DE19950340A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs - Google Patents

Abstract

Es soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs, z. B. zum Vermessen eines Bohrlochs oder zum Bestimmen der Position eines Bohrers in einem Bohrloch, geschaffen werden, mit dem ein Bohrloch möglichst einfach und mit möglichst großer Genauigkeit vermessen werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs, wobei mit Hilfe einer mindestens ein Gyroskop und Beschleunigungssensoren aufweisenden Meßeinheit die jeweilige Position bestimmt wird, wobei die Meßeinheit in einem erdfesten Bezugsystem etwa gegengleich um die Bohrstrang- beziehungsweise Werkzeugachse, die Rotation des Bohrstrangs etwa kompensierend, angetrieben wird. DOLLAR A Vorrichtungsseitig wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs, mit einer in einem rotierenden Bohrstrang drehbar gelagerten Meßeinheit und einer die Meßeinheit um die Bohrstrangachse drehend antreibenden Antriebseinheit, wobei die Meßeinheit mindestens ein Gyroskop und mehrere Beschleunigungssensoren aufweist, mit welchen die Position der Meßeinheit in dem Bohrloch bestimmbar ist und die Rotationsrichtung des Bohrstrangs entgegen der Drehantriebsrichtung der Meßeinheit gerichtet ist und der Rotationsbetrag des Bohrstrangs relativ zur Erde etwa dem Drehbetrag der Meßeinheit relativ zum Bohrstrang entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs: Solche Meßtechnik wird z. B. zum Ausrichten und Steuern ei­ ner Tiefenbohrung während des Bohrvorgangs benutzt, insbesondere unter Verwendung von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern. Dabei können eine Reihe von Bohr­ techniken angewendet werden, einschließlich Drehbohren, sogenanntes rotary drilling, und motorgetriebenes Bohren, sogenanntes motor drilling.

Zum Fördern von Öl und Gas aus der Erde werden Bohrlöcher mit Hilfe eines rotieren­ den Bohrers gebohrt, welcher an dem Ende eines Bohrgestänges vorgesehen ist. Der Verlauf des Bohrlochs muß präzise gesteuert werden, um das gewünschte Zielgebiet zu erreichen, ein unterirdisches Reservoir. Gleichzeitig muß sichergestellt werden, daß das neue Bohrloch in ausreichendem Abstand zu schon existierenden Bohrlöchern des glei­ chen Ölfeldes verläuft. Hierzu ist es notwendig, den Verlauf des Bohrloches möglichst schon beim Vorantreiben des Bohrloches zu überwachen. Dies kann mit zahlreichen Mitteln erreicht werden, z. B. mit Richtungsmessungen des Erdmagnet- und Schwerefel­ des, wobei mit Hilfe von Magnet- und Beschleunigungssensoren die Neigung, der Azi­ mutwinkel des Bohrlochs und der Rollwinkel gemessen werden. Alternativ können Gyro­ skope zum Messen der Erddrehrate verwendet werden, woraus die Richtung des Bohr­ lochs bestimmt werden kann. Die Richtungsmessungen in Kombination mit Informatio­ nen über die Bohrtiefe, welche z. B. über einen Tiefenzähler erlangt werden können, wer­ den zum kontinuierlichen Bestimmen des Verlaufs des Bohrlochs während des Bohrens verwendet.

In der US 4,812,977 ist ein System beschrieben, welches eine sogenannte strapdown- Technologie verwendet. Die entsprechende Vorrichtung weist Gyroskope und Be­ schleunigungsmesser als Teil eines sogenannten Trägheitsnavigationssystems auf. Damit können Messungen der Ausrichtung und/oder Position des Trägheitssystems er­ langt werden. Die erhaltenen Daten definieren den Neigungswinkel und den Azimutwin­ kel des Bohrlochs bezüglich einem erdfesten Koordinatensystem und/oder die Koordina­ tenposition der Vorrichtung innerhalb des Bohrloches bezüglich eines bestimmten Refe­ renzsystems; dies wird üblicherweise als Nord-, Ost- und Vertikalposition angegeben, oder in Polarkoordinaten als geographische Breite, Breitenabweichung und Tiefe.

In der US 4,071,959, US 4,756,088 und US 4,909,336 sind Meßsysteme beschrieben, bei denen Gyroskope und Beschleunigungssensoren an einer sogenannten Plattform vorgesehen sind. Dabei wird die Plattform so gedreht, daß eine Kreiselmeßachse in ei­ ner besonderen Richtung bezüglich einem erdfixen System ausgerichtet werden, in wel­ chem die Koordinaten des Bohrlochs bestimmt werden. In der Praxis hat sich herausge­ stellt, daß die Genauigkeit dieses Verfahrens relativ begrenzt ist, insbesondere während des Bohrvorgangs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs zu schaffen, mit der ein Bohrloch möglichst ein­ fach aber mit möglichst großer Genauigkeit vermessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mit Hilfe des Antriebs der Meßeinheit etwa gegengleich zu dem Bohrstrang wird die Ro­ tation des Bohrstrangs etwa kompensiert, so daß die Meßeinheit relativ zur Erde etwa stillsteht. Die Meßeinheit und das Gyroskop bzw. die Beschleunigungssensoren sind re­ lativ unabhängig von der schnellen Rotation des Bohrstrangs. Die erhaltenen Meßwerte sind relativ unbeeinflußt von dem Bohrstrang. Damit erreicht man eine sehr hohe Genau­ igkeit.

Das Gyroskop ist durch die Ausgleichsbewegung der Meßeinheit von dem Bohrstrang entkoppelt und wird entsprechend unabhängig betrieben. Dies ermöglicht eine sehr hohe Meßgenauigkeit der Werte bezüglich dem erdfesten System bei Bewegungen der Meßeinheit entlang des Bohrlochs. Während z. B. in der US 4,812,977 das Gyroskop in der Regel benutzt wird, um die Meßeinheit selbst gegenüber Steuerdrehungen des Bohrstrangs auszugleichen, wird erfindungsgemäß das Gyroskop entkoppelt von der Steuerung der Ausgleichsbewegung der Meßeinheit gegenüber dem Bohrstrang betrie­ ben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere bei schnell rotierenden Bohrern angewendet werden. So hat man z. B. auch bei Drehraten von 300 Umdrehungen pro Minute noch eine sehr hohe Meßgenauigkeit. Dabei werden die von dem Gyroskop er­ faßten Werte entkoppelt von der Steuerung der Ausgleichsbewegung der Meßeinheit abgenommen und haben eine sehr hohe Genauigkeit.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen genannt.

Vorrichtungsseitig wird die obengenannte Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen genannt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachste­ hend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen schematischen Längsschnitt durch ein Bohrloch mit einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, welche in einen konventionellen geraden Bohrstrang eingeführt ist,

Fig. 1b einen schematischen Längsschnitt durch ein Bohrloch mit einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, welche in einen Bohrstrang für winkelgerich­ tetes Bohren eingeführt ist,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Meßeinheit mit prinzipiel­ ler Darstellung der Elemente der Plattform,

Fig. 3 einen detaillierten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung, und

Fig. 5 eine schematische Ansicht der Anordnung der Gyroskopmeßachsen für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das zugehörige Verfahren.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Bohrloch 1 in der Erde 2 dargestellt, in welches ein Bohrgestänge 3 eingeführt ist. Im Bereich der Oberfläche 4 ist eine Bohrvorrichtung 5 dargestellt, welche einen in das Bohrloch 1 hineinragenden Bohrstrang steuert und an­ treibt. Die Bohrvorrichtung 5 ist mit einer Steuereinheit 7 versehen, welche z. B. in Form eines Computer mit einem Mikroprozessor ausgebildet sein kann und mit einer Einga­ beeinrichtung versehen sein kann.

Der Bohrstrang 6 erstreckt sich längs einer Bohrstrangachse 8. Das Ende des Bohrstrangs 6, die Bohrspitze 9, weist an ihrem Ende einen Bohrer 10 auf. Die Bohrstrangachse 8 rotiert in Richtung zur Bohrspitze hin gesehen im Uhrzeigersinn, was durch die Bohrdrehrichtung 11 dargestellt ist.

Nahe der Bohrerspitze 9 ist in dem Bohrstrang 6 koaxial zu der Bohrstrangachse 8 eine Meßeinheit 12 angeordnet. Die Meßeinheit 12 ist in dem Bohrstrang 6 in einem zylindri­ schen Gehäuse 13 angeordnet, in einem Grundbohrlochaufbau, wobei das Gehäuse mit Hilfe von Stegen 14 an der Wand des Bohrstrangs 6 gehalten wird.

Die Meßeinheit 12 ist drehbar in dem Gehäuse 13 gelagert und wird in Längsrichtung des Bohrstrangs 6 zur Bohrspitze 9 hin gesehen entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, entgegen der Bohrdrehrichtung 11, was durch die Meßeinheitdrehrichtung 15 dargestellt ist.

Die Meßeinheit 12 ist über Leitungen mit der Steuereinheit 7 bzw. dem Bohrgestänge 3 verbunden.

Mit der in Fig. 1a dargestellten Anordnung ist ein sogenanntes drehbetriebenes Bohren möglich. Dabei wird der Bohrstrang 6 üblicherweise mit bis zu etwa 300 Umdrehungen pro Minute gedreht und treibt das Bohrloch voran.

In Fig. 1b ist eine Anordnung für ein sogenanntes motorbetriebenes Bohren dargestellt. In Abweichung von Fig. 1a ist die Bohrspitze 9 abgewinkelt zu dem übrigen Bohrstrang 6. In der abgewinkelten Bohrspitze ist ein sogenannter Schlammotor 57 vorgesehen, welcher die Bohrer 10 antreibt. Der Schlammotor 57 wird ähnlich wie eine Turbine ange­ trieben, in dem Flüssigkeit innerhalb des Bohrstrangs bis zur Bohrspitze fließt und den Motor antreibt. Danach tritt die Flüssigkeit an der Bohrspitze 9 aus und fließt in dem Leerraum in dem Bohrloch 1 außerhalb des Bohrstrangs 6 zurück zur Oberfläche 4.

Mit dieser Anordnung kann in verschiedene Richtungen gebohrt werden. Hierfür wird üblicherweise ein Winkelmotor verwendet, der die Bohranordnung in die von der Meßeinheit 12 gewünschten Richtung ausrichtet. Der Grad der Abwinklung des Bohrlo­ ches kann durch Steuern des Bohrgestänges 3 in dem zuvor genannten drehbetriebe­ nen Modus gesteuert werden, um den gewünschten Verlauf des Bohrloches zu erhalten. Während dieses Verfahrens kann der Bohrstrang 6 bzw. die Anordnung an der Bohrer­ spitze in einem Bereich von 0 bis 150 Umdrehungen pro Minute drehend angetrieben werden.

Es ist auch eine Kombination des drehbetriebenen Bohrens und des motorgetriebenen Bohrens gemäß den Fig. 1a und 1b möglich.

In Fig. 2 ist prinziphaft ein Längsschnitt durch die Meßeinheit 12 dargestellt. Die Meßeinheit 12 befindet sich in einem zylindrischen Druckgehäuse 16, welches koaxial zu der Bohrstrangachse 8 angeordnet ist. Die Meßeinheit 12 weist fünf Trägheitssensoren auf, nämlich drei Beschleunigungssenoren 17 und zwei Gyroskope 18. Die Beschleuni­ gungssensoren 17 sind in kartesischen Koordinaten jeweils in X-, Y- und Z-Richtung aus­ gerichtet, wobei die Bohrstrangachse 8 eine dieser Richtungen darstellt. Durch zweimali­ ge nachfolgende Integration der von den Beschleunigungssensoren gemessenen Werte über die Zeit können die Geschwindigkeit und die Position in der jeweiligen Meßrichtung ermittelt werden.

An Stelle der Beschleunigungssensoren können jegliche Translationsbewegungssenso­ ren verwendet werden, welche lineare Bewegungen erfassen können.

Die Gyroskope 18 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als mechanische Krei­ sel dargestellt, deren Kreiselachsen 19 in einem rechten Winkel zu der Bohrstrangachse 8 angeordnet sind. Sie rotieren um die Kreiselachsen 19 und können Winkelbewegun­ gen in jeweils zwei senkrecht zu der Kreiselachse 19 stehenden Kreiselmeßachsen 20 messen. Die beiden Kreiselmeßachsen 20 stehen senkrecht zueinander.

In alternativen Ausführungsformen können die mit zwei Kreiselmeßachsen 20 versehe­ nen mechanischen Kreisel auch durch drei Gyroskope mit jeweils nur einer Meßachse ersetzt werden. In diesem Fall ist jede Meßachse in eine der Achsen X, Y oder Z eines kartesischen Koordinatensystems ausgerichtet. Alternativ zu mechanischen Sensoren können auch Coriolis-Vibrationsgyroskope, wie z. B. halbsphärische Resonanzgyrosko­ pe, oder optische Gyroskope, wie Ringlasergyroskope oder faseroptische Gyroskope, verwendet werden.

Die Trägheitssensoren sind auf einer etwa zylindrisch ausgebildeten Plattform 21 ange­ ordnet, welche von einer Antriebseinheit 22 in Form eines Motors um ihre Längsachse, das heißt um die Bohrstrangachse 8, drehend angetrieben werden kann. Ferner ist an der Plattform 21 ein Winkelaufnehmer 23 vorgesehen, ein sogenannter Resolver, wel­ cher die Winkeldrehung der Meßeinheit 12 bzw. der Plattform 21 gegenüber dem Druck­ gehäuse 16 mißt.

Bei Anordnung der Meßeinheit 12 in dem Bohrstrang 6 ist das Druckgehäuse 16 mit dem Bohrstrang starr verbunden, während die Meßeinheit 12 darin um die Bohrstrangachse 8 drehbar gelagert ist. Aus Darstellungsgründen sind die Gyroskope 18 in Fig. 2 mit ih­ ren Kreiselachsen senkrecht zu der Bohrstrangachse 8 angeordnet. Die Kreiselachsen 19 können auch in einem von 90° verschiedenen Winkel zur Bohrstrangachse 8 ange­ ordnet sein.

In Fig. 3 ist eine detailliertere Darstellung einer in einem Druckgehäuse 16 angeordne­ ten Meßeinheit 12 im Längsschnitt gezeigt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente, so daß diesbezüglich auf die vorherigen Ausführungen verwiesen werden kann, sofern im folgenden nichts davon abweichendes erläutert wird.

Bei einem der Gyroskope 18 sind die Kreiselmeßachsen 20 in einem Winkel 24 von etwa 45° zur Bohrstrangachse 6 darstellt angeordnet. Die Kreiselachse 19 steht in diesem Fall senkrecht zur Bohrstrangachse und den Kreiselmeßachsen 20.

Die Plattform 21 der Meßeinheit 12 ist jeweils an Wellenenden 25, 33 über vorgespannte Kugellager 26 in einem Halteflansch drehbar gelagert. An dem zur Bohrerspitze gerichte­ ten Wellenende 25 ist der Winkelaufnehmer 23 koaxial zu dem Wellenende 25 ange­ ordnet. An dem Wellenende 25 ist eine Schleifringanordnung 28 vorgesehen, welche elektrische Leitungen der in dem Bohrstrang rotierenden Plattform 21 von der Rotation entkoppelt und in einen mit dem Bohrstrang 6 rotierenden Leitungsstrang 29 zu einer Steckverbindung 30 führt, welche an einem Stützflansch 31 angebracht ist. Der Hal­ teflansch 27 ist in dem Stützflansch 31 über einen Stoßdämpfer 32 drehfest gelagert. Der Stützflansch 31 stützt sich drehfest an dem Druckgehäuse 16 ab.

An der dem Stecker 30 zugewandten Seite kann in dem Druckgehäuse wahlweise eine zusätzliche Elektronikeinheit angeordnet sein.

Das zur Oberfläche 4 gerichtete Wellenende 33 ist über ein vorgespanntes Kugellager 34 in einem Halteflansch 35 drehbar gelagert. Zwischen dem Halteflansch 35 und dem Wellenende 33 ist die Antriebseinheit 22 in Form eines Motors angeordnet. Das Welle­ nende 33 weist eine Schleifringanordnung 36 auf, mit welchem die von den Trägheits­ sensoren abgeleiteten Daten zu nicht dargestellten, mit dem Bohrstrang rotierenden Leitungen geführt werden, welche die Meßeinheit mit der Steuereinheit 7 verbinden. Der Halteflansch 35 ist über Stoßdämpfer 37 drehbar an einem Stützflansch 38 gelagert, welcher wiederum drehfest in dem Druckgehäuse 16 gehalten ist.

Mit Hilfe der Stoßdämpfer 32, 37 werden Stöße und Vibrationen unterdrückt, welche während des Bohrens von außen auf das Bohrgestänge 3 einwirken. Damit werden die Trägheitssensoren der Meßeinrichtung geschützt.

Zwischen den Stützflanschen 31, 38 ist koaxial zylindrisch um die Meßeinheit 12 eine magnetische Abschirmung 39 vorgesehen, welche drehfest mit dem Druckgehäuse 16 verbunden ist.

Die Enden des Druckgehäuses können mit Hilfe von Deckeln dicht verschlossen wer­ den.

In Fig. 4 ist schematisch ein Blockschaltbild dargestellt, aus dem die erfindungsgemäße Betriebsweise ersichtlich ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente, so daß diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.

Die Gyroskope 18 sind als mechanische Kreisel ausgeführt, so daß von jedem Kreisel mit zwei Kreiselmeßachsen zwei Signale an eine Meßsteuereinrichtung 40 gegeben wird. Diese Signale entsprechen jeweils der Drehung um die zugehörige Kreiselmeßachse. Die Meßsteuereinrichtung 40 ist als sogenannter Fesselkreis für die Kreisel ausgebildet, so daß die jeweiligen Kreiselachsen 19 in ihrer Ausrichtung im Raum gefesselt werden. Dies entspricht einer Rückkoppelung, bei der die von den Kreiseln gemessenen Werte über entsprechende elektrische Verbindungen zu einem passenden Drehmotor des Kreisels gesendet werden, so daß der Kreiselrotor dieselbe Präzession erfährt wie das Kreiselgehäuse, um den Rotor in Nullposition oder in sogenannter Fesselposition zu halten. Dabei kann der an den jeweiligen rückstellenden Drehmotor gelieferte Strom als Maß für die Drehrate des Gyroskops um seine Kreiselmeßachse genutzt werden. In Fig. 4 ist entsprechend dargestellt, daß von der Meßsteuereinrichtung 40 Rückstellsigna­ le 41 an die Gyroskope 18 gesendet werden, so daß die Kreiselachsen 19 ihre Ausrich­ tung im Raum beibehalten. Diese Meßsteuereinrichtung funktioniert unabhängig von einer Ansteuerung der Antriebseinheit 22.

Von den Translationsbewegungssensoren 17 wird jeweils ein Signal in der jeweiligen Meßrichtung, X, Y und Z in kartesischen Koordinaten, an einen Analog-Digital-Wand­ ler 42 geliefert. Ebenso wird von der Meßsteuereinrichtung 40 das Signal der gemesse­ nen gewollten Umdrehung um die Kreiselmeßachse 20 an den Wandler 42 gegeben, welcher die analogen Signale in digitale Signale wandelt.

Von dem Wandler 42 werden die von den Translationssensoren 17 stammenden Daten einer Fehlerkorrektureinheit 43 zugeführt. Die Fehlerkorrektureinheit 43 kompensiert Fehler der Daten, welche von Systemfehlern der Messungen, Skalierungsfehlern und Temperatureinflüssen der Vorrichtung resultieren. Dies alles kompensiert Einflüsse, die daher stammen, daß die Beschleunigungssensoren mit ihren Meßachsen nicht präzise in einem Winkel von 90° zueinander an der Plattform angebracht sind.

Die digitalisierten Signale, welche von den Gyroskopen 18 in Zusammenwirkung mit der Meßsteuereinrichtung 40 erhalten werden, werden ebenfalls einer entsprechenden Feh­ lerkorrektureinheit 44 zugeführt. In ihr werden entsprechende Korrekturen der Meßfehler der Gyroskope kompensiert, einschließlich Temperaturfehler und Ausrichtungsfehler bei der Anbringung der Gyroskope in der Plattform.

Von der Fehlerkorrektureinheit 44 werden die Signale einer Transformationseinheit 45 zugeführt, welche die Signale in die Drehanteile eines fest mit der Plattform verbundenes kartesischen Koordinatensystem transformiert, wobei eine der Koordinaten in Richtung der Bohrstrangachse 8 zeigt.

Entsprechend werden die Signale der Translationssensoren 17 von der Fehlerkorrek­ tureinheit 43 zu einer Transformationseinheit 46 geliefert, welche die gemessenen Translationen in ihre Anteile in Richtung des mit der Plattform fest verbundenen katesi­ schen verbundenen Koordinatensystems umrechnet, wobei eine der Achsen in Richtung der Bohrstrangachse 8 zeigt.

Die von den Transformationseinheiten 45, 46 produzierten Signale, drei Translations­ signale in X-, Y- und Z-Richtung und drei Drehanteile um die X-, Y- und Z-Achse, bezogen auf ein plattformfestes Koordinatensystem, werden einer Koordinatentransformations­ einheit 47 zugeführt, welche diese Daten mit sogenannten Strapdown-System- Gleichungen in Positionswerte bezüglich einem erdfesten Koordinatensystem transfor­ miert. Damit sind z. B. Azimut-, Nick- und Rollwinkel der Meßeinheit 12 zu ermitteln, so daß die präzise Position der Meßeinheit in dem Bohrloch und damit der Verlauf des Bohrlochs ermittelt werden kann. Die so erhaltenen Signale 48 können einer z. B. mit der Steuereinheit 7 ausgebildeten Ausgabeeinheit zugeführt werden. Darum kann in Kombi­ nation mit der Tiefe des Bohrlochs die genaue Position der Meßeinheit in dem Bohrloch bezüglich einem erdfesten System ermittelt werden.

Von der Transformationseinheit 45 wird ein Signal abgezweigt, welches den Drehanteil 49 in Richtung der Bohrstrangachse 8, bezogen auf plattformfeste Koordinaten, darstellt. Dieser Drehanteil 49 kann über einen Schalter 50 einem Plattform-Servoeinheit 51 zuge­ führt werden und von dieser als Steuersignal an die Antriebseinheit 22 gegeben werden.

Der Winkelaufnehmer 23 mißt die Winkeldrehung der Meßeinheit 12 relativ zu dem sich drehenden Bohrstrang 6 und liefert dieses Signal an einen Digitalwandler 52, von dem die Signale über den Schalter 50 an die Plattform-Servoeinheit 51 weitergeben werden können. Ferner wird dies Signal an einen Summierer 53 weitergegeben.

Über den Schalter 50 kann wahlweise der Drehanteil 49 oder die von dem Winkelauf­ nehmer gegenüber dem Bohrstrang ermittelte Winkeldrehung an die Plattform- Servoeinheit 51 gegeben werden und dementsprechend wunschgemäß die Antriebsein­ heit 22 gegengleich angesteuert werden.

Separat dazu kann von der Steuereinheit 7 wahlweise ein Sollwert 54 an die Servoein­ heit 51 gegeben werden, so daß die Antriebseinheit 22 entsprechend angesteuert wird und sich die Plattform entsprechend dem gewünschten Sollwert mit einer bestimmten Drehrate relativ zur Erde dreht.

Der Summierer 53 erhält auch ein Signal 55 von der Koordinatentransformationseinheit 47, welches den Rollwinkel der Meßeinheit in erdfesten Koordinaten darstellt. Der Sum­ mierer verarbeitet die Signale und das von dem Winkelaufnehmer 23 erhaltene digitale Signal. Daraus kann die Winkelausrichtung des Bohrstrangs 6 um die Bohrstrangachse 8 ermittelt werden, der sogenannte toolface-Winkel. Dies kann an einer Ausgabeeinheit bzw. der Steuereinheit 7 angezeigt werden.

In Fig. 5 ist schematisch ein bei der Erfindung verwendbarer mechanischer Kreisel 18 im Verhältnis zur Bohrstrangachse 8 dargestellt. Die Kreiselachse 19 steht senkrecht zur Zeichenebene und senkrecht zur Bohrstrangachse 8, während die Kreiselmeßachsen 20 in der Zeichenebene in einem Winkel 24 von etwa 45° zur Bohrstrangachse 6 angeord­ net sind und zueinander in einem Winkel von 90° zueinander stehen.

In Richtung jeder der Kreiselmeßachsen 20 sind Spulen 56 angeordnet, welche Teil der Meßsteuereinrichtung 40 sind und in einen Fesselkreis für den Kreisel integriert sind. Wenn die Kreiselachse 19 eine Auslenkung erfährt, so wird über die Spulen 56 diese Auslenkung sofort wieder zurückgestellt bzw. kompensiert. Dabei dient die zum Rückstel­ en mit Hilfe der Spulen 56 aufgewendete Energie als Maß für die Ablenkung der Kreise­ lachse 19.

Da die Kreiselmeßachsen 20 mit den zugehörigen Spulen 56 in einem Winkel von 45° zu der Bohrstrangachse 8 angeordnet sind, muß jede Spule 56 nur einen entsprechenden Anteil zum Rückstellen der Kreiselachse 19 aufwenden, so daß auch der Energieanteil für die Spule entsprechend geringer ist. Dies reduziert die Hitzeentwicklung der Spule und führt zu einer höheren Meßgenauigkeit.

Im folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit zugehöriger Vorrichtung näher erläutert.

Bei der Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung wird die Meßeinheit 12 in dem Bohrstrang 6 angeordnet, möglichst nahe der Bohrspitze 9. Der Bohrstrang wird zum Vorrantreiben des Bohrlochs mit Hilfe der Bohrer 10 schnell gedreht. Dies können bei drehgetriebenem Bohren Umdrehungen im Bereich von 300 Umdrehungen pro Minute gegenüber der Erde sein. Unter diesen Bedingungen wird jegliche Rotation der Plattform aufgrund der Reibung in den Lagern, welche die Plattform in dem Bohrstrang halten, von den Gyroskopen aufgenommen und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches an die Antriebseinheit 22 weitergeleitet wird. Die Meßeinheit 12 wird relativ zum Bohrstrang 6 derart von der Antriebseinheit 22 angetrieben, daß sie bezogen auf die Erde etwa still­ steht. Demzufolge ist die Bohrdrehrichtung 11 des Bohrstrangs 6 relativ zu Ende entge­ gen der Drehantriebsrichtung 15 der Meßeinheit relativ zum Bohrstrang 6 gerichtet und die Drehbeträge entsprechen sich etwa.

Das Gyroskop wird entkoppelt von der Ausgleichsbewegung der Meßeinheit gegenüber dem Bohrstrang betrieben. Es wird nicht über die Antriebseinheit 22 im Raum ausgerich­ tet, sondern der Kreisel wird über die separate Meßsteuereinrichtung betrieben und sei­ ne Achse 19 im Raum entsprechend ausgerichtet. Der Kreisel wird also entgegen seiner erfahrenen Auslenkung zurückgestellt. Dabei wird die zum rückstellenden Fesseln not­ wendige Energie als Maß der Winkeldrehung verarbeitet.

Die Kreiselmeßachsen 20 können in einem Winkel von 45° gegenüber der Bohrstrangachse 8 angeordnet sein, so daß jede rückstellende Spule 56 nur einen Teil der Auslenkung um die Bohrstrangachse aufnimmt und rückstellt. Demzufolge wird nur relativ wenig Wärme von den Spulen 56 entwickelt, was zu einer höheren Meßgenauig­ keit führt.

Die von dem Gyroskop gemessene Winkeldrehung wird in ihren Drehanteil in Richtung der Bohrstrangachse 8 transformiert und dieser Drehanteil über die Plattform- Servoeinheit 51 zum Steuern des kompensierenden Drehantriebs der Meßeinheit 12 benutzt. Damit kann die Antriebseinheit 22 fein gesteuert werden.

Mit Hilfe von sogenannten Strapdown-Systemgleichungen können die im körperfesten Koordinatensystem der Meßeinheit 12 ermittelten Rotations- und Translationswerte in erdfeste Koordinaten transformiert werden, wodurch Azimut-, Nick- und Rollwinkel sowie die präzisen translatorischen Positionen ermittelt werden können.

Mit dieser Anordnung kann sogar während schnellen Drehens des Bohrstrangs die Posi­ tion der Meßeinheit 12 präzise bestimmt werden. Dabei wird eine Meßgenauigkeit er­ reicht, welche im Stand der Technik bislang nicht möglich war.

Mit Hilfe der Steuereinheit 7 kann ein Sollwert 54 an die Plattform-Servoeinheit 51 gege­ ben werden, womit eine gewünschte Drehausrichtung der Meßeinheit 12 gegenüber der Erde oder eine kontinuierliche langsame Drehung der Meßeinheit 12 gegenüber der Er­ de eingestellt werden kann. Bei einer langsamen Drehung können auftretende Fehler der gemessenen Winkeldaten der Gyroskope kalibriert werden oder der Einfluß von Fehlern in den gemessenen Daten können gemittelt werden, um ihren Einfluß auf die Genauigkeit des gesamten Systems zu minimieren. Dies ist dadurch möglich, daß die Gyroskope bezüglich des erdfesten Referenzsystems langsam rotieren, in welchem die Ausgangsdaten des Systems, die Messungen von Azimut-, Neigungs- und Rollwinkel, angegeben sind. Diese Einflüsse von systembedingten Fehlern wirken sich daher bei der rotierenden Plattform in unterschiedlichen Richtungen des erdfesten Systems aus.

Als weitere Alternative kann die Rotation der Meßeinheit 12 relativ zu dem Bohrstrang 6 mit Hilfe des Winkelaufnehmers 23 gemessen werden. Damit wird ermöglicht, daß die Winkelposition der Plattform bezüglich des Gehäuses des Werkzeugs gesteuert werden kann. In diesem Fall wird der erfaßte Winkel über die Servoeinheit 51 an die An­ triebseinheit gegeben. Mit diesem Modus kann die Meßeinheit 12 vor dem Bohren oder der Überwachung eines Bohrlochs kalibriert werden. Durch Drehen der Plattform in un­ terschiedliche Richtungen können z. B. systembedingte Fehler der Gyroskope und der Beschleunigungsmesser ermittelt werden und ihre Effekte somit vor dem Beginn der Bohrung oder der Überwachung des Verlaufs eines Bohrlochs kompensiert werden.

In dem beschriebenen System werden die Lagedaten aus den von den Gyroskopen ge­ messenen Winkeldaten durch mathematische Integration über die Zeit erhalten. Bei der Integration muß dies Verfahren initialisiert werden, indem die Anfangslage des Systems ermittelt wird. Das Verfahren zum Erfassen der anfänglichen Orientierung der Träg­ heitsmeßeinheit 12 wird als Systemausrichtung bezeichnet und kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Zum Beispiel kann eine Grobabschätzung des Azimuts des Sy­ stems mit Hilfe eines Verfahrens mechanischer Indexierung bestimmt werden, bei dem die Trägheitsmeßeinheit 12 der Plattform in unterschiedliche Winkelpositionen verdreht wird und die Erddrehrate in diesen Positionen gemessen wird. Durch Summieren und Differenzieren der Meßwerte, welche in z. B. um 180° verdrehten Positionen erfaßt wur­ den, können Auswirkungen der Kreiselfehler ausgeschaltet werden und die Ausrichtung des Werkzeugs bezüglich Nordrichtung bestimmt werden. Alternativ können diese In­ formationen auch durch eine externe Quelle erhalten werden, deren Daten in das vorlie­ gende System eingespeist werden; beispielsweise können drei Magnetometer an oder benachbart dem Werkzeug angebracht werden, welche die magnetische Azimutrichtung ermitteln. Diese kann dazu benutzt werden, die Richtung bezüglich der Nordrichtung abzuschätzen. Über längere Zeit und bei einem stationären Werkzeug kann eine präzi­ sere Abschätzung des Werkzeugazimuts dadurch erreicht werden, daß die Gyroskope als freie Kreiselkompasse gemäß der Standardanwendung von Trägheitssystemen be­ trieben werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird sichergestellt, daß der Meßbereich der Gy­ roskope nicht überschritten wird, auch bei ungewollt falscher Rebetätigung der Bohrstrangachse.

Das erfindungsgemäße System erfordert im Vergleich zu Systemen des Standes der Technik relativ wenig Energie. Dies ist verständlich, wenn in Betracht gezogen wird, daß herkömmliche Plattformsysteme darauf beruhen, daß die Meßachsen von Trägheitssen­ soren sehr genau in einer besonderen Ausrichtung im Raum gehalten werden. Dagegen sind die Gyroskope der vorliegenden Erfindung von den hohen Drehraten der Steuerung der Plattform entkoppelt. Eine langsame Drehung der Plattform beeinträchtigt die Mes­ sung nicht, so daß der Bereich der rückgekoppelten Regelung der Plattformsteuerung und folglich auch dieser Energiebedarf geringer sein kann, ohne Abstriche bei der Ge­ nauigkeit der gemessenen Daten machen zu müssen.

Claims (26)

1. Verfahren zum Vermessen des Verlaufs eines Bohrlochs (1), wobei mit Hilfe einer mindestens ein Gyroskop (18) und Beschleunigungssensoren (17) aufweisende Meßeinheit (12) die jeweilige Position bestimmt wird, wobei die Meßeinheit (12) in einem erdfesten Bezugssystem etwa gegengleich um die Bohrstrang- (8) beziehungsweise Werkzeugachse, die Rotation des Bohrstrangs (6) etwa kompensierend drehend ange­ trieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (12) entkoppelt von der Drehung des Bohrstrangs (6) betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Gyroskope (18) die Winkeldrehung der Meßeinheit (12) ge­ genüber der Erde erfaßt und in Abhängigkeit davon der kompensierende Drehantrieb der Meßeinheit (12) gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Drehantriebs der Meßeinheit (12) gegenüber dem Bohrstrang (6) unabhängig von einer Steuerung der Ausrichtung der Gyroskopachse (19) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrspitze von einem separaten Motor (57) in dem Bohrstrang (6) angetrieben wird (motor drilling).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das motor drilling in Kombination mit einem drehbetriebenen Bohrstrang (6) zum Antreiben der Bohrer durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren während des Ein- und/oder Ausführens der Meßeinheit (6) in das Bohrloch (1) durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach dem Fertigstellen des Bohrlochs (1), mit Hilfe einer Bedienein­ richtung (7) über eine Kabelleitung oder ein Drahtseil durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bohren oder dem Vermessen des Bohrlochs (1) eine Feinkalibrierung der Meßeinheit (12) durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägheitssensoren (17, 18) bei der Feinkalibrierung in unterschiedliche Winkel­ richtungen bezüglich des Gehäuses des Werkzeugs ausgerichtet sind, und eine Dre­ hung der Meßeinheit (12) in verschiedene Kalibrierstellungen erfolgt, wobei die Drehung in Abhängigkeit von einem die Winkelausrichtung der Meßeinheit (12) bezüglich des Gehäuses erfassenden Winkelabnehmer (22) gesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grobabgleich des Trägheitssystems (17, 18) mit Hilfe einer intermittierenden Bewegung der Meßeinheit (12) in verschiedene bestimmte Ausrichtungen bezüglich der Erddrehrichtung durchgeführt wird und daraus die Ausrichtung der Sensoren (17, 18) bezüglich der Nordrichtung bestimmt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grobabgleich des Trägheitssystems unter Einbeziehung von magnetischen Da­ ten durchgeführt wird, welche die magnetische Deklination geeignet korrigieren, und damit die Azimuthrichtung der Meßeinheit (12) bezüglich der Nordrichtung bestimmt wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feinausrichtung des Trägheitssystems mit Hilfe eines Kreiselkompaßmodus durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (12) in ihrer Winkelausrichtung bezüglich einem erdfesten Bezugs­ system stationär fixiert ist und Azimuthwinkel- und Rollwinkelinformationen bezüglich dem erdfesten Bezugssystems während des Bohrens beziehungsweise des Vermes­ sens des Bohrlochs (1) erzeugt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (12) um ihre Drehachse (8) relativ zur Erde langsam gedreht wird und mit Hilfe der von dem Gyroskop gemessenen Winkeldaten Meßfehler der Sensoren (17, 18) gemittelt werden.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gyroskop (18) beim Erfassen von Winkeldrehungen rückstellend gefesselt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstellwert zum Fesseln des Gyroskops (18) als Maß der Winkeldrehung zum Kompensieren der Drehung des Bohrstrangs (6) verarbeitet wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Gyroskop (18) und/oder den Beschleunigungssensoren (17) erfaßten Werte in bezüglich der Meßeinheit (12) festgelegten Koordinaten ermittelt werden und von einer Transformationseinheit (45, 46) in erdbezogene Koordinaten transformiert werden.

19. Vorrichtung zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs (1), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer in einem rotierenden Bohrstrang (6) drehbar gelagerten Meßeinheit (12) und einer die Meßeinheit (12) um die Bohrstrangachse (8) drehend antreibenden Antriebseinheit (22), wobei die Meßeinheit (12) mindestens ein Gyroskop (18) und mehrere Beschleunigungssensoren (17) auf­ weist, mit welchen die Position der Meßeinheit (12) dem Bohrloch (1) bestimmbar ist, und in die Rotationsrichtung (11) des Bohrstrangs (6) entgegen der Drehantriebsrichtung (15) der Meßeinheit (12) gerichtet ist und der Rotationsbetrag des Bohrstrangs (6) relativ zur Erde (2) etwa dem Drehbetrag der Meßeinheit (12) relativ zum Bohrstrang (6) ent­ spricht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Gyroskop (18) betreibende, von der Antriebseinheit (2) separate Meßsteu­ ereinrichtung (40) vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Gyroskopmeßachse/n (20) in einem Winkel (24) quer zu der Drehachse (8) der Meßeinheit (12) angeordnet sind, vorzugsweise in einem Winkel (24) von 45°.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwei etwa senkrecht zueinander stehende Gyroskopmeßachsen (20) eines Gyro­ skops (18) in einem Winkel von etwa 45° quer zu der Drehachse (8) der Meßeinheit (12) angeordnet sind.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eingabeeinrichtung vorgesehen ist, mit welcher ein Sollwert (54) für die Dre­ hung der Meßeinheit (12) relativ zur Erde eingebbar ist, und die Meßeinheit (12) dem­ entsprechend von der Antriebseinheit (22) relativ zur Erde langsam drehend antreibbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gyroskope (18) mit je zwei Gyroskopmeßachsen (20) oder drei Gyroskope (18) mit je einer Gyroskopmeßachse vorgesehen sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß als Gyroskop (18) ein mechanischer Trägheitskreisel vorgesehen ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß als Gyroskop ein hemisphärisches Resonanzgyroskop oder ein optisches Gyroskop, wie ein Ringlasergyroskop oder ein faseroptisches Gyroskop, vorgesehen ist.