DE2211734B2

DE2211734B2 - Steuerung für Bohreinrichtungen

Info

Publication number: DE2211734B2
Application number: DE2211734A
Authority: DE
Inventors: Michael King Cheltenham Russell (Grossbritannien)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-04-08
Filing date: 1972-03-10
Publication date: 1974-06-27
Also published as: NL7202956A; US3713500A; DE2211734A1; FR2175620B1; GB1268938A; FR2175620A1; DE2211734C3

Description

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch 20 eingestellt werden, d. h. der Winkel, durch den die gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Werte des Richtung, in der das Bohrwerkzeug vom Bohrkopf Rollwinkels in den Rechner [R) programmiert sind. ausgelenkt ist, bestimmt wird. Der Rollwinkel wird

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, gekenn- in der Regel gemessen als Drehwinkel zwischen einer zeichnet durch Einspeisung der vorgegebenen senkrechten Ebene durch die Längsachse des Bohr-Werte des Rollwinkels von über Tage und einen 25 kopfes und einer zur Längsachse des Bohrkopfes senkmit dem Rechner (R) verbundenen Empfänger (9) rechten, am Bohrkopf festen Achse Bei herkömmim Bohrkopf für die eingespeisten Werte. liehen Pohrköpfen mit auslenkbarem Bohrwerkzeug

4. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 wird dieser Rollwinkel durch Verdrehen des gesamten bis 3, gekennzeichnet durch einen Generator (4) Bohrstranges eingestellt. Wenn wieder gerade gebohrt od. dgl. zur Leistungserzeugung für die Steuer- 30 werden soll, d. h. wenn in der neu erreichten Richtung vorrichtung. weiter gebohrt werden soll, ist es erforderlich, den ge-

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch .«amten Bohrstrang einschließlich des Bohrkopfes gekennzeichnet, daß der Generator (4) durch einen herauszuziehen und den Bohrkopf durch einen neuen Motor angetrieben wird, dessen Eingangsleistung Bohrkopf zu ersetzen, bei dem das Bohrwerkzeug von der Bohrspülung abgeleitet ist. 35 koaxial mit dem Bohrkopf ist. Das gleiche Vorgehen

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, gekenn- ist erforderlich, wenn mit einem Bohrkopf mit einem zeichnet durch einen Programmträger (11) zur anderen Auslenkwinkel weitergebohrt werden soll, übertragung von Steuerbefehlen zwischen über Dieses bei jeder Richtungsänderung erforderliche Tage und der Steuervorrichtung. Herausziehen des gesamten Bohrstranges benötigt

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch 40 sehr viel Zeit und ist daher sehr kostspielig. Um diesen gekennzeichnet, daß der Programmträger (11) auf Nachteil zu vermeiden, ist bereits eine gattungsgemäße bestimmte Winkelbefehle einstellbar ist. Steuervorrichtung für einen Bohrkopf bekannt (USA-

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch Patentschrift 3 457 999), die ermöglicht, bei eingegekennzeichnet, daß der Prograinmträger (11) auf fahrenem Bohrkopf wahlweise das Bohrwerkzeug die Abgabe von Ein-Aus-Befehlen einstellbar ist. 45 auszulenken oder gerade, d.h. fluchtend mit dem

9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 6 Bohrkopf auszurichten. Auch bei dieser bekannten bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerte- Steuervorrichtung ist es jedoch erforderlich, den Rollfehle durch die Winkeleinstellungen wenigstens winkel durch Drehen des gesamten Bohrstranges eineines Stabmagneten (10) definiert sind, der ein- zustellen. Diese Art der Einstellung des Rollwinkels stellbar am vorderen Ende des Programmträgers 50 ist jedoch ungenau, da der Bohrstrang sich verdrallt (11) angeordnet ist und dessen Stellung im Emp- und die Schätzung des Drallwinkels erhebliche fänger (9) abtaslbar ist. Schwierigkeiten macht und nicht genau erfolgen kann.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 9, gekenn- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zeichnet durch Einrichtungen (12, 13) zur Ein- Steuervorrichtung der gattungsgemäßen Art so ausstellung des Programmträgers (11) bei Erreichen 55 zubilden, daß sie eine genaue Einstellung des RoIlder Steuervorrichtung in eine vorbestimmte Win- winkeis ermöglicht.

kelstellung bezüglich des Empfängers (9). Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

11. Steuervorrichtung nach Anspruch ν oder 10, eine zweite Servoeinrichtung zur Verdrehung des dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (9) Bohrkopfes um seine Achse um einen Rollwinkel, wenigstens einen Magnelflußmesscr aufweist, der 60 eine mit dem Bohrkopf verdrehbare Meßvorrichtung die Stellung des Stabmagneten abtastet. mit Fühlern zur Messung von Komponenten des

Gravitations- und/oder Magnetfeldes der Erde in

Querachsen des Bohrkopfes und einen Rechner, der

auf Grund der Messungen und vorgegebener Werte 65 des Rolhvinkels die zweite Servoeinrichtung steuert.

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für Durch die erlindungsgcmäßt Ausbildung wird die

einen Bohrkopf am unteren Ende eines Bohrstranges. Einstellung des Rolhvinkels unabhängig von einer wobei der Bohrkopf ein von einem Trübenmotor an- möglichen Verdrillung des Bohrstranges. Die bei der

erfindungsgemäßen Steuervorrichtung vorgesehene Meßvorrichtung kann selbsttätig die Lage der Querachsen und somit des Rollwinkels des Bohrkopfes feststellen und mittels des Rechners diesen Istwert des Rollwinkels mit dem vorgegebenen Sollwert des Rollwinkels vergleichen und daraus die erforderlichen Steuersignale errechnen bzw. bestimmen, die die zweite Servoeinrichtung so steuern, daß sie den Bohrkopf auf den Sollwert des RoüwinkelE dreh!. Damit ist dann das Bohrwerkzeug in der gewünschten Richtung ausgerichtet. Um diese Ausrichtung zu erreichen, wird allein der Bohrkopf verdreht; eine Drehung des Bohrstranges ist nicht erforderlich. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Steuervorrichtung den Vorteil, daß keinerlei Meßdaten über die tatsächliche Lage des Bohrkopfes nach über Tage gegeben zu werden brauchen.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung weist die Steuervorrichtung einen eigenen Generator od. dgl. zur Leistungserzeugung für die Steuervorrichtung auf. ao Dieser Generator kann durch einen Motor angetrieben sein, dessen Eingangsleistung von der Bohrspülung abgeleitet ist.

Gegebenenfalls kann der Generator aber auch von eiern Trübenmotor des Bohrwerkzeugs angetrieben sein.

Die vorgegebenen Werte der Rollwinkel können ebenso wie die Werte für den Auslenkwinkel des Bohrwerkzeugs in den Rechner programmiert sein. Alternativ können die vorgegebenen Werte des Rollivinkels ebenso wie die Werte für den Auslenkwinkel (lies Bohrwerkzeugs in Form von Steuerbefehlen von über Tage eingespeist werden, wobei die Steuervorrichtung dann einen mit dem Rechner verbundenen Empfänger im Bohrkopf zur Identifizierung der Steuerbefehle aufweist. Vorzugsweise ist ein Programmträger zur Übertragung der Steuerbefehle zwischen über Tage und der Steuervorrichtung vorgesehen, der auf bestimmte Winkelbefehle einstellbar ist. Der Programmträger kann gleichzeitig oder alternativ auf die Abgabe von Ein-Aus-Befehlen einstellbar sein. In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung werden die Steuerbefehle durch die Winkeleinstellungen wenigstens eines Stabmagneten definiert, der einstellbar am vorderen Ende des Programmträgers angeordnet ist und dessen Stellung im Empfänger abtastbar ist. Bei derartiger Ausbildung ist vorzugsweise eine Einrichtung zur Einstellung des Programmträgers bei Erreichen der Steuervorrichtung in eine vorbestimmte Winkelstellung bezüglich des Empfängers vorgesehen. Die Stellung des Stabmagneten *ird vorzugsweise durch einen oder mehrere MagnctlHi!.'messer 1111 Empfänger abgetastet.

Ein Ausführungsbeispiel der erlindungsgemäßen Steuervorrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt lind wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die am Bohrrohr bzw. Bohrstrang und am Bohrwerkzeug befestigte Steuervorrichtung.

F i g. 2 Einrichtungen zur Ausrichtung des Pmgrammträgers der Steuervorrichtung und

F i g. 3 ein Blockdiagramm der zweiten Servoeinrichtung der Steuervorrichtung.

Ein Bohrkopf I enthalt sechs Abschnitie. die in AxialrichUing aufeinanderfolgend angeordnet sind und durch welche die Bohrtrübc hindurehlliel.H. Das obere Ende des Bohrkopfes ist starr am Ende eines Bohrstranges bzw. Bohrrohres 2 befestigt. Der vordere Abschnitt des Bohrkonfes enthält bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Trübenmotor 8, der ein Bohrwerkzeug 7 in Form eines Bohrmeißels antreibt und unmittelbar neben einer ersten Servoeinrichtung 3 zur Steuerung und Einstellung des Auslenkwinkels des Bohrwerkzeugs angeordnet ist, mit der der Auslenkwinkel auf Null oder andernfalls auf einen festen Wert, beispielsweise 2°, eingestellt werden kann. Wenn der Auslenkwinkel nicht auf einen anderen Wert einstellbar ist, wird die erste Servoeinrichtung als Ein-Aus-Einrichtung in noch näher zu beschreibender Weise gesteuert.

Auf die erste !servoeinrichtung 3 folgt unmittelbar ein elektrischer Generator 4, der durch einen eigenen Trübenmotor angetrieben wird. Darauf folgt eine elektrische Meßvorrichtung 5 mit Tast- oder Sensoreleraenten in einer Sensorvorrichtung. Diese Meßvorrichtung mißt die Komponenten des Erdmagnetfeldes und des Erdgravitationsfeldes und liefert Ausgangssignale zur Steuerung einer nachfolgenden zweiten Servoeinrichtung 6 zur Einstellung und Steuerung des Rollwinkels. Die zweite Servoeinrichtung wird in einer Stellung gehalten, die durch Steue-befehle von der Oberfläche oder durch vorprogrammierte Steuerbefehle bestimmt ist. Die zweite Servoeinrichtung steuert die Ausrichtung des vorderen Endes des Bohrkopfes 1 und somit des Bohrwerkzeugs 7 relativ zum unteren Ende des Bohrstranges 2, indem sie das untere Ende des Bohrkopfes um seine Längsachse auf einen bestimmten Rollwinkel dreht.

Der obere Abschnitt des Bohrkopfes umfaßt einen Empfänger 9, der Steuerbefehle von einem Programmträger aufnimmt, der eine Kommunikationskette zwischen über Tage und dem Bohrkopf herstellt. Winkel- und Ein-Aus-Befehle werden in dem Programmträger Ii durch mechanisches Einstellen von Stabmagneten 10 (F i g. 2) am vorderen Ende des Programmträgers eingegeben, der im Bohrstrang 2 nach unten verbracht wird, wobei er auf Grund der Schwerkraft frei fällt, bis er den Bohrkopf 1 erreicht hat. Ein Kerbschuh 12 am vorderen Ende des Programmträgers greift über einen nach innen vorspringenden Stifi 13 im unteren Ende des Bohrstranges, wodurch der Programmträger 11 genau bezüglich des Empfängers 9 ausgerichtet wird. Letzterer enthält Tastvorriehtungen für das magnetische Feld des Stabmagneten, durch die am Programmträger 11 eingestellte Winkelbefehle und Ein-Aus-Befehle identifiziert werden können. Die Winkelbefehle dienen zur Steuerung der zweiten Servoeinrichtung 6. während die Ein-Aus-Befehle dazu dienen, die erste Servoeinrichtung für den Auslenkwinkel des Bohrwerkzeugs zu steuern, und auch Verwendung finden können, urr sicherzustellen, daß der Programmträger 11 in dei richtigen Stellung am Bohrkopf 1 sitzt.

Die Vorrichtung kann ein Trübcnbypassventil enthalten, dr>s dann eine Überbrückung des Haupttrübenmotors bewirkt, wenn der Programmträger sich nichi ordnungsgemäß in Stellung befindet.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist dei Bohrkopf 1 eine Hinheil, die den Trübenmotor 8 um die erste Servoeinrichtung 3. den Generator 4. die Meßvorrichtimg 5. die zweite Servoeinrichtung 6 sowit den Empfänger 9 umfaßt. Es ist jedoch möglich, dal. dip Steuervorrichtung als getrennte Einheit hcrgestell und an das Bohrwerkzeug mit Trühemnoior angebau werden kann. Es ist erkennbar, daß die beschrieben! Steuervorrichtung eine genaue Richumeskontrolle um -sieueruni; ermöulicht. ohne daß eine kontinuierlich«

5 ^ 6

Neuausrichtung erforderlich ist, wobei die elektro- Motor setzt die Drehung fort, bis das Ausgangssignal

nische Meßvorrichtung sicherstellt, daß das Bohrwerk- des Rechners Null ist.

zeug der vorgegebenen Richtung folgt, und zwar un- Die Lage, d. h. die Richtung Ψ und die Neigung © abhängig vcn Verdrallungcn im Bohrstrang oder des unteren Endes des Bohrloches und damit des irgendeiner Neigung des Bohrwerkzeugs zum Aus- 5 Bohrwerkzeugs im Bohrloch sind aus der vorherwandern. Die Tatsache, daß es nicht nötig ist, die gehenden Feststellung bekannt; jedoch ist der RoIldurch den jeweiliger, Grad der Verdrallung der Rohre winkel Φ, d. h. der Winkel, um den das untere Ende des Bohrstrangs bedingte Orientierung des Endes des Bohrkopfes relativ zum unteren Ende des Bohr-Bohrstranges zu schätzen, ist von großem Vorteil, da stranges verdreht ist, beliebig und nicht bekannt. dadurch Irrtümer bei der Einstellung des Rollwinkels io Eine Drehung am oberen Ende des Bohrstranges vermieden werden. auf einen bestimmten Winkel stellt das Bohrwerkzeug Das hintere Ende des Programmträgers II weist nicht auf diesen Winkel ein, da im Bohrstrang Vereinen Vorsprung 14 auf, der von einem Greiferschuh drallungen auftreten. Das Ausmaß der Verdrallung an einem Seil erfaßt werden kann, das im Bohrstrang kann örtlich durch Erdfeldmeßgeräte gemessen und nach unten abgesenkt worden ist, so daß der Pro- 15 zur Oberfläche signalisiert bzw. übertragen werden, grammträger zur Neueinstellung von Steuerbefehlen woraufhin der Bohrstrang verdreht wird, bis der geaufgezogen werden kann. Nach dem Aufziehen kann wünschte Rollwinkel am Werkzeug erreicht ist; die ein Meßinstrument heruntergefahren werden, welche Erfindung vermeidet es jedoch, so verfahren zu Informationen hinsichtlich der Neigung und Richtung müssen.

der Bohrung Hefen. 20 Wenn nun das Bohrloch auf einen neuen Kurs abbekannte Verfahren zur Ausrichtung von Boh- gelenkt werden soll, dann muß das Bohrwerkzeug um rungen beruhen auf mehreren Tastvorrichtungen oder einen Winkel zur Achse des Bohrstranges ausgelenkl Sensoren (gewöhnlich fotografierte schwebende Pen- und in einen bestimmten Rollwinkel (relativ zu einer delanordnungen), Übertragung der Ergebnisse zur senkrechten Ebene) orientiert bzw. ausgerichtet wci-Oberfläche (gewöhnlich durch Transport des Filmes 25 den. Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt die Bean die Oberfläche und anschließendes Auswerten dienungsperson einfach diese beiden Steuerbefehle desselben) und anschließende Neueinstellung des Bohr- auf das Werkzeug, nämlich die Steuerbefehle, beiwerkzeugs, d. h. Neueinstellung des Rollwinkels durch spielsweise um 2 auszulenken und einen bestimmten Drehen des oberen Endes des Bohrstranges. Die Ent- Rollwinkel einzunehmen.

wicklungen von Tast- und Sensoreinrichtung, die eine 30 Die Bedienungsperson hat sich für den RoIleiektrische übertragurg der Orientierungsdaten er- winkel Φ_χ als denjenigen entschieden, der erforderlich möglichen, haben es zwar möglich gcnvht, Bohrnn- ist, damit das ausgelenkte Bohrwerkzeug in der gegen fortlaufend während des Bohrens zu orientieren wünschten Richtung bohrt, weil sie die Richtung V bzw. auszurichten, jedoch erfordern diese Tast- und und die Neigung© des Bohrloches kennt. Jedoch Sensoreinrichtungen die Verwendung eines Über- 35 sind die einzigen Steuerbefehle, die der Steuervorrichtragungssystems (gewöhnlich eines leitenden Kabels), tung zugeführt werden, eine Ziffer (1 für die Auslenwobei die Einstellung des Rollwinkels immer noch kung im Gegensatz zu Null für keine Auslenkung. durch Drehen des oberen Endes des Bohrstranges d. h. gerades Bohren) und eine Zahl, die die Grobe ausgeführt v-ird. eines Winkels ohne irgendeinen Ausgangspunkt odci Die zweite Servoeinrichtung 6 der erfindungsge- 40 Bezugsrahmen wiedergibt. Die Steuervorrichtung muli mäßen Steuervorrichtung verwendet die Ausgangs- den Bezugsrahmen selbsttätig feststellen. Dies gcsignale von den Tast- und Sensorelementen zum Ver- schicht erfindungsgemäß mit Hilfe von Erdfeldmel> drehen des unteren Endes des Bohrkopfes und somit geräten, die in der Steuervorrichtung vorgesehen sind, des Werkzeugs 7 relativ zum unteren Ende des Bohr- auf einfache Weise, wobei lediglich die für die Orienstranges 2. Eine kontinuierliche Ausrichtung während 45 tierung bzw. Ausrichtung erforderliche Information des Bohrens wird erreicht, ohne daß irgendeine Art über den Rollwinkel ermittelt wird. Unter Verwendung der Übertragung von Meßergebnissen zur Oberfläche einer Gravitationsabtastung mißt die Steuervorricherforderlich ist. Ein Blockdiagramm der zweiten tung die Ablenkung einer unfreien Masse längs der Servoeinrichtung 6 ist in F i g. 3 wiedergegeben. A'-Achse, wobei sich I₁ proportional zu g_x ersibt. Die Ausgangssignale der Tast- und Sensorelemente 50 und die Ablenkung längs der )'-Achsc, wodurch siel· oder Kombinationen dieser Ausgangssignale werden J₂ proportional zu g„ ergibt. Aus den Gleichungen 11 als Eingangssignal auf eine Ausvvertungseinrichtung und 12 erkennt man. daß I₁ von sin© cos Φ und . 1. bzw. einen Rechner/? gegeben. Dieser Rechner Λ von (-sin © sin Φ) abhängen. Wenn .I₁ und . 1„ inkann entweder elektromechanisch oder elektronisch Rechner gemeinsam verarbeitet werden, dann wire betrieben werden, verarbeitet aber in jedem Fall die 55 die Lösung der Stcucrgleichung und somit der Aus Eingangssignale in bekannter Weise und liefert ent- gang des Rechners allein durch die Komponente! sprechende Ausgangssignale, wenn die Eingangs- sin Φ und cos Φ bestimmt (der Ausgang des Rechner sinus- bzw. -kosinuswerte nicht mit den am Rechner entspricht bei einem elektromechanischen Rechne eingestellten Sollwerten der Winkel übereinstimmen. einer Drehung). Das Ausgangssignal des Rechner Die Ausgangssignale des Rechners werden auf 60 wird auf die zweite Servocinrichtunc eeceben um einen Hilfsverstärker gegeben, dessen Ausgangssignal vermindert den Rollwinkel Φ so lange, "bis diese wiederum den Motor der zweiten Servoeinrichtung Winkel den Wert Null erreicht, d. h. bis die in de steuert. Dieser Motor stellt über ein Untersctzungs- Steuervorrichtung bzw. dem Rohrstrang feste A-Achs getriebe die Orientierung des Bohrwerkzeugs, d. h. horizontal und die Verdrehung aus der Senkrechte den Rollwinkel des Bohrkopfes ein. Durch die Ver- 65 Null ist, und zwar unabhängig davon, welchen Wei drehung werden auch die Meßvorrichtung und mit die Neigung© hat. Wenn dann außerdem der Sol ihr die Sensor- und Tastelcmente verdreht, so daß rolhvinkel Φ_λ als Drehung oder als sin Φ_χ und cos </ sich die Ausgangssignale derselben ändern. Der in den Rechner eingespeist wird, dann arbeitet d

zweite Servoeinrichtung in der Weise, daß das Bohrwerkzeug auf den gewünschten Rollwinkel eingestellt wird.

Beim Bohren mit kleiner Neigung Θ ist es üblich, die Orientierung bzw. Ausrichtung nicht über den Rollwinkel Φ, sondern über den Körperachsenazimuthwinkel Ψ η vorzunehmen, der, wie in der nachfolgenden mathematischen Ableitung dargelegt wird, bei kleiner Neigung Θ die Summe aus dem Rollwinkel Φ und dein Azimuthwinkel Ψ ist.

In diesem Falle ist eine geomagnetische Abtastung mit Magnetflußtoren oder ähnlichen Magnetflußmessern zusätzlich zur Schwerkraftabtastung erforderlich. Die magnetischen Sensoren liefern Ψ, proportional zu H_x und V₂ proportional zu //,,, wobei H_x und Hy die magnetischen Feldstärken in Richtung der am Bohrkopf festen Achsen X und Y sind. Diese Meßwerte W₁ und Ψ₂ werden unter Berücksichtigung eines geeigneten Anpassungsfaklors zu I₁ bzw. /I₂ addiert, und diese Summen sind proportional zu cos Ψ β bzw. (-sin V;;), wie Hie Gleichungen 15 und 16 zeigen. Wenn diese beiden phasenverschobenen Summen im Rechner kombiniert werden, wird die zweite Servoeinrichtung so lange betätigt, bis der Körperachsenazimuthwinkel Ψ η auf Null vermindert ist. Wenn ein bestimmter Wert Wj_3x erwünscht ist, wird in zuvor beschriebener Weise dieser Winkel zusätzlich in den Rechner eingespeist, und die zweite Servoeinrichtung wird so lange betrieben, bis dieser Winkel eingestellt ist.

Die dem Rechner eingegebenen Sollwinkel Φ_χ oder Ψη\ können entweder vor dem Absenken des Bohrers in das Bohrloch eingestellt bzw. programmiert werden oder der Steuervorrichtung danach durch den Programmträger mitgeteilt werden.

Zwar kann die erste Servoeinrichtung für den Auslenkwinkel so ausgebildet sein, daß sie einen kontinuierlichen Bereich von Auslenkwinkeln einstellen kann und daß bestimmte Auslenkwinkel in Abhängigkeit von der Lage des Bohrkopfes in ähnlicher Weise wie für den Rollwinkel beschrieben angesteuert werden können; dennoch wird im praktischen Betrieb, wie bereits ancedeutet, der Auslenkwinkel entweder auf Null für gerades Bohren oder auf einen kleinen festen Winkel von 2 oder 3^C eingestellt. Dabei erfolgt die Umstellung von einer Stellung in die andere Stellung mittels der ersten Servoeinrichtung auf Grund von Steuerbefehlen, d. h. auf Grund von Ein-Aus-Befehlen, die vorprogrammiert sind oder vom Programmträger geliefert werden.

Im folgenden werden die mathematischen Grundlagen der Steuergleichungen der zweiten Servoeinrichtung angegeben.

1. Definition der Achsen

Das mit dem Index »₀« gekennzeichnete Achsensystem ist erdfixiert, wobei die Achse Λ'_ο horizontal und nach dem magnetischen Nordpol gerichtet verläuft, die Achse )'_o horizontal und nach dem magnetischen Osten gerichtet verläuft und die Achse Z₀ senkrecht und nach oben gerichtet verläuft.

Das Achsensystem mit dem Ursprung O und den ao Achsen .V, Y und Z ist in der Meßeinrichtung fixiert.

2. Definition der Drehungen

Wenn das Achsensystem OXYZ und das Achsensystem OA'₀7₀Z₀ zusammenfällt, dann wird OXYZ as um die Achse Z um einen Winkel Ψ gedreht, der als Azimuthwinkel definiert ist und die Richtung des unteren Endes des Bohrstranges sowie des Bohrkopfes angibt.

Aus dieser neuen Stellung wird OXYZ weiter um einen Neigungswinkel Θ um die Achse Y gedreht. Schließlich erfolgt noch eine Drehung um die Achse Z über einen Winkel Φ. der als Rollwinkel bezeichnet wird.

35

3. Koordinatentransformationsmatrizen

Aus der Mathematik der Koordinatentransformation ergibt sich die Beziehung zwischen jedem Vektor ~Ä7„ im erdfesten Achsensystem und dem gleichen Vektor TT^ im Instrumentenrahmen

.-Ix₀ - [Bl ■ T,

wobei [B] eine Drei-mal-drei-Matrix ist. die durch die drei Drehungen wie folgt definiert ist

cos	7'	— sin	Ψ	O	cos«	O	sin	θ	'cos Φ	— sin Φ	O
sin	Ψ	cos	Ψ	O	O	1	O		sin Φ	cos Φ	η
O		O		1	- sin«	O	cos	θ	O	O	1

(cos Ψ cos θ cos Φ — sin Ψ sin Φ) (—cos Ψ cos (-) sin Φ — sin Ψ cos Φ) (cos V sin Θ) (sin Ψ cos Θ cos Φ - cos Ψ sin Φ) (, — sin V-' cos C-) sin Φ -*- cos Ψ cos<7>) (sin Ψ sin Θ) ( — sin« cos Φ) sin « sin Φ cos β

oder aber Λ a-= [B] ' ■ A_ro

Bemerkung: Für komforme Transformationen [BY'¹ = [S]₃-. wobei [B]-^Λ der inverse Wert von [B] und [B] die Transposition von [B] ist.

Daher:

(cos Ψ cos Θ cos Φ sin Ψ - sin Φ)
( — cos Ψ cos

cos Ψ sin θ

Θ cos Φ sin Ψ — sin Φ) (sin V cos θ cos Φ - cos Ψ sin Φ) (— sin Θ cos Φ)]

s Θ sin Φ — sin Ψ cos Φ) (— sin Ψ cos Θ sin Φ · cos Ψ cos Φ) (sin Θ sin Φ) ■ ~X~

sin Ψ sin Θ cos Θ

4. Der Gravitationsvektor in den Instrumentenachsen

Der auf die erdfesten Achsen bezogene Gravita- und der auf die Instrumentenachsen bezogene Grav tionsvektor sei 65 tationsvcktor sei

O
—g.

Sv St

409526/

~gr'	= t-ß]"¹	O "
		O
	S.

Dann ist

welches ausmultipliziert ergibt:

g.r = g sin Θ cos Φ (1)

gy = —g sin Θ sin Φ (2)

g: = —g tos Θ (3)

Messungen der Komponenten einer Schwerkraft auf eine Masse in dem Instrument ergibt Werte

J₁, J₂ und J₃
wobei

Die Gleichungen (7) und (8) lassen sich umstellen zu

H_x = —H_v sin Θ cos Φ — H_h cos Ψ cos Θ cos Φ — Hh sin Ψ sin Φ (9)

Hy + H_v sin Θ cos Φ = /V/, cos Ψ cos θ sin Φ

~- Hh sin Ψ cos Φ (10)

Messungen im Instrument ergeben drei Werte Ψ, Ψ₂ und ¹P₃, wobei

Ψ;

V Hy

₂ -ν gy

(4)

(5)

5. Der Erdfeldvektor in Instrumentenachsen

Wenn die horizontalen und vertikalen Komponenten des Erdfeldes mit Hh und H_r bezeichnet werden, dann ist der Feldvektor, bezogen auf die erdfesten Achsen, gleich

Hh

H_n —

Der Feldvektor, bezogen auf die Instrumentenachsen, sei

H_x

H-

dann ist

H₁

H-

H_h 0

-H_r

3°

was ausmultipliziert ergibt:

H_x = H_h cos Ψ cos Θ cos Φ - H_h sin Ψ sin Ψ τ- H_r sin Θ cos Φ

Hy - Hh cos Ψ cos Θ sin Φ — ft"_ft sin Ψ cos Φ — W_r sin Θ sin Φ

H_z = Ηλ cos ¹F sin Θ - H,- cos Θ

35

Aus den Gleichungen (1) bis (6) läßt sich ableiten

J₁ λ sin Θ cos Φ (11)

J₂ λ —sin Θ sin Φ (12)

Setzt man in die Gleichungen (9) und (10) ein, dann ergibt sich

V₁ + β J₁ \ cos Ψ cos Θ cos Φ — sin Ψ sin Φ (13) V₂ + /5J₂ λ —cos Ψ cos Θ sin Φ — sin Ψ cos Φ (141

wobei β konstant ist.

Für vergleichsweise kleine Werte von Θ (20' > Θ ^- 01 können die Rotationen Ψ und Φ als in der gleichen Ebene vor sich gehend angesehen werden, und det Winkel Ψ — Φ ist eine gute Annäherung an den Winkel zwischen den Achsen OA^r ₀ und OX. Diesel Winkel ist definiert als der Körperachsenazimuthwinkel Ψ_Β.

Dann eilt für Θ <20"
ψ β =2= Ψ -t- Φ.

Die Gleichungen (13) und (14) lassen sich umschrei ben (cos Θ ist gleich 1 gesetzt) zu

40 Ψ. -r β Δ» λ -sin «'

(15) (16)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 getriebenes Bohrwerkzeug und eine Servoeinrichtung Patentansprüche: zur Steuerung des Auslenkwinkels des Bohrwerkzeugs relauv zur Achse des Bohrkopfes umfaßt. Solche

1. Steuervorrichtung für einen Bohrkopf am Bohrköpfe werden zum Richtungsbohren von Ölunteren Ende eines Bohrstranges, wobei der 5 bohrlöchern verwendet. Eine Änderung der Bohr-Bohrkopf ein von einem Trübenmotor angetrie- richtung kann dadurch erreicht werden, daß das Bohrbenes Bohrwerkzeug und eine Servoeinrichtung werkzeug relativ zur Achse des Bohrkopfes und somit zur Steuerung des Auslenkwinkels des Bohrwerk- zur Achse des unteren Endes des Bohrstranges um wezeugs relativ zur Achse des Bohrkopfes umfaßt, nige Grade ausgelenkt wird und auf diese Weise in gekennzeichnetdurch eine zweite Servo- ίο einer neuen Richtung weiterbohrt.

einrichtung (6) zur Verdrehung des Bohrkopfes Es sind Bohreinrichtungen bekannt, bei denen der

um seine Achse um einen Rollwinke!, eine mit Auslenkwinkel zwischen der Achse des Bohrwerk-

dem Bohrkopf verdrehbare Meßvorrichtung (5) zeugs und der Achse des Bohrkopfes fest eingestellt

mit Fühlern zur Messung von Komponenten des und unveränderlich ist. Wenn mit einem solchen Bohr-

Gravitations- und/oder Magnetfeldes der Erde in 15 kopf in einer neuen Richtung gebohrt werden soll,

Querachsen des Bohrkopfes und einen Rechner(fl), muß zunächst ein Bohrkopf mit dem entsprechenden

der auf Grund der Messungen und vorgegebener Auslenkwinkel am Bohrgestänge befestigt werden,

Werte des Rollwinkels die zweite Servoeinrichtung dann der Bohrkopf wieder in die Bohrung eingefahren

steuert. werden und schließlich der sogenannte Rollwinkel