DE3822369A1 - Messsonde mit einem klein bauenden magnetometer und verfahren zur durchfuehrung von messungen mit einer solchen messsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde mit je einer Meßvor­ richtung zur Messung magnetischer Felder in X-, Y- und Z-Meßrichtung.

Mit einem derartigen Magnetometer kann das Störmagnetfeld von Schwerstangen, wie sie beispielsweise bei Tiefbohrun­ gen eingesetzt werden, im Erdmagnetfeld gemessen werden. Das Niederbringen von Tiefbohrungen ist mit erheblichen Ko­ sten verbunden, und an die exakte Ausführung der Bohrarbei­ ten werden hohe Anforderungen gestellt. Technische Fehler führen zu Verzögerungen der Arbeiten und erhöhen das Stö­ rungsrisiko.

Ein häufiger Fehler ist die Abweichung von der vorgegebenen Richtung während der Bohrung. Der verlauf des Bohrlochs muß deshalb laufend nachgemessen werden, was mit elektromagne­ tischen und magnetischen Methoden erfolgt. Dazu werden De­ klination und Azimuth gemessen, um die Ablenkung zum magne­ tischen Nordpol genau zu beschreiben. Zur Vermeidung von Meßfehlern muß das Bohrgestänge in unmittelbarer Nähe der Meßgeräte im technischen Sinn nichtmagnetisch sein. Der Ab­ lenkwinkel, um den das Bohrloch von seiner Senkrechten ab­ weicht, wird mit einem Magnetkompaß gemessen, der durch das hohle Bohrgestänge bis kurz vor Ort, d.h. bis in die soge­ nannten Schwerstangen abgelassen wird. Für diese Schwer­ stangen, die bei Tiefbohrgestängen zur Beschwerung des Bohr­ meißels dienen, besteht deshalb besonders die Forderung nach nichtmagnetischen Eigenschaften.

Die Schwerstangen werden deshalb vor ihrem Einsatz, d.h., noch im Produktionsprozeß auf ihr Magnetfeld hin untersucht und geprüft. Die zulässige Winkelabweichung durch die Schwerstangen darf maximal 0,3 Grad betragen. Da die Außen­ durchmesser und die Bohrungen der Bohrgestänge bzw. der Schwerstangen mit zunehmender Bohrtiefe abnehmen, muß eine derartige Meßsonde so klein bauen, daß sie auch durch klein­ ste Gestängebohrungen abgesenkt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine klein bau­ ende Meßsonde der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die auch durch kleinste Gestängebohrungen bewegt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Meßvorrichtung mindestens einer der Meßrichtungen in die Meßvorrichtung einer der anderen Meßrichtungen eingeschoben ist. Durch diese Maßnahmen wird ein äußerst kompakt und klein bauendes Magnetometer mit großer Dynamik geschaffen, daß in das ent­ sprechend kleine, kompakte Gehäuse einer Meßsonde eingebaut werden kann. Eine derartige Meßsonde kann auch durch sehr enge Bohrungen, beispielsweise durch Bohrungen kleiner 2 Inch, bewegt, vorzugweise gezogen werden.

Die gemessenen Werte werden zur Auswertung an Anzeigeein­ heiten übermittelt. Diese Anzeigeeinheiten sind drei bau­ gleiche, untereinander austauschbare 4 1/2 stellige digi­ tale Spannungsmeßgeräte. Ihr Meßbereich läßt sich mittels eines angebrachten Umschalters um den Faktor 10 verändern. Die Eichung erfolgt derart, daß standardmäßig eine Auf­ lösung von 10nT (Nanotesla) erzielt wird (Schalterstellung: x 10). Sie läßt sich in der Schalterstellung x 1 auf 1 nT erhöhen. Die in der Anzeige eingeblendeten Kommata markie­ ren dann jeweils die Tausender Stelle, beispielsweise:. Schalterstellung x 10; Anzeige; 18,50 18.500 nT Schalterstellung x 1; Anzeige; 9.235 9.235 nT.

Wegen des auf 4 1/2 Stellen begrenzten Anzeigeumganges der Spannungsmesser ist deren maximal mögliche Anzeige "19.999". Das entspricht in Schalterstellung x 1 gerade 19.999 nT. Ist die aktuelle Maßgröße jedoch größer als 20.000 nT, kommt es zu einer Bereichsüberschreitung, einem Überlauf der Anzeige; es wird gar nichts mehr angezeigt. Dieser Betriebszustand läßt sich mittels der Schalterstel­ lung x 10 abfangen. Nun beträgt die maximal mögliche Anzeige 199.990 nT, was etwa dem Vierfachen des Betrages des ei­ gentlich zu messenden Erdmagnetfeldes entspricht.

Die einzelnen Anzeigeeinheiten können, da sie völlig unab­ hängig voneinander sind, um der größtmöglichen Auflösung willen bzw. je nach Bedarf in der Schalterstellung x 1 oder x 10 betrieben werden. Der Multiplikator beträgt, da er auf elektronischem Wege erzeugt wird, exakt 10 000.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Meßsonde mit einem kompakten Dreiachs-Ringkern-Magnetometer und mit einem mit Führungsnuten versehenen Gehäuse;

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Prüfsituation, bei der ein mit Führungsschienen versehenes Füh­ rungsrohr in einem in Meßposition festgelegten Prüf­ fling eingelegt ist und die Meßsonde nach der Fig. 1 mit ihren Führungsnuten auf den Führungsschienen des Führungsrohres durch den Prüfling gezogen wird.

Die in der Fig. 1 dargestellte Meßsonde 10 besteht im we­ sentlichen aus einem Gehäuse 11 und einem Träger 12. Der Träger 12 besteht aus einer Trägerplatte 17 und einem dazu rechtwinklig, L-förmig stehenden Trägerfuß 16. Der Träger 12 ist aus Glasfaser verstärktem Kunststoff (GFK) gefertigt.

Auf der Trägerplatte 17 ist als eine erste X-Meßvorrichtung 18 eine Aufnehmerspule mit einem die Meßarbeit leistenden Ringkern angeordnet. In diese erste X-Meßvorrichtung 18 ist eine ebenso aufgebaute Y-Meßvorrichtung 19 zur Messung in Y-Richtung 34 eingeschoben.

Auf der der ersten X-Meßvorrichtung 18 abgewandten Außen­ seite des Trägerfußes 16 ist eine Z-Meßvorrichtung 20 an­ geordnet, mit der in Z-Richtung 35 gemessen werden kann. In diese Z-Meßvorrichtung 20 ist eine zweite X-Meßvorrichtung 21 eingeschoben. Die in die Y-Meßvorrichtung 19 eingescho­ bene erste X-Meßvorrichtung 18 nimmt Meßwerte in X-Richtung 33 auf, während die in die Z-Meßvorrichtung 20 eingescho­ bene zweite X-Meßvorrichtung 21 zum inneren Abgleich dient.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die erste X-Meßvorrichtung 18 und die zweite X-Meßvorrichtung 21 durch den Trägerfuß 16 räumlich voneinander getrennt. An dem dem Trägerfuß 16 abgewandten Ende sind auf der Trä­ gerplatte 17 Meßanschlüsse 13 vorgesehen, an denen Meßlei­ tungen 32 angeschlossen sind, die zu den Meßvorrichtungen 18, 19, 20 und 21 führen.

Der Träger 12 ist in einem Adaptergehäuse 30 in vorbestimm­ ter, genauer Lage in dem Gehäuse 11 gehalten. Das Gehäuse 11 ist mit einem Gehäusedeckel 14 abgeschlossen, an dem eine Führungsleine 15 befestigt ist. An seiner Außenseite 36 ist das Gehäuse 11 mit zwei einander gegenüberliegenden Führungsnuten 22 versehen.

Die Führungsnuten 22 können mit Führungsschienen 27 eines Führungsrohres 23 in Wirkverbindung gebracht werden, das, wie die Fig. 2 zeigt, zum Messen in einen Prüfling 24 ein­ geführt wird. Der Prüfling 24 wird dazu beispielsweise auf einen Aufnehmer 25 gelegt und mit Prismen 26 in seiner Lage fixiert. In seine Längsbohrung 31 wird das aus einem nicht magnetischen Material, vorzugsweise aus Kunststoff, beste­ hende Führungsrohr 23 eingeführt. Das Führungsrohr 23 ist mit nach innen weisenden Führungsschienen 27 versehen, auf die die Meßsonde 10 mit ihren Führungsnuten 22 aufgesetzt und dann an einer Zugkette 28 durch den Prüfling 24 gezogen werden kann.

Zur Feststellung des magnetischen Feldes eines Prüflings 24 wird zunächst das Führungsrohr 23 mit nicht dargestellten, abbaubaren, höhenverstellbaren Prismen in gleichbleibender Lage, vorzugsweise horizontal, auf den Ortskoordinaten der sich anschließenden Prüfmessung ausgerichtet und eine Eich­ messung durchgeführt. Danach wird der Prüfling 24 auf den Aufnehmer 25 gelegt und mit den Prismen 26 in seiner Lage fest fixiert. Das Führungsrohr 23 wird in die Längsbohrung 31 des Prüflings eingeführt und in die exakt gleichen Orts­ koordinaten wie zu der vorangegangenen Eichmessung ge­ bracht. Sodann wird die Meßsonde 10 erneut durch das Füh­ rungsrohr 23 bewegt. Die Führungsschienen 27 verhindern da­ bei ein Verlassen der Horizontalen.

Die von der Meßsonde 10 festgestellten magnetischen Felder können über eine Meßleitung 32 zu einem Anzeigegerät 29 geleitet und gespeichert werden; die Auswertung erfolgt dann vorzugsweise rechnergestützt.

Bezugszeichenliste

10 Meßsonde
11 Gehäuse
12 Träger
13 Meßanschluß
14 Gehäusedeckel
15 Führungsleine
16 Trägerfuß
17 Trägerplatte
18 erste X-Meßvorrichtung
19 Y-Meßvorrichtung
20 Z-Meßvorrichtung
21 zweite X-Meßvorrichtung
22 Führungsnut
23 Führungsrohr
24 Prüfling
25 Aufnehmer
26 Prisma
27 Führungsschiene
28 Zugkette
29 Anzeiger
30 Innengehäuse
31 Bohrung
32 Meßleitung
33 X-Meßrichtung
34 Y-Meßrichtung
35 Z-Meßrichtung
36 Außenseite

Claims (12)

1. Meßsonde mit je einer Meßvorrichtung zur Messung magne­ tischer Felder in X-, Y- und Z-Meßrichtung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßvorrichtung (19, 21) mindestens einer der Meßrichtungen (33) in die Meßvorrichtung (18, 20) einer der anderen Meßrichtungen (34, 35) eingeschoben ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtungen an sich bekannte Ringkerne mit Aufneh­ merspulen sind und die Aufnehmerspulen (18, 19, 20, 21) sym­ metrisch auf einer gedachten Mittellinie angeordnet sind.

3. Meßsonde nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßvorrichtungen (18, 19, 20, 21) in drei Raumrichtungen (33, 34, 35), vorzugsweise orthogonal, gegen­ einander versetzt auf einem Träger (12) angeordnet sind.

4. Meßsonde nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mit den Meßvorrichtungen (18, 19, 20, 21) bestückte Träger (12) in einem rohrförmigen Gehäuse (11) angeordnet ist und das rohrförmige Gehäuse (11) an seiner Außenseite (36) mit längsverlaufenden Führungsnuten (22) versehen ist.

5. Meßsonde nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Führungsnuten (22) des Gehäuses (11) mit Führungsschienen (27) eines in einen Prüfling (24) ein­ schiebbaren Führungsrohres (23) in Wirkverbindung bringbar sind.

6. Verfahren zum Messen des magnetischen Feldes eines Prüf­ lings, insbesondere einer mit einer Längsbohrung versehenen Schwerstange zum Einsatz an einem Bohrgestänge, mittels elektromagnetischer Meßeinrichtungen, insbesondere mit Meßeinrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen wahlweise gegenge­ koppelt zum Arbeiten im Nullfeld oder nicht gegengekoppelt betrieben werden.

7. Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüfling auf einem Aufnehmer in vorbestimmter Lage festgelegt wird, in die Längsbohrung des Prüflings ein hohlzylindrisches Füh­ rungsrohr eingelegt wird und durch das Führungsrohr eine Meßsonde bewegt wird.

8. Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes nach An­ spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Messen die ge­ naue Lage der Meßsonde in dem Führungsrohr mit Hilfe von berührungslosen Längenmeßverfahren bestimmt wird.

9. Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes nach An­ spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Messen die ge­ naue Lage der Meßsonde in dem Führungsrohr mit Hilfe von akustischen, optischen, optoelektronischen oder feinmecha­ nischen Längenmeßverfahren bestimmt wird.

10. Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Messung ohne Prüfling und eine zweite Messung mit Prüfling durchgeführt werden und die beiden Messungen auf den selben Ortskoordinaten erfolgen.

11. Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes nach den Ansprüchen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen der Prüfling auf fest fixierten und das Führungsrohr auf höhenverstellbaren Prismen gelagert wird.

12. Verfahren zum Messen eines magnetischen Feldes nach den Ansprüchen 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Messen das Führungsrohr in gleichbleibender Lage, vorzugsweise ho­ rizontal, ausgerichtet wird.