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Steuerung für Bohreinrichtungen Die Erfindung bezieht sich auf Steuervorrichtungen
für Bohrgeräte, wie sie beispielsweise zum gerichteten Bohren von Ölbohrlöchern
Verwendung finden, mit einem am unteren Ende eines Bohrgestänges montierten'Bohrmeißel,
der um eine zur Längsachse des unteren Endes des Rohres geneigte Achse drehbar ist.
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Solche Bohreinrìchtungen haben eine feste Neigung, die im folgenden
als Bohrwinkel bezeichnet werden soll, bezüglich der Bohrgestängeachselund die vollständige
Vorrichtung ist im Gebrauch starr am unteren Ende des Bohrgestänges oder Bohrrohres
befestigt. Zum Bohren in einer anderen Richtung ist es daher erforderlich, entweder
den Bohrer neu zu orientieren, indem man das Bohrrohr dreht oder das vollständige
Bohrgestänge
abzuziehen und die Vorrichtung durch eine solche mit einem geeigneteren Bohrwinkel
zu ersetzen.
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Es ist schwierig, den Winkel zu schätzen, über den sich das untere
Ende des Bohrgestänges als Ergebnis der Drehung am oberen Ende über einen gegebenen
Winkel drehtound der Zwang zum Abziehen des vollstandigen Bohrgestänges zum Ansetzen
i-r Vorrichtung in aufeinander folgenden Zeitabständen verbraucht beträchtliche
Zeit der teuren Bohraillage. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung,
mit welcher diese Schwierigkeit und dieser Zeitverlust überwunden werden können.
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Erfindungsgemäß enthält eine Steuervorrichtung zum Einbau am unteren
Ende eines Bohrrohres in der N&he des Schneidmeißels od.dgl. zur Steuerung einer
Rich tungsbohrung Servo- oder Hilfseinrichtungen zur Anderung des Bohrwinkels (im
folgenden als Winkelservoeinrichtung bezeichne4, ferner Servo- oder Hilfseinrichtungen
zum Drehen der Steuervorrichtung oder wenigstens eines Teiles davon, der mit dem
Bohrmeißel gekoppelt ist, bezüglich der Bohrrohrachse, um die Vorrichtung ohne Änderung
des Bohrwinkels umzuorientieren (im folgenden als "Orientierungsservoeinrichtung"
bezeichnet), und Einrichtungen zum Programmieren und, oder Kontrollieren der Servo-
oder Hilfseinrichtungen durch von der Bohrlochsohle kommende Signale.
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Die Steuervorrichtung kann unmittelbar an den Antriebsvorrichtungen
für den Bohrmeißel befestigbar sein, die normalerweise einen sogenannten "Schlamm-Motor
enthalten, der seine Leistung von der Strömung des Bohrschlamms längs des Bohrrohres
erhält. Gegebenenfalls können die Steuervorrichtung und die Bohrvorrichtung auch
als Einheit hergestellt sein, in welchem Falle die Erfindung eine Bohrvorrichtung
einschließlich der Antriebsvorrichtung
für den Bohrmeißel und die
erwähnte Steuervorrichtung vorschlägt.
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Die Steuervorrichtung kann eine einrichtung zur Erzeugung einer hydraulischen
und, oder elektrischen Leistung umfassen oder an einer solchen befestigbar sein,
um die Leistung für die Servo- oder Hilfseinrichtungen und die zugehörigen Kreise
abnehmen zu können. Vorzugsweise sind der die elektrische Leistung erzeugende Generator
und/oder der hydraulische Generator von einem getrennten "SchÇammtt-Motor angetrieben.
Gegebenenfalls und insbesondere dann, wenn die Steuervorrichtung in einer Bohrvorrichtung
mit den Bohrmitteln selbst eingebaut ist, kann der Generator mit dem ttSchlamm"-Motor
gekuppelt sein, welcher den Bohrmeißel antreibt.
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Vorzugsweise umfaßt die Steuervorrichtung elektronische Einrichtungen
einschließlich Sensoren in einer Sensoreinrichtung zur Messung der Komponenten des
magnetischen Erdfeldes und, oder des Gravitationsfeldes, wobei Ausgänge entstehen,
welche diese Messungen in bestimmter Weise kombinieren, wie sie durch ein festes
innerhalb der Steuervorrichtung arbeitendes Signal oder durch Bohrferninstruktionen
oder durch eine Kombination beider Maßnahmen definiert sind. Die mathemasische Basis
der Bestimmung der Neigungen und der Winkelstellung der Sensoreinrichtung von den
Sensorablesungen wird später näher erläutert werden.
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Die Bohrinstruktionen können zu der Steuereinrichtung entweder durch
Handvoreinstellen elektrischer Steuereinrichtungen vor dem Absenken der Steuer-
und Bohreinrichtungen in das Bohrloch gegeben werden oder ferngesteuert
mit
Hilfe von Einrichtungen, die eine Kommunikationsverbindung zwischen der Oberfläche
und der Steuereinrichtung herstellen und die in das Bohrloch abgesenkt werden. Solche
Einrichtungen werden später als "Programmträger" bezeichnet. Der Träger kann eingestellt
werden, um besondere Servo- oder Hilfswinkel zu steuern oder Ein/ Aus-Instruktionen
zu geben, beispielsweise dann, wenn der Bohrwinkel durch die Winkelservoeinrichtung
von Null bis zu einer vorbestimmten Grenze von 50 beweglich ist, jedoch nicht auf
Zwischenwerte unterhalb dieser Grenze einstellbar ist. Es können auch Mittel vorgesehen
werden, um sicherzustellen, daß dann, wenn der Programmträger die Bohrvorn richtung
erreicht, dieser genau im Winkelsinn bezüglich eines Programmempfängers ausgerichtet
wird, der in der Vorrichtung am hinteren Ende eingebaut ist. Der Programmempfänger
identifiziert das oder die entsprechenden besonderen Kommandos, die in den Träger
eingestellt sind und diese Kommandos können durch die Winkelstellung von Magnetstäben
bestimmt feines die einstellbar am vorderen Ende des Trägers montiert sind, wobei
die eingestellten Stellungen derselben durch Flußtore oder Hall-Effektvorrichtungen
im Empfänger abgetastet werden.
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Eine Richtunsbohrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die
am unteren Ende eines Bohrgestänges montiert ist, soll im folgenden anhand de Zeichnungen
näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 ein Diagramm zur Wiedergabe
der am Bohrrohr und an einem Bohrmeißel befestigtew Vorrichtung; Fig. 2 ein Diagramm
zul Wiedergabe des Verfahrens zur Ausfluchtung eines Programmträgers der Vorrichtung
bezüglich des Bohrrohres; und in
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer
Orientierungsservoeinrichtung der Vorrichtung.
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Die Vorrichtung 1 enthält sechs Abschnitte, die in einer Linie axial
bezüglich der Vorrichtung angeordnet sind und durch welche die Bohrtrübe hindurchfließt.
Das vordere Ende der Vorrichtung ist starr am B?denrohrabschnitt eines Bohrgestänges
2 montiert. Der vordere Abschnitt enthält bei dieser Ausführungsform einen Schlamm-oder
Trübenmotor 8, der den Bohrmeißel 7 antreibt und unmittelbar in der Nachbarschaft
der Winkelservoeinrichtung 5 angeordnet ist, mit der der Bohrwinkel auf Null oder
gegebenenfalls auf einen festen Wert, beispielsweise 20 einer stellt werden kann.
Wenn der Bohrwinkel nicht auf einen anderen Wert einstellbar ist, wird die Servoeinrichtung
als Ein/Aus-Einrichtung durch noch näher zu beschreibende Programmierungsvorrichtungen
gesteuert.
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AuR die Winkelservovorrichtung 5 folgt unmittelbar ein elektrischer
Generator 4; der durch seinen eigenen Trübenmotor angetrieben wird. Darauf folgt
eine elektrische Meßvorrichtung 5 mit Tast- oder Sensorelementen in einer Sensorvorrichtung,
Diese Vorrichtung mißt die Komponenten des Erdmagnetfeldes und des Erdgravitationsfeldes
und liefert Ausgänge zur Steuerung einer nachfolgenden Orientierungsservovorrichtung
6, wodurch letztere in einer Stellung gehalten wird> die durch Programmeingänge
von der Oberfläche oder durch voreingestellte Eingänge gesteuert wird. Die Orientierungsservovorrichtung
6 steuert die Orientierung des vorderen Endes der Vorrichtung 1 und damit die Bohrschneide
7 bezüglich dem Bodenende des Bohrgestänges 2.
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Der hintere Abschnitt der Vorrichtung umfaßt einen
Programmempfänger
9. Er nimmt Programmierungsbefehle von einem Programmträger 11 auf, der eine Kommunikationskette
zwischen der Oberfläche und dem Bohrer herstellt, Winkel- und Ein/Aus-Befehle werden
in den Träger 11 durch mechanisches Einstellen von Magneten lo (Fig. 2) am vorderen
Ende des Trägers eingesetzt, der dann nach unten im Bohrgestänge 2 verbracht wird
und unter der Schwerkraft frei fällt, bis er die Bohrvorrichtung 1 erreicht. Ein
Kerbschub 12 am vorderen Ende des Trägers greift auf einen nach innen vorspringenden
Stift 13 im Bodenrohrteil, wodurch der Programmträger 11 genau bezüglich des Empfängers
9 orientiert wird. Letzterer enthält Tastvorrichtungen für das magnetische Feld,
welche im Programmträer 11 eingestellte Winkelkomponenten und Ein/Aus-Befehle identifizieren.
Die Winkelkomponenbnbefehle dienen zur Steuerung der Orientierungsservovorrichtung
6, während die Ein/Aus-Befehle dazu Verwendung finden, die Winkelservovorrichtung
3 zu steuern, und auch Verwendung finden können, um sicherzustellen.
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daß der Programmträger 11 in der richtigen Stellung innerhalb der
Bohrvorrichtung 1 sitzt.
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Die Vorrichtung kann ein Trübenbypaasventil enthalten, welches bei
Nichteinstellung des Programaträgern betätigt wird und zur Uberbrückung des HaupttrUbeflmotors
dient.
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Bei der beschriebenen Ausführungßform liefert die Vorrichtung 1 eine
Einheit, die den Bohrmotor 8 und ViE Steuereinrichtungen 3, 4, 5, 6 und 9 umfaßt.
Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Steuereinriohtungen auch als getrennte
Einheit hergestellt und an die Bohrvorrichtung angebaut werden können.
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Es ist ferner erkennbar, daß die beschriebene Vor richtung eine genaue
Richtungskontrolle ermöglicht, o@ne
Zwang zur fortlaufenden Reorientierung,
wobei die elektronische Meßvorrichtung sicherstellt, daß der Bohrer der eingegebenen
Richtung folgt unabhängig von Drehmomentabwicklungen im Bohrgestänge oder irgend-einer
Neigung des Bohrmeißels zum Auswandern. Die Tatsache, daß es unnötig ist, den Rohraufwicklungswinkel
zu schätzen, ist von großem Vorteil, da dadurch die Einstellung des Bohrwinkels
auf Null erleichtert wird, ohne daß man den Bohrer aus dem Bohrloch zurückziehen
muß. Will man vom Richtungsbohren auf gerades Bohren übergehen, dann war es nötig,
das vollständige Bohrgestänge zurückzuziehen und eine Bohrvorrichtung einzusetzen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es aber nur erforderlich, aus dem Loch
herauszugehen, wenn man den Bohrmeißel austauschen will.
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Das hintere Ende des Programmträgers 11 weist einen Vorsprung 14
auf, der von einem Greiferschuh an einer Leine erfaßt werden kann, die im Bohrgestänge
nach unten abgesenkt worden ist, so daß der Programmträger zur Neueinstellung von
Befehlen abgezogen werden kann. Nach dem Abziehen kann ein Meßinstrument heruntergefahren
werden, welches Informationen hinsichtlich der Neigung und Richtung der Bohrungen
liefert.
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Die vorliegenden Verfahren zur Orientierung von Bohrungen beruhen
auf einigen 'l'ast-orrichtungen oder Sensoren (gewöhnlich fotografierte schwebende
Pendelmagnetanordnungen), Ubertragung der Ergebnisse zur Oberfläche (gewöhnlich
durch physikalischen Transport des Filmes an die Oberfläche und anschließendes Verarbeiten
desselben) und dann Neueinstellung des Bohrers durch Drehen des obe-ren Endes des
Bohrrohres. Die Entwicklungen der Tast- oder Sensorvorrichtungen
in
Richtung der elektrischen Ubertragung von Orientierungsdaten haben es ermöglicht,
Bohrungen fortlaufend während des Bohrens zu orientieren, jedoch erfordern diese
Entwicklungen die Verwendung eines dbertragungssystems (gewöhnlich eines leitenden
Kabels), und die Steuerung wird noch durch Drehen des oberen Endes des Bohrrohres
ausgeführt.
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Die Orientierungshilfs- oder Servovorrichtung 6 bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendet die Ausgänge -ron den Tast- oder Sensorelementen zum Drehen
des Bohrers bezüglich des unteren Endes des Bohrrohres 2. Eine kontinuierliche Orientierung
während des Bohrens wird ohne Zwang zu einer anderen Art einer Übertragung zur Oberfläche
erreicht. Ein Blockdiagramm der Orientierungssero- oder -hilfsvorrichtung O ist
in Fig. 5 wiedergegeben.
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Ausgänge oder Kombinationen von Ausgängen werden von den Sensor-
oder Tastelementen aufgenommen und werden zu Eingängen an einem Zerlegungs- oder
dechengerät R.
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Diesses Gerät R kann entweder elektromechanisch oder elektronisch
betrieben sein, kombiniert aber in jedem Falle die Eingangssignale wie folgt: Wenn
ein Eingangssignal el und ein zweites Eingangssignal e2 ist, dann ist der Ausgang
eine Funktion von el, e2 und einem Winkeleingangα, so daß Ausgang - el x sin
α, e2 cos wird.
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Der R@chenausgang wird auf einen Hilfsverstärker gegeben, dessen
Ausgang wiederum den Orientierungsservor- oder
Hilfsmotor antreibt.
Dieser Motor arbeitet über ein Untersetzungsgetriebe zur Orientierung des Bohrers.
Dreht sich der Bohrermotor, dann drehen sich auch die Sensor-oder Tastelemente und
die Sensorelementausgänge ändern sich. Der Bohrermotor dreht sich weiter, bis der
Rechnerausgang Null wird.
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Sind die Rechnereingänge ß 1 und # 2, wie es durch die Gleichungen(11)und(12)der
am Ende der Beschreibung wiedergegebenen mathematischen Analyse definiert ist, und
ist der Rechnereingangswinkel i dann orientiert der Servomotor den Bohrer derart,
daß # 1 sin #i + #2 cos # i = 0.
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Einsetzen aus den Gleichungen (11) und (12) ergibt sin e cos sini
- sin e sin # cos #i = °, eine Gleichung, die die Lösung hat # = #i Somit stellt
die Orientierungsservoeinrichtung den Bohrer auf den Eingangswinkel 1 In gleicher
Weise stellt, wenn die Hechnereingänge 41 + ß#1 und #2 + ß #2 sind unter Verwendung
der Gleichungen (15) und (16) der mathematischen Analyse die Orientierungsservoeinrichtung
den Bohrer auf einen Eingangswinkel #ß i.
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Der Rechnereingangswinkel #i oder # Bi wird entweder eingestellt
bevor der Bohrer in das Bohrloch abgesenkt wird oder wird in den Servo mit Hilfe
des Programmträgers eingestellt.
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Die mathematische Basis der Steuergleichungen bei der programmierbaren
Richtungsbohrvorrichtung soll im folgenden noch angegeben werden.
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1) Definition der Achsen Das Achsensystem,definiert durch das Hauptzeichen
"O" ist erdfixiert mit OXo horizontal und nach dem magnetischen Nordpol gerichtet,
OYo horizontal nach dem magnetischen Osten gerichtet, OZO vertikal und nach oben
gerichtet.
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Die Achsen OXYZ, ohne Hauptzeichen sind im Körper des Uberwachungsinstrumentes
fixiert.
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2) Definition der Drehungen Fallen OXYZ und OXOYoZo zusammen, dann
wird OXYZ um die Achse OZ um einen Winkel " #" gedreht, der als Azimuth-Winkel definiert
ist.
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Aus dieser neuen Stellung wird OXYZ weiter durch einen Neigungswinkel
"#" um die Achse OY gedreht.
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Die endgültige Drehung erfolgt wiederum um die Achse OZ über einen
Winkel pl, welcher als Rollwinkel bezeichnet wird.
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3) Koordinatentransformationsmatrizen Aus der klassischen Mathematik
der Koordinatentrans-# formation ist das Verhältnis zwischen jedem Vektor Ax0 im
erdfesten Rahmen und dern gleichen Vektor Ax im
-Instrumentenrahmen
# - AXo = [B] # AX wobei [B] eine drei mal drei, - Matrix ist, die durch die drei
Drehungen wie folgt definiert ist
Bemerkung: Für komforme @ransformationen [B]-1 = [B]x wobei [B]-1 der inverse Wert
von [B] und [B]x die Transposition von [B] ist.
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Daher:
4. Der Gravitationsvektor in den Instrumentenachsen Der auf die erdfesten Achsen
bezogene Gravitationsvektor sei
und de-r auf die Instrumentenachsen bezogene Gravitations-
Vektor
sei
Dann ist
| gx O |
| gy = [B] -1 O |
| gz -g , |
welches ausmultipliziert ergibt: gx = = g sin e cos (1) gy = -g sin # sin # (2)
gz = = -g cos e (5) Messungen der Komponenten einer Schwerkraft auf eine Masse in
dem Instrument ergibt Werte #1, #2 und #3 wobei # 1 α gx (4) # 2 α gy
(5) und #3 α gz (6) 5) Der Erdfeldvektor in Instrumentenachsen Wenn die horizontalen
und vertikalen Komponenten des Erdfeldes mit Hh und Hv bezeichnet werden, dann ist
der Feldvektor bezogen auf die erdfesten Achsen gleich
Der Feldvektor bezogen auf die Instrumentenachsen sei
dann ist
| Hx Hh |
| Hy = B -1 # O |
| Hz -Hv , |
was ausmultipliziert ergibt: Hx = Hh cos# cos #cos# - Hhsin#sin# +Hvsin #cos# (7)
Hy = Hh cos# cos #sin# - Hhsin # cos # -Hvsin#sin# (8) Hz = Hhcos# sin# - Hvcos#
Die Gleichungen (7) und (8) lassen sich umstellen zu Hx -Hv sin#cos# = Hhcos # cos#cos#
- Hhsin#sin# (9) Hy +Hvsin#cos# = Hhcos # cos#sin# -Hhsin #cos# (10) Messungen im
Instrument ergeben drei Werte #1 #2 und#3 wobei #1 α Hx #2 α Hy #3 α
Hz ist.
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Aus den Gleichungen (1) bis (6) läßt sich ableiten #1 α sin#
cos # (11) #1 α -sin # sin # (12)
Setzt man in die Gleichungen
(9) und (lo) ein, dann ergibt sich #1 + ß # 1 αcos# cos#cos# - sin # sin#
(13) #2 + ß # 2α -cos # cosOsin# - sin # cos# (14) wobei ß konstant ist.
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Für vergleichsweise kleine Werte von # (20°> e )0) können die
Rotationen # und # als in der gleichen Ebene vor sich gehend angesehen werden und
der Winkel # + # ist eine gute Annäherung an den Winkel zwischen den Achsen OXo
und OX. Dieser Winkel. ist definiert als der Körperachsenazimuthwinkel# B Dann gilt
für e < 200 # ß # # + #.
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Die Gleichungen (1D) und (14) lassen sich umschreiben (cos # ist
gleich 1 gesetzt) zu # 1 + ß #1 α cos # ß (15) #2 + ß #2 α -sin # ß
(16).
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Patentansprüche: