DE2156110A1

DE2156110A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bohrlochführung

Info

Publication number: DE2156110A1
Application number: DE19712156110
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Baroid Technology Inc
Priority date: 1970-11-11
Filing date: 1971-11-11
Publication date: 1972-05-18
Also published as: JPS4710293A; FR2126981A1; DE2156110C3; NL174078B; CA971357A; DE2156110B2; NL174078C; GB1342475A; FR2126981B1; NL7115536A

Description

PatenfanwcH«
Dr. Ing. H. Negersdank

Dipl. 1ης. H. Hsuck

Dip!. Phys. VV. Schmitz

8 MUn* an i 5,- Mos arlslr.»

TeL 5380586

Anthony William Russell

265, Old Bath Road, 10. November 1971

Cheltenham, England Anwaltsakte M-1807

Verfahren und Vorrichtung zur Bohrlochführung

Die Erfindung bezieht sich auf die Bohrführung von Bohrlöchern und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung eines Bohrkopfes in einem Bohrloch zwecks Steuerung des Bohrwerkzeuges.

Die Erfindung ist insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, beim Tiefbohren mit einem turbinengetriebenen, als "Schlamm-Motor" bekannten Bohrwerkzeug verwendbar, das derart gesteuert werden kann, daß es einer erwünschten Bahn folgt, vorausgesetzt, daß der tatsächlich vorhandene Verlauf des Bohrlochs bekannt ist und die Ausrichtung des Schlamm-Motors festgestellt werden kann. Um eine Information über den vorhandenen Bohrlochverlauf zu erhalten, werden

unterschiedliche Verfahren zum Hessen der Azimut- und Neigungsi
winkel des Bohrlochs verwendet. Bei einem dieser Verfahren, das

ι als Einzelbildverfahren bekannt ist, werden die Messungen der [Azimut- und Neigungswinkel am unteren Ende des Bohrlochs während

' — 2 —

209821/0691

der Zeitperioden zwischen den Bohrvorgängen vorgenommen.

Zum Messen der Ausrichtung des Bohrkopfes im Bohrloch war es bis-

iher erforderlich, in der Bohrlochsonde des Instruments Gravitai
tionsfeldfühler zur Ermittlung des Rollwinkels vorzusehen. Bei

¹ stark angestellten Bohrlöchern, d.h. Bohrlöchern, die stark von der Vertikalen abweichen, so daß der Neigungswinkel groß ist,wird die Steuerung gewöhnlich aufgrund eines gegenüber einem Gravitations-Bezugssystem gemessenen Rollwinkels vorgenommen, wobei die Rollwinkelmessungen als "Steilanzeige" bezeichnet werden. Für schwach geneigte oder beinahe vertikale Bohrlöcher erfolgt andererseits die Steuerung gewöhnlich aufgrund von Magnetpeilungen in einem Gravitations-Koordinatensystem unter direkter oder indirekter Vermittlung des Anstellwinkels.

Erfindungsgemäß soll eine kontinuierliche Anzeige der Ausrichtung während des laufenden Bohrvorganges eines Bohrloches, gleichgültig ob diese unter einem steilen oder einem geringen Winkel abgestellt ist, und ohne daß während des Bohrens das Erdschwerefeld gemessen werden muß, erzielt werden. i

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren, durch das sich an einer Bohrstation die Ausrichtung eines in einem Bohrloch befindlichen Bohrkopfes bestimmen läßt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß am Standort des Bohrwerkzeuges im Bohrloch die Vektorkomponenten der erdmagnetischen Feldstärke in Richtung zweier der drei Werkzeug-Hauptachsen erfaßt werden, wobei die dritte feste Werkzeugachse die Bohrlochachse ist,die abgetasteten Feldstärken

-3-

209821/0691

an die Bohrstation übermittelt und die abgetasteten Feldstärkenkomponenten auf die Neigung und die Horizontalausrichtung des unteren Bohrlochendes bezogen werden.

Vorzugsweise werden die abgetasteten Komponenten entsprechend der Richtung und Neigung der Bohrlochachse transformiert, wobei die Transformation zweckmäßigerweise dadurch erfolgt, daß die erfaßten Vektorkomponenten auf die Komponenten des erdmagnetischen Feldes in Richtung der gegenüber der magnetischen Nordrichtung um den Azimutwinkel der Bohrlochachse bzw. gegenüber der Vertikalen um den Neigungswinkel der Bohrlochachse gedrehten Hauptachsen bezogen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Transformation von Winkeln oder Vektoren zwischen zwei Koordinatensystemen, nämlich den festen Werkzeugachsen und den festen Erdachsen. Daten zum Umwandeln der Komponenten des erdmagnetischen Feldes an der Bohrstation in ein winklig verdrehtes lioordinatensystem werden vorzugsweise berechnet und in Form von Kurven, Tabellen oder auf andere Weise gespeichert und jeweils selektiv in die Berechnung der Ausrichtung des Werkzeuges aufgrund der jeweils abgetasteten, zur Bohrstation übermittelten Feldstärke-Werte eingeführt. Dadurch läßt sich eine Einzelberechnung auf einfache Weise durchführen j una^fann mit Hilfe eines elektromechanischen Resolvers oder einer vergleichbaren Einrichtung erfolgen, bei der ein entsprechend

. berechneter oder gewählter Winkel zu der vom Resolver ermittelj ten Winkelanzeige addiert wird.

209821/0691

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur Steuerung eines Bohrwerkzeuges in einem Bohrloch mittels Fernsteuerung von einer Bohrstation, bei dem die Ausrichtung des Bohrkopfes auf die oben beschriebene Weise ermittelt und während des Bohrvorganges periodisch oder kontinuierlich angezeigt wird.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung des Bohrkopfes mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens geschaffen.

Vortugsweist enthält die erfindungsgeaäße Meßvorrichtung einen im Bohrloch befindlichen Meßwertgeber mit zwei statischen Fülllern zum Hesitn der »agnetischen Feldstärken In twei zum Gehäuse des Meßwerjt gebtrs Ctst angeordneten, senkrecht zueinander verlaufenden Richtungtn und eine* Signalgeber tür Übermittlung der Meßwerte an eine an der Oberfläche befindliche Anzeigeeinrichtung, welche eine Signalverarbeitungsstufe zur Ermittlung und Anzeige von die Richtung*-Inforaationen sowie eine Stellvorrichtung enthält, wilche in die Rechenstufe Inforamtionen über Winkellagen einführt, die auf den örtlichen Werten des erdmagnetischen Feldes beruhen.

Erflndungsgeaäß werden ako während des tatsächlichen Rohrvorganges Steuerparameter ausgegeben, die lediglich mit Hilfe von Magnetfühlern und vorhandenen, das Bohrloch betreffenden Einzel-■essungen ermittelt werden. Auf das Erfordernis von Gravitationsfühlern wird hingegen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur

Bestimmung der Werkzeugausrichtung verzichtet.

209121/0691

Ein Kompaß mit zwei am Bohrkopf fest angebrachten statischen Fühlern zur Fernanzeige der Horizontalausrichtung des Werkzeuges in vertikaler Werkzeuglage, d.h. in einem vertikalen Bohrloch, ermittelt bei einem geneigten Werkzeug die Ausrichtung der Bohrung in einem unterschiedlichen Bezugssystem. In der Vertikallage des Werkzeuges ist das Bezugssystem durch die drei Hauptachsen V, N und E definiert. Die magnetische Bezugsrichtung ist die magnetische Nordrichtung an der Bohrstelle, und diese stellt die Nulleinstellung eines Anzeigegerätes oder eines Winkelmeßgeräts auf einer topografischen Karte dar. Die Hauptwerkzeugachse verläuft vertikal und die Werkzeug-Ausrichtung ist der Rollwinkel 0 jeder der beiden anderen festen Werkzeugach$en in der Horizontalebene und bezogen auf N bzw. E. Wenn das Werkzeug geneigt ist, sind die Hauptachsen des Bezugssystems jeweils gegenüber V, N und E geneigt wobei eine dieser Hauptachsen weiterhin die Werkzeug-Hauptachse bildet und die Messungen in Richtung der anderen beiden feststehenden Werkzeugachsen, jedoch in Form der Komponenten des erdmagnetischen Feldes in Richtung dieser beiden Achsen erfolgen, und auch keine einfache geometrische Abhängigkeit dieser Komponenten und der Nord- und Ost-Komponenten des Magnetfeldes vorhanden ist. Schwierigkeiten ergeben sich daraus, daß wegen des ungleichförmigen Musters des erdmagnetischen Feldes eine Neigung des Gravitationsfeldes, d.h. gegenüber der Vertikalen, eine Änderung der Magnetfeldparameter mit sich bringt, wobei eine solche Änderung nicht nur vom geographischen Ort,sondern auch von der Stärke der Neigung abhängt. Wie gezeigt wird, läßt sich die gemessene Winkelausrichtung in dem unterschiedlichen Bezugssystem dennoch entweder in eine auf die magnetische Nordrichtungbezogene Horizontal-

-6-

09821/06 91 _0RlQ|NAL

77~- TfSWTTJT

ausrichtung (vorzugsweise bei kleiner Neigung) oder eine auf die Werkzeug- und Bohrlochachse bezogene Ausrichtung (d.h. den Rollwinkel 0, wie er sich für steil angestellte Bohrlöcher besonders eignet) umwandeln, d.h. in ein ei* geeigneten Richtungswinkel in dem V, N, Ε-Bezugssystem oder in dem durch die Werkzeug-Hauptachsen gegebenen Bezugssystem, indem einfach ein berechneter Bezugswinkel eingeführt wird und somit eine Ermittlung oder vorherige Berechnung der Nulleinstellung des Anzeigegeräts des Kompasses erfolgt.

Weitere Einzelheiten pid Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Ansprüchen und der nachfolgenden, beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Darstellung der erdfesten und der werkzeugfesten Achsen, I

Fign. 2, drei aufeinanderfolgende Koordinatendrehungen der Erd-3 und 4 ^T

achsen bezüglich der Werkzeugachsen,

Fig. 7

eine schematische Darstellung der Bohrlochsohle,

einen EJervoresolver in schematischer Darstellung, der Signale von kreuzweise angeordneten Magnetfühlern erhält,

ein Scheltbild einer bevorzugtet erfindungsgemäßen Vorrichtung,

_{0RiaiNAL 1N8PECTED}

Fig. 8 Bauteile für die in Fig. 7 gezeigte Einrichtung,

Fign. 9 Anordnungen für die bei der Einrichtung gemäß Fig. 7 und 10

vorhandenen Resolver,

Fign. 11, Schaltbilder zur Verdeutlichung wahlweise möglicher 12 und 13

Verfahren zur Berechnung der Nulleinstell-Winkel,

Fig. 14 ein Schaltbild zur Darstellung der Analog-Berechnung der erforderlichen Winkel-Modifikationen, und

Fig. IS eine anstell· des AusfÜhruntsbeispiele« geaäft Flg. * wahlweise mOgliehe Vorrichtung.

Das erfindungsgemäfte Verfahren baut darauf auf, 4al Elnielmeisungen bezüglich des Bohrlochs anmittelbar vor Beginn eines Bohrganges vorhanden sin«, und sorgt während desBebrgantes aufgrund der Metwerte lediglich zweier magnetischer Fühler für eine "Steillagen"- und/dder Magnetfeld-Antelge der Autrichtung der Werkzeug-Stirnfläche. Die beschriebene Vorrichtung vermag bei Bohrlochrichtungen tu arbeiten, ei· um «ehr als etwa 5° von der Richtung des am Bohrlochort vorhandenen erdmagnetischen Feldes abweichen. Für kleinere Winkel lält sich ein entsprechendes Stelllagen-Werkzeug verwenden, da jedoch die Zahl der Einsatzfälle dafür gering ist, genügt es, derartige Stelliegen-Werkzeuge in geringer Anzahl für den jeweiligen Bedarfsfall zur Verfügung zu haben.

-8-

209121/0691

Aufgrund geometrischer Überlegungen nüssen die erdfesten Achsen in die werkzeugfesten Achsen um den Azimutwinkel Ψ, den Meigungsiiinkel θ und den Rollwinkel 0 gedreht werden.

Gemäß Fig. 1, in der das Bohrloch nit 10 bezeichnet ist, sind die erdfesten Achsen wie folgt definiert:

ON horizontale Nordrichtung,
^ OE horizontale Ostrichtung,

OV Vertikalrichtung nach unten. Die werkzeugfesten Achsen"sind wie folgt definiert:

OX verläuft senkrecht zur Bohrlochachse und in Richtung des T-förmigen Bohrkopfes,

OY verläuft senkrecht zur Bohrlochachse und senkrecht zur Richtung des T-förmip;en Bohrlcopfes,

OZ Bohrlochachse.

Das erdfeste Achsenkreuz fällt aufgrund folgender urelumgen im Uhrzeigersinn mit dem v/erlczeugfesten Achsenkreuz zusammen:

j (a) Drehung um OV un den Azinutwinkel V (s. Fig. 2). Ein Vektor V mit den Vektorkomponenten \\, längs ON, Vp längs OE und Vy längs CA'

! erhält die Komponenten V^₁ längs OK-j , Vp₁ län'rs HE₁ und V,_r län^s OV, wobei

j V_{n 1} = V₁₁, cosy + V sin ψ ,

209821/0691 BADORlQ₁NA₁.

Cb) Drehung um CE.. um den Seitenwinkel 9 (s. Fig, 3). Der Vektor V mit den Komponenten V,,.. längs ON.., Vp₁ längs OE₁ und \^:y längs OV erhält die Komponenten V_fT- längs ON₉, V^₁ längs OE₁ und Vj längs OZ, wobei

V^₂=V₁ cos H-VyS in 9 = V cos θ · cos ψ + V^ cos 9 · sin*!* -VySinÖ. ^VZ ⁼ \'-|^sin9+vv^cos ⁹ ~ V^sinG'COsV +V_psin9· siny +VyCosB.

(c) Drehung um OZ um den Anstellv/inkel 0 (s. Fig. 4.),. Der · Vektor V mit den Komponenten V^₂ längs ON₂, Vp. längs OE₁ und V„ längs OZ erhält die Komponenten Vy längs OXj ν_γ ]ängs OYund V₇ längs OZ, wobei

V_x = V_N2cos0 + V_Ei

= Vj,_f(cos0cos9cos<i^/ - 5ίη03ΪηΨ ) + Vp(cos0cos0sin^tf +sin0cos Ψ ) - V._rcos0sin6,

= V_v(-sin0 cos9cos Lp - cos 0s in Ψ ) 4 V_P (-sin0cos9sin ψ +cos0cos ψ ) + VySin0sin9,

\' = V-TsinecosV + V_r,sin9sin<f/ + V._rcos0. Z H h ν

Falls 9 und f* von einer vorhergehenden Einzelmessung bekannt sind und sich während des nachfolgenden BoHrgaiifes nicht merklich ändern,

kann die Wessung vDn B und B entweder den bei steilen Bohrlö-

x )

cliern benötigten Steillag.en-Parfiraeter 0 oder den bei schwach ab-

I gestellten Bohrlöchern benötigten Hagnet-Parameter ψ + 0 ergeben, j

^: da 1',VN]₁ für jede betrachtete Stelle bekannt ist. Wie diese Parameter ermittelt werden, wird anhand Fig. 5 erläut,e_;rt, in der j

2 0 9 8 2 1/0691 SAD ORiGtNAU

die Bohrlochsohle im Schnitt gezeigt ist, wobei die Bohrlochrichtung vor dem erneuten Bohrgang bestimmt wird, um den Neigungswinkel θ und den Azimutwinkel V zu erhalten. £ , der Winkel zwischen der Anstellrichtung und der Richtung der Komponente des erdmagnetischen Feldes B~ in dieser Ebene, ist eine Funktion von Θ, Vj/ und dem magnetischen I'epressionswinkel £> an der Bohrlochstelle. Diese Funktion kann vor dem Bohrgang berechnet werden. Längs der werkzeugfesten Achsen angeordnete Magnetfühler ergeben die Werte Κ·Β und K*B , wobei B und B die Komponenten von B in Richtung der werkzeugfesten Achsen sind und K eine Konstante ist. Falls Κ·Β und K'B dem in Fig. 6 gezeigten Ausgabe-Servoresolver zugeführt werden, ergeben der Zeiger und die Anzeigeskala den Winkel r,

wobei ^HL-I = ~^By . Somit ist r = cos r -^-

Der benötigte Anstellwinkel 0 =£-"2f = £,⁺ r kann nach einer der folgenden drei Möglichkeiten erhalten v/erden:

(a) Lies den Winkel r auf der Anzeigeskala und addiere £, was 0 ergibt.

(b) Drehe die äußere Anzeigeskala bezüglich des Zeigers um den Winkel £ entgegen dem Uhrzeigersinn vor dem Bohrvorgan£_; dann ergibt die Zeiger/Skala-Anzeipe unmittelbar 0.

(c) Drehe den Zeiger gegenüber der äußeren Skala im Uhrzeigersinn um den Winkel £. vor Durchführung des Bohrganges. Dann vermittelt die Zeiger/Skala-Anzeige unmittelbar den Wert φ.

-11-

209821/0691

ORIGINAL

■■""- 11 - "" ■""" 2156Π0

Bei der weiter unten beschriebenen bevorzugten Anlage wird von der Möglichkeit (c) Gebrauch gemacht, indem die Vektorkomponenten ICB und K*B um den Winkel £ gedreht werden, bevor sie dem Ausgabe-Servoresolver zugeführt werden.

Die Magnet-Steuerparameter lassen sich auf entsprechende Weise erhalten, indem eine Korrekturgröße £' addiert wird, wobei £' wiederum eine Funktion von Q,ψ und <f ist.

Fig. 6 zeigt eine herkömmliche elektro-mechanische Servoresolvereinheit mit einem Motor 61, der über einen verstärker 63 von einem. Resolver 62 gesteuert wird und mit dem Resolver über ein Untersetzungsgetriebe 64 und eine Kupplung 65 gekoppelt ist, wobei der Resolver um einen durch einen Zeiger 67 auf einer Skala 66 angezeigten Winkel verdreht wird, wenn elektrische Signale, die den Sinus und Cosinus dieses Winkels darstellen, den entsprechenden Resolvereingängen 68 und 69 zugeführt werden.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei eine zweckmäßige Anordnung der Bauteile dieser Einrichtung in schaubildlicher Darstellung in Fig. 8 gezeigt ist. Die ÜX- und OY-Fühler 71 und 72 am Standort des Bohrwerkzeuges im

,Bohrloch geben die Signale Y_„ und V_Ry an den Signalgeber 73, der diese Signale einer Resolverstufe 74 an der an der Oberfläche befindlichen Bohrstation übermittelt, von wo modifizierte Signale

i
V,,_Y1 und V_nv1 zu einem Anzeigegerät 75 gelanren, das den erfor-

derlichen Winkel r anzeigt.

-12-

20982 T/0691

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der WerRzmig-Steuereinrichtung » d.h. der in Mf. 8 geseiften Steuer-Iiilfseinrichtraig zur Ermittlung der Werkzeugausrichtung» ist der an der Bohrsohle befindliche Abschnitt ST ra.it Hilfe von Führungen 82 gegenüber den T-förmig geschlitzten Kopf 83 dies SchlaKE-^otors in einer festen Lage gehalten und enthält zwei I'agnetfluPtore 84, 85* die normalerweise mit dem T-förinigen Schlitz fluchten ΐΐηο derart angeordnet sind, daß ihre Ansprech-Achsen die oben erwähnten OX- unJ: OY-Achsen sind. Dieser Abschnitt SI enthält ferner eine zugeordnete Signal-Verarbeitungsstufe 86, die eine Sifnalübemittlung mit Hilfe einer herkömmlichen Impuls-^'odulationstechnik über einen einzigen Leiter 87 in einer Schutzhülle 88 ernöglicht, welche die Erdrückleitung bildet. Der an der Oberfläche befindliche Abschnitt enthält eine Stufe 89, die eine Stronversorpungsstufe 90, eine Impulsempfangs- und -wiedergabestufe 91 und eine Rechenstufe 92 aufweist. Die Winkel ψ und θ v/erden auf Wählscheiben 9 3 bzw. 94 eingestellt, so daß die diesbezüglichen Informationen der Rechenstufe zugeführt werden. Die Stufe 89 enthält ferner eine Anzeic;estufe 96 in Form eines Servoresolvers 9 7 und einer Anzeigeskala 98. Ein Meßgerät 99, das die Stärke des erdmagnetischen Feldes in der Heßebene BOXY anzeigt, ist in der Baueinheit 89 angeordnet. Das ließgerät 99 zeigt die berechnete Feldstärke, die von der Rechenstufe 92 ausgegeben wurde, und gleichzeitig oder wahlweise zu Vergleichszwecken die gemessene Feldstärke an, die vom Servoresolver 97 über eine Leitung 100 zugeführt wird.

-13-

209821/0691 8ADORfGjNAL

Ar b e i t epr in ζ ip:

Oie Komponenten des erdnagnetischen Feldes in Richtung der oben definierten, erdfesten Achsen sind -wie folgt:

ß,, in Iliciituiig OK (Norden),
^uIl in Richtung OE (Osten) ₃
B_v in Richtung Q\^T (vertikal nach unten) .

'ie Komponenten des erdmagnetischen Feldes in Richtung OX und OY ( der oben definierten werkzeugfesten Achsen sind somit:

B_x=B_n(cos0cosQcos ^-sin^-sinf ) -ByCos0sin0 (1)

in Richtung OX,

Β_γ= -B,. (sin0cos9cos4i + cosßsiny ) + B^ sin^sin© (2)

in !dichtung OY.

,,'ie Fir. 0 zeif.t, v/erden Analo.rspannungen V„_v = K*B„ und Vg^=K*Β_γ, die von den Fülilcrn der am Bohrloch befindlichen Sonde erhalten ι

v/erden, dein i'esolver zugeführt ,der vorher auf den Winkel £, eingestellt wurde, wobei

sin£= -P-sin ψ (3)

cos£,= !'(cosecosV - tan^sin^) (4)

t ^BV

V UiIu I .sind positive Konstanten und tan ö .=--?,— . Der Viert

TI

von £ ist unabliän^ip: von Π und B_v und ergibt sich aus der Einzelciessuny von ψ und θ unnittel!>?ir vor dem Bohrvorgang sowie dem l.'ert des '-cprt ssionsv/in· el s 6 -tu vier ßohrs teile. iis gilt

-14-209821/0691 ^QAD OHi_GINal

_₁₄_ 215611Q

C - - sin

^c cosöcosy -tän<$

Die Ausgangssignale dieses Resolvers sind V_RY, und ν_ργΙ, wobei infolge einer Drehung von V _γ und ν_ργ entgegen dem Uhrzeigersinn um den Winkel £

^VBY' ^{= V}BY^COS ^ ⁼

^VBX· ⁼

ft V„y, und -Vjvy, sind die Eingangssignale eines in Fig. 10 gezeigten Servoresolvers, der den Resolver 101, den Verstärker 102, den Motor 103 und das Untersetzungsgetriebe 104 enthält, das den Zeiger 105 im Uhrzeigersinn um den Winkel r verstellt, wobei

sin r ₌ _ ^BY_^ _m

cos r V_BX, ^lbJ

Die Pesolver-Ausgangssignale dieser Stufe sind Null und V^yy, wobei

^VBOXY- -^VBY·· ^{Sin r + V}BX'· ^{COS r} = (^V^_v ⁺ Φ¹⁷²'

I)A

Aus den Gleichungen (6), (7) und (8) ergibt sich

sin r _ -VByCOSi+ V_flXsinI ₍₁₀₎

cos r VgySiri ^+T' „cos

Unter Verwendung der Gleiclumpen (1) und (2) erhält man sonit

cos£sin0cosPcos^ + cos£cos^sin^-cos£ tan<JsinJ?sinO

sin

sin0 /cos £ ()

+COS0 £sin£ (cosHcosy -tan^sinft) + cos COS0 £cos f (cos9cosV-tanÄsih9]i - sin £ sin ψ]

-sin0 £sin £ CcosOcosV-tan 6 sinö) + cos £ sintyj -15-

209821/0691

Durch F.insetzen der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich unmittelbar

sm
cos

in r _ sinft (cos £+sin £) + ^c ^osft (sin£cos £-cos£sin £ )
os r COS0 (cos^z£+sin²£) - ' smß (sfh£~cos£-cos£sin £ )

= sin0

Somit ist der Ausgabewinkel r eindeutig der Anstellwinkel 0.

Falls die vorgegebene I-.esolververstellung im den Winkel £' erfolgt,

sin £' = -P-sinP sin f tan ^ (11)

cos £' = P*(1 - sinP cos ψ tan ^) (12)

und Γ eine positive Konstante ist, dann ergibt die Einrichtung für geringe Winkel 9 einen Anzeigevinkel r, der gleich dem Magnetpeil-Steuerparameter m ist, wobei m - 0 + ψ. Es gilt,

sin r . -fo^cos V ⁺ ^VBX^sin V (13)

cos r Υ«γsin £' + \'_B„cos £

Für den Fall kleiner Winkel θ werden die Gleichungen (1) und (2)
zu

B_v = B„cos m - B^rSinecos^cos m - B,_rsin9sin m sin V' (14)

All V V

, By= -Bj.sin m + BySinSsin m cosV+ B^sinBcos m siny (15)

Somit :

sin m/pos P (i-sinocosftani)- sin£' sinGsin^tan 4j j

sin r = +cos ΐΒ^ίη£'(1 - sinQcosytang) + cos/'sinQsinytanij !

j cos r cos m£cos £'(i-sin0cosVtan<i) - sin^'sinesinvtan Jf^ I

' -sin m^in£'(i-sinGcosytanÄ) + cos/'sinösi:

209821/0691

2 2

(cos <p + sin I*) + cos πι (sinf cos £'-cos £'sing') _ sin m

cos in

sin m(cos <f' + sin £') + cosm (sinf cos £'-

cos m (cos £' + sin £')- sin η (sin£' cos £' -cos £' sin £' )

Der Anzeigewinkel r ist somit ßleich dem ^Magnetpeil-Steuerparaneter m.

Berechnung der Vorgabewinkel £und £'

^ Die Werte von £. und £' sind unabhängig von den Ausgängen V_py und Vgy der Sondenfühler und sind lediglich eine Funktion der bekannten Geometrie des vor Durchführung des Bohrganges vorhandenen Bohrlochs und des Erdmagnetfeldes an der Bohrstelle. Hs gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten, die £ und fj -Werte zu ermitteln und zur Nulleinstellung des Pesolvers zu verwenden. Bei allen drei Möglichkeiten wird entweder unmittelbar oder mittelbar £ berechnet aus

. ς - sin Ψ πγί

cosOcosy- tan S sin«

W und £' berechnet aus

:t ₌

_ sin«cosytan £

(17)

Diese Berechnungen können entweder ein einziges Mal für jeden Satz von if , 9 und ^-Werten durchgeführt und das Ergebnis tabelliert und zur Verwendung für sämtliche später vorkommenden Anwendungsfällen abgelegt v/erden (in nachfolgenden die '¹OgIi chkeit

a). l/ahlv:eise können £ und £^f aucli ir Bedarfsfall f'".r den vorliegenden Satz von (f, P, und ^-I\'erten berechnet Kerdci. Pie Berechnung kann getrennt jeweils vor einer Bohrwerkzenglauf vorge-

-17-

2G9821/069T

BAD

nomraen v/erden, beispielsweise unter Ansteuerung eines Rechenzentrums (im nachfolgenden Möglichkeit b), oder in einer Recheneinrichtung durchgeführt xverden, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Ausrichtung selbst enthalten ist (Möglichkeit c). :

Figur 11 zeigt ein Blockdiagranm zur darstellung der Möglichkeit

a. Der Bedienungsnann erhält die ψ-, Θ-Werte aus der unmittelbar vor dem Werkzeuglauf vorgenommenen Einzelmessung und entnimmt die entsprechenden £- und £,'-Werte aus vorher berechneten Tabellen, welche sämtliche £,- und £·-Werte an der Bohrlochstelle für irgendbeliebige V-, Θ-Werte abgeben. Dann stellt der Bedienungsmann den Resolver entweder auf den £- oder £'-Wert ein, je nachdem, ob zur Steuerung der Anstell- oder der iagnetpeil-Parameter benötigt wird.

Figur 12 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung der Möglichkeit

b. Die vor dem Werkzeuglauf aufgrund einer Einzelnessunf erhaltenen *f-, Θ-Werte werden entweder unmittelbar oder über den Bedienungsmann einen Rechenzentrum zugeführt, wo die Berechnung der entsprechenden £- und £'-Werte vorgenommen wird (oder diese Werte werden aufgrund vorhergehender Berechnungen ermittelt). Das Re-

i chenzentrum informiert dann den Bedienungsmann über den £- (oder

£'-) Wert, auf den der resolver vorher einzustellen ist.

Figur 13 zeigt ein Blockdiagramn der iöglichkeit c. In diesem ι Fall bildet die £, £^f -!'echenstufe einen Teil der Werkzeug-Steuer- ' vorrichtung. Der Bediemuigsnmnn hat lediglich die verhältnismäßig '

-18-

209821/0691 ^ÖA*> ORIGINAL

einfache Aufgabe, die aufgrund der Einzelmessung erhaltene *f-, ©-Information unmittelbar in die am Bohrloch befindliche Einrichtung einzugeben. Die Berechnung von £ und £' sowie die Pesolver-Nulleinstellung erfolgen in der Werkzeug-Steuervorrichtung. Die Möglichkeit (c) erfordert zwar eine verfeinerte und somit auch kostspieligere Ausbildung der Werkzeug-Steuervorrichtung, hat jedoch den äußerst wichtigen Vorteil, daß die an den Bedienungsmann gestellten Anforderungen weit weniger kompliziert als bei der Möglichkeit (a) oder (b) sind.

Berechnung von £oder £'.

£und £' könnten natürlich aus den Gleichungen (16) und (17) unter Verwendung eines entsprechend programmierten Digitalrechners ermittelt werden. £ und £' stehen jedoch in enger Beziehung zu Vektordrehungen und werden zweckmäßigerweise durch ein Analogverfahren berechnet. Die wesentlichen Merkmale des £-,£'-Analogrechners sind in Fig. 14 gezeigt. Die Winkel ψ und θ werden an Resolver 141 bzw. 142 eingestellt, von denen Produkte, beispielsweise -By sinösiiV ermittelt und einem Servoresolver 143 zugeführt werden können, dessen Resolver 144 sich selbsttätig auf den gewünschten Winkel £oder £' einstellt und ferner B₀^ ausgibt.

Die wichtigsten Vorteile einer derartigen Einrichtung sind:

(a) Entweder Anstell- oder Magnet-Steuerparameter lassen sich durch Betätigung eines fünf-poligen Zweiwegschalters wählen.

(b) Die Ausgaben £und £^f des Pechners erfolgen in Form einer

Drehung einer AbtriebsvrelIe, die zur unmittelbaren Einstellung des Vorschaltresolyers verwendet werden.kann. -19-

209821/0691

ORIGINAL INSPECTED

(c) Die Einrichtung, ermittelt auch den voraussichtlichen Wert von Βπγγ» ^^{er zur} überwachung der Einrichtung mit dem gemessenen Wert von Β^γγ (s. Gleichung 9) verglichen werden kann. Die Größe von Bfwv kann auch dazu dienen, den Bedienungsnann zu warnen, falls er versuchen sollte, das Werkzeug in einer Sperrzone zu betätigen. (I in einwandfreies Arbeiten läßt sich nicht bei einer Bohrloch-Geometrie erreichen, bei der die Bohrlochrichtung der Richtung des Frdn»agnetfelds stark angenähert ist, da in diesen* Fall V_Ry und V„_Y sehr klein sind. Derartige Fälle sind jedoch äußerst unwahrscheinlich)·

Bei der in Fir. 15 gezeigten Anordnung werden zur Ermittlung des ^orschaltwinkels £ oder£' die "öglichkeiten a oder b verwendet, und der Vorschaltwinkel wird in die Anzeige nit Hilfe einer NuIleinstellunp auf einer geeigneten Skala des Anzeigegerätes eingeführt .

Der an der Bohrlochsohle befindliche Abschnitt ISI der Einrichtung ist so aufgebaut, wie er in Verbindung nit Fig. S beschrieben wurde. Der «in der Oberfläche befindliche Teil der Einrichtung enthält eine baueinheit 152, die eine Empfangs- und Signalwiedergabestufe aufweist, eine Anzeigestufe 153 und ein "ePgerät 154, das die Stärke des Erdmagnetfeldes in der ^Meßebene ΟΎ anzeigt. Der Servorcsolver 155 ist in der Anzeigestufe angeordnet. Der Zeiger 156 der Anzeigestlife bewegt sich über eine Skala 157, die ihrerseits un einen irgend beliebigen Winkel ur die Rotationsachse des Zeigers gedreht werden kann.

-20-

209821/0691

BAD ORIGINAL

Pas Arbeitsverfaliren ist wie folgt:

(a) Der Bedienungsmann erhält di<. Neigungs- und Azirmtv/inkel von dem unmittelbar vorhergehenden Finzellauf und wird von dem Bohrführer darüber informiert, ob entweder der Anstell- oder der Ma f.net-Steuerparaneter benötigt wird.

(b) Unter Verwendung dies'er Information und mit Hilfe der tabulieren £ (oder £') Vierte für die geographische Lage der Bohrstelle ermittelt der Bedienungsmann den entsprechenden Wert von

f(oder £') und den voraussichtlichen Wert des magnetischen Feld· Stärkeparameters B.

(c) Der ßedienungsmann stellt die drehbare Anzcireshala 157 auf den ermittelten IVe rt von £ (oder £') ein.

(d) Das Werkzeug wird dann in das Bohrloch geführt und wiederholt aufgesetzt, bis nacheinander drei identische Ausrichtungen der Werkzeug-Stirnfläche erreicht v/erden. Der Bedienungsmann überprüft ferner die Anzeige des Meßgeräts für die I'agnetfeldstärke mit dem vermuteten Β^γ-V.'ert.

(e) Falls (d) in zufriedenstellender Weise zu l'.ndc geführt wurde, kann der Bohrvorgang fortgeführt werden, und während des Bohrens wird der Bedienungsmann kontinuierlich über den erforderlichen Steuerparameter, nämlich entweder den Pollwinkel ψ oder den ^Magnetwinkel m =ψ+ ψ unterrichtet.

-21-

20 9 8 2 1/0691 ^8AD orioinal

(f) Bei Fortführung der Bohrung wird der Wert von £ (oder £') korrigiert, wenn jeweils eine Gruppe von Momentananzeigen erhalten wird.

In einem beispielsweisen Betriebsfall \\drd eine Anstell-Information für einen Werkzeuglauf an einer Bohrstelle benötigt, an der die Parameter des Erdmagnetfeldes B, = 0,187 und B =? 0,434 (c.g.s) sind. ^f'omentannessungen unriittelbar vor den Werkzeuglauf ergeben Azimut- und Ablenkwinkel ψ = 545°W bzw. θ = 15°. Die "festen" Parameter zur Zeit des Werkzeuglaufs sind somitV = 225 , θ = 15° und S = tan"¹B_y/B_h = 66°42', Für diesen Satz "fester Parameter" findet sich als entsprechender Wert von £ in den aus der Gleichung (5) entwickelten Tabellen £= 151°. Dieser Wert von £ wird auf der £-Skala der Anzeigeeinheit eingestellt. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die -'agnetfeldkomponente c² ₊ B_y2

=\ß_h ² (cos²9cos²f +sin²y0 +B_vsin²P-2B_vB_hsin9cosecosf

und aus den auf dieser Gleichung beruhenden Tabellen von Bq^ läßt sich als der dem Satz "fester" Parameter entsprechender Wert für ΰβνγ = 0,274 ablesen. Pie Arbeitsschritte (a), (b) und (c) sind nunmehr beendet und die Arbeitsschritte (d), (e) und (f) können durchgeführt werden.

-22-

209821/0691

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen der Ausrichtung des Bohrkopfes in einem Bohrloch, dadurch gekennzeichnet, daß am Standort des Bohrwerkzeuges im Bohrloch die Vektorkomponenten des erdmagnetischen Feldes in bezüglich der _mit de-n Bohrloch fluchtenden Werkzeug-Hauptachse festgelegten Richtungen erfaßt, die Vektorkomponenten vom Standort des Bohrwerkzeuges aus übermittelt und die übermittelten Werte auf die bekannte räumliche Ausrichtung der Werkzeug-Hauptachse bezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Vektorkomponenten in Richtung zweier der drei Werkzeug-Hauptachsen verlaufen, wobei die dritte Werkzeug-Hauptachse die mit der Bohrlochachse am Standort des Bohrwerkzeuges fluchtende Werkzeug-Hauptachse ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die übermittelten Vektorkomponenten entsprechend der Richtung und Neigung der Bohrlochachse am Standort des Bohwerkzeuges umgewandelt werden. -2 3- I

,209821/0891

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gckennzclehnet, daß die übernittelten ^'ektorkorcponenten dadurch umgewandelt v/erden, daß sie auf (¹Ic Komponenten des erdnagnetischen Feldes in ^richtung der gegenüber der magnetischen .'.'ordrichtimf·- um den Azimutwinkcl der Fohrlochachsc bzw. gegenüber der Vertikalen um den Neigungswinkel der Bohrlochachse gedrehten Hauptachsen bezogen werden.

5. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als räuriliche Ausrichtung, der V'erkzeug-IIauptachse die vor einer Bohrvorgang emittelte richtung des Bohrlochs verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übermittlung der ermittelten Vektorkonponenten vom Standort des Bohrwerkzeuges diesen I'.omponenten proportionale Signale übermittelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sigaale durch eine durch das Bohrloch verlaufende Leitung zwecks Empfangs an der Bohrstation übernittelt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Daten zum Umwandeln der Komponenten des erdnagnetischen Feldes an der Bohrstation in ein winklig verdrehtes Koordinatensystem berechnet und in die Berechnung der Aus-

die

richtung des Werkzeuges^ aufgrund der je v/ei Ii gen, von dem Standort des Werkzeugs übermittelten l-'erte der festgestellten ~om-

erfolgt ponenten der magnetischen Feldst:"r e/^ing'eführt werden. -24-

20982 1/0691 bad original

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten vorher berechnet, gespeichert un-Λ selektiv abgerufen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten zwecks autonatischer "'odifikption der angezeigten Ausrichtung des . Werkzeuges berechnet und eingeführt werdei!.

11. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeug-Ausrichtung in Form eines Anstellwinkels (0) ermittelt wird.

12. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeug-Ausrichtung in Torr eines "'agnetpeilwinkels (ψ+ 0) err ittelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurcli gekennzeichnet, daß die Werkzeug-Ausrichtung wahlrcise entweder als Anstellwinkel (0] oder als ''agnctpeilwinkel (y + ΐ') zur Verfügung steht.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ajisprüc>c, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung des Werkzeuges während des Bohrvorganges kontinuierlich angezeigt und dadurch das Bohrwerkzeug im Bohrloch gesteuert wird.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Zuspruch 1, gekennzeichnet durch Fühler (84,85) zun !".mitteln der narnetischen Feldstärke, einen r>it den Fühlern in einen gereeinsai -<n,

_ ο r: „ *"

209821/0691

8AD ORIGINAL

in einer vorgegebener, festen Lage am Bohrkopf anbringbaren f.ehuuse (31) untergebrachten Signalgeber (86,87) und eine

rig 0*9), ^c'ic einen rait dem Signalgeber (86,37) den Empfänger (21), einen mit dem Empfänger gekoppelten ^resolver (96) zur Angabe eines von der an den Fühlern ermittelten Information abhängigen /,'inkels sowie eine Stellvorrichtung (93,94; 157) enthält, durch die die Winkeleingabe des -esolvers (96) xiv einen vorgegebenen Betrag verimr'crbar ist.

1<>. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Rechenstab (141,142 ,143) zur Ermittlung eines von der Lage des ;>ohrlochs und der Xeigung des unteren Bohrlochendes abhängigen Bezugsvv'inkels und eine Anzeigeeinrichtum (153) zur Darstellung des vom resolver (9ö) angegebenen Kinkels relativ zum i>e ζ ug s winkel.

17. i.Liiriciituiir zur Anzeir.e der Ausrichtung eines Bohrkopfes in einen bohrloch, gekannzolehnet durch einen Fernkompaß (81) i.:it oinei.i in einer vorgebbaren La^p am Bohrkopf (83) anbring-Uarcii ,cßv/erti-.eber (84,85) und einer ir-it dem ?jeßwertgeber verbindbar en 'eclie.'.- und /nzeigeeinrichtung (89), die an der Lourstatioii eine von den Signalen des am Bohrkopf im Bohrloch an, -/brachten . iei>v.'ertgebers (i^:.4,85) al)geloitete Winkelanzeige liijfurt, v.'oboL dor ,'eßworti eber bezüglich der Hohrwerkzeugiichsou einrestellte stat isc-ie elektromagnetische Fühler (l>3,84) enthält, durch die nit Hilfe der Rechen- und Anzeigeeinrichtung («·.)} dor cue Ausrichtung de.; V.'erl.zeugos liozüglich eines

-26-

_ 20982 1/0691 SAD or/qi_Nal

durch die Werkzeugachsen gegebenen ßezugs-Koordinatensystems darstellende Winkel err.dttelbar ist, und eine Stellvorrichtung·· (141,142,143,157) vorgesehen ist, durch die die Mullage des Winkel-Anzeigegeräts (153,154) entsprechend einen von der Lage der Bohrstation und der .icigung des Bohrlochs am Standort des Bohrwerkzeuges abhängigen Bezugswinkel einstellbar ist.

18. Fernkompaß, gekennzeichnet durch feste, in einer vorgegebenen Lage an einen Bohrkopf (33) anbringbare Fühler (84,85) und ein an der Bohrstation einsetzbares Anzeigegerät (99,96,153) mit einer nach £- und/oder £'-Werten unterteilten Nullpunktskala zur unmittelbaren Anzeige des Rollwinkels und/oder der Ilorizontalausrichtung des VJerkzeuges (83).

19. Iernkompaß nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, da^ das Anzeigegerät ein Resolver (96,153) ist.

2098Ü 1/0691

8AD ORJGiNAL