DE1798064A1

DE1798064A1 - Vorrichtung zur Bestimmung von Bohrrichtungen

Info

Publication number: DE1798064A1
Application number: DE19681798064
Authority: DE
Inventors: Pierre Schnerb
Original assignee: Association des Ouvriers en Instruments de Precision
Current assignee: Association des Ouvriers en Instruments de Precision
Priority date: 1967-08-17
Filing date: 1968-08-16
Publication date: 1971-11-25
Also published as: US3587176A; NL6811634A; FR1540477A; GB1235318A

Description

Association des Quvriers en Instruments de Precision

Paris / l¹'rankreich

Vorrichtung zur Bestimmung von Bohrrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der iiichtung eines beweglichen Elementes im üaum, insbesondere zur Bestimmung von Bohrrichtungen,welche zu jedem Zeitpunkt die Messung der Bohrrichtung gestattet, ohne daß hierzu ein Registrierinstrument in das Bohrloch eingeführt und nach der Messung wieder heraufgeholt werden muß.

Die Bohrrichtung kann durch zwei Winkel definiert werden, und zwar durch die Neigung- der Bohrrichtung gegenüber der

109348/0649

— a. —

Senkrechten, d.h. auch ciurch die f»e igung gegenüber der Senkrechten des Bohrkopfes, und durch den Azimut, dem Winkel zwischen der senkrechten i'4eigungsebene (senkrechte, aurch aie Bohrkopfachse laufende Ebene) und einer bekannten feststehenuen, waagerechten Bezugsrichtung, beispielsweise Norden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermittelt den teert aieser beiden Winkel aus zwei anderen, direkt meßbaren Winkeln, una zwar den Winkeln d* und ß zwischen einer waagerechten Ebene und zwei mit dem Bohrkopf verbundenen Bezugsgeraden, die beide zur Achse des Bohrkopfes sowie untereinander senkrecht stehen.

Kine Rechnung ergibt, daß man den Sinus der Neigung ö der Bohrkopfachse gegenüber der Senkrechten durch vektorielle Addition der Sinusse dieser beiden Winkel <a£»und ß erhält, d.h. daß die Resultate von zwei Vektoren mit den dichtungen der beiden Bezugsgeraden und von der Länge sineL-bzw. sinß einen Vektor der Länge sind in der senkrechten Meigungsebene des Bohrkopfes darstellt.

Wenn h der yinkel zwischen der heigungßebene und der Ebene, auf welcher die Achse der Bohrung und eine der Bezugsliegt, ist, so erhält man:

= sin9 cos 4· (i)

sinü = sinQ sin b (2)

109848/0649 - 3 -

BAD ORlQWNAL

Dadurch wird die Richtung der Senkrechten in Bezug auf den Bohrkopf, d.h. in Bezug auf seine Achse und den Bezugsgeraden, vollständig bestimmt. Man erhält nämlich aus den Formeln 1 und 2«

sin² θ = sin²^fsin²ß (3)

sin 4 = sin ß

—τ ^w

sinau

Die Winkel ai/und ß können mittels Pendeln gemessen werden. Ein Pendel mit einer senkrechten Schwingebene, in welcher die erste Bezugsgerade liegt, mißt den Winkel «4 wenn diese Gerade aus der waagerechten Lage in die geneigte Lage gelangt, so verschwenkt sich das Pendel in bezug auf diese Gerade um den Winekl <s£* Damit jedoch die Schwingebene des Pendels stets senkrecht bleibt, muß dieses zwei Freiheitsgrade besitzen, d. h. es muß über eine erste Achse, die sog. Innenachsen mit einem Zwischenkörper verbunden sein, welcher seinerseits am Bohrkopf durch eine zweite Achse, die sog. Außenachse verbunden ist, welche zur Bezugsgeraden parallel ist. Dadurch stellt sich das System so ein, daß die Innenachse waagerecht und die Ebene der Pendelschwingung um diese Achse senkrecht ist. Bei der Bestimmung des Azimut stellt eine vom Bohkopf abhängige Richtung, beispielsweise die erste Bezugsgerade, keine gültige Richtung dar, da die Stellung des Bohrkopfes

1090^8/0849

-*- 179806A

selbst infolge der Verdrehung des Gestänges unbekannt ist. Hierbei muß außerdem der Winkel zwischen der waagerechten Bezugsrichtung und der von dem Bohrkopf abhängigen Richtung gemessen werden. Dieser Winkel k ο gibt die Drehung des Bohrkopfes im Raum an. Der Azimut ist somit im wesentlichem

Az = Ii- - 4 ο (5)

4 ο wird durch ein Zusatzgerät, beispielsweise einem " Magnetkompaß oder Kreiselkompaß, gemessen.

Die erfindungsgemaße Vorrichtung, deren Arbeitsweise auf dem oben beschriebenen Prinzip beruht, ist im wesentlichen durchzwei vom Bohrkopf getragene Pendel mit zwei Freiheitsgraden, deren äußere Aufhängungs· achsen untereinander sowie jeweils zur Bohrkopfachse senkrecht sind, zwei jeweils mit der Innenachse eines der Pendel verbundene induktive Meßwertgeber, die ein dem Sinus des Neigungswinkels der Außen-achse des betreffenden Pendels gegenüber der waagrechten Ebene ent« sprechendes Signal liefern, einen Rechner, der die Signale der beiden Meßwertgeber empfängt und ein dem Sinus des Neigungswinkels der Bohrkopfachse gegenüber der Senkrechten entsprechendes Signal liefert, ein aufgehäng· tes kardanisch im Bohrkopf Richtungsanzeigegerät, wie

• 109848/0649

Magnetkompaß oder Kreiselkompaß und einen Differenzgeber, der einerseits den von dem Rechner gelieferten Winkel zwischen der senkrechten, durch die Achse des Bohrkopfes laufenden Neigungsebene und der Außenachse eines der Pendel und andererseits den vom Richtungsan· zeigegerät gelieferten Winkel (ko) empfängt und die Differenz dieser beiden Winkel liefert.

Die beiden Pendel bestehen jeweils aus einem mittels einer Außenachse am Bohrkopf aufgehängten Zwischenkörper oder Kreuzgelenk und einem um eine am Zwischenkörper ange· brachte, zur Außenachse senkrechte Innenachse schwingenden Gewicht.Das vom Rechner gelieferte Signal, welches zum Sinus des Neigungswinkels des Bohrkopfes gegenüber der Senkrechten proportional ist, wird zur Erdoberfläche gesandt und von einem Galvanometer gemessenj anstelle des Galvanometers kann auch ein Anzeigegerät mit einer Vorrichtung, welche den Neigungswinkel angibt, vorgesehen sein·

Der Rechner liefert ferner den 'Winkel 'zwischen der senk» rechten Neigungsebene des Bohrtopfes und der ersten Be«· zugsgeraden. Zur Bestimmung des Azimuts zwischen der senkrechten Neigungsebene der Bohrkopfachse und einer Bezugsriohtung, beispielsweise Norden, gibt das Richtungsanzeigegerät den Winkel zwischen der Bezugsrichtung und

• 6 · 109848/0649

einer vom Bohrkopf abhängigen und" zur ersten Besegsgeraden parallelen Ebene an. Dieser Winkel wird dem Differenzmesser zugeführt, der auch den voni Rechner gelieferten Winkel zwischen der senkrechten Neigungs» ebene des Bohrkopfes und der ersten Bezugsgeraden empfängt und die Differenz dieser beiden Winkel ermittel. Der dabei erhaltene Winkel liefert einen guten Annäherungswert für den Azimut, sofern der Neigungswinkel des Bohrkopfes ziemlich klikin ist» Der Differenzgeber kann ein gebräuchlich mechanischer Differenzgeber

So

sein, eefern der Rechner den Winkel 4 in Form einer Wellen·· drehung liefert und das vom Richtungsanzeigegerät gelieferte Signal k ο zu einer gesteuerten Vorrichtung gesandt wird, welche eine Welle antreibt, die sich somit um den Winkel ko drehtι der Differenzgeber ist dabei zwischen diesen beiden Wellen angebracht und besitzt eine dritte Welle, die sich um den Winkel ko*· k dreht. Diese Welle betätigt einen elektrischen Signalgeber, dessen Signal zur Erdoberfläche gesandt wird.

Der Differenzgeber kann ferner auch aus einem Differenzgeber bestehen, welcher auf die Welle angebracht ist, die vom Rechner um den Winkel 4 gedreht #ird, und der von diesem Richtungsanzeiger angegebenen Winkel k entsprechen. Dieser Differenzgeber liefert Signale,

109848/0649

inspected

ο „

welche dem Azimut entspreehen an die Erdoberfläche.

Wenn die Neigung θ des Bohrkopfes verhältnismäßig groß ist, so ist es nicht zweckmäßig, die Formel 5 zu verwenden. Der Azimut, der Winkel zwischen der Bezugsrichtung und der durch die Bohrkopfachse laufenden, senkrechten Ebene, liegt in einer waagerechten Ebene. Der Winkel ^o zwischen der Bezugsrichtung und der vom Bohrkopf abhängigen Richtung wird ebenfalls in einer waagerechten Ebene gemessen. Deshalb ist das Instrument, das diesen Winkel mißt, beispielsweise ein Kompaß, pendelnd aufgehängt und die vom Bohrkopf abhängige Richtung, die Richtlinie des Kompasses, ist notwendigerweise waage« recht. Wenn die Aufhängung des Kompasses so durchgeführt wäre, daß die Drehungen des Bohrkopfes um seine Achse gleiche Drehungen des Kompaßgehäuses und seiner Richtlinie um die Senkrechte bewirken würden, so wäre der in einer waagerechten Ebene liegende Winkel zwischen der Richtlinie des Kompasses und der senkrechten Neigungs«* ebene der Bohrahhse gleich dem Winkel k zwischen der ersten Bezugsgeraden und dieser Neigungsebene und die Anzeige des Kompases würde die Anwendung der Formel 5 gestatten. Tatsächlich ist der Kompaß jedoch kardanisch aufgehängt und seine Anzeige ist nicht mehr dieselbe wie im vorhergehenden Fall, sondern ist» 4₀ = 4_O · e wobei e die Kardanäbweichung ist (keine Homokinetizität),

die umso größer ist, je größer der Neigungswinkel θ ist. Wenn man also die Kardanabweichung nicht berücksichtigt, was nur bei einem kleinen Winkel θ zulässig ist, so mißt man (4 - 4ο¹) und erhält somit für den Azimut einen Wert, der von dem tatsächlichen Wert um den Wert e abweicht.

Nimmt man dagegen (V = 4-e), so erhält man den Azimut auf exakte Weise durch die Formel:

Az =

Die Anordnung der Aufhängung kann so gewählt sein, daß man eine einfachere Rechnung erhält. Wenn beispielsweise der Kompaß so aufgehängt ist, wie das Pendel, dessen Außenachse die erste Bezugsgerade ist, und wenn die Richtung der Richtlinie des Kompaß bei vertikal verlaufender Bohrkopfahse parallel zu dieser üeraden ist, d. h. wenn der Kompaß den Winkel zwischen Norden und der durch diese Gerade gelegten senkrechten Ebene anzeigt, so erhält man:

tg ^¹ a tg k cos 0

Hierbei genügt es, die Vorrichtung mit einem elektrischen oder elektromechanischen Rechner zu versehen, der diese Rechnung durchführt und die Bestimmung von 4¹ gestattet. Dieser Rechner kann beispielsweise mit Tangentenrechnern gemäss der framz.

109848/0649 -9-

Pat. Anm. No. PV 3·39ο (S. & 0.) vom 7. August 1967 versehen sein.

Jedes Pendel kann aus einer kardanisch in einem Behälter aufgehängten Masse bestehen, welcher eine Flüssigkeit von hoher Dichte enthält, so daß das Gewicht dieser Masse durch Auftrieb nahezu kompensiert wird.

Der Rechner kann aus einem mit einem Regelkreis versehenen Dreh- a meider bestehen, dessen beide rechtwinklig angeordnete Statorwicklungen mit den beiden an den Innenachsen der Pendel angebrachten Meßwertgebern verbunden sind und zwei zueinander senkrechte Wechselfelder erzeugen, deren Amplituden die Sinusse der Neigungswinkel der Außenachsen beider Pendel gegenüber der Waagerechten darstellen und die ein resultierendes Feld ergeben, dessen Amplitude den Sinus des Neigungswinkels des Bohrkopfes gegenüber der Senkrechten darstellt und dessen Winkel mit den Achsen der beiden Statorwicklungen gleich den Winkeln sind, die die senkrechte Neigungsebene des Bohrkopfes mit der jeweiligen Außen- ™ achse des entsprechenden Pendels bildet. Der Regelkreis besteht aus einem Verstärker, dessen Eingangsseite das Signal einer ersten ßotorwicklung des Drehmelders empfängt, einem von der Ausgangsseite des Verstärkers gespeisten Servomotor, der über ein Untersetzungsgetriebe die Welle des Drehmelders betätigt, und gegebenenfalls einem Tachogenerator, derder Eingangsseite des Verstärkers ein zur Drehgeschwindigkeit des Motors proportionales Signal liefert, welches zur Dämpfung der Motor- und Drehmelderbewegung dient. Dadurch nimmt der Rotor des Drehmelders ständig eine Stellung ein, in der das von sener ersten

109848/0649 -i_o-

- Io -

Wicklung gelieferte Signal Juli ist und in der somit die Achse dieser Wicklung zum resultierenden Feld senkrecht ist. Die zweite Rohrwicklung, die zur ersten senkrecht ist und deren Achse somit zum resultierenden Feld parallel ist,liefert ein zur Amplitude dieses resultierenden Feldes und somit zum Sinus des Winkels 9 der iieigung· der Bohrkopfachse gegenüber der Senkrechten proportionales Signal. Die Stellung der Welle des Drehmelders ^ibt den ,/inkel H- an, da seine zweite Hotorwicklung, deren Achse zum resultierenden Feld parallel ist, mit der ersten Statorwicklung einen Winkel bildet, der gleich dem Winkel zwischen der senkrechten, durch die Bohrkopfachse gelegten Ebene und der Außenachse des ersten Pendels ist. Wenn keine Vorrichtung zur Korrektur der Kardanabweichung vorgesehen ist, so ist die Welle des Drehmelders mit dem Differenzgeber verbunden. Anderenfalls ist sie mit dieser Korrekturvorrichtung verbunden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Bohrrichtung, die an Hand beiliegender Zeichnung dargestellt ist. In dieser Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch den Bohrkopf.

Fig. 2 einen schematisehen Schnitt durch die gesamte erfindungsgemässe Vorrichtung.

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Pendel in der Ebene, in welcher sich dessen innere Aufhängungsachse befindet.

- 11 -

109848/DR49 , ,

ORIGWAL

Fig. 4 einen Schnitt durch das pendel in einer Ebene, in welcher sich dessen Außenachse befindet.

Fig. 5 βίηφ elektrisches Schaltschema der Vorrichtung.

Fig. 6 ein Schaltbild des Anschlusses der Vorrichtung an einen Magnetkompaß.

Fig. 1 zeigt den Bohrkopf 1 mit einem Elektromotor 2 zum Antrieb eines Bohrwerkzeugs 3. Die Hohlwelle k des Motors 2 ist mit einem Hohr 5 verbunden, welches den Schaft darstellt und an welches ein Schlauch anschließt, durch den die Flüssigkeit zur W_elle ^ geleitet vflrd. Der Motor ist durch einen zylindrischen Körper 6 belastet, der den Schaft ringförmig umgibt. Die. Stromzuleitungen 7 des Elektromotors 2 sind durch die Wandung des Rohrs 5 und des daran anschließenden Schlauches hindrchgeführt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 ist in den Körper 6 eingesetzt. Die Leitungen 9 zur Speisung der Vorrichtung und zur Übertragung ihrer Signale sind ebenso wie die Leitungen 7 zur Speisung des Motors durch die Wandung des Sohlauchs hindurchgeführt.

Das Gehäuse der Vorrichtung 8 besteht aus einem Hohr Io (vgl. Fig. 2), das die Vorrichtung gegen starke Drücke schützt. Dieses Rohr ist oben durch einen Stopfen loa dicht verschlossen. In der Wandung des Rohrs ist eine Kabeldurchführung 11 vorgesehen.

- 12 -

109848/0649

1 9

Im Rohr Io befinden sich zwei Pendel 12a und 12b. Der bewegliehe Teil jedes dieser Pendel besteht aus einer Achse 1£-, der sogenannten Innenachse, die in einem G-ehäuse 14 geeigneter Form schwenkbar gelagert ist (Fig. 3, 4) . Auf der Achse 13 sind der Rotor 15 eines induktiven Meßwertgebers l6a bzw. 16b und symmetrisch links und rechts von diesem Rotor zwei hohle Rotationskörper 17 fest angebracht, deren geometrische Achse die Achse 13 ist. Diese Rotationskörper sind zur Erzeugung einer Unwucht mit Massen 18 versehen.

Das G-ehäuse 14 stellt den Zwischenkörper der kardanischen Auf-

zur hängung dar. Es ist seinerseits mittels Zapfen 19 um die/lnnenachse senkrechte, sogenannte Außenachse in zwei im Gehäuse 22 des Instruments befestigten Wäfelagern 2o verschwenkbar. Das Gehäuse 22 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und steht mit einem Aus»- dehnungsbalg 23 in Verbindung, welcher eine Ausdehnung der Flüssigkeit bei Temperaturanstieg erlaubt. Der Balg ist durch eine Kappe geschützt. Das Gewicht der Massen 18 und die Dichte der Flüssigkeit werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß das Gewicht des beweglichen Teils bei eiier -mittleren Temperatur durch den Auftrieb genau kompensiert wird.

Die Außenachsen beider Pendel 12a und 12b sind zur Achse des Rohrs und damit zur Achse des Bohrkopfes 1 senkrecht angeordnet. Außerdem sind sie zueinander senkrecht.

Die Rotorwicklung 25a des Meßwertgebers l6a wird von den vom Gehäuse 14 getragenen Leitungen aus über spiralförmige Kapillardrähte (nicht dargestellt) gespeist.

109848/0649 . -13-

Der Stator des Meßwertgebers l6a ist am Gehäuse 1Λ befestigt und besitzt eine Wicklung 27a (Fig. 5)· Dfese Statorwicklung 27a ist so angeordnet, daß ihre Achse zur Achse der ßotorwicklung 25a senkrecht ist, wenn die Außenachse der Kardanaufhängung horinzontal ist {*L ist in diesem Fall Null). Die Anschlüsse der Wicklungen des Meßwertgebers 16a bestehen vom verschwenkbaren Gehäuse 3Λ an aus einer Heine von Schleifringen 29, welche auf zum Gehäuse lA koaxial ange ordneten zylindrischen Isoliermuffen 21 sitzen und auf welchen Läufer 3o gleiten. Die Wicklung 25a ist an einen regelbaren Strom- l abnehmer 31a einer Wechselstromquelle 31 angeschlossen. Der Stromabnehmer ist so eingestellt, daß die in der Wicklung 27a indEierte Spannung gleich einer als Einheit genommenen, durch einen anderen Stromabnehmer 31c der Spannungsquelle 31 bestimmten Spannung ist, wenn die Achsen der Wicklung 25a und der Wicklung 27a parallel sind. Die Wicklung 27a liefert somit eine Spannung, die, gemessen mit der Einheitsspannung, gleich sin«^ ist.

Das Pendel 12b ist auf entsprechende Weise angeordnet. An seiner Innenachse 13 ist die Rotorwicklung 25b des induktiven Meßwertgebers l6b befestigt, der durch den Stromabnehmer 31b der Spannungsquelle 31 so gespeist wird, daß seine Statorwicklung 27b eine Wechselspannung liefert, die gleich sinO ist, wenn die Einheit durch den Stromabnehmer 31c der Stromquelle 31 definiert ist.

Die induktiven Meßwertgeber 16a, 16b sind mit einer Vorrichtung 32 (Flg. 2) mit einem Regelkreis verbunden. Diese enthält einen

Drehmelder 33 mit zwei rechtwinklig angeordneten Statorwicklungen , 34b (Fig. 5). Die Wicklung 3^a ist mit der Wicklung 27a und die

109848/0649 - i4 -

1 79806Λ

Wicklung 3^b mit der Wicklung 27b verbunden.

Der Rotor des Drehmelders 33 besitzt zwei zueinander senkrecht angeordnete Rotorwicklungen 35a und 35b. Die Rotorwicklung 35a ist.an die Eingangsseite eines Verstärkers 36 angeschlossen, dessen Ausgangsseite einen Motor 37 speist. Dieser Motor treibt über ein Untersetzungsgetriebe (nicht dargestellt) den Rotor des Drehmelders 33 an.

Die beiden Wicklungen 3^-a und 3^-b erzeugen zueinander senkrechte Wechselfelder, deren Amplituden die Signale sirU und sinß bilden. Jede Resultante besitzt eine Amplitude, welche sinO entspricht, und bildet mit dem sin>Z darstellenden Feld einen Winkel, der gleich dem Winkel 4 zwischen der Neigungsebene der Bohrkopfachse und der Außenachse des Pendels 12a ist.

Der Rotor des Drehmelders 33 nimmt eine Winkelstellung ein, bei welcher die Achse der Regelwicklung 35a zum resultierenden Feld des Stators senkrecht ist und der Strom zur Speisung des Motors 37 gleich Mull ist. Die Achse der Wicklung 35b liegt also mit dem resultierenden Feld des Stators in einer Linie. Diese Wicklung 35b gibt somit genau die Stärke dieses Feldes an. Der mit dieser Wicklung verbundene Leiter 38 liefert infolgedessen ein Signal, das sinO darstellt. Dieser leiter 38 ist durch die Wandung des mit dem Bohrkopf 1 verbundenen flexiblen Rohres hindurchgeführt und speist eine an der Erdoberfläche angeordnete Anzeige- ader Registriervorrichtung./fiia as-^geh die Wandung -de u-

- 15 109848/0649

aa4-45^eis a ddläon-Segi-g^e. Ein weiterer, ebenfalls durch die Wandung dieses Rohrs hindurchgeführter Leiter 38a leitet die vom Abnehmer 31c der Quelle 3I gelieferte Einheitsspannung an die Erdoberfläche. Wenn die an der Moberflache durch die Leiter 38 und 38a gespeisten Impedanzen gleich sind, so sind die Stromstärken und auch die Leitungsverluste proportional zu den Spannungen. Dadurch bleibt das Verhältnis der beiden an der Erdoberfläche gemessenen i Spannungen trotz der Leitungsverluste gleich dem Verhältnis der aus dem Bohrloch übertragenen Spannungen, d. h. gleich dem sinQ. Die vom Leiter 38a gelieferte Spannung kann zur Eichung eines Anzeigeoder Hegistriergalvanometers verwendet werden, welcher somit den Sinus der Heizung ohne durch die Leitung verursachte Abweichungen

anzeigt. Dieser Sinusgeber wird durch den Leiter 38 gespeist und liefert ein Signal, das gleich dem Sinus des von seinem Rotor angegebenen Winkels ist, wenn als Einheit die von dem Leiter 38a gelieferte Spannung gilt. Auf den Sinusgeber wird so eingewirkt, daß die Abweichung dieses Signals von dem von dem Leiter 38 ge- { lieferten Signal, d.h. sinO , NuIl bleibt, und daß infolgedessen der Rotor des Sinusgebers den Winkel ö der Meigung des Bohrkopfes auf einer linearen Skala angibt.

Andererseits bildet die Achse der Wicklung 3$b mit der Achse der Wicklung 3^a einen Winkel, der gleich dem Winkel ^ zwischen der Neigungsebene der Bohrkopfachse und der AuSenachse des Pendels 12a ist. Dieser Winkel wird von der Welle des Drehmelders 33 angegeben und durch eine Vorrichtung 39 zur Korrektur der Kardanabweichung korrigiert, welche den Rotor eines selbstsynchronisierenden Differenzgebers ^o um den Winkel 4' dreht.

109848/0R49 -16-

Der Stator des selbstsynehranisierenden Differenzgebers 4o besitzt drei Wicklungen 48, 4-9 , 5o (Fig. 6), die mit den drei Stafcorwicklungen 51, 52, 53 eines selbstsynchronisierenden Meßwertgebers 5^ verbunden sind, dessen Rotor durch das Element

55 des Magnetkompasses oder durch eine Vorrichtung, die dessen Anzeige wiedergibt, angetrieben wird, Die drei Statorwfcklungen 48, 49, 5o erzeugen ein Wechselfeld, das mit der Achse einer der Wicklungen, beispielsweise der Wicklung 48 einen Winkel bildet, der gleich dem Winkel zwischen der Nordrichtung und der Achse der entsprechenden Statorwicklung 51 des Meßwertgebers 54 ist. Der Kompaß und sein Meßwertgeber sind übrigens so angeordnet, daß die Achsen dieser Wicklung 51, die die iiollejder Richtlinie des Kompasses spielt, zur Außenachse der Kompaßaufhängung sowie zur Außenachse des Pendels 12a

parallel ist. Somit stellt die auf die drei Statorwicklungen 48, 49, des Differenzgebers 4o übertragene Anzeige den Winkel 4o' zwischen Horden und der senkrechten Ebene der Außenachse des Pendels 12a dar, worin die Kardanabweichung e inbegriffen ist. Wenn sich der Rotor de« Differenzgebers 4o gegenüber seinem Stator um den Winkel 4¹ ,« der die Kardanabweichung einschließt, gedreht hat und somit den Winkel zwischen der Itfeigungsebene des Bohrkopfes und der Außenachse des Pendels 12a angibt, so bildet eine der Wicklungen 55, 56, 57 des Rotors des Differenzgebers 4o, beispielsweise die Wicklung 55, mit dem

tfeld des Stators den Winkel 4o' - 4¹. Der Differenzgeber 4oliefert also ein Signal, das diese Differenz, die gleich dem Azimut der

durch die Bohrkopfachse gelegten senkrechten Ebene in bezug auf

- 17 109848/0649

Korden ist, darstellt, und sendet dieses Signal über den Leiter zur Erdoberfläche.

Der am Kompaß montierte Meßwertgeber muß nicht unbedingt selbstsynchronisierend sein. Er kann beispielsweise auch aus einem Meßwertgeber bestehen, bei dem der Hotor durch eine mit einem rotierenden Magnetkreis kombinierte feststehende Wicklung ersetzt ist.

Der Kompaß kann ferner auch keinen getrennten Meßwertgeber aufweisen; in diesem Fall Gesteht der Kompaß aus einer Vorrichtung, die direkt auf das Erdmagnetfeld anspricht und Signale liefert, die den Signalen

eii.es selbstsynchronisierenden Meßwertgebers entsprechen.

\'Ierm die eine Bezugsrichtung liefernde Vorrichtung nicht aus eihem Magnetkompaß, sondern, aus einem Kreiselkompaß besteht, so ist die Bezugsrichtung des Azimuts nicht Horden, sondern eine beliebige, zuvor festgelegte Richtung.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alle Abwandlungen. Beispielsweise kann der Rechner, die

Vorrichtung ztr Korrektur der Kardanabweichung oder manche ihrer Bauteile an der Erdoberfläche und nicht im Bohrloch in wähe der

Meßgeräte angeordnet sein. In diesem Fall werden die Eintrittsgrößen der jeweiligen Bauteile an die Erdoberfläche gesendet.

Ferner können anstelle direkter mechanischer Verbindungen elektrische Übertragungen mit oder ohne Steuerung bzw. Regelung durchgeführt

- 18 -109B/₊8/ne49

werden. Umgekehrt können elektrische (Jbertragungsglieder durch geeignete mechanische Verbindungen ersetzt werden. Aus Konstruktionsoder Energiegründen können elektrische Übertragungen zusätzlicn mit Relais oder Steuer- bzw. riegeleinrichtungen ausgestattet sein.

Beispielsweise kann bei der Hagnetkompaßanlage eine Vorrichtung vorgesehen sein, die dessen Anzeige widergibt und den Melder, der diese Information zum ilechner liefert, bestätigt.

BAD ORIGWAL UAS

109848/0649 -19-

Claims

179806A atentansprüche :

1. verrichtung zur Bestimmung der Richtung eines beweglichen Elementes im Rau, insbesondere zur Bestimmungvon Bohrrichtungen, gekennzeichnet durch zwei vom Bohrkopf (1) getragene Pendel

(12a, 12b) mit zwei Freiheitsgraden, deren äußere Aufhängungsachsen (19) untereinander sowie jeweils zur Bohrkopfachse senkrecht sind,
zwei jeweils mit der Innenachse (13) eines der Pendel (12a,12b) verbundene induktive Meßwertgeber (l6a, l6b) die ein dem Sinus des Neigungswinkels^, ß) der Außenachse (19) des betreffenden Pendels gegenüber der waagerechten Ebene entst>rechendes Signal liefern, einen Rechner (33) der die Signale der beiden Heßwertgeber (loa, lob) empfängt und ein dem Sinus des Neigungswinkels (Θ) der Bohrkopfachse gegenüber der Senkrechten entsprechendes Signal liefert,

ein kardanisch im ßohrKopf (1) aufgehängtes Richtungsanzeige_t„erät (5*0 wie Hajignetkompaß oder Kreiselkompaß und einen üiffereiiz^eber (4o) der einersetis den von dem Rechner (33) gelieferten, v/inkel (4·) zwischen der senkrechten, durch die Achse des Bohrkopfes (1) laufenden Neigungsebene und der Außena\chse (19) eines (12a) der Pendel und andererseits den vom Richtungsanzeigegerät (5^) gelieferten V/inkel (*k>) empfängt und die Differenz dieser beiden Winkel liefert.

- 2p 109848/0R49

- 2p -

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekenneeichnet durch eine. Verrichtung (39) zur Korrektur der Kardanabweichung (e), welche die beiden vom Rechner (33) gelieferten Winkel empfängt, und die am Azimut vorzunehmende Korrektur errechnet.

3· Vorrichtung nach Ansprmh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Pendel (12a)12b) aus einen Masse (18) besteht, die kardanisch in einem G-ehäuse (22) aufgehängt ist, welches zur Kompensierung des Gewichtes dieser Masse durch Auftrieb mit einer Flüssigkeit hoher Dichte gefüllt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (33) aus einem geregelten Drehmelder besteht, dessen beide rechtwinklig angeordnete Statorwicklungen (3^a, 3^b) von den beiden an den Inn-enachsen (13) der Pendel (12a, 12b) angebradaten Meßwertgebern (l6a, l6b) Signale erhalten, welche den Sinussen der Winkel (sd,ß) zwischen den Außenachsen

(19) der Pendel und der Waagerechten entsprechend und dessen Regelkreis aus einem Verstärker (36) und dessen Eingangsseite- ^: " ■·; das Signal einer ersten Rotorwicklung (35a) des Drehmelders.

empfängt, einem von der Ausgangsseite des Verstärkers ge- ^{r v} speisten Servorotor (37) welcher über ein Untergesetzungsgetriebe die Welle des Drehmelders antreibt, und gegebenenfalls aus einem Tachogenerator besteht, welcher der Eingangsseite des Verstärkers (36) ein zur Drehgeschwindigkeit des Servomotors (37) proportionales Signal liefert.

- 21 -109848/0649 COPY

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzgeber (*k>) ein mechanischer

Differenzgeber ist, dessen eine Welle durch den Rechner (33) betätigt ist und sich. um. den Winkel (4) zwischen der senkrechten Neigungsebene des Bohr kopfes (1) und der Außenachse (19) eines (12a) der Pendel dreht und auft dessen zweite Welle die Anzeige (k-o) des Richtungsanzeigegeräts einwirkt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzgeber (*Jo) ein selbstsynchronisierenden Differenz geber ist, dessen Rotor auf einer mit dem Rechner (33) verbun.de-

nenenoder von dem Rechner gesteuerten Welle sitzt, welche sich wie dei senkrechte Neigungsebene der Bohrkopfachse gegenüber dem Bohrkopf (1) dreht, und der vom Richtungsanzeigegerät (5^·) dessen Anzeige entsprechende Signale erhält.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprühe, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtungen am Bohrkopf (1) angebracht sind.

COPY 109848/0649

ι
Lee