DE3511867A1 - Codierungs- und uebertragungssystem zur bohrschlammimpuls-fernuebertragung von bohrwerkzeugstirnflaechenwinkeldaten - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Fernübertragung von Information über die Bohrmeißelausrichtung in einem während des Bohrvorganges arbeitenden Meßsystem, insbesondere ein System zur Codierung und Übertragung von Daten zur Erfassung des Werkzeugstirnflächenwinkels in einem impulslagemodulierten Bohrschlamm-Fernübertragungssystem.

Beim Einbringen von Bohrlöchern in Erdformationen ist es höchst wünschenswert, Information betreffend die Lage und Richtung des Bohrloches zu erhalten, während der Bohrvorgang läuft. Die Möglichkeit, Information zum Bohrpersonal betreffend die Neigung und Azimutalstellung des Bohrloches sowie die Lage des Bohrmeißels innerhalb des Bohrloches zu geben, während der Bohrvorgang läuft, ermöglicht ein korrektives Eingreifen und korrigierende Abänderungen wahrend des Bohrvorganges. Darüber hinaus machen Echtzeitinformation über die Bohrlochkonfiguration und Bohrmeißellage liefernde Systeme den gesamten Bohrvorgang sehr viel wirkungsvoller. Solche Information vermeidet die Notwendigkeit, den Bohrvorgang abzustoppen, das Bohrgestänge aus dem Bohrloch zu entfernen und dann Messungen durchzuführen, um die Richtung und den Winkel des Bohrloches festzustellen.

Eine Werkzeugstirnflächenlage kann auf zwei Arten gemessen werden. Der erste Weg nutzt eine Anordnung von drei rechtwinklig zueinander befestigten Beschleunigungsmessern, die die Gravitationsbeschleunigung in jedem der drei rechtwinklig zueinander angeordneten und

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in Hinblick auf das Bohrwerkzeug ausgerichteten Sensoren messen. Der zweite Weg nutzt ähnliche Daten, die von drei rechtwinklig zueinander angeordneten Magnetometern erfaßt werden, die die Richtunq des BohrlocMWPrkzcuqn unter Bezugnahme auf den magnetischen Nordpol der Erde ermitteln. Diese bekannten Techniken ermöglichen ein relativ hohes Maß an Genauigkeit beim Vermessen der Werkzeugstirnflächen-Raumlage in im Grunde genommer jeder Position. Wenn beispielsweise das Bohrloch etwa

It vertikal zu der Erdachse verläuft, wird die Beschleunigungsmessung ungenau, Magnetometerdaten werden dann verwendet. Wenn auf ähnliche Weise der Winkel des Bohrloches sich einer Lage nähert, die mit der magnetischen Achse der Erde übereinstimmt, dann werden die Magnetometerdaten ungenau und erfordern den Rückgriff auf Beschleunigungsmesserdaten. Bei allen Zwischenlagen des Bohrloches ist die vom Beschleunigungsmesser und vom Magnetometer gelieferte Information durch Überprüfung der jeweils anderen Information auf genaue Weise zu korrigieren.

In einem System zur Erfassung der Werkzeugstirnflächenorientierung beim Bohrvorgang, das als "steering mode system" (Steuerungsbetriebsweise-System) bezeichnet wird, ist es wünschenswert, eine periodische Anzeige der genauen Winkelstellung des das Bohrloch ausformenden Bohrwerkzeuges am Ende des Bohrgestänges zu erhalten. Dies erfordert ein System zur Fernübertragung von Daten vom Ort der Messung am unteren Ende des Bohrgestänges das Bohrloch hinauf zur Erdoberfläche, wo es durch die Bohrmannschaft verwendet werden kann. Es wurden viele unterschiedliche Systeme zur Informations-Fernübertragung innerhalb eines Bohrloches vorgeschlagen. Das im großen und ganzen erfolgreichste

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System ist eines, das dem eine Zentralöffnung des Bohrgestänges nach unten durchsetzenden Bohrschlamm-Strom
Druckimpulse aufprägt, um Information einzucodieren und vom Ort der Messung zum Bohrpersonal an der Oberfläche hinaufzufördern. Sogar unter den Schlammimpuls-Fernübertragungssystemen gibt es eine ganze Anzahl von unterschiedlichen Techniken zur Aufcodierung der Information in Druckimpulse, die dem fließenden Bohrflüssigkeits-Strom überlagert sind. Ein System verwendet für jedes Informationsbit einen Druckimpuls, der auf den Flüssigkeits-Strom aufcodiert wird. Wie auch immer, um im Bohrlochbodenbereich Druckimpulse zu erzeugen, muß entweder der Bohrschlammweg von Zeit zu Zeit unterbrochen werden oder Bohrschlamm in den Bohrlochringbe- reich abgelassen werden, um eine Druckveränderung zu verursachen. Jegliche Art von Druckimpulserzeugung benötigt große Energiemengen, um ein Ventil zu steuern und eine Druckschwankung in dem unter hohem Druck, stehenden Schlammstrom hervorzurufen. Leistungsaufnc:h::.is und Leistungsbedarf von Geräten, die sich oft mehrere 1000 m unter der Erdoberfläche befinden und extrem feindlichen Umgebungsbedingungen von Druck, Temperatur und Erschütterung ausgesetzt sind, bringen ernste Probleme mit sich. Es ist somit wünschenswert, die zum Betrieb eines Schlammstromimpulsventiles benötigte Leistungsaufnahme zu minimieren. Folglich sieht das System nach der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines I^ulslageirodulationsschemas vor, um Daten auf den umlaufenden Strom von Bohrschlamm wie nachfolgend be-0 schrieben aufzuprägen und das weniger Schlammimpulse benötigt, um eine vorgegebene Menge von Daten zu übertragen.

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Impulslagemodulation verknüpft die periodische Erzeugung von Druckimpulsen im Bohrschlammstrom mit dem zeitlichen Abstand der Impulse, der die übertragenen Daten bezeichnet. Wenn beispielsweise eine Zeitperiode von 10 msec für eine Einheit eines numerischen Wertes bei dem Modulationsschema festgesetzt ist, wird der durch jeden Zeitabschnitt zwischen Impulsen angezeigte numerische Wert durch die Summe der 10 msec-Intervalle angegeben, die der Zeitabstand zwischen den Impulsen umfaßt. In solch einem Modulationsschema bedeutet ein Zeitintervall von 4 see zwischen den Impulsen einen Zählwert von 400.

Einer der Parameter zur Beurteilung der Raumlage einer abgebogenen zur Durchführung gerichteter Bohrvorgänge verwendeten Bauteiluntergruppe wird als Bohrwerkzeugstirnflächenwinkel bezeichnet. Diese Messung erfaßt den Winkel, den die durch die abgebogene Längsachse der abgebogenen Bauteiluntergruppe definierte Ebene mit einer senkrechten Ebene einschließt, d. h. den Krümnmngswinkel. Normalerweise wird der Werkzeugstirnflächenwinkel durch ein Paar von x- und y-Sensoren gemessen, die innerhalb der abgebogenen Bauteiluntergruppe angeordnet sind, nämlich entweder Beschleunigungsmesser oder Magnetometer, die jeweils ein Spannungssignal produzieren. Das Verhältnis dieser beiden Spannungssignale steht in direkter Beziehung zum Wert des Werkzeugstirnflächenwinkels. Wie bei Sensoren üblich, ändern sich die Spannungswerte als Funktion der Temperatur und müssen durch gewisse Vorspannungen und Skalenfaktoren korrigiert werden, bevor sie als direkte Anzeige des Werkzeugstirnflächenwinkels verwendet werden können. Bei herkömmlichen Systemen erfordert dies, daß zwei Werte, nämlich einer für den x-Sensorspannungswert und

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einer für den y-Sensorspannungswert gesondert zur Korrektur mit Vorspannungen und Skalenfaktor zur Oberfläche übertragen werden müssen, bevor das Verhältnis zwischen den Werten gebildet und daraus ein Werkzeugstirnflächenwinkel-Wert errechnet wird. Dies erfordert zwei gesonderte Datenworte, je eines für die beiden gesondert zur Oberfläche übertragenen Werte, was eine umfangreichere Datenmenge erfordert, die durch das Bohrschlammimpuls-Fernübertragungsventil abgearbeitet werden muß.Dies führt zu einer Erhöhung der Leistungsaufnahme des Ventiles. Das Verfahren und das System nach der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Technik, durch die das Verhältnis zwischen den x- und y-Spannungswerten im Bohrlochbodenbereich gebildet wird und dann einfach das ermittelte Verhältnis zur Erdoberfläche übertragen und dort mit Vorspannungs- und Skalenfaktoren korrigiert wird*

Darüber hinaus sehen datenverarbeitende Techniken nach dem Stand der Technik zur Synchronisationvon Datenworten Synchronisationsimpulse vor, die zur Oberfläche übertragen werden, von den Datenbereichen getrennt sind, keine weitere Information enthalten und damit grundsätzlich Totzeiten darstellen.

Dies wiederum erfordert eine erhöhte Anzahl von Datenbits, die vom Bohrschlamm-Fernübertragungsventil übertragen werden müssen, was zu einer Erhöhung der Leistungsaufnahme zur Durchführung dieser Übertragung führt. Das System nach der vorliegenden Erfindung verwendet ein Datenformat, das jegliche Totzeiten zwischen 0 den Datenbereichen vermeidet und dadurch die Leistungserfordernisse zur Fernübertragung der Daten absenkt. Das Datenformat der vorliegenden Erfindung minimiert

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darüber hinaus den Leistungsbedarf durch Verwendung eines Codierungsformates, das zwei Datenworte pro Datenbereich bei Verwendung einer Einzel imp-ulslageanzei gc pro Bereich überträgt.

Gewisse Probleme gehen mit dem Betrieb eines Bohrschlamm-Fernübertragungssystems in der sog. "steering mode"-Betriebsart einher, so beispielsweise die Versorgung des Bohrpersonals mit einer fortlaufenden Anzeige der Werkzeuglage im Bohrloch. Beispielsweise ist es für alle 10 m Bohrgestängelänge nötig, den Bohrvorgang selbst und den Bohrschlammdurchfluß durch Anhalten der Schlammpumpe' an der Oberfläche zu unterbrechen, um einen weiteren 10 m-Bohrgestängeabschnitt anzusetzen. Beim Ansetzen des weiteren Abschnittes ist es notwendig, das Gestänge zu drehen, so daß das Bohrgestänge eine gewisse Verdrillung als Folge des Bohrgestänge-Verlängerungsprozesses erfährt. Wenn der weitere Gestängeabschnitt angesetzt ist, dann ist die Lage des Bohrwerkzeuges nicht mehr die gleiche wie vor der Unterbrechung des Bohrvorganges, was den Werkzeugstirnflächenwinkel betrifft. Demzufolge muß das Bohrpersonal das Bohrwerkzeug wieder in dieselbe Bohrwerkzeugwinkelstellung zurückorientieren, bevor es den eigentlichen Bohrvorgang wieder aufnimmt, um folgerichtig und in der erwünschten Richtung weiterzubohren. Während des Reorientierungsvorganges des Bohrwerkzeuges ist es wünschenswert, eine wesentlich höhere Rate von Daten von den Werkzeugsstirnflächenwinkelsensoren im Bohrwerkzeug zu erhalten als während des übrigen Bohrvorganges. Eine erhöhte Datenrate versetzt das Bohrpersonal in die Lage, das Bohrwerkzeug sehr viel schneller

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in seine ursprüngliche Lage zurückzuversetzen und den Bohrvorgang mit minimaler Ausfallzeit des Bohrgerätes fortzusetzen.

Zwar umfassen Bohrinformations-Fernübertragungssysteme ■ nach dem Stand der Technik bereits die Möglichkeit, die Datenübertragungsraten zu ändern, jedoch geht dies i. w. nur infolge eines vom Bohrpersonal an der Erdoberfläche ausgelösten Signals vor sich. Ein Beispiel betrifft Bedingungen, bei denen das Bohrloch so tief geworden ist, daß die Fernübertragungsdaten nicht mehr ausreichend definiert sind. Beispielsweise beschreibt US-PS 3,863,203 dieses Problem im Zusammenhang mit einem akustischen Fernübertragungssystem zur Messung während des Bohrvorganges, bei dem die Übertragungsrate einstellbar ist. Übertragungskanäle, die von der Erdoberfläche zum Bohrlochbodenbereich laufen, werden dazu verwendet, die Datenrate des akustischen Signals zu steuern, das die Information nach oben aussendet. Das System nach der vorliegenden Erfindung jedoch überwacht f" die Ubertragungsrate im Zusammenhang mit der Notwendigkeit,, lie Werkzeugstirnflachenwinkeldaten schneller auf den neuesten Stand zu bringen und schaltet die Datenübertragungsrate automatisch zu höheren Werten und sieht ein Zeichen in dem codierten Datenformat vor, das die erhöhte Datenübertragungsrate anzeigt. Darüber hinaus sieht die vorliegende Erfindung eine veränderliche Übertragungsrate von Werkzeugstirnflachenwinkeldaten beim eigentlichen Meßvorgang vor, wobei ein Werkzeugstirnflächendaten-Codierungsformat gewählt ist, das den Wirkungsgrad eines Bohrschlammimpulslage-Fernübertragungssystems optimiert.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Codierung und Übertragung von Werkzeugstirnflächnndaten aus einem Bohrloch zur Erdoberfläche derart auszubilden, daß der zur Datenübertragung aus dom Rohrloch zur Erdoberfläche erforderliche Leistungseinsatz minimiert wird und nach dem Ansetzen eines weiteren Bohrgestängeabschnittes die erforderliche Neuausrichtung des Bohrmeißels durch das Bohrpersonal erleichtert wird. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Insbesondere umfaßt die Erfindung ein Verfahren und ein System zur Fernübertragung von Daten, die den Werkzeugstirnflächenwinkel eines Bohrwerkzeugs zur Erdoberfläche während eines Bohrvorganges anzeigen, wobei der Werkzeugstirnflächenwinkel eines Bohrwerkzeuges in Zeitintervallen mit einer ersten Frequenz gemessen wird Und ein Datensignal infolge einer jeden Messung erzeugt wi > d, das den meßtechnisch erfaßten Werkzeugwinkel aar ;eigt. Als Folge eines jeden erzeugten Datensignals v/i-rd ein Druckimpulssignal in einem Schlammimpuls-Fernübertragungssystem erzeugt, um eine druckimpulsmodulierte Anzeige des gemessenen Werkzeugwinkels zur Oberfläche zu übertragen. Ferner umfaßt die Erfindung eine Druckmessung im nach unten fließenden Schlammstrom im Bereich eines nahe dem Bohrlochboden gelegenen Ortes und die Veränderung des zeitlichen Abstandes der Werkzeugwinkelvermessung von der ersten Frequenz in eine zweite, höhere Frequenz infolge der meßtechnischen Erfassung einer nacheinander auftretenden Unterbrechung 0 und Wiederherstellung des Bohrschlammdruckes, die die Anfügung eines Abschnittes eines Bohrrohres an das

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Bohrgestänge anzeigen, um den Werkzeugwinkel zur Reorientierung des Bohrwerkzeuges schneller in die neue gewünschte Lage zu bringen.

Unter einem anderen Aspekt umfaßt die Erfindung ein System zur Fernübertragung von den Werkzeugstirnflächenwinkel während des Bohrvorganges anzeigenden Daten zur Erdoberfläche, das ein Paar von Sensoren zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Spannungswertes aufweist, die die Lage des Bohrwerkzeuges in zwei zueinander senkrechten Ebenen anzeigen. Es wird ein Satz von binären Daten erzeugt, der ein erstes und ein zweites binäres Wort aufweist, wobei das erste Datenwort jeweils mindestens ein Bit enthält, um folgendes anzuzeigen:

a) das Vorzeichen der ersten Spannung,

b) das Vorzeichen der zweiten Spannung,

c) ob die erste oder zweite Spannung größer ist,

d) ob das die Signale abgebende Sensorpaar durch Beschleunigungsmesser oder Magnetometer gebildet wird.

Das zweite Wort weist eine Mehrzahl von Bits auf, die den Absolutwert des Verhältnisses der ersten und zweiten Spannung anzeigen, das sich zwischen 0 und 1 bewegt. Das System umfaßt weiterhin Schaltmittel zur 5 Umsetzung der Werte sowohl des ersten und zweiten binären Datenworts in ein Paar von entsprechenden ersten und zweiten Zeitwerten sowie Mittel zur Erzeugung einer Reihe von drei Druckimpulsen im nach unten fließenden

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Schlammstrom des Bohrsystems, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und zweiten Impuls dem ersten Zeitwert und der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten und dritten Impuls dem zweiten Zeitwert entspricht. Weiterhin umfaßt das System an der Erdoberfläche befindliche Mittel (Detektoren), die auf die zeitlichen Abstände zwischen dem ersten und zweiten Impuls zur Rekonstruktion des ersten binären Datenworts bzw. auf den zeitlichen Abstand zwischen dem zweiten und dritten Impuls zur Rekonstruktion des zweiten binären Datenworts ansprechen. Weiterhin sind Mittel (Auswertungsvorrichtungen) vorgesehen, die im Hinblick auf die Komponenten des ersten und zweiten Datenwortes sowie vorermittelte Werte der Bohrlochneigung, Azimutalwerte sowie temperaturabhängige Vor- und Skalenfaktoren den Werkzeugstirnflächenwinkel berechnen.

L^i: einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein * ;

Bohrschlammfernübertragungssystem zur Übermittlung von ι

den Stirnflächenwinkel eines Bohrwerkzeuges innerhalb !

eines Bohrloches anzeigenden Daten zur Erdoberfläche, in welchem ein Paar von zueinander rechtwinkligen x- und y-Sensoren jeweils einen Spannungswert liefern, der Aufschluß über die Lage des Bohrwerkzeuges gibt und in welchem ein Impulslagemodulationsverfahren angewandt wird. Die Erfindung benutzt ein Werkzeugstirnflächen-Datenformat für jede Winkelmessung mit einem binären Datenrahmen, der ein Paar von binären Worten enthält, wobei das erste Wort eine Anzeige für a) das Vorzeichen der x-Spannung, b) das Vorzeichen der y-Spannung enthält, sowie Aufschluß darüber gibt, c) welche Spannung größer ist und d) ob die Sensoren Beschleunigungsmesser

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oder Magnetometer sind. Das zweite Datenwort enthält Information über den Absolutwert des Verhältnisses der x- und y-Spannung zwischen 0 und 1.

Die Erfindung ist anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht (teilweise im Schnitt) eines Bohrvorgangs zur Verdeutlichung der "steering mode" (Steuerungsbetriebsweise) eines Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystems, das ein Datenverarbeitungs- und Codierungsformat in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 2, eine schematische Draufsicht auf eine im Bohrvorgang befindliche Bohrvorrrichtung zur Darstellung der Azimutallage eines Bohrloches;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer abgebogenen Bohrwerkzeugbauteilgruppe sowie des dazugehörigen Werkzeugstirnflächenwinkels in Verbindung mit einer Bauteilgruppe, die ein Codierungs- und Übertragungssystem für Bohrschlammimpuls-Fernübertragüngsdaten aufweist, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Formates zur Codierung von Bohrschlamm-Fernübertragungswerkzeugdaten zur Verwendung in einem Pulslagemodulationssystern jeweils in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung, sowie

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Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Systems zur Codierung und Übertragung von Werkzeugstirnwinkeldaten, das in Übereinstimmung mit der Lehre dor vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.

In Fig. 1 ist ein Bohrturm 11 dargestellt, der über einem Bohrloch 12 angeordnet ist. Eine Ausführungsform eines Systems 10 zur Verschlüsselung und Übertragung von Werkzeugwinkeldaten wird durch eine Bauteilgruppe 14 aufgenommen, die einen Abschnitt einer Bohrmanschette (Bohrstange) 15 innerhalb des Bohrloches 12 bildet. Ein Bohrmeißel 22 ist am unteren Ende des Bohrgestänges 18 vorgesehen und mit dem unteren Ende einer abgebogenen Bauteilgruppe 21 verbunden, die am unteren Ende der Bohrmanschette 15 befestigt ist. Der Bohrmeißel 22 bohrt das Bohrloch 12 in die Erdformationen 24, wobei Bohrschlamm 26 von der Bohrlochmündung 28 nach unten gepumpt wird. Ein metallisches Gehäuse 29 ist im Bereich der Bohrlochmündung vorgesehen, um die Unversehrtheit des Bohrloches 12 im Bereich der Erdoberfläche zu gewährleisten. Der Ringbereich 16 zwischen dem . Bohrgestänge 18 und der Bohrlochwandung bildet einen theoretisch geschlossenen Rückflußpfad für den Bohrschlamm. Der Schlamm wird von der Bohrlochmündung 28 durch ein Pumpsystem 30 durch eine Versorgungsleitung 31 gepumpt, die an das Bohrgestänge 18 angekoppelt ist. Auf diese Weise wird der Bohrschlamm durch die zentrale, in Axialrichtung verlaufende Durchgangsöffnung des Bohrgestänges 18 nach unten gepreßt und tritt im Bereich des Bohrmeißels 22 aus, um einerseits Bohrabschnitte in Form von Erd-, Gesteins- und sonstigen Brocken nach oben vom Bohrmeißel weg zur Erdoberfläche zu befördern und andererseits eine Schlammturbine innerhalb des Bohrmeißels 22 anzutreiben, die

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die Schneidflächen des Meißels in eine Drehbewegung versetzt und durch die Erdformationen treibt. Tm Bereich der Bohrmanschette 15 ist im Bohrgestänge 18 ein nicht im einzelnen dargestelltes Bohrschlammdurchflußventil vorqosehen, das entweder zur Unterbrechung oder andererseits zur Erzeugung einer Störung (Ungleichmäßigkeit) im Druck des Schlammes dient, der durch die zentrale Axialöffnung innerhalb des Bohrgestänges 18 durch die Schlammpumpe 30 nach unten gepreßt wird. Dieses Bohrschlammdurchflußventil wird dazu verwendet, um dem sich bewegenden Strom von Bohrschlamm Druckimpulse aufzuprägen und so den Druck des Durchflusses zu modulieren. Auf diese Weise wird Information aus einem Bereich in der Nähe des Bohrmeißels zur Oberfläche in der Nähe der Bohrlochmundung 28 befördert, so daß die Information abgegriffen und durch das Bohrpersonal ausgenutzt werden kann.

Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, ist das in die Erde unter dem Bohrturm 11 eingebrachte Bohrloch nicht genau 0 senkrecht. Das heißt, das untere Ende des Bohrloches schließt mit der vertikal verlaufenden Ebene 26 einen gewissen Winkel ein. Dieser Winkel 27 wird als Bohrlochneigung bezeichnet.

Unter kurzer Bezugnahme auf Fig. 2 wird ein Bohrturm 11 5 und ein Bohrloch 12 gemäß Fig. 1 gezeigt, wobei zu sehen ist, daß ein zweiter Parameter in Verbindung mit einem winkelig verlaufenden Bohrloch eine Rolle spielt. Der Winkel zwischen der Bohrlochachse 28 und der magnetischen Nordrichtung 29 wird als Azimutalwinkel des Bohrloches bezeichnet und trägt die Bezugspfeile 31.

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Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des unteren Endes des Bohrgestänges 18, das eine Reihe von Bohrmanschetten 15 aufweist, die Vorrichtungen zur Messung der Bohrlochrichtung, zur Verarbeitung und Verschlüsselung von Daten im Bezug auf die Bohrlochparameter und zur Bohrschlamm-Fernübertragung wie beispielsweise Bohrschlammdurchflußventile und deren Betätigungsvorrichtungen umfassen, welche zur Informations-Fernübertragung vom unteren Bohrlochende zur Bohrlochmündung zur Verwendung durch das Bohrpersonal dienen.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist die abgebogene Bauteilgruppe 21 an das untere Ende des Bohrgestänges angesetzt und durch den Bohrmeißel 22 unten abgeschlossen. Wie weiter zu sehen ist, liegen die

zentralen Achsen 130 der beiden Segmente der abgebogenen Bauteilgruppe 21 innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene der abgebogenen Untergruppenachsen ist i. w. nicht parallel mit einer senkrechten Ebene, sondern nimmt eher einen gewissen Winkel mit der Vertikalebene 0 ein und repräsentiert die Verdrehung der abgebogenen

Bauteilgruppe gegenüber der Vertikalen. In Fig 3 ;

ist eine Linie 132 dargestellt, die innerhalb einer !

vertikalen Ebene liegt und eine Linie 133, die inner- I

halb der Ebene liegt, in der die Achsen 130 der j

beiden. Abschnitte der abgebogenen Bauteilgruppe ver~ j

laufen. Demzufolge schließen diese beiden Linien einen Winkel 134 ein, der die Verdrehung der abgeboge- j

nen Bauteilgruppe repräsentiert, was durch Pfeil 134' dargestellt ist und auf den Werkzeugstirnflächenwinkel bezogen ist.

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Unter den anderen Bezeichnungen, die im Hinblick auf diese Characteristik des Bohrwerkzeuges verwendet werden, wird eine als "hoher Seitenwinkel des Werkzeuges" bezeichnet. Eine derartige Nomenklatur bezieht sich auf einen Punkt an der am weitesten oben liegenden Fläche des Bohrmeißels, d. h. die hohe Seite, der Winkel im Bezug auf diesen Punkt und einen Punkt, der in der durch die Achsen 130 beider Abschnitte der abgebogenen Bauteilgruppe definierten Ebene liegt.

Die sog. hohe Seite oder der Werkzeugstirnflächenwinkel stellt eine Information größter Wichtigkeit für das Bohrpersonal dar, da es ihm zusammen mit den Angaben über Azimut und Neigung Aufschluß geben, in welcher Richtung das Werkzeug ausgerichtet ist und demzufolge das Bohrloch durch die Erde gebohrt wird. Es ist entscheidend, daß diese Information in einem effizient arbeitenden, während des Bohrvorganges messenden System periodisch und regelmäßig zur Verfügung steht, damit das Bohrpersonal ggf. Änderungen verursachen -k-amt und 0 das Werkzeug in die gewünschte Lage neu ausrichten kann.

Das System nach der vorliegenden Erfindung setzt einen Algorithmus und eine Technik zur computermäßigen Verarbeitung sowohl der magnetischen und hohen Seitenwerk-5 zeugflächenwerte als auch ein Verfahren zur Codierung und Übertragung von Magnetometer- und Beschleunigungsmesserdaten zur Erdoberfläche ein und zwar in einem kompakten und effizienten Format, um dem Bohrpersonal eine Anzeige über die Werkzeugstirnfläche zur Verfügung zu stellen. Der Werkzeugstirnflächenwinkel wird herkömmlich durch die relativen Werte der Ausgangsspannungen der x- und y-Achsen-Beschleunigungsmesser-ioder

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Magnetometer)Sensoren innerhalb des Bohrloches ermittelt. Die Beziehung zwischen einer Sensorausgangsspannung V und einer durch diesen Sensor erfaßten physikalischen Größe läßt sich als

V-= mS + b

darstellen, wobei b eine temperaturabhängige Vorspannung und m ein temperaturunabhängiger Skalenfaktor ist. Für die Beschleunigungsmesserdaten liegt der Wert V in Volt vor, der Term S bezieht sich auf die Gravitationsbeschleunigung, während für die Magnetometerdaten der Wert V ebenfalls in Volt vorliegt, wogegen der S-Term den magnetischen Fluß betrifft. Bei der vorliegenden Technik verwendet das Werkzeugflächen-Computerverfahren die folgenden Schritte:

1. Ermittlung der relativen V - und V -Werte und Bildung des Verhältnisses

wobei i und j sich auf die x- bzw. y-Richtung beziehen derart, daß

0<Η<Λ ist.

Es ist festzuhalten, daß man eine Möglichkeit vorsehen muß, um die Vorzeichen von V und V vorzumerken, da der Absolutwert von oC zur Erdoberfläche übertragen wird.

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2. Da S eine Funktion der "hohen Seiten"-Werkzeugstirnflache ist, kann man schreiben:

Da die funktionale Form von S (0) bekannt ist, kann man eine Funktion f derart definieren, daß

ist

Unter der Annahme, daß man alle Variablen ausgenommen φ kennt, kann man unter Anwendung von Iterationsverfahren nach β auflösen. Diese Verfahren sind ziemlich unkompliziert, setzt man für 0 gewisse Randbedingungen und berechnet sodann unterschiedliche Werte, so daß man bei Erreichen des exakten Wertes φ die Funktion f {%} ) exakt zu 0 macht. Demzufolge kann man unter Anwendung dieser Technik einen Werkzeugstirnflächenwinkelwert aus dem Verhältnis der beiden Spannungen leichter berechnen als jeweils den vollen Wert sowohl der x-Sensorspannung als auch der y-Sensorspannung als Einzelwerte zur Oberfläche zu übertragen. Das bedeutet, bei einer Übertragung des Verhaltniswertes zwischen den beiden Spannungen, des Vorzeichens der x- und y-Spannung und einer Information, welcher der bei-

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den Werte der größere war sowie ob die Information von entweder Beschleunigungsmesser- oder Magnetometermessungen abgeleitet ist, können alle Korrekturen betreffend eine Vorspannung und einen Skalenwert durch das Iterationsverfahren an der Erdoberfläche durchgeführt werden. Dieses Datenverschlüsselungsformat spart eine erhebliche Menge von Datenverarbeitungskapazität ein und senkt die Leistungsanforderungen ab, um eine vorgegebene Werkzeugstirnflächen-Datenmenge vom Bohrloch zur Oberfläche zu übertragen.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Daten-Codierungsformates nach der vorliegenden Erfindung. Innerhalb des Bereiches der Klammer 41 ist ein Datenrahmen ausgewiesen und repräsentiert einen einzelnen Abstand zwischen Bohrschlammimpulsen in einem Schlammimpuls-Fernübertragungssystern. Innerhalb eines einzelnen Rahmens von Daten 41 sind zwei Datenworte 42 und 43 enthalten. Jedes der Worte _ 20 enthält zwei Bitpositionen 44 und 45, die Information bezüglich der Übertragungsrate enthalten, mit welcher die Daten zur Oberfläche übertragen werden, wie nachstehend erläutert wird. Die nächste Bitposition in jedem Wort 46 ist einem Sychronisationsimpuls zugeteilt. Ein "0"-Impuls setzt das erste Wort in dem Rahmen fest, wohingegen ein "1"-Impuls das zweite Wort des Rahmens festsetzt, so daß falls ein Wort bei der Verarbeitung verloren geht - der nächste "0"-Impuls, der in der Synchronisationsimpulsposition beobachtet wird, den Beginn eines weiteren Wortes anzeigt. Dieses Vorgehen vermeidet die Notwendigkeit, zwischen den Impulsrahmen Abstände zu lassen und spart somit Datenver-

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arbeitungskapazität ein. Die nächste Impulsposition 47 im ersten Wort zeiqt das Vorzeichen von χ an; die nacKfolgende Impulsposition in dem ersten Wort 48 das Vorzeichen von y. Die sechste Impulsposition 49 im ersten Wort gibt an, welcher der beiden Werte χ oder y der größere ist, wohingegen die nächste Impulsposition 51 Aufschluß darüber gibt, ob es sich bei den Werten um Magnetometer- oder Beschleunigungsmesserwerte handelt, womit es möglich wird, die Vor- und Skalenfaktoren, die zu den jeweiligen gesonderten Sensoren gehören, an der Oberfläche anzuwenden. Die achte Bitposition 52 des ersten Wortes enthält das fünfte Bit des Absolutwertes des Verhältnisses der x- und y-Spannungen. Auf ähnliche Weise enthalten die 4. - 8. Bitposition 53 des zweiten Datenwortes jeweils das 4. - 0. Bit des Verhältnis-Absolutwertes von χ und y. Es wird demzufolge deutlich, wie Jas Datencodierungsformat für die Werkzeugstirnflächendaten den Informationsumfang optimiert, der innerhalb eines einzelnen, durch eine einzelne Pulslagemodulationseinheit zur Oberfläche übertragenen Datenrahmens enthalten sein kann. Dies wirkt sich natürlich als Einsparung von Leistung aus, die zur Übertragung eines vollen Satzes von Daten zur Oberfläche betreffend den Werkzeugstirnflächenwert erforderlich ist.

In Fig. 5 ist ein Blockdiagramm des Gesamtsystems zur Codierung und Übertragung -von Werkzeugstirnflächendaten durch Bohrschlammimpuls-Fernübertragung gezeigt, das insgesamt in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, trägt eine Bohrschlammübertragungslinie 61 impulslagemodulierte

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Werkzeugstirnflächendaten zur Oberfläche. Sämtliche Blöcke unter der Linie 61 repräsentieren Gruppen, die im Bohrlochbodenbereich angeordnet sind, wohingegen sämtliche Blöcke, die über der Bohrschlamm-Übertragungslinie gezeichnet sind, für Geräte und Verarbeitungsschritte an der Oberfläche stehen. Zunächst ist ersichtlich, wie ein Paar von Beschleunigungsmessern (oder Magnetometern) 62 χ und 62 y zur Ermittlung von Werkzeugraumlagewerten verwendet werden. Der x-Sensor 62 erzeugt einen Spannungswert in Verbindung mit der x-Komponente des Gravitationsfeldes der Erde, wohingegen der y-Sensor 62 eine Spannunci in Verbindung mit der y-Komponente der Erdgravitation auf der Basis der jeweiligen Lage der Sensoren in bezug auf die Erde erzeugt. Die Ausgangsspannung des x-Beschleunigungsmessers ist im Kasten 63 dargestellt, die y-Ausgangsspannung im Kasten 64. Diese beiden Spannungen werden in einen Prozessor eingegeben, der unterschiedliche Para-

_-**-&■:._- meter auswertet.

Zunächst ermittelt der Prozessor 65 den Absolutwert des Verhältnisses der einen Ausgangsspannung in Bezug auf die andere. Der Absolutwert wird immer so gewählt, daß der Wert positiv ist und zwischen ο und 1 liegt. Darüber hinaus ermittelt die Computereinheit 65 das Vorzeichen der Spannungswerte V und V und welcher der beiden Werte V und V der größere ist oder in anderen Worten ausgedrückt, welcher der beiden Werte der Numerator und welcher der Denöminator bei der Bildung des Verhältnisses zwischen aem Wert 0 und 1 ist. Schließlich greift die Computer-

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einheit noch ab, ob die Spannungswerte von dem Beschleunigungsmesser oder dem Magnetometerpaar stammen.

Die durch den Prozessor 65 abgeleiteten Daten werden dann in eine "binary frame assembly"-Einheit 66 eingegeben, die einen binären Datenrahmen aus der Information zusammenstellt. Mit anderen Worten bildet diese Einheit zwei 8-Bit-Worte in Übereinstimmung mit dem Datenformat, das anhand Fig. 4 vorstehend gezeigt und beschrieben wurde. Zusätzlich zur Eingabe von der Computereinheit 65 bezieht die Einheit 66 eine Eingangsinformation von einem Synchronisationsimpulsgenerator 67 sowie von einer Übertragungsratenauswahlschaltung 68, die auch einen Bitgenerator zur Anzeige der von der Einheit 68 ausgewählten Übertragungsrate vorsieht. Die Auswahlschaltung 68 wird von einem Bohrschlammdruck sensor 69 angesteuert, der zusammen mit dem zugehörigen Prozessor und Codiererbaugruppen ebenfalls in der Bauteilgruppe 15 angeordnet ist.

Nachdem die Einheit 66 die Information von der Computereinheit 65, dem Synchronisationsimpulsgenerator 67, der Übertragungsratenauswahlschaltung 68 mit Bitgenerator in Übereinstimmung mit dem in Fig.

4 dargestellten Datenformat zusammengestellt hat, wird der Wert dieses Wortes sodann in ein Paar von Zeitwerten umgesetzt. Die Umsetzung erfolgt in Übereinstimmung mit einem besonderen Impulslagemodulationsschema, das in dem Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystern durch eine Einheit 70 angewendet wird. Dies bedeutet, daß ein Zeitwert zum Wert des ersten Datenwortes zugehörig und ein zwei-

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ter Zeitwert zum Wert des zweiten Datenwortes 72 zugehörig gebildet wird (siehe Fig. 4). Sobald die beiden Zeitwerte gebildet sind, erzeugt das Bohrschlammsteuerventil eine Serie von drei Impulsen in der Bohrschlammübertragungslinie 61, wobei das Ventil Bestandteil der impulslagemodulationsbetriebenen Schlammimpulsvorrichtung 73 ist. Der Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Impuls stellt den Wert des ersten Datenwortes dar, während der Zwischenraum zwischen dem zweiten und dem dritten Impuls den Wert des zweiten Datenwortes angibt. Somit ist zu sehen, welch große Menge von Daten betreffend die Werkzeugstirnfläche in ein Format verschlüsselt ist, das lediglich die die zur Erzeu-

15"""*■ gung einer Serie von drei Bohrschlammdruckimpulsen notwendige Aufwendung von Energie erfordert. Dieses Format hebt sich deutlich gegenüber Systemen nach • ^v dem Stand der Technik ab, bei denen dem Bohrschlammstrom eine Vielzahl von Impulsen aufgeprägt werden muß, um all die Informationsbits zu transportieren, die zur Spezifizierung der Sensorspannung swer te nötig sind und die Berechnung des Werkzeugstirnflächenwinkels daraus an der Oberfläche ermöglichen.

Die in die Bohrschlammübertragungslinie 61 eingegebenen Impulse werden an der Oberfläche durch einen Impulslagedemodulator 75 ausgewertet, der ein Eingangssignal an eine weitere Einheit 76 liefert, die daraus die binären Wortwerte des Datenrahmens rekonstruiert, die ursprünglich durch die im Bohrlochbodenbereich angeordnete Einheit 66 zusammengestellt wurden. Die die binären Worte rekonstruierende Einheit 76 gibt ein Ausgangssignal zu

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einer Rechnereinheit 77 ab, die das Iterations-Berechnungsverfahren durchführt, und die übertragenen Werte betreffend die Werkzeugstirnfläche mit Vorfaktoren und Skalenfaktoren korrigiert. Dies wird in Übereinstimmung mit der Iterationstechnik unter Verwendung der Verhältnisdaten der Sensor-Spannungswerte, der Vorzeichen der jeweiligen Spannungen und der Informationen betreffend den Umstand, welche Spannung die größere ist und ob der Sensor das Magnetometer oder der Beschleunigungsmesser war, vollzogen.

Die iterativ arbeitende Rechnereinheit 77 greift dabei auf vorermittelte Werte betreffend Neigung, Azimutalstellung, Temperaturveränderung, Vor- und Skalenfaktoren zurück, die in einer Speichereinheit 78 abgelegt sind und an die iterativ arbeitende Rechnereinheit 77 übertragen werden.

Schließlich liefert das Endresultat der Rechnung dem Bohrpersonal einen Werkzeugflächenwert, der mit 0 Vor- und Skalenfaktoren korrigiert ist, aber der mit einem Minimum von Leistungsaufwand betreffend die Übertragung der Information zur Oberfläche zur Verfügung steht.

Wie eingangs bereits erwähnt, muß der Werkzeugstirnflächenwert mit sehr viel größerer Frequenz unmittelbar nach dem Ansetzen eines zusätzlichen Abschnittes eines Bohrrohres an das Bohrgestänge auf den neuesten Stand gebracht werden. Um einen Abschnitt eines Bohrrohres anzusetzen, werden die 0 Schlammpumpen an der Oberfläche und an der Bohrlochmündung abgeschaltet, wodurch der Druck des

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Bohrschlammstromes im Bohrlochbodenbereich reduziert wird. Wie ebenfalls bereits erwähnt, erfaßt der Bohrschlammdrucksensor 69 diese Unterbrechnung des Schlammdruckes ebenso wie die nachfolgende Unterdrucksetzung des Systems, die durch erneutes Starten der Schlammpumpen nach der Anfügung des Bohrgestänges und der Wiederaufnahme des Bohrens folgt. Die erneute Unterdrucksetzung des Systems wird durch den Sensor 69 erfaßt, der ein Übertragungsraten-Auswahlsignal erzeugt, das angibt, daß eine sehr viel höhere Werkzeugflächenrate durch das Bohrpersonal an der Oberfläche benötigt wird, um das Bohrwerkzeug mit minimalem Zeitaufwand erneut auszurichten. Demzufolge werden die Raten, mit

denen Spannungswerte erfaßt und Berechnungen in der *

Computereinheit 65 durchgeführt werden, durch einen vorgewählten Wert erhöht, beispielsweise um einen Faktor 4, so daß anstatt der Anzeige des Werkzeugflächenwertes alle 20 see (Normalzustand) in diesem Zeitintervall über einen voreingestellten Zeitabschnitt die Werkzeugstirnflächenwerte alle 5 see ■berechnet und übertragen werden. Dieser Zustand läuft über einen ausreichenden Zeitabschnitt, der dem Bohrpersonal die Möglichkeit gibt, das Werkzeug

neu auszurichten und den Bohrvorgang in vollem \

Umfange wiederaufzunehmen. Nach einer gewissen Zeit schaltet die Übertragungsratenauswahlvorrichtung auf die normale Übertragungsrate zurück, in welcher Information gesammelt und zur Oberfläche übermittelt wird. Dieses Vorgehen benötigt aus verständlichen Gründen bei einer gesteigerten Datenrate für einen kurzen Zeitabschnitt einen erhöhten Leistungsaufwand zum Betrieb der impulslagemodu-

lierten Schlammimpulsvorrichtung 78, um die Zusatz- j

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information dann abzugeben, wenn sie am meisten benötigt wird. Wenn die Übertragungsratenauswahlvorrichtung 68 durch den Schlammdrucksensor angesteuert wird, erzeugt sie auch eine codierte Bitanzeige in den Positionen 44 und 45 des in Fig. 4 dargestellten Datenrahmenformates, um die jeweilige Rate anzuzeigen, mit welcher Daten nach oben zu den Erdoberflächenbaugruppen übertragen werden.

Es ist demzufolge aus dem Vorstehenden ersichtlich, daß das System zur Codierung und Übertragung des Werkzeugflächendatenformates in einem impulslagemoduIierten Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystem betreffend seinen Wirkungsgrad deutlich verbessert ist und den Leistungseinsatz im Bohrlochbodenbereich insofern optimiert, als ein größtmöglicher Informationsumfang zur Oberfläche mit einem Minimum an Leistungsaufwand übertragen werden kann.

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Claims (21)

PATKIfTANWAL T K/N 18-119 NL Industries, Inc. 123Ü Avenue of the Americas New York, N.Y. 30020, USA Codierungs- und Übertragungssystem zur Bohrschlammimpuls-Fernübertragung von Bohrwerkzeugstirnfläehenwinkeldatcn Patentansprüche

1. Verfahren zur Fernübertragung von den Stirnflächenwinkel eines Bohrwerkzeuges innerhalb eines Bohrloches anzeigenden Daten zur Erdoberf]ächc in einen während des Bohrvorganges arbeitenden Meßsystem, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Messung der zueinander rechtwinkligen Laaemeßwerte eines Bohrwerkzeuges in zeitlichen interval lon mit einer ersten Frequenz;

Erzeugung eines den Werkzeugstirnflächenwinke] beinhaltenden Datensignals infolge einer jeden Messung;

Erzeugung eines Druckimpulssignals in einem Bohrschi ammimpuls -Fernübertragung s sy stern infolge eines jeden erzeugten Datensignals, um eine druckimpulsmodulierte Anzeige des gemessenen Werkzeugstirnflächenwinkels zu übertragen;

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Messung des Druckes des nach unten fließenden Bohrschlammstromes im Bohrlochbodenbereich; sowie
Änderung des zeitlichen Abstandes der Werkzeugstirnf]ächenwinkelmessung von besagter erster Frequenz ^D zu einer zweiten höheren Frequenz' infolge der Messung einer aufeinanderfolgenden Unterbrechung und Wiederherstellung des Bohrschlammdruckes, die das Anfügen eines Bohrgestängeabschnittes an das Bohrgestänge anzeigen, um zur Neuausrichtung des Bohrwerkzeuges den Werkzeugstirnflächenwinkel schneller auf den neuesten Stand zu bringen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des Datensignals eine zusätzliehe Datensignalkomponente erzeugt wird, die die Frequenz des zeitlichen Meßabstandes anzeigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Frequenz um etwa einen Faktor 4 höher als die erste Frequenz ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt zur Erzeugung des Druckimpulssignals die Modulation einer Reihe von Bohrschlammdruckimpulsen in Übereinstimmung mit einem Druckimpulslagemodulationsschema umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Messung beinhaltende Verfahrensschritt die Erzeugung einer ersten Spannung umfaßt, die die Lage eines am Bohrwerkzeug befestigten x-Achsen-Sensors anzeigt und die Erzeugung einer zweiten Spannung umfaßt, die die Lage eines ebenfalls am Bohrwerkzeug angeordneten y-Achsen-Sensors anzeigt, sowie

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der die Datensignalerzeugung betreffende Verfahrensschritt die Zusammenstellung eines ein Paar von binären Datenworten umfassenden Datenrahmens umfaßt, wobei das erste Wort Angaben betreffend die Frequenz der Stirnwinkelmessung, das Vorzeichen der ersten Spannung, das Vorzeichen der zweiten Spannung sowie Information, welche Spannung die größere ist und ob die Sensoren Beschleunigungsmesser oder Magnetometer sind, enthält und das zweite ^O Wort Angaben über den Absolutwert des Verhältnisses der ersten und zweiten Spannungen zwischen 0 und 1 beinhaltet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystem mit Impulslagemodulation arbeitet und der die Druckimpulssignalerzeugung beinhaltende Verfahrensschritt die Erzeugung von drei Bohrschlammdruck impulsen umfaßt, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und zweiten Impuls den Wert des ersten binären Datenwortes im besagten Rahmen von binären Daten und der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten und dritten Impuls den Wert des zweiten binären Datenwortes in besagtem Rahmen von binären Daten angibt.

7, Vorrichtung zur Fernübertragung von den Werkzeugstirnflächenwinkel eines Bohrwerkzeuges innerhalb eines Bohrloches anzeigenden Daten zur Erdoberfläche während des Bohrvorganges, gekennzeichnet durch:

ein Paar von Sensoren (62 x, 62 y) zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten Spannung (63, 64), die die Lage des Bohrwerkzeuges (22) bezüglich zweier zueinander rechtwinkliger Ebenen angeben; eine Vorrichtung (66) zur Erzeugung eines Rahmens von binären Daten, die ein erstes (71) und ein

zweites binäres Wort (72) umfassen, wobei das erste Wort (71) mindestens eine Bitposition zur Anzeige von jeweils

a) des Vorzeichens (47) der ersten Spannung ^b (63),

b) des Vorzeichens (48) der zweiten Spannung (04),

c) ob die erste (63) oder die zweite Spannung (64) die größere ist und ob das Sensorpaar (62 X, 62 y) durch Beschleunigungsmesser oder Magnetometer gebildet wird und das zweite Wort (72) eine Mehrzahl von Bitpositionen aufweist, die den Absolutwert des Verhältnisses der ersten (63) und zweiten Spannungen (64)

*5 zwischen 0 und 1 anzeigen;

eine Vorrichtung (70) zur Übertragung der Werte des ersten und zweiten binären Wortes in ein Paar von entsprechenden ersten und zweiten Zeitwerten;

eine Vorrichtung (73) zur Erzeugung einer Serie von drei Druckimpulsen im nach unten fließenden Bohrschlammstrom, wobei die Zeit zwischen dem ersten und zweiten Impuls dem ersten Zeitwert entspricht und die Zeit zwischen dem zweiten und dritten dem zweiten Zeitwert entspricht;

eine an der Erdoberfläche vorgesehene Vorrichtung (75), die auf die zeitlichen Abstände zwischen dem ersten und zweiten Impuls zur Rekonstruktion des ersten Datenwortes (71) und auf die Zeit zwischen dem zweiten und dritten Impuls zur Rekonstruktion des zweiten binären Datenwortes (72) anspricht; sowie

eine Vorrichtung, die auf die Inhalte des ersten (71) und zweiten Datenwortes (72) sowie vorher ermittelte Werte betreffend Bohrlochneigung, Azimutalstellung und temperaturabhängige Vor-

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und Skalenfaktoren anspricht, um den Werkzeugstirnflächenwinkel rechnerisch zu ermitteln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gokonnzeichnct, 5

daß jedes der ersten (71) und zweiten binaroii Datenworte (72) eine Bitposition für einen Synchroni sat ions impuls aufweist und der Synchronisationsimpuls-Bit in jedem Datenwort von entgegengesetzter

Polarität ist.
IQ

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch Schaltmittel (68, 69) zur Veränderung der Frequenz, mit welcher binäre Datenrahmen aus den ersten und zweiten Spannungswerten (63, 64)

■*·° erzeugt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (68, 69) die Frequenz der Erzeugung von binären Datenrahmen aus der ersten und zweiten Spannung als Folge eines wesentlichen Druckabfalles im nach unten fließenden Bohrsehlammstrom sowie einer nachfolgenden Wiederherstellung des Druckes steigern, wobei der Druckabfall und -anstieg die Anfügung eines Bohrgestängeabschnittes an das Bohrgestänge (18) anzeigt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Datenworte (71, 72) jeweils mindestens eine Bitposition (44, 45) beinhalten, die die Frequenzen anzeigen, mit welchen binäre Datenrahmen erzeugt werden.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechner

(77) vorgesehen ist, der den Werkzeugstirnflächenwinkel durch Anwendung eines Iterationsverfahrens

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berechnet.

13. Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystem zur Übertragung von Daten betreffend den Werkzeugstirnflächonwinkel eines Bohrwerkzeuges aus einem Bohrloch zur Erdoberfläche, wobei ein Paar von zueinander senkrecht angeordneten x- und y-Sensoren jeweils eine die Raumlage des Bohrwerkzeuges anzeigende Spannung abgeben und ein Impulslagemodulationsverfahren angewandt wird, gekennzeichnet durch ein Werkzeugstirnflächenwinkel-Datenformat für jede Winkelmessung mit einem binären Datenrahmen, der ein Paar von binären Worten enthält, wobei das erste Wort Anzeichen betreffend

a) das Vorzeichen der x-Spannung,

b) das Vorzeichen der y-Spannung und

c) welche der beiden Spannungen die größere ist,

und das zweite Wort ein Anzeichen betreffend den Absolutwert des Verhältnisses der x- und y-Spannungen zwischen 0 und 1 beinhaltet.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

. daß sowohl das erste als auch das zweite Wort aus dem binären Datenrahmen jeweils ein Synchronisationsbit aufweisen.

15. System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das erste wie auch das zweite

binäre Wort aus dem binären Datenrahmen eine

Angabe betreffend die Frequenz enthalten, mit

der die Winkelmessungen durchgeführt und zur Erdoberfläche übertragen werden.

16. Vorrichtung zur Fernübertragung von den Werkzeugstirnflächenwinkel eines Bohrwerkzeuges innerhalb

eines Bohrloches angegebenen Daten zur Erdoberfläche während eines Bohrvorganges, gekennzeichnet durch: Mittel zur Messung der zueinander rechtwinkligen Werte der Raumlage eines Bohrwerkzeuges in zeitlichen Abständen einer ersten Frequenz; Mittel zur Erzeugung eines den Werkzeugstirnf1ächenwinkel angebenden Datensignals infolge einer jeden Messung;

Mittel zur Erzeugung eines Druckimpulssignals in einem Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystem als Folge eines jeden erzeugten Datensignals, um eine druckimpulsmodulierte Angabe des meßtechnisch erfaßten Werkzeugstirnflächenwinkels zu übertragen; Mittel zur Messung des Druckes des nach unten

fließenden Bohrschlammstromes im Bohrlochbodenbereich;

eine Schaltvorrichtung zur Änderung des zeitlichen Abstandes der Winkelmessung von der ersten Frequenz zu einer zweiten, höher liegenden Frequenz als Folge der meßtechnischen Erfassung einer Unterbrechung und nachfolgenden Wiederherstellung des Bohrschlammdruckes, die eine Anfügung eines Rohrabschnittes an das Bohrgestänge anzeigen, um zur erneuten Ausrichtung des Bohrwerkzeuges den Werkzeugstirnflächenwinkel schneller auf den neuesten Stand zu bringen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile zur Datensignalerzeugung Mittel zur Erzeugung einer Komponente des Datensignales enthalten, die die Meßfrequenz des Zeitabschnittes der Messung angibt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Frequenz um einen- Faktor von etwa 4 höher als die erste Frequenz ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die das Druckimpulssignal erzeugende Baugruppe Mittel zur Modulation einer Serie von Bohrschlamm-

druckimpu]sen in Übereinstimmung mit einem Druckimpu]slagemodulationsschema beinhaltet.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung umfaßt:

*^ Mittel zur Erzeugung einer ersten Spannung, die die Position eines am Bohrwerkzeug befestigten x-Achsen-Sensors angibt;

Mittel zur Erzeugung einer zweiten Spannung, die die Position eines am Bohrwerkzeug angeordneten y-Ach-

*5 sen-Sensors angibt, sowie die Vorrichtung zur Erzeugung von Datensignalen enthält:

Mittel zur Zusammenstellung einer Gruppe von binären Daten, die ein Paar von binären Worten enthält, wobei das erste Wort eine Angabe über die Frequenz der Werkzeugstirnflächenwinkelmessung, das Vorzeichen der ersten Spannung, das Vorzeichen der zweiten Spannung, welche Spannung die größere ist und ob die Sensoren durch Beschleunigungsmesser oder Magnetometer gebildet werden, enthält und das zweite Wort Angaben über den Absolutwert des Verhältnisses der ersten und zweiten Spannungen zwischen 0 und 1 beinhaltet.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrschlammimpuls-Fernübertragungssystem impulslagemoduliert arbeitet und bei welchem die Iinpulssignalerzeugungsstufe Mittel zur Erzeugung von drei Bohrschlammdruckimpulsen aufweist, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und zweiten Impuls den Wert des ersten binären Wortes in dem binären Datenrahmen und der zeitliche Abstand zwischen dem zweiten und dritten Impuls den Wert des

zweiten binären Wortes in der binären Datengruppe angibt.