lehre hier durch ausdrückliche Bezugnahme als zu der vorliegenden Offenbarung gehörig angesehen wird. Alternativ können andere Fernmeßsysteme dazu benutzt werden, die von dem Bit/Motor-Modul empfangenen. Daten zu der Oberfläche zu leiten. Obschon die Impulsgeberstange 36 gemäß 3, 4 und 5 als unterhalb des Steuerteils 45 gelegen dargestellt ist, versteht sich, daß die Impulsgeberstange auch oberhalb des Steuerteils angeordnet sein kann. Beispielsweise kann sich die Impulsgeberstange oben an der Schwerstange 85 gemäß 5 befinden, oder an einer anderen Stelle oberhalb des Steuerteils 45 oder des Houst-Moduls 10.
  • F. Systembetrieb
  • Die Nachrichtenverbindung zwischen dem Sensormodul 125 und dem Steuermodul erfolgt durch elektromagnetische (EM-)Ausbreitung durch das umgebende leitende Erdreich. Jedes Modul enthält sowohl eine Sende- als auch eine Empfangsschaltung, was eine Zwei-Wege-Verbindung ermöglicht. Im Betrieb erzeugt das sendende Modul einen modulierten Träger, vorzugsweise im Frequenzbereich von 100 bis 10000 Hz. Diese Signalspannung wird einem isolierten Axialspalt im Außendurchmesser des Werkzeugs, gebildet durch die Antennen, entweder durch Transformatorkopplung oder durch Direktantrieb, über einen vollständig isolierten Spalt in der Anordnung aufgeprägt.
  • Die von der Antenne angeregte, durch die Oberfläche geleitete EM-Welle breitet sich durch das umgebende leitende Erdreich aus, begleitet von einem Strom in dem metallischen Bohrstrang. Wenn sich die EM-Welle entlang dem Strang ausbreitet, wird sie durch Streuung und Ableitung in das leitende Erdreich entsprechend den allgemein bekannten Gesetzmäßigkeiten gedämpft, wie sie beispielsweise von Wait & Hill (1979) beschrieben sind. Der bekannte Skin-Effekt ergibt sich aus der dissipativen Dämpfung, welche mit zunehmender Frequenz und Leitfähigkeit rasch zunimmt. Deshalb nimmt die maximale Frequenz bei akzeptabler Dämpfung ab, während die Leitfähigkeit der Formation zunimmt (Abnahme des spezifischen Widerstands).
  • Gleichzeitig reduziert eine Erhöhung der Leitfähigkeit den Lastwiderstand an den Lücken, was das Einleiten eines höheren Stroms in die Formation bei einer gegebenen Senderleistung oder einen am Empfänger reziprok stärkeren Strom gestattet. Außerdem senkt der verringerte Lastwiderstand die Eckfrequenz aufgrund der Induktivität eines mit dem Transformator gekoppelten Spalts, was einen effizienten Senderbetrieb bei geringeren Frequenzen ermöglicht. Umgekehrt steigt bei höherem spezifischem Widerstand die kleinste nutzbare Frequenz, jedoch gestattet die verringerte Dämpfung einen Betrieb bei höheren Frequenzen.
  • Da die vorliegende Erfindung darauf abzielt, bei spezifischen Widerstandswerten zu arbeiten, die sich über, mehrere Größenordnungen erstrecken, was innerhalb eines einzigen Bohrlochs möglicherweise der Fall ist, so ist es selbstverständlich von Vorteil und unter Umständen notwendig, einen Betrieb mit einem breiten Frequenzbereich vorzusehen. Dieser muß außerdem bei der Auswahl der geeigneten Betriebsfrequenz selbst adaptiv sein, währende sich der spezifische Widerstand der Formation von Zeit zu Zeit ändert.
  • Der EM-Sensor wurde so ausgelegt, daß der Stromabfluß am Sensor-Batteriepack 55 minimiert ist. Während das Werkzeug zum Boden des Bohrlochs geleitet wird, befindet sich das EM-Sensormodul in einem Niedrigleistung-"Schlummer"-Betrieb. Alle paar Minuten schaltet ein interner Takt des Sensor-Mikroprozessors 250 den Prozessor 250 und die dazugehörige Schaltung für einige Sekunden ein, lange genug, damit ein bestimmtes Schallsignal von dem Steuermodul erfaßt werden kann. Wenn kein derartiges Signal von der Schaltung des EM-Sensors erfaßt wird, gehen der Mikroprozessor und die dazugehörige Schaltung zurück in den "Schlummerbetrieb", bis die nächste Einschaltphase kommt.
  • Wenn seitens des Steuermoduls eine Nachrichtenübertragung gewünscht wird, basierend auf einer gewissen Bedingung wie zum Beispiel einem vorbestimmten Druck unten im Bohrloch, einem Bohrschlammstrom, einer Drehung und dergleichen, leitet das steuernde Modul eine periodische Aussendung von Schallsignalen ein, um ein Ansprechen seitens des Sensormoduls zu veranlassen. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Signale aus gesendeten Impulsen mit einer Dauer von einigen Sekunden, abwechselnd mit Empfangs-Intervallen ähnlicher Dauer, um auf eine Antwort seitens des Sensormoduls zu hören.
  • Jeder gesendete Impuls konzentriert Energie an sämtlichen in Frage kommenden Frequenzen (vorzugsweise von 100 bis 10000 Hz), vorzugsweise über eine Sequenz von Frequenzschritten. Andere Mittel zum Senden von Signalen verschiedener Frequenzen können von dem Fachmann eingesetzt werden, darunter eine kontinuierliche Frequenzwobbelung, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Jeder Sende/Empfangs-Zyklus des Steuermoduls erfolgt innerhalb der Zeitspanne, in der das EM-Steuermodul empfängt, wodurch die Sendesteuerung während des Sensorempfangs gewährleistet wird.
  • Das Sensormodul bestimmt flach dem Erfassen eines Schallsignals, welche Frequenz den besten Rauschabstand liefert und antwortet durch Aussenden eines Signals an das Steuermodul bei dieser Frequenz. Diese Übertragung hält für die Dauer von mindestens einem vollständigen Zyklus des Steuermodul-Sendens an, um sicherzustellen, daß ein Signal von dem Sensormodul ausgesendet wird, während das Steuermodul fährt.
  • Ist erst einmal eine Zwei-Wege-Verbindung geschaffen, werden die nachfolgenden Übertragungen sämtlich für die vorteilhafteste Frequenz gesteuert. Geht die Verbindung verloren, oder ändern sich die Bedingungen unter dem Bohrloch, so kehren beide Modulen zu einer Schallübertragungsbetriebsart zurück.
  • Das Sensormodul 125 überwacht vorzugsweise sechs Thermistoren im Bohrmeißel und sämtliche Sensoren, die innerhalb des Sensorhilfsteils 200 angeordnet sind, und sendet Meßwerte für jeden Sensor an das Steuermodul, welches vorzugsweise einige oder sämtliche dieser Signale über das Houst-Modul und den Schlammimpulsgeber bei der höchsten Rate von einmal alle fünf Minuten sendet. Wenn es zu dem Erfordernis kommt, daß Daten mit einer signifikant höheren Rate aufgenommen werden müssen, als sie mittels Bohrschlammimpulsen übertragen werden kann, so können Daten in einem Speicher unter dem Bohrloch gespeichert werden, oder die Daten können unten im Bohrloch sortiert und/oder zu der Oberfläche mit einer Rate gesendet werden, die mit den Möglichkeiten der Bohrschlammimpulse oder den Fähigkeiten des gerade verwendeten Zwischenverstärker-Fernmeßsystems übereinstimmen. Wenn Sensoren ein- und ausgeschaltet werden (um die Batterien zu schonen), und wenn eine "Einschalt"-Übergangszeitspanne erforderlich ist, so ist genügend Zeit vorhanden, damit keine spürbare Vorbelastung der Abtast-Mittelwerte aufgrund der Einschaltvorgänge gegeben ist.
  • Das Anordnen des Sensormoduls unterhalb des Motors macht es möglich, Daten bezüglich einer Anzahl von interessierenden Parametern für die praktische Anwendung zu erhalten. Diese Parameter beinhalten Stöße und Vibrationen der Bohrumgebung, den Bohrloch-Neigungswinkel sehr nahe am Bohrlochboden und die Betriebstemperaturen sowie den Verschleiß von Meißel und Motor.
  • Das Sensormodul übernimmt Daten, führt jegliche benötigte Mittelwertbildung und Formatierung der Daten durch und sendet diese Daten um den Motor herum (und möglicherweise auch um den Schlammimpulssender herum) über eine Strecke von etwa 15 m (50 Fuß) auf den Weg einer elektromagnetischen (EM-)Strecke zu dem EM- Steuermodul, welches sich in der Nähe weiterer MWD-Sensoren befindet, und zwar mit Hilfe der Methode, wie sie im Abschnitt II, A, 7 "Betrieb des EM-Sensors" beschrieben ist. Dieses Steuermodul wiederum führt eine weitere erforderliche Reduktion, örtliche Speicherung und Formatierung von Daten für die Übergabe an das unten im Bohrloch befindliche Master- oder Host-MWD-Modul durch, welches außerdem sämtliche anderen MWD-Sensoren unten im Bohrloch steuert. Das Host-Modul formatiert oder codiert sämtliche mittels Schlammimpulsen and die Oberfläche gesendeten Daten.
  • Die EM-Datenstrecke arbeitet bei einer Datenrate von bis annähernd 1Kbaud (1000 Bits pro Sekunde), während die Schlammimpuls-Datenstrecke etwa 1 Bit pro Sekunde entspricht.
  • Wenn während des Betriebs das EM-Sensormodul 125 von dem EM-Steuermodul gesteuert wird, werden sämtliche Fühler (einschließlich derjenigen im Meißel) mit Leistung versorgt. Das EM-Sensormodul 125 erfaßt, verarbeitet und sendet Daten über die EM-Strecke. Unter dieser Bedingung beträgt die voraussichtliche Batterieleistungsentnahme aus dem Batteriepack 55 etwa 2 Watt. 75 % dieses Betrags sind erforderlich, umd die drei Beschleunigungsmesserachsen (Neigungsmesser) zu versorgen.
  • Das Leistungs-Tastverhältnis für den EM-Sensor umfaßt vorzugsweise ein Maximum einer Datenerfassungssequenz, bestehend aus einer fünf Sekunden andauernden Anlaufperiode und einer eine Sekunde dauernden Abtastperiode bei jeweils fünf Minuten Systembetrieb. Dies entspricht einem maximalen Leistungs-Tastverhältnis von lediglich 2 %, wenn die mittlere Leistungsaufnahme für den Neigungsmesser nur 30 mW (maximal) beträgt. Unter diesen Annahmen ergibt sich deshalb ein Gesamtleistungsbedarf für das gesamte System von 530 mW. Dies entspricht einer Stromstärke von 72 mA bei einer effektiven Batteriepack-Spannung von 7,4 V.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Batterien um die Electrochem-Serie RMM 150, 3B1570 DD-Batterien oder deren Äquivalent. Bei diesen Batterien besteht die geschätzte Nutzkapazität 20 Amperestunden.
  • Wenn der Batteriepack mit dem EM-Sensormodul verbunden ist, sich jedoch im "Standby"-Zustand befindet, während dessen er auf einen Befehl seitens des EM-Steuermoduls wartet, wird das System zwar als mit Leistung versorgt, jedoch als "schlafend" betrachtet. Die für diese Betriebsweise erforderliche Leistung ist nur diejenige Leistung, die benötigt wird, um die Logik aktiv zu halten, die zu dieser Standby-Funktion gehört. Das System kehrt normalerweise in diesen Betriebszustand zurück, nachdem der Batteriepack angeschlossen ist. In diesem Zustand beträgt der geschätzte Batterieleistungsbedarf etwa 250 mW. Dies entspricht einer Stromstärke von annähernd 34 mA bei einer effektiven Batteriepack-Spannung von 7,4 V. Dieser Stromfluß entspricht einer geschätzten Batterielebensdauer (bei 20 Amperestunden) von 588 Stunden. Der bevorzugte Arbeits-Temperaturbereich für die Batterien liegt zwischen 0°C und 150°C.
  • Während eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung offenbart wurde, lassen sich verschiedene Modifizierungen der bevorzugten Ausführungsform vornehmen, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (80)

  1. Vorrichtung zum Messen während des Bohrens, umfassend: einen Bohrstrang mit einer unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, die mit einem Bohrmeißel abschließt; eine Motoreinrichtung in der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, bezüglich des Bohrmeißels oben gelegen, um eine Relativbewegung an einem Ende des Motors bezüglich des anderen Motorendes zu erzeugen; eine Einrichtung als Teil der unter dem Bohrloch befindlichen Anordnung zum Erfassen von Parametern unten im Bohrloch, wobei die Erfassungseinrichtung gegenüber der Motoreinrichtung unten im Bohrloch angeordnet ist und eine Übertragungseinrichtung mit einem Sender und einem Empfänger aufweist; ein Steuermodul als Teil der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, enthaltend eine Sendeeinrichtung, die sich gegenüber der Motoreinrichtung oben befindet; wobei das Steuermodul ein Befehlssignal an die Erfassungseinrichtung sendet und die Erfassungseinrichtung ein für einen erfaßten Parameter repräsentatives Datensignal an das Steuermodul sendet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Steuermodul ein Befehlssignal bei abgestuften Frequenzen an die Erfassungseinrichtung sendet und die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung aufweist zum Festlegen der Frequenz mit dem besten Rauschabstand für das Senden des Datensignals zu dem Steuermodul.
  3. Datenerfassungsvorrichtung zum Senden gemessener Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparameter in einem Bohrloch auf der Grundlage einer elektromagnetischen Kurzstreckenverbindung, umfassend: (a) ein Bohrgestänge mit einer unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, die mit einem Bohrmeißel abschließt; (b) eine Motoreinrichtung zum Betreiben des Bohrmeißels; (c) eine Einrichtung zum Verbinden der Motoreinrichtung mit dem Bohrmeißel; (d) eine Einrichtung zum Aufnehmen eines der Parameter und zum Erzeugen eines dafür kennzeichnenden Ausgangssignals, wobei die Aufnahmeeinrichtung in der Verbindungseinrichtung untergebracht ist; (e) eine Sendeeinrichtung zum Aufnehmen des Ausgangssignals von der Aufnahmeeinrichtung und zum Erzeugen eines elektromagnetischen Datensignals, wobei die Sendeeinrichtung in der Verbindungseinrichtung untergebracht ist; und (f) eine Datenverbindungs-Steuereinrichtung als Teil der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, und gegenüber der Motoreinrichtung oben befindlich, wobei die Datenübertragungs-Steuereinrichtung eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des elektromagnetischen Signals aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Verbindungseinrichtung einen Druckbehälter aufweist und die Aufnahmeeinrichtung in dem Druckbehälter untergebracht ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: einen Batteriepack, der in dem Druckbehälter untergebracht ist, um die Aufnahmeeinrichtung und die Sendeeinrichtung mit Leistung zu versorgen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Aufnahmeeinrichtung in einem Sensormodul innerhalb des Druckbehälters gelegen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Druckbehälter einen Deckelhalter in elektrischem Kontakt mit dem Sensormodul enthält; die Sendeeinrichtung eine Antenne aufweist; und der Deckelhalter und der Druckbehälter Teil eines Strompfads zwischen der Antenne und dem Sensormodul sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Antenne eine außen an der Verbindungseinrichtung gelagerte Ringantenne aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend einen Ankerstift zum Lagern und Ausrichten des Druckbehälters innerhalb der Verbindungseinrichtung und zum Bilden eines Teils des Strompfads zwischen der Antenne und dem Sensormodul.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Ringantenne an der Verbindungseinrichtung durch ein isolierendes Epoxymaterial festgelegt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein Schutzschirm über der Antenne angebracht ist, wobei ein Isoliermaterial sich zwischen der Antenne und dem Schirm befindet, wobei der Schirm leitend und elektrisch an die Verbindungseinrichtung angeschlossen ist, um einen Teil des Strompfads von der Antenne zu dem Sensormodul zu bilden, so daß der Strompfad den Schirm, die Verbindungseinrichtung, den Ankerstift, den Behälter und den Deckelhalter enthält.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin umfassend einen Isolator im Inneren des Druckbehälters, der an dem Sensormodul anliegt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin umfassend eine Druckdurchführung durch den Druckbehälter und die Verbindungseinrichtung hindurch, wobei ein durch sie gehender elektrischer Kontakt vorhanden ist, um einen Anschluß an eine Antenne außen an der Verbindungseinrichtung zu bilden.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Isolator einen elektrischen Leiter aufweist, der an das Sensormodul und den elektrischen Kontakt in der Druckdurchführung angeschlossen ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Datenübertragungs-Steuereinrichtung eine Fernmeßeinrichtung aufweist, um Information entsprechend dem elektromagnetischen Datensignal an die Oberfläche zu übertragen.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Bohrmeißel in sich Fühler aufweist zum Überwachen von Betriebsparametern des Bohrmeißels und zum Bereitstellen eines dafür kennzeichnenden Signals für die Aufnahmeeinrichtung.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Aufnahmeeinrichtung elektrisch an dem Bohrmeißel angeschlossen ist, um die Signale der Fühler innerhalb des Bohrmeißels zu empfangen.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Verbindungseinrichtung ein Hilfsteil aufweist, und die Aufnahmeeinrichtung und die Sendeeinrichtung innerhalb des Hilfsteils angeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Verbindungseinrichtung eine erweiterte Antriebswelle aufweist und die Aufnahmeeinrichtung sowie die Übertragungseinrichtung innerhalb der erweiterten Antriebswelle angeordnet sind.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend eine Einrichtung, die an die Aufnahmeeinrichtung angeschlossen ist, um die von der Aufnahmeeinrichtung empfangenen Ausgangssignale zu verarbeiten.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Datenübertragungs-Steuereinrichtung außerdem einen Steuersender aufweist und die Datenübertragungs-Steuereinrichtung Befehlssignale erzeugt, die von dem Steuersender gesendet werden, und die Sendeeinrichtung einen Sensor-Empfänger enthält, der die Befehlssignale empfängt und die Befehlssignale an die Verarbeitungseinrichtung weiterleitet.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Verarbeitungseinrichtung einen Speicher zum Speichern der Ausgangssignale aufweist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Fernmeßeinrichtung einen Bohrschlammimpulsgeber enthält.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Datenübertragungs-Steuereinrichtung eine Prozessoreinheit zum Verarbeiten des elektromagnetischen Datensignals enthält.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der die Verarbeitungseinrichtung einen Speicher zum Speichern des elektromagnetischen Datensignals aufweist.
  26. Tiefen-Fernmeßvorrichtung zum Übertragen von Datensignalen zwischen zwei Punkten unten in einem Bohrloch, umfassend: einen Bohrmeißel; eine oberhalb des Bohrmeißels befindliche Impulsgeberstange zum Senden von Bohrschlammimpulsen zu einem in der Nähe der Oberfläche des Bohrlochs befindlichen akustischen Empfängers; ein oberhalb der Impulsgeberstange befindliches Steuermodul, welches elektrisch mit der Impulsgeberstange verbunden ist und sich an einer Stelle unterhalb der Oberfläche unten im Bohrloch und entfernt von dem akustischen Empfänger befindet; eine zwischen der Impulsgeberstange und dem Bohrmeißel befindliche Verrohrung; eine in der Verrohrung angeordnete Sendeeinrichtung zum Senden von Datensignalen; und eine Empfangseinrichtung, die sich innerhalb des Steuermoduls befindet, um die von der Sendeeinrichtung gesendeten Datensignale zu empfangen.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der die Empfangseinrichtung einen ersten Sendeempfänger zum Senden von Befehlssignalen zu der Sendeeinrichtung aufweist und die Sendeeinrichtung einen zweiten Sendeempfänger zum Empfangen der Befehlssignale von der Empfangseinrichtung aufweist.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei de die Verrohrung eine Motoreinrichtung zum Betätigen des Bohrmeißels aufweist.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Motoreinrichtung eine Antriebswelle enthält, die mit dem Bohrmeißel verbunden ist, wobei die Sendeeinrichtung innerhalb der Antriebswelle untergebracht ist.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Verrohrung außerdem, ein Hilfsteil aufweist, welches mit der Motoreinrichtung und mit dem Bohrmeißel verbunden ist, wobei die Sendeeinrichtung in dem Hilfsteil untergebracht ist.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der der Bohrmeißel in Richtung auf das Hilfsteil federbelastet ist.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Motoreinrichtung einen Verdrängermotor aufweist.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 32, bei der der Verdrängermotor ein Biegegehäuse aufweist.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 31, bei der das Hilfsteil einen Druckbehälter aufweist und die Sendeeinrichtung teilweise in dem Druckbehälter aufgenommen ist.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 34, außerdem umfassend einen Batteriepack, der in dem Druckbehälter untergebracht ist, um die Sendeeinrichtung mit Leistung zu versorgen.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Sendeeinrichtung eine ringförmige Antenne aufweist, die außen an dem Hilfsteil gelagert ist.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der der Druckbehälter Teil eines Rückstrompfads zwischen der ringförmigen Antenne und der Sendeeinrichung ist.
  38. Vorrichtung nach Anspruch 31, bei der der Bohrmeißel in sich Fühler zum Überwachen von Betriebsparametern des Bohrmeißels sowie zum Liefern eines dafür kennzeichnenden Signals an die Sendeeinrichtung enthält.
  39. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Sendeeinrichtung in der Motoreinrichtung angeordnet ist.
  40. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei der das Datensignal mittels einer elektromagnetischen Welle gesendet wird.
  41. Vorrichtung nach Anspruch 40, bei der die Sendeeinrichtung eine ringförmige Antenne enthält.
  42. Vorrichtung nach Anspruch 41, bei der die Empfangseinrichtung eine ringförmige Antenne enthält.
  43. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der die Datensignale Betriebsparameter des Bohrmeißels darstellen.
  44. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Datensignale Betriebsparameter der Motoreinrichtung darstellen.
  45. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der die Datensignale Umweltbedingungen bezüglich der Umgebung des Bohrmeißels darstellen.
  46. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Datensignale Umwelbedingungen bezüglich der Umgebung der Motoreinrichtung darstellen.
  47. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der die Datensignale Richtungsinformation bezüglich des Bohrmeißels darstellen.
  48. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der die Datensignale Richtungsinformation bezüglich der Motoreinrichtung darstellen.
  49. Vorrichtung zum Übertragen von Signalen über eine relativ kurze Strecke unten in einem Bohrloch, umfassend: ein an einer Untertage-Stelle befindliches Bauteil unten im Bohrloch; eine Sensoreinrichtung, die sich unterhalb des Bauteils unten im Bohrloch befindet, um mindestens einen der Betriebs-, Umgebungs-und Richtungsparameter unten im Bohrloch zu überwachen und dafür kennzeichnende elektrische Signale bereitzustellen; eine erste Untertage-Sendeempfängereinrichtung, die elektrisch mit der Sensoreinrichtung verbunden ist, die sich an der unteren Seite des Bauteils befindet, um von der Sensoreinrichtung elektrische Signale zu erhalten, und die elektromagnetische Datensignale sendet, die zu den elektrischen Signalen in Beziehung stehen; und eine zweite Unter-Tage-Sendeempfängereinrichtung, die sich oben bezüglich des Bauteils befindet, um die elektromagnetischen Datensignale von der ersten Sendeempfängereinrichtung zu empfangen.
  50. Datenerfassungsvorrichtung auf der Basis einer elektromagnetischen Kurzstreckenverbindung zum Übertragen gemessener Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparameter in einem Bohrloch, umfassend: (a) eine Motoreinrichtung mit einer erweiterten Antriebswelle; (b) eine Einrichtung zum Fühlen mindestens eines der Parameter und zum Erzeugen eines dafür repräsentativen Ausgangssignals, wobei die Fühleinrichtung in der erweiterten Antriebswelle untergebracht ist; (c) eine Übertragungseinrichtung zum Empfangen des Ausgangssignals von der Fühleinrichtung und zum Erzeugen eines elektromagnetischen Datensignals, wobei die Übertragungseinrichtung in der erweiterten Antriebswelle untergebracht ist; und (d) eine Datenübertragungs-Steuereinrichtung, die sich an einer Untertage-Stelle oben bezüglich der Motoreinrichtung befindet, wobei die Datenübertragungseinrichtung eine Empfängereinrichtung zum Empfangen des elektromagnetischen Datensignals aufweist.
  51. Vorrichtung nach Anspruch 50, bei den die Datenübertragungseinrichtung eine Einrichtung zum Senden von Befehlssignalen und die Sendeeinrichtung eine Einrichtung zum Empfangen der Befehlssignale aufweist.
  52. Vorrichtung nach Anspruch 50, weiterhin umfassend: eine an die Sendeeinrichtung und an die Fühleinrichtung angeschlossene Batterie zur Stromversorgung, wobei die Batterie in der erweiterten Antriebswelle untergebracht ist.
  53. Vorrichtung nach Anspruch 52, bei der die erweiterte Antriebswelle einen Druckbehälter aufweist, in welchem die Batterie angeordnet ist.
  54. Vorrichtung nach Anspruch 53, bei der die Fühleinrichtung in einem Sensormodul innerhalb des Druckbehälters angeordnet ist.
  55. Vorrichtung nach Anspruch 54, bei der der Druckbehälter Orientierungs-Führungsstifte enthält, die in dem Sensormodul aufgenommen werden.
  56. Vorrichtung nach Anspruch 54, bei der die Fühleinrichtung aus Aluminium gefertigt und mit Glasfasermaterial überzogen ist.
  57. Datenerfassungsvorrichtung auf der Basis einer elektromagnetischen Kurzstreckenverbindung zum Senden von gemessenen Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparametern bezüglich eines Bohrmeißels und/oder eines Motors über eine kurze Strecke in einem Bohrloch, umfassend: (a) eine Einrichtung zum Fühlen mindestens eines der Parameter und zum Erzeugen eines dafür repräsentativen Ausgangssignals, wobei die Fühleinrichtung in einem Hilfsteil unterhalb des Motors untergebracht ist; (b) eine Sendeeinrichtung zum Empfangen des Ausgangssignals von der Fühleinrichtung und zum Erzeugen eines elektromagnetischen Datensignals, wobei die Sendeeinrichtung ebenfalls in dem Hilfsteil untergebracht ist; (c) eine Datenübertragungs-Steuereinrichtung, die sich bezüglich des Motors oben befindet, wobei die Datenübertragungseinrichtung enthält: (1) eine Empfangseinrichtung, die eine kurze Strecke von der Sendeeinrichtung entfernt angeordnet ist, um das elektromagnetische Datensignal zu empfangen, und (2) eine Fernmeßeinrichtung zum Übermitteln von Information des elektromagnetischen Datensignals zu der Oberfläche; (d) eine an die Sendeeinrichtung und an die Fühleinrichtung angeschlossene Batterie für die Stromversorgung, wobei die Batterie in dem Hilfsteil untergebracht ist.
  58. Verfahren zum Übermitteln von Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparametern aus der Nähe eines Bohrmeißels um einen Motor herum zur Oberfläche eines Bohrlochs, umfassend die Schritte: (a) Fühlen mindestens eines der Parameter; (b) Senden eines für den gefühlten Parameter kennzeichnenden elektromagnetischen Signals über eine kurze Strecke von unterhalb des Motors; (c) Empfangen des elektromagnetischen Signals an einem Punkt oberhalb des Motors; (d) Umsetzen zumindest eines Teil des elektromagnetischen Signals in ein Schlammimpulssignal; und (e) Senden des Schlammimpulssignals zu der Oberfläche.
  59. Verfahren zum Übermitteln von Parametern, die in der Nähe eines Bohrmeißels gemessen wurden, zu einem Punkt oberhalb eines Motors, umfassend die Schritte: (a) Senden eines Befehlssignals von dem Punkt oberhalb des Motors aus; (b) Empfangen des Befehlssignals an einem Punkt in einer unter dem Bohrloch befindlichen Anordnung unterhalb des Motors; (c) Entschlüsseln des Befehlssignals, um den gewünschten Parameter festzustellen; (d) Fühlen des gewünschten Parameters; (e) Senden eines für den gefühlten Parameter kennzeichnenden Signals über eine relativ kurze Strecke von unterhalb des Motors; (f) Empfangen des Signals an einem Untertage-Punkt oberhalb des Motors und innerhalb der relativ kurzen Strecke; (g) Analysieren des Signals, um die für den gewünschten Parameter kennzeichnende Information wiederzuerlangen.
  60. Verfahren nach Anspruch 59, bei dem das Befehlssignal der Schritte (a)-(c) ein elektromagnetisches Signal ist.
  61. Verfahren nach Anspruch 60, bei dem das Signal der Schritte (e)-(g) ein elektromagnetisches Signal ist.
  62. Verfahren zum Übermitteln von Parametern, die in der Nähe eines Bohrmeißels in einem Bohrloch gemessen werden, zu einem Punkt oberhalb eines Motors, umfassen die Schritte: (a) Senden eines Befehlssignals von einem ersten Tiefenpunkt in einer Untertage-Anordnung oberhalb des Motors bei einer Vielfalt von Frequenzen, wobei der erste Untertage-Punkt von der Oberfläche des Bohrlochs entfernt ist; (b) Empfangen des Befehlssignals an einem zweiten Unter-tage-Punkt unterhalb des Motors; (c) Bestimmen der Frequenz, die den besten Rauschabstand für die Übertragung von dem ersten Untertage-Punkt zu dem zweiten Untertage-Punkt liefert; (d) Senden eines Signals von dem zweiten Untertage-Punkt zu dem ersten Untertage-Punkt, welches kennzeichnend für den gewünschten Parameter ist, bei einer Frequenz mit dem besten Rauschabstand.
  63. Vorrichtung zum Messen von Parametern in der Nähe des Bohrmeißels, umfassend: eine unten im Bohrloch befindliche Anordnung, die einen Bohrmeißel enthält; einen Tiefen-Motor innerhalb der im Bohrloch befindlichen Anordnung, und oberhalb des Bohrmeißels gelegen; ein Sensormodul innerhalb der im Bohrloch befindlichen Anordnung und zwischen dem Bohrmeißel und dem Motor gelegen, wobei das Sensormodul eine erste Sendeempfangseinrichtung und eine Verarbeitungseinrichtung enthält; ein Steuermodul in der unten im Bohrloch befindlichen Anordnung, und oberhalb des Motors gelegen, wobei das Steuermodul eine zweite Sendeempfangseinrichtung aufweist; wobei die zweite Sendeempfangseinrichtung ein Schallsignal bei einer Vielfalt von Frequenzen emittiert, die von der ersten Sendeempfangseinrichtung erfaßt werden, und die Prozessoreinrichtung die empfangenen Signale analysiert, um zu bestimmen, welche Frequenz den besten Rauschabstand aufweist.
  64. Datenerfassungsvorrichtung auf der Grundlage einer elektromagnetischen Kurzstreckenverbindung für die Übertragung gemessener Betriebs-, Umgebungs- und Richtungsparameter in einem Bohrloch, umfassend: (a) eine mit einem Bohrmeißel abschließende Anordnung unten im Bohrloch; (b) ein Bauteil unten im Bohrloch; (c) eine Verbindungseinrichtung zum Verbinden des Bauteils unten im Bohrloch mit dem Bohrmeißel; (d) eine Einrichtung zum Fühlen mindestens eines der Parameter und zum Erzeugen eines dafür kennzeichnenden Ausgangssignals, wobei die Fühleinrichtung in der Verbindungseinrichtung untergebracht ist; (e) eine Sendeeinrichtung zum Empfangen des Ausgangssignals von der Fühleinrichtung und zum Erzeugen eines elektromagnetischen Datensignals, wobei die Sendeeinrichtung in der Verbindungseinrichtung untergebracht ist; (f) eine Datenübertragungs-Steuereinrichtung, die sich oben bezüglich des unten im Bohrloch befindlichen Bauteils befindet, wobei die Datenübertragungs-Steuereinrichtung eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des elektromagnetischen Datensignals aufweist.
  65. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Motoreinrichtung eine Relativbewegung an einem Ende des Motors bezüglich des anderen Motorendes hervorruft, um den Bohrmeißel zu betätigen.
  66. Vorrichtung nach Anspruch 65, bei der die Fühleinrichtung in der Verbindungseinrichtung angeordnete Formationssensoren enthält.
  67. Vorrichtung nach Anspruch 65, bei der die Fühleinrichtung Betriebssensoren enthält, die in der Verbindungseinrichtung angeordnet ist.
  68. Vorrichtung nach Anspruch 65, bei der die Fühleinrichtung Richtungssensoren aufweist, die in der Verbindungseinrichtung angeordnet sind.
  69. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Fühleinrichtung Formationssensoren aufweist, die sich in der erweiterten Antriebswelle befinden.
  70. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Fühleinrichtung Richtungssensoren aufweist, die in der erweiterten Antriebswelle angeordnet sind.
  71. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Sendeeinrichtung eine Antenne aufweist, die außen an der erweiterten Antriebswelle gelagert ist.
  72. Vorrichtung nach Anspruch 64, bei der die Fühleinrichtung einen in der Verbindungseinrichtung gelegenen Umgebungsfühler enthält.
  73. Vorrichtung nach Anspruch 64, bei der die Fühleinrichtung einen in der Verbindungseinrichtung gelegenen Betriebsfühler enthält.
  74. Vorrichtung nach Anspruch 64, bei der die Fühleinrichtung einen in der Verbindungseinrichtung gelegenen Richtungssensor enthält.
  75. Vorrichtung nach Anspruch 64, bei der die Verbindungseinrichtung eine Antriebswelle eines Motors aufweist und die Sendeeinrichtung eine Antenne enthält, die außen an der Antriebswelle gelagert ist.
  76. Vorrichtung nach Anspruch 74, außerdem enthaltend ein Host-Modul, das elektrisch mit der Datenübertragungs-Steuereinrichtung verbunden ist.
  77. Vorrichtung nach Anspruch 76, bei der die Datenübertragungs-Steuereinrichtung das von der Fühleinrichtung empfangene Datensignal verarbeitet, um ein für den gefühlten Parameter repräsentatives elektrisches Signal zu erhalten, und die Steuereinrichtung das repräsentative elektrische Signal zu dem Host-Modul sendet.
  78. Vorrichtung nach Anspruch 77, bei der das Host-Modul zusätzlich zum Empfangen des repräsentativen elektrischen Signals von dem Steuermodul auch elektrische Datensignale von anderen Sensormodulen unten im Bohrloch empfängt.
  79. Vorrichtung nach Anspruch 78, bei der das Host-Modul die elektrischen Datensignale verarbeitet, um ein codiertes Signal zu bilden, welches an einen Oberflächenempfänger gesendet wird.
  80. Vorrichtung nach Anspruch 78, bei der das Host-Modul einen Teil der elektrischen Datensignale speichert.
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