DE3518370A1 - Verfahren zur optimierung der gesteinsbohrung - Google Patents

Verfahren zur optimierung der gesteinsbohrung

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Description

Verfahren zur Optimierung der Gesteinsbohrung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung einer schlagenden Bohrung, besonders der Gesteinsbohrung, wobei die Funktion einer Bohreinrichtung zum Schaffen eines erwünschten Bohrresultats geregelt wird.
In einer normalen Arbeitssituation ist das Ziel, eine so grosse Eindringgeschwindigkeit wie möglich für den Bohrer zustandezubringen. Begrenzende Faktoren sind z.B. der Energieverbrauch, die Beständigkeit der Apparatur usw. Als Regelgrössen können z.B. die Schlagkraft, die Drehgeschwindigkeit, der Dreheffekt oder die Vorschubkraft oder eine Kombination verschiedener Grossen gebraucht werden.
Weil es mehrere Regelgrössen gibt, ist es schwer, einen richtigen Arbeitspunkt für den Bohrer zu wählen. Das allgemeinste Verfahren basiert auf der Erfahrung des Bohrarbeiters und den Empfehlungen des Herstellers der Bohrmaschine. Die Funktion der Bohrmaschine kann in einer Arbeitssituation nur mittels Gehörs- und Gesichtswahrnehmungen verfolgt werden, wobei ein erfahrener Bohrarbeiter den Arbeitspunkt verhältnismässig genau wählen kann. Für die Arbeit wichtige Gehörswahrnehmungen werden jedoch von der geräuschvollen Umgebung begrenzt. Eine solche Situation entsteht z.B. beim Gebrauch von Bohreinrichtungen mit mehreren Auslegearmen, von sogenannten Jumbos.
Die Funktion einer Bohrmaschine wird am deutlichsten von der Vorschubkraft beeinflusst, weshalb diese die Grösse ist, die im allgemeinen von dem Bohrarbeiter geregelt wird. Die Regelung des Schlages und der Rotation ist oft konstant, wobei die Werte gebraucht werden, die z.B. von dem Hersteller der Einrichtung oder von der Arbeitsleistung empfohlen werden.
Ein bekanntes Verfahren ist die auf dem Messen
der Eindringgeschwindigkeit basierende Regelung. Dabei wird für die Eindringgeschwindigkeit ein Höchstwert ausgesucht, und zwar dadurch, dass Schlag-, Rotationsund Vorschubwerte abwechselnd geregelt werden. Bei diesem Verfahren ist es auch möglich, sich nur auf die Regelung des Vorschubs zu beschränken. Ein solches Regelverfahren wird allgemein nur bei nicht-schlagender Bohrung gebraucht.
Von den einzelnen, auf diesem Gebiet bekannten Verfahren kann das in der US-Patentschrift 4 165 angeführte System erwähnt werden. Gemäss diesem bekannten System wird als Basis der Regelung ausschliesslich das Messen der Eindringgeschwindigkeit gebraucht.
Als ein zweites bekanntes einzelnes Verfahren kann das in der US-Patentschrift 3 550 697 angeführte System erwähnt werden. In diesem System wird als Basis der Regelung das am Bohrer gemessene Verdrehmoment gebraucht, gemäss dem die Drehgeschwindigkeit, die Vorschubkraft und das Verdrehmoment geregelt werden.
Der Nachteil der beiden erwähnten Systeme ist u.a. ihre Kompliziertheit, wobei ihre Anwendbarkeit nicht die beste mögliche ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung der Gesteinsbohrung zu schaffen, welches Verfahren die Schwächen der vorbekannten Verfahren nicht aufweist. Das wird mittels des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die an der Bohrstange anlässlich eines Schlages entstehende Spannungswelle gemessen wird, und dass die Bohreinrichtung auf der Basis der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
Unter Spannungswelle versteht man im Beschreibungsteil und in den Ansprüchen dieser Anmeldung die Variation des Spannungszustandes, die auf Grund eines Schlages an der Bohrstange entsteht. Die Regelung kann erfindungsgemäss auf der Basis einer von einem
Schlag oder mehreren Schlägen veranlassten Spannungswelle ausgeführt werden.
Der Vorteil der Erfindung ist vor allem ihre Einfachheit und Vielseitigkeit. Mittels dieses Verfahrens kann der Bohrprozess leicht automatisiert werden, anderseits aber kann das Verfahren auch gut als ein Hilfsmittel zur Erleichterung der Arbeit des Bohrarbeiters angewandt werden, und zwar im Zusammenhang mit einer mit der Hand auszuführenden Regelung.
Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe einiger bevorzugten, in der beigefügten Zeichnung angeführten prinzipiellen Beispiele genauer beschrieben, wobei
die Figuren 1 und 2 ein Beispiel für eine von einer veränderten Vorschubkraft veranlasste Veränderung der Spannungswelle prinzipiell darstellen,
die Figuren 3-6 prinzipielle Beispiele für von einer veränderten Vorschubkraft veranlasste Veränderungen des Spektrums der Spannungswelle darstellen,
Figur 7 ein Blockdiagramm einer auf der Spektralanalyse basierenden Regeleinrichtung darstellt, die das erfindungsgemässe Verfahren anwendet,
Figur 8 ein Beispiel für die typische Form des Anfangs der Spannungswelle zeigt,
Figur 9 ein Blockdiagramm einer automatischen Steuervorrichtung darstellt, die auf dem Analysieren der Form der Spannungswelle basiert, und
Figur 10 ein Blockdiagramm einer Hilfsvorrichtung für einen Bohrarbeiter darstellt, die auf dem Analysieren der Form der Spannungswelle basiert.
Die Erfindung basiert auf einer speziellen Eigenschaft der schlagenden Bohrung, nämlich darauf, dass beim Schlagen der Bohrstange daran immer ein Spannungspuls entsteht, das der Bohrstange entlang vorwärtsgeht, bis es die Spitze der Bohrstange erreicht und einen Schlag auf das zu bohrende Gestein veranlasst. Ein Teil des Spannungspulses wird zurückgestrahlt, weil
sein Energieinhalt nicht ganz ausgenutzt werden kann. Die Spannungs- und Reflexionspulse bilden eine Spannungswelle.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist, dass z.B. die an der obenerwähnten Bohrstange entstehende Spannungswelle gemessen wird und die Regelgrössen auf der Basis des Unterschieds zwischen der Form der gemessenen Spannungswelle und/oder der Stärke ihrer verschiedenen Teile und zwischen der experimentell und/oder statistisch erhaltenen Normalform oder den Normalwerten der Spannungswelle gesteuert werden. Diese Spannungswelle kann in mehreren verschiedenen Weisen gemessen werden, z.B. elektrisch, magnetisch, optisch oder in irgendeiner anderen bekannten Weise. Die gemessenen Spannungswellen können z.B. mit der experimentell und/ oder statistisch ermittelten Normalform verglichen werden und die Bohreinrichtung kann je nachdem geregelt werden, wie die gemessene Wellenform von der Normalform abweicht.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann die Spannungswelle an mehreren Stellen der Bohrstange gemessen werden, z.B. an zwei Stellen. Der Vorteil damit, dass das Messen an mehreren Stellen und nicht an einer einzigen Stelle geschieht, ist, dass die Spannungswelle dabei in Komponenten in ihrer Laufrichtung eingeteilt werden kann, und zwar in eine gegen das zu bohrende Gestein laufende und eine aus dem Gestein reflektierende Komponente. Dadurch erhält man bedeutend mehr Auskünfte über die Bohrung als durch ein an einer Stelle ausgeführtes Messen. Besonders vorteilhaft ist es an mehreren Stellen zu messen, wenn die Bohrstange kurz ist oder wenn der Messpunkt dem Ende der Stange naheliegt.
Zur Steuerung der Regelgrössen können die Stärke entweder der laufenden oder reflektierenden Wellenkomponente, der gemäss der Wellenfläche definierte
Energiewert, die Anstiegs- oder Fallgeschwindigkeit des Pulses, die Abklinggeschwindigkeit der Welle usw. benutzt werden. Der Einfluss der an der gemessenen Welle definierten Werte auf verschiedene Regelgrössen kann ermittelt werden, und die Einrichtung kann beispielsweise mittels eines Mikroprocessors oder einer entsprechenden Vorrichtung geregelt werden, wobei der Mikroprocessor z.B auf der Basis der definierten Werte die Betätigungselemente,der Bohreinrichtung so steuert, dass die gemessene Welle der erwünschten Welle möglichst genau entspricht. Unter variierenden Bohrverhältnissen ist es möglich, die Funktion der Bohreinrichtung mittels des erfindungsgemässen Verfahrens etwa die ganze Zeit genau optimal zu halten, denn im Prinzip kann schon der folgende Schlag nach einem Schlag mit abweichendem Wert berichtigt werden.
Zur Erläuterung der Erfindung werden im folgenden drei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben, gemäss denen die Regelung verwirklicht werden kann.
Die erste Ausführung basiert auf der Ausnutzung der Abklinggeschwindigkeit der Spannungswelle. Wie oben schon festgestellt wurde, veranlasst jeder auf die Bohrstange gerichtete Schlag an der Bohrstange ein Spannungspuls, das abwechselnd aus den beiden Enden der Stange reflektiert und eine allmählich abklingende Spannungswelle bildet. Die Abklinggeschwindigkeit kann am besten observiert werden, wenn die Hüllkurve der Spannungswelle der Bohrstange betrachtet wird. Die Spannungswelle klingt schneller ab, wenn die die Bohrmaschine und die Bohrstange in das Gestein schiebende Kraft zunimmt. In den Figuren 1 und 2 wird ein Beispiel für eine Hüllkurvenveränderung prinzipiell angeführt, die von einer veränderten Vorschubkraft veranlasst wird. Figur 1 zeigt eine Situation, wobei die Vorschubkraft gross ist, und Figur 2 eine entsprechende Situation,
wenn die Vorschubkraft klein ist.
Die Abklinggeschwindigkeit kann z.B. als die Zeit definiert werden, die die Amplitude der Reflexionspulse braucht, um sich unter ein bestimmtes Vergleichsniveau zu senken, oder alternativ kann die Abklinggeschwindigkeit als die Anzahl der Reflexionspulse vor dem Sinken der Amplitude unter das Vergleichsniveau definiert werden. Das Vergleichsniveau kann entweder konstant oder ein bestimmter Prozentsatz von der Amplitude des ersten Pulses sein.
Die zweite Ausführung basiert auf dem Spektrum der Spannungswelle, weil es klar ist, dass wenn die Funktionswerte der Bohreinrichtung die Form der Spannungswelle beeinflussen, so beeinflussen sie natürlich auch das Spektrum der Spannungswelle.
In den Figuren 3-6 werden vier verschiedene Fälle des Spektrums der Spannungswelle prinzipiell dargestellt. In der Situation der Figur 3 wird eine Vorschubkraft von 90 bar angewandt, in der Situation der Figur 4 eine Vorschubkraft von 80 bar, in der Situation der Figur 5 eine Vorschubkraft von 60 bar und in der Situation der Figur 6 eine Vorschubkraft von 40 bar. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass in einer Uebervorschubsituation im Spektrum eine deutliche Spitze für die Schlagfrequenz der Maschine hervorragt, diese Stelle wird mit der Referenz IT in Figur 3 bezeichnet. Entsprechend bringt eine Untervorschubsituation eine Spitze bei der Resonanzfrequenz der Bohrstange zustande, diese Stelle wird mit der Referenz RT in Figur 5 bezeichnet. Wenn die Vorschubkraft richtig ist, ist das Spektrum verhältnismässig eben, wie aus dem Spektrum der Figur 4 ersichtlich ist.
Das Messen des ganzen Spektrums ist hinsichtlich der Regelung der Bohreinrichtung nicht notwendig. Am Spektrum interessieren am meisten die Schlagfrequenz der Bohrmaschine und die Resonanzfrequenz oder
-frequenzen der Bohrstange. Die Regelung der Vorschubkraft kann auf diesen Frequenzkomponenten basiert werden. Es ist jedoch klar, dass zusätzlich auch harmonische Frequenzen der Resonanzfrequenz der Bohrstange oder der Schlagfrequenz angewandt werden können.
Wie aus den Figuren und der obigen Beschreibung hervorgeht, gibt es nur einige, z.B. zwei, interessante Frequenzkomponenten. Ausserdem sind die Frequenzen der interessanten Frequenzkomponenten vorbekannt, weshalb die Spektralanalyse mittels einiger Frequenzbereichfilter einfach ausgeführt werden kann. In Figur 7 wird ein prinzipielles Blockdiagramm einer solchen Regeleinrichtung schematisch dargestellt. Im Blockdiagramm wird der Spannungsmesser mit der Referenz 1, und der Vorverstärker respektive Verstärker werden mit den Referenzen 2 und 3 bezeichnet. Mit den Referenzen 4-7 werden die Frequenzbereichfilter bezeichnet, wobei ein Filter 4 die Schlagfrequenz und ein Filter 5 die Resonanzfrequenz der Bohrstange durchlassen. Es kann auch mehrere Filter 5 geben, beispielsweise einen für jede erwünschte Resonanzfrequenz. Die Filter 6 und 7 sind für die obengenannten harmonischen Frequenzen beabsichtigt, und auch davon kann es mehrere geben. Die Regellogik der Einrichtung wird mit der Referenz 8 allgemein bezeichnet. Die Einrichtung kann natürlich auch mit Daten aus anderen Messungen oder eingestellten Regelwerten gespeist werden, z.B. mit Daten der Betriebsfrequenz, Eindringgeschwindigkeit usw. Dieser Eingang wird mit einem Pfeil N allgemein bezeichnet. Der Ausgang für Steuerungen ist seinerseits mit einem Pfeil M allgemein bezeichnet.
Als das dritte Beispiel für die Anwendung des Verfahrens kann das Analysieren der Form der von einem Schlag veranlassten Spannungswelle angeführt werden. In Figur 8 wird eine typische Form des Anfangs der Spannungswelle prinzipiell angeführt, die von einem Schlag eines Hubkolbens auf die Bohrstange veranlasst
wird. Der Teil A in der Figur vertritt dabei ein gegen das Gestein laufendes Puls oder eine ähnliche Wellenkomponente und der Teil B entsprechend ein aus dem Gestein laufendes Puls oder eine ähnliche Wellenkomponente. Die Form der Welle gemäss Figur 8 kann entweder mittels Amplituden bestimmter Punkte ausgelegt werden oder alternativ mittels der Flächen, die zwischen der Welle und dem Nullniveau bleiben. Kennzeichnende Punkte für das Puls sind beispielsweise die Höchst- und Mindestwerte P1, P2, P3, P4/ deren Amplituden benutzt werden können. Bei der Regelung können die obenerwähnten Werte an sich oder auch ihre Verhältnisse usw. benutzt werden. Als Flächen bei der Regelung können Flächen der Spannungswelle oder deren verschiedener Teile, wie z.B. A1, A-, A^/ usw. gebraucht werden. Auch Verhältnisse zwischen den Flächen können benutzt werden. Auf der Basis der obigen Auskünfte können die Energie der Spannungswelle in Frage, die in das Gestein übertragene Energie, die aus dem Gestein reflektierende Energie usw. berechnet werden, und die Regelung kann beispielsweise auf Grund der berechneten Energiewerte ausgeführt werden.
Figur 9 zeigt ein prinzipielles Blockdiagramm einer automatischen Regeleinrichtung, deren Funktion auf dem Analysieren der Form der Spannungswelle basiert. In der Figur wird der Spannungsmesser mit der Referenz 11 bezeichnet, und der Vorverstärker und Verstärker werden entsprechend mit den Referenzen 12 und 13 bezeichnet. Mit der Referenz 14 wird wieder ein sogenannter Alias-Filter und mit der Referenz 15 ein A/D-Umformer bezeichnet. Der Processor, der das von dem Spannungsmesser 1 erhaltene Signal behandelt, wird seinerseits mit der Referenz 16 bezeichnet. Der Eingang für anderswoher kommende Messwerte wird entsprechend der Figur 7 mit einem Pfeil N bezeichnet. In einer entsprechenden Weise wird der Ausgang für
Steuerungen mit einem Pfeil M bezeichnet. Es ist klar, dass es mehrere Kanäle für das Messen der Spannungswelle geben kann, in Figur 9 wird deutlichkeitshalber nur einer angeführt.
Das Analysieren und die Erläuterung der Form der Spannungswelle können auch/ wenn erwünscht, dem Bohrarbeiter überlassen werden. Dabei ist natürlich ein geeignetes Sichtanzeigegerät nötig. Figur 10 zeigt prinzipiell das Blockdiagramm eines solchen Gerätes. Im Blockdiagramm wird der Spannungsmesser mit den Referenznummern 22 und 23 bezeichnet. Mit der Referenz 24 wird ein Verzögerungskreis bezeichnet, der für die Funktion des Sichtanzeigegeräts 25 gebraucht werden kann. Zu dem Sichtanzeigegerät 25 muss natürlich auch ein geeignetes Synchronisierpuls geleitet werden. An dieses Gerät schliesst sich als ein wesentlicher Teil ein sog. Hilfsfigurlager 26 an, woraus der Bohrarbeiter eine für die jeweilige Situation geeignete Referenzfigur auswählt, mit der er die aus dem Sichtanzeigegerät erhaltene Pulsform vergleicht. Durch Vergleich der obenerwähnten zwei Figuren und durch Regelung der Regelgrössen regelt der Bohrarbeiter die Figur am Sichtanzeigegerät so, dass sie der Referenzfigur möglichst genau entspricht. Eine geeignete Referenzfigur wird z.B. gemäss der Bohrmaschine, dem Gestein o.dgl. gewählt. Auch diese Ausführungsform kann so angewandt werden, dass Messungen an mehreren Punkten ausgeführt werden, wobei Signale vorbehandelt werden müssen, damit eine geeignete Wellenform für den Bildschirm erhalten wird. Deutlichkeitshalber wird in Figur 10 nur ein Messpunkt dargestellt, bei Bedarf kann es aber auch1 mehrere davon geben.
Die obenangeführte Beschreibung ist durchaus nicht beabsichtigt, die Erfindung zu beschränken, sondern die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche in vielen verschiedenen Weisen variiert werden.
Somit brauchen die Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens natürlich nicht ganz gleich sein, wie in den Figuren gezeigt wird, sondern auch andersartige Lösungen können benutzt werden. Die Komponenten der Einrichtungen können beliebige, bekannte Komponenten sein usw.

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Optimierung einer schlagenden Bohrung, besonders der Gesteinsbohrung, wobei die Funktion einer Bohreinrichtung zum Schaffen eines erwünschten Bohrresultats geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Bohrstange anlässlich eines Schlages entstehende Spannungswelle gemessen wird, und dass die Bohreinrichtung auf der Basis der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswelle an mindestens zwei Stellen der Bohrstange gemessen wird, und dass die gemessene Spannungswelle in eine laufende und eine reflektierende Wellenkomponente eingeteilt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung gemäss der Abklinggeschwindigkeit der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels des Spektrums der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, d a durch gekennzeichnet, dass die Regelung dadurch geschieht, dass der Schlagfrequenzpunkt (IT) der Bohrmaschine und der Resonanzfrequenzpunkt (RT) der Bohrstange im Spektrum der Spannungswelle observiert werden.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels der Amplituden bestimmter Punkte (P^, P2, P^, P,) der gemessenen Spannungswelle und/oder mittels deren Verhältnisse geregelt wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels der Flächen (A.., A~, A3) verschiedener Teile der gemessenen Spannungswelle und/oder mittels deren Verhältnisse geregelt wird.
8. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels der Energie in verschiedenen Teilen der gemessenen Spannungswelle und/oder mittels deren .Verhältnisse geregelt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung durch Vergleich der Form der gemessenen Spannungswelle mit einer im voraus bestimmten normativen Wellenform ausgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf der Basis des Unterschieds zwischen dem Wert einer Grosse oder mehrerer Grossen der gemessenen Spannungswelle und dem eingestellten Normalwert jeder Grosse ausaeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf der Basis des Unterschieds zwischen der Form der gemessenen Spannungswelle und der experimentell und/oder statistisch erhaltenen Normalform der Spannungswelle ausgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der obigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgrösse die Schlagkraft, die Drehgeschwindigkeit, der Dreheffekt oder die Vorschubkraft oder eine Kombination von zwei oder mehreren erwähnten Grossen gebraucht wird.
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