DE19505855C1

DE19505855C1 - Vorrichtung zum Vermessen von Bohrlöchern

Info

Publication number: DE19505855C1
Application number: DE19505855A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Heger
Original assignee: DMT-GESELLSCHAFT fur FORSCHUNG und PRUEFUNG MBH 45307 ESSEN DE; DMT GmbH and Co KG
Current assignee: DMT GmbH and Co KG
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2015-02-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen von insbesondere abgelenkten Bohrungen, die im wesentlichen aus einer in einem sondenartigen Gehäuse angeordneten, und bei spielsweise über ein Bohrlochmeßkabel im Bohrloch verfahr baren, inertialen Sensoreinheit besteht, die mindestens zwei Beschleunigungsaufnehmer und mindestens einen Kreisel als Sensoren aufweist.

Im Bohrbetrieb, vor allem bei abgelenkten Bohrungen, sowie beim Mikrotunneling ist es notwendig, den Verlauf der Boh rung in einem geeigneten Koordinatensystem darzustellen. Dabei handelt es sich in der Regel um ein dreidimensionales karthesisches System. In beliebig orientierten Schnitt ebenen kann dieser Bohrlochverlauf dann projektiv verebnet dargestellt werden. Auf diese Weise ist ein Soll-Ist-Ver gleich zwischen Planung und Realität möglich. Die bisher bekannten Vermessungsverfahren, insbesondere die dazu erforderlichen Vorrichtungen scheitern an den geringen Querschnitten, sowie den großen Teufen und an den bekannten Problemen der visuellen oder optischen Verfahren.

Allgemein sind Systeme bekannt, die etwa mit Inklinometern und magnetischen Sensoren arbeiten. Dabei werden in einem Quasi-Step-Verfahren Neigungen und magnetische Richtungen entlang des Bohrlochverlauf s bestimmt und diese dann mathe matisch zu einem Kurvenzug verarbeitet.

Derartige Verfahren können wegen der quasi statischen Wirkungsweise der Inklinometer nur durch Anhalten der Meßeinrichtung an einer Anzahl von Punkten durchgeführt werden. Eine wesentliche Verbesserung und Erleichterung stellt deshalb ein System dar, daß während der Bewegung Meßdaten aufzeichnen kann. Hierzu eignet sich in besonderem Maße die Inertialtechnik.

In der DE-OS 41 31 673 ist eine Anordnung für den speziel len Bereich der Steuerung von Tunnelbohrmaschinen darge stellt. Diese Vorrichtung, die den Gattungsbegriff bildet, besteht im wesentlichen aus einem zwei Beschleunigungs messer und einen Kreisel aufnehmenden Gehäuse, welches in einem Laufrohr verfahrbar ist. Der Nachteil eines derarti gen Systems besteht darin, daß es sich nicht um ein autar kes System handelt, sondern um eine Steuervorrichtung, die zusätzliche Meßwerkzeuge zur Ermittlung notwendiger Meß größen benötigt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Vermessen von insbesondere abgelenkten Boh rungen zu schaffen, die aus sich heraus alle notwendigen Meßinformationen liefert, die geeignet ist, in Rohren und Bohrungen großer Teufe eingesetzt zu werden, die selbst kalibrierend ausgebildet ist und hohe Meßgenauigkeiten er möglicht, und die darüber hinaus die üblicherweise bei Meß sensoren auftretenden, insbesondere durch Driften hervorge rufenen Meßfehler vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse eine mit der Sensoreinheit verbundene, min destens die Spannungsversorgung, die Kreiselelektronik und die Signalverarbeitung aufnehmende Elektronikeinheit vorge sehen ist, und die drei orthogonal angeordnete, statische Beschleunigungsaufnehmer und zwei, jeweils zwei Meßachsen aufweisende Kreisel aufnehmende Sensoreinheit in einer um die Längsachse des Gehäuses drehbar gelagerten inneren Hülse angeordnet ist, und ein Kreisel um 180° klappbar ausgebildet ist.

Zur Umsetzung der Ausgangsströme der inertialen Sensoren in digitale Werte ist eine hochgenaue Quantisiererschaltung vorgesehen. Für den Meßeinsatz ist es erforderlich, daß in bestimmten Zeitabständen die Sonde in ihrer Bewegung angehalten wird, um die entstandenen Fehler zu eliminieren. Die als Sonde ausgebildete Vorrichtung ist mikroprozessor gesteuert und in ihrer Betriebsart programmierbar ausge bildet.

Die Meßdaten werden sowohl in der Sonde gespeichert als auch über das Meßkabel zu einem PC übertragen. Die Meßdaten werden in aufwendigen Rechenprozessen analysiert.

Das Ergebnis ist die Beschreibung der Trajektorie einer Bohrung mit der gewünschten Genauigkeit von 1 m auf 1000 m Bohrlochlänge.

Der Außendurchmesser der Vorrichtung ist auf die üblichen Bohrlochdurchmesser abgestellt. Innerhalb des sondenartigen Gehäuses sind die inertialen Sensoren drei statische Be schleunigungsaufnehmer und zwei zweiachsige Kreisel auf einer in der Rollachse bzw. der Längsachse des Gehäuses drehbaren Plattform montiert. Aus diesem Grund ist in dem Gehäuse eine über Kugellager drehbare innere Hülse vorgese hen. Zum Drehen der inneren Hülse gegenüber dem Gehäuse ist ein entsprechender Motor installiert. Der Motor dreht die innere Hülse einschließlich der Kreiselmotorsteuerung und der weiteren Elektronik und stabilisiert damit die Plattform in der Längs- bzw. Rollachse.

Über Schleifringe werden die Versorgungsspannungen und Kom munikationssignale dem drehbaren Teil zugeführt. Die mit inertialen Sensoren, wie Beschleunigungsaufnehmer und Krei sel versehene Sensoreinheit wird während der Messung auf einer konstanten Temperatur gehalten, um Wärmedriften der Sensoren zu vermeiden. Aus diesem Grund sind in der Sen soreinheit verteilt mehrere Temperatursensoren angebracht.

Die Sensoren werden zyklisch von einem Meßprogramm abge fragt, das in der Mikroprozessorschaltung abläuft. Je nach Zustand der Messung, z. B. Standphase, Kalibrierungsphase, Aufheizphase werden die Funktionen vom Mikroprozessor selbst oder auf Kommando der Empfangsstation ausgeführt. Dazu gehören z. B. die Vorgänge der Nordausrichtung, bei der mit einem Klappmotor einer der Kreisel um 180° verschwenkt wird.

Die Auswertung der von der Meßvorrichtung gewonnenen Daten setzt einen angepaßten Meßablauf voraus. Zunächst werden in einer Standphase die Lage, die Anfangsorientierung und das Schwerefeld zusammen mit den Beschleunigungsmesseroffsets bestimmt. Daran anschließend erfolgt eine Bewegungsphase, in der die Sonde mit möglichst hoher Geschwindigkeit (eini ge Meter pro Sekunde) gezogen wird. Diese Bewegungsphase, deren Länge von der Größe der aufgelaufenen Fehler begrenzt wird, wird wiederum mit einer Ruhephase beendet.

Die Standphase ermöglicht die in der Bewegungsphase aufge laufenen Fehler zu ermitteln, und Driften zu korrigieren.

Nach der Standphase erfolgt wiederum eine Bewegungsphase, bis die Bohrung vermessen ist. Die erfaßten Daten werden in der Sonde gespeichert und gleichzeitig über das Bohrloch meßkabel zum übertägigen Rechner übertragen. Die Auswertung einer Meßfahrt erfolgt anschließend an die Messung.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßvorrich tung ist den Zeichnungen dargestellt und wird im nachfol genden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den die Elektronikeinheit aufnehmenden Gehäuseabschnitt in schematisierter Form und

Fig. 2 einen Schnitt durch den die Sensoreinheit auf nehmenden Gehäuseabschnitt.

In den Fig. 1 und 2 ist in voneinander getrennten Dar stellungen jeweils die in einem gemeinsamen Gehäuse 1 an geordnete Elektronikeinheit 3 und Sensoreneinheit 2 dar gestellt.

In der Elektronikeinheit 3 sind im wesentlichen die Span nungsversorgung 4, die Kreiselelektronik 5 und die Signal verarbeitung 6 schematisiert angedeutet. Weiterhin ist die Versorgungsleitung 19 dargestellt, über welche die Vor richtung zum Vermessen innerhalb eines Bohrlochs oder einer Verrohrung verfahrbar ist.

In Fig. 2 ist im wesentlichen die in dem gemeinsamen Ge häuse 1 angeordnete Sensoreneinheit 2 angedeutet. Innerhalb des Gehäuses 1 ist eine Hülse 13 über Kugellager 15 drehbar ausgebildet. Zum Verdrehen der Hülse 13 gegenüber dem Ge häuse 1 ist ein entsprechender Nachführmotor 14 instal liert.

Die Sensoreinheit 2 besteht im wesentlichen aus den Be schleunigungsaufnehmern 7-9 sowie zwei, zwei Meßachsen aufweisende Kreisel 10 und 11. Weiterhin ist zur Erhaltung einer konstanten Temperatur ein Thermoelement 16 ange deutet. Die Längsachse des Gehäuses bzw. die Rollachse, um welche die innere Hülse 13 drehbar ausgebildet ist, ist mit 12 bezeichnet. Der Kreisel 11 ist an einem Rahmen 17 befestigt, der über einen Motor 18 um 180° klappbar ausgebildet ist.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Sensoreinheit
3 Elektronikeinheit
4 Spannungsversorgung
5 Kreiselelektronik
6 Signalverarbeitung
7 Beschleunigungsaufnehmer
8 Beschleunigungsaufnehmer
9 Beschleunigungsaufnehmer
10 Kreisel
11 Kreisel
12 Längsachse
13 innere Hülse
14 Nachführmotor
15 Kugellager
16 Thermoelement
17 Rahmen
18 Motor
19 Versorgungsleitungen

Claims

1. Vorrichtung zum Vermessen von insbesondere abgelenkten Bohrungen, die im wesentlichen aus einer in einem sondenartigen Gehäuse angeordneten, und beispielsweise über ein Bohrlochmeßkabel im Bohrloch verfahrbaren, inertialen Sensoreinheit besteht, die mindestens zwei Beschleunigungsaufnehmer und mindestens einen Kreisel als Sensoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) eine mit der Sensoreinheit (2) ver bundene, mindestens die Spannungsversorgung (4), die Kreiselelektronik (5) und die Signalverarbeitung (6) aufnehmende Elektronikeinheit (3) vorgesehen ist, und die drei orthogonal angeordnete, statische Beschleuni gungsaufnehmer (7, 8, 9) und zwei, jeweils zwei Meßachsen aufweisende Kreisel (10, 11) aufnehmende Sensoreinheit (2) in einer um die Längsachse (12) des Gehäuses (1) drehbar gelagerten inneren Hülse (13) angeordnet ist, und ein Kreisel (11) um 180° klappbar ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung der gesamten Sensoreinheit (2) ein schließlich der Kreiselmotorsteuerung ein in der in neren Hülse (13) angeordneter Nachführmotor (14) vor gesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensoreinheit (2) zur Vermeidung von Wärme driften der Sensoren (7-11) eine konstante Tempera tur vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sensoreinheit (2) verteilt mehrere Tempera tursensoren (16) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschwenken des Kreisels (11) um 180° ein Mo tor (18) vorgesehen ist, über welchen der den Kreisel (11) tragende Rahmen (17) um 180° verschwenkbar ist.