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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 einer Tiefenbohrung während des Bohrvorgangs benutzt,
insbesondere unter Verwendung von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern.
Dabei können
eine Reihe von Bohrtechniken angewendet werden, einschließlich Drehbohren, sogenanntes
rotary drilling, und motorgetriebenes Bohren, sogenanntes motor
drilling.
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Zum
Fördern
von Öl
und Gas aus der Erde werden Bohrlöcher mit Hilfe eines rotierenden
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
gleichen 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
Schwerefeldes, wobei mit Hilfe von Magnet- und Beschleunigungssensoren
die Neigung, der Azimutwinkel des Bohrlochs und der Rollwinkel gemessen
werden. Alternativ können
Gyroskope zum Messen der Erddrehrate verwendet werden, woraus die
Richtung des Bohrlochs bestimmt werden kann. Die Richtungsmessungen
in Kombination mit Informationen über die Bohrtiefe, welche z.
B. über
einen Tiefenzähler
erlangt werden können,
werden zum kontinuierlichen Bestimmen des Verlaufs des Bohrlochs
während
des Bohrens verwendet.
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In
der
US 4,812,977 ist
ein System beschrieben, welches eine sogenannte strapdown-Technologie verwendet.
Die entsprechende Vorrichtung weist Gyroskope und Beschleunigungsmesser
als Teil eines sogenannten Trägheitsnavigationssystems
auf. Damit können
Messungen der Ausrichtung und/oder Position des Trägheitssystems
erlangt werden. Die erhaltenen Daten definieren den Neigungswinkel
und den Azimutwinkel des Bohrlochs bezüglich einem erdfesten Koordinatensystem
und/oder die Koordinatenposition 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.
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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
einer besonderen Richtung bezüglich
einem erdfixen System ausgerichtet werden, in welchem die Koordinaten
des Bohrlochs bestimmt werden. In der Praxis hat sich herausgestellt,
daß die
Genauigkeit dieses Verfahrens relativ begrenzt ist, insbesondere während des
Bohrvorgangs.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
zum Messen des Verlaufs eines Bohrlochs zu schaffen, mit der ein Bohrloch
möglichst
einfach aber mit möglichst
großer Genauigkeit
vermessen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Mit
Hilfe des Antriebs der Meßeinheit
etwa gegengleich zu dem Bohrstrang wird die Rotation des Bohrstrangs
etwa kompensiert, so daß die
Meßeinheit
relativ zur Erde etwa stillsteht. Die Meßeinheit und das Gyroskop bzw.
die Beschleunigungssensoren sind relativ unabhängig von der schnellen Rotation
des Bohrstrangs. Die erhaltenen Meßwerte sind relativ unbeeinflußt von dem
Bohrstrang. Damit erreicht man eine sehr hohe Genauigkeit.
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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 betrieben.
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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 erfaßten Werte entkoppelt von der
Steuerung der Ausgleichsbewegung der Meßeinheit abgenommen und haben
eine sehr hohe Genauigkeit.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen genannt.
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Vorrichtungsseitig
wird die obengenannte Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 19.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in den abhängigen
Vorrichtungsansprüchen
genannt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend
erläutert.
Es zeigen:
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1a einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Bohrloch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche in
einen konventionellen geraden Bohrstrang eingeführt ist,
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1b einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Bohrloch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche in
einen Bohrstrang für
winkelgerichtetes Bohren eingeführt
ist,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Meßeinheit
mit prinzipieller Darstellung der Elemente der Plattform,
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3 einen
detaillierten Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
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4 ein
Blockschaltbild entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung,
und
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5 eine
schematische Ansicht der Anordnung der Gyroskopmeßachsen
für die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das zugehörige
Verfahren.
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In 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 antreibt.
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 Eingabeeinrichtung versehen sein kann.
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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.
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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 zylindrischen Gehäuse 13 angeordnet,
in einem Grundbohrlochaufbau, wobei das Gehäuse mit Hilfe von Stegen 14 an
der Wand des Bohrstrangs 6 gehalten wird.
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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.
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Die
Meßeinheit 12 ist über Leitungen
mit der Steuereinheit 7 bzw. dem Bohrgestänge 3 verbunden.
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Mit
der in 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.
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In 1b ist
eine Anordnung für
ein sogenanntes motorbetriebenes Bohren dargestellt. In Abweichung
von 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 angetrieben,
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.
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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 Bohrloches kann durch Steuern
des Bohrgestänges 3 in
dem zuvor genannten drehbetriebenen Modus gesteuert werden, um den
gewünschten
Verlauf des Bohrloches zu erhalten. Während dieses Verfahrens kann
der Bohrstrang 6 bzw. die Anordnung an der Bohrerspitze
in einem Bereich von 0 bis 150 Umdrehungen pro Minute drehend angetrieben
werden.
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Es
ist auch eine Kombination des drehbetriebenen Bohrens und des motorgetriebenen
Bohrens gemäß den 1a und 1b möglich.
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In 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 Beschleunigungssensoren 17 sind in kartesischen Koordinaten
jeweils in X, Y und Z-Richtung ausgerichtet, wobei die Bohrstrangachse 8 eine
dieser Richtungen darstellt. Durch zweimalige nachfolgende Integration
der von den Beschleunigungssensoren gemessenen Werte über die
Zeit können
die Geschwindigkeit und die Position in der jeweiligen Meßrichtung
ermittelt werden.
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An
Stelle der Beschleunigungssensoren können jegliche Translationsbewegungssensoren verwendet
werden, welche lineare Bewegungen erfassen können.
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Die
Gyroskope 18 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als mechanische Kreisel 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.
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In
alternativen Ausführungsformen
können die
mit zwei Kreiselmeßachsen 20 versehenen
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 Resonanzgyroskope, oder
optische Gyroskope, wie Ringlasergyroskope oder faseroptische Gyroskope,
verwendet werden.
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Die
Trägheitssensoren
sind auf einer etwa zylindrisch ausgebildeten Plattform 21 angeordnet, 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, welcher die Winkeldrehung der Meßeinheit 12 bzw.
der Plattform 21 gegenüber
dem Druckgehäuse 16 mißt.
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Bei
Anordnung der Meßeinheit 12 in
dem Bohrstrang 6 ist das Druckgehäuse 16 mit dem Bohrstrang
starr verbunden, während
die Meßeinheit 12 dari
um die Bohrstrangachse 8 drehbar gelagert ist. Aus Darstellungsgründen sind
die Gyroskope 18 in 2 mit ihren
Kreiselachsen senkrecht zu der Bohrstrangachse 8 angeordnet.
Die Kreiselachsen 19 können
auch in einem von 90° verschiedenen
Winkel zur Bohrstrangachse 8 angeordnet sein.
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In 3 ist
eine detailliertere Darstellung einer in einem Druckgehäuse 16 angeordneten
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.
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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.
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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 gerichteten
Wellenende 25 ist der Winkelaufnehmer 23 koaxial
zu dem Wellenende 25 angeordnet. 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 Halteflansch 27 ist in dem Stützflansch 31 über einen
Stoßdämpfer 32 drehfest
gelagert. Der Stützflansch 31 stützt sich drehfest
an dem Druckgehäuse 16 ab.
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An
der dem Stecker 30 zugewandeten Seite kann in dem Druckgehäuse wahlweise
eine zusätzliche
Elektronikeinheit angeordnet sein.
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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 Wellenende 33 weist eine Schleifringanordnung 36 auf,
mit welchem die von den Trägheitssensoren
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.
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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.
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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.
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Die
Enden des Druckgehäuses
können
mit Hilfe von Deckeln dicht verschlossen werden.
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In 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.
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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 4 ist
entsprechend dargestellt, daß von
der Meßsteuereinrichtung 40 Rückstellsignale 41 an
die Gyroskope 18 gesendet werden, so daß die Kreiselachsen 19 ihre
Ausrichtung im Raum beibehalten. Diese Meßsteuereinrichtung funktioniert
unabhängig
von einer Ansteuerung der Antriebseinheit 22.
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Von
den Translationsbewegungssensoren 17 wird jeweils ein Signal
in der jeweiligen Meßrichtung,
X, Y und Z in kartesischen Koordinaten, an einen Analog – Digital – Wandler 42 geliefert.
Ebenso wird von der Meßsteuereinrichtung 40 das
Signal der gemessenen gewollten Umdrehung um die Kreiselmeßachse 20 an
den Wandler 42 gegeben, welcher die analogen Signale in
digitale Signale wandelt.
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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.
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Die
digitalisierten Signale, welche von den Gyroskopen 18 in
Zusammenwirkung mit der Meßsteuereinrichtung 40 erhalten
werden, werden ebenfalls einer entsprechenden Fehlerkorrektureinheit 44 zugeführt. In
ihr werden entsprechende Korrekturen der Meßfehler der Gyroskope kompensiert,
einschließlich
Temperaturfehler und Ausrichtungsfehler bei der Anbringung der Gyroskope
in der Plattform.
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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.
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Entsprechend
werden die Signale der Translationssensoren 17 von der
Fehlerkorrektureinheit 43 zu einer Transformationseinheit 46 geliefert,
welche die gemessenen Translationen in ihre Anteile in Richtung
des mit der Plattform fest verbundenen katesischen verbundenen Koordinatensystems
umrechnet, wobei eine der Achsen in Richtung der Bohrstrangachse 8 zeigt.
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Die
von den Transformationseinheiten 45, 46 produzierten
Signale, drei Translationssignale in X, Y und Z-Richtung und drei
Drehanteile um die X, Y und Z-Achse, bezogen auf ein plattformfestes
Koordinatensystem, werden einer Koordinatentransformationseinheit 47 zugeführt, welche
diese Daten mit sogenannten Strapdown-System-Gleichungen in Positionswerte bezüglich einem
erdfesten Koordinatensystem transformiert. 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 können einer z.B. mit der Steuereinheit 7 ausgebildeten
Ausgabeeinheit zugeführt
werden. Darum kann in Kombination mit der Tiefe des Bohrlochs die
genaue Position der Meßeinheit
in dem Bohrloch bezüglich
einem erdfesten System ermittelt werden.
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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 zugeführt werden
und von dieser als Steuersignal an die Antriebseinheit 22 gegeben
werden.
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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.
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Über den
Schalter 50 kann wahlweise der Drehanteil 49 oder
die von dem Winkelaufnehmer gegenüber dem Bohrstrang ermittelte
Winkeldrehung an die Plattform-Servoeinheit 51 gegeben
werden und dementsprechend wunschgemäß die Antriebseinheit 22 gegengleich
angesteuert werden.
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Separat
dazu kann von der Steuereinheit 7 wahlweise ein Sollwert 54 an
die Servoeinheit 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.
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Der
Summierer 53 erhält
auch ein Signal 55 von der Koordinatentransformationseinheit 47,
welches den Rollwinkel der Meßeinheit
in erdfesten Koordinaten darstellt. Der Summierer 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.
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In 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 angeordnet
sind und zueinander in einem Winkel von 90° zueinander stehen.
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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 Rückstellen mit Hilfe der Spulen 56 aufgewendete
Energie als Maß für die Ablenkung
der Kreiselachse 19.
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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.
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Im
folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit
zugehöriger
Vorrichtung näher
erläutert.
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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 stillsteht. Demzufolge ist die Bohrdrehrichtung 11 des
Bohrstrangs 6 relativ zu Ende entgegen der Drehantriebsrichtung 15 der
Meßeinheit
relativ zum Bohrstrang 6 gerichtet und die Drehbeträge entsprechen
sich etwa.
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Das
Gyroskop wird entkoppelt von der Ausgleichsbewegung der Meßeinheit
gegenüber
dem Bohrstrang betrieben. Es wird nicht über die Antriebseinheit 22 im
Raum ausgerichtet, sondern der Kreisel wird über die separate Meßsteuereinrichtung
betrieben und seine Achse 19 im Raum entsprechend ausgerichtet.
Der Kreisel wird also entgegen seiner erfahrenen Auslenkung zurückgestellt.
Dabei wird die zum rückstellenden
Fesseln notwendige Energie als Maß der Winkeldrehung verarbeitet.
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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
Meßgenauigkeit
führt.
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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.
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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.
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Mit
dieser Anordnung kann sogar während schnellen
Drehens des Bohrstrangs die Position der Meßeinheit 12 präzise bestimmt
werden. Dabei wird eine Meßgenauigkeit
erreicht, welche im Stand der Technik bislang nicht möglich war.
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Mit
Hilfe der Steuereinheit 7 kann ein Sollwert 54 an
die Plattform-Servoeinheit 51 gegeben werden, womit eine
gewünschte
Drehausrichtung der Meßeinheit 12 gegenüber der
Erde oder eine kontinuierliche langsame Drehung der Meßeinheit 12 gegenüber der
Erde 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.
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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 Antriebseinheit gegeben. Mit diesem
Modus kann die Meßeinheit 12 vor dem
Bohren oder der Überwachung
eines Bohrlochs kalibriert werden. Durch Drehen der Plattform in
unterschiedliche 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.
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In
dem beschriebenen System werden die Lagedaten aus den von den Gyroskopen
gemessenen Winkeldaten durch mathematische Integration über die
Zeit erhalten. Bei der Integration muß dies Verfahren initalisiert
werden, indem die Anfangslage des Systems ermittelt wird. Das Verfahren
zum Erfassen der anfänglichen
Orientierung der Trägheitsmeßeinheit 12 wird
als Systemausrichtung bezeichnet und kann auf verschiedene Arten
erreicht werden. Zum Beispiel kann eine Grobabschätzung des
Azimuts des Systems 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
wurden, können
Auswirkungen der Kreiselfehler ausgeschalten werden und die Ausrichtung
des Werkzeugs bezüglich
Nordrichtung bestimmt werden. Alternativ können diese Informationen auch
durch eine externe Quelle erhalten werden, deren Daten in das vorliegende
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 präzisere
Abschätzung
des Werkzeugazimuts dadurch erreicht werden, daß die Gyroskope als freie Kreiselkompasse
gemäß der Standardanwendung
von Trägheitssystemen
betrieben werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfhahren wird
sichergestellt, daß der
Meßbereich
der Gyroskope nicht überschritten
wird, auch bei ungewollt falscher Betätigung der Bohrstrangachse.
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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 Trägheitssensoren
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 Messung nicht, so daß der
Bereich der rückgekoppelten
Regelung der Plattformsteuerung und folglich auch der Energiebedarf
geringer sein kann, ohne Abstriche bei der Genauigkeit der gemessenen
Daten machen zu müssen.