-
Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zum Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem hoch präzise arbeitenden Richtbohrgerät zur frühzeitigen, zuverlässigen und zeitnahen Bestimmung des Bohrlochs unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs für das Tiefbohren und ein Richtbohrgerät, welches ein Gehäuse, eine im Gehäuse rotierende Meißelantriebswelle, deren aus dem Gehäuse vorstehendes Ende an einen Drehbohrmeißel trägt, eine in dem Gehäuse angeordnete Steuervorrichtung und mit derselben verbundene Magnetfeldsensoren, mehrere in dem Gehäuse angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei Bohrbetrieb.
-
Mit Richtbohren bezeichnet man Bohrverfahren, die es ermöglichen, die Richtung einer Bohrung zu beeinflussen. Mit komplexen Systemen wird der Bohrlochverlauf in jede Richtung verändert und bestimmt. Dafür werden Werte für Neigung und magnetisch Nord gemessen. Die Sensoren zur Erfassung von magnetisch Nord werden in nicht magnetisierbaren Stählen angeordnet in genügendem Abstand zu allen Teilen, die einen magnetischen Einfluss bewirken. Nur in dieser Weise kann unbeeinflusst magnetisch Nord erfasst und in die richtige Richtung gesteuert werden. Vorteilhaft ist es bei der Verwendung von Richtbohrgeräten die Messung von Neigung und Richtung möglichst nah hinter dem Meißel angeordnet zu haben, um einen kontrollierten und geplanten Sollverlauf der Bohrung zu gewährleisten. Moderne Rotary Steerable Systeme haben nur die Neigungsmessung im ihrem System direkt eingebaut und die Richtungssensoren in einem deutlich mehrere Meter dahinter liegenden Sektor, der nicht magnetisch ist, um mit der geforderten Genauigkeit magnetisch Nord zu ermitteln. Der Einbau der Richtungssensoren und die Erfassung von magnetisch Nord im Richtbohrgerät zusammen mit den Neigungssensoren würde ohne entsprechende Korrekturen zu magnetischen Missweisungen führen und große Ungenauigkeiten in der Richtungsermittlung zulassen.
-
Im Stand der Technik sind Vorrichtung zum Niederbringen von vertikalen Bohrungen oder Bohrungen mit Krümmungsverlauf, vornehmlich Großlochbohrung, bekannt, die den Anforderungen der Praxis, namentlich in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit und die Sicherheit, insbesondere aber auch in Bezug auf die Genauigkeit der Orientierung des Bohrlochs, in ungenügender Weise Rechnung tragen. Wesentlich ist, dass Bohrungen zum Richtbohren in großen Tiefen kontrollierbar und steuerbar sind. Die Kontrollierbarkeit ist wesentlich, um über die Lage des Bohrlochs und den Verlauf der Bohrung zu überprüfen und ggf. unerwünschte Abweichungen zu korrigieren. Die Steuerbarkeit ist ebenso wesentlich, um z. B., sowohl die Vertikalität der Tiefbohrung wie auch deren Krümmungsverlauf einzuhalten und möglichst bei Betrieb in den Bohrverlauf einzugreifen. Abweichungen von Bohrlöchern stellen sich gerade im Tiefengestein der Gesteinsformationen eins, auch bedingt durch das Auftreten unterschiedlicher Härten von Festgestein bzw. Lockergestein. Auch stellen sich bei der Bohrung Abweichungen ein aufgrund der Überlänge des Bohrrohrstrangs, auch Bohrgestänge genannt, und der veränderlichen Kraft, die auf das Bohrgestänge ausgeübt wird, ein.
-
Um die Bohrlochabweichungen zu vermeiden, sind bei einer Vorrichtung zum Niederbringen von vertikalen oder krümmungsbedingten Bohrungen, die ein Bohrwerkzeug umfasst, an dessen Außenseite umlaufend t nach außen schwenkbare Steuerrippen, auch Gleitkufen, Gleitrippen, usw. genannt, angeordnet, die gegen die Wandung des Bohrlochs kraftbeaufschlagt angesetzt werden. Durch die Kraftbeaufschlagung gegen die Wandung des Bohrlochs, im Folgenden kurz Bohrlochwandung genannt, wird eine Ablenkung des Drehbohrmeißels in Gegenrichtung hervorgerufen. Es zeigt sich jedoch, dass die herkömmliche Vorrichtung lediglich von außen von einem Steuerstand obertägig anzusteuern ist. Die Ansteuerung der Richtungssteuereinrichtungen über den obertägigen Steuerstand führt jedoch zu der zeitversetzten Reaktion des Schwenkens der Steuerrippen, so dass unter Anderem wertvolle Zeit kostenträchtig verloren geht, um den Orientierungsverlauf des Bohrlochs zu beeinflussen.
-
Das Abweichen des Bohrlochs von der vorgegebenen Richtung kann zudem auf dem Drehmoment und die Vorwärtsbohrkraft beruhen, die von dem Drehbohrmeißel auf die Formation ausgeübt wird. Daher ist die Größe und die Richtung der Bohrlochabweichung nach
DE 602 07 559 nicht vorhersagbar und bedarf stets der Ansteuerung des Drehbohrmeißels über das Bohrwerkzeug oder Richtbohrgerät.
-
Bi einer herkömmlichen Vorrichtung zur Herstellung zielgerichteter Bohrungen mit einer Messwerteinrichtungen mit einem Messgrößenaufnehmer werden die an der Vorrichtung angeschlagene Steuerrippen nach Maßgabe der Ausschläge der Messwertgrößen desselben angesteuert werden. Es zeigt sich jedoch, dass die Orientierung des Verlaufs und die Überprüfung des Bohrlochs unzureichend sind, da die Messwertgrößen der als Messwerteinrichtungen verwendeten Neigungsmesser und Magnetfeldsensoren nicht in Echtzeit, sondern lediglich zeitlich versetzt über einen obertägigen Steuerstand verarbeitet, mit Sollwertvorgaben verglichen und Steuersignale an die an Kabel elektrisch steuerungstechnisch angeschlossenen Steuerrippen weitergeleitet werden.
-
Die von Schlumberger Technology B. V. in
US 13/323 116 und
13/429 173 offenbarten Verfahren und Vorrichtungen erkannten zwar das Problem der zeitversetzten Reaktion des Eingreifens korrektiver Maßnahmen und das seit langen bekannte, aber bisher ungelöste Problem des Auftretens magnetischer Missabweichungen, so dass die bohrkronenentfernte Anordnung der Magnetfeldsensoren lediglich verwirklicht wurde. Daher war auch Schlumberger Technology B. V nicht in der Lage, beide Probleme in zufriedenstellender Weise gleichzeitig zu lösen, denn die während der Bohrung erfolgende Bestimmung von Bohrlochneigung und Bohrlochazimut anhand diskreter Anzahl von longitudinalen Punkten entlang der Achse des Bohrlochs durch Abschätzung von mindestens zwei lokalen Magnetfeldkomponenten mittels queraxialer Magnetfeldsensoren und queraxialer Beschleunigungsmessern verkompliziert die Bauweise der Vorrichtung, macht das Verfahren störanfällig und verwirklicht nicht die nahe an dem Drehbohrmeisel zu erfolgende Magnetfeldmessung.
-
Daher verblieben die Messwerteinrichtungen weiterhin weit beabstandet von dem Drehbohrmeißel, so dass, wie ausdrücklich Schlummberger Technology B. V. bedauerte, „die Technik der Magnetfeldmessungen für bohrkronennahe Abweichungen ungeeignet ist”.
-
Die bohrkronennahe Anordnung der Magnetfeldsensoren in der Vorrichtung, wie Richtbohrwerkzeugen und -geräten, war technisch undurchführbar, jedoch dringend erfordert, zumal hierdurch gänzlich neue Anwendungen und Möglichkeiten im Tiefrichtbohren sich eröffnen würden. Würden.; die axiale Magnetfeldmessungen, so erkannte Schlumberger Technology B. V, blieben gegen eine magnetische Interferenz oder Missweisungen, die vom nahe gelegenen Bohrrohrstrangkomponenten ausgehen, zum Beispiel von Bohrkrone, Schlammmotor, Erweiterungsbohrwerkzeug, und dergleichen, besonders empfindlich, so dass nur zu der bohrkronenfernen Anwendung der Magnetfeldmessungen nach herkömmlicher Lehre geraten wurde.
-
Daher nimmt dieser Stand der Technik in Kauf, da die Magnetfeldmessungen erst sehr spät Richtungsänderungen des Drehbohrmeißels feststellen aufgrund deren weiten Beabstandung von dem Drehbohrmeißel, so dass das Tiefrichtbohren aufgrund der späten Reaktion des Eingreifens korrektivere Maßnahmen kostenträchtig und das Tiefbohren mit herkömmlichen Richtbohrgeräten oder -werkzeugen wegen der infolge später Reaktion sich einstellender Verlängerung der Tiefbohrstrecke betriebswirtschaftlich in heutigen Zeiten der Beachtung der stetig wachsenden Relevanz der Kosten-Nutzen.-Analyse von Tiefbohrungen mit den von Schlumberger Technology B. V. empfohlenen Vorrichtungen nicht ratsam ist.
-
Insbesondere im Fall des Erschließens neuer Gas- oder Erdölfelder mittels Einsatzes herkömmlicher Richtbohrgeräten oder -werkzeugen, zu welchen Schlumberger Technology B. V. gleichwohl rät, ist das Betreiben von Tiefbohrungen angesichts der Aufbereitung bereits erschlossener Felder mittels Fracking-Verfahren zeitaufwändig und kostenträchtig.
-
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung magnetischer Flussdichten können in einem Bohrlochmessverfahren Magnetfeldsensoren verwendet werden, die um die Geräte-Längsachse rotierend angeordnet sind und dabei durch den vorhandenen Erdmagnetismus induzierte Signale an den Steuerstand obertägig liefern, gleichwohl verbleiben die Magnetfeldsensoren in einem weiten Abstand von dem Drehbohrmeißel, so dass man geringfügige Änderungen des Verlaufs des Bohrlochs weder erkennt, noch frühzeitig in den Betrieb des Tiefrichtbohrens zwecks Korrektur einzugreifen vermag.
-
Aufgabe der Erfindung soll es sein, ein Verfahren bereitzustellen, welches Magnetfeldsensoren in einem Richtbohrgerät auf einfache Weise kalibriert.
-
Weiterhin soll das Verfahren Abweichungen des Richtbohrgerätes bei Betrieb im Tiefbohren bereits im Voraus erfassen und korrektive Maßnahmen abspeichern.
-
Zudem soll das bereitzustellende Richtbohrgerät bei geringfügige Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs bei Bohren in großen Tiefen ohne Weiteres erkennen können.
-
Des Weiteren soll das bereitzustellende Richtbohrgerät Magnetfeldsensoren in bohrkronennaher Anordnung aufweisen.
-
Ebenso soll das Richtbohrgerät nicht nur bereits geringfügige Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs erkennen, sondern auch frühzeitig korrektive Maßnahmen zur Aufrechterhaltung des erwünschten Bohrungsverlaufs ergreifen.
-
Zusätzlich soll das bereitzustellende Richtbohrgerät im Fall von Änderungen des Bohrungsverlaufs ohne Gefahr des Einflusses magnetischer Störfelder auf die Lagebestimmung das Tiefrichtbohren korregieren.
-
Hinzukommend soll das Ansteuern des Richtbohrgerätes über einen obertägigen Steuerstand insoweit überflüssig sein, als dieser von der Durchführung korrektiver Maßnahmen infolge unerwünschter Bohrlochabweichungen entlastet und nur noch zu Steuerung der Tiefbohrung als solche zuständig ist.
-
Hinzutretend das bereitzustellende Richtbohrgerät in Echtzeit sich selbst steuern, um die kostenträchtige Verlängerung der Bohrstrecke infolge später einsetzender Abweichungsabhilfen zu vermeiden.
-
Überdies soll das bereitzustellende Verfahren kostengünstig die Kalibrierung des Richtbohrgerätes durchführen, so dass das auch von Schlumberger Technology B. V erkannte, aber von Schlumberger Technology B. V ungelöste Problem der Anordnung von Magnetfeldsensoren bohrkronennah Richtbohrgeräte beseitigt wird und das von Schlummberger Technology B. V vorgeschlagene komplizierte und störanfällige Verfahren vermieden wird.
-
Smart Drilling GmbH ordnet die Sensoren für Neigung und Richtung in dem Richtbohrgerät an und führt zur Erhaltung der geforderten Genauigkeiten eine Korrektur durch. Die Erfindung löst das Problem durch den Einsatz einer Helmholtz Spule. Im Zentrum der Spule wird das vorhandene Magnetfeld inklusive des Erdmagnetfeldes neutralisiert, d. h. es besteht kein Magnetfeld. Anschließend wird das Richtbohrgerät mit den Richtungssensoren in das neutrale Magnetfeld der Spule positioniert. Da sich in dem Richtbohrgerät verschiedene Komponenten befinden, die eine magnetische Beeinflussung erzeugen, zeigen die Richtungssensoren nun in der Spule die magnetische Missweisung in x-, y- und z-Achse an. Diese Beeinflussung wird dann kompensiert bis wieder ein neutrales Magnetfeld vorliegt und als Korrekturwerte im elektronischen Speicher des Richtbohrgerätes hinterlegt. Anschließend werden alle Betriebsfunktionen des Richtbohrgerätes in der Helmholtz Spule durchgefahren, die magnetischen Missweisungen gemessen, kompensiert und die Korrekturfaktoren im Richtbohrgerät abgespeichert. So kann das Richtbohrgerät im Betrieb sich selbst kompensieren und die hohen geforderten Richtungsgenauigkeiten erfüllen.
-
Die Aufgaben werden gelöst durch den Hauptanspruch und den Nebenanspruch, die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltung und Weiterentwicklung der Erfindung.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem hoch präzise arbeitenden Richtbohrgerät zur frühzeitigen, zuverlässigen, zeitnahen Bestimmung des Bohrlochs relativ zum Erdmagnetfeld-Vektor unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs für das Tiefbohren,
welches gekennzeichnet ist, dass das Kalibrieren in einem mittels Helmholtz-Spulen erzeugten Magnetfeld durchgeführt wird.
-
Die Erfindung bezieht sich auch ein Verfahren unter Verwendung des Richtbohrgeräts, welches umfasst ein Gehäuse, eine im Gehäuse rotierende Meißelantriebswelle, deren aus dem Gehäuse vorstehendes Ende einen Drehbohrmeißel trägt, eine in dem Gehäuse angeordnete Steuervorrichtung und mit derselben verbundene Magnetfeldsensoren, mehrere in dem Gehäuse angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei Bohrbetrieb,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Magnetfeldsensoren in einem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich, also in dem bohrmeißelnahen Bereich, des Gehäuses angeordnet und mittels von Helmholtz-Spulen erzeugtem homogenem Magnetfeldes kalibriert werden.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein zuverlässig arbeitendes hoch präzises Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer, fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs mit einem Gehäuse, einer, vorzugsweise im Gehäuse rotierenden, auf ihrem aus dem Gehäuse vorstehenden Ende einen Drehbohrmeißel tragenden Meißelantriebswelle, einer Steuervorrichtung, vorzugsweise mehreren in dem Gehäuse angeordneten Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb und mit der Steuervorrichtung verbundene Magnetfeldsensoren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Magnetfeldsensoren in einem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich, bohrmeißelnahen Bereich, des Gehäuses angeordnet und mittels eines von Helmholtz-Spulen erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert sind.
-
Der Erfindung liegt auch zugrunde, das Kompensieren, auch Abgleichen genannt, des Einflusses der durch magnetische Störfelder bedingten magnetischen Missweisungen bzw. deren magnetischen Flussdichten von den magnetischen Flussdichten ohne Störfelder in dem von Helmholtz-Spulen erzeugten Magnetfeld, so dass deren Einfluss eliminiert ist, und das nachfolgende Kompensieren der Betriebsfunktionen, wie verschiedenste Ausrichtungen oder Anordnungen des Richtbohrgeräts in dem von Helmholtz-Spulen erzeugten Magnetfeld, die sich von einer vorbestimmten Lage des Richtbohrgeräts, auch als Bezugsnormal bezeichnet, unterscheiden, um das Richtbohrgerät in die vorbestimmte Lage zurücksetzen zu können; diese Schritte werden im Sinne der Erfindung auch Kalibrieren genannt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem von Helmholtz-Spulen erzeugten homogenen Magnetfeld, da diese in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät in dem bohrmeißelnahen Bereich des Gehäuses des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts angeordnet sind. Üblicherweise werden die magnetischen Störfelder, wie Hart- oder Soft-Iron-Effekte genannt, die z. B. durch die Drehbohrmeißel, ggf. den Schlammmotor, das Erweiterungsbohrwerkzeug, erzeugt werden und das Erdmagnetfeld überlagern oder zumindest beeinflussen können, mittels des erfindungsgemäße Verfahren in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät kompensiert. Das Ausmaß der Kompensation kann qualitativ und quantitativ gemessen und in der Steuervorrichtung abgespeichert werden.
-
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät verwendet, welches ein Gehäuse umfasst, wobei in dem Gehäuse eine Meißelantriebswelle rotierend angeordnet sein kann. Die Meißelantriebs6welle ist an ihrem aus dem Gehäuse vorstehenden, oberen Ende mit einem Bohrrohrstrang koppelbar. In dem Gehäuse ist eine Steuervorrichtung angeordnet, die mit Magnetfeldsensoren verbunden ist.
-
Unter Verbindung wird im Sinne der Erfindung auch verstanden ein elektrisch steuerungstechnischer Anschluss, z. B. zwischen den Magnetfeldsensoren und der Steuerverbindung, der Richtungssteuereinrichtungen und der Steuervorrichtung. Im Sinne der Erfindung wird unter Steuervorrichtung auch verstanden, eine herkömmliche mit einer Messwertempfangseinrichtung, einer programmierbare Messwertarbeitungseinrichtung, usw. die dem Fachmann wohl vertraut sind. Im Sinne der Erfindung wird unter Magnetfeldsensoren herkömmliche auch verstanden, die dem Fachmann ebenso wohl vertraut sind. Weiterhin befinden sich in dem Gehäuse mehrere in oder an dem Gehäuse angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb. In dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät ist das Gehäuse rotierbar angeordnet.
-
In einem ersten Schritt, hier a., wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit seinen Magnetfeldsensoren in das von Helmholtz-Spulen erzeugte homogene Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in dem homogenen Magnetfeld angeordnet.
-
Um die magnetischen Störfelder zu kompensieren, erfolgt die Bestimmung von magnetischen Flussdichten im folgenden Schritt, hier b.. Die Bestimmung derselben ist dem Fachmann bekannt; so können im Schritt b. beispielhaft das Minimum und das Maximum an magnetischer Flussdichte in Richtung jeder Achse, wie in Richtung der X-, Y- und Z-Achsen, von den Magnetfeldsensoren bestimmt werden. In diesem Schritt können die infolge magnetischer Störfelder auftretenden Abweichungen der von Magnetfeldsensoren gemessenen magnetischen Flussdichten als Messwerte oder -größen von denjenigen Messwerten magnetischer Flussdichten ohne magnetische Störfelder als Normalbezug festgestellt und dokumentiert, z. B. in der Steuervorrichtung abgespeichert, werden. Falls erforderlich kann auch das Ausmaß der Messwerte als Abweichungen der magnetischen Flussdichten in Gegenwart magnetischer Störfelder verglichen mit denjenigen Messwerten magnetischer Flussdichte in Abwesenheit magnetischer Störfeldern auch berechnet bzw. abgeglichen und in der Steuervorrichtung abgespeichert werden.
-
Die Magnetfeldsensoren erzeugen die mit den Messwerten korrespondierenden Missweisungswerte oder Missweisungssignale und leiten diese über ihre Ausgänge an den Eingang der Steuervorrichtung weiter. Von der Steuervorrichtung können Korrekturwerte erzeugt werden, die mit den Missweisungswerten oder -signalen korrespondieren. Diese können dem Ausmaß der durch die Störfelder erzeugten Änderungen oder Abweichungen der Messgrößen der magnetischen Flussdichten von den Messgrößen bei magnetischer Flussdichte bei Bezugsnormal ohne Störfelder entsprechen. Die Korrekturwerte werden vorzugsweise in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt.
-
In einem weiteren Schritt, hier c., wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät in dem durch die Helmholtz-Spulen erzeugten Magnetfeld in verschiedenen Ausrichtungen zentral angeordnet, die sich von der vorbestimmten Lage, hier bezeichnet als Normallage, unterscheiden.
-
Die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als Messgrößen magnetischer Flussdichten werden in Richtung jeder Achse, – wie in Richtung der X-, Y-, Z-Achse, von den Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes bestimmt. Die verschiedenen Ausrichtungen entsprechen den Betriebsfunktionen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes vor Ort, die also vor Ort im Tiefbohren im Gestein auftreten können. Die mit den verschiedensten Ausrichtungen bedingten korrespondierenden Messwerte magnetischer Flussdichten werden als Positionswerte, auch Positionssignale genannt, über die Ausgänge der Magnetfeldsensoren an den Eingang der Steuervorrichtung weitergeleitet. Die mit den Positionswerten korrespondierenden Korrekturfaktoren werden von der Steuervorrichtung erzeugt, die dazu dienen können, das erfindungsgemäße Richtbohrgerät aus seinen verschiedensten Ausrichtungen wieder zurück in seine vorbestimmte Lage zu verbringen. Die Positionswerte als Istwerte können von der von dem Sollwert vorbestimmten Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts als Normalbezug abweichen, so dass die Korrekturwerte Stellgrößen entsprechen können, die an die Richtungsteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts weitergeleitet werden.
-
Die der Normallage zuzuordnende Messgrößen können auch soweit als in der Steuervorrichtung eingegebene Sollwertvorgabe für die Positionswerte erachtet werden, als bei Abweichungen von diesen die Korrekturfaktoren als Stellgrößen an die Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts weitergeleitet werden zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten gegen die Bohrlochwandung. Die in Schritt c. von den Magnetfeldsensoren bestimmten Messwerte können um die Korrekturwerte von der Steuervorrichtung abgeglichen, quasi bereinigt werden. Die Korrekturfaktoren werden in einem elektrischen Speicher der Steuervorrichtung des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes hinterlegt, so dass bei Bedarf die Positionswerte ggf. mit Sollwertvorgaben in Echtzeit – ohne Rückgriff auf einen Steuerstand über Tage – verglichen und die den Positionswerten entsprechenden Korrekturfaktoren als Stellgrößen entsprechende Steuersignale an die Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäße Richtbohrgeräts weitergeleitet werden.
-
Durch die Kalibrierung der Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts in dem homogenen Magnetfeld werden wirkungsvoll alle magnetischen Störfelder, bedingt durch externe Einflüsse, wie hart- und weichmagnetische Materialien, in der Nähe der Magnetfeldsensoren, qualitativ erfasst und in deren Maß quantitativ bestimmt, so dass die umständliche Kalibrierung desselben beispielsweise in herkömmlichen Feldstationen ohne Einfluss störender sonstiger magnetischer Missweisungen sich erübrigt.
-
Weiterhin können in Schritt C die Korrekturfaktoren um die Korrekturwerte zur Erzeugung von Abgleichsfaktoren abgeglichen werden, so dass die Abgleichsfaktoren den Istwerten der von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen entsprechen. Die Abgleichsfaktoren können mit Sollwertvorgaben, z. B. die den Sollwertvorgaben der vorbestimmten Lage im Magnetfeld entsprechen, verglichen und infolge der Abweichungen von Sollwertvorgaben geänderte Ausgangsgrößen als Steuersignale erzeugt werden, die an die Richtungssteuereinrichtung zur Ansteuerung derselben dienen.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts können in dem Gehäuse des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes auch weitere Messwerteinrichtungen, insbesondere Temperatursensoren, Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren, Gammastrahlungssensoren, Gyroskop-Sensoren und/oder sonstige WOB-Sensoren zum genauen Bestimmen der Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der Steuervorrichtung verbunden sein.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, dass auf einfache und kostengünstige Weise das erfindungsgemäße Richtbohrgerät kalibriert wird.
-
Magnetische Störfelder, die bedingt sind durch die in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät vorhandenen ferromagnetischen Materialien, die die magnetische Flussdichte beeinflussen, werden frühzeitig berücksichtigt und kompensiert.
-
In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes können die Messgrößen zur Bestimmung des Richtungsverlaufs des Bohrlochs ebenso über Kabel, telemetrisch und/oder in Form von Drucksignal und/oder Impulsen, wie Schallwellen, von einem obertägigen Steuerstand zu der Steuervorrichtung und zurück weitergeleitet werden. Die Übermittlung von Steuersignalen oder sonstigen Daten, wie Messwertgrößen, an die Steuervorrichtung oder von derselben an den Steuerstand können gleichfalls übermittelt werden, wie weiter unter ausgeführt wird.
-
In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die o. g. Schritte auch in Gegenwart vorgegebener Temperaturen oder Temperaturbereiche durchgeführt werden, da die Übertragungseigenschaften in den Magnetfeldsensoren, innerhalb des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes, usw. temperaturabhängig sein können.
-
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes liegt auch in dem Umstand begründet, dass die Magnetfeldsensoren nicht nur frühzeitig über Abweichungen des Bohrlochs, sondern auch geringfügige Abweichung desselben bestimmen, über die Steuervorrichtung entsprechend das erfindungsgemäßen Richtbohrgerät korrektive Maßnahmen in Echtzeit – ohne Eingriff von außen – aufgrund der in der Steuervorrichtung einprogrammierten Sollwertvorgaben z. B. in Bezug auf Neigung und Richtung des Bohrlochs, und/oder Korrekturwerte, Korrekturfaktoren, Abgleichsfaktoren, erfolgen können.
-
Aufgrund der Anordnung auch weiterer Messwerteinrichtungen können diese weitere Messwerte oder -größen ermitteln und an die Steuervorrichtung weiterleiten, die zur Regelung der Richtungssteuereinrichtungen über einen Regelkreis für Mehrgrößenregelung verfügt, welchem die Regelgrößen als Istwerte der Messwerteinrichtungen zugeführt werden, und in welchem diese Regelgrößen mit Sollwertvorgaben verglichen werden, so dass bei Abweichungen die Stellgrößen den Richtungssteuereinrichtungen als sogenannte Steuersignale zugeführt werden, wie in
DE 199 50 040 offenbart. Durch das geschickte Zusammenarbeiten der Messwerteinrichtungen miteinander über die Steuervorrichtung werden ggf. auftretende Verzerrungen oder Missweisungen zwischen den einzelnen Messwerteinrichtungen und deren Messgrößen vermieden und derart über den Regelkreis für Mehrgrößenregelung miteinander gekoppelt, dass eine einwandfreie Kontrolle und Veränderung der einprogrammierten Sollwertvorgaben in dem Richtbohrgerät gewährleistet ist.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts können die Druckimpulse in strömenden Medien zur Übertragung von Informationen der Steuervorrichtung, insbesondere beim Herstellen von Bohrungen, im untertägigen Berg- und Tunnelbau durch den Spülkanal des an die Meißelantriebswelle koppelbaren Bohrrohrstrangs übertragen werden, wobei im Spülungskanal des Bohrrohrstrangs ein Laufrad angeordnet ist, das in Generator- und Motorbetrieb umschaltbar ausgebildet und entsprechend abwechselnd betreibbar ist. Hierbei kann das Laufrad mit dem dem Bohrrohrstrang zugeordneten Spulen korrespondierend angebrachte Magnete aufweisen. Die Spulen können mit Energiespeichern verbunden sein, wobei das Spulrad vorteilhafterweise axial angeordnet ist. Zudem kann das Laufrad über sich gegen die Innenwand des Spülungskanals des Bohrrohrstrangs abstützende Führungen gelagert sein wie in
DE 41 34 609 offenbart.
-
In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts können Informationen von der Steuervorrichtung über den Bohrrohrstrang innerhalb desselben mittels Druckimpulsen in einer strömenden Flüssigkeit, vorzugsweise Bohrspülflüssigkeit oder -fluid genannt, übertragen werden, wobei das erfindungsgemäße Richtbohrgeräts eine mit der Steuervorrichtung verbundene Vorrichtung zur Übertragung der Informationen, insbesondere beim Herstellen von Bohrungen, mittels Drucksignalen in strömenden Flüssigkeit, vorzugsweise Bohrspülflüssigkeit, umfasst; die Vorrichtung weist eine Informationserzeugungseinrichtung, eine an die Informationserzeugungseinrichtung angeschlossene Übertragungseinrichtung zur Erzeugung der Druckimpulse in der Flüssigkeit und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen und Auswerten der durch die Druckimpulse übertragenen Informationen im Steuerstand auf, wobei die Übertragungseinrichtung einen elastischen Strömungswiderstandskörper im Flüssigkeitsstrom und eine Stelleinrichtung zur Veränderung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandes im Takt der zu erzeugenden Druckimpulse aufweist, wie in
DE 196 07 402 offenbart.
-
Zur Erzeugung der Druckimpulse kann die Übertragungseinrichtung einen elastischen Strömungswiderstandskörper im Flüssigkeitsstrom und eine Stelleinrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandskörpers im Takt der zu erzeugenden Druckimpulse aufweisen. Der Vorteil dieser Übertragung ist die kompakte und kostensparende Bauweise als auch die verschleiß- und energiearme Arbeit der Druckimpulsübertragung und trotz leichten Austausches der beweglichen Teile wird eine einwandfreie Übertragung der Information gewährleistet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass im Flüssigkeitsstrom oder in dem Bohrspülflüssigkeitsstrom ein Strömungswiderstandskörper mit veränderlichem Strömungsquerschnitt befindet. Durch Veränderung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandskörpers können in Fließrichtung im Bereich des Strömungswiderstandskörpers und dahinter Druckimpulse erzeugt werden, welche sie in Fließrichtung des Flüssigkeitsstromes bzw. Bohrspülflüssigkeitsstromes fortpflanzen können. Diese Druckschwankungen oder Druckimpulse lassen sich zurückführen, dass bei verringertem Strömungsquerschnitt und gleichem Flüssigkeitsstrom die Strömungsgeschwindigkeit um den Strömungswiderstandskörper herum erhöht und folglich der Flüssigkeitsdruck teilweise sinkt. Eine Verkleinerung des Strömungsquerschnittes führt demzufolge zu einer teilweisen Druckerhöhung im Flüssigkeitsstrom. Hierdurch lassen sich gezielt Druckschwankungen oder Druckimpulse im Flüssigkeitsstrom erzeugen. Dies gelingt aufgrund der Elastizität des Strömungswiderstandskörpers in reproduzierbarer Weise, wobei der vorgenannte Vorgang beliebig oft und nahezu verschleißfrei wiederholt werden kann. Außerdem sind die Reaktionszeiten des elastischen Strömungswiderstandskörpers vorteilhafterweise so gering, dass einwandfreie Anstiegs- und Abfallflanken der Druckimpulse erzeugt werden können. Auf diese Weise ist eine ungestörte Informationsübermittlung nach wie vor möglich, da die erzeugten Druckimpulse eine ausreichende Flankensteilheit aufweisen, um anschließende beispielsweise digitale Auswertevorrichtungen ansteuern zu können.
-
Schließlich ist in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts die Steuervorrichtung desselben mit einer Vorrichtung zur Übertragung von Informationen innerhalb des Bohrrohrstrangs mittels Impulsen, wie Schallwellen, verbunden; an eine dem Drehbohrmeißel nachgeschaltete Informationserzeugungseinrichtung, z. B. als Teil der Steuervorrichtung, kann eine Übertragungseinrichtung zur Erzeugung der Impulse geschaltet sein, wobei eine Empfangseinrichtung zum Empfangen und Auswerten der der über Impulse übertragenen Informationen gleichfalls die Vorrichtung umfasst, wobei die mittels Übertragungseinrichtung erzeugten Impulse als Schallwellen ausgebildet sind und an die Empfangseinrichtung weitergeleitet sind, wie in
DE 10 2012 004 392 offenbart. Die Schallwellen können mittels mechanisch, hydraulisch, elektrisch und/oder pneumatisch beaufschlagbarer Impulse ausgelöst sein.
-
Vorteile der Erfindung
-
Auf Abweichungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes von einer vorgegebenen Lage, hier einer normalen oder vorbestimmten Lage genannt, werden nicht nur frühzeitig festgestellt sondern in Echtzeit – ohne Einschaltung eines obertägigen Steuerstandes – Verzögerung durch sofort korrektive Maßnahmen zwecks Berichtigung der Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts mit Drehbohrmeißel durchgeführt.
-
Die Eingriff korrektiver Maßnahmen erfolgt bei Betrieb des Tiefbohrens ohne Unterbrechung.
-
Durch die Anordnung der Magnetfeldsensoren gerade in dem bohrmeißelnahen Bereich des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts ist das erfindungsgemäße Richtbohrgerät im Gegensatz zu der von Schlumberger Technology B. V. in
US 13/323 116 und
13/429 173 offenbarten Verfahren und Vorrichtungen in der Lage, bereits geringste Abweichungen von dem Bohrlochverlauf festzustellen und in entsprechender Weise mit Hilfe der von der Steuervorrichtung angesteuerten Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts sowie deren Steuerrippen durch Ausfahren bei laufenden Bohrbetrieb zu berichtigen.
-
Weiterhin ist festzustellen, dass im Stand der Technik bei den herkömmlichen Richtbohrgeräten die Magnetfeldsensoren soweit von dem Drehbohrmeißen entfernt in dem Richtbohrgerät angeordnet sind, dass diese erst Änderungen des Krümmungsverlaufs des Bohrlochs feststellen, wenn die Änderungen des Azimutalwinkels weit fortgeschritten sind, so dass nicht nur der Bohrstrecke sich deutlich verlängert sondern nachteiligenswert zusätzliche beträchtliche, wenn auch unnötigerweise, Betriebslosten auftreten.
-
Ausführungsbeispiel
-
In dem Ausführungsbeispiel wird in schematischer Weise das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem hoch präzise arbeitenden Richtbohrgerät zur frühzeitigen zuverlässigen, zeitnahen Bestimmung des Bohrlochs in Erdschichten unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs für das Tiefbohren und das erfindungsgemäße zuverlässig arbeitende Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs beschrieben.
-
Das erfindungsgemäße Richtbohrgerät umfasst ein Gehäuse, die in dem Gehäuse angeordneten Magnetfeldsensoren, die Steuervorrichtung, deren Eingang elektrisch steuerungstechnisch mit den Ausgängen der Magnetfeldsensoren und den Eingängen der an oder in dem Gehäuse angeordneten Richtungssteuereinrichtungen angeschlossen ist, die in dem Gehäuse drehbar gelagerte Meißelantriebswelle mit dem Drehbohrmeißel.
-
Das erfindungsgemäße Richtbohrgerät wird in einem von Helmholtz-Spulen erzeugten homogenen Magnetfeld in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in dem Magnetfeld angeordnet im Schritt a.. Im Schritt b. werden die auch von den magnetischen Störfeldern beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung X-, Y-, Z-Achsen von den Magnetfeldsensoren als Messwerte oder -größen bestimmt, um die Messwerte als Missweisungswerte oder Missweisungssignale über deren Ausgänge an den Eingang der Steuervorrichtung weitergeleitet. Mit den Missweisungswerten korrespondierende Korrekturwerte werden von der Steuervorrichtung erzeugt, die den Abweichungen als Missweisungswerte von den Messwerten magnetischer Flussdichten ohne Störfelder oder dem Ausmaß der Messgrößen der durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messgrößen magnetischer Flussdichten ohne Störfelder als Bezugsnormal nach Abgleichen entsprechen können. Die Korrekturwerte werden in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt.
-
In dem Schritt c wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät in dem von den Helmholtz-Spulen erzeugten Magnetfeld und in von der vorbestimmten Lage als Bezugsnormal sich unterscheidende Ausrichtungen oder Betriebsfunktionen angeordnet und die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z-Achsen von den Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes als Messgrößen bestimmt; die mit diesen verschiedenen Ausrichtungen bedingten korrespondierenden Messwerte oder -größen als Positionswerte oder Positionssignale werden über die Ausgänge der Magnetfeldsensoren an den Eingang der Steuervorrichtung weitergeleitet. Die mit den Positionswerten korrespondierenden Korrekturfaktoren werden durch die Steuervorrichtung erzeugt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Richtbohrgerät aus seinen verschiedenen Ausrichtungen wieder in eine vorbestimmte Lage als Bezugsnormal verbracht werden kann.
-
Die Korrekturfaktoren können im elektronischen Speicher der Steuervorrichtung hinterlegt werden. Die Korrekturfaktoren können einem bestimmten Steuersignal für die Richtungssteuereinrichtungen entsprechen zur Verbringung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts in eine vorbestimmte Lage. Mit Hilfe der abgespeicherten Korrekturfaktoren kann die Steuervorrichtung das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit seinen Richtsteuereinrichtungen mittels der mit den Korrekturfaktoren korrespondierenden Steuersignalen in eine vorbestimmte Lage wieder verbringen. Die Korrekturfaktoren können den Istwerten der von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen entsprechen, so dass nach Vergleichen der Korrekturfaktoren mit den mit der vorbestimmten Lage entsprechenden Sollwertvorgaben die Steuervorrichtung die Richtsteuereinrichtungen mittels der an diese mitgeteilten Steuersignalen in eine vorbestimmte Lage wieder verbracht wird.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Korrekturfaktoren um die Korrekturwerte zur Erzeugung von Abgleichsfaktoren soweit abgeglichen, dass mit deren Hilfe auch das erfindungsgemäße Richtbohrgerät aus den verschiedenen Ausrichtungen wieder in die vorbestimmte Lage als Bezugsnormal verbracht werden kann. Die Abgleichsfaktoren können den Istwerten der von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen entsprechen, so dass nach Vergleichen der Abgleichsfaktoren mit den mit der vorbestimmten Lage entsprechenden Sollwertvorgaben die Steuervorrichtung die so dass nach Vergleichen der Korrekturfaktoren mit den mit der vorbestimmten Lage entsprechenden Sollwertvorgaben die Steuervorrichtung das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit seinen Richtsteuereinrichtungen mittels der an diese mitgeteilten Steuersignalen in eine vorbestimmte Lage wieder verbracht wird.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Richtbohrgerät ermöglichen
das Kalibrieren auf einfache Weise,
das frühzeitige Erfassen von Abweichungen des Tiefbohrverlaufs,
die erstmalige Verwirklichung der bisher technisch anerkannterweise ungelösten Aufgabe, die
seit langem bekannt ist, nämlich
die Anordnung von Magnetfeldsensoren in bohrmeißelnaher Anordnung im erfindungsgemäßen Richtbohrgerät,
das frühzeitige Eingreifen korrektiver Maßnahmen,
das Erfassen auch geringfügiger Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs bei Bohren in großen Tiefen,
die Überwachung von sehr engen Krümmungsverläufen des Bohrlochs bei Bohren in großen Tiefen,
die Durchführung korrektiver Maßnahmen im Fall geringfügiger Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs in großen Tiefen,
die Korrektur zur Änderungen des Bohrungsverlaufs ohne Gefahr des Einflusses magnetischer Störfelder auf die Lagebestimmung,
das Wegfallen der Ansteuerung des Richtbohrgerätes über einen obertägigen Steuerstand,
die automatische Steuerung des Richtbohrgeräts in Echtzeit ohne kostenträchtige Verlängerung der Bohrstrecke,
die Bereitstellung bohrmeißelnaher Magnetfeldsensoren in dem Richtbohrgeräte,
den Entfall komplizierter und störanfälliger Verfahren im Gegensatz zu von Schlumberger Technology B. V. in
US 13/323 116 und
13/429 173 offenbarten Verfahren und Vorrichtungen
sowie
die einfache und robuste Bauweise des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts
und
damit kostengünstige Herstellungsweise.
-
Auch ist durch die störungsfreie kabellose Übertragung von Signalen von dem obertägigen Steuerstand an das erfindungsgemäße Richtbohrgerät der Richtungsverlauf des Bohrlochs für das Tiefbohren jederzeit wählbar.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 60207559 [0005]
- US 13/323116 [0007, 0052, 0060]
- US 13/429173 [0007, 0052, 0060]
- DE 19950040 [0045]
- DE 4134609 [0046]
- DE 19607402 [0047]
- DE 102012004392 [0049]