DE19707530A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von geologischer Information - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung geologischer Information und eine Vorrichtung hierzu, einschließlich Verwendungen derselben, sowie Verfahren zum Erstellen von Bohrungen und Identifizieren von Bodenschichten.

Bei der Durchführung von Bohrungen besteht ein elementarer Zusammenhang zwischen Bohrfortschritt und Geologie des durchbohrten Bodens oder Substrats. Der wirtschaftliche Erfolg einer Bohrung hängt nicht zuletzt von der präzisen und zutreffenden Vorabbeschreibung eben der geologischen Verhältnisse ab. Dies gilt generell für jedes Bohrvorhaben, sei es nun zum Verlegen von (Rohr-)Leitungen, zum Erschließen von untertägig lagernden Rohstoffen oder zum Erstellen einer Bohrtrasse. Entsprechend wird in der Technik versucht, diese Information durch eine Reihe von Maßnahmen bereitzustellen. Dies erfolgt zum einen durch vereinzelte Kernbohrungen. Dabei ist es diesem Verfahren jedoch immanent, daß nicht der gesamte Verlauf einer Bohrung adäquat damit zu analysieren ist. Entsprechend sind während des eigentlichen Bohrvorganges besonders bei unregelmäßigem Schichtenverlauf zum Teil drastische Änderungen der Bohrparameter erforderlich. Derartige Änderungen sind jedoch mit erheblichen Kosten und Aufwand verbunden. Darüber hinaus kann sich im Verlauf der Niederbringung der Bohrung zeigen, daß die Bohrtrasse hätte geändert werden müssen bzw. geändert werden muß.

Eine Alternative im Stand der Technik stellen geophysikalische Untersuchungen dar, die jedoch ebenso wie die oben beschriebenen vereinzelten Kernbohrungen einen zeit- und damit kostenintensiven weiteren Schritt im Gesamtbohrprojekt darstellen und ebenfalls nicht sicherstellen können, daß die Geologie mit einer hinreichenden Genauigkeit vorabbeschrieben wird.

Beide Verfahren stoßen insbesondere dann an ihre Grenzen, wenn das zu durchbohrende Substrat einen ungleichmäßigen oder stark variierenden Aufbau aufweist, wie dies beispielsweise bei Aufschüttungen, wie Deponien oder dergleichen, der Fall ist, und ganz besonders dann, wenn es sich um vergleichsweise kleine Bohrprojekte handelt. Weitere Einschränkungen ergeben sich, wenn die Bohrtrasse in oder unter stark besiedeltem oder intensiv genutztem Gebiet, wie beispielsweise Städten oder Straßen, verlaufen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zum Gewinnen von geologischer Information bereitzustellen, das mit einem geringen arbeitstechnischen Aufwand betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, daß das besagte Verfahren eine zuverlässige Bestimmung der lokalen und kleinräumigen Bodenschichtenabfolge erlauben soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zum Erstellen von Bohrungen weiter zu entwickeln und diese schneller unter optimaler Gestaltung des Verlaufes der Bohrtrasse zu realisieren. Weiterhin soll das Verfahren ermöglichen, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der geologischen Struktur der durchbohrten bzw. zu durchbohrenden Schicht(en) die Bohrparameter optimal zu wählen.

Schließlich soll die Erfindung ein Verfahren zum Identifizieren von Bodenschichten, insbesondere solchen mit einer vorab definierten Zusammensetzung, liefern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer hierzu geeigneten Vorrichtung.

Erfindungsgemäß wir die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Gewinnung von geologischer Information, bei dem während des Vortriebs einer Bohrung Information gewonnen wird und diese Information verwendet wird, um die Zusammensetzung und/oder die geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch gelöst durch ein Verfahren zur Erstellen von Bohrungen bei welchem während des Vortriebes der Bohrung Information hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) gewonnen wird und diese zur Gestaltung des Bohrvorganges verwendet wird.

Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Identifizieren von Bodenschichten, bei dem während einer Bohrung Information hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) gewonnen wird und diese Information zum Bestimmen von Bodenschichten verwendet wird.

Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Gewinnung geologischer Information gelöst, die mindestens eine Einrichtung zur Aufnahme von Information hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en), die während einer Bohrung gewonnen wird, und eine Einrichtung zur Wiedergabe der besagten Information umfaßt.

Schließlich wird die Aufgabe noch durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den erfindungsgemäßen Verfahren gelöst.

In einer bevorzugen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Identifizieren von Bodenschichten kann vorgesehen sein, daß die (Boden-) Schicht(en) Rohstoffe enthält/enthalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich bei der Information um akustische Information.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren ist die Information im Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung enthalten und/oder stellt das Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung die Information dar.

In einer noch weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Information das Schwingungsverhalten der durchbohrten Schicht(en) und/oder der zu durchbohrenden Schicht(en) ist und/oder darin enthalten ist.

Des weiteren kann vorgesehen sein, daß die erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin mindestens einen der Schritte umfassen, die darin bestehen, daß die Information von einem Detektor aufgenommen wird, die Information von einer Informationsverarbeitungseinrichtung verarbeitet wird, ein Signal erzeugt wird, das Rückschlüsse hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) zuläßt.

Des weiteren kann vorgesehen sein, daß die für das Erstellen der Bohrung relevanten Parameter auf der Grundlage des Signals für die durchbohrte(n) und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) eingestellt werden.

Schließlich kann bei den erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, daß mindestens der Detektor in der Bohrvorrichtung angeordnet ist, wobei ganz besonders bevorzugt sein kann, daß sich mindestens der Detektor im Bohrloch befindet.

In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß während des Vortriebs der Bohrung der Bohrvorrichtung und/oder dem Boden und/oder der/den durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) ein Signal in Form eines Schwingungsverhaltens aufgeprägt wird und /oder ein akustisches Signal in das Bohrloch eingebracht wird, und das besagte Signal infolge der Zusammensetzung und/oder der geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) modifiziert wird und das solchermaßen modifizierte Signal eine besagte Information darstellt.

Weiterhin kann die besagte Information zur Gestaltung des Bohrvorganges und/oder zum Identifizieren von Bodenschichten verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß sie weiterhin eine Einrichtung umfaßt, die der Bohrvorrichtung und/oder dem Boden und/oder der/den durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) ein Signal in Form eines Schwingungsverhaltens aufprägt und/oder ein akustisches Signal in das Bohrloch einbringt, das infolge der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) modifiziert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung weiterhin eine Informationsverarbeitungseinrichtung, die die aufgenommene Information und/oder das modifizierte Signal verarbeitet und ein verarbeitetes Signal liefert.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung umfaßt, die die Information und/oder das modifizierte Signal und/oder das verarbeitete Signal als Eingangssignal für ein Steuerelement verwendet, dessen Ausgangssignal der Einstellung der für das Erstellen der Bohrung relevanten Parameter mit Blick auf die Zusammensetzung und/oder die geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) dient.

Weiterhin ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß die aufzunehmende Information und/oder das modifizierte Signal eine akustische Information und/oder das Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung und/oder des Bodens und/oder der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) ist und/oder im Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung und/oder des Bodens und/oder der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) enthalten ist.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung und insbesondere die Einrichtung zur Aufnahme von Information (Detektor) oder modifiziertem Signal in der Bohrvorrichtung angeordnet ist.

Im folgenden werden unter dem Begriff "Verfahren zum Erstellen einer Bohrung" alle dem Fachmann bekannten Formen zum Erstellen von Bohrungen und Bohrtechniken verstanden. Diese schließen, u. a., Horizontal- und Vertikalbohrungen, gesteuerte und nicht gesteuerte Bohrungen, einaxiale und koaxiale Bohrungen, Pilotbohrungen sowie Kombinationen hiervon ein.

Unter dem Begriff "zu durchbohrende Schicht(en)" sollen hierin auch jene (Boden-)Schichten verstanden werden, die letztendlich nicht durchbohrt wurden. Er umfaßt somit Boden oder Substrat ganz allgemein.

Des weiteren sollen unter dem Begriff "Boden" hierin auch jene Böden verstanden werden, die nicht direkt zugänglich sind, wie Böden unter einer Wasseroberfläche, so z. B. unterseeische Böden, Böden im Bereich des Kontinentalschelfs, Böden der Tiefsee und andere.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß im Bohrloch durch die Interaktion zwischen der Bohrvorrichtung, insbesondere dem Bohrwerkzeug und dem Bohrgestänge, einerseits und der diese umgebenden (Boden-)Schicht(en) andererseits, in Abhängigkeit von deren Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur, typischweise bedingt durch Reibung, charakteristische Schwingungen und/oder Geräusche beobachtet werden können. Hinsichtlich des Frequenzbereiches der Schwingungen gelten keinerlei Beschränkungen, sofern sie, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von geeigneten Einrichtungen, detektiert werden können.

Diese Schwingungen können unter anderem auch solche der Luftsäule, der Bohrvorrichtung und/oder des Bodens im weitesten Sinne, einschließlich der durchbohrten und zu durchbohrenden Schicht(en), wie hierin verstanden, sowie Kombinationen derselben sein.

Insbesondere soll unter akustischer Information auch der Frequenzbereich über den durch das menschliche Ohr hinaus detektierbaren Bereich umfassen, also auch den Ultra- und Infraschallbereich.

Die Schwingungen werden typischerweise in einem Frequenzband betrachtet werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung von geologischer Information oder zur Bestimmung der Zusammensetzung von Bodenschichten und deren geologischer Struktur werden die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Verfahren hierzu überwunden. Des weiteren erlaubt das Verfahren hochspezifische und umfassende Information zu den jeweiligen Bodenverhältnissen zu liefern, wobei besonders die Schnelligkeit der Verfügbarkeit der Daten vorteilhaft ist. Einmal verfügbar, sind diese geologischen Informationen für eine Vielzahl von Anwendungen in vorteilhafter Weise einsetzbar oder verwendbar. Entsprechend läßt sich dieses erfindungsgemäße Verfahren als Teilschritt in eine Vielzahl anderer Verfahren integrieren, so zum Beispiel bei Verfahren zum Erstellen von Bohrungen oder solchen zum Identifizieren von Bodenschichten.

Die Bestimmung der geologischen Information der (Boden-)Schichten auf der Basis der bei dem Vortrieb der Bohrung in Form der Schwingungen gewonnen bzw. detektierten Information kann vorgenommen werden durch Vergleich der im Rahmen einer anderen Bohrung beobachteten Schwingungen, wobei das Profil und die Zusammensetzung der im Rahmen der besagten früheren Bohrung durchteuften Bodenschichten bekannt war oder ermittelt wurde. Als frühere Bohrung können auch vorhergehend durchbohrte Bodenprofile ein und derselben Bohrung verstanden werden. Neben dieser Möglichkeit der Kalibrierung der Information, die der Gewinnung der geologischen Information zugrunde liegt, kann diese auch noch dadurch erfolgen, daß ein entsprechendes Schwingungsprofil an einem Modellbodenprofil ermittelt wird und ggf. daraus Extrapolationen vorgenommen werden. Schließlich können auch theoretische Betrachtungen beispielsweise auf der Grundlage der Materialeigenschaften der Bohrvorrichtung sowie jener von verschiedenen Bodenschichten hierzu herangezogen werden. Diese und weitere Möglichkeiten sind dem Fachmann bekannt oder können im Rahmen seiner Kenntnisse entsprechend entwickelt werden.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist somit die erforderliche Information "on-line" verfügbar und die entsprechenden Maßnahmen können schnell und ohne den Bohrfortschritt zu beeinträchtigen vorgenommen werden.

Hinsichtlich der die Information bzw. gleichbedeutend damit das modifizierte Signal aufnehmenden Einrichtung kann diese allgemein als ein für den jeweiligen Frequenzbereich geeigneter Detektor sein, wobei hierin auch unter Detektor eine Einrichtung zur Aufnahme von Information verstanden wird. Die Auswahlkriterien sind dem Fachmann bekannt. Weiterhin kann dieser Detektor mit geeigneten Filtern ausgestattet sein, die der Erhöhung der Auflösung sowie der Unterdrückung störender Information dienen können. Dabei sind neben passiven auch aktive Filter möglich.

Informationsverarbeitungseinrichtungen sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt. Diese können aus geeigneten Schaltungen bspw. in Form eines Mikroprozessors oder auch komplexerer Systeme wie einem Computer bzw. Computerprogramm bestehen.

Das nach der Verarbeitung erhaltene Signal, hierin auch als verarbeitetes Signal bezeichnet, kann dann in geeigneter Weise weiterverarbeitet, gespeichert, dargestellt oder analysiert werden. Hinsichtlich der Darstellung sollen hierin alle möglichen Formen der Darstellung von Information verstanden werden, d. h. auch optische, akustische Darstellung oder Speichern/Aufzeichnung in Form elektrischer Impulse oder mittels eines geeigneten Mediums wie Datenträgern. Dies gilt nicht nur für das verarbeitete Signal, sondern auch für das modifizierte und andere Signale, einschließlich der Information betreffend die Zusammensetzung und/oder geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en).

Unter Wiedergabe von Information soll hierin nicht nur deren Darstellung, sondern auch deren Weiterleitung in weitesten Sinne, d. h. auch deren Weiterleitung an weitere Einrichtungen bzw. Elemente einer Einrichtung oder Vorrichtung verstanden werden.

Unter Bohrvorrichtung soll hierin die gesamte zur Niederbringung einer Bohrung oder Durchführung einer Bohrung verwendete Gerätschaft verstanden werden, insbesondere das Bohrwerkzeug und das Bohrgestänge, unabhängig von der gewählten Bohrtechnik, wie oben spezifiziert. Für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ist dabei besonders das Bohrwerkzeug und das Bohrgestänge im engeren Sinne von Interesse, da am Entstehungsort der Geräusche und Schwingungen infolge Kontakt zwischen Bohrwerkzeug und durchbohrter Schicht das Schwingungs- oder Wellenspektrum die unverfälschte und größte Informationsdichte aufweist. Jedoch können auch die nur am Bohrgestänge entstehenden Geräusche und Schwingungen signifikant sein, um Ihnen bestimmte geologische Verhältnisse zuordnen zu können.

Mit zunehmendem Abstand vom Entstehungsort der Schwingung wird die Informationsdichte geringer und infolgedessen eine Aussage über die Charakteristiken des durchbohrten Bodens unter Umständen schwieriger. Umgekehrt kann jedoch infolge eben dieses Verlustes eine Analyse leichter bzw. erst möglich werden, da sich das Hintergrundrauschen der Information ebenfalls verringert.

Ein Detektor, oder auch weitergehende Teile einer entsprechenden Vorrichtung, wie beispielsweise der hierin ebenfalls offenbarten, bzw. die ganz Vorrichtung kann bevorzugt möglichst nahe dem Bohrkopf angebracht sein. Die dort angebrachte(n) Vorrichtung oder Einrichtung(en) muß/müssen darüber hinaus selbsterklärend so gebaut werden, daß ein störungsfreier Betrieb der Bohrvorrichtung nach wie vor gegeben ist, bspw. daß für die Bohrströmung nach wie vor genug Raum freigelassen wird, daß die elektrischen Einrichtungen nicht negativ interagieren, so z. B. das sogenannte Steering Tool beim gesteuerten Horizontalbohren nicht beeinträchtigt wird u. dgl.

Die für die Bohrung relevanten Parameter wurden bereits ausgeführt. Es ist in diesem Zusammenhang erwähnenswert, daß die Information, direkt oder indirekt, d. h. als solche oder als modifiziertes oder verarbeitetes Signal, am Steuerstand auflaufen kann und dort gegebenenfalls dem Bedienungspersonal die optimalen Betriebsparameter mitteilt. Letztere Variante wird besonders dann zum Tragen kommen, wenn ein Expertensystem die Analyse der Information bzw. Signale vornimmt und die optimierte Parameterkombination bzw. unter Berücksichtigung der anliegenden Parameter geeignete Änderungen vorschlägt. In einem weiteren Schritt ist denkbar, daß der Bohrvorgang bzw. die Bohrung, einmal begonnen, weitestgehend automatisiert abläuft und die aufgenommene Information betreffend die Zusammensetzung und/oder die geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) vom Expertensystem unmittelbar umgesetzt wird und die optimierten Parameter angelegt werden. Dabei ist denkbar, daß, insbesondere bei gesteuerten Horizontaltechniken, das System auch eine Änderung des Bohrtrassenverlaufs unter Berücksichtigung örtlicher Gegebenheiten vorschlägt oder diese selbständig vornimmt.

Wie oben ausgeführt, kann vorgesehen sein, daß neben der durch den eigentlichen Bohrvorgang infolge Reibung zwischen Bohrvorrichtung und durchteuftem Boden erzeugten Information, die im folgenden als passive Information bezeichnet wird, auch "aktive" Information erhalten werden kann. Unter "aktiver Information" soll hierin diejenige Information verstanden werden, die erhalten wird, wenn während des Vortriebs der Bohrung der Bohrvorrichtung, und insbesondere dem Bohrgestänge und/oder dem Bohrkopf, und/oder dem Boden und/oder der/den durchbohrten Schicht(en) und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) im hierin verwendeten Sinne ein Schwingungsverhalten aufgeprägt wird und/oder ein akustisches Signal in das Bohrloch eingebracht wird und dieses Schwingungsverhalten oder akustische Signal bedingt durch die Zusammensetzung und/oder geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) verändert wird. Diese dann vorliegende bzw. detektierbare Information wird hierin als "aktive" Information oder auch als modifiziertes Signal bezeichnet.

Im übrigen soll unter dem Begriff "in das Bohrloch eingebracht" hierin verstanden werden, daß das Signal an einer beliebigen Stelle des Bohrloches in dieses in einer beliebigen Richtung eingebracht wird. Bevorzugt wird das Signal jedoch direktional eingebracht und dabei auf das Ende des Bohrlochs bzw. der Bohrung gerichtet sein. Noch bevorzugter wird es auf den Übergangsbereich zwischen Bohrkopf und noch nicht durchbohrt er Schicht oder auf die noch nicht durchbohrte Schicht gerichtet sein bzw. dieser direkt appliziert werden.

Die Schwingungsquelle kann bevorzugt an dem Ende der Bohrvorrichtung angebracht sein, das in das Bohrloch eingebracht wird, bzw. sich in diesem befinden. In Abhängigkeit von der applizierten Schwingung, bspw. deren Frequenz, ist es jedoch auch möglich, daß die Schwingungsquelle an einer anderen Stelle angebracht ist oder sich an einer anderen Stelle im Bohrloch befindet als an der Grenzfläche zwischen Bohrloch und Substrat/(Boden-) Schicht oder direkt an der (Boden-)Schicht bzw. der noch nicht durchbohrten Schicht(en).

Grundsätzlich ist es möglich, daß die zusätzlich in das System bestehend aus Bohrloch, Bohrvorrichtung und das Bohrloch umgebenden Boden, insbesondere der Übergangsbereich zwischen Bohrkopf und noch nicht durchbohrtem Boden, eingebrachten Schwingungen mit der passiven Information in Wechselwirkung treten. Dabei kann es neben einer Filterung der Information auch zu einer Verstärkung der eigentlichen, d. h. Aufschluß über die durchbohrte(n) und/oder zu durchbohrende(n) Schicht(en) vermittelnden Information kommen.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren kann die unmittelbar am Bohrkopf bzw. Bohrmeißel anliegende geologische Struktur bzw. die Zusammensetzung der momentan durchbohrten Schicht bestimmt werden und im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erstellen von Bohrungen in die optimale Gestaltung der Bohrparameter im weitesten Sinne einfließen sowie im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Identifizieren von Bodenschichten dazu genutztwerden, um festzustellen, ob eine bestimmte Bodenschicht vorliegt, die bspw. bestimmte Rohstoffe enthält. Darüber hinaus können aber auch noch in unterschiedlichem Umfang, in Abhängigkeit von der gewählten Bohrvorrichtung, einschließlich des Detektionssystems oder der Informationsverarbeitungseinrichtung, sowie der jeweiligen geologischen Verhältnisse, Aussagen über die mittelbar voraus liegenden und als nächstes zu durchbohrenden Schichten bzw. der benachbarten Bodenschichten allgemein gemacht werden. Ohne im folgenden darauf festgelegt werden zu wollen, erscheint es momentan so, daß ein Teil der passiven Information, insbesondere die akustische Information, maßgeblich durch die Reibung zwischen der momentan anliegenden Bodenschicht und der Bohrvorrichtung, sowie auch ein Teil der Schwingungen des Bohrgestänges, bedingt wird. Auf das Schwingungsverhalten des Bohrgestänges wirkt sich jedoch vermutlich auch der voraus liegende Bodenkörper bzw. der umgebende Bodenkörper insgesamt aus, so daß insbesondere durch einen Vergleich des beobachteten Schwingungsverhaltens basierend auf dem Schwingungsverhalten beim bisherigen Durchteufen und dem aktuellen Schwingungsverhalten unmittelbar bevorstehende Änderungen in der Zusammensetzung und/oder Struktur der voraus liegenden Bodenschicht erkannt und noch bevor diese Schicht tatsächlich angebohrt wird, geeignete Maßnahmen ergriffen werden können, was eine weitergehende Optimierung der erfindungsgemäßen Verfahren erlaubt.

Die letztgenannte Vorgehensweise wird durch das Einbringen weiterer Schwingungen in Form des eingestrahlten Signals oder des dem Bohrgestänge und/oder dem Boden und/oder der/den durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) aufgeprägten Schwingungsverhaltens noch unterstützt bzw. kann unter Umständen diese erst ermöglichen. Dabei ist speziell die aktive Information unter Umständen geeignet noch weitergehende Information zu liefern, da durch Auswahl eines geeigneten Frequenzbandes eine Steigerung der Selektivität möglich ist. So wird beispielsweise möglich, die Zusammensetzung der Bohrflüssigkeit direkt am Bohrlochende zu untersuchen und Rückschlüsse zu ziehen, die für die Bewertung anderer, bereits erhaltener, typischer Weise passiver, Informationen weiter herangezogen werden können. Des weiteren wird es dadurch möglich, weitergehende, u. a. weiter voraus liegende Bodenschichten darzustellen, ggf. durch bereits bekannte entsprechende geophysikalische Untersuchungsmethoden ergänzt.

Unter Schwingungsverhalten soll hierin nicht nur das makroskopische Schwingungsverhalten, bspw. in Form von Vibrationen verstanden werden, sondern auch, daß, bspw. das Bohrgestänge oder der Bodenkörper, für die (Weiter-)Leitung von Schwingungen als Medium dient, diese also transportiert und ggf. an ein anderes Medium wie bspw. Bodenschichten appliziert.

Hinsichtlich der in das System zusätzlich eingebrachten Schwingungen ist zu bemerken, daß sich die Schwingung bzw. das entsprechende Frequenzband über die Zeit sowohl hinsichtlich der Amplitude einzelner Schwingungen als auch des Bandes als solches ändern kann. Änderungen sind ebenfalls möglich hinsichtlich der Zeitpunkte, in denen die jeweilige Schwingung eingestrahlt wird. Dies kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen, wobei im letzten Fall die zwischen den einzelnen Pulsen liegenden Zeitspannen variiert werden können. Die vorgenannten Maßnahmen können durch den Fachmann im Rahmen seiner Fertigkeiten durch Routineversuche bestimmt werden.

Unter der Bezeichnung "während des Vortriebs der Bohrung" soll hierin jener Zustand bzw. auch Zeitpunkt verstanden werden, da bzw. von dem an der Bohrkopf oder Bohrmeißel Kontakt aufgenommen hat mit der ersten zu durchbohrenden Schicht. Dies bedeutet beispielsweise, daß mit dem Kontaktieren der ersten, ggf. oberflächlich gelegenen, zu durchbohrenden Schicht, der Vortrieb begonnen hat. Insbesondere bedeutet dies auch, daß das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, wenn der Bohrvortrieb, ausgedrückt als zurückgelegte Wegstrecke pro Zeit, gestoppt wird. Auch dann kann, wie in der Erfindung beschrieben, die besagte Information gewonnen werden, insbesondere dann, wenn es sich um aktive Information wie hierin definiert handelt. Dies beinhaltet des weiteren auch, daß gegebenenfalls keine passive Information aus dem Bohrvorgang erhalten wird, da bspw. der Bohrkopf nicht rotiert und es somit zu keiner die passive Information erzeugenden Reibung zwischen Bohrkopf und umgebenden Schichtmaterial kommt. Information im Sinne dieser Erfindung ist in diesem speziellen Falle dann lediglich die aktive Information.

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erstellen von Bohrungen ergeben sich gegenüber den Verfahren nach dem Stand der Technik weitere Vorteile, die eine Optimierung der Erstellung von Bohrungen erlauben. Ein wesentlicher Aspekt der Optimierung der Bohrung beruht auf der Kenntnis der am Bohrwerkzeug tatsächlich anliegenden geologischen Verhältnisse, wie diese in den erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden.

Bei einer gegebenen Zusammensetzung einer zu durchbohrenden Schicht ist es für den Fachmann im Rahmen seiner Fähigkeiten, die geeigneten Bohrparameter auszuwählen und damit den eigentlichen Bohrvorgang optimal bzgl. Bohrfortschritt, Materialaufwand und -verschleiß, Energieaufwand und der gleichen zu gestalten. Die wichtigsten Bohrparameter sind Vorschubkraft, Vorschubgeschwindigkeit, Drehmoment, Pumpendruck und Pumpenvolumenstrom. Außerdem ermöglicht eine detaillierte Information über den anstehenden Boden auch die geeignete Auswahl der Bohrwerkzeuge, des Bohrgestänges sowie des Bohrgeräts.

Wie bereits ausgeführt, beeinflußt die Zusammensetzung und /oder geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) die oben genannten Parameter und damit den Erfolg des Bohrvorhabens ganz wesentlich und es ist essentiell und bedeutet einen großen Fortschritt in der Bohrtechnik, die tatsächlichen und unmittelbar anstehenden Bodenverhältnisse zu kennen und die oben genannten Parameter, und ggf. weitere, den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Dabei ist die Anpassung nicht notwendigerweise auf die Bohrparameter beschränkt, sondern kann in der Änderung der Bohrtrasse bestehen, wenn die Schichten für die Bohrtechnik oder die Bohrung selbst infolge beispielsweise mangelnder Stabilität, gefährlich werden, wie dies bei Kies und Steinen der Fall sein kann. Ganz besonders relevant ist dieser Aspekt der Änderung des Verlaufs der Bohrtrasse bei gesteuerten (Horizontal-)Bohrtechniken.

Unter der Bezeichnung "Verwendung zur Gestaltung des Bohrvorganges" soll hierin auch verstanden werden, daß die Information zur Auswahl und/oder Bestimmung der in der jeweiligen Situation oder dem jeweiligen Stand des Bohrvorganges optimalen Bohrparameter, einschließlich des Bohrtrassenverlaufs, herangezogen wird und der Bohrvorgang in Abhängigkeit davon erfolgt. Des weiteren beinhaltet diese, daß ausgehend von einem Zeitpunkt im Verlauf des Verfahrens und damit des Bohrvorganges, der nächste Schritt unter bohrtechnischen Bedingungen, d. h. Parametern erfolgt, die von der besagten Information abhängen, zumindest aber davon beeinflußt werden, wobei dies auch die Möglichkeit umfaßt, daß keine Änderung der Bohrparameter erfolgt, bspw. dann, wenn sich die Zusammensetzung und/oder geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) zwischen dem gegenwärtigen und dem vorangehenden zeitlichen Betrachtungsraum nicht verändert hat.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin begründet, daß die Information betreffend die Zusammensetzung und/oder geologische Struktur des Bodens für darauf basierende Entscheidungen schnell, ggf. "on line" verfügbar ist. Dennoch müssen diese Informationen nicht notwendigerweise "on line" ausgewertet werden. Im Falle der Durchführung einer Pilotbohrung ist es möglich, die entsprechenden Daten zwar während des Bohrvorganges zu gewinnen, diese jedoch erst nach Abschluß der Pilotbohrung auszuwerten und die auf der Pilotbohrung aufbauenden Bohrparameter für die eigentliche Bohrung auf deren Basis festzulegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erstellung einer Bohrung ist auch insoweit von Vorteil, als daß damit eine Risikominimierung während der Bohrungsdurchführung möglich ist, da für den Bohrprozeß kritische Schichten, wie bspw. grobe Kiese, an einem typischen Geräusch erkannt werden können und die Bohrung so umgelenkt oder abgebrochen werden kann, bevor der Bohrstrang fest wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen von Bodenschichten steht besonders deren Identifizierung hinsichtlich vorgegebener Merkmale im Vordergrund. Dabei kommt es wesentlich darauf an, daß eine anvisierte Bodenschicht, die bspw. durch gesteuert Horizontalbohrtechnik erschlossen werden soll, frühzeitig als solche erkannt wird. Dies beinhaltet auch solche Bodenschichten, von denen ein Gefährdungspotential ausgeht. Besonders relevant ist jedoch die erindungsgemäße Identifizierung von rohstofführenden Bodenschichten. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Bohrvorgang unmittelbar abgebrochen oder in eine andere Richtung geleitet werden, wenn die rohstofführende Schicht von einer anderen Schicht abgelöst wird. Die sich daraus ergebenden Vorteile hinsichtlich des Zeitgewinns, der Reinheit des erbohrten Rohstoffmaterials und verringerten Abnutzung des Bohrwerkzeuges sind offensichtlich.

Auch diesem Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß derartige spezifische, typischer Weise Rohstoffe führende Schichten ein charakteristisches Schwingungsverhalten aufweisen, in den sie umgebenden Bodenschichten oder am Bohrgestänge charakteristische Schwingungen verursachen oder beim Anbohren charakteristische Geräusche verursachen bzw., wie oben beschrieben, spezifische "aktive" Information zu liefern in der Lage sind, die dann erfindungsgemäß verwendet wird. Diese charakteritische Schwingungen oder Geräusche können sowohl durch die Reibung als auch durch den Lösevorgang verursacht werden.

Schließlich erlaubt die Erfindung noch in einem anderen Aspekt, Informationen betreffend den Zustand der Bohrvorrichtung zu erhalten. Derartige Geräusche können dann bspw. in Form von Knackgeräuschen vorliegen und Aufschluß geben über eine Überbeanspruchung oder Ermüdung des Bohrgestänges bis hin zum Reißen desselben infolgedessen.

Die Erfindung soll anhand der folgenden Zeichnungen weiter erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von geologischer Information;

Fig. 2 einen im Bohrloch eingebrachten Bohrstrang, der die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von geologischer Information enthält; und

Fig. 3 eine Prinzipskizze des Aufbaus der in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung geologischer Information. Gleichzeitig wird daraus ersichtlich, daß das besagte erfindungsgemäße Verfahren Teil in weitergehenden Verfahren sein kann, im dargestellten Fall in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erstellen einer Bohrung.

Bei der dargestellten Bohrtechnik handelt es sich um eine gesteuerte Horizontalbohrtechnik. Diese steuerbare, waagrechte Bohrtechnik erlaubt das Verlegen von z. B. Kabeln oder Rohrleitungen unter Hindernissen wie bspw. Flüssen, Kanälen oder Straßen. Dabei wird ausgehend von einer Seite des Hindernis eine Bohrung niedergebracht, die kontrolliert ("bananenförmig") unter dem Hindernis zur anderen Seite geführt wird und dort ihren Austrittspunkt hat.

In der Darstellung sind die verschiedenen zeitlichen Zustände des Verfahrens zu dessen Veranschaulichung zusammengefaßt. Dabei wird eine für diese Bohrtechnik typische Bohrtrasse 1, die von einem übertägig aufgestellten Bohrgerät 2 mit Hilfe des Bohrstranges 3 und dem Bohrmeißel 4 aufgefahren. Unmittelbar hinter dem Bohrmeißel 4 befindet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung geologischer Information 5, die im vorliegenden Beispiel auch als Vorrichtung zur Steuerung der Bohrung dient, in Bohrloch 13. Während des Vortriebes der Bohrung, d. h. während des Bohrprozesses, werden unterschiedliche Bodenschichten durchfahren, z. B. feinkörnige Lagen 6, grobkörnige Lagen 7 oder mittelkörnige Lagen 8. All diese Schichten erzeugen am Bohrstrang typische Schwingungen bzw. Geräusche, die hierin als passive Information bezeichnet sind. Diese werden von der erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 zur Gewinnung geologischer Information, die gleichzeitig der Steuerung der Bohrung dient, aufgenommen und nach übertage geleitet. Dort werden sie bspw. anhand der den Schichten 6, 7 und 8 entsprechenden Frequenzbändern 9, 10, und 11 dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß die entsprechenden Frequenzbänder bereits beim unmittelbaren Durchbohren der Schichten anfallen und als solche "on­ line" am Leitstand zur Verfügung stehen.

Fig. 2 zeigt den aus dem Bohrgestänge 12 und dem Bohrmeißel 4 bestehenden Bohrstrang 3, der in das Bohrloch 13 eingebracht ist und neben dem sogenannten Steering Tool 14 auch die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 enthält. Die für die Übertragung der Meßsignale des Steering Tools bereits im Bohrgestänge vorhandene Kabelleitung 15 wird zur Datenübermittlung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 genutzt, die daran über eine Weiche 16 verbunden ist. Dabei verbleibt zwischen dem Bohrgestänge 12 soviel Platz, daß die für den Bohrprozeß notwendige Bohrspülung 17 passieren kann.

Aus der in Fig. 3 dargestellten Prinzipskizze kann der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung geologischer Information bzw. zur Steuerung einer Bohrung entnommen werden. Die im untertägig befindlichen Bohrstrang 3 (nicht dargestellt) eingebaute Vorrichtung 5 besteht im vorliegenden Falle aus einem Sensor 20 zur Aufnahme der in Folge Reibung zwischen Bohrvorrichtung und dem sie umgebenden Boden entstehenden Geräusche und Schwingungen, einem Verstärker 21, sowie den Bauteilen RAM 23 und Interface 24. Die dort bearbeiteten Meßsignale werden dann über die Kabelleitung 15 nach übertage gesendet.

Im übertägigen Teil 5' der Vorrichtung 5 werden die Signale einem zweiten Interface 25 zugeführt. Zusammen mit den parallel von Bohrgerät 27 in einem weiteren Interface 26 einlaufenden relevanten bohrtechnischen Meßwerten wie Pumpendruck und Vorschubkraft werden sie in einem Computer einem Expertensystem 28 zugeführt und dort ausgewertet und dargestellt sowie die ggf. erforderlichen Änderungen der bohrtechnischen Parameter vorgeschlagen bzw. vorgenommen. In dem letztgenannten Aspekt spiegelt sich die Tatsache wieder, daß in dem hier beschriebenen Beispiel die Vorrichtung zur Gewinnung geologischer Information als Vorrichtung zur Steuerung der Bohrung verwendet wird.

Die in der vorstehenden Beschreibung einschließlich der Zeichnungen sowie den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Bohrtrasse

2

Bohrgerät

3

Bohrstrang

4

Bohrmeißel

5

Vorrichtung zur Gewinnung von geologischer Informa­ tion

5

' Übertägiger Teil der Vorrichtung zur Gewinnung von geologischer Information

6

feinkörnige Lage

7

grobkörnige Lage

8

mittelkörnige Lage

9

,

10

,

11

Frequenzband

12

Bohrgestänge

13

Bohrloch

14

Steering Tool

15

Kabelleitung

16

Weiche

17

Bohrspülung

20

Sensor

21

Verstärker

22

Bauteil pP

23

RAM

24

,

25

,

26

Interface

27

Bohrgerät

28

Expertensystem

Claims (20)

1. Verfahren zur Gewinnung von geologischer Information, dadurch gekennzeichnet, daß Information während des Vortriebes einer Bohrung gewonnen wird und verwendet wird, um die Zusammensetzung und/oder die geologische Struktur der durchbohrten und/oder der zu durchbohrenden Schicht(en) zu bestimmen.

2. Verfahren zum Erstellen von Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vortriebes der Bohrung Information hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der geologischen Struktur der durchbohrten und/oder der zu durchbohrenden Schicht(en) gewonnen wird und diese zur Gestaltung des Bohrvorganges verwendet wird.

3. Verfahren zum Identifizieren von Bodenschichten, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vortriebes einer Bohrung Information hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der geologischen Struktur der durchbohrten und/oder der zu durchbohrenden Schicht(en) gewonnen wird und diese Information zum Identifizieren von Bodenschichten verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die (Boden-) Schicht(en) Rohstoffe enthält/enthalten.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Information um akustische Information handelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Information im Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung enthalten ist und/oder das Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung die Information darstellt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Information das Schwingungsverhalten der durchbohrten Schicht(en) und/oder der zu durchbohrenden Schicht(en) ist und/oder darin enthalten ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin mindestens einen der Schritte umfaßt, die darin bestehen, daß
die Information von einem Detektor aufgenommen wird,
die Information von einer Informationsverarbeitungseinrichtung verarbeitet wird,
ein Signal erzeugt wird, das Rückschlüsse hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) zuläßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Erstellen der Bohrung relevanten Parameter auf der Grundlage des Signals für die durchbohrte(n) und/oder zu durchbohrende Schicht(en) eingestellt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Detektor in der Bohrvorrichtung angeordnet ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens der Detektor im Bohrloch befindet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während des Vortriebs der Bohrung der Bohrvorrichtung und/oder dem Boden und/oder der/den durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) ein Signal in Form eines Schwingungsverhalten aufgeprägt wird und/oder ein akustisches Signal in das Bohrloch eingebracht wird, und das besagte Signal infolge der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) modifiziert wird und das solchermaßen modifizierte Signal eine besagte Information darstellt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Information zur Gestaltung des Bohrvorganges und/oder zum Identifizieren bestimmter (Boden-)Schichten verwendet wird.

14. Vorrichtung zur Gewinnung geologischer Information, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens umfaßt:
eine Einrichtung zur Aufnahme von Information hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en), die während einer Bohrung gewonnen wird, und
eine Einrichtung zur Wiedergabe der besagten Information.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Einrichtung umfaßt, die der Bohrvorrichtung und/oder dem Boden und/oder der/den durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) ein Signal in Form eines Schwingungsverhaltens aufprägt und/oder ein akustisches Signal in das Bohrloch einbringt, das infolge der Zusammensetzung und/oder geologischen Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) modifiziert wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Informationsverarbeitungseinrichtung umfaßt, die die aufgenommene Information und/oder das modifizierte Signal verarbeitet und ein verarbeitetes Signal liefert.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Einrichtung umfaßt, die die Information und/oder das modifizierte und/oder verarbeitete Signal als Eingangssignal verwendet für ein Steuerelement, dessen Ausgangssignal der Einstellung der für das Erstellen der Bohrung relevanten Parameter mit Blick auf die Zusammensetzung und/oder geologische Struktur der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) dient.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzunehmende Information und/oder das modifizierte Signal eine akustische Information und/oder das Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung und/oder des Bodens und/oder der durchbohrten und/oder zu durchbohrenden Schicht(en) ist und/oder im Schwingungsverhalten der Bohrvorrichtung und/oder des Bodens und/oder der durchbohrten und/oder der zu durchbohrenden Schicht(en) enthalten ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, und insbesondere die Einrichtung zur Aufnahme von Information oder modifiziertem Signal in der Bohrvorrichtung angeordnet ist.

20. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in den Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.