DE3135743C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen eines BohrlochesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Bohrloches (20), eines Grubenschachtes o.dgl., um dessen Verlauf zu bestimmen. Eine Fühlersonde (22, 23) mit zwei beabstandeten Sätzen von Beschleunigungsmessern mißt Komponenten des Schwerkraftvektors entlang orthogonalen Achsen in aufeinander folgenden Positionen entlang des Bohrloches (20). Die beiden Sätze der Beschleunigungsmesser sind durch einen Verbinder (24), wie beispielsweise ein Rohr oder ein Seil, zusammengefügt, der flexibel gegenüber einer Biegung ist und sich durch Torsionssteifheit auszeichnet. Die Winkelorientierung der beiden Beschleunigungsmessersätze zueinander um die Bohrlochachse wird durch den Verbinder (24) so festgelegt, daß jede Differenz in der Orientierung der beiden Sätze eine Funktion des lokalen Verlaufes des Bohrloches (20) ist. Zwei Sätze von Beschleunigungsmesser-Ausgangssignalen, die Schwerkraft-Vektorkomponenten in Positionen darstellen, die entlang der Achse des Bohrloches (20) beabstandet sind, werden benutzt, um die Bohrlochneigung in jeder Position sowie die Änderung im Bohrloch-Azimutwinkel zwischen den Positionen der Beschleunigungsmessersätze abzuleiten. Die Beschleunigungsmessersignale werden zusammen mit einem Signal, das die Position der Sonde (22, 23) längs des Bohrloches (20) darstellt, gemischt, um eine dreidimensionale Darstellung des Bohrlochverlaufes hinsichtlich eines Bezugs punktes zu liefern, der das Ende des Bohrloches an der Oberfläche sein
Description
mensionalen Koordinaten oder von einem Plan eines bestehenden Bohrloches erfolgen, um dessen physikalische
Lage zu bestimmen. Die Darstellung des Verlaufes kann auch abgeleitet werden, wenn das Bohrloch niedergebracht
wird, um das Bohren zu überwachen und es einem Bediener oder einer Bohrüberwachungsperson zu
ermöglichen, den Bohrer bzw. den Bohrkopf entlang einer gewünschten Strecke zu führen. Die Erfindung Ist
auch nicht auf eine besondere Darstellung des Verlaufes bzw. der Bahn begrenzt.
In Fig. 1 erstreckt sich ein Bohrloch 20 nach unten von einem Punkt 20a auf der Erdoberfläche und ist mit
einem Mantel 31 ausgekleidet. Eine Fühlersonde hat einen ersten Abschnitt 22 und einen davon beabstandeten
zweiten Abschnitt 23, wobei beide Abschnitte durch ein Seil oder ein Rohr 24 zusammengefügt sind. Die
Fühlersonde wird in das Bohrloch auf einem Hubseil 25 abgesenkt, das auch Leiter umfaßt, um elektrische
Ki Leistung zur Sonde zu speisen und Signale von der Sonde zu einer Schaltungsanordnung über dem Boden am
Schachtende zu richten.
Zwei Beschleunigungsmesser (In Fig. 1 nicht gezeigt) liegen im ersten Sondenabschnltii 22 und haben
vorzugsweise ihre empfindlichen Achsen X, Y rechtwinklig zueinander, wodurch eine Meßebene rechtwinklig zur
Längsachse des Sondenabschnittes festgelegt wird. Die Sondenachse entspricht der Achse des Bohrloches. In
ähnlicher Weise haben zwei Beschleunigungsmesser (in Fig. ! nicht gezeigt) Im zweiten Abschnitt 23 Ihre
empfindlichen Achsen X, Y rechtwinklig zueinander, wodurch eine Meßebene rechtwinklig zur Längsachse des
Sondenabschnittes 23 und der Bohrlochachse festglegt wird.
Wie weiter unten näher erläutert werden wird, werden die Bohrlochpositionskoordinaten aus dem Neigungswinkel
bezüglich des Schwerkraftvektors und einer Winkelmessung des Zenits oder Gipfels jeder Meßebene
bestimmt. Diese Winkel werden sofort und genau aus der Messung des Schwerkraftvektors festgelegt, wobei die
Beschleunigungsmesser In der Meßebene rechtwinklig zur Bohrlochachse orthogonal positioniert sind. Jedoch
kann eine Messung des Schwerkraftvektors mit Irgendeinem Paar von Beschleunigungsmessern, deren Achsen
gegenüber unabhängigen Vektoren in einer Ebene empfindlich sind, die eine bekannte Haltung im Bohrloch hat
(d. h., die empfindlichen Achsen sind weder kollnear noch parallel), geometrisch In die Nelgungs- und Zenlt-Winkelmessungen
transformiert werden.
In einer typischen Sonde liegt der Durchmesser der Abschnittgehäuse in der Größenordnung von 5 bis 8 cm
(2 bis 3 Zoll), und zwei Servo-Beschleunigungsmesser können nicht Seite an Seite angebracht werden. Demgemäß
sind die Beschleunigungsmesser In einem Paar physikalisch axial von Abschnitten 22, 23 beabstandet; sie
sind jedoch ausreichend eng zueinander Im Vergleich mit der Entfernung zwischen den Beschleunigungsmesserpaaren,
um als koplanar angesehen zu werden.
Ein ditter Beschleunigungsmesser könnte zu jedem Satz beigefügt werden, wobei dessen empfindliche Achse
rechtwinklig zu den Achsen der anderen Beschleunigungsmesser des Paares Ist, wie dies durch die Bezugszeichen
Z und Z' angedeutet Ist. Die dritten Beschleunigungsmesser bieten eine Verbesserung in der Genauigkeit
und erlauben einen Betrieb, falls ein X- oder V-Beschleunlgungsmesser fehlerhaft arbeitet.
Ein Seil bzw. ein Kabel oder ein Rohr 24 1st an jedem Ende der Sondenabschnitte 22, 23 befestigt und hält die
Abschnitte in einem vorbestimmten Abstand Im Bohrloch 20. Das Seil 24 Ist flexibel, um Biegungen im Bohrloch
zu folgen; es ist jedoch gegenüber Torsionsspannungen widerstandsfähig, um eine Drehung des einen
Abschnittes bezüglich des anderen Abschnittes zu verhindern. Dies hält eine voreingestellte Beziehung zwischen
den Beschleunigungsmesserachsen -Y, Λ" und Y, Y' aufrecht. Vorzugsweise sind mit den axial ausgerichteten
ίι"' Sondenabschnitten 22, 23 die Achsen X. X' parallel zueinander und bilden eine Ebene durch die Längsachse der
Sonde. In ähnlicher Weise sind die Achsen V, Y' parallel und bilden eine zweite Ebene durch die Sondenachse
rechtwinklig zur ersten Ebene. Es ist nicht wesentlich, daß die entsprechenden Achsen parallel sind, sondern
nur, daß sie eine feste Beziehung haben. Jedoch wird das Verarbeiten der durch die Beschleunigungsmesser
entwickelten Signale vereinfacht, wenn die empfindlichen Achsen nominell parallel sind.
Jeder der Beschleunigungsmesser ist vorzugsweise ein linearer Servo-Beschleunigungsmesser mit einer zugeordneten
(nicht gezeigten) elektronischen Schaltung, die ein Analogsignal mit einer Amplitude erzeugt, das die
Komponente der Schwerkraftbeschleunigung entlang der empfindlichen Achse des Beschleunigungsmessers
darstellt. In der US-PS 37 02 073 ist ein solcher Beschleunigungsmesser beschrieben. Eine elektronische Schaltung
in der Sonde, die weiter unten näher erläutert wird, multlplext die Analogsignale, setzt diese in digitale
Form um und koppelt sie über Leiter im Hubseil 25 mit einer Schaltungsanordnung am Schachtende. Die
Beschleunigungssignale sind mit dem Dateneingang einer Daienspeicherainhc'.t 26 verbunden. Der Ausgang der
Datenspeichereinheit 26 ist mit einem Prozessor 27 verbunden, der, wie welter unten aufgezeigt wird, eine
Darstellung des Bohrlochverlaufes ableitet. Ein dem Hubsell 25 zugeordneter Wandler 28 erzeugt ein Signal Δ L
für den Prozessor 27, das die Position der Fühlersonde im Bohrloch anzeigt.
Ein Tastenfeld und eine Anzeige 30 sind mit dem Datenprozessor 27 verbunden. Eine Darstellung des Bohrlochverlaufes
kann abhängig von den Koordinaten in einem Dreiachsensystem angezeigt werden. Das Tastenfeld
liefert eine Eingabe und eine Steuerung für einen Bediener. Die Darstellung des Bohrlochverlaufes kann für eine
zukünftige Verwendung gedruckt oder aufgezeichnet werden. Einrichtungen zur Durchführung dieser Funktion
sind üblich und in der Zeichnung nicht näher dargestellt.
Die Abschnitte 22, 23 der Fohlersonde haben zylindrische Druckgehäuse. Elastische Zentrierer 31 auf der
Außenseite der Gehäuse greifen In die Innenwand der Bohrlochauskleidung 21 ein, wodurch die Gehäuse so
positioniert werden, daß ihre Längsachsen im wesentlichen mit derjenigen des Bohrloches zusammenfallen. Der
untere Abschnitt 23 der Sonde hat ein Gehäuse, das in zwei Tabelle 32, 33 geteilt Ist. Das Seil 24 1st mit dem
oberen Ende des Gehäuseteiles 32 verbunden. Beschleunigungsmesser X\ Y' liegen im Gehäuseteil 32. Der
zweite Gehäuseteil 33 des zweiten Sondenabschnittes 23 weist darauf Zentrlerer 31 auf und ist ausreichend lang,
um eine genaue Ausrichtung mit dem Bohrloch bei/ubchalten. Die Gehäuseteile 32, 33 sind mit einem (nicht
gezeigten) Gelenkverbinder zusammengefügt, so dal* tier Gehäuseteil 32 frei bezüglich des Teiles 33 umlaufen
kann, um die gewünschte Ausrichtung mit dem oberen .Sondenabschnitt 22 beizubehalten.
Die Bohrlochüberwachung wird durchgeführt, indem bewirkt wird, daß sich die Sonde durch das Bohrloch
vom einen Ende zum anderen In einer Richtung bewegt, während Daten gesammelt und verarbeitet werden. Die
Überwachung kann durchgeführt werden, wenn die Sonde In das Bohrloch abgesenkt oder wenn sie aus der
Erde hochgefahren wird. Für eine gesteigerte Genauigkeit können Daten gesammelt werden, wenn sich die
Sonde In jeder Richtung bewegt, und die Überwachungsergebnisse werden gemittelt.
Der Bohrlochazimut wird als Außenwelt bezeichnet, indem ein Anfangsazlmutzustand der Sonde an der Oberfläche
eingestellt wird. Beispielsweise kann die Sonde physikalisch mit einer festen Marke bzw. Höhenmarke
ausgerichtet werden, und das Ausrichten kann mit einem Überwachungsinstrument 35 verifiziert werden.
Flg. 2 zeigt schematisch die Beschleunigungsmesser und eine Signalverarbeitungsschaltung in der Sonde. Der
obere Sondenabschnitt 22 enthält die X-, Y- und Z-Beschleunlgungsmesser, die Analogausgangssignale ax, ay, α. ίο
haben. Der untere Sondenabschnitt 23 hat X'-, Y'- und Z'-Beschleunlgungsmesser mit Analogausgangssignalen
α/, α/ und a/.
Strom bzw. Spannung wird von einer Oberflächenquelle 37 über das Hubseil 25 an eine Leistungsversorgung
38 in der Sonde abgegeben. Die Analogbeschleunigungsmessersignale sind mit Abtast- und Halteschaltungen 39,
39' gekoppelt und werden durch Analog/Dlgltal-Umsetzer 40, 40' zu einer Signalsteuerung 41 multlplext bzw.
mehrfach ausgenutzt, durch die sie zur Oberfläche übertragen werden. Die Signalsteuerung 41 liefert einen Zeltablauf
bzw. eine Zeltsteuerung für die Abtast- und Halteschaltungen 39, 39' und die Analog/Dlgltal-Umsetzer
40, 40'. Signale von einem Selllängenwandler 28 sind mit den Beschleunigungsmessersignalen korreliert, um den
Punkt entlang des Bohrloches zu kennzeichnen, bei dem jeder Satz von Signalen abgenommen wird.
Eine Fehlerquelle in der Überwachung kann möglichst klein gemacht werden, indem Temperatursensoren 42,
42' In jedem Sondenabschnitt zusammen mit Temperatursteuerungen 43, 43' vorgesehen werden, damit die
Temperatur der temperaturempfindlichen Bauteile innerhalb gewünschter Grenzen gehalten werden. Analog-Temperaturslgnale
t. t' werden abgetastet und übertragen zur Oberfläche mit den Beschleunigungssignalen. Die
Temperatursignale werden In einer Temperaturkompensationsschaltung 26' benutzt, um weiter jeden Temperaturfehler
möglichst klein zu machen.
Die Sondenabschnitte 22, 23 müssen ausreichend lang sein, damit eine Ausrichtung zwischen den Abschnittachsen
und der Bohrlochachse beibehalten wird. Die maximale Länge 1st durch den Mindestradius der Biegung
in der Bohrlochauskleidung begrenzt. Innerhalb dieser Grenzen liegt ein typischer Sondenabschnitt zwischen
60 cm und 6 m (2 und 20 Fuß). Der Abstand zwischen Beschleunigungsmesserpaaren sollte wenigstens 3 bis
4,5 m (10 bis 15 Fuß) betragen. Die Höschtentfernung wird durch Handhabungsprobleme vorgeschrieben. Eine JO
typische Sonde Ist zwischen 15 m und 45 m (50 und 150 Fuß) lang.
Die Flg. 3 bis 12 zeigen die geometrischen Beziehungen, denen die Herleitung des Bohrlochverlaufes aus den
Schwerkraftkomponentensignalen unterliegt, die durch die beiden Beschleunigungsmesserpaare erzeugt werden.
Flg. 13 zeigt in einer Übersicht einige dieser Beziehungen. Im folgenden werden tabellarisch Begriffe und
Bezeichnungen erläutert, die In den Figuren und der folgenden Beschreibung benutzt werden:
Ö Bodenbezugspunkt
NEG Elnheltsrlchtungsvektoren Norden, Osten, abwärts (Schwerkraft)
NnEnGn Koordinaten der Mitte On eines Kreises Cn bezüglich eines NEG-Koordinatensystems ^
C Bohrlochkurve
C Aufwärtsprojektion eines Bohrloches
Cn Einheitskreis im η-ten Querschnitt des Bohrloches
Cn' oder C„tl Einheitskreis Im n+l-ten Querschnitt des Bohrloches
On Mitte von C1,
Dn Aufwärtsprojektion von On
I Abstand von Cn nach Cn' entlang dp: Bohrlochkurve C
XnYn Zwei orthogonale Beschleunigungsmesser In On
XnYn' Zwei orthogonale Beschleunigungsmesser in On, so daß - wenn die Kurve C eine Gerade ist die
empfindlichen Achsen von Xn und Xn' In die gleiche Richtung weisen: in ähnlicher Weise
zeigen die empfindlichen Achsen von Yn und Yn In die gleiche Richtung
ax„aynax„-as„. Beschleunigungssignale von Xn, Yn. Xn'. Yn
Zn Zenit auf Cn, der Punkt auf Cn. der am nächsten zur Oberfläche 1st S5
Zn Einheitsvektor von On nach Zn
jn Elnheltshorizontalvektor 90° Im Urhzeigersinn von /„ abwärts in Bohrloch
k„, kn Lokaler Einheitsvektor tangential zur Bohrlochachse bei On, On in der durch QOnOn'
festgelegten Ebene
O\ Der durch Zn oder /„ markierte Punkte auf Cn W
90°„ Der Punkt auf Cn, auf deny„ hinweist
Q Mitte der Bohrlochkurve mit Radius r„ zwischen On und On'
An, In Azimut und Neigung der Bohrlochachse in On bezüglich des Bodens Ö mittels des NEG-Koordinatensystems
/„, /„' Neigung der Kreise Cn, Cn
O.O/ Vektor von On nach On'
ÖÖ„' Vektor OnOn' Im NEG-Koordlnatensystem
ωη Winkel von Zenit Zn zur ^„-Beschleunlgungsmesserachse
α Richtungswinkel der Richtung einer Biegung von Zn nach On'
β Biegewinkel des Bohrloches von On nach On
r Radius der Bohrlochkurve von On nach On', nämlich gleich '/2/i
cun - ω,,' = ar-/?
κ δ eine in der geometrischen Analyse verwendete Größe
g Gravitationskonstante bzw. Erdbeschleunigung
Mn Transformationsmatrix zwischen (/,./', U)n und (/, /, k)„
Mn+\ Transformationsmatrix zwischen (/, /', A),,' und (N,E,G); dabei gilt (/,./, A),,' = (/.,/', Α·),,,ι
Flg. 3 Ist ein dreidimensionales Diagramm mit einem Rechteck-Koordinatensystem NEG mit einem
,, ι? Ursprung in einem Erd- bzw. Bedenbezugspunkt Ö. Eine Bohrlochkurve C erstreckt sich nach unten unter den
nordöstlichen Quadranten. Eine Kurve C Ist eine Projektion der Bohrlochkurve auf den Boden. Die Koordina-
ten NE bestimmen eine Horizontalebene In der Bodenoberfläche. G erstreckt sich nach unten rechtwinklig
hierzu und stellt die Schwerkraftrichtung dar. Kreise Cn und Cn' bilden Einheitskreise mit Mitten auf der Bohrlochkurve
in On und On'. Die Ebenen der Kreise sind senkrecht zur Bohrlochkurve, und die Kreise sind entlang
2Ί des Bohrloches in einem Abstand 1 gleich der Entfernung zwischen Beschleunigungsmesserpaaren in der Fühlersonde
beabstandet. Es wird angenommen, daß die Bohrlochkurve zwischen On und On ein Kreisbogen mit dem
Radius r„ und eine Mitte On 1st (vgl. Flg. 4).
Die Fühlersonde wird durch das Bohrloch bewegt, und Ablesungen werden von den beiden Beschleunigungsmesserpaaren
in aufeinander folgenden Sensorpositionen vorgenommen, die um einen Abstand 1 gleich der
-* Entfernung zwischen den Sensorpaaren beabstandet sind. Wie welter unten näher erläutert werden wird, können
die Neigung des Bohrloches In jeder Beschleunigungsmesserposition und die Änderung Im Azimutwinkel
zwischen Beschleunigungsmesserpositionen aus den Beschleunigungsmesserablesungen bestimmt werden. Wenn
die Messungen im Bodenbezugspunkt O beginnen und der Azimut in diesem Punkt bekannt ist, dann kann der
Azimut für jeden Punkt entlang des Bohrloches bestimmt werden, Indem die lnkrementellen Azimutzahlen
summiert werden. Die Messung kann im Bodenbezugspunkt Ö beginnen und zur Sohle des Bohrloches fortschrelteji,
oder sie kann In der Sohle des Bohrloches beginnen und nach oben bis zum Bodenbzeugspunkt fortgesetzt
werden. Im zuletzt genannten Fall Ist die Bestimmung des tatsächlichen Bohrlochazimuts In den
verschiedenen Positionen nicht bekannt, bis die Überwachung abgeschlossen 1st, und die kumulative Inkrementell
Azimutmessung wird mit dem Azimut im Bodenbezugspunkt summiert.
Die Neigungs- und Azimutwinkel sowie der Abstand entlang der Bohrlochkurve C für Punkte auf der Kurve
können verwendet werden, um eine Kennzeichnung der Lage jedes Bohrlochpunktes Im Rechteck-Koordinatensystem
NEG abzuleiten.
Die Beschleunigungssignale ax und a„ von einem Paar orthogonaler Beschleunigungsmesser bestimmen die
Neigung / der Ebene der Beschleunigungsmesser und den Orientierungswinkel ω zwischen dem Zenit oder
■tu einem Punkt auf dem Einheitskreis am nächsten zum Boden und der empfindlichen Achse des A'-Beschleunigungsmessers.
In Flg. 6 Ist der Einheitskreis C1, horizontal, und Cn Ist hierzu um einen Durchmesser./,,, -j„
geneigt. Flg. 7 zeigt eine weitere Einzelheit von Flg. 6, wobei senkrecht auf den Vektor Xn geblickt wird. Es ist
zu ersehen, daß das A'-Beschleunigungsmesserslgnal den Wert
^ aXn=g cos w„sind /„
hat. Der Y-Beschleunigungsmesser besitzt den Meßwert oder die Ablesung:
π
Zyn= g cos (w„ + ^) sin In
= — g sin w„ sin In.
Außerdem gilt:
Da die Beschleunigungsmessersignale ax„ und ay„ bekannt sind, können co„ und In beide bestimmt werden.
Diese Bestimmungen erfolgen für die Einheltskreise C„ und Cn'. Aus dieser Information und der Annahme, daß
das Bohrloch dem Bogen eines Kreises zwischen Positionen η und n' folgt, kann ebenfalls die Änderung im
Azimut von η nach n' bestimmt werden.
Also gilt:
a*»2 + V = 62(cos2 ωη + sin* ωη) sin2 In.
Daraus folgt:
Daraus folgt:
(V + aAi)» = g sin In
In= arc sin
Dies ergibt die Neigung des Bohrloches in On. Diejenige von On' wird in ähnlicher Welse berechnet. Dies ist
in einem Schritt 43 (vgl. Flg. 13) dargestellt.
In Flg. 8 sind drei konzentrische Kreise gezeigt: Der Kreis C11 1st horizontal oder parallel zum Boden; der
Kreis Cn ist senkrecht zum Bohrloch In On mit einem Zenit Zn und bezüglich des Kreises C11 um eine durchs
und -j„ festgelegte Achse geneigt. Der Kreis Cn ist senkrecht zum Bohrloch in n' mit einem Zenit Zn und wird
erhalten, indem der Kreis Cn um Vn und -Vn unter einem Winkel 2ß gedreht wird. Der Kreis Cn' schneidet den
Kreis CH unter./„' und -j„'. Der Umkehrpunkt Tn auf Cn ist um 90° von Vn und -Vn beabstandet. Entsprechend
der 2/3-Wlnkelumkehrung wandert der Punkt Tn auf Cn nach Un auf Cn '.Somit sind Tn und Un beide um 90° von
Vn entfernt. In Fig. 8 ist α der Winkel zwischen Zn und Tn, und ö ist der Winkel zwischen Zn' und Un.
Flg. 10 zeigt die Kreise Cn und Cn', die überlagert sind, wenn entlang der Achse des Bohrloches geblickt wird.
Aus den Flg. 8 und 10 Ist zu ersehen, daß
a = LZnOTn= L]nOVn
20
<5 = L ZnOU,,= LjnOVn
gelten. Somit beträgt die Zenitverschiebung:
y = ωη - ωη' = L ZnOX - L Zn' OX'
= L ZnOZn'
25
30
(nach Drehen des rechten
Winkels L ZnOjn im Uhrzeigersinn um einen Winkel y)
Winkels L ZnOjn im Uhrzeigersinn um einen Winkel y)
= a - δ.
Das sphärische Dreieck der Flg. 9 liegt auf der rechten Seite der Kreise von Flg. 8. In diesem Dreieck gelten:
■to
Mit A = π-Ι,/ B = I„
C = 2ß
C = 2ß
a = α b = <5 ergibt sich
durch das sphärische Sinusgesetz sin a sin b
sin A sin B
oder
sin a
sin δ
sin (n-\J) sin I.
Mit y = α—δ folgt:
sin a _ sin (tt — y)
sin In' sin In
sin α sin In = sin In' (sin α cos γ - cos α sin y)
sin α (sin In - sin In cos y) = — cos α sin y sin In'
Somit folgt:
tan a =
sin γ ■ sin In'
cos y sin In, — sin In
50
55
60
65
Da γ = io„ - ωη gilt, sind alle Größen auf der rechten Seite der Gleichung aus den vier Beschleunigungsmessersignalen
bekannt, und tan α und α können bestimmt werden.
Auch kann hinsichtlich des sphärischen Dreieckes von Flg. 9 der Biegewinkel β wie folgt mittels eines sphärischen Dreieckgesetzes bestimmt werden:
cot 2 sin
>ή (a + b)
tan Vi (A-B) sin 1A (a - b)
Mit C =2 ,S gilt:
sin Vi (α + δ)
(π I \
cot^ = ——.
tan I - -- (I.+ V)I
sin Vi (α — ο) \ 2 2 /
sin (α — . ) j
is = — cot - (In + In ')
sin Γ
Y
Y
(sin a cos . — cos a sin _ ) j
= γ
sin Γ
Y
1
= cos er (tan ο · cot Γ — I) cot" On + I» ')·
Die drei Größen <5, α und β (vgl. Schritt 44 !n Flg. 13) sind bekannt. Die geometrische Bedeutung von α, dem
Richtungswinkel der unteren Sondenmitte On' mit Blickrichtung gerade nach unten entlang der Bohrlochtangente in der oberen Sondenmitte O1,', ist In Flg. 5 gezeigt. Der Biegewinkel 2/3 ist In den Fig. 3 und 4 dargestellt, wobei gezeigt wird, um wieviel sich der Bohrlochquerschnitt Cn' bezüglich des Querschnittes Cn gedreht
hat.
Die Position der Vektoren ;, j und A (vgl. F Ig. 3 und 8) kann Tür aufeinander folgende Kreise durch Koordinaten-Transformationsmatrizen wie folgt angegeben werden:
O O O'
Mn Mn
NEG > (U, k)„ > (U, k)„'
Mn* ι = Mn · Mn .
Die Matrix M1, wurde_berelts In einer vorhergehenden Messung und Berechnung erhalten. Es Ist lediglich
so erforderlich, die Matrix Mn abzuleiten. Aufgrund von Flg. 8, dem Bild mit den drei Kreisen, werden die Vektoren (Un, Vn, Arn') wie folgt durch(/„'../„'. £„) ausgedrückt:
Un = i„(cos a„ cos 2 /?„)
+ in (sin an cos 2 ß„)
+ K (- sin 2 /Sn)
Vn = in (- sin «„)
+ Jn (cos a„)
+ MO)
k„ = i„ (cos a„ sin 2 ß„)
- Jn (sin a„ sin 2 ß„)
+ k„ (cos 2 /?n)
Die Koordinationsformation M„, die die beiden Vektoren OnJn, k„) und (i„\j„\ k„') in Fi g. 8 betrifft, wird über
die (Um Vn, k„)-Symbole erhalten:
i„' = cos 6„\J„ — sin OnVn
= i„ (cos ö„ cos a„ cos 2 ßn + sin 6„ sin a„)
+ Jn (cos 6„ sin a„ cos 2 ß„— sin (5, cos an)
+ k« (— cos ö« sin 2 ß„)
+ k« (— cos ö« sin 2 ß„)
)„' = sin a,U« + cos (SnV1,
= I1, (sin Ö, cos απ cos 2 ß„— cos d, sin an)
+ Jn (sin δη sin a„ cos 2 /7»
+ cos «5« cos Orn)
+ k, (— sin On sin 2 /?») io,
kn = in (cos αΛ sin
+ Jn (sin ae sin :
+ kB (cos 2 /Jn)
Dies bedeutet, daß die Koordlnaten-Transformatlonsmatrix Mn (vgl. Schritt 45 in Fig. 13) wie folgt aufgebaut
werden kann:
/i,'\ /a,i a,2 ai3\A\ /'Λ
I J.' )=( a2, H22 a„ )( j, J= Mn f j. J
\ k.y \a3>
a32 »J3/\k./ \k»/
mit an = cos δ cos α cos 2 β + sin δ sin a
ai2 = cos δ sin ο cos 2 /? — sin δ cos α
ai2 = cos δ sin ο cos 2 /? — sin δ cos α
In der Praxis speichert der Prozessor die Koordlnaten-TransformaUonsrnatrlx aus den vorherigen lokalen
Koordinaten (ι, j, k) im Boden-Nullpunkts-Globalkoordlnatensystem (NEG). Dies bedeutet, daß der Rechner
bereits die Matrix Mn kennt, mit:
ZiA Zb11 b12 b13\/N\ _ /n\
( j. J= ( bai b22 b23 It E J= Mn ( E )
\k„/ \b„ b32 b33/\G/ \G/
\k„/ \b„ b32 b33/\G/ \G/
Um die Transformationsmatrix Mn nach Mn^ fortzuschreiben, was die lokalen Koordinaten (/„', j„', kn') In das
Globalkoordinatensystem (NEG) transformiert, wird das Matrixprodukt bestimmt (vgl. Schritt 6 in Flg. 13):
Mn+1 = Mn-Mn-
Wenn In Fig. 11 entlang des Bohrloches in der Richtung des Vektors +A„ (vgl. die Fig. 3, 4 und 5) geblickt
wird, sei angenommen, daß das Bohrloch von O1, nach On' eine Richtung aufweist, die im Uhrzeigersinn um an°
vom Zenit Zn abweicht, und daß sich das Bohrloch entlang einer Kreisbahn über einen Bogen arc 2/Jn biegt.
Wenn 1 die Bohrlochlänge von On nach On' Ist, kann der lokale Positionsvektor OnOn von On nach On (vgl.
Schritt 47 in Flg. 13) ausgedrückt werden durch: 45
I
(OnOn') = in (- cos a„ sin2 ßn)
(OnOn') = in (- cos a„ sin2 ßn)
Pn
• , 50
+ j„(- sin«nsin2/?„)
Pn
I
+ M , sinansin2/?n)
+ M , sinansin2/?n)
Pn
Der Spaltenveklor OnO11' Im NEG-Koordlnatensystem wird wie folgt geschrieben:
OnOn' = Mn (OnOn') (vgl. Schritt 48 in F i g. 13).
Aus Fig. 12 folgt:
oo„41 = oo„' = oo„+ o„o;
Dabei Ist 0O11 aus vorhergehenden Berechnungen gespeichert. Die Lage von On' bezüglich des Bodenbezugs- 65
Punktes O Ist so festgelegt.
Mit dem Vektor 00..'. der zur Position 0,,' weist, kann der Azimut Ä„' (vgl. Fig. 3) wie folgt ausgedrückt
Mit dem Vektor 00..'. der zur Position 0,,' weist, kann der Azimut Ä„' (vgl. Fig. 3) wie folgt ausgedrückt
tan In' =
ε;
(N/ 2 + Ε.' 2)»
wobei (Nn'. En. Gn) die Koordinaten des Vektors 0On Im NEG-System mit dem Boden Ö als Bezugspunkt
sind (vgl. Schritt 49 in Fig. 13).
ίο Die Ableitung des Bohrlochverlaufes aus Schwerkraftvektorsignalen erfolgt vorzugsweise mittels eines
programmierten Digitalprozessors. Die Flg. 14 und 15 sind schematische FJußdiagramme, die die Ableitung
einer Darstellung des Verlaufes in /V/iO'-Koordlnatcn angegeben. Die Darstellung und die Beschreibung nehmen
die Verwendung von Beschleunigungsmessersignalen von Positionen an, die in einem Abstand 1 Im Bohrloch
beabstandet sind.
Die skalaren Eingangssignale in Fig. 14 sind die digitalen Schwerkraftvektorsignale av av und β/, β/. Jeder
der Blöcke des Diagrammes zeigt algebraisch oder In Worten die dadurch vorzunehmende Funktion. Das
Programm ^vird allgemein und bezüglich einigen der oben gegebenen geometrischen Erläuterungen beschrieben.
Ia einem Schritt 500 werden ax und ay mit der Schwerkraft g gemischt, und eine Arcussinus-Funktion wird in
einem Schritt 51 verwendet, um den Neigungswinkel / für eine Position Im Bohrloch zu erhalten. In ähnlicher
Welse werden in Schritten 52, 53 die Werte ax' und a,' verwendet, um /' abzuleiten, nämlich die Neigung in
zweiten Punkt des Bohrloches. In einem Schritt 54 wird das Verhältnis von ax zu av ermittelt; In einem Schritt 55
liefert der Arcustangens ein Maß für den Winkel ω (vgl. Fig. 3, 6 und 8). In ähnlicher Weise werden ar' und a/
in Schritten 56, 57 gemischt, um ein Signal zu erzeugen, das den Winkel w' darstellt. In einem Schritt 58 liefert
die Differenz ω - ω' den Winkel y, nämlich die Verschiebung Im Zenit zwischen aufeinander folgenden Posltlonen
entlang des Bohrloches (vgl. Fig. 10). Die Neigungswinkel /, /' und ein Zenitverschiebungswinkel y werden
in Schritten 60, 61 gemischt, um den Winkel α zu bestimmen, der die Richtung des Bohrloches zwischen aufeinander
folgenden Positionen darstellt. In Schritten 62, 63 wird α mit dsn Neigungswinkeln /, /' und dem Fehlwinkel
γ gemischt, um den Biegewinkel β abzuleiten.
Die skalaren Größen α, β, γ und / liefern Eingangssignale für das Matr!x-/Vektorprogramm, das schmematlsch
m Fig. 15 dargestellt ist. In den In Flg. 15 verwendeten Symbolen bedeuten M eine Bohrloch-Lokal-Koordlnatentransformationsmatrix
von (;', j, k)„' nach (ι, j, k)„ und Mn die Global-Koordlnatentransformatlonsmatrlx von
(i.j, k)„' nach (N. E, G).
Der Anfangsazimut An Tür die Sonde wird durch das Überwachungsinstrument 35 bestimmt, und diese Information
wird als Eingangssignal an das System über das Tastenfeld 30' abgegeben. In einem Schritt 70 legt eine
Globaimatrlx M0(A0' O die Startposition für die Sonde fest. Die Form der Matrix M„ Ist In der Fußnote * zu
Flg. 15 angegeben. Für die erste Meßposition oder η = O ist die Matrix M0 vom Schritt 70 über ein Gatter 71 mit
einem Matrixmultipllzlerer 27 verbunden.
Die Winkel er und γ werden in einem Schritt 73 subtrahiert, um den Winkel δ zu liefern, der weiter mit α und
β in einem Schritt 74 gemischt wird, um die Matrix Mn zu bilden, die die in der Fußnote ·* von Fig. 15 gezeigte
Form hat. Die Matrix Mn wird mit der Matrix Mn In einem Schritt 75 multipliziert, um eine transformierte
Globalmatrix AZn+, für die nächste Position entlang des Bohrloches zu erzeugen. Diese Matrix wird in einem
Schritt 76 verzögert und über ein Gatter 77 mit einem Matrlxmultipilzierer 72 gekoppelt, wenn η 1 oder größer Ist,
was Mn für die folgende Messung liefert.
Die Winkel β und ac werden In einem Schritt 78 gemischt, um den Vektor OnOn' zu bilden, der mit der Matrix
Mn in einem Schritt 72 multipliziert wird (vgl Flg. 11 und 12). Das Ergebnis dieser Multiplikation OnOn' wird in
einen Vektor-Addierer 80 eingegeben, wo es mit den JV£G-Koordinaten für den Punkt On summiert wird. In der
ersten Meßstelle (das Bohrloch an der Oberfläche) sind diese Koordinaten OOO. Das Ergebnis der Vektoraddltlon
1st der Satz von MfG-Koordinaten, die einen Punkt auf dem Bohrloch darstellen. Dieses Ergebnis wird
auch über eine Einheitsverzögerung (Schritt 81) als ein Eingangssignal zum Vektor-Addierer 80 für die nächste
so Meßposition gespeist. Die aufeinander folgenden Sätze von MTG-Koordlnaten, die aus aufeinander folgenden
Beschleunigungsmesser-Messungen entwickelt sind, liefern eine Darstellung des Bohrlochverlaufes.
Das oben beschriebene Überwachungsinstrument, das Servo-Beschleunigungsmesser benutzt, bildet zuverlässige
Ergebnisse, solange das Bohrloch nicht Innerhalb etwa 1" von der wahren Senkrechten oder wahren Waagerechten
liegt. Falls diese Bedingungen auftreten, sollten die Beschleunigungsmesser-Messungen durch Irgendeine
andere Messung des Bohrlochverlaufcs ergänzt werden.
Hierzu 13 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Vorrichtung zum Vermessen eines Bohrloches mit mindestens vier an voneinander beabstandsten Stellen
und jeweils in einem festen Winkel zur Langsachse des Bohrloches angeordneten und zusammen durch
S das Bohrloch verfahrbaren Beschleunigungsmessern, jeweils einer Einrichtung zur Halterung der vonelander
beabstandeten Beschleunigungsmesser und einer Einrichtung zur Ableitung eines die Schwerkraftkomponente
in Richtung der empfindlichen Achse des Beschleunigungsmessers darstellenden Signals aus jedem Beschleunigungsmesser,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesser an den voneinander beabstandeten
Stellen der Vorrichtung jeweils paarweise angeordnet sind, wobei die empfindlichen Achsen (X, Y)
ίο des ersten Paares Beschleunigungsmesser eine erste, die Bohrlochachse (Z) schneidende Ebene und die
empfindlichen Achsen (X', Y') des zweiten Paares Beschleunigungsmesser eine zweite, die Bohrlochachse (Z)
schneidende Ebene bilden und zwischen den empfindlichen Achsen der einzelnen Beschleunigungsmesser
jedes Paares eine vorgegebene feste Beziehung besteht, und daß die Beschleunigungsmesser-Paare in ihrer
winkelmäßigen Ausrichtung um die Bohrlochachse (Z) drehfest zueinander angeordnet und in einem glelchbleibenden
gegenseitigen Abstand entlang der Bohrlochachse (Z) durch das Bohrloch (20) verfahrbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- eine Einrichtung, die ein Signal ableitet, das den Abstand der Vorrichtung von einem bestimmten Bezugspunkt
in jedem Meßpunkt des Bohrlochs (20) darstellt, wobei die Einrichtung zur Ermittlung des Koordlnaten
der Bohrlochmeßpunkte ihre Werte aus den Signalen der Beschleunigungsmesser ableitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungseinrichtung für die
Beschleunigungsmesser aufweist:
- eine durch das Bohrloch (20) bewegbare Fühlersonde, die aufweist einen ersten Abschnitt (22) mit einer
Achse, die sich entlang der Bohrlochachse erstreckt, einen zweiten Abschnitt (23), der vom ersten
Abschnitt (22) beabstandet ist und eine Achse besitzt, die sich entlang der Bohrlochachse erstreckt, wobei
eine Verbindungseinrichtung (24) die beiden Abschnitte (22, 23) so verbindet, daß der gleichbleibende
Abstand zwischen ihnen aufrechterhalten wird, und die Verbindungseinrichtung (24) flexibel und entlang
der Achse des Bohrloches (20) biegbar, jedoch starr gegen Verdrehung eines Abschnittes bezüglich des
anderen Abschnittes Ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
- daß bei ausgerichteten Fühlersondenabschnitten (22, 23) die empfindliche Achse jedes Beschleunigungmessers
des ersten Paares von Beschleunigungsmessern koplanar mit der empfindlichen Achse des entsprechenden
Beschleunigungsmessers des zweiten Paares 1st.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
- einen dritten Beschleunigungsmesser mit einer empfindlichen Achse entlang der Achse des Abschnittes
(22, 23) In jedem Sondenabschnitt (22, 23).
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
- ein Gehäuse für jeden Abschnitt (22, 23) und
- eine Einrichtung zum Zentrleren der Gehäuse Im Bohrloch (20).
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Gehäuse frei Im Bohrloch (20) drehbar sind.
- daß die Gehäuse frei Im Bohrloch (20) drehbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
- ein Gehäuse für jeden Sensorsondenabschnitt (22, 23),
- wobei die Verbindungseinrichtung (24) zum Zusammenfügen der beiden Abschnitte ein Verbinder Ist, der
an jedem Ende an einem der Gehäuse festgelegt 1st, der Verbinder eine Achse besitzt, die der Achse des
Bohrloches (20) folgt, und wobei der Verbinder starr bezüglich eines Verdrlliens um seine Achse und nachgiebig
gegenüber einer Biegung entlang der Bohrlochachse Ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
- eine Einrichtung, um aus den Beschleunigungsmessersignalen eine Darstellung des Bohrlochverlaufes
abzuleiten.
10. Verfahren tum Vermessen eines Bohrloches, bei dem Im Bohrloch an voneinander beabstandeten
Punktepaaren die Schwerkraftkomponenten jeweils In zwei verschiedenen Richtungen gemessen, Signale
entsprechend den gemessenen Schwerkraft-Beschleunigungswerten erzeugt, der Abstand zwischen den
Meßstellen ermittelt und der Bohrlochverlauf aus den Beschleunigungssignalen und den Abstandswerten
abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Richtungen eine vorgegebene feste Beziehung
zueinander aufweisen, wobei die beiden Richtungen an jedem Punkt eine die Bohrlochachse schneidende
Meßebene definieren, und daß die beiden Meßrichtungen am einen Punkt jedes Punktepaares gegenüber den
beiden Meßrichtungen am anderen Punkt jeden l'unktepaares In Ihrer winkelmaßigen Ausrichtung um die
Bohrlochachse unverdrehbar gegeneinander und wilhrcnd der gesamten Meßdauer in einem gleichbleibenden
Abstand voneinander entlang der Bohrlochachse gehalten werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet.
daß die Achsen der Meßrlchlungen (X. Y; A". }").In jedem Punkt zueinander orthogonal gehalten werden,
wobei sie eine Ebene rechtwinklig zur Achse (Z) des Bohrloches (20) bilden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Darstellung des Bohrlochverlaufes in Koordinaten erfolgt, die auf einen Bezugspunkt bezogen sind.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen eines Bohrloches oder dgl., um
eine Darstellung des Bohrlochverlaufes bezüglich eines bekannten Bodenbezugspunktes, wie z. B. eines Punktes,
zu liefern, an dem das Bohrloch beginnt.
Das Vermessen eines Bohrloches oder dgl. erfolgt oft mittels eines Instrumentes oder einer Sonde, die sich
durch das Bohrloch bewegt und Neigung sowie Azimut- bzw. Höhenwinkel an aufeinander folgenden Punkten
mißt. Die Neigung, nämlich der Winkel, um den die Bohrlochtangente von der Senkrechten abweicht, kann
mittels eines Pendels oder Beschleunigungsmessers gemessen werden. Der Azimut, nämlich der Winkel des
Bohrloches Im Hinblick auf eine Bezugsrichtung, wie z. B. Norden, wird insbesondere mit einem Magnet- oder
einem Gyroskop- bzw. Kreiselkompaß gemessen. Diese Winkel werden zusammen mit der Entfernung entlang
des Bohrloches verwendet, um Koordinaten von Punkten entlang des Bohrloches im Hinblick auf den Bezugspunkt,
nämlich den Pnkt Ö, zu bestimmen.
Ein Pendel zum Messen der Neigung kann die Form eines linearen Servo-Beschleunigungsmessers annehmen,
der auf die Beschleunigung der Schwerkraft anspricht. Servo-Beschleunigungsmesser sind als kleine, robuste
und genaue Geräte verfügbar. Die Messung des Azimut Ist nicht so einfach. Magnetkompasse oder andere
Einrichtungen zum Messen des Erdmagnetfeldes sind Fehlern ausgesetzt, die durch magnetische Anomalien im
Boden hervorgerufen sind. Kreisseikompasse haben verschiedene Nachteile einschließlich großer Abmessungen,
Lagerabnutzung, Stoßempfindlichkeit, Drift- und Präsessionsfehlern sowie der Notwendigkeit einer langen
Einstellzeltdauer zur Stabilisierung, wenn eine Messung durchgeführt wird.
Die US-PS 3180 034 offenbar ein Bohrloch-Vermessungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dieses bekannte Gerät weist zwei miteinander verbundene Abschnitte und ein Potentiometer auf, das die Richtungsänderung
des Bohrlochs in einer Ebene erfaßt. (Vgl. dort die Flg. 1 bis 6.) Mit den Bleigewichten wird
immer eine konstante Lage des ersten Abschnitts 1 zur Richtung der Schwerebeschleunigung sichergestellt. Zur
Messung der Änderung der Bohrlochrichtung In zwei Ebenen wird vorgeschlagen, zwei solche Bohrlochvermessungsgeräte
hintereinander und gleichzeitig In das Bohrloch einzuführen. Zur Messung des Verlaufs von
senkrechten bzw. annähernd senkrechten Bohrlöschern büßen die Bezugsgewichte ihre Wirkungsweise ein,
weshalb in der US-PS 31 80034 vorgeschlagen wird, diese dann wegzulassen, ohne daß ersichtlich wäre, wie die
Apparatur dann noch die ihr gestellte Aufgabe lösen kann.
Die US-PS 38 62 499 zeigt ein Bohrlochvermessungsgerät mit Beschleunigungsmessern, die die Inklination
messen, und einen Magnetometer, das zusammen mit den Beschleunigungsmessern den Azimut bestimmt.
Ferner zeigt die US-PS 38 62 499 Im Detail die Verarbeitung der durch das Bohrlochvermessungsgerät erzeugten
Signale. Die zuvor schon erwähnten Nachtelle des Standes der Technik sind auch dieser bekannten Vorrichtung
eigen.
Es Ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen eines
Bohrlochs oder dgl. zu ermöglichen, die mit einer höheren Genauigkeit eine Darstellung des Bohrlochverlaufes
bezüglich eines bekannten Bodenbezugspunktes lediglich unter Verwendung von Beschleunigungsmessern durch
quasi Verdoppelung der Messungen an jedem Meßpunkt liefern.
Die Lösung der obigen Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfolgt durch
die kennzelchenen Merkmale des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Ansprüche 2 bis 9 gekennzeichnet.
Die Lösung der obigen Aufgabe bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 erfolgt durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Weiterbildungen davon sind durch die Ansprüche 11 und 12 gekennzeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Flg. 1 eine aufgebrochene Darstellung der erflndungsgemäßen Vorrichtung einschließlich Abschnitten durch
ein Bohrloch mit der Fühlersonde,
Flg. 2 ein Blockschaltbild der Beschleunigungsmesser und einer Schaltung zum Übertragen von Beschleunlgungsslgnalen
zur Oberflüche,
Flg. 3 geometrische Diagramm, die die Ableitung der Neigungs- und inkrementellen Azimutwinkel und der
Bohrlochposltlonskoordlnaten aus den Besthleunlgungs- und Bohrlochabstandsmessungen darstellen,
Flg. 13 einen Entwicklungsbaum, der tabellarisch die Ableitung darstellt, die geometrisch In den Flg. 3 bis
12 gezeigt Is1, un'J
Flg. 14 u^d Ii Blocktfiagramme zur Erläuterung eines Systems und eines Verfahrens zum Ableiten des Bohrlochverlaufes
aus den Beschleunigungsmessersignalen mit Messungen, die an Positionen vorgenommen sind,
die um einen Abs'aiid entfernt sind, der gleich der Entfernung tl°r Beschleunigungsmesserpaare ist.
Die Erfindung Wird Im folgenden anhand eines Bohrloches für ein Öl- oder Gasvorkommen erläutert. Sie
kann für an'lere Bergbau- oder Bauingenieuranwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise für das Vermessen
von un'erschledllchen S"ukturen, wie z. B. von einem Grubenschacht. Der Hinweis auf ein Bohrloch In
den Patentansprüchen lsi weit auszulegen, wenn nicht der Zusammenhang eine differenzierte Interpretation
erfordert. Die Ableitung einer Durstellung des Bohrlochverlaufes kann beispielsweise In der Form von dreldl-
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