DE1954256A1

DE1954256A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gesteinsbeschaffenheit waehrend der Bohrung

Info

Publication number: DE1954256A1
Application number: DE19691954256
Authority: DE
Inventors: Jean Lutz; Claude Quichaud; Michel Raymaud
Original assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Current assignee: Societe Nationale des Petroles dAquitaine SA
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-28
Publication date: 1970-07-09
Also published as: RO75744B; OA03335A; IL33261A; US3626482A; LU59716A1; RO75744A; CA925848A; DD77941A5; ES372983A1; DE1954256B2; JPS502841B1; BE740919A; IL33261A0; CH511363A; NL6916279A; GB1285985A; DE1954256C3

Description

Dipl.-Ing. Dipl. oec. pubt. DIETRICH LEWINSKY _Oß

PATENTANWALT to. 8München2l-Gotthardstr.81

Telefon 56 17 62 5824/9Ü9!¹?··· - V

Societe Nationale des Petroles ti'Aquitaine, Courbevoie, Tour Aquitaine (Prankreich)

.,Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gesteinsbeschaffenheit

während der Bohrung"

Französische Prioritäten vom 30.10.1968, 11.12.1968 und 27.2.1969 aus den französischen Patentanmeldungen Nr. 171 873» 177 543 und 69 05142 (Seine)

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Messung gesteinskundlicher Kenndaten, wobei die Erfassung dieser Daten während der Bohrung selbst, d.h. zum Zeitpunkt des Eingriffs des Bohrwerkzeuges erfolgt.

Frühere Versuche dieser Art gründeten sich darauf, die Amplitude der Spannungen im oberen Teil des Bohrschaftes alt den mechanischen Gesteinseigenschaften zu korrelieren, wobei diese Versuche jedoch infolge des Gemischeharakters des empfangenen Signals zum Scheitern verurteilt waren.

° Demzufolge liegt es in der Zielsetzung der Erfin-

co dung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe die von einem J^ Schwingungsgeber bzw. Aufnahmegerät gelieferte Gesamtinformation J]* in der Form weiterverarbeitet werden kann, daß augenblicklieh eine ο information zur Verfügung steht, die sich auf die jeweiligen Ge- «4 Steinseigenschaften der jeweils bearbeiteten Schichten gründet. ο

Weiterhin bezweckt der erfindungsgenäße Aufbau

ein Augenblickssisnal zu liefern, das die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des voa Bohrer gerade erfaßten Gesteins

1934256

ausdrückt, auf dessen Grundlage und nachfolgender Auswertung wiederum Befehle zur automatischen Bohrsteuerung ausgearbeitet bzw. gegeben werden können.

Ferner liegt es in der Zielsetzung der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Bohrvorschub ein Diagramm für die einzelnen Widerstandswerte (Diagraphie) liefert, aus dem die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des tob Bohrwerkzeug angetroffenen Gesteins ablesbar sind.

W Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist

es in Abhängigkeit der jeweiligen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges möglich, eine GrOSe zu erhalten, die in direktem Bezug zu den physikalischen, mechanischen und strat!graphischen Eigenschaften des jeweils vom Bohrwerkzeug angetroffenen Gesteins steht.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin,

zumindest in einera Punkt über einen am Bohrgestänge angebrachten MsSaufbaii Signale abzugreifen, die die Vibrationen des Bohr Stengels an diesen Punkten wiedergeben, ferner die Werte von Storspannungen, die oberhalb zweier vorherbestimmter Pegel liegen sowie solche umgekehrten Vorzeichens jedoch innerhalb dieser Peeel liegende zusammenzufassen, um somit ein Signal zu isolieren und schließlich ein Fre-) quenzband auszuwählen, das auf eine Frequenz zentriert wird, die gleich dem Produkt aus Rotationsfrequenz des Werkzeugs, multipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente des Werkzeuges ist, um hernach die Amplitude des somit ausgewählten Signals zu messen, deren Wert wiederum in direktem Zusammenhang mit den lithologisehen Eigenschaften des vom Werkzeug während des Bohrvorgangs erfaßten Gesteins steht, wonach dieser Wert mit der jeweiligen Av-* beitstiefe des Bohrwerkzeuges zu korrelieren ist.

ο Ein bisher unerwartetes Moment, das während der

^ Untersuchungen, die schließlich zu vorliegender Patentschrift ge-¹^ führt haben, auftrat, liegt darin, daß die Amplitude des zur Ba-"*« seitigung der Störanteile behandelten Signals innerhalb eines Frequenzbandes liegt, das auf eine Frequenz zentriert ist, die gleich ^ dem Produkt aus Drehfrequenz multipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente des Bohrwerkzeuges ist und wodurch Aufschlüsse über

die lithologischen Eigenschaften des Gesteins möglich sind.

Das eigentliche Spektrum bzw. SendeSpektrum des

Bohrwerkzeuges, d.h. Frequenzspektrum (gemeint sind die Frequenzen, die bei der Zerstörung des Gesteins durch die Angriffselenente des Bohrwerkzeuges entstehen) ändert sich jeweils mit der Drehfrequens des Bohrwerkzeuges sowie mit der Anzahl der dieses Bohrwerkzeug. bildenden Angriffselemente. Das ohne Filterung empfangene Frequenzspektrum ist infolge des Verbundcharakters durch die übertragungsfunktion der Stangen nicht auswertbar.

Eine Filterung dieses Signals innerhalb des obenbezeichneten Frequenzbandes ermöglicht hingegen die Aussonderung eines Aufschluß gebenden Signals, sofern die auftretenden Störanteile ausnefiltert «erden.

Gera9.fi einen Merkmal der Erfindung werden die Kennzahlen der Anlage der aktiven Elemente des Bohrwerkzeuges durch die Anzahl der BohrneißeIrader bzw. die Anzahl der Zähne auf einer der Zahnreihen eines Bohrmeißelrades bei Bohrmeißelwerkzeugen bzw. durch die Anzahl der diamantbesetsten Stellen bei Piamantwerkzeugen bestimmt. _{Al8 Bei8piel aei} angeführt, daß bei Bohrmeißelwerkzeugen die Anzahl der Meißelräder, die als Primärangriffselemente gelten, je nach Fall 2, 3 oder Ί beträgt.

DarQberhinaus ist die Anzahl der Z&hne, die sich auf jedem Bohrmeißelrad befinden, unterschiedlich;ist z.B. eine Zahl von 20 Zähnen in etwa für die äußere Zahnreihe anzusetzen, so beträgt die mittlere Anzahl für die Zwischenreihe des T'eißelrades 8 bis 10 Zähne.

Bei Diamantwerkzeugen wird in gleicher Weise die

Anzahl der Anrriffselemente durch die Zahl der diamantbesetzten ο ο Stellen bestimmt, die jeweils durch Kanäle voneinander getrennt

co sind.

¹^ Die Anwendung des eifindunssgemäßen Verfahrens

"^ besteht in. der Aufnahme eines einzigen Vibrationssignals sowie in

co der Verarbeitung nach nachstehend beschriebener Methode.

° Das somit gewonnene Frpebnis läP>t

auf ii·=» ^:<?weil1 ~er-"esteinpr^rl-T al- ■ .it Sicherheit ?■;.

BAD

-H-

Gemäß einer bevorzugten Anwendungsform der Erfindung nimmt man an zumindest einem Paar entgegengesetzt auf der Bohrvorrichtung liegender Punkte Vibrationssignale der Bohrvorrichtung auf und bildet die algebraische Summe bzw. die Augenblicksdifferenz dieser Signale.

Innerhalb eines bevorzugten, erfindungsgeraäßen

Aufbaues erfaßt man zwei Vibrationssignale mit Hilfe von Aufnahmegeräten, die sich auf zwei entgegengesetzt liegenden Mantellinien der Bohrvorrichtung befinden,wobei diese beiden Aufnahmegeräte axial «wischen 2 cm bis 9 Meter zueinander versetzt liegen.

" Während der inzwischen durchgeführten Prüfungen

wurde eine Qualitätsverbesserung der Beziehungen zwischen Amplitude des verarbeiteten Signals und den Gesteinseigenschaften insofern beobachtet« wenn ein Paar von Vibrationssignalen aufgenommen wurde.

Die Erklärung dieser Erscheinung liegt wahrscheinlich in der durch Verwendung zweier gegenüberstehender Aufnahmegeräte verbesserten Unterdrückung von nicht auswertbaren Vibrationen, die beispielsweise durch Gestängeübertragung entstehen.

Die erfindungsgemäße Signalaufnahme erfolgt innerhalb einer Meßstrecke, die je nach Fall entweder am oberen Teil des Bohrwerkzeuges oder an einem dem eigentlichen Bohrwerkzeug näheren Punkt liegt.

* Innerhalb einer ersten erfindungsgemäßen Verfahrensanwendung wird auf der Meßstrecke der Bohrvorrichtung zumindest ein Signal der längsgerichteten Vibrationen abgegriffen, insofern es sich um Bohrwerkzeuge mit Meißelrädern handelt.

Gemäß einer bevorzugten Variante dieser ersten

erfindungsgemäßen Verfahrensanwendung wird auf der Meßstrecke der ο Bohrvorrichtung mit Hilfe von Beschleunigungsmessern ein Signal ^j für die in dieser Vorrichtung angetroffenen Längsbeschleunigungen durch das Bohrwerkzeug abgegriffen, wobei die Auflageflächen dieser oo Beschleunigungsmesser horizontal, einander entgegengesetzt sowie σ axial versetzt liegen.

^J Innerhalb einer anderen Variante dieser Verfall

rensanvendunc wird auf der XeEstreeke zumindest ein Signal für die L-n. iitelastunrt-,-: VbKe_briffe-n, die in dei- Bohrvorrichtung auf-

treten, wozu eine Vielsahl von Spannungsgebern verwendet wird; deshalb befinden sieh diese Geber sowohl parallel but Achse der Bohrvorrichtung als auch in einer senkrecht zu dieser Achse stehenden Ebene,

Innerhalb einer zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensanwendung wird auf der Meßstrecke der Bohrvorrichtung ein Signal für Torsionsschwingungen abgegriffen, denen beispielsweise mit Diamanten besetzte Bohrwerkzeuge ausgesetzt sind*

Gemäß einer bevorzugten Variante dieser Zweiten

erfindungsgemäßen Verfahrensanwendung werden auf der Meßstrecke, der Bohrvorrichtung die Torsionsbeschleunigungen abgegriffen, denen diese Vorrichtung ausgesetzt ist, wobei die Signalaufnähme Über Beschleunigungsmesser erfolgt, die sieh unter dem Antriebstisch der Bohrvorrichtung befinden und deren elektrische Achsen sich in einer Ebene befinden, die senkrecht sur Achse der Bohrvorrichtung liegt.

Innerhalb einer anderen Variante dieser zweiten

Verfahrensanwendung werden auf einer Heßstrecke der Bohrvorrichtung die Torsionsbelastungen abgegriffen, denen diese Bohrvorrichtung ausgesetzt ist, wobei die Signalaufnahme hierbei ebenfalls mit Spannungs- bzw. Belastungsgebern erfolgt, die sich unter dem Antriebstisch der Bohrvorrichtung befinden und gegenüber der Achse dieser letztgenannten um ¹J5° geneigt sind. Befindet sich die Meßstrecke im oberen Teil der Bohrvorrichtung, so erfolgt die Aufnahme der Längsschwingungen oberhalb des Antriebstisches, während die Signalaufnahme für die Torsionsschwingungen unterhalb dieses Tisches vorgenommen wird. Die jeweilige Lage der Aufnahmegeräte richtet sich nach der Art der aufzunehmenden Schwingungen und bedarf in Fachkreisen keiner näheren Erläuterung.

Befindet sich die Meßstrecke in Nähe des Bohr-

o Werkzeuges, so erfolgt jegliche Signalabnahme unterhalb des An-

to triebstisches, wobei lediglich die Lage der einzelnen Aufnahmege- ™ rate für die Art der aufzuschreibenden Schwingungswerte entsehei- dend ist.

^ Sollte sich die Heßstreck· ie oberen Teil der

<£> Bohrvorrichtung befinden, so wird das aufgenommene Signal in einer ο elektronischen Einheit weiterverarbeiten di« sieh in Näh· des

■'*■

-6-

Aufnahmepunktes des Signales befindet, das nach der Verarbeitung mit dem Wert für die Bohrtiefe korreliert wird.

Im zweiten Fall wird das Sifnal in Bohrschacht verarbeitet, wobei das Siprnal für die Amplitude des ausgewählten Signals entweder über die Stangen mit Hilfe eines hierfür geeigneten Qerflts (z.B. ein magnetostriktiver Stab oder ein piezoelektrisches Kristall) oder über den Schlammstroa, dessen Druck beispielsweise über ein Ventil beeinflußt wird, an die Oberfläche Übertragen

^{w r} " Die Erfindung erstreckt sich darüberhinaus auf

eine Vorrichtung zur Anwendung des nunmehr beschriebenen Verfahrens und besteht aus zumindest einem Schwinpunjf.s-Aufnahrnegeri't, das sich auf der ließstrecke der Bohrvorrichtung befindet und nit dieser fest verbunden ist und ein elektrisches Signal liefert 5 ferner umfaßt diese genannte Vorrichtung Organe zur Verarbeitung dieses Signals in der Form, daß die Spannung dieses Signals auf zwei vorhsr best ir.ate WeEjs begrenzt wird; ferner umfaßt die Vorrichtung Organe zuv Auswahl dieses Signals in der Form, daß hieraus ein Frequenzband ermittelt wird, das auf eine Frequenz zentriert ist, die gleich dem Produkt der Drehfrequenz des Werkzeuges aultipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente dieses Werkzeugs ist, weiterhin Vorrichtungen, die aus diesem Bruchteil des ausgewählten Signals eine Größe ermitteln, die der Signalaaplitude entspricht und schließlich umfaßt diese Vorrichtung noch Organe, die zur Messung dieser Amplitude dienen und diese mit der Bohrtiefe des Werkzeugs korrelieren.

Die vorzugsweise verwendete Vorrichtung umfaßt

zumindest ein Paar von Aufnahmegeräten und besitzt Einrichtungen, die die algebraische Summe bzw. die Augenblicksdifferenz der ?on' jedem der Aufnahmegeräte gelieferten Signale mit dem Ziel bilden, ein Einheitssignal auszuarbeiten.

Unabhängig davon, ob sich die jeweilige Meßstrek-

*° ke am oberen Teil der Bohrvorrichtung oder an einem de» eigentli-

co chen Werkzeug näheren Plats befindet, lassen sich die nachstehend

ο beschriebenen Vorrichtungen auf dies· beiden Ausführungsformen tsu-

JJ saiuMnfaasen, die insbesondere mit einen Aufnahmegeräte-Paar arbei-

ten. Ohne daß hierdurch Fäll« außerhalb der Erfindung entstünden,

BAD ORIGINAt 7 -

ließ« sieh bei einer Signalaufnahine durch lediglich ein Aufnahmegerät ein hier«u analoges Schema verwenden.

Das am oberen Teil der Bohrvorrichtung verwendete

Meßgerät soll nunmehr im Zusammenhang mit den folgenden Ausführungsforsaen beschrieben werden:

Innerhalb einer ersten Ausführungsforn werden die Aufnahmegeräte für Lännsschwinfningen mit Hilfe zweier Beschleunigungsmesser aufgebaut, die sich auf zwei gegenüberliefenden Mantellinien einer sich zwischen Einspritzkopf und Antriebsstange befindliehen Muffe befinden, wobei die Beschleunigungsmesser auf senkrecht zur Muffenaehee liegenden Auskragungen, die jeweils zwischen 2 Zentimeter bis 9 Meter gegeneinander versetzt sind, montiert wurden. Di· elektrischen Achsen der Beschleunigungsmesser verlaufen hierbei parallel und stehen sich gegenüber.

Innerhalb einer zweiten AusfUhrungsform werden die Aufnahmegeräte für Torsionsschwingungen durch swei Beschleunigungsmesser gebildet, die sich auf swei zueinander entgegengesetzt liegenden Mantellinien befinden und zwar entgegengesetzt inbezug auf den unteren Teil der Antriebsstange der Bohrvorrichtung, wobei die Beschleunigungsmesser auf parallel zur Antriebsstangenachse verlaufenden Auskragungen in der Axialebene stehen und ihre elektrischen Achsen parallel verlaufen und sich gegenüberstehen und sich zudem in der gleichen Ebene, senkrecht sur Achse der Bohrvorrichtung befinden. Innerhalb einer dritten Ausführungsform handelt es sich bei den Aufnahmegeräten für Lännsachwinsrungen um Spannungsbzw. Belastung geber, die sich auf einer Muffe befinden, die wiederum zwischen Einspritzkopf und Antriebsstan_L:e der Bohrvorrichtung liegt, wobei sich diese Belastungsseber auf der Oberfläche dieser

ο Muffe an swei Punkten befinden, die sich gegenüberliegen und zu einander axial versetzt sind.

Innerhalb einer vierten Ausführungsform handelt

^ es sich bei den Aufnahmegeräten für Torsionsschwingungen um Span- ° nungs- bzw. Belastungsgeber, die sich auf dem unteren Teil der An- -j triebsstance Jer Bohrvorrichtunr befinden, wobei diese 3ela~tun~s-

BAD ORlGlNAt? "

geber mn zwei zueinander entgegengesetzten Punkten in der gleiehen Ebene auf der Oberfläche dieser Huffβ liegen.

Die erste und die dritte Ausführungsforit wird vorzugsweise in Fällen verwendet, in denen Langeschwinßungeη untersucht werden sollen, wodurch ein Aufschluß gebendes Signal entsteht, das für Schlagbohrwerkzeuge wie s.B. Werkzeuge mit Bohrmeißelrädern anwendbar ist, während die zweite und die vierte Ausführungsforn vorzugsweise dann herangesogen wird, wenn ein Arbeitssignal zum Betrieb von Diamant-Werkzeugen benötigt wird.

Wird die Heftvorrichtung an einer dem Bohrwerkzeug naheliegenden Stelle verwendet, so empfiehlt sich eine der nachstehend aufgeführten AusfUhrungsforraen:

Eine erste Ausführun&sform besteht darin, einen Beschleunigungsmesser zur Aufnahme von Längeschwingungen an einen Ileßanaohluß anzubringen, der sich auf der Bohrvorrichtung an einem dem Bohrwerkzeug nahegelegenen Punkt befindet, wobei die elektrische Achse dieses Beschleunigungsmessers parallel zur Achse der Bohrvorrichtung verläuft und dieser Beschleunigungsmesser ein elektrisches Signal an eine Verarbeitungeeinheit liefert, die die Signalspannung * begrenzt, ein Frequenzband aussiebt, sowie die Amplitude des ausgewählten Signals bestimmt und mit Hilfe dieser bestimmten Amplitude ein Organ zur übertragung dieser Amplitude zu einem Aufnahmegerät steuert, das sich am oberen Teil der Bohrvorrichtung befindet, wonach diese genannte Amplitude zusammen ir.it dem Wert für die Bohrtiefe korreliert wird.

Innerhalb drei weiterer Aueführungsformen, innerhalb derer bei der einen Belastungsgeber zur Messung der Längsschwingungen, bei der anderen Beschleunigungsmesser zur Messung der _o Torsionsschwin£ungen und bei der dritten Belastungsgeber zur Messung ο der Torsionsschwingungen verwendet werden, können ebenfalls ein Ge-

co ber oder ein Geberpaar Anwendung finden.

<° Zum besseren Verständnis der nun folgenden Be-

o Schreibung der Aufbauforrcen der Vorrichtung sowie Anwendungsformen

^ des erfindungsgemSßen Verfahrens dienen die beiliegenden Zeich-

^σ nunrer., wet ei

BAD ORIGINAL . ~ ⁹

- Fig. 1 ein übersichtsschema der auf die Bohranordnung montierten

Vorrichtung,

- Fig. 2 ein Montagedetail der auf eine Muffe montierten Beschleuni

gungsmesser (Muffe zwischen Einspritzkopf und Antriebsstange der Bohrvorrichtung),

- Fig. 3 ein Montageschema für Belastungsgeber auf einer Muffe zwi

schen Einspritzkopf und Antriebestange (Antriebsvierkant),

- Fip. 4 das elektronische Schaltschema einer Ausblendvorrichtung

für Störspannungen (die auf Schläge zurückzuführen sind, wenn die Beschleunigungsmesser als Aufnahmegeräte verwendet werden),

- Fig. 5 ein Schema eines Filters zur Frequenzbandauswahl (wenn

die Frequenz durch ein Werkzeug mit Bohrmeißelrädern hervorgerufen wird, das mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 200 U/min, arbeitet und die Schwingungen aufgenommen werden _} die von der äußeren Reihe der Bohrmeißelzähne ausgehen) ,

- Fig. 6 zwei Diagraphien (Diagramme der einzelnen Widerstandswer

te des bearbeiteten Gesteins)(...die linke Diagraphie stellt ein akustisches Diagramm dar, das nach dem Bohrvorgang in bekannter Form aufgestellt wurde, während es sich bei der rechten Diagraphie um eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene und während der Bohrung vorgenommene Heßdarstellung handelt,

- Fig. 7 eine Aufbauform, innerhalb der die Signale im Bohrsehacht

aufgenommen werden,

- Fig. 8 ein Detail der Darstellung von Zeichnung 7,

ο - Fifr. 9 den Erfassungaaufbau am oberen Teil der Bohrvorrichtung ίο zur Aufnahme des vom in Zeichnung 8 dargestellten Geräts

£j gelieferten Wellencharakters,

^m - Fig. 10 eine Reihe von Filtern jeweils angrenzenden Frequenz-

ο spektrums, die je nach Geschwindigkeit der Bohrvorrichtung

^₄ zugeschaltet werden

° zum Gegenstand haben. BAD

- ίο -

In Zeichnung 1 wurde bei 1 ein Bohr tür r. dargestellt, bei 2 der obere Teil des Bohrturr.es mit der Seilrollenanordnung 3. Mit 4 wurden die Seilkabel dargestellt, die eine Reihe τοη Seilrollen 3 nit den Block der beweglichen Rollen 5 verbinden. An dieser.; Block 5 ist ein Haken 6 befestigt, der den Linepritzkopf 7 träpt. Uer obere Teil dieses Einspritzkopfes ist feststellend, während der untere Teil beweglich Über ein Lageraystem angebracht ist. bei 3 wurde die Linspritzzuleitung dargestellt, die einerseits mit den: Hinspritzkopf 7 und andererseits mit einen, auf der Zeichnung nicht dargestellten ™ ächlauRpu*p*naggregat verbunden ist. Tilt 9 wurde die Antriebsctanpe der Bohrvorrichtung bezeichnet. Diese Antriebsatanre hat oft die Form eines Vierkants und wird demzufolge innerhalb dos folgenden üeschreibun^steils als ·Antriebevierkant' beseiohnet.

Dieses Antriebsvierkant 9 wird durch de« Drehtisch ID in Rotation versetzt, der wiederum iurch «inea nicht auf der 2eichmmc dargestellten Motor angetrieben wird, *'it 11 vurde eehenatisch ein üohrsohacht angedeutet, während die Bohrvorrichtung baw. -stange bei 12 dargestellt ist* Diene Bohrstange besitzt an ihrer, unteren Teil das Kit 20 bezeichnete Bohrwerkzeug bzw, den RohrreiPel. t>ei Ϊ3 li*s»t zwischen Einspritzkopf und Antriebsvierkant ein SchwinminiemeBi-erlfc, da* in den folgenden Zeichnungen näher besehrieben wird« ψ Mit 14 würde das Seilkabel bezeichnet, das die Verbindung zwischen Sohwingungsmeftstrecke 13 und Gerät 15 heroteilt, das zur Ausarbeitung elektrischer Größen aef öraiidlaie der Schwingunfen dient. Piese SiferialverarbeituRiisehheit ist in vorliegenden Beispiel mit Aufnah»ecerät 16 verbunden _t wobei die Pewe^ung dee Aufnahmetr von einesi i?otor 19 aus gesteuert wird und <ileser Hotor über «ic«^ Verbindung 18 mit einer Teber 17 verbunden ist ₃ der der Eohrvoreehubsraessung dient. Cieee fioJsrvoraeteiabaaeaeang fceeinflwftt Keitab- _Q hängig die jeweilige Stelitmg des toohrwerkesea^es 2O hzv* dem Bohr-

e> In Selsfeiiung 2 wurde ist öetail die ileÄstreeke 13 der

hh^ öteeralshtazeishnang 1 dargestellt. Dies* Heiistr«eks

Q ttlfa dureh ein« ftaffe gebildet» die den &±nmpvi.Z*k&pt ait 4m» An- ^³ triebevierk*nt verbindet. Bei 21 wurde dl* Huff* dargestellt_t die ο

BAD

. - li -

an ihren oberen Teil Mit einem Innengewinde und an ihrem unteren Teil »it einen Aufeigewinde versehen ist. Bei 21a wurde ein Befestigungselement dargestellt, das am feststehenden Teil des Einspritzkopfes 7 aufliegt« wodurch der äußere Teil des bei 22 dargestellten Gerätes in fester Lage gehalten werden kann. Die Muffe 21 trägt an ihrem äußeren Teil eine Abdeckung 23> an der ein Isolierblock 24 befestigt und somit kraftschlüssig mit der Muffe 21 verbunden ist. Dieser Isolierblock 24 trägt eine Reihe von Ringen, die mit den Kennziffern 23a, 25b, 25c und 25d belegt sind. Gegenüber des Isolierblockes 24 und durch das feste Teil 22 rehalten, befindet sich ein Isolierblock 26. Dieser Isolierblock 26 träft eine Peihe von Abnehmern, die rdt den Kennziffern. 27a» 27b. 27c und 27d belept sind und auf den Ringen 25a, 25b₃ 25c und 25d aufliegen.

Diese Abnehmer sind mit einer Reihe von elektrischen Kabeln verbunden, die bei 28 dargestellt sind. Die Herausführung dieser Kabel aus deu Gerät erfolft über eine mit 30 bezeichnete Schutzvorrichtung. Bei 29 wurde ein von der Muffe 21 gehaltenes Laper sowie eine Stopfbuchse dargestellt, die die zwischen der üuffe 21 und dem äußeren Teil 22 gelegene Kammer abdichtet. Diese Abdichtung muß verhältnisnäßic gut ausgeführt sein_; um eine Verschmutzung der Ringe 25 sowie der Abneliner 27 auszuschließen. Bei 31 wurde ein Quarzbeschleunigun^smesser dargestellt, der unter de; LinfluB einer Beschleunigung ein elektrisches Signal liefert. Dieses Beschleuniguncsiueßgerlxt ist fest r.it einer in die I'.uffe 21 eingefräste iJut bzw. Auskragung verbunden. Dieser Quarzbeschleunirungsmesser 31 ist Über ein Kabel 31a iuit einer Ii^pedanzanpassun^sschaltunt: 32 verbunden. Diese Impedanzanpassuncsschaltung, die z.B. durch einen Feldeffekttransistor dargestellt wird., besitzt eine Eingangs impedanz von mehreren Megohr. und eine Ausranpsimpedanz in der Iröftenordnunf, eines Kiloohn und ist einerseits über ein Meßkabel mit einen der Rin*e 25d verbunden > v.v'Ihrend ein zweiter Eingang für die Speisespannunc des Transistors über ein zweites Kabel mit einem anderen Ring 25b verbunden ist. Bei 36 wurde ein zweiter Beschleunigungsmesser des gleichen Typs dargestellt, der sich auf einer Kantellinie der Muffe befindet, die gegenüber der des ersten Beschleu-

009828/0970 ii -

BAD ORIGINAL

31 entgegengesetzt liegt und zudem einige zehn Zentimeter höher als der erste liegt. Dieser Beschleunigungsmesser ist ebenfalls über ein Kabel 36a mit einer Impedanzanpassunrsschaltung 37 mit zwei Ausgängen verbunden, wovon der eine mit dem Rinn; 25c, der andere Bit dem F.inf 25b verbunden ist.Die Verbindungen erfolgen über die Kabel 38 und 39-

Zeichnung 3 zeift eine weitere Variante eines Vibrationsneß^erätesj das auf dem übersichtsschema der Zeichnung 1 unter 13 anr,e,,:eben ist. Bei 40 wurde eine iiuffeüargestellt, die an ihrem oberen Teil ein Innengewinde und an ihren, unteren Teil ein Außengewinde besitzt. Dei 4l wurde ein mit der Muffe 40 fest verbundenes Teil . ezeift das bei 42 einen Isolierblock besitzt. Bei 43 wurde eine Abdeckunr dargestellt, die fest mit einer Stance 44 des oberen Teils des fcinspritzkopfes verbunden ist und selbst feststeht. Diese eine Kammer bildende Abdeckung 43 bleibt ötenach während des Betriebs der beschriebenen Vorrichtung fest stehen.

Der Isolierblock 42 ist :i.it einer Anzahl von Ringen 45e und H^Tju versehen ₃ die v.-iederun über die Kabel ^a, 46b, und HCu nit einer Anzahl von Belastunns^ebern Hf, ^8, H$ und 50 verbunden sind. Lie Eelastunrsreber ^7 und *l8 sind in vertikaler Lage montiert, während die Belastun/?;sr;eber ^9 und 50 horizontal montiert k sind. d.h. senkrecht zur Achse der i'uffe HO stehen und als Kompensationsgeber dienen. Die über die Geber ^7 und ^8 einerseits, 49 und i>ü andererseits aufgenommenen Gri5£en wurden unter Berücksichti-/;unß äer TTiechanisehen Koeffizienten in einer leßbrücke umgekehrt bzv/. vercien gef'enübergeeteilt. In der Zeichnung sind die Abnehmer 5Ia₁ 5ib. 51c und 51d dargestellt, die auf den Ringen 45a_s 45b, 45c und 45d schleifen. Diese von eineri Isolierblock 52 gehaltenen Abnehner sin« fest ir.it der Abaeckunf; bzw. Kairner ^3 befestirt und mit üen elektrischen Kabeln 53a „ 53b 53c und 53d verbunden. Der Ausgang dieser Kabsl^ruppe ist nit der Kennzahl 54 bezeichnete

Von den in den Zeichnnncen 2 und 3 fezei_rrten Vorrichtungsn können zwei Varianten abgeleitet werden. Die SchwinFuniPcsgeber, unabhängif davon, oh es sich um Beschleunigungsmesser oder um Belastungs-

009828/0970

BADORKaINAL

geber handelt, können auch an einer,: anderen Punkt der Bohrvorrichtung angebracht werden, so daß während der Bohrung diese Sehwimjungsgeber unterhalb des Drehtisches angebracht sind. In das Antriebsvierkant sind deiüzufol^e zwei Längsschlitze eingearbeitet; um dprt die Leitungen zu verleben, die die Schwingungsgeber mit der Einheit der Schleifringe una Abnehmer verbinden. Die Beschleunigungsmesser liegen in Aussparungen am Ansatz des Antriebsvierkante und zwar in der Weise, daß die aktiven Flächen parallel zur Achse des Antriebe-Vierkants stehen und kraftschlüssiir mit den Auskragungen dieser Stange verbunden eine!, wobei sich die aktiven Fliehen der beiden Beschleunigung-airesser in derselben libene zu beiden Seiten der Achse den Antriebsvierkants befinden.

Zeichnung. 4 zeigt die Sinheit eines Filter/Verstärkers, eier die al.rebraiacae f3uwme der teiden Signale bildet und den auf i"c.ila,je zurückzuführenden Störanteil des Signals aussiebt.Ir. Beispiel der Zeichnung 2 ergetm die von dem Beschleunigungsmessern relieforten Ti-nale um l30° phasenverscbobene Signale und werden auf die beiden jiing/inge 5Ca und 56b eines Dit'ferenzverstärkers 56/C2O-fache Verstärkung ca.) ^ibertra^en, wodurch nunmehr die algebraische 3u.:.nie der beiden Signale entsteht. Der Differenzverstärker 56 besitzt bei offener Schleife eine Verstärkung von 50.000. Zwischen den beiden ^in^äm-.en 56a und 56b dieses Verstärkers wurde eine bei 57 darrcstöllte Jiode einßeschleift. Am Ausgang 56c dieses Differenzverstärkers wird ein regelbarer Widerstand angeschlossen und zwar in der Form, daß dieser Widerstand eine Gegenkopplung des Differenz-Verstärkers vornimmt und die Verstärkung dieses letztgenannten auf einen Wert von nahezu 20 begrenzt wird.

"wischen derc nep-ativen Eingang 56a des Differenzverstärker 3 und dem Aus^an·;* 56c werden in Serie die Kapazitäten 59a, 59t>» 59c angeschlossen, die zusammen ein Filter bilden, dae die Signale oberhalb einen vorher festgelegten Wertes stark dämpft, wobei diese Grenze i,,i genannten Aufbau in etwa bei 5 Kiloherz ließt.

Zwischen den Klemmen 56a und 56c wird ebenfalls eine Doppelserit! Dioden 6ü und 6l eingeschleift. Die erste Serie 6ü ist in

009828/0Θ70 " ^l4 "

BAD ORIGINAL

der Vorn reschaltet, daf* eine Leitung in Richtung von 56-a nach 56c <*e<?eben ist, während die zweite .Serie 61 so geschaltet ist, daß eine Leitunc; in Richtung von 56c nach 56a ;-e«;eben X3t. Die Anzahl der Dioden bestirmt hierbei die Schwellspannung des '1er"its. "it hilfe dieser zwei ierien von zwei Dioden erhält ran eine Spitzenschwelle in der Größenordnung von 1,2 Volt. d.h. daß zvx3chen tier bezupsleitunf 62 und der Aus:vanrsklei,:ine 56c eine veränderliche Spannung von + 1,2 Volt iriax. verfügbar ist. Hiermit k"nnen zufällig auftretende ^i_;':nale großer Amplitude au3fefiltert vrerden, aie auf Hebenerscheinunpen bei itr. Bonrwerkzeur induzierten üe«;vin~urigen zu-™ rrckzufihren sind.

In Zeichnung 5 wurde eine Pr-bi-uenzausvalilsciv-iltunh dargestellt. Ar: !'.in.ani:' -'3 erh.'ilt iiar. das von den ^lernr,:ert l>6c anä 62 ausrehende Signal des in Zeichnun»" Ί darr estellteri "er^:t3. ^iesef; ^i_e;-nal v.'ird '3ber die teilen Transistoren v'-' und 65· iie ^rilr- I:.-pedanzanpixs3un:--'Süc:i'iltun.;ei: arbeiten .. zu .-sir.c. r>if ferc-n'zvor^t'-'rl ^r ir.it totaler ae· er.lcopplun . CC und von hier· ms zx einer ^ri-2- ur-nzauswaiilschaltunj.; Cj ""Iburtraf-en, die uurch eine r.ei'.ae von ^T7iJ.?rKt?^r.ri"J3U^paaitilten und ^lbstinduktionsor^anon -ebildet -..'ird. DieEsv "ilter wurde \;ie ein bandpaßfilter mit einer; konstanten AjiEr-r-^ehl oe.ffisienten innerhalb des "euuhlten I'requ3nzbander> beides β an Ι"·.γ; su beiden Seiten dieses Frequenzbandes π it einer D^<:-.T.ipfun. · von atva i>0 dl. pro L· Oktave arbeitet. Das gefilterte rüvnal viiru don Zin sr*.. eine3 γλ^θϊ-ten Differenz Verstärkers 60 zu^ef-'lhrt, in desoeti Aus? an>-3kre.i. s sich zv/ei in Gei;enriciitun»^v geschaltete üiouen ί»Ί un<i 7^ befinden. Diese Dioden richten die halbwellen den r»c.*win-:uri£3si ,nalD :loich. wobei die Sicnale nach ^r"ileiehrichtunc jev/eil.-. an die ί.eider, ^ir- ^:!.n':e eines dritten Differenzverot-irkers übertrafen v/crden (Verstärker 71)· Ilan fü^t somit die positiven und negativen Ar,.plitudenteile des Schv/in^uncssi^nals viieder hinzu und erh'llt an. Ausr^ran - 72 ein Signal, das die Maxiirtalairiplitude des Pr-equenztandss der; vor, lilter 67 ausgewählten Signals daBStellt. Diese elektrische Uröße 3teht nunmehr zur Verfugung,, un entweder auf/^e ze lehnet zu werden, oder aber für die automatische Bohrsteuerun^; verwendet zu verden. _-ie Aufzeichnung bzw. Übernahme erfolgt in AbhSn.cfigkeit von der jeweiligen Arbeitstiefe des Werkzeuges, wobei für die Vorschufcsteueruno oder

.009828/0870 _₁₅_

BAD ORIGINAL

ütornah;:.e de? rirnals ein Aufnahme er"t r,ur LestiüJ unr der auger.-fclicklichen ArbeitBtiefe des Fohrverkseu' es hinzugezogen wird.

In Zeichnung. 6 v.urde bei 73 eine akustische ".Ha-raphie aari.estellt, die für eine Gasbiliun;: ir. hohrachacht errstellt wurde. i-ei 74 wurue die Dia^raphie dar -estellt die bei 'Jurchf Tnrun~ des erfindungsnrenuiien Verfahrens r.^fclich v.-urde. Lie r.ahlem.'orta auf der •.ittleren Geraden bezeichnen die Viei'en in *"etern₅ in denen sich dats '!ertein lci'indot, dec sen l..i,_ enschc.ften durch '■. eiCo "erfahren or T'in:.»et werden rollen. l.o f'.1It hierbei auf, d ι Γ äor >..ll~e;.ieine Verlauf teider Dif-ijraphien v-xrilioh ist und da*? insbesondere die Zonen, inriori.alb derer die fchull.:er.ehvi:idi -l:.cit, kic:. Irt. don Uonen entsprechen, für die die /:.<\Litude des :.it üilfc ciet- erfinduii.*£;fjeri;".j*er: Verfai rens untersuchte i'c.r. ir,. un^r"ssi;Mrtl hohe· l.'ertr^c'^a ^⁰-"-⁰*¹' -'_U ben.erliien vf'ire ferner noch, da" die r c-char.Ir-ehe Piarrar >!jie 7 ^ 7,w\ Augenblick der Pohrur. seilst ;r.; eiert" t \ urdc-, v".hi*end dip akustische I)ianr'a^rhie 7" erst r-.ufrt.-ntellt - \irrio. .-..Ir lie bohrui:; !■'eendet war.

ic <J;ui'tioche riacra^hi« 73 ι ii fc die "challjc 3ch>.indir-■'eit 5i Gnntein. Γιο wurde π it . ίΙΓο ci^?ier· T'lti ncchf.Tl ciiwer/Lu.-pfän:;err> einteilt, der bei beKt.nnter "C.¹" tiefe i "ohrGclu-.cht t.eve t wird. Flfne fclniinr'unf'sfol'c v:iri vor, render au: c.rtrahlt and anschließen.; von i-.r.pf'-n^er v:ieder c.uf'enor.ncrn. i>ie ,e.inun· der * laufEeit bestirr.t die Fchallfeachv inäi. lu-it ir. "eatein lurch Jie

n. .^. ,,_L _vohei _{T flit}. ·, _uf „_{eit UIrl}

V die ..'-ci.r.llf^sckvinc'ii-keit ur/'

I.· die- 1 nt f{.rnui.; fender-I · \ : "'nr-r i st.

•ilercu i~-. Oe -ensatc stellt in eier Dia'-rsphie "h "ic \..:- i'litudp der *urvo die ArLnUt¹Mi ^Γ·:ε· "ο "^f vier irfindun verarbeiteten i'i. nali? c;ai*.

ihcnfalls au bemerken ist -iie I'.hnlic:ikeit der .'i'-nale. Ir.sfceKcnderc¹ rei einer Tiefe vor. otv:?-. 13''♦'·' '"'et?rn f?lleri z'rei spitzen susä^.sn. Lie -.-leiche I'c-i'un: leot achtet 'an f. r die beiden Signale bei einer Tiefe syrischen 1335 und 13*1C "etern.

Die rleiche Frscheinun^· wiederholt sich zvise'.en 137^' und I38O Metern. Eine abnehmende Tendenz zeir-t sich bei etva

00982 8/0970

BAD ORIGINAL.

Man erkennt «emit·, da* die gemäß der Erfladung durchgeführte Messung sich proportional zur Schallgeschwindigkeit lsi Gestein verhält, wovon letztere sich wiederum korrelativ zur Gesteinshärte und Koapaktheit verhSlt.

Analoge Zusammenhänge erhält man auch mit der sogenannten „Gaaaa-roy-neutron'-Diagraphie bzw. der Diagraphie der Öesteinsdichte.

Die Arbeitsweise der entsprechenden Vorrichtung sowie die Anwendung des Bohrverfahrens alt Hilfe eines Bohn&eißelwerkzeugi können wiefolgt beschrieben werden.

Mit Hilfe der in Zeichnung 2 dargestellten Beschleunigungsmesser 31 und 36, die sieh auf der Muffe 21 befinden und an der mit 13 bezeichneten Stelle (in Zeichnung 1) angeschlossen sind, werden Beachleunisungswerte aufgenommen, die auf die Längsschwingungen carClclczuftthren sind, die durch das Arbeiten des Bohrmeiftelwerkzeuges in der Bohrvorrichtung erzeugt werden. Die von diesen Beschleunigungsmessern abgegebenen Spannungen werden von den Impedanzanpassungsschaltungen 32 und 37 weiterverarbeitet. Sie abgegebene Spannung niedriger Impedanz wird über das Schleifring/Abnehnersjrste* zu einen Differenzverstärker und Spa&mingsbegrenser Übertragen (siehe Zeichnung 4). Auf diese Ifelse werden die Signalkonponenten, die oberhalb von 5 Kilohers Hegen, ausgesiebt, desgleichen Amplituden, die oberhalb des tirtes von etwa 1,2 Volt He- ε^βη· Das von dem in Zeichnung H dargestellten Gerät abgegebene Signal wird an den Eingang des in Zeichnung 5 dargestellten Filters übertragen, der eine Filterung in einem Frequeneband «wischen 40 und 100 Hz vornimmt. Dieses Frequenzband 1st auf die Frequenz von 70 Hz zentriert, was einer Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges von 210 ü/rain. entspricht und wodurch eine Erregungsfrequenz der Bohrvorrichtung von 70 Hz entsteht. Bei jetder Umdrehung der Bohrvorrichtung werden durch die äußere Zahnreihe des Bohnseißelrades 20 Eleaentariapulse abgegeben. Es hat sich gezeigt, daß diese genannte Aussendung der Elementarimpulse gegenüber Aussendungen von Hadern oder Zähnen der Bittleren Reihe vorherrschend ist. Verwendet man hingegen ein Filter mit abweichende» Frequenz-

009823/0970

- 17 -

- it -

band, »ο könnten die Schwingungen durch Räder oder Zähne der mittleren Reihe analysiert werden. Ss ist darüberhinaus möglich, ein Filter mit regelbarer Frequenzbandbreite »it Hilfe einer Größe zu steuern, die aus der Rotationsfrequenz der Bohrvorrichtung, z.B. der augenblickliehen Rotationsgesehwindigkeit ableitbar ist.

Die Amplitude des gefilterten Signals wird in Abhängigkeit vom Werkseugvorsehub während des Bohrvorganges aufgezeichnet.

Dieses Signal kann ebenfalls als Eingangsgröße innerhalb eines Gerätes verwendet werden, das in der Lage ist, au3 diesen Eingangssignal Steuergrößen abzuleiten, die zur automatischen Bohrsteuerung verwendet werden können, z.B. durch Einwirkung auf· die Seilwindenbremse., so daß das auf das Werkzeug wirksam werdende Gewicht entweder erhöht oder verhindert wird, darüberhinaus noch auf die Ansaugorgane des Motors, 30 daß hiermit die Rotationsgeschwindi^keit und/oder die Sehlaiainförderungsmenge verändert wird.

Die Signalübertragung zwischen Aufnahmegeräten und Verarbeitunßseinheiten wurde innerhalb der vorangegangenen Beispiele mit einer Drahtverbindung durchgeführt. Diese Verbindung kann ebenfalls über elektromagnetische Wellen, durch Schallwellen oder beispielsweise Ultraschallwellen erfolgen.

In Zeichnung 7 wurde bei 101 ein Bohrturm dargestellt. Die zugehörigen Aufhängekabel wurden bei 102 angedeutet. Hit der Kennziffer 103 wurde der Einspritzkopf belegt, der das Eindringen des Schlamms in das Bohrgestänge ermöglicht. Bei 104 ist ein Sondenanschluß dargestellt, der die Informationen über den Schlammstroe empfängt, diese Informationen weiterverarbeitet und diese zu einem Speicherorgan weiterleitet. Bei 105 ist die Antriebsstange der Bohrvorrichtung bezeichnet, während bei 106 der Drehtisch dargestellt wurde. Hit 107 wurde der Untergrund belegt, in den mit Hilfe des Bohrgestänges 108 ein Sehacht gebohrt wurde, wobei das am Bohrgestänge befindliche Gewichtssysten nit 109 gekennzeichnet wurde. Innerhalb dieses Qewichtssystems liegt eine Spesialme&stange 110, dl· ebenfalls die übertragung der Meßwerte an die Oberfläche vornimmt und einen Teil der erfindungsgenäften Vorrichtung darstellt.

- 18 -

009828/0970 .

BAD ORIGINAL

An diese Spezial-Heßstanfre no ist eine Werkzeuc-Halterunß 111 angeschlossen, die mit einem Werkzeug 112 versehen ist, das direkt daa Gestein angreift. Ein in gewisser Entfernung vom Bohrschacht angeordneter Empfänger 113 empfängt die durch den Anschluß 101 geleiteten Informationen und liefert in abhäncicer Arbeitstiefe eine charakteristische Größe für die mechanischen Qesteinaeigenochaften, wobei diese Kenngröße entweder aufgezeichnet bzw. direkt zur automatischen Bohrsteuerung weiterverwendet werden kann.

um diese übertragung sicherzustellen, ist der Anschluß 10ή mit einem Funkeir.pf Sneer/Sender ausgerüstet, der eine Antenne 114 trägt. Der Empfänger 113 ist mit einer Empfancrsantenne 115 ausgerüstet.

Zeichnung- 8 zei-t ir. Detail die Spezial-Meßstanne 110, die in der Beschreibung der Zeichnung 7 erwähnt wurde. Diese wird von einem Stangengewichtskörper 116 gebildet. Innerhalb dieses Cefcichtskörpers liegt ein Schlaimr-druck-Regelsystem 117^ das insbesondere durch ein Ventil gebildet wird, dessen öffnung und Schließung in Folgesteuerung durch eine Einheit 113 erfolgt, die wiederum die Steuerbefehle von einer elektronischen Einheit 119 erhalt, die sich im unteren Teil dieses Gewichtskörpers befindet. Das Ventil schließt auf eineia Ventilsitz 120, über den normalerweise der Schlammdruck läuft, der die Druckstöße erzeugt. Die von der elektronischen Einheit 119 gelieferten Befehle werden über eine Verbindung 121 zum Regelsystem 117 Übertragen. Zwischen diesem Refelsyster» 117 und der elektronischen Einheit 119 lie^t der Meßanschluß 122, ein feater Stahlanschluß, über den eine Reihe von Belastungspebern 123 und 124 und/oder Beschleunigungsmesser 125, 126 und 127 gesteuert werden. Dieser Anschluß ist nach außen durch die Abdeckung 122a geschützt, die an einem seiner Enden befestigt und am andern Ende frei ist, wobei die Dichtheit an diesem freien Ende mit Hilfe eines O-Ringes bewirkt wird.

Die einzelnen Aufnahmegeräte sind über Kabel, die durch eine Kanalisation 128 laufen, die die Kammer zwischen Anschluß und Abdeckung verbindet, mit der elektronischen Einheit 119 verbunden·

009828/0970 " ¹⁹ "

BAD ORIGINAL

Maehde« der Sehleissistrcei den Ramii ivischen Ventil 117 und Ventilsits 120 durchflossen hat, fließt er uia die Einheit 118 und Gelangt in den Inneraua 129 des Hefiansohlueses. Über eine Aussparung 130 gelangt dieser Strom in den ringfureigen Raum 13I₄ der die elektronische Einheit 119 umgibt, über die Aussparungen 132 kann dieser Strom wieder über die Kanalisation 134 in das Innere der Werkseughalterung 133 eindringen. In der Zwischenzeit wurde der Strom dasu ausGenutet, eine Turbine 135 anzutreiben, die die erforderliche elektrische Energie zum Betrieb der elektronischen Einheit 119 lie-

Die Beschleunigungsmesser 126 befinden sich auf zwei entgegengesetzt liegenden Hantellinien des Anschlusses 122 und swar in der Forts, daß ihre elektrischen Achsen parallel sur Anschlußachse verlaufen.

Die Beschleunigungsmesser 125 befinden sich auf entrefjengesetst liegenden Kantellinien gleicher Höhe, wobei ihre elektrischen Achsen senkrecht sur Achse des Anschlusses verlaufen.

Die Aufnahmegeräte 125 eraöglichendie Auswahl der Torsionssehwingungsart» wahrend die Aufnahmegeräte 126 die Art der Längsschwingungen auswählen können«

Das Aufnahmegerät 127 befindet «ich parallel *u den Aufnahmegeräten 125* Dieses Aufnahmegerät empfängt eine Sinusschwingung, deren Periode in direkten! Zusammenhang *tt der Rotatiensgescqwindigkeit steht« wodureh die Orundfrequen* für ein Vielfaches der Filterfrequenz beetiwat werden kann, auf die die Schwingungen gerichtet sind..Das bedeutet somit, daß die Frequent» auf die das Filter zentriert ist, ein Vielfaches der Fotationsgesehwindigkeit

Mit den Aufnahmegeräten 123 und 12$ können ebenfalls sowohl Längsschwingungen als auch Torsionaschwingungen ausgewählt werden, Hierzu sind die Geber in Halbbrückenschaltunp montiert und entsprechend einer Hlchtung aufgebaut, die mit den zu messenden Sehwinnungearten in direkten Zusammenhang steht.

Obwohl die Beschleunigungsmesser und Belastungsgreber innerhalb einer Zeichnung dargestellt wurden, kann eine der Kombinationen herausgegriffen werden, um je nach besserer Hutzung die eine oder andere Art von Schwingungen auszuwählen.

009828/0970 ~ *jL~ ,

BAD ORIGINAL

Die Verarbeitung der elektrischen Größen, die von den Belastungegebern bzw. Beschleunigungsmessern geliefert wurden, erfolgt in nachstehend beschriebener Fern.

Werden Beschleunigungsmesser verwendet, so werden diese auf der Muffe auf zwei sich gegenüberliegenden Mantellinien des ließanschlusses angebracht, wonach die von diesen Aufnahmegeräten gelieferten elektrischen Signale in eines* Differenzverstärker gegenübergestellt werden. Auf diese Weise addieren sich *ie Signale, die Auskunft über das Schwingungsverhalten geben und diejenigen Signale bzw.-anteile, die auf Stßrschwingungen zurückzuführen sind, werden ausgesiebt. Somit erhält »an am Ausgang des Differenzverstärkers ein Einheitssignal einer genau doppelten Amplitude des von einem der Aufnahmegeräte gelieferten Wirksignals. Dieses Signal wird nunmehr weiterverarbeitet. Innerhalb eines ersten Stadiums begrenzt man die Spannung zwischen zwei vorher bestimmten Werten, was z.B. in einem Sättigungsverstärker erfolgen kann, dessen Maximalamplitude durch die Ge^enspannung vn Dioden festgelegt ist. Das in dieser Form verarbeitete Signal wird nunmehr einem Bandpaßfilter zugeführt, dessen mittlere Frequenz ein Vielfaches der Rotationsgeschwindigkeit ist.

Hierzu liefert der Beschleunigungsmesser 127 eine Sinusspannung, die selektiv in einem Band von 0,2 bis 5 Hz verstärkt wird. Anschließend wird mit Hilfe eines FrequenzvervieIfachers die somit erhaltene Frequenz mit einer Anzahl multipliziert, die die Anzahl der aktiven bzw. Annriffselemente des Bohrwerkzeuges berücksichtigt. Wertet man beispielsweise die vorherrschenden Schwingungen der äußeren Zahnreihe eines aus drei Rädern bestehenden Bohrmeißels aus, so ergäbe sich ein üultiplikationsfaktor von etwa 20.

Das obengenannte Schema ist darüberhinaus in Zeichnung 9 dargestellt, wo mit den Kennzahlen 136 und 137 Beschleunigungβzähler belegt wurden, die über die Verbindungen 138 und 139 mit einem Differenzverstärker HiO verbunden sind. Der Ausgang 1*11 dieses genannten üifferenzverstfirkers ist mit einer Becrenzerschaltung 142 verbunden, dessen Ausgang 1^3 mit einem Bandpaßfilter 144 verbunden ist, das wiederum durch eine Frequenz gesteuert wird, die ein Vielfaches der durch das Beschleunigungsmesser in Zeichnung 8'gemessenen RotationsgeschWindi^H^it^gg^ - 21 -

BAD ORiGiNAL

Öie von diesem Beschleunigungsmesser 127 gelieferte Sinusspannung wird in einem Filter 145 ausgesiebt, wonach die Sequenz im Frequensvervielfacher 146 vervielfacht wird.

Die Verarbeitung der von den Belastungsgebern gelieferten Signale erfolgt in analoger Weise. Das Signal wird hierbei direkt durch den Brückenaufbau der Geber erhalten, wobei die eingebauten Kompensationsgeber die Aufgabe haben, die gesuchten Schwingungen su messen und störende Schwingungseinflüsse zu unterdrücken,die durch Temperatur- oder Druckeinflüsse hervorgerufen werden können. Die Auasiebung de3 von den Gebern gelieferten Signals kann nach deren Verarbeitung durch ein Filter vorgenommen werden, das auf ' die augenblickliche Rotationsgeschwindigkeit der Bohrvorrichtung abgestimmt ist.

Innerhalb einer Variante, die unabhängig von der Lage der !!erstrecke Anwendung finden kann, können eine Anzahl Filter mit festem Durchlaßbereich und fester Hitte!frequenz verwendet werden. Das von den Aufnahmegeräten gelieferte Signal wird jeweils deiu Filter übertragen, dessen mittlere Frequenz der gesuchten Filterfrequenz entspricht.

Dieser Betriebsfall ist in Zeichnung 10 dargestellt. Das Signal zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wird hierbei vom Aufnahmegerät 127 geliefert. Diesee Signal wird durch den festen Filter Induktanz 147 - Kapazität 148 ausgesiebt. Das ausgesiebte Signal steuert einen Wähler 149„ der den Eingang 150 an die einzelnen Ausgänge 151, 152, 153, 154 schaltet, wobei jeder dieser Ausgänge mit einen Bandpaßfilter 155» 156, 157, 158 verbunden ist. Die rtittelfrequenz dieser einzelnen Filter ist jeweils unterschiedlich. Die Frequenzen sind hierbei in der Form aufgeteilt, daß die obere Trennfrequenz eines Filters genau der unteren Trennfrequen« des folgenden Filters entspricht. Dia Schaltfrequenz ist jeweils auf die Frequenz dieser Filter abgestimmt.

Die von den einzelnen Filtern ausgehenden Signale werden in einem Block 159 mit einem Ausgang gesammelt und das hieraus austretende Signal ist kodiert und wird anschließend dem Schlaaedruek-Regelgerät zugeführt.

009828/0970 ~²² "

BAD

Befindet sich die ließstrecke nahe des Werkzeuges und arbeitet man mit der Übertragung des Signals, das die Amplitude durch Druckunterschiede des Schlainmdruekes ausdrückt, so werden die anfallenden Druckänderung en über ein Druckaufnahne^erflt auf cenor-inen, das sich im Innern des Anschlusses 10ή (im Zusammenhang mit Zeichnung 7 beschrieben) befindet. Dienes Aufnahmegerät wirkt auf die .!odulation eines Wellensenders, der sich im gleichen Anschluß 104 befindet. Das Antwortsignal ,durch das Gerät 113 empfangen, liefert nach entsprechender Verarbeitung eine elektrische OrOBe₃ die entweder aufgezeichnet werden kann oder aber als Steuergröße an den Eingang eines Hechnere übertragen werden kann, der zur lerelunn des Bohrvorschubes dient.

Weiterhin kann erfindungsgemäß der 3 chlar.ircdr uckregier durch einen Magnetostriktion Sender ersetzt werden, der mit der Gestänceführuns verbunden ict. In diesem Falle ;.ird daß kodierte Signal entvreder als direktes Steuersignal oder aber als ßteuerrßoUulation für den raa^netostriktiven fender varv.endet. Ein Ijnpf-Inner gleichen Typs, z.E. magnetostriktiv, befindet sich in Am&luß oberhalb der Antriebsstanre. Dieser Empfänger kann nunr.:ehr »Signale aufnehmen, die vonder Gestüni.efülirun^ her übertrafen wurden und diese an einen Sender elektromagnetischer Wellen vat er über trafen., der dem vorgenannten angeschlossen ist. Das somit zuir. Yerarbeitun^sgerät übertragene Signal wird in eine Größe unr-ewandelt, die entweder aufgezeichnet oder aber zur Bohrwerkzeug-hegelum- verwendet wird.

Eine weitere Anwendungsform liegt in der Verwendung von nur einem einzigen Aufnahmegerät, z.B. eines Beschleunicunesraessers oder eines einzigen Paares von Belastun^s^ebern, wobei der eine als aktives Element und der andere der Kompensation dient oder aber die Verwendung eines Druck^ebers, der auf die Schlammdruckänderunnen anspricht. In diesem Falle wird der Differenzverstärker durch einen einfachen Verstärker ersetzt,der ait einem Prequenzfilter und einem Pegelbegrenzer ausgerüstet ist. Die übrigen Teile der Meßstrecke bleiben unverändert.

Es gilt als selbstverständlich, daß die beispielhaft gegebene Erfindung alle hieraus ableitbaren Varianten gleichermaßen einsehließt.

009828/0970 "" °^RIG1NAL

Claims

Patentansprüche:

1. Yerfahren rar tiefenabhlngigen Messung der Gesteinsbesehaffenheit während der Bohrung, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einem Punkt einer Heftstrecke der nit einen Bohrwerkzeug (20/112)

ausgerüsteten Bohrrorrichtung (12) Signale aufgenommen werden, die über den Schwingungszustand der Bohrrorrichtung (12) an diesen Punkten Aufsehluft geben, wobei anfallende StSrspannungswerte, die swel vorher bestirnt« Endpunkte eines festgelegten Frequenzbandes übersehreiten ausgefiltert bzw. innerhalb diese Grenzen surüekgeführt werden, ferner dadurch gekennzeichnet, daft innerhalb des auf diese Veise verarbeiteten Signals ein Frequensband ausgewählt wird, das auf eine Frequenz sentriert ist, die gleich des Produkt der Rotationsfrequens des Bohrwerkzeuges (20/112) Multipliziert alt der Anzahl der Angriffselemente (Zähne eines s.B. aus drei Rädern bestehenden Bohrmelftels) ist, wobei ferner die Amplitude des somit ausgewählten Signals gemessen wird, deren Vert in direktem Zusammenhang mit den Merkmalen des vom Bohrwerkzeug erfaftten Gesteins steht, wonach dieser Wert mit der jeweiligen Arbeitstiefe des Bohrwerkzeuges (20/112) korreliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daft an zumindest einem Punktpaar auf der Bohrvorrichtung (12) Signale aufgenommen werden, von denen die algebraische Summe oder die Augenblickedifferenz ermittelt wird.

00982 8/0970

3. Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl der Signalkomponenten innerhalb eines Frequenzbandes über Filter erfolgt, deren mittlere Frequenz durch den Wert des Produkts aus augenblicklicher Rotationsgeschwindigkeit der Bohrvorrichtung, multipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente des Werkzeuge (20/112) gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßstrecke im oberen Teil der Bohrvorrichtung (12) befindet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßstrecke an einem dem Bohrwerkzeug (20/112) nahegelegenen Punkt befindet.

6. Verfahren nach Anbruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwingungssignale von Hilfe von Aufnahmegeräten ermittelt werden, die sich auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien der Meßstrecke befinden.

7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwingungssignale, die Längsschwingungen entsprechen, mit Hilfe von Aufnahmegeräten aufgenommen werden, die sich auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien entlang der Achse der Bohrvorrichtung und in einem Abstand von 2 Zentimeter bis 9 Meter befinden, wobei deren Auflageflächen sich in Horizontallage gegenüberstehen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Signale für Längsschwingungen aufgenommen werden, deren Auswahl innerhalb eines Frequenzbandes erfolgt, das auf eine Frequenz zentriert ist, die gleich dem Produkt des Wertes für Rotationsgeschwindigkeit des Bohrwerkezeuges, multipliziert iait der Anzahl der Bohrmeißelräder oder mit der Anzahl der Zähne auf der äußeren Reihe eines Bohrmeißelrades ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Längsschwingungen geltenden Signale mit Hilfe zumindest eines Paares von axial versetzten Beschleunigungsmessern (31/36) aufgenommen werden, deren elektrische Achsen parallel zur Achse der Bohrvorrichtung (12) verlaufen.

009828/G97Ü

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Längsbelastungen in der Bohrvorrichtung abgreifbaren Signale mit Hilfe zumindest eines Paares von Belastungsgebern (47,48/ 49*50) aufgenommen werden, die parallel zur Achse der Bohrvorrichtung (12) angeordnet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Torsionsschwingungen aufgenommenen Signale erfaßt werden, wobei die Auswahl innerhalb eines Frequenzbandes erfolgt, das auf eine Frequenz zentriert ist, die gleich dem Produkt aus Rotationsgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges (20/112) multipliziert mit der Anzahl der diamantbesetzten Flächen eines Diamantwerkzeuges ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß. die aus Torsionsbeschleunisungen entstehenden Signale mit Hilfe von Beschleunigungsmessern (31_>3ß) aufgenommen werden, deren elektrische Achsen senkrecht zur Achse der Bohrvorrichtung verlaufen.

13. Verfahren nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet_A daß die aus ■Torsionsbelastungen entstehenden Signale mit Hilfe von Belastungsgebern (47,48,49,50) aufgenommen werden_} die sich in einer um 45° gegenüber der Achse der Bohrvorrichtung oder des "eßanschluseea (122) geneisten Ebene befinden.

14. Vorrichtung zur Anwendung des erfindun£Säeni£ffei Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß diese zumindest ein Schwingungs-Aufnahü:e£erät,auf der !Ießstrecke (13/21) befestigt_s besitzt; das ein elektrisches Signal liefert und daß ferner Vorrichtungen vorgesehen sind, die zur Verarbeitung dieses Signals dienen^ um dieses bzw. seine Spannung auf zwei vorher bestimmte Werte zu begrenzen und daß ferner Mittel vorgesehen sind _% aus diesem Signal ein Frequenzband auszuwählen, das auf eine Frequenz zentriert ist _i die gleich dem Produkt aus Rotationsgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges multipliziert mit der Anzahl der Angriffselemente dieses Werkzeugs ist, wobei schließlich noch Vorrichtungen vorgesehen sind, die aus diesem Bruchteil des ausgewählten Signals eine Größe bestimmen, die die Amplitude des Signals darstellt und endlich Vorrichtungen vorhanden sind, die diese Amplitude messen und mit der Arbeitstiefe des Werkzeuges korrelieren. 009828/0970 -¹*-

BAtD ORIGINAL

-S-

15. Vorrichtung nach Anspruch lA, dadurch gekennzeichnet, daß diese zumindest au3 einem Paar von Schwingungsgebern gebildet wird und Organe vorgesehen sind,die die algebraische Summe oder die Augenblicksdifferenz der von jedem (leber gelieferten Signale bestimmen., um ein Einheitssignal zu erhalten.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßstrecke im oberen Teil der Bohrvorrichtung (12) befindet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16. dadurch gekennzeichnet ₃ daß Signale für Län/rsschwingungen mit Hilfe zweier Beschleunigungsmesser (31,3^) auf~onor:iinen werden, die sich auf zwei rref;en^terlierenden Hantellinien einer Muffe (21) befinden, die zwischen der. Einspritskopf (7) und der Antriebsstange (9) liegt, wobei diese Beschleunigungsmesser auf senkrecht zur Huffenachse stehenden Auskragunpen ruhen, fest mit diesen verbunden und axial versetzt sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch Kokennzeici.net. dfc.J* die Signale für Torsionsscliwingun^en durch zwei i>eschleunii-*ungar_:iesser aufgenommen werden, die sich auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien des unteren Teils der Antriebestange (9) der Bohrvorrichtung (12) befinden, wobei diese Beschleunigungsmesser auf parallel in Axialebene verlaufenden Auskragungen ruhen und die elektrischen Achsen der Beschleunigungsmesser entgegengesetzt liegen und parallel verlaufen.

19* Vorrichtung" nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet _s daß die Signale für Längsschwingungen durch länpsangeordnete Belastun^sgeber aufgenommen werden₅ die sich auf einer Muffe (21) befinden, die zwischen dem Einspritzkopf (7) und der Antriebsstan<*;e (9) der Bohrvorrichtung (12) liegt ,wobei die Belastttngsgeber auf swei gegenüberliegenden Kantellinien auf der Oberfläche dieser Suffe (21) und an zwei leicht axial zueinander teersetzten Funkten angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale für Torsionsschwingungen von ^orsionsspannungs^ebern aufgenommen werden, die sich am unteren *Feil der Antriebsstanpe i$) der Bohrvorrichtung (12) an zwei entgecengesetaten Punkten

009828/0970

der Oberfläche dieser Antriebsstange befinden und in einer Lbene liegen, die ή5° gegenüber der Achse der Bohrvorrichtung geneigt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1Ί₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstreeke (13/21) durch den iießanschluß (122) am unteren Teil der Bohrvorrichtung gebildet wird und Organe vorgesehen sind, die das für die Anplitude dea iir. Frequenzband ausgewählten Signals stellvertretende Signal an die Oberfläche übertragen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, da£ die Signale für die Längs schwingungen durch zwei Beschleuniger.· times ser aufgenommen werden, die sich auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien eines Anschlusses befinaen, der am unteren Teil der Bohrvorrichtung in Nähe des* Bohrwerkzeuges liegt, vrobei die Beschleunicunesruesser auf senkrecht zur Achse des Anschlusses verlaufenden Auskragungen ruhen und fest mit diesen verbunden sind.

23. Vorrichtunr nach Anspruch 21_; dadurch gekennzeichnet, dai* es sich bei den Aufnahmegeräten für Torsioneschwingungen um Beschleunigungsmesser handelt die auf zwei f?egenüberlie;*en(Uen Mantellinien des Anschlusses in llihe des Bohrwerkzeuges liegen, wobei diese Beechleuni?;unr:cnesser auf parallel zur ."'uffenachse verlaufenden Auskragungen ruhen und die elektrischen Achsen der Beschleunigungsmesser parallel verlaufen und sicli Fecenüberliesen.

Zk. Vorricl.tun'.nacl· Anspruch 21 riaiurch gekennzeichnet daß es sich bei den Aufnahnereräten für L'in-S3chwinrun';en un BelantunRS-•j.eber handelt, die auf einer Anschluß befestigt sind Λβτ sich im unteren ^eil der Bohrvorrichtung: in Niihe des Werkzeuges befindet, wobei eich diese Geber an zwei gegenüberliegenden Punkten auf der Oberfläche dieses Anschlusses befinden una die Achse der Geber parallel zu der des Anschlusses verläuft.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch f.ekennzeicunet, daß die Torsionsschwingungen durch Eela3tun_c.,sgeber am bereits &enannten Anscnluß aufgenommen werden, wobei aich diese an zwei entgegengesetzten Punkten auf der Oberfläche der I'uffe, in der

009828/0970 _ßAD~

gleichen Ebene befinden, die uss 45° gegenüber der Achse des Anschlusses geneigt ist:

26. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal durch die Gestangeführung und einen iait einer Muffe fest verbundenen magnetostriktiven Stab an die Oberfläche übertragen wird, wobei diese Muffe zwischen den Gewichtskftrper (116) eingebaut ist j dessen Erregung nit der Amplitude des Signals selbst moduliert wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragung des Signals an die Oberfläche durch den Schlamm-Strom bewirkt wird, dessen Druck durch die Amplitude des Signals selbst moduliert wird, das auf das Ventil wirkt.

009828/0970 bad original

Leerseite