DE19950040A1 - Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen - Google Patents

Abstract

Es handelt sich um eine Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen mit einem Drehbohrgestänge und einer Bohrstange in einem drehfesten Gehäuse, welches mittels Stellzylinder verstellbare Steuerrippen aufweist. Die Regelung der Stellzylinder erfolgt unter Zwischenschaltung von Stellventilen mittels in dem Gehäuse untergebrachter Neigungsmesser zur Ermittlung von Neigungswerten und Magnetfeldmesser zur Ermittlung von Richtungswerten und eines Regelkreises für Mehrgrößenregelung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Niederbringung verlaufkontrollierter Bohrungen, mit einem antreibbaren Drehbohrgestänge und einem an das Drehbohrgestänge ange­ schlossenen Bohrgerät mit einem in einem drehfesten Gehäuse drehbar gelagerten Bohrstange und einem an die Bohrstange angeschlossenen Bohrwerkzeug, wobei das Gehäuse Steuer­ rippen aufweist, die mittels Stellzylinder verstellbar sind, und in dem Gehäuse Steuerventile für die Steuerung der Stellzylinder, Neigungsmesser zur Ermittlung von Neigungswerten und ggf. ein Generator für die Stromver­ sorgung der elektrisch betätigbaren Steuerventile, Neigungsmesser und dergleichen angeordnet sind.

Es sind derartige Vorrichtungen zum Niederbringen von Bohrungen bekannt, bei denen zur Übertragung der von den Neigungsmessern ermittelten Werte zu einem am Bohrlochmund angeordneten Steuerstand telemetrische Einrichtungen an einer Zielbohrstange und am Steuerstand vorgesehen sind oder ein kombiniertes Meß-Steuerkabel zwischen der Ziel­ bohrstange und dem Steuerstand verlegt ist (vgl. DE 30 00 239). Soweit bei derartigen Vorrichtungen mit lediglich Neigungsmessern gearbeitet wird, läßt sich zwar jede Neigung und folglich Schrägbohrung der Zielbohrstange ermitteln, eine Kontrolle der Richtung und folglich der Lage der Zielbohrstange im Raum fehlt jedoch. Aus diesem Grunde hat man bereits versucht, das Drehbohrgestänge mit Magnetfeldmessern auszurüsten, um die Lage der Zielbohr­ stage im Erdmagnetfeld als Referenz zu ermitteln. Jedoch läßt sich auf diesem Wege die Richtung der Zielbohrstange nicht hinreichend genau erfassen, schon wegen der Biege­ elastizität des Bohrstranges. Das gilt insbesondere unter Berücksichtigung der Tatsache, daß beispielsweise beim Auf­ schluß von Ölfeldern Bohrungen bis zu einer Tiefe von 6000- 8000 Meter niedergebracht werden müssen und unter Berück­ sichtigung einer derartigen Bohrtiefe erhebliche hydro­ statische Drücke von 1200 bar und mehr und Temperaturen von 125° und mehr auftreten, so daß nicht nur Torsions­ schwankungen, sondern auch Längenschwankungen des Bohr­ gestänges in Kauf genommen werden müssen. Das alles führt zwangsläufig zu Verzerrungen der Magnetfeldmessungen und folglich Richtungsmessungen im Verhältnis zu den Neigungs­ messungen der Zielbohrstange. Daraus resultiert ein ungleichmäßiger Bohrlochverlauf, der eine exakte Bohrloch­ verrohrung insbesondere unter Verwirklichung enger Bohr­ löcher nicht zuläßt. - Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen der ein­ gangs beschriebenen Ausführungsform zu schaffen, die einen gleichmäßigen und exakten Bohrlochverlauf gewährleistet, so daß selbst unter Verwirklichung enger Bohrlöcher eine ein­ wandfreie Bohrlochverrohrung möglich ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch, daß in dem Gehäuse außerdem Magnet­ feldmesser zur Ermittlung von Richtungswerten in Abhängig­ keit vom Erdmagnetfeld angeordnet sind, und daß zur Regelung der Stellzylinder über die Steuerventile ein Regelkreis für eine Mehrgrößenregelung vorgesehen ist, welchem die Regelgrößen Neigung und Richtung von den Neigungsmessern und den Magnetfeldmessern zugeführt und in welchem diese Regelgrößen mit der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung verglichen werden, und daß bei Abweichungen die geänderten Ausgangsgrößen des oder der Regler als Stellsignale für die Steuerventile dienen. - Diese Maßnahmen der Erfindung haben zur Folge, daß jede Verzerrung zwischen der Neigungsmessung und Richtungs­ messung für das Bohrgerät vermieden wird, vielmehr die Neigungsmesser und Magnetfeldmesser über einen Regelkreis für Mehrgrößenregelung derart miteinander gekoppelt sind, daß eine einwandfreie Kontrolle und ggf. Veränderung der einprogrammierten Soll-Neigung und Soll-Richtung des Bohr­ gerätes gewährleistet ist, um die Sollwertvorgabe Neigung/Richtung stets einzuhalten. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Magnetfeldmesser sich wie die Neigungsmesser in dem drehfesten Gehäuse des Bohrgerätes befinden, können solche Verzerrungen nicht mehr bei der Ermittlung von Neigungswerten und Richtungswerten auftreten, die sonst auf die Biegeelastizität des Bohrstranges sowie Torsions- und Längenschwankungen zurück­ zuführen sind. Außerdem bestehen das Gehäuse und die darin gelagerte Bohrstange aus nicht magnetisierbarem Stahl bzw. aus austenitischem Stahl, so daß auch insoweit jeder negative Beeinflussung oder Störung der Magnetfeldmessung ausgeschlossen ist. Es genügt beispielsweise eine Magnet­ feldmessung in drei Raumrichtungen, um auf diesem Wege die exakte Lage des Gehäuses und folglich des Bohrgerätes im Erdmagnetfeld als Referenz eindeutig zu ermitteln. Das gelingt hinsichtlich der Neigung des Bohrgerätes mit Hilfe der Neigungsmesser, die wie die Magnetfeldmesser als Sensoren ausgebildet sind. Die von den Neigungsmessern und Magnetfeldmessern ermittelten Regelgrößen werden dem Regel­ kreis zugeführt und mit der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung verglichen. Soweit Abweichungen ermittelt werden, finden die geänderten Ausgangsgrößen des oder der Regler als Stellsignale für die Steuerventile Verwendung mit deren Hilfe folglich die Stellzylinder und dadurch die Steuerkufen zur Einhaltung der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung verstellt werden. Auf diese Weise lassen sich gleichmäßige und exakte Bohrlöcher ohne Richtungs­ schwankungen herstellen, so daß selbst enge Bohrlöcher ein­ wandfrei verrohrt werden können. - Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, auch weitere Regelgrößen wie z. B. Temperatur, geologische Parameter oder dergleichen zu berücksichtigen, weil der Regelkreis für Mehrgrößenregelung eingerichtet ist. Im übrigen ist in dem Gehäuse ein mit dem Magnetfeldsensoren gekoppeltes Kompensationsmodul ange­ ordnet. Das Kompensationsmodul dient zum Kompensieren von das Erdmagnetfeld beeinflussenden Faktoren wie z. B. durch eine eigene Magnetfelder erzeugende Geräte, bei denen es sich um den Generator und die Steuerventile handeln kann.

Nach einem Vorschlag der Erfindung mit selbständiger Bedeutung ist vorgesehen, daß in dem Gehäuse ein erster Datensender und ein erster Datenempfänger angeordnet sind, und das zu einer bereits vorhandenen Bohrung eine Parallel­ bohrung niedergebracht wird, wobei in der vorhandenen Bohrung ein Vortriebsgestänge mit einem zweiten Datensender und einem zweiten Datenempfänger geführt ist. Danach läßt sich folglich eine vorlaufkontrollierte Bohrung nieder­ bringen, die gleichsam von einer bereits existierenden Bohrung aus kontrolliert wird, weil ein ständiger Informationsaustausch zwischen dem ersten Datensender in der niederzubringenden Bohrung und dem zweiten Daten­ empfänger in der bereits vorhandenen Bohrung stattfindet. Das gilt in gleicher Weise für den Datensender in der bereits existierenden Bohrung und dem zugeordneten Daten­ empfänger in der niederzubringenden Parallelbohrung. Inso­ weit sorgt der gegenseitige Datenaustausch für einen exakten Bohrlochverlauf bei der niederzubringenden Bohrung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus den Gegenstand nach Fig. 1 im Bereich des Bohrgerätes,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt AA durch den Gegenstand nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Regelkreis für Zweigrößenregelung in schematischer Darstellung und

Fig. 5 das Niederbringen einer Bohrung anhand einer bereits vorhandenen Bohrung.

In den Figuren ist eine Vorrichtung zum Niederbringen ver­ laufkontrollierter Bohrungen dargestellt, die zum Aufschluß von Grubenfeldern, Ölfeldern oder dergleichen dient. Diese Vorrichtung weist in ihrem grundsätzlichen Aufbau ein vom Bohrlochmund aus antreibbares Drehbohrgestänge 1 mit einem an das Drehbohrgestänge 1 angeschlossenen Bohrgerät 2 auf. Das Bohrgerät 2 besitzt ein drehfestes Gehäuse 3 und eine in dem drehfesten Gehäuse 3 drehbar gelagerte Bohrstange 4. An diese Bohrstange 4 ist ein Bohrwerkzeug 5, z. B. Bohr­ meißel angeschlossen. Das Drehbohrgestänge 1 und die Bohr­ stange 4 besitzen ferner einen Spülkanal 6. Das Gehäuse 3, welches aus unmagnetischem Stahl besteht, weist auf seiner Außenseite in Bohrrichtung verlaufende Steuerrippen 7 auf, die mittels Stellzylinder 8 verstellbar sind. In dem Gehäuse sind Steuerventile 9 für die Steuerung der Stell­ zylinder 8 angeordnet. Ferner befinden sich in dem Gehäuse 3 Neigungsmesser 10 zur Ermittlung von Neigungswerten für das Bohrgerät 2. Außerdem ist ein Generator 11 für die Stromversorgung der elektrisch betätigbaren Steuerventile 9, Neigungsmesser 10 und weiterer elektrisch betätigbarer Aggregate vorgesehen.

In dem Gehäuse 3 befinden sich außerdem Magnetfeldmesser 12 zur Ermittlung von Richtungswerten im Raum für das Bohr­ gerät 2, und zwar in Abhängigkeit vom Erdmagnetfeld. Zur Regelung der Stellzylinder 8 über die Steuerventile 9 ist ein Regelkreis 13 für eine Mehrgrößenregelung vorgesehen, welchen die Regelgrößen Neigung und Richtung von den Neigungsmessern 10 und den Magnetfeldmessern 12 zugeführt werden und in welchem diese Regelgrößen mit der Sollwert­ vorgabe Neigung/Richtung verglichen werden. Bei Abweichungen dienen die geänderten Ausgangsgrößen der Regler R1, R2 als Stellsignale für die Steuerventile 9. Die Neigungsmesser 10 sind als Neigungssensoren und die Magnet­ feldmesser 12 als Magnetfeldsensoren ausgebildet.

Der Regelkreis 13 für Mehrgrößenregelung ist zur Ver­ arbeitung von weiteten Regelgrößen wie z. B. Temperatur, geologische Parameter oder dergleichen eingerichtet. Nach dem Ausführungsbeispiel handelt es sich jedoch um eine Zweigrößenregelung. Danach werden die Ist-Werte X1, X2 für Neigung und Richtung gemessen und die Ist-Werte X1 für die Neigung dem Regler R1 zugeführt, die Ist-Werte X2 für die Richtung dem Regler R2 zugeführt. Der Regler R1 ist an einen Sollwertgeber S1 angeschlossen, von dem er die Soll­ werte Neigung W1 erhält. Der Regler R2 ist an einen Soll­ wertgeber S2 angeschlossen, von dem er die Sollwerte Richtung W2 erhält. Die Stellgrößen Y1 und Y2 werden einem Kompensationsmodul 14 zugeführt, von dem aus Stellsignale Z an die Steuerventile 9 für die Stellzylinder 8 abgegeben werden.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung wird praktisch mit zwei Vorrichtungen zum Niederbringen einer verlauf­ kontrollierten Bohrung gearbeitet. In dem einen Fall handelt es sich um das vorbehandelte Drehbohrgestänge 1 mit dem Bohrgerät 2, im anderen Fall wird von einem am Bohr­ lochmund angeordneten Steuerstand 15 aus ein Vortriebs­ gestänge in einer bereits vorhandenen Bohrung 16 nieder­ gebracht. Um zu der bereits vorhandenen Bohrung 16 die ver­ laufkontrollierte Bohrung als Parallelbohrung 17 zu erzeugen, ist das Vortriebsgestänge mit einem Datensender 18 und einem Datenempfänger 19 ausgerüstet, während in dem Gehäuse 3 des Bohrgerätes 2 ein Datensender 20 und ein Datenempfänger 21 angeordnet sind. Zwischen den Daten­ sendern 18, 20 und den Datenempfängern 19, 21 erfolgt ein ständiger Datenaustausch in der Weise, daß eine verlauf­ gerechte Parallelbohrung 17 zu der schon vorhandenen Bohrung 16 niedergebracht werden kann. Selbstverständlich befinden sich dazu die Datensender 18, 20 und die Daten­ empfänger 19, 21 ständig auf nahezu gleicher Bohrhöhe.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen, mit einem antreibbaren Drehbohrgestänge und einer an das Drehbohrgestänge angeschlossenen Bohrgerät mit einem in einem drehfesten Gehäuse drehbar gelagerten Bohr­ stange und einem an die Bohrstange angeschlossenen Bohr­ werkzeug, wobei das Gehäuse Steuerrippen aufweist, die mittels Stellzylinder verstellbar sind, und in dem Gehäuse Steuerventile für die Steuerung der Stellzylinder, Neigungsmesser zur Ermittlung von Neigungswerten und ggf. ein Generator für die Stromversorgung der elektrisch betätigbaren Steuerventile und Neigungsmesser angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (3) Magnetfeldmesser (12) zur Ermittlung von Richtungs­ werten in Abhängigkeit vom Erdmagnetfeld angeordnet sind und daß zur Regelung der Stellzylinder (8) über die Steuer­ ventile (9) ein Regelkreis (13) für eine Mehrgrößenregelung vorgesehen ist, welchem die Regelgrößen Neigung und Richtung von den Neigungsmessern (10) und den Magnetfeld­ messern (12) zugeführt und in welchen diese Regelgrößen mit der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung vergleichen werden, und daß bei Abweichungen die geänderten Ausgangsgrößen des oder der Regler als Stellsignale für die Steuerventile (9) dienen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungsmesser (10) als Neigungssensoren und die Magnetfeldmesser (12) als Magnetfeldsensoren ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Regelkreis (13) für Mehrgrößenregelung zur Verarbeitung von weiteren. Regelgrößen wie z. B. Temperatur, geologische Parameter oder dergleichen ein­ gerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (3) ein mit den Magnet­ feldmessern (12) gekoppeltes Kompensationsmodul (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (3) ein erster Daten­ sender (20) und ein erster Datenempfänger (21) angeordnet sind, und das zu einer bereits vorhandenen Bohrung (16) eine Parallelbohrung (17) niederbringbar ist, wobei in der vorhandenen Bohrung (16) ein Vortriebsgestänge mit einem zweiten Datensender (18) und einem zweiten Datenempfänger (19) auf der Bohrhöhe von Datensender (20) und Daten­ empfänger (21) geführt ist.