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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur tiefenabhängigen Messung der physikalischen, mechanischen bzw. stratigraphischen Eigenschaften, insbesondere der Härte von Gesteinsschichten während der Bohrung an
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Zeitpunkt des Eingriffs des Bohrwerkzeuges.
Frühere Versuche dieser Art gründeten sich darauf, die Amplitude der Spannungen im oberen Teil des Bohrschaftes mit den mechanischen Gesteinseigenschaften zu korrelieren, wobei diese Versuche jedoch infolge des Gemischcharakters des empfangenen Signals zum Scheitern verurteilt waren.
Demzufolge liegt es in der Zielsetzung der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Gesamtinformation in der Form weiterverarbeitet, dass sofort eine Information zur Verfügung steht, die sich auf die jeweiligen Gesteinseigenschaften der jeweils bearbeiteten Schichten bezieht.
Weiterhin bezweckt die erfindungsgemässe Vorrichtung ein Signal zu liefern, das die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des vom Bohrer gerade erfassten Gesteins ausdrückt, auf dessen Grundlage und nachfolgender Auswertung wieder Befehle zur automatischen Bohrsteuerung ausgearbeitet bzw. gegeben werden können.
Ferner liegt es in der Zielsetzung der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Bohrvorschub ein Diagramm für die einzelnen Widerstandswerte (Diagraphie) liefert, aus dem die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des vom Bohrwerkzeug angetroffenen Gesteins ablesbar sind.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es in Abhängigkeit der jeweiligen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges möglich, eine Grösse zu erhalten, die in direktem Bezug zu den physikalischen, mechanischen und stratigraphischen Eigenschaften des jeweils vom Bohrwerkzeug angetroffenen Gesteins steht.
Gemäss der Erfindung ist die Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Punkt der Bohrvorrichtung ein Schwingungswandler angeordnet ist, der insbesondere aus einem einzigen Beschleunigungsmesser oder aus einem Paar von Wegmessern besteht und der die Vibrationen der Bohrvorrichtung in ein elektrisches Signal umsetzt, dass für dieses Signal ein elektrisches Filter zur Ausfilterung von Störsignalen vorgesehen ist, das nur ein vorbestimmtes Frequenzband des elektrischen Signals durchlässt, dass in Reihe dazu ein zweites elektrisches Filter angeordnet ist, dessen Mittelfrequenz gleich dem Produkt aus der Umdrehungszahl/min des Bohrwerkzeuges und der Anzahl der Angriffselemente dieses Bohrwerkzeuges (z. B. auf einer der Zahnreihen eines z.
B. aus drei Rädern bestehenden Bohrmeissels) und dessen Bandbreite kleiner als die des ersten elektrischen Filters ist, dass ein Spannungsmesser zur Ermittlung der Amplituden des gefilterten Signals nachgeschaltet ist, und dass ein Gerät zur Anzeige und/oder Aufzeichnung dieser Spannungsamplituden in Relation zur jeweiligen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges vorgesehen sind.
Es sei dabei erwähnt, dass die hier Wegmesser genannten Vorrichtungen in der Praxis auch als
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einen am Bohrgestänge angebrachten Massaufbaus Signale abzugreifen, die die Vibrationen des Bohrgestänges an diesen Punkten wiedergeben, ferner die Werte von Störspannungen, die oberhalb zweier vorherbestimmter Pegel liegen sowie solche umgekehrten Vorzeichens jedoch innerhalb dieser Pegel liegende zusammenzufassen, um somit ein Signal zu isolieren und schliesslich ein Frequenzband auszuwählen, das auf eine Frequenz zentriert wird, die gleich dem Produkt aus Umdrehungszahl/min des Werkzeuges multipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente des Werkzeuges ist, um hernach die Amplitude des somit ausgewählten Signals zu messen, deren Wert wieder in direktem Zusammenhang mit den lithologischen Eigenschaften des vom Werkzeug während des Bohrvorganges erfassten Gesteins steht,
wonach dieser Wert mit der jeweiligen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges zu korrelieren ist.
Ein bisher unerwartetes Moment, das während der Untersuchungen, die schliesslich zur Erfindung geführt haben, auftrat, liegt darin, dass die Amplitude des zur Beseitigung der Störanteile behandelten Signals innerhalb eines Frequenzbandes liegt, das auf eine Frequenz zentriert ist, die gleich dem Produkt aus Drehzahl/min multipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente des Bohrwerkzeuges ist und wodurch Aufschlüsse über die lithologischen Eigenschaften des Gesteins möglich sind.
Das eigentliche Spektrum bzw. Sendespektrum des Bohrwerkzeuges, d. h. das Frequenzspektrum jener Frequenzen, die bei der Zerstörung des Gesteins durch die Angriffselemente des Bohrwerkzeuges entstehen, ändert sich jeweils mit der Drehzahl/min des Bohrwerkzeuges sowie mit der Anzahl der dieses Bohrwerkzeug bildenden Angriffselemente. Das ohne Filterung empfangene Frequenzspektrum ist infolge des Verbundcharakters durch die übertragungsfunktion des Bohrgestänges nicht auswertbar. Eine Filterung dieses Signals innerhalb des oben bezeichneten Frequenzbandes ermöglicht hingegen die Aussonderung eines Aufschluss gebenden Signals, da die auftretenden Störanteile ausgefiltert werden.
Die Angriffselemente des Bohrwerkzeuges werden z. B. durch die Anzahl der Bohrmeisselräder bzw. die Anzahl der Zähne auf einer der Zahnreihen eines Bohrmeisselrades bei Bohrmeisselwerkzeugen bzw. durch die Anzahl der diamantbesetzten Stellen bei Diamantwerkzeugen bestimmt. Als Beispiel sei angeführt, dass bei Bohrmeisselwerkzeugen die Anzahl der Meisselräder, die als Primärangriffselemente anzusehen sind, je nach
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Fall 2,3 oder 4 beträgt. Darüber hinaus ist die Anzahl der Zähne, die sich auf jedem Bohrmeisselrad befinden, unterschiedlich, ist z. B. eine Zahl von 20 Zähnen in etwa für die äussere Zahnreihe anzusetzen, so beträgt die mittlere Anzahl für die Zwischenreihe des Meisselrades 8 bis 10 Zähne.
Bei Diamantwerkzeugen wird in gleicher
Weise die Anzahl der Angriffselemente durch die Zahl der diamantbesetzten Stellen bestimmt, die jeweils durch
Kanäle voneinander getrennt sind.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei Schwingungswandler und ein Kombinationsglied vorgesehen, welches die algebraische Summe oder die Differenz der beiden Signale bildet.
Es ist dabei weiters vorteilhaft, wenn sich die beiden Schwingungswandler auf zwei gegenüberliegenden
Mantellinien von Teilen der Bohrvorrichtung befinden. Im besonderen ist es günstig, wenn sich die beiden
Schwingungswandler bei Aufnahme von Längsschwingungen in einem Abstand von 2 cm bis 9 m axial versetzt auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien befinden.
Während der inzwischen durchgeführten Prüfungen wurde eine Qualitätsverbesserung der Beziehungen zwischen Amplitude des verarbeiteten Signals und den Gesteinseigenschaften dann beobachtet, wenn die
Vibrationssignale paarweise aufgenommen wurden. Die Erklärung dieser Erscheinung liegt wahrscheinlich in der durch Verwendung zweier gegenüberstehender Aufnahmegeräte verbesserten Unterdrückung von nicht auswertbaren Vibrationen, die beispielsweise durch Gestängeübertragung entstehen.
Innerhalb einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform wird zumindest ein Signal entsprechend den
Längsschwingungen des Bohrgestänges abgegriffen, insbesondere wenn es sich um Bohrwerkzeuge mit
Meisselrädern handelt. Hiezu ist eine vorteilhafte erfindungsgemässe Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Schwingungswandler für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale Beschleunigungsmesser sind, deren elektrische Achsen parallel zur Achse des Bohrgestänges verlaufen. Eine andere günstige
Ausführungsform liegt darin, dass die Schwingungswandler für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale mindestens zwei Wegmesser sind, die parallel zur Achse des Bohrgestänges angeordnet sind.
Gemäss einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform wird ein Signal für Torsionsschwingungen abgegriffen, z. B. wenn mit Diamanten besetzte Bohrwerkzeuge verwendet werden.
Demgemäss sind nach einer Weiterbildung der Erfindung der bzw. die Schwingungswandler für die den
Torsionsschwingungen entsprechenden Signale Beschleunigungsmesser, deren elektrische Achsen senkrecht zur
Achse des Bohrgestänges verlaufen. Nach einer anderen Weiterbildung sind die Schwingungswandler für die den
Torsionsschwingungen entsprechenden Signale mindestens zwei Wegmesser, die in einer um 450 gegenüber der
Achse des Bohrgestänges geneigten Ebene angeordnet sind.
Zur erfindungsgemässen Signalaufnahme können sich der bzw. die Schwingungswandler im oberen Teil der
Bohrvorrichtungen befinden. In vielen Fällen ist es aber auch vorteilhaft, wenn sich der bzw. die
Schwingungswandler innerhalb eines Messeinsatzes im unteren Teil der Bohrvorrichtung befinden und eine Übertragungseinrichtung zur Übermittlung des der Amplitude des gefilterten Signals entsprechenden Signals an die Oberfläche vorgesehen ist, wobei vorzugsweise die Gestängeführung einen Teil der Übertragungseinrichtung bildet und dazu ein mit einer Muffe fest verbundener magnetostriktiver Stab vorgesehen ist, dessen Erregung mit der Amplitude des Signals selbst moduliert wird, wobei diese Muffe zwischen den Schwerstangen eingebaut ist oder das Ventil für den Schlammstrom einen Teil der Übertragungseinrichtung bildet,
so dass die übertragung des
Signals an die Oberfläche durch den Schlammstrom bewirkt wird, dessen Druck durch die Amplitude des Signals, das auf das Ventil einwirkt, selbst moduliert wird.
Befinden sich die Schwingungswandler im oberen Teil der Bohrvorrichtung, so erfolgt die Aufnahme der Längsschwingungen oberhalb des Antriebstisches, während die Signalaufnahme für die Torsionsschwingungen unterhalb dieses Tisches vorgenommen wird. Die jeweilige Lage der Aufnahmegeräte richtet sich nach der Art der aufzunehmenden Schwingungen und bedarf in Fachkreisen keiner näheren Erläuterung. Befinden sich die Schwingungswandler in Nähe des Bohrwerkzeuges, so erfolgt jegliche Signalabnahme von vornherein unterhalb des Drehtisches, wobei lediglich die Lage der einzelnen Aufnahmegeräte für die Art der gemessenen Schwingungswerte entscheidend ist.
Wenn sich die Schwingungswandler im oberen Teil der Bohrvorrichtung befinden, so wird das aufgenommene Signal in einer elektronischen Einheit weiterverarbeitet, die sich in Nähe des Aufnahmepunktes des Signals befindet, das nach der Verarbeitung mit dem Wert für die Bohrtiefe korreliert wird.
Im zweiten Fall wird das Signal im Bohrschacht verarbeitet, wobei das Signal für die Amplitude des ausgewählten Signals an die Oberfläche übertragen wird. Dies kann z. B. entweder über die Stangen mit Hilfe eines hiefür geeigneten Gerätes (z. B. ein magnetostriktiver Stab oder ein piezoelektrischer Kristall) oder über den Schlammstrom, dessen Druck beispielsweise über ein Ventil beeinflusst wird, geschehen.
Unabhängig davon, ob sich die Schwingungswandler am oberen Teil der Bohrvorrichtung oder an einem dem eigentlichen Werkzeug näheren Platz befindet, lassen sich die nachstehend beschriebenen Vorrichtungen für diese beiden Stellen zusammenfassen, wobei diese Vorrichtung insbesondere mit einem Aufnahmegeräte-Paar arbeiten. Ohne dass hiedurch Fälle ausserhalb der Erfindung entstünden, liesse sich bei einer Signalaufnahme durch lediglich ein Aufnahmegerät ein hiezu analoges Schema verwenden.
Die am oberen Teil der Bohrvorrichtung bzw. nahe dem Bohrwerkzeug verwendete Vorrichtung kann
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folgendermassen ausgebildet sein :
Bei einer ersten Ausführungsform können zwei Beschleunigungsmesser für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien einer Muffe zwischen dem Einspritzkopf und der Antriebsstange bzw. im Messeinsatz vorgesehen sein, wobei diese Beschleunigungsmesser auf senkrecht zur
Muffenachse bzw. Messeinsatzachse stehenden, axial versetzten Auskragungen ruhen und fest mit diesen verbunden sind.
Bei einer zweiten Ausführungsform können zwei Beschleunigungsmesser für die den Torsionsschwingungen entsprechenden Signale auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien des unteren Teiles der Antriebsstange der
Bohrvorrichtung bzw. des Messeinsatzes vorgesehen sein, wobei diese Beschleunigungsmesser auf parallelen in
Achsrichtung der Antriebsstange verlaufenden Auskragungen ruhen und deren elektrische Achsen entgegengesetzt gerichtet sind und parallel verlaufen.
Bei einer dritten Ausführungsform können zwei Wegmesser für die den Längsschwingungen entsprechende
Signale auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien einer Muffe zwischen dem Einspritzkopf und der Antriebsstange bzw. im Messeinsatz vorgesehen und axial gegeneinander versetzt sein.
Bei einer vierten Ausführungsform können zwei Wegmesser für die den Torsionsschwingungen entsprechende Signale am unteren Teil der Antriebsstange der Bohrvorrichtung bzw. im Messeinsatz an zwei entgegengesetzten Punkten vorgesehen sind und in einer Ebene liegen, die 450 gegenüber der Achse der Antriebsstange bzw. des Messeinsatzes geneigt ist.
Die erste und die dritte Ausführungsform wird vorzugsweise in Fällen verwendet, in denen Längsschwingungen untersucht werden sollen, wodurch ein Aufschluss gebendes Signal entsteht, das beispielsweise für Schlagbohrwerkzeuge, wie z. B. Werkzeuge mit Bohrmeisselrädern, anwendbar ist, während die zweite und die vierte Ausführungsform vorzugsweise dann herangezogen wird, wenn ein Arbeitssignal zum Betrieb von Diamant-Werkzeugen benötigt wird.
Bei diesen Ausführungsformen können jeweils nur ein Schwingungswandler oder auch mehrere, vorzugsweise paarweise, verwendet werden.
Zum besseren Verständnis der nun folgenden Beschreibung von Beispielen der Vorrichtung dienen die beiliegenden Zeichnungen, wobei Fig. 1 ein Übersichtsschema der auf die Bohrvorrichtung montierten erfindungsgemässen Vorrichtung, Fig. 2 ein Montagedetail der auf eine Muffe zwischen Einspritzkopf und Antriebsstange montierten Beschleunigungsmesser, Fig. 3 ein Montageschema für Wegmesser auf einer Muffe zwischen Einspritzkopf und Antriebsstange (Antriebsvierkant), Fig. 4 das Schaltschema eines Störspannungsfilters, insbesondere für den Fall, dass die Beschleunigungsmesser als Aufnahmegeräte verwendet werden, Fig. 5 ein Schaltschema eines Filters zur Frequenzbandauswahl, Fig.
6 zwei Diagraphien (Diagramme der einzelnen Widerstandswerte des bearbeiteten Gesteins), wobei die linke Diagraphie ein akustisches Diagramm darstellt, das in klassischer Weise nach dem Bohrvorgang aufgestellt wurde, während es sich bei der rechten Diagraphie um eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhaltene und während der Bohrung vorgenommene Messdarstellung handelt, Fig. 7 eine Ausführungsform mit Signalabnahme im Bohrschacht, Fig. 8 ein Detail der Darstellung von Zeichnung 7, Fig. 9 ein Schema des Aufbaues eines am oberen Teil der Bohrvorrichtung vorgesehenen Gerätes zur Aufnahme des vom in Zeichnung 8 dargestellten Gerätes gelieferten Wellencharakters und Fig. 10 eine Reihe von Filtern jeweils angrenzenden Frequenzspektrums, die je nach Geschwindigkeit der Bohrvorrichtung zugeschaltet werden, zum Gegenstand haben.
In Fig. 1 wurde bei--l--ein Bohrturm dargestellt, bei--2--der obere Teil des Bohrturmes mit der Rollenanordnung-3-. Mit--4-wurden die Kabel dargestellt, die eine Reihe von Rollen --3-- mit dem Block der beweglichen Rollen--5--verbinden. An diesem Block--5--ist ein Haken--6-
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die einerseits mit dem Einspritzkopf--7--und anderseits mit einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Schlammpumpenaggregat verbunden ist. Mit--9--wurde die Antriebsstange der Bohrvorrichtung bezeichnet.
Diese Antriebsstange hat oft die Form eines Vierkantes und wird demzufolge innerhalb des folgenden Beschreibungsteiles als"Antriebsvierkant"bezeichnet.
Diesen Antriebsvierkant--9--wird durch den Drehtisch--10--in Rotation versetzt, der wieder durch einen nicht in den Zeichnungen dargestellten Motor angetrieben wird. Mit --11-- wurde schematisch ein Bohrschacht angedeutet, während das Bohrgestänge bei--12--dargestellt ist. Dieses Bohrgestänge weist an seinem unteren Ende das mit --20-- bezeichnete Bohrwerkzeug, z.
B. den Bohrmeissel auf. Bei --13-- liegt zwischen Einspritzkopf--7-und Antriebsvierkant--9--ein Schwingungsmessgerät, das in den folgenden Zeichnungen näher beschrieben wird. Mit--14--wurde das Kabel bezeichnet, das die Verbindung zwischen
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Bohrvorschubsmessung beeinflusst zeitabhängig die jeweilige Stellung des Bohrwerkzeuges-20--, z. B. des Bohrmeissels.
In Fig. 2 wurde im Detail das Schwingungsmessgerät --13-- aus Fig.1 dargestellt. Dieses Messgerät weist eine Muffe--21--auf, die den Einspritzkopf--7--mit dem Antriebsvierkant-9--verbindet. Die Muffe ist an ihrem oberen Teil mit einem Innengewinde und an ihrem unteren Teil mit einem Aussengewinde versehen.
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--21a-- wurdeIsolierblock-24--und durch den festen Teil --22-- gehalten, befindet sich ein Isolierblock--26-. Dieser Isolierblock --26-- trägt eine Reihe von Abnehmern, die mit den Bezugsziffern --27a, 27b, 27c und
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--28-- verbunden.Herausführung dieser Kabel aus dem Gerät erfolgt über eine mit --30-- bezeichnete Schutzvorrichtung.
Bei --29-- ist ein von der Muffe gehaltenes Lager sowie eine Stopfbuchse dargestellt, die die zwischen der Muffe --21-- und dem äusseren Teil--22--gelegene Kammer abdichtet. Diese Abdichtung muss verhältnismässig gut ausgeführt sein, um eine Verschmutzung der Schleifringe -- 25-- sowie der Abnehmer-27-
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einer Impedanzanpassungsschaltung-32--verbunden. Diese Impedanzanpassungsschaltung, die z. B. durch einen Feldeffekttransistor dargestellt wird, besitzt eine Eingangsimpedanz von mehreren Megohm und eine Ausgangsimpedanz in der Grössenordnung eines Kiloohm und ist einerseits über ein Messkabel mit einem der
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--36-- wurdeZentimeter höher als der erste liegt.
Dieser Beschleunigungsmesser --36-- ist ebenfalls über ein Kabel --36a-- mit einer Impedanzanpassungsschaltung --37-- mit zwei Ausgängen verbunden, wovon der eine mit dem Ring--25c-, der andere mit dem Ring --25b-- verbunden ist. Die-Verbindungen erfolgen über die Kabel-38 und 39--.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante eines Schwingungsmessgerätes-13--. Eine Muffe --40-- weist an
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Kammer bildende Abdeckung--43--steht demnach während des Betriebes der beschriebenen Vorrichtung fest.
Der Isolierblock-42-ist mit einer Anzahl von Schleifringen --45a, 45b, 45c und 45d-versehen,
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aufgenommenen Grössen werden unter Berücksichtigung der mechanischen Koeffizienten in einer Messbrücke umgekehrt bzw. gegenübergestellt. Die Abnehmer --51a, 51b, 51c und 51d-schleifen auf den Ringen
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Von den in Fig. 2 und 3 gezeigten Vorrichtungen können zwei Varianten abgeleitet werden. Die Schwingungswandler, unabhängig davon, ob es sich um Beschleunigungsmesser oder um Wegmesser handelt, können auch an einem andern Punkt der Bohrvorrichtung angeordnet werden, z. B. unterhalb des Drehtisches. In den Antriebsvierkant--9--sind dabei z.
B. zwei Längsschlitze eingearbeitet, um dort die Leitungen zu verlegen, die die Schwingungswandler mit der Einheit der Schleifringe und Abnehmer verbinden. Die Beschleunigungsmesser liegen dabei in Aussparungen am Ansatz des Antriebsvierkants--9--und zwar in der Weise, dass die aktiven Flächen parallel zur Achse des Antriebsvierkants stehen und kraftschlüssig mit den Auskragungen dieser Antriebsstange verbunden sind, wobei sich die aktiven Flächen der beiden Beschleunigungsmesser in derselben Ebene zu beiden Seiten der Achse des Antriebsvierkants befinden.
Fig. 4 zeigt die Einheit eines Filters und Verstärkers, die die algebraische Summe der beiden Signale bildet und den auf Schläge zurückführenden Störanteil des Signals aussiebt. Im Beispiel der Fig. 2 ergeben die von den Beschleunigungsmessern gelieferten Signale um 1800 phasenverschobene Signale und werden auf die beiden
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Verstärkers wurde eine Diode--57--eingeschaltet. Am Ausgang -56c-- dieses Differenzverstärkers wird ein regelbarer Widerstand angeschlossen und zwar in der Form, dass dieser Widerstand eine Gegenkopplung des Differenzverstärkers vornimmt und die Verstärkung dieses letztgenannten auf einen Wert von nahezu 20 begrenzt wird.
Zwischen dem negativen Eingang--56a--des Differenzverstärkers und dem Ausgang--56c--werden die Kapazitäten--59a, 59b, 59c--angeschlossen, die zusammen ein Filter bilden, das die Signale oberhalb eines vorher festgelegten Wertes stark dämpft, wobei dieser Grenze im genannten Aufbau in etwa bei 5 kHz liegt.
Zwischen den Klemmen--56a und 56c--wird ebenfalls eine Doppelserie Dioden--60 und 61-eingeschaltet. Die erste Serie--60--ist in der Form geschaltet, dass eine Leitung in Richtung von--56a und 56c--gegeben ist, während die zweite Serie--61--so geschaltet ist, dass eine Leitung in Richtung von --56c nach 56a--gegeben ist. Die Anzahl der Dioden bestimmt hiebei die Schwellspannung des Gerätes. Mit Hilfe dieser zwei Serien von Dioden erhält man eine Spitzenschwelle in der Grössenanordnung von 1, 2 V, d. h.,
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In Fig. 5 wurde eine Frequenzauswahlschaltung dargestellt. Am Eingang --63-- erhält man das von den Klemmen--56c und 62--ausgehende Signal des in Fig. 4 dargestellten Gerätes. Dieses Signal wird über die beiden Transistoren--64 und 65--, die als Impedanzanpassungsschaltungen arbeiten, zu einem
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an die beiden Eingänge eines dritten Differenzverstärkers --71-- übertragen werden. Man fügt somit die positiven und negativen Amplitudenteile des Schwingungssignales wieder zu und erhält am Ausgang--72--ein Signal, das die Maximalamplitude des Frequenzbandes des vom Filter --67-- ausgewählten Signales darstellt.
Diese elektrische Grösse steht nunmehr zur Verfügung, um entweder aufgezeichnet oder für die automatische Bohrsteuerung verwendet zu werden. Die Aufzeichnung bzw. Übernahme erfolgt nun in Abhängigkeit von der jeweiligen Arbeitstiefe des Werkzeuges, wobei für die Vorschubsteuerung oder Übernahme des Signales ein Aufnahmegerät zur Bestimmung der augenblicklichen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges hinzugezogen wird.
In Fig. 6 ist eine akustische Diagraphie--73--dargestellt, die für eine Gasbohrung erstellt wurde. Bei --74-- ist die Diagraphie dargestellt, die mit der erfindungsgemässen Vorrichtung erhalten wurde. Die Zahlenwerte auf der mittleren Geraden bezeichnen die Tiefen in Metern, in denen sich das Gestein befindet, dessen Eigenschaften durch beide Verfahren untersucht werden sollen. Es fällt hiebei auf, dass der allgemeine Verlauf beider Diagraphien ähnlich ist und dass insbesondere die Zonen, innerhalb derer die Schallgeschwindigkeit hoch ist, den Zonen entsprechen, für die die Amplitude des mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung gemessenen Schwingungssignal hohe Werte aufweist.
Zu bemerken wäre ferner noch, dass die mechanische Diagraphie--74--bei der Bohrung selbst angefertigt wurde, während die
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Ultraschall-Sender/Empfängers erstellt, der bei bekannter Messtiefe im Bohrschacht bewegt wird. Eine Schwingungsfolge wird vom Sender ausgestrahlt und anschliessend vom Empfänger wieder aufgenommen. Die Messung der Laufzeit bestimmt die Schallgeschwindigkeit im Gestein durch die Beziehung
T = VL, wobei T die Laufzeit und
V die Schallgeschwindigkeit und
L die Entfernung Sender-Empfänger ist.
Hiezu im Gegensatz stellt in der Diagraphie --74-- die Amplitude der Kurve die Amplitude des gemäss der Erfindung verarbeiteten Signales dar.
Ebenfalls zu bemerken ist die Ähnlichkeit der Signale. Insbesondere bei einer Tiefe von etwa 1340 m fallen zwei Spitzen zusammen. Die gleiche Neigung beobachtet man für die beiden Signale bei einer Tiefe zwischen 1335 und 1340 m. Die gleiche Erscheinung wiederholt sich zwischen 1370 und 1380 Metern. Eine abnehmende Tendenz zeigt sich bei etwa 1390 m.
Man erkennt somit, dass die gemäss der Erfindung durchgeführte Messung sich proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gestein verhält, wovon letztere sich wieder korrelativ zur Gesteinshärte und Kompaktheit verhält.
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Analoge Zusammenhänge erhält man auch mit der sogenannten "Gamma-ray-neutron"-Diagraphie bzw. der
Diagraphie der Gesteinsdichte.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung kann wie folgt beschrieben werden.
Mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Beschleunigungsmesser--31 und 36--, die sich auf der Muffe - befinden, die an der mit--13--bezeichneten Stelle (in Fig. l) angeordnet ist, werden
Beschleunigungswerte aufgenommen, die auf die Längsschwingungen zurückzuführen sind, die durch das Arbeiten des Bohrwerkzeuges in der Bohrvorrichtung erzeugt werden. Die von diesen Beschleunigungsmessern abgegebenen
Spannungen werden von den Impedanzanpassungsschaltungen--32 und 37-weiterverarbeitet. Die abgegebene
Spannung niedriger Impedanz wird über das Schleifring/Abnehmersystem zu einem Differenzverstärker und
Spannungsbegrenzer übertragen (siehe Fig. 4). Auf diese Weise werden die Signalkomponenten, die oberhalb von
5 kHz liegen, ausgesiebt, desgleichen Amplituden, die oberhalb des Wertes von etwa 1, 2 V liegen.
Das von dem in Fig. 4 dargestellten Gerät abgegebene Signal wird an den Eingang des in Fig. 5 dargestellten
Filters übertragen, der eine Filterung in einem Frequenzband zwischen 40 und 100 Hz vornimmt. Dieses
Frequenzband ist auf die Frequenz von 70 Hz zentriert, was einer Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges von
210 Umdr/min entspricht und wodurch eine Erregungsfrequenz der Bohrvorrichtung von 70 Hz entsteht. Bei jeder Umdrehung des Bohrgestänges werden durch die äussere Zahnreihe des Bohrmeisselrades--20-
Elementarimpulse abgegeben. Es hat sich gezeigt, dass diese genannte Aussendung der Elementarimpulse gegenüber Aussendungen von Rädern oder Zähnen der mittleren Reihe vorherrschend ist.
Verwendet man hingegen ein Filter mit abweichendem Frequenzband, so könnten die Schwingungen durch Räder oder Zähne der mittleren Reihe analysiert werden. Es ist darüber hinaus möglich, ein Filter mit regelbarer Frequenzbandbreite mit einer Grösse zu steuern, die aus der Rotationsfrequenz der Bohrvorrichtung, z. B. der augenblicklichen
Rotationsgeschwindigkeit ableitbar ist.
Die Amplitude des gefilterten Signales wird in Abhängigkeit vom Werkzeugvorschub während des
Bohrvorganges aufgezeichnet.
Dieses Signal kann ebenfalls als Eingangsgrösse für ein Gerät verwendet werden, das aus diesem
Eingangssignal Steuergrössen ableitet, die zur automatischen Bohrsteuerung verwendet werden können, z. B. durch
Einwirken auf die Kabelwindenbremse, so dass das auf das Werkzeug wirksam werdende Gewicht entweder erhöht oder vermindert wird, darüber hinaus noch auf die Ansaugorgane des Motors, so dass hiemit die
Rotationsgeschwindigkeit und/oder die Schlammförderungsmenge verändert wird.
Die Signalübertragung zwischen Aufnahmegeräten und Verarbeitungseinheiten wurde innerhalb der vorangegangenen Beispiele mit einer Drahtverbindung durchgeführt. Diese Verbindung kann ebenfalls über elektromagnetische Wellen, durch Schallwellen, beispielsweise Ultraschallwellen, erfolgen.
In Fig. 7 ist ein Bohrturm --101-- mit einem Kabel --102-- und einem Einspritzkopf --103-- für das Einbringen des Schlammes in das Bohrgestänge dargestellt. Ein Sondenanschluss --104-- empfängt die
Informationen über den Schlammstrom, verarbeitet diese und leitet sie zu einem Speicherorgan weiter. Die Antriebsstange --105-- der Bohrvorrichtung wird von dem Drehtisch --106-- angetrieben. Mit --107-wurde der Untergrund bezeichnet, in den mit Hilfe des Bohrgestänges --108-- ein Schacht gebohrt wird, wobei die am Bohrgestänge befindlichen Schwerstangen mit --109-- bezeichnet wurden.
Zwischen diesen Schwerstangen liegt eine Spezial-Messstange--HO--, die ebenfalls die übertragung der Messwerte an die Oberfläche vornimmt und einen Teil der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellt. An diese Spezial-Messstange --110-- ist eine WErkzeug-Halterung --111-- angeschlossen, die mit einem Bohrwerkzeug --112-versehen ist. Ein in gewisser Entfernung vom Bohrschacht angeordneter Empfänger-113-empfängt die durch den Anschluss--104--geleiteten Informationen und liefert in Abhängigkeit von der Arbeitstiefe eine charakteristische Grösse für die mechanischen Gesteinseigenschaften, wobei diese Kenngrösse entweder aufgezeichnet bzw. direkt zur automatischen Bohrsteuerung weiterverwendet werden kann.
Um diese Übertragung sicherzustellen, ist der Anschluss --104-- mit einem Funkempfänger/Sender ausgerüstet, der eine Antenne--114--trägt. Der Empfänger --113- ist mit einer Empfangsantenne - 115-ausgerüstet.
Fig. 8 zeigt im Detail die Spezial-Messstange--110--, die bei der Beschreibung von Fig. 7 erwähnt wurde.
Diese wird von einer Spezial-Schwerstange--116--gebildet. Innerhalb dieser Spezial-Schwerstange liegt ein Schlammdruck-Regelsystem-117--, das insbesondere durch ein Ventil gebildet wird, dessen Öffnung und Schliessung in Folgesteuerung durch eine Einheit--118--erfolgt, die wieder die Steuerbefehle von einer elektronischen Einheit --119-- erhält, die sich im unteren Teil dieser Spezial-Schwerstange-116- befindet. Das Ventil schliesst auf einem Ventilsitz--120--, über den normalerweise der Schlammdruck läuft, der die Druckstösse erzeugt.
Die von der elektronischen Einheit --119-- gelieferten Befehle werden über eine Verbindung--121-zum Regelsystem--117--übertragen. Zwischen diesem Regelsystem --117-- und der elektronischen Einheit-119-liegt der Messanschluss---122--, ein fester Stahlanschluss, über den eine Reihe von Wegmesser-123 und 124-und/oder Beschleunigungsmesser-125, 126 und 127-gesteuert werden.
Dieser Anschluss ist nach aussen durch die Abdeckung --122a-- geschützt, die an einem seiner Enden befestigt und am andern Ende frei ist, wobei die Dichtheit an diesem freien Ende mit Hilfe eines O-Ringes bewirkt wird.
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dazu ausgenutzt, eine Turbine--135--anzutreiben, die die erforderliche elektrische Energie zum Betrieb der elektronischen Einheit --119-- liefert.
Die Beschleunigungsmesser--126--befinden sich auf zwei entgegengesetzt liegenden Mantellinien des Anschlusses--122--und zwar in der Form, dass ihre elektrischen Achsen parallel zur Anschlussachse verlaufen.
Die Beschleunigungsmesser--125--befinden sich auf entgegengesetzt liegenden Mantellinien gleicher Höhe, wobei ihre elektrischen Achsen senkrecht zur Achse des Anschlusses verlaufen.
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Dieser Schwingungswandler empfängt eine Sinusschwingung, deren Periode in direktem Zusammenhang zu der Rotationsgeschwindigkeit steht, wodurch die Grundfrequenz für ein Vielfaches der Filterfrequenz bestimmt werden kann, auf die die Schwingungen gerichtet sind. Das bedeutet somit, dass die Frequenz, auf die das Filter zentriert ist, ein Vielfaches der Rotationsgeschwindigkeit ist.
Mit den Schwingungswandlern--123 und 124-- können ebenfalls sowohl Längsschwingungen als auch Torsionsschwingungen ausgewählt werden. Hiezu sind die Wandler in Halbbrückenschaltung montiert und entsprechend einer Richtung aufgebaut, die mit den zu messenden Schwingungsarten in direktem Zusammenhang steht.
Obwohl die Beschleunigungsmesser und Wegmesser innerhalb einer Zeichnung dargestellt wurden, kann eine der Kombinationen herausgegriffen werden, um je nach besserer Nutzung die eine oder andere Art von Schwingungen auszuwählen.
Die Verarbeitung der elektrischen Grössen, die von den Wegmessern bzw. Beschleunigungsmessern geliefert wurden, erfolgt in nachstehend beschriebener Form.
Werden Beschleunigungsmesser verwendet, so werden diese auf der Muffe auf zwei sich gegenüberliegenden Mantellinien des Messanschlusses angebracht, wonach die von diesen Schwingungswandlern gelieferten elektrischen Signale in einem Differenzverstärker gegenübergestellt werden. Auf diese Weise addieren sich die Signale, die Auskunft über das Schwingungsverhalten geben und diejenigen Signale bzw. -anteile, die auf Störschwingungen zurückzuführen sind, werden ausgesiebt. Somit erhält man am Ausgang des Differenzverstärkers ein Einheitssignal einer genau doppelten Amplitude des von einem der Aufnahmegeräte gelieferten Wirksignales. Dieses Signal wird nunmehr weiterverarbeitet. Innerhalb eines ersten Stadiums begrenzt man die Spannung zwischen zwei vorher bestimmten Werten, was z.
B. in einem Sättigungsverstärker erfolgen kann, dessen Maximalamplitude durch die Gegenspannung von Dioden festgelegt ist. Das in dieser Form verarbeitete Signal wird nunmehr einem Bandpassfilter zugeführt, dessen mittlere Frequenz ein Vielfaches der Rotationsgeschwindigkeit ist.
Hiezu liefert der Beschleunigungsmesser --127-- eine Sinusspannung, die selektiv in einem Band von 0, 2 bis 5 Hz verstärkt wird. Anschliessend wird mit Hilfe eines Frequenzvervielfachers die somit erhaltene Frequenz mit einer Anzahl multipliziert, die die Anzahl der aktiven bzw. Angriffselemente des Bohrwerkzeuges berücksichtigt. Wertet man beispielsweise die vorherrschenden Schwingungen der äusseren Zahnreihe eines aus drei Rädern bestehenden Bohrmeissels aus, so ergäbe sich ein Multiplikationsfaktor von etwa 20.
Das Schema ist in Fig. 9 dargestellt, wo die Beschleunigungsmesser-136, 137 über die Verbindungen - 138 und 139-mit einem Differenzverstärker-140-verbunden sind. Der Ausgang --141-- dieses
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die ein Vielfaches der durch den Beschleunigungsmesser in Fig. 8 gemessenen Rotationsgeschwindigkeit ist.
Die von diesem Beschleunigungsmesser --127-- gelieferte Sinusspannung wird in einem Filter--145-- ausgesiebt, wonach die Frequenz im Frequenzvervielfacher--146--vervielfacht wird.
Die Verarbeitung der von den Wegmessern gelieferten Signale erfolgt in analoger Weise. Das Signal wird hiebei direkt durch den Brückenaufbau der Wandler erhalten, wobei die eingebauten Kompensationsgeber die Aufgabe haben, die gesuchten Schwingungen zu messen und störende Schwingungseinflüsse zu unterdrücken, die durch Temperatur- oder Druckeinflüsse hervorgerufen werden können. Die Aussiebung des von den Schwingungswandlern gelieferten Signales kann nach deren Verarbeitung durch ein Filter vorgenommen werden, das auf die augenblickliche Rotationsgeschwindigkeit der Bohrvorrichtung abgestimmt ist.
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Innerhalb einer Variante, die unabhängig von der Lage der Messstrecke Anwendung finden kann, können eine Anzahl Filter mit festem Durchlassbereich und fester Mittelfrequenz verwendet werden. Das von den
Aufnahmegeräten gelieferte Signal wird jeweils dem Filter übertragen, dessen mittlere Frequenz der gesuchten
Filterfrequenz entspricht.
Diese Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt. Das Signal zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wird hiebei vom Schwingungswandler-127-geliefert. Dieses Signal wird durch das feste Filter (Induktanz 147-Kapazität 148) ausgesiebt. Das ausgesiebte Signal steuert einen Wähler-149-, der den Eingang --150-- an die einzelnen Ausgänge --151, 152,153, 154- schaltet, wobei jeder dieser Ausgänge mit einem Bandpassfilter-155, 156,157, 158-verbunden ist. Die Mittelfrequenz dieser einzelnen Filter ist jeweils unterschiedlich. Die Frequenzen sind hiebei in der Form aufgeteilt, dass die obere Trennfrequenz eines
Filters genau der unteren Trennfrequenz des folgenden Filters entspricht.
Die Schaltfrequenz ist auf die
Frequenz dieser Filter abgestimmt.
Die von den einzelnen Filtern ausgehenden Signale werden in einem Blockzeit einem Ausgang gesammelt und das hieraus austretende Signal ist kodiert und wird anschliessend dem Schlammdruck-Regelgerät zugeführt.
Befindet sich die Messstrecke nahe dem Werkzeug und arbeitet man mit jener Übertragung des Signales, bei der die Amplitude durch Druckunterschiede des Schlammdruckes ausgedrückt wird so werden die anfallenden Druckänderungen über ein Druckaufnahmegerät aufgenommen, das sich im Innern des Anschlusses-104- (im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben) befindet. Dieses Aufnahmegerät wirkt auf die Modulation eines Wellensenders, der sich im gleichen Anschluss --104-- befindet. Das Antwortsignal, durch das Gerät - empfangen, liefert nach entsprechender Verarbeitung eine elektrische Grösse, die entweder aufgezeichnet werden kann oder aber als Steuergrösse an den Eingang eines Rechners übertragen werden kann, der zur Regelung des Bohrvorschubes dient.
Weiterhin kann erfindungsgemäss der Schlammdruckregler durch einen magnetostriktiven Sender ersetzt werden, der mit der Gestängeführung verbunden ist. In diesem Falle wird das kodierte Signal entweder als direktes Steuersignal oder aber als Steuermodulation für den magnetostriktiven Sender verwendet. Ein Empfänger gleichen Typs, z. B. magnetostriktiv, befindet sich im Anschluss --104-- oberhalb der Antriebsstange. Dieser Empfänger kann nunmehr Signale aufnehmen, die vom Gestänge übertragen wurden und diese an einen Sender elektromagnetischer Wellen weiterübertragen, der dem vorgenannten angeschlossen ist. Das somit zum Verarbeitungsgerät übertragene Signal wird in eine Grösse umgewandelt, die entweder aufgezeichnet oder aber zur Bohrwerkzeug-Regelung verwendet wird.
Eine weitere Anwendungsform liegt in der Verwendung von nur einem einzigen Aufnahmegerät, z. B. eines Beschleunigungsmessers oder eines einzigen Paares von Wegmessern, von dem einer als aktives Element und der andere der Kompensation dient oder aber die Verwendung eines Druckgebers, der auf die Schlammdruckänderungen anspricht. In diesem Falle wird der Differenzverstärker durch einen einfachen Verstärker ersetzt, der mit einem Frequenzfilter und einem Pegelbegrenzer ausgerüstet ist. Die übrigen Teile der Vorrichtung bleiben unverändert.
Es gilt als selbstverständlich, dass die beispielhaft gegebene Erfindung alle hieraus ableitbaren Varianten gleichermassen einschliesst.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur tiefenabhängigen Messung der physikalischen, mechanischen bzw. stratigraphischen Eigenschaften, insbesondere der Härte, von Gesteinsschichten während der Bohrung an einer Bohrvorrichtung, die u. a. ein über ein Bohrgestänge angetriebenes Bohrwerkzeug, einen Einspritzkopf und eine Antriebsstange
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110) ein Schwingungswandler (31, 36, 47 bis 50,123 bis 127,136, 137) angeordnet ist, der insbesondere aus einem einzigen Beschleunigungsmesser oder aus einem Paar von Wegmessern besteht und der die Vibrationen der Bohrvorrichtung (9,12, 20,110) in ein elektrisches Signal umsetzt, dass für dieses Signal ein elektrisches Filter zur Ausfilterung von Störsignalen vorgesehen ist, das nur ein vorbestimmtes Frequenzband des elektrischen Signales durchlässt,
dass in Reihe dazu ein zweites elektrisches Filter angeordnet ist, dessen Mittelfrequenz gleich dem Produkt aus der Umdrehungszahl/min des Bohrwerkzeuges (20) und der Anzahl der Angriffselemente dieses
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Aufzeichnung dieser Spannungsamplituden in Relation zur jeweiligen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges (20,112) vorgesehen sind.
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