DE10018591C2 - Vorrichtung zum Anzeigen von Betriebsgrößen eines Bohrprozesses an einer Bohreinrichtung für tiefe Gesteinsbohrungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Anzeigen von Betriebsgrößen eines Bohrprozesses an einer Bohreinrichtung für tiefe Gesteinsbohrungen, die einen drehangetriebenen Bohrer auf­ weist, mit optischen, einen Bildschirm aufweisenden Anzeige­ mitteln mindestens für eine Drehgeschwindigkeit des Bohrers, für ein auf den Bohrer einwirkendes Drehmoment und für eine auf den Bohrer in Bohrungsrichtung wirkende Kraft.

Der Wirkungsgrad einer Bohreinrichtung für tiefe Gesteins­ bohrungen, beispielsweise für Bohrungen zum Erschließen von Öl- und Erdgasvorkommen, hängt von einer Mehrzahl von Betriebsgrößen des Bohrprozesses ab. Hierzu gehören vornehmlich die bereits angesprochene Drehgeschwindigkeit des Bohrers, das auf den Bohrer einwirkende Drehmoment und die auf den Bohrer in Bohrungsrichtung wirkende Kraft. Weiterhin sind von besonderer Bedeutung verschiedene Eigenschaften des Bohrers, beispielsweise sein Abnutzungsgrad oder seine aktuelle Temperatur, ein Pumpendruck und ein Fördervolumen pro Zeiteinheit einer Pumpe, die ein Kühl- bzw. Spülmittel in die Bohrung hineindrückt, ein Austrag an Bohrklein und Kenngrößen der Rheologie, in die die Eigenschaften des erbohrten Gesteins und die Art des Abtrags des Gesteins durch den Bohrer maßgeblich eingehen. Diese Betriebs­ größen sind jedoch nicht alle unabhängig voneinander beein­ flußbar, so daß sie nicht jeweils einzeln auf einen optimalen Wert einstellbar sind. Vielmehr führt ein Eingriff, der an sich auf die Einstellung einer dieser Betriebsgrößen gerichtet ist, auch dazu, daß sich weitere dieser Betriebsgrößen ändern. Wenn beispielsweise die Kraft verändert wird, die auf den Bohrer in Bohrungsrichtung wirkt, erhöht sich die Reibung zwischen dem Bohrer und dem Gestein. Hierdurch wird die Drehgeschwindigkeit des Bohrers beeinflußt und es gibt auch Rückkopplungen auf das auf den Bohrer einwirkende Drehmoment. Die Verknüpfungen wiederum sind maßgeblich von den Eigenschaften des jeweiligen Bohrers abhängig. Entsprechende Wechselbeziehungen bestehen auch zwischen den anderen hier angegebenen Betriebsgrößen der Bohreinrichtung.

Bei einer aus der DE 198 42 931 C1 bekannten Vorrichtung der Eingangs beschriebenen Art werden die Betriebsgrößen einzeln angezeigt, entweder durch einzelne Instrumente oder auf einem Bildschirm. Selbst wenn hierbei die Einzelwerte der Betriebs­ größen relativ zueinander skaliert sind, ist es für den Bediener der Bohreinrichtung extrem schwierig, alle Betriebsgrößen bei den vorzunehmenden Einstellungen der Bohreinrichtung zu berücksichtigen. Nur die Berücksichtigung aller Betriebsgrößen führt aber dazu, daß der Wirkungsgrad der Bohreinrichtung in jeder Hinsicht optimiert oder zumindest in einem günstigen Bereich gehalten werden kann. Zu den Aspekten des Wirkungsgrads der Bohreinrichtung gehört nicht nur die Geschwindigkeit, mit der die erreichte Bohrtiefe fortschreitet, sonder beispielsweise auch die relative Abnutzung des Bohrers und anderer Bestandteile der Bohreinrichtung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, die es dem Bediener der Bohreinrichtung erlaubt, bei der Bedienung der Bohreinrich­ tung alle relevanten Betriebsgrößen bzw. ihren Einfluß auf den Wirkungsgrad der Bohreinrichtung leicht optisch zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anzeigemittel den Bildschirm zur Darstellung eines Operations­ punkts und eines Zielfelds für den Operationspunkt aufweisen, wobei ein Rechner über ein mathematisches Modell einerseits unter Verwendung der anzuzeigenden Werte der Drehgeschwindig­ keit, des Drehmoments und der Kraft die Lage des Operations­ punkts auf dem Bildschirm festlegt und andererseits das Zielfeld auf dem Bildschirm so festlegt, daß es Lagen des Operations­ punkts umfaßt, die für gewünschte Betriebsbedingungen der Bohreinrichtung stehen.

Bei der neuen Vorrichtung zeigen die Anzeigemittel die jeweili­ gen Betriebsgrößen nicht getrennt voneinander an. Vielmehr werden die Betriebsgrößen miteinander verknüpft, um die Lage eines Operationspunkts in einer Ebene, der Darstellungsebene des Bildschirms, festzulegen. Damit reicht es zumindest zur Über­ wachung der hier angegebenen drei Betriebsgrößen aus, die Lage dieses einen Operationspunkts zu beobachten. Wenn sich die Lage des Operationspunkts konstant innerhalb des Zielfelds befindet, sind bezüglich der überwachten Betriebsgrößen keine Eingriffe erforderlich. Wandert der Operationspunkt hingegen zur Grenze des Zielfelds oder aus diesem heraus, zeigt die Richtung des Auswanderns dem Bediener der Bohreinrichtung an, bezüglich welcher der überwachten Betriebsgrößen vornehmlich einzugreifen ist. So wird mit der neuen Vorrichtung dem Bediener der Bohr­ einrichtung die Möglichkeit verschafft, den Bohrprozeß basierend auf der direkten Rückkopplung der Betriebsgrößen interaktiv zu steuern.

Dabei können die Anzeigemittel weiterhin für mindestens eine ausgewählte Bohrereigenschaft vorgesehen sein, wobei der Rechner die ausgewählte Bohrereigenschaft bei der Festlegung der Lage des Operationspunkts auf dem Bildschirm verwendet. Insbesondere handelt es sich bei der ausgewählten Bohrereigenschaft um eine solche, deren Wert gezielt vom Bediener der Bohreinrichtung beeinflußbar ist. Beispielsweise handelt es sich um die Meißeleigenschaften des Bohrers, die dem Bediener die Notwendigkeit eines Meißelwechsels anzeigen können.

Die Anzeigemittel können weiterhin für eine Pum­ penrate einer Pumpe für Kühl- und Spülmittel zum Kühlen des Bohrers und zum Spülen der Bohrung, für einen Pum­ pendruck einer solchen Pumpe, für einen Austrag an Bohr­ klein und/oder für eine Kenngröße der Rheologie des Bohr­ kleins vorgesehen sein. Der Rechner kann diese weiteren Betriebsgrößen bei der Festlegung der Lage des einen Ope­ rationspunkts auf dem Bildschirm verwenden. Der Über­ sichtlichkeit halber ist es aber bevorzugt, wenn der Rechner die weiteren Betriebsgrößen bei der Festlegung der Lage ei­ nes weiteren Operationspunkts verwenden. Dabei kann die Skalierung der Darstellungsebene des Bildschirms so ge­ wählt werden, daß auch der weitere Operationspunkt inner­ halb desselben Zielfelds zu halten ist. Es ist aber auch mög­ lich, daß der Rechner ein weiteres Zielfeld für den weiteren Operationspunkt so festlegt, daß es Lagen des weiteren Ope­ rationspunkts umfaßt, die für gewünschte Betriebsbedin­ gungen der Bohreinrichtung stehen. Zur besseren Übersicht­ lichkeit ist es dann bevorzugt, wenn die Anzeigemittel einen weiteren Bildschirm zur Darstellung des weiteren Operati­ onspunkt und des weiteren Zielfelds für den weiteren Ope­ rationspunkt aufweisen. Das heißt, Anzeigemittel zeigen auf zwei Bildschirmen oder zumindest in zwei getrennten Be­ reichen eines Bildschirms zwei Operationspunkte mit zuge­ hörigen Zielfeldern an.

Jeder Bildschirm zur Anzeige eines Operations­ punkts kann eine polygonale Bildschirmfläche aufweisen, wobei jede Seitengerade und/oder jeder Eckpunkt der Bild­ schirmfläche einer der Betriebsgrößen zugeordnet ist. Das Auswandern des Operationspunkts in Richtung der jeweili­ gen Seitengerade und/oder des jeweiligen Eckpunkts der Bildschirmfläche deutet dann darauf hin, bei welcher Be­ triebsgröße vornehmlich einzugreifen ist, um wieder in den Bereich der gewünschten Betriebsbedingung zu kommen bzw. den Operationspunkt darin zu halten. Es versteht sich, daß bei einer polygonale Bildschirmfläche mit einer von vier abweichenden Anzahl von Ecken bzw. Kanten nicht der Bildschirm selbst polygonal sein muß. Vielmehr ist Darstel­ lung einer polygonalen Bildschirmfläche mit der entspre­ chenden Anzahl von Ecken bzw. Kanten auf einem rechtec­ kig begrenzten Bildschirm ausreichend.

Für die Registrierung der anzuzeigenden Betriebs­ größen können Meßaufnehmer an der Bohreinrichtung vor­ gesehen sein, wobei der Rechner zur echtzeitnahen Bearbei­ tung vom Ausgangssignal der Meßaufnehmer ausgebildet ist. In diesem Fall handelt es sich bei der neuen Vorrichtung um eine Anordnung, um den Betrieb der Bohreinrichtung in der Praxis zu überwachen.

Es ist aber auch möglich, die neue Vorrichtung zur Schulung vom Bedienpersonal für Bohreinrichtungen ein­ zusetzen. Dann ist es bevorzugt, wenn ein elektronisches Modell der Bohreinrichtung vorgesehen ist, das in Abhän­ gigkeit von eingebbaren Steuergrößen die anzuzeigenden Betriebsgrößen der Bohreinrichtung vorgibt.

Dieses Modell der Bohreinrichtung kann ab­ schnittsweise aufgrund von Meßwerten an einer realen Bohreinrichtung definiert sein. Damit wird es insbesondere möglich, reale Gesteinsabfolgen während einer Bohrung zu simulieren oder bei einer bestimmten Bohreinrichtung unter bestimmten Umständen auftretende Probleme in die Ausbil­ dung des Bedienpersonals einzubeziehen.

Ebenso wie das Modell der Bohreinrichtung kann auch das mathematische Modell für die Festlegung der Lage jedes Operationspunkts auf dem zugehörigen Bildschirm abschnittsweise definiert sein. Das heißt, es muß kein zu­ sammenhängendes mathematisches Modell in Form von mathematischen Beziehungen geben, die über den Gesamt­ bereich aller möglichen Werte der Betriebsgrößen greifen.

Es ist vielmehr möglich, den Bereich aller realistisch auftretenden Betriebsgrößen in Teilbereiche zu zerlegen und Lösungen nur für die einzelnen Teilbereiche aufzustellen, die dann miteinander zu verbinden sind. Im Extremfall weist das mathematische Modell überhaupt keine echten mathematischen Beziehungen zwischen den einzelnen Betriebsgrößen zur Festlegung der Lage des Operationspunkts auf. Vielmehr wird der Operations­ punkt aufgrund eines Tabellenwerks festgelegt, in dem für jede mögliche Konstellation der Betriebsgrößen die zugehörige Lage des Operationspunkts eingetragen ist. Der Fachmann ist unter Verwendung üblicher Soft- und Hardware damit in der Lage, ein an seine Bedürfnisse bzw. die Bedürfnisse der jeweiligen Bohrein­ richtung angepaßtes mathematisches Modell für die Festlegung der Lage jedes Operationspunkts auf dem zugehörigen Bildschirm zu definieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert und beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 den Bildschirm einer ersten Ausführungsform der neuen Vorrichtung,

Fig. 2 den Bildschirm einer zweiten Ausführungsform der neuen Vorrichtung und

Fig. 3 die Bildschirme der dritten Ausführungsform der neuen Vorrichtung.

Der in Fig. 1 dargestellte Bildschirm 1 dient zum Anzeigen von Betriebsgrößen einer hier nicht dargestellten Bohreinrichtung für tiefe Gesteinsbohrungen. Diese Bohreinrichtung weist einen drehangetriebenen Bohrer auf. Wichtige Betriebsgrößen dieses Bohrers sind die "Drehgeschwindigkeit" des Bohrers, das "Drehmoment" des Bohrers, die Kraft auf den Bohrer in Bohrungs­ richtung und verschiedene Bohrereigenschaften. Die Kraft auf den Bohrer in Bohrungsrichtung wird bei einer Bohreinrichtung für tiefe Gesteinsbohrungen üblicherweise in Form einer "Hakenlast" bestimmt, bei der es sich um den Anteil der Last des Bohr­ gestänges handelt, der an dem Bohrturm abgestützt wird. Eine niedrige Hakenlast bedeutet damit eine hohe Kraft auf den Bohrer in Bohrungsrichtung und umgekehrt. Die interessierenden "Bohrereigenschaften" können seine bisherige Standzeit, sein Schneidprofil, seine Temperatur und dergleichen sein. Während der Bohrung sind einige dieser Werte nicht beeinflußbar, so daß ihre Anzeige als Betriebsgröße nicht sonderlich interessant ist. Eine interessante "Bohrereigenschaft" kann aber die aktuelle Temperatur des Bohrers oder eine sich aus verschiedenen Einzelwerten zusammensetzende momentane Abnutzungsrate des Meißels des Bohres sein. Auf dem Bildschirm 1 werden die während des Betriebs der Bohreinrichtung relevanten Betriebsgrößen in Form eines einzigen Operationspunkts 2 angezeigt. Die Lage des Operationspunkts 2 wird durch einen Rechner 3 festgelegt, der Meßdaten 4 von der Bohreinrichtung erhält, oder dem, beispielsweise zu Ausbildungszwecken, simulierte Meßdaten von einem elektronischen Modell 8 der Bohreinrichtung zugeführt werden. Die Festlegung der Lage des Operationspunkts 2 innerhalb einer Bildschirmfläche 5 des Bildschirms 1 erfolgt aufgrund eines mathematischen Modells. Hierbei kann es sich im konkreten Fall um ein Tabellenwerk handeln, aus dem die Lage des Operationspunkts 2 für den jeweiligen Satz von Betriebsgrößen abgelesen wird. Neben dem Operationspunkt 2 zeigt der Rechner 3 auf dem Bildschirm 1 ein Zielfeld 6 an, das hier durch eine gestrichelte Linie umrandet ist. Das Zielfeld 6 gibt dem Bereich von gewünschten Betriebszuständen der Bohreinrichtung an, innerhalb dessen der Operationspunkt 2 gehalten werden sollte. Wenn der Operationspunkt 2 das Zielfeld 6 verläßt oder zumindest in eine Richtung zu wandern beginnt, in der ein Verlassen des Zielfeld 6 zu befürchten ist, zeigt die Richtung der Wanderung des Operationspunkts 2 an, bezüglich welcher Betriebsgröße der Bohreinrichtung vornehmlich einzugreifen ist, um den Operationspunkt 2 zurück in das Zielfeld 6 zu bringen. Hierzu sind die einzelnen Betriebsgrößen den Seitenkanten 7 der hier viereckigen Bildschirmfläche 5 zugeordnet.

Fig. 2, die nur den Bildschirm 1 einer weiteren Ausführungsform der neuen Vorrichtung wiedergibt, weist eine sechseckige Bild­ schirmfläche 5 auf. Die beiden zusätzlichen Seitenkanten 7 dieser Bildschirmfläche sind weiteren Betriebsgrößen der Bohreinrichtung zugeordnet, wobei es sich um die "Pumpenrate" und den "Pumpendruck" einer Pumpe für Kühl- und Spülmittel handelt, das zum Kühlen des Bohrers und zum Spülen der Bohrung zwecks Herausförderung des vom Bohrer zerkleinerten Gesteins dient. Hierbei handelt es sich um zwei weitere Betriebsgrößen, die beim Betrieb der Bohreinrichtung einer besonderen Überwachung bedürfen.

Wenn noch weitere derartige Betriebsgrößen in die Darstellung auf nur einem Bildschirm mit nur einem Operationspunkt 2 aufgenommen werden, wird die Verknüpfung einer Wanderbewegung des Operationspunkts 2 mit dem notwendigen Eingriff bei bestimmten Betriebsgrößen immer schwieriger, zumal sich die Betriebsgrößen in unterschiedliche Gruppen aufteilen lassen, binnen derer starke Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Betriebsgrößen bestehen, während die Betriebsgrößen über die einzelnen Gruppen hinweg weniger stark wechselwirken. So sind gemäß Fig. 3 gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zusätzliche Betriebsgrößen "Pumpenrate", "Pumpendruck", "Bohrkleinaustrag" und "Rheologie" auf einem zweiten Bildschirm 1' in Form eines weiteren Operationspunkts 2' dargestellt. Der Operationspunkt 2' kann eine Lage innerhalb einer weiteren Bildschirmfläche 5' annehmen, wobei sich gewünschte Betriebsbedingungen der Bohreinrichtung durch eine Lage des Operationspunkts 2' innerhalb eines weiteren Zielfelds 6' auszeichnen. Während die gemäß Fig. 3 insgesamt angezeigten acht Betriebsgrößen als Einzelwerte selbst in Form von Histogrammen völlig unübersichtlich wären, kann ein Bediener einer Bohreinrichtung die Lage der beiden Operationspunkte 2 und 2' ohne weiteres verfolgen und dafür sorgen, daß diese die Zielfelder 6 und 6' während der Bohrung nicht verlassen bzw. nach einem Verlassen umgehend in die Zielfelder 6 und 6' zurückkehren.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Anzeigen von Betriebsgrößen eines Bohr­ prozesses an einer Bohreinrichtung für tiefe Gesteinsbohrungen, die einen drehangetriebenen Bohrer aufweist, mit optischen, einen Bildschirm aufweisenden Anzeigemitteln mindestens für eine Drehgeschwindigkeit des Bohrers, für ein auf den Bohrer einwirkendes Drehmoment und für eine auf den Bohrer in Bohrungs­ richtung wirkende Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzei­ gemittel den Bildschirm (1) zur Darstellung eines Operations­ punkts (2) und eines Zielfelds (6) für den Operationspunkt (2) aufweisen, wobei ein Rechner (3) über ein mathematisches Modell einerseits unter Verwendung der anzuzeigenden Werte der Drehgeschwindigkeit, des Drehmoments und der Kraft die Lage des Operationspunkts (2) auf dem Bildschirm (1) festlegt und ande­ rerseits das Zielfeld (6) auf dem Bildschirm (1) so festlegt, daß es Lagen des Operationspunkts (2) umfaßt, die für gewünschte Betriebsbedingungen der Bohreinrichtung stehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel weiterhin für mindestens eine ausgewählte Bohrereigenschaft vorgesehen sind, wobei der Rechner (3) die ausgewählte Bohrereigenschaft bei der Festlegung der Lage des Operationspunkts (2) auf dem Bildschirm (1) verwendet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anzeigemittel weiterhin für eine Pumpenrate einer Pumpe für Kühl- und Spülmittel zum Kühlen des Bohrers und zum Spülen der Bohrung, für einen Pumpendruck einer solchen Pumpe, für einen Austrag an Bohrklein und/oder für eine Kenngröße der Rheologie des Bohrkleins vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (3) die weiteren Betriebsgrößen bei der Festlegung der Lage des Operationspunkts (2) auf dem Bildschirm (1) verwendet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rechner (3) die weiteren Betriebsgrö­ ßen bei der Festlegung der Lage eines weiteren Opera­ tionspunkts (2) verwendet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rechner (3) ein weiteres Zielfelds (6') für den weiteren Operationspunkt (2') so festlegt, daß es Lagen des weiteren Operationspunkts (2') umfaßt, die für gewünschte Betriebsbedingungen der Bohrein­ richtung stehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzeigemittel einen weiteren Bild­ schirm (1') zur Darstellung des weiteren Operations­ punkts (2') und des weiteren Zielfelds (6') für den wei­ teren Operationspunkt (2') aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Bildschirm (1, 1) zur Anzeige eines Operationspunkts (2, 2') eine polygonale Bildschirmfläche (5) aufweist, wobei jede Seitenkante (7) und/oder jeder Eckpunkt der Bildschirmfläche (5) einer der Betriebsgrößen zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß Meßaufnehmer für die Re­ gistrierung der anzuzeigenden Betriebsgrößen an der Bohreinrichtung vorgesehen sind, wobei der Rechner (3) zur echtzeitnahen Verarbeitung von Ausgangssi­ gnalen (4) der Meßaufnehmer ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Modell (8) der Bohreinrichtung vorgesehen ist, das in Abhän­ gigkeit von eingebbaren Steuergrößen die anzuzeigen­ den Betriebsgrößen der Bohreinrichtung vorgibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Modell der Bohreinrichtung ab­ schnittsweise aufgrund von Meßwerten an einer realen Bohreinrichtung definiert ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Mo­ dell für die Festlegung der Lage jedes Operations­ punkts (2, 2') auf dem zugehörigen Bildschirm (1, 1') abschnittsweise definiert ist.