DE2021232C3

DE2021232C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung des Bohrfortschritts

Info

Publication number: DE2021232C3
Application number: DE2021232A
Authority: DE
Inventors: Jean Charles Versailles Gosselin (Frankreich)
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1969-04-30
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1980-06-04
Also published as: US3658138A; CA927375A; DE2021232B2; FR2037007B1; DE2021232A1; NL7006264A; JPS5025404B1; NL163595B; BE749366A; GB1284149A; FR2037007A1; NL163595C

Description

Eine automatische Vorrichtung zur Optimierung des Bohrfortschritts zeichnet sich erfindungsgemäß aus durch Einrichtungen zur Messung des algebraischen Wertes eines Verhältnisses -(dVa/dT), in welchem dVa die Änderung des Bohrfortschritts und dT die entsprechende Änderung der Spannung des Bohrstrangs an einem bestimmten Punkt des Bohrstrangs bedeuten, Einrichtungen zum Einstellen eines oberen und eines unteren Grenzwerts für dieses Verhältnis und Einrichtungen zum Vergleichen des Wertes von — (dVa/dTj mit den Grenzwerten, welche mit den Meßeinrichtungen für dieses Verhältnis und mit den Einrichtungen zur Umsteuerung des Andrucks des Bohrwerkzeugs verbunden sind, wobei die Verminderung des Bohrandrucks spätestens auslösbar ist, wenn der Wert des Verhältnisses -(dVa/dT) den unteren Grenzwert erreicht, und die Erhöhung des Andrucks spätestens dann, wenn der Wert dieses Verhältnisses den oberen Grenzwert erreicht

Vorzugsweise sind Einrichtungen zum Vergleich des Wertes wenigstens eines weiteren Bohrparameters mit einem vorbestimmten Sicherheitsgrenzwert vorgesehen, die ebenfalls mit den Einrichtungen für die Umsteuerung des Bohrandrucks verbunden sind, wobei die Umsteuereinrichtungen auch bei Erreichen des Grenzwertes dieses Parameters betätigbar sind.

Anwendung finden die Maßnahmen nach der Erfindung nicht nur für den Fall, daß der Antriebsmotor des Drehwerkzeugs direkt mit dem unteren Ende der Bohrleitung verbunden ist, sondern auch für den Fall, daß der Antrieb des Bohrwerkzeugs durch Drehung der Bohrleitung mittels eines an der Oberfläche befindlichen Motors erfolgt.

Die Einstellung der Werte erfolgt nunmehr völlig selbsttätig; es ergibt sich eine Bohrfortschrittsgeschwindigkeit, die so nahe wie möglich an der optimalen zulässigen Bohrfortschrittsgeschwindigkeit der vom Bohrloch durchsetzten geologischen Schichten liegt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigt in

F i g. 1 für den Fall des Bohrens mit Bodenmotor das Gesetz der Geschwindigkeitsänderung des Bohrwerkzeugs als Funktion des auf diesen wirkenden Gewichts,

F i g. 2 und 2A schematisch zwei Ausführungsbeispiele für die Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig.3 untereinander eine Kurve der Bohrfortschrittsgeschwiicdigkeitsänderung des Bohrwerkzeugs als Funktion der Zeit sowie die entsprechende Änderung des an der Oberfläche gemessenen Bohrfluiddrucks,

F i g. 4 das Gesetz der Änderung γ als Funktion

der Zeit bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung,

F i g. 5 das entsprechende Gesetz der Geschwindigkeitsänderung beim Ablauf der Bohrleitung an der Oberfläche, und die

F i g. 6 und 7 jeweils die entsprechenden Änderungen von Bohrfortschrittsgeschwindigkeit des Werkzeugs und des auf dieses ausgeübt!..ι Gewichts.

In F i g. 1, in der die Kurve 1 und die Kurve 2 für zwei Bodenschichten jeweils die Änderung der Fortschrittsgeschwindigkeit dßs Werkzeugs als Funktion der Ariallast W oder dfcs auf dieses ausgeübten Gewichts darstellen, repräsentieren die Punkte M\ und M₂ die jeweiligen Arbeitspunkte für diese beiden Terrainschichten, deren Abszisse dem an das Werkzeug Wf gelegten Gewicht und deren Ordinate der entsprechenden Fortschrittsgeschwindigkeit in der betrachteten Terrainschicht entspricht

Man sieht also, wenn man das Gewicht Wt von dem Arbeitspunkt M₁ oder M₂ aus erhöht, dieser Arbeitspunkt sich nach rechts in der Figur auf der einen oder anderen der beiden Kurven verschiebt; die Fortschrittsgeschwindigkeit V_a das Werkzeugs nimmt zu und geht an der Stelle S₁ (oder S₂) durch ein Maximum, wobei der

ίο Teil der durch den Arbeitspunkt beschriebenen Kurve stabilen Arbeitsbereichen entspricht Geht man über den Scheitel der Arbeitskurve hinaus, so kommt man in eine Zone instabiler Arbeitsbereiche, und die Fortschrittsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Geis wicht am Werkzeug bis zum Verklemmen des Bodenmotors ab.

Wie F i g. 3 erkennen läßt, erleidet die Fortschrittsgeschwindigkeit des Werkzeuges Schwankungen um eine mittlere Änderungskurve 3 als Funktion der Zeit, wobei diese Schwankungen eine an die Pulsation der Zirkulationspumpen für den Bohrschlamm gebundene Frequenz aufweisen; auch zeigt sich, daß es nicht möglich wird, ein Filtern vorzunehmen, ohne eine Zeitkonstante einzuführen, die mit der Ansprechzeit nicht in Einklang zu bringen wäre, die von einer selbsttätigen Vorrichtung zur Optimierung der Fortschrittsgeschwindigkeit beim Bohren gefordert wird, welche jede Möglichkeit eines Verkeilens des Werkzeugs vermeiden soll.

Es ist möglich, diesen Nachteil zu eliminieren, indem der mittlere Wert der Fortschrittsgeschwindigkeit des Werkzeugs in einem Zeitintervall gleich der Dauer der Pulsation der Schlammpumpen betrachtet wird.

Die solche Intervalle begrenzenden Augenblicke t„-1 und t_n können gewählt werden als die Augenblicke des Nulldurchgangs zur Begrenzung einer Periode (F i g. 3) der alternativen Komponente des Druckes Ps des Bohrfluides, der an der Oberfläche gemessen wird, wobei dieser Druck ebenfalls um einen mittleren durch die Gerade angedeuteten Wert bei gleicher Frequenz wie die der Fortschrittsgeschwindigkeit, jedoch bei einer Phasenverschiebung Φ entsprechend der Phasenverschiebung schwankt, die zwischen dem Druck des Bohrfluids an der Oberfläche und an der Bohrlochsohle oder der Angriffsfläche existiert.

Die mittlere Fortschrittsgeschwindigkeit an der Bohrlochsohle (bzw. Angriffsfläche) zwischen den Augenblicken i„-i und t„ wird gegeben durch die Formel:

(F.)!:. =(Κ,)ί:._{+ f} ^ _] [L-T₁₁₁]

wo (Vd)'; , der mittlere Wert der Ablaufgeschwindigkeit der Leitung, gemessen an der Oberfläche zwischen den beiden betrachteten Augenblicken; χ der Längungskoeffizient der Leitung und T_{n x} und T_n die auf die Leitung im Augenblick t„ ι und bzw. im Augenblick /„ wirkenden Spannungen sind.
Die F i g. 2 und 2A zeigen schematisch zwei mögliche Ausführungsformen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Maßnahmen: F i g. 2 entspricht der Verwendung einer nachgiebigen Bohrleitung, die von einer Speichertrommel abgerollt ist und F i g. 2A der Verwendung einer aus steifen Elementen gebildeten Bohrleitung. In diesen Figuren isl mit 5 das an der Bohrleitung 7 aufgehängte Bohrwerkzeug bezeichnet, welches durch den Bodenmotor 6 angetrieben ist, bei

dem es sich beispielsweise um eine Bohrturbine handelt, die mit hydraulischer Energie von der Oberfläche aus gespeist wird; das Bezugszeichen 8 bezeichnet das Bohrloch.

Die Leitung wird in das Bohrloch durch eine Steuer- und Betätigungseinrichtung 9 herabgelassen, die beispielsweise aus einer oder mehreren endlosen Backen oder Spannschuhe im Fall der F i g. 2 tragenden Ketten und einer Winde 33 gebildet sein kann, auf der ein Kabel 34 aufgewickelt ist, welches einen Flaschenzugblock 31 im Falle der Verwendung steifer Stangen zur Bildung der Bohrleitung 7 (F i g. 2A) trägt. Diese Betätigungseinrichtung wird von einem Motor 10 unter Zwischenschaltung einer irreversiblen Kupplung 11 angetrieben, wobei deren Kupplungs- oder Auskupplungsvorgang mittels elektrischer durch das Steuerkabel 12 übertragener Signale gesteuert werden kann. Einem numerischen Realzeitrechner 13 wird die Messung der Spannung T der Leitung eingegeben, die im Fall der Ausführungsform nach F i g. 2 über elektrische Leiter 14 und über eine Vorrichtung 15 geliefert werden kann, die wenigstens einen Dehnungsmeßstreifen aufweist, der am unteren Ende der Bohrleitung 7 oder bei 35 am Totseilende des an der Oberfläche befindlichen Flaschenzugblockes nach der Ausführungsform der F i g. 2A angeordnet sein kann.

Eine Vorrichtung 16 mißt die Länge L der Bohrleitung, die von der Oberfläche durch die Vorrichtung 9 abgestützt ist

Diese Vorrichtung kann beispielsweise eine Rolle in Kontakt mit der Leitung 7 aufweisen, die unter Drehung bei deren Ablauf angetrieben wird, wobei diese Rolle ihrerseits den Sender eines Synchronmechanismus der unter dem Namen Selsyn bekannten Bauart antreibt, dessen Empfänger 17, mit den er elektrisch durch das Kabel 18 verbunden ist eine Drehzahlzählvorrichtung antreibt die über eine Reihe elektrischer Impulse eine numerische Messung für die Länge L liefert, die auf den Rechner 13 durch das Kabel 19 übertragen wird.

Die Ablaufgeschwindigkeit an der Oberfläche der Bohrleitung kann durch Einrichtungen 20 bzw. 21 analog den Einrichtungen 16 und 27 gemessen werden, wobei der numerische Wert dieser Geschwindigkeit auf den Rechner 13 durch das Kabel 22 übertragen wird.

Für diese Messung von Vd scheint es günstig, Vorrichtungen unterschiedlich zu den für die Messung von L verwendeten zu benutzen, um mit ausreichender Genauigkeit die Ablaufgeschwindigkeit der Leitung zu bestimmen.

Man stellt bei 23 im Rechner den Wert des Elastizitätskoeffizienten der Leitung 7 ein und führt ebenfalls in den Rechner über den Leiter 24 ein Signal ein, das für den numerischen Wert der alternativen Komponente des Druckes Ps des Bohrschlamms an der Oberfläche steht, wobei die Messung dieses Druckes durch jeden geeigneten nicht dargestellten Druckgeber vorgenommen wird, welcher in den Schlammkreis eingesetzt ist und ein Meßsignal liefert, welches durch die Vorrichtung 25 filtriert wird, wobei nur die alternative Komponente des an den Rechner gelegten Signals übrig bleibt

Man verwendet vorzugsweise als numerischen Wert von LX einen in situ gemessenen Wert

Hierzu kann man periodisch wie oben angegeben nach Beendigung des Bohrens den mittleren Wert des Koeffizienten a. entsprechend der erreichten Tiefe messen.

Diese Messung kann durchgeführt werden, indem man das Bohrwerkzeug oder den Bohrkopf um etliche Meter anhebt und es dann absenkt, und gegen den Boden des Bohrloches ohne zu Bohren aufruhen läßt.

Indem man während dieses Wiederabsenkens des Bohrwerkzeugs den Änderungen der auf die Leitung wirkenden Spannung T, der Ablaufgeschwindigkeit Vd der Leitung an der Oberfläche sowie der Fortschrittsgeschwindigkeit Va folgt, erkennt man, daß die Spannung Γ allmählich vom Augenblick tA an abnimmt, wo das Bohrwerkzeug den Boden des gebohrten Bohrloches erreicht, und zwar im Ausmaß der elastischen Verkürzung der Leitung.

Diese Verkürzung endet im Augenblick i& wo die Ablaufgeschwindigkeiten an der Oberfläche Vd zu Null

Die Beziehung

χ L t„ -~f„-i

zeigt, daß zwischen Augenblicken f = tA und f = te der vom Rechner 13 gelieferte Wert von Va ungleich Null wird, wenn der verwendete Wert von α nicht korrekt ist. Genauer gesagt, der Wert von Va bleibt positiv zwischen dem Augenblick t_A und dem Augenblick f_a wenn der vom Rechner 13 verwendete Wert von « zu gering wird, da in diesem Fall der Absolutwert des negativen Ausdrucks

<xL

tu —

zu gering wird, damit der zweite Teil der Beziehung (1) zu Null wird, wobei der Ausdruck (Vd)',; ,dann in diesem weiteren Ausdruck überwiegt und so einen positiven Wert von (Va)',: , liefert.

Wird dagegen der Wert von α zu groß gewählt, so überwiegt der Absolutwert des negativen Ausdruckes

cc L

T_n -

U - tn-l

gegenüber dem von (Vd)',; ,, und es resultiert ein negativer Wert Tür den durch den Rechner 13 bestimmten

Wert Kr(Fa)!: ,■

Der exakte Wert von α, der in situ für die gebohrte Tiefe gemessen wird, kann durch 13 berechnet werden, wenn man beachtet, daß dann, wenn U und fit-i zwei Augenblicke des Zeitintervalls zwischen t* und te bezeichnen, dies zur Gleichung führt:

Wo L die Länge der von der Oberfläche getragenen Leitung, und 7*_ι und Tk die jeweiligen Spannungen dieser Leitung im Augenblick fit-1 und fit sind.

Der numerische Rechner 13 ist so ausgelegt, daß er den Wert des Verhältnisses

Va

bestimmt wo
(Va)',: \

(Vg) \: , - (Va) I

(Va)',

und (T)

jeweils mittlere Werte für die Fortschrittsgeschwindigkeit des Werkzeugs und die auf die Bohrleitung

wirkende Spannung sind, die jeweils durch den Rechner 13 zwischen den Augenblicken f„_2 und f_n_i und zwischen den Augenblicken f_n-i und t_n bestimmt werden, die oben definiert und am Rechner bei 24, wie angezeigt, angegeben wurden. _

_Der Rechner 13 bestimmt die Werte (Κα)ί;! und (Fa)I; , indem die obengenannte Formel (1) verwendet wird.

Im betrachteten Beispiel werden diese Werte nacheinander durch den Rechner an der Vorrichtung 27, ι ο Grenzwert mit der er über das Kabel 28 verbunden ist, eingestellt.

Der diesmal beschriebene Arbeitspunkt M₁ (oder M₂) beschreibt nunmehr die Arbeitskurve (F i g. 1) nach links und die Fortschrittsgeschwindigkeit beginnt wieder zu steigen, verläuft erneut durch das Maximum und nimmt

dann von neuem ab, während -

Wa

steigt (F ig. 4).

Wenn zum Augenblick

IKa
Verhältnisses γψ-

i der Wert des berechneten größer als der positive

Das Verhältnis -

IKa
ΙΓ

ist gleich dem Verhältnis

—'. r." , wenn die Schlammenge Q konstant ist und somit

im wesentlichen in der Kurve für die Arbeitsweise 1 öder 2 der F i g. 1 der Neigung der Tangente an der Arbeitsstelle M\ oder M₂ entspricht, wobei diese Steigung gleich Null wird, wenn die Fortschrittsgeschwindigkeit ihren Maximalwert für die betrachtete Terrainschicht aufweist.

Man liefert am Rechner 13 durch Einstellung bei 29 bzw. 30 einen negativen Grenzwert

und einen positiven Grenzwert

des berechneten Verhältnisses — 'A=- , wobei diese

beiden Werte jeweils einem positiven Grenzwert θι und einem negativen Grenzwert Q₂ (Fig. 1) für den Neigungswinkel gegen die Achse der Abszissen der Tangente an die Arbeitskurve (1 oder 2) im Arbeitspunkt entsprechen.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist die folgende: Die Vorrichtung 9 treibt die Leitung 7 nach unten mit einer Ablaufgeschwindigkeit größer als die maximale Fortschrittsgeschwindigkeit Va_max des Werkzeuges 5 (Fig.5) an, die beispielsweise gleich dem Doppelten dieser Geschwindigkeit ist, was zur Wirkung hat, daß das Gewicht Wan dieser vergrößert wird und daß der Arbeitspunkt M\ (oder M₂) die Arbeitskurve 1 (oder 2) nach rechts in Fig.2A beschreibt Die Fortschrittsgeschwindigkeit Va nimmt zunächst mit dem Gewicht W am Werkzeug (Fig.6 und 7) zu, geht durch ein Maximum und nimmt dann wieder ab, während

abnimmt

Der Rechner 13 vergleicht den Wert des Verhält-I Va

nisses p=- , der zu jedem der oben angegebenen

Grenzwerte berechnet wurde: wird dieser Wert im Augenblick ft (F i g. 4) kleiner als der negative Grenzwert

so liefert der Rechner 13 einen Steuerimpuls zum Entkuppeln der Vorrichtung 11 und, da die Vorrichtung 9 nicht angetrieben ist, wird der Ablauf der Leitung unterbunden (F i g. 5), was die auf das Werkzeug (F i g. 7) ausgeübte Belastung aufhebt, das Werkzeug kommt von selbst frei.

50

60

wird, so steuert der Rechner 13 über den Leiter 12 das Kuppeln der Vorrichtung 11, was dazu führt, daß die Leitung (F i g. 5) erneut abläuft und was zu einem neuen Wachsen des Gewichts am Werkzeug führt Der vorgenannte Zyklus kann dann unbegrenzt sich wiederholen.

Man sieht, daß hieraus eine permanente Schwingung um den Optimalwert des an das Werkzeug gelegten Gewichtes resultiert, wobei diese Schwingung sich durch Aufrechterhaltung der mittleren Fortschrittsgeschwindigkeit bei einem Wert überträgt, der nur ganz gering unter dem Maximalwert liegt wobei die Differenz durch die Werte

30

fixiert ist, wobei diese Werte nach Belieben gewählt werden und so nahe aneinanderliegen können, wie es das Bohrverfahren und die Steuervorrichtung ermöglichen.

Die schnelle Steuerung in der Änderung des Gewichts am Werkzeug, die durch Auslösen eines Kuppeins oder Entkuppeins erhalten wird, ermöglicht es, die Gefahren eines Verkeilens oder Verklemmens zu vermeiden, wenn nach Durchlaufen des Maximums der Arbeitskurve (F i g. i) der Arbeitspunkt in die instabile Arbeitszone eintritt.

Die oben angegebene Auswahlart, die durch die Augenblicke t„-\, i_ra t_n+\ etc. angegeben ist um die Zeitintervalle zu begrenzen, für die man die mittlere Fortschrittsgeschwindigkeit beim Bohren bestimmt ermöglicht es, an der Fortschrittsgeschwindigkeit die Genauigkeit zu erhalten, die für ein korrektes Funktionieren der Vorrichtung ohne Gefahren ungewollten Auslösens des Kuppeins und des Entkuppeins der Vorrichtung 10 zu erhalten, wobei diese Gefahren aus den Schwankungen der Fortschrittsgeschwindigkeit Va bei konstantem Gewicht am Werkzeug (Fig.3) resultieren können, wenn man in den Rechner 13 den Augenblickswert dieser Geschwindigkeit einführen würde.

Damit die Zeitintervalle, während deren die Vorrichtung 10 entkuppelt ist, im wesentlichen in der Dauer gleich denen sind, während deren der Kupplungsvorgang erfolgt (derart daß der Rechner mit maximaler Wirksamkeit im Falle einer Änderung des Terrains zum Arbeiten gebracht werden kann), ist es vorteilhaft daß die Ablaufgeschwindigkeit Vd an der Oberfläche etwa gleich dem Doppelten der Fortschrittsgeschwindigkeit Va am Boden ist Dies kann durch eine Regelung der Antriebsgeschwindigkeit der Vorrichtung 9 auf den bei 27 (F i g. 2) abgelesenen Maximalwert realisiert werden. Diese Steuerung, die durch den Rechner 13 vorgenom-

men werden kann, braucht nicht sehr genau zu sein und läßt eine relativ hohe Zeitkonstante auf Grund der Trägheit des Motors 10 (F i g. 2) zu.

Die Vorrichtung nach der Erfindung paßt sich selbsttätig an die Änderungen in der Natur der durchbohrten Gesteine an. Solche Änderungen stellen sich nun tatsächlich durch eine einfache Änderung der Arbeitskurve (Fig. 1) dar, der Punkt M\ geht bei M₂ durch.

Da der negative Schwellenwert

später erreicht wird, als wenn der Arbeitspunkt auf der Kurve 1 geblieben wäre, resultiert hieraus, daß das Gewicht am Werkzeug um so mehr steigt, einen um so größeren Wert die Fortschrittsgeschwindigkeit Va erreicht, und somit steigt die gesteuerte Ablaufgeschwindigkeit auf den Wert 2 Va_max , was eine Anpassung an die ,neue vom Bohrwerkzeug durchsetzte Terrainschicht herbeiführt.

Das Einstellen der Ablaufgeschwindigkeit Vd der Leitung kann ebenfalls von Hand als Funktion der Anzeigen bei 27 (F i g. 2) vorgenommen werden.

Es ist selbstverständlich möglich, im Rahmen der Erfindung der Vorrichtung über den Rechner kompliziertere Sollwerte für die Steuerung des Kuppeins und Entkupp.elns einzugeben, um eine große Sicherheit in der Betriebsweise zu erhalten.

So kann die Entkupplungssteuerung, deren Auslösen oben allein auf Grund Überschreitens eines negativen

10

I Va
Schwellenwertes des berechneten Wertes - -yy-

angenommen wurde, ebenfalls mittels einer logischen Vorrichtung ausgelöst werden, z. B. elektrischen Schaltkreisen der ODER-Gatter-Bauart; und zwar nicht nur

, Wa

dann, wenn - ₍-=-

einen vorher gewählten negativen Schwellenwert überschreitet, sondern auch, wenn das Gewicht W auf das Werkzeug ein Maximum erreicht, das im vorhinein festgelegt wurde, oder wenn die Geschwindigkeit der Turbine bis unter einen vorbestimmten Schwellenwert sinkt etc.

Unter diesen Bedingungen kann das Steuern oder Auslösen des Kupplungsvorganges zur Erhöhung des Gewichtes am Werkzeug nicht nur dann gesteuert werden, wenn - ^l '- einen positiven vorher

festgelegten Schwellenwert überschreitet, sondern auch dann, wenn das Gewicht W am Werkzeug in einem vorher festgelegten Ausmaß vermindert wird, oder wenn die Drehgeschwindigkeit der Turbine eine vorher . festgelegte Geschwindigkeit etc. überschreitet.

Unter diesen Bedingungen erfolgt die Auslösung beim Entkuppeln oder Kuppeln spätestens dann, wenn das Verhältnis - *—■ den einen oder anderen der

positiven oder negativen Schwellenwerte (oder Grenzwerte) erreicht, die hierfür festgelegt wurden, wobei die Auslösung noch früher erfolgen kann, wenn wenigstens einer der anderen Bohrparameter, z. B. das Gewicht am Werkzeug oder die Geschwindigkeit der Turbine, einen festgelegten Sicherheitswert überschreitet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Optimierung des Bohrfortschritts beim Gesteinsbohren mit einem Antriebsmotor, dessen Drehmoment eine umgekehrte Funktion seiner Drehgeschwindigkeit ist, wobei der Andruck des Bohrwerkzeugs an die Bohrlochsohle durch Veränderung der Spannung des Bohrstrangs geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruck des Bohrwerkzeugs durch wechselnde Phasen einer Erhöhung und Verminderung der an den Bohrstrang angelegten Spannung laufend um einen Optimalwert schwankend gehalten wird, wobei die Wechselphasen jeweils Perioden der Zunahme und der Abnahme des Verhältnisses

— (dVa/dT) entsprechen, in welchem dVa die Änderung des Bohrfortschritts und dT die korrespondierende Änderung der Spannung des Bohrstrangs an einem bestimmten Punkt des Bohrstrangs bedeuten, und daß der Übergang zwischen den Spannungsphasen spätestens dann eingeleitet wird, wenn der Wert des Verhältnisses -(dVa/dT) beim Zunehmen der Spannung einen oberen, vorbestimmten, einstellbaren Grenzwert und bei deren Abnehmen einen unteren, gleichfalls vorbestimmten und einstellbaren Grenzwert erreicht hat

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis ~ jj ausgehend von

mittleren Werten für den Bohrfortschritt Va und die Spannung T während Zeitintervallen mit einer Dauer gleich der Pulsationsperiode der Zirkulationspumpen für das Bohrfluid festgelegt wird.

3. Automatische Vorrichtung zur Optimierung des Bohrfortschritts beim Gesteinsbohren mit einem Antriebsmotor, dessen Drehmoment eine umgekehrte Funktion seiner Drehgeschwindigkeit ist, mit Einrichtungen zur Veränderung und Einrichtungen zur Umsteuerung des Andrucks des Bohrwerkzeugs, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Messung des algebraischen Wertes eines Verhältnisses

— (dVa/dT), in welchem dVa die Änderung des Bohrfortschritts und dT die entsprechende Änderung der Spannung des Bohrstrangs (7) an einem bestimmten Punkt des Bohrstrangs (7) bedeuten, Einrichtungen zum Einstellen eines oberen und eines unteren Grenzwerts für dieses Verhältnis und Einrichtungen zum Vergleichen des Wertes von

— (dVa/dT) mit den Grenzwerten, weiche mit den Meßeinrichtungen für dieses Verhältnis und mit den Einrichtungen zur Umsteuerung des Andrucks des Bohrwerkzeugs verbunden sind, wobei die Verminderung des Bohrandrucks spätestens auslösbar ist, wenn der Wert des Verhältnisses — (dVa/dT) den unteren Grenzwert erreicht, und die Erhöhung des Andrucks spätestens dann, wenn der Wert dieses Verhältnisses den oberen Grenzwert erreicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Vergleich des Wertes wenigstens eines weiteren Bohrparameters mit einem vorbestimmten Sicherheitsgrenzwert, die ebenfalls mit den Einrichtungen für die Umsteuerung des Bohrandrucks verbunden sind, wobei die Umsteuereinrichtungen auch bei Erreichen des Grenzwerts dieses Parameters betätigbar sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Bohrfortschritts beim Gesteinsbohren mit einem Antriebsmotor, dessen Drehmoment eine umgekehrte Funktion seiner Drehgeschwindigkeit ist, wobei der Andruck des Bohrwerkzeugs an die Bohrlochsohle durch Veränderung der Spannung des Bohrstrangs geändert wird.

Die Erfindung hat auch eine automatische Vorrichtung zur Optimierung des Bohrfortschritts beim Gesteinsbohren mit einem Antriebsmotor, dessen Drehmoment eine umgekehrte Funktion seiner Drehgeschwindigkeit ist, mit Einrichtungen zur Veränderung und Einrichtungen zur Umsteuerung des Andrucks des Bohrwerkzeugs zum Gegenstand.

Eine Einstellung des auf das Werkzeug wirkenden Gewichts durch Veränderung der Spannung in der Bohrleitung ist durch die FR-PS 15 21058 bereits bekannt Durchgefünrt wird dieser Vorgang von Zeit zu Zeit während des Bohrens. Außerhalb dieser Einrichtvorgänge für die Belastung wird das Bohren mit konstantem Gewicht am Werkzeug vorgenommen, wobei die Bestimmung des Werts dieses Gewichts im allgemeinen der Beurteilung des das Gesteinsbohren durchführenden Personals überlassen wird, das sich wiederum auf die Überwachung gewisser Bohrparameter verläßt.

Im Hinblick auf die ungeheuren Kosten auch nur einer einzigen Bohrung ist aber eine Optimierung des Bohrfortschritts äußerst wünschenswert.

Überraschend einfach wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß der Andruck des Bohrwerkzeugs durch wechselnde Phasen einer Erhöhung und Verminderung der an den Bohrstrang angelegten Spannung laufend um einen Optimalwert schwankend gehalten wird, wobei die Wechselphasen jeweils Perioden der Zunahme und der Abnahme des Verhältnisses - (dVa/dT) entsprechen, in welchem dVa die Änderung des Bohrfortschritts und dT die korrespondierende Änderung der Spannung des Bohrstrangs an einem bestimmten Punkt des Bohrstrangs bedeuten, und daß der Übergang zwischen den Spannungsphasen spätestens dann eingeleitet wird, wenn der Wert des Verhältnisses —(dVa/dT) beim Zunehmen der Spannung einen oberen, vorbestimmten, einstellbaren Grenzwert und bei deren Abnehmen einen unteren, gleichfalls vorbestimmten und einstellbaren Grenzwert erreicht hat.

Der Aufwand hierbei ist relativ gering; man erhält eine optimale Bohrfortschrittsgeschwindigkeit, und zwar allein auf Grund dessen, daß man dauernd systematisch die an das Werkzeug gelegte Kraft in Grenzen schwanken läßt, d. h. innerhalb eines Intervalls von Belastungswerten, durch das selbsttätig der nachgesuchte Optimalwert erreicht wird. Die für die durchbohrten Schichten charakteristischen Änderungen, einschließlich der plötzlichen Veränderungen dieser führen zu selbsttätigen Veränderungen der Bohrbedingungen. Die jeweils optimalen Werte werden erreicht.

Durch die Optimierung des Meißelandrucks wird auch die Lebensdauer eines solchen Werkzeugs erheblich verlängert. Dies wiederum senkt den Aufwand pro Bohrung erheblich.

Vorzugsweise wird das Verhältnis —dV/dT ausgehend von mittleren Werten für den Bohrfortschritt Va und die Spannung T während Zeitintervallen mit einer Dauer gleich der Pulsationsperiode der Zirkulationspumpen für das Bohrfluid festgelegt.