DE2754865A1

DE2754865A1 - Anordnung zur positionierung von auf der meeresoberflaeche befindlichen schwimmkoerpern

Info

Publication number: DE2754865A1
Application number: DE19772754865
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Bornhoefft; Reinhard Dipl Ing Schuster; Gerhard Prof Dr Ing Trenkler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: TRENKLER, GERHARD, PROF. DR.-ING., 3300 BRAUNSCHWE
Priority date: 1977-12-09
Filing date: 1977-12-09
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2754865C2

Description

Für geringe Wassertiefen wird das Bohrschiff mit schweren Ankern, die sich auf dem Meeresgrund festsetzen und durch Ankertaue mit dem Schiff verbunden sind, in die vorgesehene Arbeitsposition gebracht und dort festgehalten. Die wesentlichen
Nachteile dieses Verfahrens sind, daß es bei größeren Wassertiefen nicht mehr eingesetzt werden kann, und daß bei stärkerer Beanspruchung des Schwimmkörpers durch Gezeiten und Wind die Verankerung nachgibt.
Bei dem zweiten Verfahren werden zur Markierung der Position der Bohrstelle eine oder mehrere Bojen auf den Meeresgrund abgesenkt, die in ununterbrochener Folge Schallimpulse abstrahlen, welche mit einer Kennung versehen sind, die die einzelnen Bojen charakterisiert. Die Anregung der Abstrahlung der Schallimpulse der einzelnen Bojen wird durch einen Schallimpuls bewirkt, der von einem auf dem Bohrschiff angeordneten Sender abgestrahlt wird. Ein ebenfalls an Bord des Bohrschiffes befindlicher Empfänger registriert die zurückgesandten Schallimpulse der Bojen. Aus der gleit zwischen der Abstrahlung des Anregungsimpulses vom Bohrschiff und dem Eintreffen der Impulse der einzelnen Bojen kann auf die Lage des Bohrschiff es bezüglich der Bojen geschlossen und die Position des Bohrschiffes kann in den geforderten Grenzen gehalten werden. Der wesentliche und schwerwiegende Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß durch Luftblasenschleier in der Umgebung des Bohrschiffes, wie sie z.B. durch Ablassen von Bohrschlamm oder auch durch die zur Positionshaltung erforderlichen Propellerantriebe erzeugt werden, die Übertragung der Schallwellen im Wasser unterbrochen wird, so daß die Bestimmung der Position über längere Zeiträume hinweg nicht möglich ist. Durch Wasserströmungen, Gezeiten und Winde treibt dann das Bohrschiff in eine unzulässige Position, das Bohrgestänge kann brechen und es kann zu größeren Schäden kommen.
Auch wenn Schäden vermieden werden können, so ist durch die zeitweise nicht vorhandene Kenntnis der Position eine optimale Durchführung der Bohrung nicht möglich.
Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bestimmung der Position eines auf der Meeresoberfläche befindlichen Schwimmkörpers, insbes. eines Bohrschiff es, unabhängig von Umgebungseinflüssen im und über Wasser durchzuführen und mit den so erhaltenen Positionen die Lage des Schwimmkörpers zu korrigieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.
Der besondere Vorteil der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß sie nicht durch schiffsspezifische und Umgebungseinflüsse gestört und die Position des Schwimmkörpers zu jeder Zeit exakt ermittelt werden kann.
Im folgenden werden zwei in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele nach der Erfindung näher beschrieben.
Figur 1 zeigt einen auf der Meeresoberfläche befindlichen Schwimmkörper 5, beispielsweise ein Bohrschiff, welches in bezug auf das Bohrloch 6 in seiner Position möglichst unverändert gehalten werden soll. Um das Bohrloch 6 und Bojen 1, 2, 3 fest verankert. Die Zuordnung zwischen der Position des Bohrloches und der drei Bojen ist bekannt. Unterhalb des Schiffes 5 ist eine Smpfangseinrichtung 4 für magnetische Felder angebracht.
Nicht dargestellt ist die im Inneren des Schiffes befindliche Einrichtung zur Auswertung der gemessenen magnetischen Felder und die Sinrichtung zur direkten Steuerung des Antriebes 7, der zur Positionshaltung dient.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Boje. In einem Gefäß 8 ist ein Synchronmotor 9 enthalten, der einen dauermagnetischen Stab 10 in Rotation versetzt. Der Motor erhält seine Antriebsenergie aus einer Batterie 11 über einen Wechselrichter 12, welcher quarzgesteuert sein kann, um eine hohe Konstanz der Drehzahl zu erreichen. Anstelle des Motors kann auch eine mechanische Einrichtung vorgesehen sein, die den Stab in Drehschwingungen versetzt.
Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Boje 1, 2 oder 3 mit feststehenden magnetischen Stäben, die über das Kabel 13 von dem Bohrschiff mit elektrischer Energie versorgt werden.
Im Innenraum 14 der Boje kreuzen sich unter dem Winkel von 90° zwei ferromagnetische Stäbe 15, die mit Wicklungen versehen sind. Weiterhin ist im Innenraum der Boje ein elektronischer Generator eingebaut, der zwei um 900 gegeneinander phasenverschobene Wechselströme erzeugt, welche jeweils eine Wicklung der Stäbe speisen. Hiermit wird das abgestrahlte magnetische Feld wesentlich verstärkt.
Zur Abstrahlung eines magnetischen Wechselfeldes ist auch eine langgestreckte Spule mit ferromagnetischem Kern geeignet, die von einem Wechselstrom durchflossen wird. Es können auch zwei solcher Spulen eingesetzt werden, die sich in einem Winkel von 900 kreuzen und horizontal ausgerichtet sind.
Um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, können die Spulen mit um 900 gegeneinander phasenverschobenen Strömen oder mit einem Wechselstrom mit rechteckförmigem Amplitudenverlauf gespeist werden.
In der Anordnung nach Fig. 1 senden die auf dem Grund des Meeres horizontal liegenden Bojen magnetische Wechselfelder mit den Frequenzen f1, f2 und f3 aus. Die magnetischen Wechselfelder breiten sich im seewasser bis zum Bohrschiff nahezu ungehindert aus, wenn ihre Frequenzen im Bereich von etwa 1 Hz liegen.
Unterhalb des Bohrschiffes ist eine Sonde 4 aus einem mit einer Wicklung versehenen ferromagnetischen Stab angebracht.
Die magnetischen Wechselfelder der Bojen erzeugen in der Wicklung des Stabes elektrische Spannungen, die in der im Bohrschiff befindlichen Meßeinrichtung nach ihrer Frequenz selektiert und bezüglich ihrer Amplitude und ihrer Phasenlage zueinander ausgewertet werden. Anstelle der Induktionsstäbe können auch Rubidium- oder Heliumdampfmagnetometer oder andere bekannte Arten von Magnetometern verwendet werden, wenn die mit den erstgenannten Magnetometern verbundenen hohen Kosten in Kauf genommen werden. Diese Magnetometer können in ihrer Wirkungsweise auf Flolekül- oder Kernresonanz beruhen.
Die Größe der Amplitude der einzelnen Felder und ihr Verhältnis zueinander ist ein Maß für den Abstand des Bohrschiff es zu den einzelnen Bojen. Wird vor Beginn der Bohrung einmalig die Größe der Amplituden und der Amplitudenverhältnisse der einzelnen Bojen zueinander festgelegt, so ist es während der Arbeiten des Bohrschiffes nur noch notwendig, durch entsprechende Betätigung der Antriebsorgane die zu Beginn festgelegten Werte konstant zu halten.
Die Position des Bohrschiff es gegenüber dem Meeresgrund ist damit über lange Zeiträume hinweg unbeeinflusst durch die dem Seewasser eigenen Umweltbedingungen.
Es ist nach der Erfindung auch möglich, nur eine Boje entsprechend Fig. 3 auf den Meeresgrund abzusenken. Diese Boje bezieht ihren Energiebedarf über ein Kabel vom Bohrschiff. Sie strahlt mit zwei um 900 geometrisch gegeneinander versetzten, horizontal angeordneten ferromagnetischen Stäben, die mit einer zweiphasigen Spannung gespeist werden, ein magnetisches Wechselfeld der Frequenz 9 aus.
Unterhalb des Bohrschiffes 5 befindet sich dann eine Tripelsonde, welche aus drei mit je einer Wicklung versehenen ferromagnetischen Stäben besteht, die sich so in einem Winkel von 90° geometrisch kreuzen, daß alle drei Kichtungen des Raumes abgedeckt werden. An Bord des Bohrschiffes werden die in den drei Wicklungen induzierten Spannungen auf ihre Amplituden gegeneinander ausgewertet, so daß die zwei räumlichen sich tungen y und & sowie der Betrag liii des abgestrahlten Magnetfeldes der Boje ermittelt werden. Durch den Betrag und die beiden Richtungen des Feldes ist die Position des Bohrschiffes in bezug auf die Boje eindeutig bestimmt. Damit ist gleichzeitig auch die Position des Bohrschiff es in bezug auf die Bohrung 6 bekannt. Während der Arbeiten des Bohrschiff es kann die Position automatisch oder auch von Hand mit Hilfe des Antriebes 7 so geregelt werden, daß die Spannungen der drei Induktionsstäbe relativ zueinander konstant bleiben. Dadurch bleibt die Position des Bohrschiffes bezüglich der Bohrung 6 unabhängig von den Umweltbedingungen erhalten.
Diese Anordnung zeichnet sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau und dadurch aus, daß durch Auswertung der Amplitudenverhältnisse Schwankungen der Amplitude des von der Boje abgestrahlten magnetischen Feldes keinen Fehler in der Positionsbestimmung verursachen.
Zur Erfassung des heldgradienten des magnetischen Feldes können schließlich auch zwei Tripelsonden in einem bestimmten Abstand unterhalb des Bohrschiff es angeordnet werden.
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Claims

"Anordnung zur Positionierung von auf der Meeresoberfläche befindlichen Schwimmkörpern Patentansprüche X Anordnung zur Positionierung von auf der Meeresoberfläche schwimmenden Körpern, insbes. Bohrschiffen, in bezug auf eine oder mehrere auf dem Meeresgrund liegende oder mit dem Meeresgrund verankerte Bojen, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder der Bojen ein magnetisches Wechselfeld mit anderer i'requenz abgestrahlt wird, wobei die magnetischen Felder von einer Meßeinrichtung auf dem schwimmenden Körper nach Größe und Richtung erfasst und zur Positionierung ausgewertet werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstrahlung des magnetischen Wechselfeldes in der Boje eine langgestreckte von einem Wechselstrom durchflossene Spule mit ferromagnetischem Kern dient.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spulen mit ferromagnetischem Kern, die sich in einem Winkel von 90° kreuzen und horizontal ausgerichtet sind, zur Abstrahlung des magnetischen Wechselfeldes dienen.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes die Ströme in den Spulen um 900 gegeneinander phasenverschoben sind.
5. Anordnung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom zur Speisung der Spulen einen rechteckförmigen Amplitudenverlauf besitzt.
6. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das abgestrahlte magnetische Wechselfeld der Boje durch ein oder mehrere durch eine mechanische Einrichtung in Drehschwingungen versetzte dauermagnetische Stäbe erzeugt werden.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld der Bolzen durch einen in seinem Mittelpunkt gelagerten dauermagnetischen Stab erzeugt wird, der durch einen Elektromotor in Rotation versetzt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Drehebene des ersten dauermagnetischen Stabes ein zweiter dauermagnetischer Stab um 90° geometrisch versetzt angebracht ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des magnetischen Wechselfeldes auf dem schwimmenden Körper Induktionsstäbe angeordnet sind.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des magnetischen Wechselfeldes auf dem schwimmenden Körper Magnetometer vorgesehen sind.
11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des magnetischen Wechselfeldes auf dem schwimmenden Körper nach Größe und Richtung drei orthogonal angeordnete Induktionsstäbe eingesetzt sind.
a r . A A 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Erfassung des Gradienten des magnetischen Feldes auf dem schwimmenden Körper je zwei aus drei orthogonal angeordneten Induktionsstäben bestehende Sondentripel in einem bestimmten Abstand auf dem schwimmenden Körper angeordnet sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine ein magnetisches Wechselfeld abstrahlende Boje vorgesehen ist, welches mit einer aus drei orthogonal angeordneten Induktionsstäben auf dem schwimmenden Körper bestehenden Meß-Einrichtung in zwei Richtungen und dem Betrag erfasst wird, wobei die beiden Richtungen des magnetischen Wechselfeldes als Maß für den Abstand der Bojen zum Schwimmkörper dienen.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die von der auf dem schwimmenden Körper befindlichen Meßeinrichtung ermittelten Werte der Größe und der Richtung des magnetischen Wechselfeldes direkt auf den für die Steuerung in zwei Koordinaten ausgelegten Antrieb des schwimmenden Körpers wirken.

Die Erfindung befasst sich mit einer Anordnung zur Positionierung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Für die Positionierung auf der Meeresoberfläche befindlicher Schwimmkörper, insbes. Bohrschiffe, bezüglich eines bestimmten Ortes auf dem Meeresgrund sind bisher zwei Verfahren bekannt.