DE3028362A1

DE3028362A1 - Instrumentensystem fuer eine bohreinheit

Info

Publication number: DE3028362A1
Application number: DE19803028362
Authority: DE
Inventors: Rhea Wiley Ponca City Okla. Bockhorst; Jimmie Harrol Ellenburg
Original assignee: Conoco Inc
Current assignee: ConocoPhillips Co
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1981-05-14
Also published as: GB2062416B; GB2062416A; CA1144619A; AU5845180A; FR2468719A1; PL133054B1; PL227548A1; FR2468719B1; ZA803506B

Description

10821 v.P/Dr.v.B/E

CONOCO Inc.
Ponca City, Oklahoma, V.St.A.

Instrumentensystem für eine Bohreinheit

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Führungssysteme für Bohrmaschinen und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein verbessertes Führungssystem zur Verwendung bei Horizontalbohrgeräten, wie sie beim Bergbau verwendet werden.

Es sind zahlreiche Führungssysteme für Bohrgeräte, bei denen ■ es sich sowohl um Horizontalbohrmaschinen als auch um Ver-

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tikal- oder Schachtbohrgeräte handeln kann, bekannt. In der US-PS 3 362 750 ist ein Gerät für den Bergbau mit Programmsteuerungen für die Bohrrichtung und die Stellung bzw. Lage beschrieben. Dieses Gerät arbeitet mit einem Komparator, um ■' Abweichungen des Bohrmeißels von seiner vorprogrammierten Richtung zu ermitteln und danach die Abweichungen zu korrigierlen. Die Programmabweichungen werden durch eine Mehrzahl von !Pendeln und zugehörige Komparatorkreise ermittelt. Die

US-^S 3 326 008 bezieht sich auf ein elektrisches, flexibles Bohrgestänge zum Bohren von horizontalen Kabelkanälen. Diese Vorrichtung arbeitet mit einer Mehrzahl von Synchronmotoren, ./um ihre Führungsrichtung aufrechtzuerhalten. Es sind auch noch viele andere Schaltungen bekannt, insbesondere für die Positions- und Richtungssteuerung von Vertikalbohrgeräten.

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Keine dieser bekannten Anordnungen ähnelt jedoch dem Gerät der vorliegenden Erfindung oder bietet die damit verbundenen Funktionen und Vorteile bei von der Ferne durch eine Mineralschicht geführten Bohrgestängen. In der US-PS 4 164 871 ist. eine Instrumentenpackung beschrieben, die integral in einem Schubbohrgestänge angeordnet ist und mit einer nach hinten führenden Steuerverbindung zum Ort einer Bedienungsperson versehen ist. Das System verwendet einen Beschleunigungsmesser zur Bestimmung von Stampf- und Schlinger-Bewegungen des Bohrinstruments während ein Gammastrahlenzähler verwendet wird, um die vertikale Position des Bohrkopfes relativ zu den darüberliegenden und darunterliegenden Felsformationen, beispielsweise Schieferformationen in der Nähe von Kohleflözen zu bestimmen. Die Steuersignale werden dann in der Instrumentenpackung für die übertragung auf einem mehradrigen Steuerkabel zurück zum Ort der Bedienungsperson verarbeitet und die Anzeige der Ausgangssignale ermöglicht es der Bedienungsperson den Bohrkopf hydraulisch zu steuern und eine Lagekorrektur während des Fortschreitens der Bohrung durch die Erdformation zu bewerkstelligen.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Instrumentenpackung angegeben, die die Informationen über die Schlinger- sowie Stampfbewegungen, und von einem Drei-Positionen-Magnetometer zusammen mit einem Gammastrahlungszähler sammelt und die Informationen in ein Multiplexsignal umwandelt, das nachfolgend verwendet wird, um eine Pulsreihe bezüglich seiner Frequenz zu modulieren. Die Pulsreihe wird dann entlang eines langen Kabels zu einem Empfangsgerät übertragen, wo die Impulsreihe durch einen Mikroprozessor verarbeitet wird, der die Information wieder vereinzelt, die Stampf- und Schlinger-Bewegungen, den Azimut und den Gammazäh!erstand berechnet und die berechneten

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Ergebnisse auf geeigneten visuellen Anzeigegeräten anzeigt. Die Bedienungsperson kann den Bohrer in Übereinstimmung mit bereits beim Stand der Technik skizzierten Verfahren ducKh die angezeigten Daten handhaben.

Eine der Schwierigkeiten der bekannten Anordnungen lag in der Unfähigkeit Daten beim Vorhandensein eines großen Hintergrundrauschens zu übertragen, wie es durch Ströme erzeugt wird, die durch den zu untersuchenden Bereich fließen, wie Schienenfahrzeugströme, Ströme von Bergbaumaschinen usw. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten durch die Erzeugung einer einzigen frequenzmodulierten Impulsreihe, wobei das Rauschen, das im allgemeinen die Amplituden beeinträchtigt, durch Begrenzung eliminiert werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 zum Teil einen Querschnitt einer Bohreinheit mit einer Instrumentenpackung, die in der richtigen Lage angeordnet ist, und mit Zeichnungen des Realsystems und der Steuereinheit ,

Figur 2 ein Blockschaltbild der Instrumentenpackung und der Kreise der Steuereinheit,

Figur 3 eine ausführliche Darstellung der Impulsreihe, die von der Instrumentenpackung aus übertragen wird,

Figur 4 ein Flußdiagramm der zur Betätigung des Mikroprozessors verwendeten Logik,

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Figur 5 eine schematische Darstellung des Eingangskreises der Steuereinheit,

Figur 6 eine schematische Darstellung des Mikroprozessors und des Speicherkreises und

Figur 7 eine schematische Darstellung des Ausgangskreises der Steuereinheit.

Die Figur 1 zeigt eine Schneid-Bohreinheit oder Anordnung mit einem Motor 10, einer Ablenkanordnung, die durch den Pfeil 11 bezeichnet ist und einen Schuh 12 aufweist. Der Schuh 12 kann hydraulisch durch eine nicht dargestellte Anordnung abgelenkt werden. Eine Welle 13 ist vom Ausgang des Motors 10 an einen Bohrmeißel 14 in der üblichen Weise angekoppelt. Ein Bohrgestänge 15 ist zwischen dem Motor 10 und einer Vorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, die an einem zugänglichen Ort an oder in der Nähe der Erdoberfläche vorgesehen ist, um das Bohrgestänge axial in eine vorgegebene Winkelposition zu drehen. Eine solche Vorrichtung ist in den Figuren 16 und 17 der US-PS 3 888 319 dargestellt und wird im weiteren nicht ausführlicher erläutert. Ein Bohrfluid oder ein Schlamm wird entlang dem Inneren des Bohrgestänges 15 durch eine axiale öffnung 16 nach unten gepumpt, wo das Medium verwendet wird, um den Motor 10 zu drehen und um vom Bohrmeißel 14 losgelöste Partikel von der Umgebung des Bohrers und aus dem Bohrloch wegzuschwemmen und zu entfernen.

Es ist erforderlich, periodisch die genaue Lage des Bohrmeißels in bezug auf die Formation zu bestimmen, in der der Bohrer arbeitet. Die Position des Bohrers wird dadurch bestimmt, daß eine Instrumentenpackung 20, die Fernmeßgeräte oder andere Instrumente enthält, die später beschrieben werden, mittels des Bohrfluids, das auf eine Anzahl von Manschetten 21 wirkt, entlang der öffnung 16 des Bohrgestänges in Richtung auf den Motor ■ gedrückt wird, bis die Oberfläche eines Nockens 22 an einem

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Stift 23 anschlägt, der an der Innenwand des Bohrgestänges 15 befestigt ist und sich in die öffnung 16 erstreckt. Der Stift 23 und der Bereich 24 des Bohrgestänges sowie alle Materialien in der Instrumentenpackung 20 bestehen vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Material, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl, um das Einführen von Fehlern in die Meßwerte eines in der Instrumentenpackung 20 enthaltenen Magnetometers zu vermeiden. Die Länge des nicht magnetischen Bereichs hängt beispielsweise vom Durchmesser des Bohrgestänges und der Größe der Instrumentenpackung 20 ab. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hatte das Bohrgestänge einen Durchmesser von ca 5 cm oder 2 Zoll und der Bereich des Bohrgestänges, der gleich der Länge der Instrumentenpackung 20 (etwa 304,8 cm) war, sowie 304,8 cm vor und 304,8 cm hinter der Instrumentenpackung 10 bestanden aus einem nichtmagnetischen Material. Das Hauptkriterium besteht darin, das Magnetometer in einer ausreichenden Weise von dem magnetischen Material zu trennen, so daß dieses Material die Meßwerte des Magnetometers nicht wesentlich beeinträchtigt. Der Nocken 22 bildet eine Steuerkurve mit einer solchen Kontur, daß unabhängig von der Winkelposition unter der die Instrumentenpackung 20 am Stift 23 angreift, die Packung durch den Nocken und den Stift, falls dies erforderlich ist, solange gedreht wird, bis der Stift den Konvergenzpunkt 17 der Nockenoberfläche 22 erreicht, der am weitesten von dem vorderen Ende der Instrumentenpackung 20 entfernt ist. Mit einer solchen Anordnung nimmt die Instrumentenpackung immer dieselbe Orientierung in bezug auf das Bohrgestänge ein, so daß bei jedem Einführen der Instrumenten-

packung 20 in das Bohrgestänge 15 korrelierbare Daten erzeugt werden.

Mit der Instrumentenpackung 20 ist ein Leiterkanal über eine biegsame Kupplung 26 verbunden. Eine Mittelleiteranordnung 27 ist innen an einem Ende mit der Instrumentenpackung 20 verbunden.

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Am anderen Ende ist der Leiter 27 mit einem Schleifring 28 verbunden. Der Schleifring 28 ist an einer Haspel 29 befestigt, die wiederum drehbar an einer Welle 30 angeordnet ist. Ein Motor 31 ist über eine mechanische Einrichtung 32 mit einem Antriebssystem 33 verbunden, das über eine mechanische Einrichtung 34 mit der Welle 30 verbunden ist. Mit dem Schleifring 28 stehen Bürsten 35 in elektrischem Kontakt, die über Leitungen 36 mit einer Steuereinheit 37 verbunden sind, welche einen Mikroprozessor zum Berechnen und Programmieren der Steuereinheit 37 enthält. Diese enthält auch eine digitale Anzeigevorrichtung 38 für die Stampfbewegung, eine Anzeigevorrichtung 39 für den Gammastrahlungszählwert, eine Anzeigevorrichtung 40 für die Schlingerbewegung und eine Azimut-Anzeigevorrichtung Ferner sind in der Steuereinheit 37 eine Lampe 46 für "Dateneingabe", eine Lampe 48 für den Zustand "umgekehrt" und ein Rücksetzschalter 49 vorgesehen.

Im Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird der Bohrmotor 10 mit einem Teil des Bohrgestänges 15, der Ablenkeinheit 11 und dem Bohrmeißel 14 verbunden. Die zusammengesetzte Struktur wird dann am Boden 9 angesetzt und ein Bohrfluid wird in die innere axiale Öffnung 16 des Bohrgestänges 15 gepumpt. Das strömende Fluid dreht den Motor 10 und dem mit diesem verbundenen Bohrmeißel 14. Die Drehung des Bohrkopfes oder -meißeis bewirkt, daß ein Loch in den Boden 9 gebohrt wird. Nach einer gewissen Strecke wird es erforderlich, die relative Position des Bohrkopfes in bezug auf das Bohrgestänge 15 in beispielsweise einem Kohlenflöz zu bestimmen. Der Schiefer overhalb und unterhalb eines Kohlenflözes ist normalerweise radioaktiv. Der Grad der Radioaktivität kann durch eine übliche Einrichtung, wie beispielsweise einen Gammastrahlungszähler gemessen werden. Um diese Messung auszuführen, wird die Instrumentenpackung 20 in die Öffnung 16 des Bohrgestänges eingeführt. Das Bohrfluid drückt gegen die flexiblen Manschetten 21 und bewirkt, daß sich die Instrumentenpackung 20 solange entlang der Öffnung des Bohrgestänges bewegt, bis der Nocken

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am Stift 23 anschlägt. Unabhängig davon, wo der Nocken 22 am Stift 23 angreift, bewirkt die Nockenoberfläche 22 eine Drehung der Instrumentenpackung 20 im Uhrzeigersinn oder dem Uhrzeigersinn entgegen, bis der Stift 23 den Konvergenzpunkt 17 der Nockenflächen erreicht, wie dies in der Figur 1 dargestellt ist. In dieser Position hat die Instrumentenpackung 20 eine genau definierte Lage in bezug auf den Schuh 12, wie dies durch die Linie 19 dargestellt ist. Wenn die Instrumentenpackung 20 durch das Bohrgestänge 15 gleitet, wickelt sich das Kabel 25 von der Haspel 29 ab. Wenn sich die Instrumentenpackung in der richtigen Position befindet, wird sie von der der Steuereinheit 37 über den Leiter 36, die Bürsten 35, die Schleifringe 28 und den Leiter 27 zur Instrumentenpackung 20 mit elektrischer Leitung versorgt und beginnt zu arbeiten. Es wird Information von der Packung 20 entlang dem Leiter 27 in der umgekehrten Richtung zur Steuereinheit 37 zurück übertragen, wobei die Stampferbewegung, der Gammastrahlungszählwert, die Schlingerbewegung und der Azimut berechnet und an den digitalen Auslesevorrichtungen 38 bis 41 angezeigt werden. Die Lampe 48 "umgekehrt" dient dazu, die Bedienungsperson über die Position des Magnetometers in bezug auf den Horizont zu informieren. Der Mikroprozessor, der später beschrieben werden wird, kann so programmiert werden, daß der Position des Magnetometers Rechnung getragen wird. Die Lampe ist bei einer solchen Programmierung des Mikroprozessors nicht erforderlich. Die Lampe "Daten ein" dient lediglich zur Anzeige, daß die Daten gerade vom Mikroprozessor verarbeitet werden. Der Rücksetzknopf 49 löscht die gerade verarbeiteten Daten und startet beim Empfang einer neuen Impulsreihe die Wiederverarbeitung von Daten.

Im folgenden wird die Betriebsweise der vorliegenden Einrichtung im Zusammenhang mit den Figuren 2, 3 und 4 beschrieben. Wie insbesondere aus der Figur 2 hervorgeht, enthält die In-

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Instrumentenpackung 20 eine Mehrzahl von Fühlern, die einen Gammastrahlungszähler 50, ein Dreikoordinaten-Magnetometer 51, einen Beschleunigungsmesser 52 zur Bestimmung der Stampfbewegung und einen Beschleunigungsmesser 53 zur Bestimmung der Schlingerbewegung der Instrumentenpackung 20 enthält.

Eine Mehrzahl von Ausgängen 54x, 54y und 54z sind über Verstärker 55x, 55y und 55z und Leiter jeweils mit den Eingängen 56x, 56y und 56z einer Multiplexschaltung 57 verbunden. Der Ausgang 58 des Gammastrahlungszählers 50 ist mit einem Eingang 59 eines Integrators 60 verbunden. Ein Ausgang des Integrators 60 ist mit einem Eingang 56g des Multiplexers 57 verbunden. Die Ausgänge 54p und 54r des Beschleunigungsmessers 52 für das Stampfen (Vertikalbewegung) und des Beschleunigungsmessers 53 für das Schlingern (Horizontalbewegung) sind jeweils über Verstärker 55p bzw. 55r mit einem Eingang 56p b2w. 56r des Multiplexers 57 verbunden. Ein Multiplexausgang 65 des Multiplexers 57, an dem Signale in analoger Form auftreten, ist mit einem Spannungs-Frequenzwandler 66 verbunden, dessen Ausgang 67 mit einem Eingang 68a eines zweiten Multiplexers 68 verbunden ist. Der Ausgang eines Taktgebers 69 ist über eine Leitung 70 mit einem Eingang 57t des Multiplexers 57 verbunden. Ein zweiter Ausgang des Taktgebers 69 ist über eine Leitung 71 mit dem zweiten Multiplexer 68 verbunden. Ein dritter Ausgang des Taktgebers 69 ist über eine Leitung 72 mit einer Torschaltung oder einem Gatter 73 verbunden. Der Ausgang des Gatters 73 ist über eine Leitung 74 mit dem zweiten Multiplexer 68 verbunden. Der Ausgang 75 des zweiten Multiplexers 68 ist mit der Leitung 27 verbunden, die sich in dem Kabel 2 5 (Figur 1) befindet und ist an eine Leitung 36, die an die Bürsten 35 abgeschlossen ist, verbunden, wie dies oben bereits beschrieben wurde.

Bei der Steuereinheit 37 handelt es sich im wesentlichen um einen Mikroprozessor mit Eingangs- und Ausgangskreisen. Im Prinzip erhält der Mikroprozessor 37 seine Eingangssignale

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über die Leitung 36 und koppelt diese an die Eingänge eines Synchrondemodulators 80 und einer Torschaltung 81. Der Ausgang des Synchrondemodulators 80 ist über eine Leitung 82 mit einem Taktkreis 83 verbunden. Die Ausgänge des Taktkreises 83 sind über Drähte 84, 85 und 86 mit der Torschaltung 82, einem Zähler 87 und einem Synchron-Logikkreis 88 verbunden, dessen Ausgänge über die Leitungen 89 und 90 programmierte Ausgangssignale an die Eingänge des Zählers 87 und des Taktkreises 83 liefern.

Die Steuereinheit 37 enthält ferner eine Demultiplex-Schaltung 95 mit mehreren Ausgängen 96 bis 101, die mit einer Mehrzahl von "Bereich- und Offset"-Kreisen 102 bis 107 verbunden sind. Der "Bereich- und Offsef'-Kreis 102 koppelt die Information über das Stampfen über eine Leitung 100 an eine optische Anzeigeeinheit 38 und über eine Leitung 110 an einen Azimut-Rechner 109. Das Ausgangssignal vom Kreis 103 wird über eine Leitung 111 der Anzeigeeinheit 40 und über eine Leitung 112 dem Azimut-Computer 109 zugeführt. Der Kreis 104 ist über eine Leitung 113 mit dem Gamma-Strahlungszählwert-Anzeigekreis 39 verbunden. Die x-, y-und z-Bereichs- und Offset-Kreise 105, 106 und 107 sind jeweils über Leitungen 115, 116 und 117 mit dem Azimut-Rechner 109 verbunden. Der Ausgang des Rechners ist über eine Leitung 118 mit dem Ausgabegerät 41 verbunden.

Im folgenden wird der Betrieb der elektronischen Schaltungen beschrieben. Der Gammastrahlungs-Zähler 50 liefert Information an den Integratorkreis 60, wo die Impulse über ein vorgegebenes Zeitintervall addiert werden. Während derselben Zeitperiode werden die Ausgangssignale für die y-, y- und z-Achse des Magnetometers 51, des Beschelunigungsmessers 53 für das Schlingern und des Beschleunigungsmessers 52 für das Stampfen in den Kreisen 55x, 55y, 55z, 55r und 55p jeweils verstärkt und den Eingängen 56x, 56y, 56z, 56r bzw. 56p des

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Multiplexers 5 7 zugeführt. Der. Taktkreis 69 tastet sich nach einem vorgegebenen Zeitintervall, das bei der bevorzugten Ausführungsform 8 Sekunden beträgt, den Multiplexer, so daß dieser dann die Eingänge 56g, 56x, 56y, 56z, 56p und 56r der Reihe nach abtastet und die Information in der Form eines kontinuierlichen einzigen Signals, das eine Folge von analogen Spannungen aufweist, die die Ausgangssignale von den verschiedenen Fühlern 50, 51, 52 und 53 darstellen, dem Spannungs-Frequenzwandler 66 zuführt. Das Signal 67 von dessen Ausgang wird dem zweiten Multiplexer 68 zugeführt.

Das Ausgangssignal des zweiten Multiplexers 68 wird am besten anhand von Figur 3 erläutert. Der Multiplexer 68 tastet zuerst eine halbe Sekunde lang die Information vom Taktgeber 69 auf der Leitung 71 ab, bei der es sich um ein 4,096 kHz-Signal handelt. Der Multiplexer wird dann durch das Gatter 73 durchgeschaltet, so daß er einen Stromkreis vom Spannungs-Frequenzwandler 66 am Ausgang 6 7 öffnet. Da der Multiplexer 57 jeden der Eingänge 56p, 56g, 56r, 56x, 56y und 56z eine halbe Sekunde lang anschaltet, wird das Ausgangssignal variable Frequenzäquivalente der Spannungswerte der Fühler 50 bis 53 in der Instrumentenpackung 20 enthalten. Das 4,096 kHz-Signal, das als vorgegebene Kennung oder Ankündigung dient, zeigt an, daß dem Signal "Daten folgen" nacheinander Daten in der Form einer Impulsreihe folgen, die frequenzcodierte Darstellungen der Werte für das Stampfen, den Gamraastrahlungs-Zählstand, das Schlingern und x, y und ζ enthalten. Wenn die Daten zuende sind, folgt eine 4,5 Sekunden lange Periode ohne Signal. Diese signallose Zeit oder "Ruhezeit" wirkt als "Kennzeichen" für den Mikroprozessor, das dem Kreis mitteilt, daß die als nächstes empfangene Information durch den Steuerkreis 37 behandelt werden muß. Die Information wird dann über die Drähte 2 7 und 36 zum Mikroprozessorkreis 37 zur Bearbeitung übertragen.

Bei der Verarbeitung im Steuerkreis 37 müssen die Daten von der Leitung 36 in der richtigen Reihenfolge entnommen werden.

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Der Kreis muß daher wissen, wann er mit der Bearbeitung beginnen soll. Dies läßt sich am besten im Zusammenhang mit den Figu. en 3 und 4 erläutern. Der Mikroprozessorkreis beginnt die auf der Leitung 36 (Figur 2) ankommenden Daten zu untersuchen, was während des Schrittes 120 "richtige Zeit" geschieht. Wenn ein Signal vorhanden ist, wird die Antwort "nein" erzeugt und der Kreis macht einen neuen Umlauf und wertet wieder das Eingangssignal aus. Wenn am Eingang schließlich kein Signal (am Ende der Daten von der z-Achse) mehr vorhanden ist, befindet sich der Eingang in der "Ruhezeit" und der Kreis liefert das Signal "ja" an den Eingang des Schrittes 120 "richtige Zeit". Wenn nach einer "ja"-Anzeige die Impulsreihe dann wieder am Eingang des Kreises 120 "richtige Zeit" empfangen wird, hört der Synchrondetektor 80 den Zeitgeber 83 aus, der den Zähler 87 einschaltet und die Torschaltung Öffnet. Der Zähler 87 beginnt das 4,O96~kHz-Signal eine halbe Sekunde lang zu zählen oder 2048 Impulse zu zählen. Nach dem Erreichen der erforderlichen Anzahl von Impulsen zeigt der Zähler dem Mikroprozessor an, daß es sich bei der als nächstes zu empfangenen Information um Daten handeln wird. Während einer Pause von einer Viertelsekunde wird der Zähler zurückgestellt, die Torschaltung 81 wird geschlossen, um das Zählen von zusätzlichen Daten zu verhindern, und das Programm prüft, ob der Zähler 87 während dem Schritt zurückgestellt worden ist.

Nach einer Viertelsekunde erzeugt der Zeitgeber 83 einen Impuls 119a (siehe Figur 3) für eine Periode von einer Viertelsekunde, der die Torschaltung 81 öffnet, wodurch das Signal über das Stampfen über die Leitung 48a zum Zähler 87 gelangt.

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Das dem Demultiplexer vom Zähler/zugeführte Eingangssignal wird dem Bereichs- und Offset-Kreis 102 zugeführt, der ein Ausgangssignal im geeigneten Bereich und in der geeigneten Form für eine digitale LED-Anzeige in der Anzeigeeinheit 38

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erzeugt. Nachdem eine Zeitperiode von einer Viertelsekunde für die Daten über das Stampfen vorbei ist, schließt die Torschaltung 81 eine Viertelsekunde 119b lang, um sicherzustellen, daß es sich bei den nächsten Daten nur um Gammastrahlungs-Daten handelt. Bei jeder nachfolgenden öffnung der Torschaltung 81 wird ein nachfolgender Datensatz an den Zähler 87 pbertragen, der dann die gezählten Daten an den Demultiplexer und an eine geeingete Anzeigeeinheit 40, 39 oder den Computer 109 überträgt. Der Azimut-Rechner 109 nimmt alle Daten auf, berechnet den Azimut und zeigt diesen an der Anzeigeeinheit 41 an.

Das Flußdiagramm des Mikroprozessorkreises soll nun im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert werden.

Im Anfang des Programms muß der Ringang-Zeitkreis 120 bereit sein, d.h. das Eingangssignal muß sich" in der Ruhezeit (Figur 3) befinden. Im Falle eines Signals "nein" prüft der Kreis erneut solange, bis "ja" angezeigt wird, woraufhin der Irdex 121 auf i = 1 gesetzt wird. Es wird dann die Funktion 122 "Datenzähler bereit" überprüft, um zu bestimmen, ob der Zähler seinen Zählerstand für i = 1 (Stampfen) vervollständigt hat. Wenn dies nicht der Fall ist ("nein"), fährt er fort wiederholt zu prüfen, bis "ja" empfangen wird, woraufhin der Zählerwert 123 dem Speicher in der Stelle A1 zugeteilt wird. Wenn sich die Information A1 einmal im Speicher befindet, wird i auf die nächste Nummer mit dem Index i+1 gebracht (Schritt 124) und es wird geprüft, ob i größer als 6 ist /(Schritt 125). Wenn i kleiner als 6 ist, werden die Schritte 122 bis 124 für die nächste Datenprobe wiederholt. Beispielsweise wird A2, bei dem es sich um eine Gammastrahlungs-Information handelt, (siehe Figur 3) verarbeitet und im Speicher an der Speicherstelle A2 gespeichert. Alle Daten werden in derselben Weise verarbeitet und gespeichert.

Wenn i größer als 6 ist, wird vom Schritt 125 die Antwort "ja" empfangen und es wird die Information für A2 aus dem

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Speicher entnommen, im Schritt "Offset und Bereich" verarbeitet (126) , wobei u.a. ein vorher eingegebener Maßstabsfaktor und ein Untergrundswert berücksichtigt werden können und im Schritt "Gammastrahlungs-Daten ausgeben" (127) ausgegeben, wobei die Impulszahlen oder Zählungen pro Minute an einem digitalen Anzeigegerät (39 in Figur 2) dargestellt werden. Wenn dieser Schritt zuende ist, wird A1 aus dem Speicher entnommen, im Schritt 126 "Offset und Bereich" bearbeitet und als Information über das Stampfen 130 ausgegeben. Als nächstes wird die Information A3 im Speicher im Schritt 131 "Offset und Bereich" verarbeitet und da die Information eine neue Information darstellt und das Stampfen die Daten beeinflußt, wird die Information über das Stampfen des Werkzeugs gemäß der Gleichung R = A3/cos (P) bearbeitet (132), um die Endposition bezüglich der Schlingerbewegung zu bestimmen, die am Ausgang 134 ausgegeben wird. Die x-, y- und z-Komponenten im Speicher werden dann im Schritt 135 "Offset und Bereich" verarbeitet und überprüft, um zu bestimmen, ob die vertikale Komponente χ kleiner als 0 ist (136). Im Falle "ja" wird die Lampe 48 "umkehren" (Figur 1) erregt (137). In jedem Fall werden dann die Azimut-Daten berechnet (138) und ausgegeben (139). Wenn die Azimut-Daten ausgegeben sind (139) wird dem Eingangszeitleser 120 mitgeteilt, daß die Berechnungen der letzten Daten beendet sind und das System ist nun bereit erneut zu starten, wenn die nächste Ruhezeit angezeigt wird.

Steuereinheit:

Die Figuren 5 bis 7 zeigen eine praktische Schaltung für die Steuereinheit, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. In Figur 5 ist das Schaltbild des Eingangskreises dargestellt. Die Eingangssignale werden über eine Leitung 130, einen Verstärker-Chip 131, eine Torschaltung 132, einem 4,096-kHz-Zähler 130 zugeführt, bei dem

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es sich um eine integrierte Schaltung des Typs 4040 handeln kann. Die Eingangssignale gelangen ferner über eine Leitung 134 und eine Torschaltung 135 zu einem Datenzähler 136, bei dem es sich um ein IC 40 40 handeln kann. Die Ausgangssignale vom Zähler 136 gelangen an ein 6820-Interface-Chip 137, das mit dem Mikroprozessorkreis (Figur 6) über einen Datenbus 160, einen Adressenbus 161 und Steuerleitungen 180 und 181 verbunden ist, ferner ist eine Taktleitung 138 zum Chip 137 und zum Chip 190 (Figur 7) vorgesehen. Ein Taktsignal wird außerdem einer Einheit MPU 165 (Figur 6) über eine Leitung 140 zugeführt.

Der zum Betrieb der Schaltungen erforderliche Taktgeber enthält einen Schwingkristall, z.B. einen Quarz 145 für die Frequenz von 1,048567 MHz und zugehörige Schaltungen 146. Das Ausgangssignal wird über eine Leitung 147 einem Paar von Zählern 148a und 148b zugeführt, die die durch den Quarz 145 erzeugte Frequenz teilen und die erzeugten tieferen Frequenzen einem 6820 IC-Chip-tDecoder 149 zuführen, der die Taktimpulse zum Betrieb des Systems erzeugt, z.B. die Impulse 119a und 119b in Figur 3. Das Ausgangssignal vom Decoder 149 wird an einen Speicher-Chip IC 54LS174 angelegt, der ebenfalls mit dem Interface-Chip 137 verbunden ist. Die Signale vom Taktgeber steuern die Zähler 133, 136 und die Torschaltungen 135 über Leitungen 155, 156 und 157. Eine Leitung 158 überträgt einen "Rücksetz"-Befehl an den Interface-Chip, den Mikroprozessor- und Speicherkreis (Figur 6) und den Ausgangskreis (Figur 7). Die Arbeitsweise des Kreises entspricht im wesentlichen derjenigen, die im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 4 beschrieben wurde. Die Möglichkeit des Rücksetzens besteht über die Leitung 158 durch eine Anordnung, die einen Druckschalter 200 aufweist. Durch einen Widerstand 201 wird eine positive Spannung an einer Tonschaltung 202 erzeugt, die bei Betätigung des Rücksetz-Druckschalters auf Erdpotential abfällt. Der Anschluß 10 der Torschaltung 202 nimmt dann Erdpotential an, das den Stiften

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34 der integrierten Schaltungen 137, 190 (Figur 7) und den Stift 26 des Mikroprossors 100, 165 (Figur 6) zugeführt wird.

Bei dem Mikroprozessor- und Speicherkreis der Figur 6 und dem Eingangskreis der Figur 5 werden Daten zwischen dem Interface-Chip 137 und den Rechen- und Speicherkreisen und den Ausgangskreisen auf dem Datenbus 160 übertragen, bei dem es sich in Wirklichkeit um ein Bündel von acht Drähten handelt, die entsprechend den Zahlen DBO, DB1 bis DB7 an den Klammern an den Enden der dick gestrichelten. Leitung 160 geschaltet sind. Es sei bemekVt, daß identische Chips nicht numeriert sind, um Raum zu sparen, daß aber die Verbindungen identisch sind. Die Adresseninformation für jeden Chip wird über den Adressenbus 161 übertragen, bei dem es sich um ein Bündel von Leitungen handelt, die entsprechend den Nummern AO, A1, A2 usw. an den Klammern am Ende der dünn gestrichelten Linie 161 geschaltet sind.

De Mikroprozessor (MPU) 165 ist eine Schaltung des Typs Z80. Die Adresseninformationen von den Leitungen A9, A10, A11 und A12 werden mit dem Auswahl-Steuerchip 166 verbunden, bei dem es sich um einen Chip 54LS139 handelt. Der Steuerchip 166 steuert über die Leitungen 168, 169 und 170 welcher Speicherchip (RAM 2112N-1) verwendet werden soll. Die Adressensteuerung vom Mikroprozessor 165 für jeden Speicherchip RAM erfolgt über den Adressenbus 161. Der AuswahIsteuerchip 166 bestimmt auch, welcher programmierbare Festwert- oder Read-Only-Speicherchip 171 oder 172 ausgewählt wird. Wie bereits beschrieben, werden die Verbindungen des Adressenbus 161 durch die an den Klammern an den Enden des Bus 161 angegebenen Nummern AO, A1...A10 bestimmt. Ein Signal oder das Fehlen eines Signals bestimmt am Anschluß 23 des Chips 137 oder am Anschluß 22. Zusätzliche Befehle werden über Inverterchips 180, 181 vom Mikroprozessor 165 über Leitungen 182 und 183 zu Anschlüssen 21 (R) und 24 (I/O) des Chips 137 und eines

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Ausgangschips 190 (Figur 7) übertragen. Das spezielle Programm zum Betrieb der Schaltungen gem. Figur 6 und sein Zusammenwirken mit den Figuren 5 und 7 wurde bereits im Zusammenhang mit der Figur 4 beschrieben.

Der Ausgangskreis ist in Figur 7 dargestellt und enthält einen peripheren Interface-Adapter (PIA) 190, bei dem es sich um ein IC 6820 handeln kann, einen Speicherkreis 191, bei dem es sich um ein IC 54LS174 handeln kann, einen Dekoder-Speicherkreis 192, bei dem es sich um ein IC 4724 handeln kann, einen Selektorkreis 193, bei dem es sich um eine Einheit 54LS138 handeln kann, und vier numerische Anzeigeeinheiten 195, 196, 197 und 198. Die Einheit 195 unterscheidet sich von den anderen Anzeigeeinheiten dadurch, daß sie zwei Teile 195a und 195b enthält. Die Anzeigeeinheit 195a stellt die Zeichen "+" oder "-" dar und der Stift 4 ist geerdet, um einen Dezimalpunkt zu bilden. Alle Anschlußstifte in den Einheiten 19 5b, 196, 197 und 198 sind gleichartig und in gleicher Weise verbunden, mit der Ausnahme des Stiftes 5, auf den im Folgenden eingegangen wird. Die Daten vom Bus 160 werden der PIC-Einheit 190 eingegeben, die bestimmt, wie die verschiedenen Anzeigeeinheiten 195-198 aufleuchten. Das Zeichen "+" oder "-" der Anzeigeeinheit 195a wird durch den Dekodier-Speicherkreis 192 bestimmt, der mit dem Stift 1 dieser Einheit 195 verbunden ist. Das negative Zeichen ist immer eingeschaltet und die positive Schiene wird in Antwort auf Daten von dem Speicherkreis (ic) 192 erregt. Bei der numerischen Anzeigeeinheit 195 handelt es sich z.B. um den Typ 5082-7304 und bei den Einheiten 196, 197 und 198 handelt es sich um den Typ 5082-7300. Die Anschlußstifte 6, die an Massepotential angeschaltet werden, und der Stift 7, der mit +5 Volt verbunden wird, sind nicht dargestellt. Der Rest der Verbindungen ist nicht im einzelnen beschrieben, weil er für einen Fachmann aus den Zeichnungen klar hervorgeht.

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Wenn im Speicher des Mikroprozessors einmal die Daten A1 bis A6 enthalten sind/ kann der Mikroprozessor offensichtlich dLe Daten in irgendeiner logischen Ordnung berechnen. Das "Umkehr"-Licht 48 ist ebenfalls nicht erforderlich, weil der Mikroprozessor automatisch 180° zu den Daten hinzufügen kann, wenn angzeigt wird, daß das Instrument umgekehrt oder kopfstehend arbeitet.

Die Anschlußstifte 5 der Einheit 195 sind über die Leitung 220 und einen Verstärker mit der Speichereinheit 192 verbunden. Die Anschlußstifte 5 der Einheit 196 sind über die Leitung 222 mit dem Selektor 193 verbunden. Die Einheiten 197 und 198 sind in einer ähnlichen Weise über Leitungen 224 und 225 jeweils mit dem Selektor 193 verbunden. Beim Betrieb adressiert eine Information vom Mikroprozessor gemäß Figur 6 den Selektor 193 und die Einheit 192, so daß diese die richtige Folge von Anzeigenummern in den Anzeigeeinheiten 195 bis 198 erregen können.

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Claims

PATENTANWÄLTE DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. INC. WOLFGANG HEUSLER 3028362

MARIA-THERESIA-STRASSE S2

Postfach 8b 02 60
D-8OOO MUENCHEN β6

TELEFON 089M7 69 06 4768 19

ab sept, maoi 4706006

TELEX 532636 TELEGRAMM SOMBEZ

10821 v.P/Dr.v.B/E

CONOCO Inc.
Ponca City, Oklahoma, V.St.A.

Instrumentensystem für eine Bohreinheit

Patentansprüche

Instrumentensystem für eine Bohreinheit, die mit einem zugänglichen Bereich der Erde über ein Bohrgestänge verbunden ist, das eine axiale öffnung aufweist, mit einer Instrumenten-

die

packung/derart bemessen ist, daß sie in die axiale öffnung einführbar und an dieser entlang zu einem Ort in der unmittelbaren Nähe der Bohreinheit bewegbar ist, wobei die Instrumentenpackung eine Mehrzahl von einzelnen Fühlern aufweist, von denen jeder analoge Ausgangsdaten liefert und wobei eine Einrichtung zur übertragung der Daten vorgesehen ist, die mit dem zugänglichen Bereich der Erde und mit einer Steuereinheit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein erster Multiplexer (57) vorgesehen ist, der eine Mehrzahl von Signaleingängen (56x, 56y, 56p, 56r, 56z), einen Takteingang (70) und einen analogen Ausgang (65) aufweist, wobei jeweils ein Signaleingang mit einem Ausgang der Vorrichtung verbunden ist, daß

b) ein Taktsignal erzeugender Taktgeber (69) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit dem Takteingang (70) des ersten Multiplexers (57) verbunden ist, daß

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c) ein Frequenzwandler (66) zum Umwandeln des analogen Ausgangssignals von dem ersten Multiplexer (57) in ein entsprechendes frequenzmoduliertes Ausgangssignal vorgesehen ist, daß

d) ein zweiter Multiplexer (68) einen ersten Eingang (68a) zum Empfang des Ausgangssignals des Frequenzwandlers (66), einen zweiten Eingang (71) zur Aufnahme des Taktsignals, einen durch ein Gatter gesteuerten Takteingang (74), der mit dem Taktgeber (69) verbunden ist, und einen Ausgang (75) aufweist, daß das an dem Ausgang (75) anliegende Ausgangssignal das Taktsignal aufweist, auf das die durch das erste Multiplexsignal frequenzmodulierte Darstellung folgt, und daß

e) eine Einrichtung (25, 27 bis 30, 35, 36) vorgesehen ist, um das Ausgangssignal zur Steuereinheit (37) zu übertragen.

2. Instrumentensystem, dadurch gekennzeichnet, daß ein entferntes Fühlgerät (20), eine Steuereinheit (37), eine Übertragungseinrichtung (25, 27 bis 30, 35, 36) zwischen dem entfernten Fühlgerät (20) und der Steuereinheit (37) enthält, daß das entfernte Fühlgerät (20) eine Mehrzahl von Fühlern (50, 51, 52, 53) enthält, daß jeder Fühler einen Ausgangs spannungspegel erzeugt, daß das entfernte Fühlgerät (20) Einrichtungen (57, 60, 66, 68, 69, 73) aufweist, um jeden Ausgangsspannungspegel zur Bildung eines ununterbrochenen einzigen Signals im Multiplexbetrieb zu senden, daß jedes Signal einen vorgegebenen Zeitbereich des einen Signals aufweist, daß eine Einrichtung (66) zum Umwandeln des ununterbrochenen einen Signals in ein frequenzmoduliertes Signal vorgesehen ist, daß die Frequenzmodulation sich in Übereinstimmung mit dem Spannungspegel jedes Zeitbereiches ändert^

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daß eine Einrichtung zur Bildung eines verarbeitbaren Signals vorgesehen ist, das zur Steuereinrichtung (37) dadurch übertragen wird, daß dem frequenzmodulierten Signal ein Signal einer vorgegebenen Frequenz und einer vorgegebenen Dauer vorgeschaltet wird und eine vorgegebene Anzeige folgt, die angibt, daß alle Daten übertragen wurden.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung der zur übertragung bestimmten verarbeitbaren Signale einen zweiten Multiplexer (75), dessen erster Eingang das Signal mit der vorgegebenen Frequenz und dessen zweiter Eingang das einzige Signal empfängt, und einen zweiten Taktgeber aufweist, der den zweiten Multiplexer (75) derart betätigt, daß er das erste Ausgangssignal an den Ausgang (75) des zweiten Multiplexers eine vorgegebene Zeit lang anlegt, so daß das erste Ausgangssignal als ein Taktsignal für die Steuereinheit (37) dient, um der Steuereinheit zu ermöglichen,

daß sie die genaue Zeit bestimmt, zu der die Daten an der Steuereinheit (37) ankommen.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte Fühlgerät eine Einrichtung aufweist, um die Ausgangssignale von dem zweiten Multiplexer (68) auf eine Zeitperiode zu begrenzen, die auf das frequenzmodulierte Signal folgt, wobei eine Anzeige gebildet wird, die anzeigt, daß alle Daten übertragen wurden.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das frequenzmodulierte Signal folgende Anzeige aus einer Ruhezeit besteht, in der kein Signal anwesend ist.

6. System zur Bearbeitung von Daten von einem entfernten Fühlgerät, gekennzeichnet durch:

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a) eine Mehrzahl von entfernten Fühlern (50, 51, 52, 53), von denen jeder ein analoges Ausgangssignal erzeugt,

b) einen Multiplexer (57) zum aufeinanderfolgenden Abtasten des Ausgangs jedes Sensors auf einer gleichen Zeitbasis zur Erzeugung eines einzigen Signals, das eine Reihe von Spannungswerten enthält, die jedes Ausgangssignal· jedes der entfernten Fühler darstellen,

c) einen Spannungs-Frequenzwandler (66) zum Umsetzen jedes Spannungswertes in eine entsprechende Frequenz zur Bildung eines frequenzmodulierten Ausgangssignals,

d) eine Einrichtung (68, 69, 73) zur Erzeugung eines Übertragungssignals mit einer Einrichtung zum Hinzufügen einer festen Erkennungszeit und eines Frequenzsignals vor dem frequenzmodulierten Ausgangssignal und einer Einrichtung zur Erzeugung eines Kennzeichensignals, das die Beendigung des frequenzmodulierten Ausgangssignals anzeigt, und

e) eine Einrichtung (37) zum Empfang des Übertragungssignals an einem anderen Ort mit einem Mikroprozessor zum Berechnen und Anzeigen der die Ausgänge von jedem Sensor (50, 51, 52, 53) darstellenden Werte.

System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Übertragungssignals mit einem hinzugefügten Erkennungs- und Kennzeichensignal einen zweiten Multiplexer (68) aufweist, der an einem Eingang ein Taktsignal mit einer festen Frequenz, an einem Eingang das frequenzmodulierte Ausgangssignal· empfängt, und bei dem es eine Zeitperiode gibt, zu der a^e Signaie abgebrochen sind, wobei der zweite Muitiplexer (68) ein Signal erzeugt, das

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ein Signal mit einer vorgegebenen festen Frequenz aufweist, auf das in einer bekannten Zeitperiode das frequenzmodulierte Ausgangssignal folgt, auf das eine bekannte Zeitperiode folgt, in der kein Signal vorhanden ist.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Empfang des Übertragungssignals einen Mikroprozessor mit einem Zähler (87) aufweist, der das vorangehende Signal zählt, um den Anfang des frequenzmodulierten Ausgangssignals zu bestimmen, daß die Einrichtung zum Empfang des Übertragungssignals ein Gatter (81) aufweist, um einen Bereich des frequenzmodulierten Ausgangssignals , das ein Ausgangssignal voneinem einzigen Fühler darstellt, durchzuschalten und daß die Einrichtung zum Empfang des Übertragungssignals eine Einrichtung zur Verarbeitung jedes Ausgangssignals eines Sensors aufweist, um ein auswertbares Ausgangssignal zu erzeugen.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das auswertbare Ausgangssignal eine visuelle digitale numerische Anzeige enthält.

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