DE568780C - Einrichtung zur UEbertagemessung der Abweichung von Bohrungen mittels Induktionsbussole - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
!.FEBRUAR 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 568 78Oi

KLASSE 5 a GRUPPE 18

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. Januar 1932 ab

Bei Schnellbohrverfahren, insbesondere beim Rotaryverfahren, kommen häufig starke Abweichungen der Bohrlöcher von der Senkrechten vor, wobei die Neigung des Bohrloches manchmal 30⁰ überschreitet. Infolgedessen kann bei Tiefbohrungen, wie beispielsweise bei Bohrungen von Erdöl, die Sohle des Bohrloches mehrere hundert Meter von der in gleicher Tiefe wie die Sohle gelegenen senkrechten Projektion der Bohrlochmündung abweichen. Für viele praktische Zwecke ist es nun sehr wichtig, wenn man die Abweichung des Bohrloches in verschiedenen Tiefen genau kennt und ein Diagramm aufzeichnen kann, welches (beispielsweise in waagerechter numerierter Projektion) die tatsächlich von einem Bohrloch im Innern des Erdbodens zurückgelegte gekrümmte Bahn wiedergibt.

Die Bestimmung der Abweichung umfaßt die Messung der beiden folgenden Parameter:

i. des Inklinationswinkels δ, welchen die Bohrlochachse mit der Senkrechten bildet,

z. des Azimuts φ, das die waagerechte Projektion der Bohrlochachse mit der Nordrichtung einschließt.

Wenn man diese beiden Parameter bei einer Reihe von wachsenden Tiefen, beispielsweise alle ι oom, kennt, so kann, man das obenerwähnte Abweichungsdiagramm aufzeichnen unter der Voraussetzung, daß das Bohrloch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßstellen angenähert geradlinig verläuft, was bei nahe zusammenliegenden Meßstellen in der Praxis genügend der Fall ist.

Man hat schon zur Lösung dieses Problems verschiedene Arten von Vorrichtungen vorgeschlagen, die in die Bohrlöcher abgesenkt werden. Die Apparate mit Pendel und gyroskopischer Bussole, welche mit photographischer Eintragung der Inklination und des Azimuts versehen sind, geben zwar genaue Ergebnisse; sie sind aber so kostspielig und zerbrechlich, daß ihre i\nwendung praktisch sehr beschränkt bleibt. Weiter sind die zur Orientierung unter Einwirkung des Erdfeldes geeigneten Vorrichtungen mit Pendel und magnetischem Stab sehr unzuverlässig, da das Richtungsmoment des magnetischen Stabes zur stetigen Erreichung einer guten Orientierung zu schwach ist. Endlich ist es schon vorgeschlagen worden, die Inklination mit einem als Kontaktstück wirkenden Pendel und das Azimut mit einer um kleine Winkel absatzweise drehenden Induktionsbussole zu messen. Die Bewegungen der Bussole im ma-

gnetischen Erdfelde erzeugen kurzzeitige Ströme, welche mittels isolierter Leiter über Tage gemessen werden. Andere isolierte Leiter und über Tage vorhandene Vorrichtungen ermöglichen die Beobachtung der Pendelkontakte. Diese zuletzt erwähnten Apparate konnten sich nicht in größerem Umfange in die Praxis einführen, da die zur absatzweisen Drehung des Rahmens und zur Regelung des ίο Kontaktpendels dienenden Vorrichtungen sehr kompliziert sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der gleichzeitigen Verwendung einer durch einen Elektromotor in ständigeDrehung versetzten Induktionsbussole und eines ma-. gnetisierten, sich stets frei in die Senkrechte einstellenden Pendels. Die wechselnden Induktions-EMKe, welche in der Bussole unter Einwirkung des magnetischen Erdfeldes und des magnetisierten Pendels entstehen, werden gemessen. Dieses Verfahren ermöglicht, die obenerwähnten Schwierigkeiten der bekannten Apparate zu vermeiden. Im besonderen — wie zahlreiche praktische Versuche gezeigt haben — sichert die schnelle und ständige Bewegung der Bussole eine gute Orientierung bezüglich des magnetischen Nordens, und das magnetisierte Pendel bedarf keiner Regelung.

Die Bussole, ihr elektrischer Antriebsmotor und das Pendel können in einem geschlossenen Gehäuse eingeschlossen sein, welches beispielsweise die Form eines langen, zylindrischen Rohres besitzen kann und welches man in das Bohrloch absenkt. Die gesamte so gebildete Vorrichtung hängt beispielsweise an einem Kabel mit mehreren isolierten Leitern. Ein Teil der Leiter dient zur Zuführung der elektrischen Speiseströme des Motors oder der Pendelmagnetisierung von über Tage. Die anderen Leiter dienen zum Messen der in der Bussole induzierten EMKe. Diese Messungen werden über Tage mit Hilfe eines Potentiometers vorgenommen. Das Kabel wird auf eine Winde aufgewickelt, deren Handhabung das Aufziehen oder das Absenken der gesamten Vorrichtung im Bohrloch ermöglicht.

■ Bekanntlich besteht eine Induktionsbussole im wesentlichen aus einem Rahmen 1 (Fig. 1), der eine große Zahl von Windungen (von denen auf der Zeichnung nur zwei dargestellt sind) enthält und sich mit gleichmäßiger und großer Geschwindigkeit um eine in seiner Ebene liegende Achse OZ dreht. Wenn dieser bewegliche Rahmen in einem festen, magnetischenFelde (beispielsweise demErdfelde) liegt, so ist er der Sitz einer in bezug auf die Zeit sinusförmigen Induktionswechsel-EMK. Um die Beobachtung dieser EMK zu ermöglichen, sind die beiden Enden des Stromkreises des Rahmens ι an zwei Halbringes und 3 eines mit dem Rahmen umlaufenden Kollektors angelötet. Zwei mit dem nicht dargestellten Gestell der Bussole verbundene und folglich im Räume unbewegliche Bürstenpaare 4, 5 und 6, 7 schleifen auf dem Kollektor. Die beiden Bürstenlinien 4, 5 und 6, 7 sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Man mißt mit einem Gleichstrompotentiometer die Potentialdifferenz V₁ zwischen den Bürsten 4 und 5 und die Potentialdifferenz V₂ zwischen den Bürsten 6 und 7. Da die Drehung der Bussole sehr schnell erfolgt und der Zeiger des Potentiometers stark gedämpft ist, erhält man den Mittelwert der Potentialdifferenz während einer Drehungsperiode. Dieser Mittelwert hängt bekanntlich von der Richtung des magnetischen Induktionsvektors zur betrachteten Bürstenlinie ab. Wenn man mit α den Winkel zwischen der Linie 4, 5 und der Projektion H des magnetischen Vektors des Erdfeldes des Kollektors 2,3 bezeichnet, so ist

tg α = ψ-, (ι)

und der Wert der Projektion dieses Vektors ist durch folgende Gleichung gegeben:

H — K]/V\ + V%

(2)

In dieser Formel ist K ein Koeffizient, der go von der Drehgeschwindigkeit und den Konstanten der Bussole (Zahl und Fläche ihrer induzierten Windungen) abhängig ist.

Demnach ermöglichen diepotentiometrischen Messungen der in einer selbst in einem magnetischen Felde umlaufenden Induktionsbussole entstehenden elektromotorischen Kräfte, die Richtung und Größe der Komponente dieses Feldes in der Kollektörebene der Bussole, d.h. in einer zur Drehachse der Bussole senkrechten Ebene, zu bestimmen.

Es sei jetzt die folgende Anordnung betrachtet (Fig. 2):

Ein magnetisiertes Pendel B liegt gerade über einer Induktionsbussole A. Das Pendel besteht aus einem Weicheisenstab 8, der von einer Spule 9 umgeben ist und mittels eines Kardans an einem in der Verlängerung der Drehachse der Bussole gelegenen festen Punkte Z frei aufgehängt ist. Schickt man no von über Tage her mit Hilfe von sehr elastischen, die dauernde Orientierung des Pendels in die Senkrechte nicht hindernden Zuführungsdrähten 10 Strom in die Spule 9, so erzeugt das Pendell? im Bereich der Bussole A ein magnetisches Feld, welches sich dem permanenten Erdfelde überlagert. Dieses Hilfsmagnetfeld wirkt, je nach der Stellung des Pendels zur Bussole, d.h. je nach dem Inklinationswinkel δ zwischen der Drehachse der Bussole und der Senkrechten, mehr oder weniger energisch auf die Bussole ein.

Man mißt nun mit einem Potentiometer die Steigerung V₁ der Potentialdifferenz, welche das Fließen, des Magnetisierungsstromes zwischen den Bürsten 4, 5 der Bussole hervorruft. Vor dem Fließen dieses Magnetisierungsstromes war die Bussole nur der Wirkung des Erdfeldes ausgesetzt, welches seinerseits unveränderlich bleibt. Der Wert V₁ entspricht also der Wirkung des Hilfsfeldes. Man mißt ferner die Steigerung V₂ der Potentialdifferenz zwischen den Bürsten 6 und 7. Man erhält auf diese Weise die beiden folgenden Beziehungen, welche mit den für das Erdfeld gültigen identisch sind:

tga' = ^ (3)

In diesen Gleichungen bedeutet JJ' die Projektion des durch das magnetisierte Pendel im Bereich der Bussole (Mitte des Rahmens) erzeugten magnetischen Vektors auf eine zur Drehachse der Bussole senkrechte Ebene, a ist der von der Bürstenlinie 4, 5 mit dieser Projektion gebildete Winkel. Diese Projektion ist dadurch nach Größe und Richtung bestimmt. K ist der gleiche Koeffizient wie in der vorhergehenden Formel (2).

In Fig. 3 der Zeichnung, deren Ebene als senkrecht zur Drehachse der Bussole vorausgesetzt ist, sind die beiden Vektoren H und JJ' dargestellt, deren Fluß die Induktions-EMK erzeugt. Die Figur enthält ferner die beiden zueinander rechtwinkligen Bürstenlinien 4, 5 und 6, 7.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die vier so mit der Induktionsbussole vorgenommenen potentiometrischen Messungen die Ermittlung der beiden folgenden Parameter ermöglichen:

i. den Winkel X (Fig. 3) zwischen den beiden Vektoren H und IT. Dieser Winkel ist durch folgende Beziehung gegeben:

-Tj τ/ j T- TZ 1

α)-

V₁-V₁'+ F₃-F₂''

(5)

2. den Wert Y des Verhältnisses dieser beiden Vektoren:

Y - ~ - l/
H γ '

(F₁')² +(F₂') ² (F₁)² + (F₂)²"

(6)

Diese beiden Parameter X und Y sind unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Bussole (Vorausgesetzt, daß die Geschwindigkeit während der Dauer der vier Messungen konstant bleibt) und unabhängig von der Richtung der beiden Bürstenlinien um die Achse der Bussole.

Bringt man beispielsweise die aus der Bussole A und dem magnetisierten Pendel bestehende Gesamtvorrichtung in eine gegebene Richtung im Räume, die einen bestimmten Inklinationswinkel δ zur Senkrechten und ein bestimmtes Azimut cp zur Nordrichtung besitzt, so haben die beiden Parameter X und Y je einen ganz bestimmten Wert. Dieser Wert ändert sich nicht, wenn man die Vorrichtung um ihre Achse OZ dreht oder wenn man sie parallel zu sich selbst verschiebt. Um eine Änderung dieser beiden Parameter zu vermeiden, ist lediglich erforderlich, daß der in die Spule 9 geschickte elektrische Magnetisierungsstrom einen konstanten, von vornherein festgelegten Wert behält, damit das magnetisierte Pendel stets sich selbst ähnlich bleibt. Mit der obigen Einschränkung sind also die beiden Parameter X und Y bei einer Vorrichtung bestimmter Bauart zwei ganz bestimmte Funktionen der beiden Faktoren ö und φ. Umgekehrt sind die beiden Faktoren δ und φ zwei ganz bestimmte Funktionen von X und Y (unter der Bedingung, daß die Inklination des magnetischen Erdfeldes im wesentlichen konstant bleibt, d. h. daß die Messungen in der gleichen Region oder, allgemeiner ausgedrückt, bei der gleichen geographischen Breite vorgenommen werden).

Die Messung von X und Y ergibt also die Werte für δ und φ, welche, wie oben dargelegt wurde, die zur Aufstellung des Abweichungsdiagrammes eines Bohrloches notwendigen beiden Elemente sind.

Praktisch besteht kein Interesse, die beiden δ und φ ergebenden Funktionen theoretisch auf Grund der Konstanten des Gerätes zu errechnen; man geht vielmehr experimentell vor, indem man die Vorrichtung über Tage in eine Reihe von aufeinanderfolgenden Richtungen bringt, die durch die Werte ^₁ Cp₁, δ» φ₂, <5₃ φ₃ usw. des Inklinationswinkels und -aEumits bestimmt sind. Dann mißt man für jede dieser Richtungen die entsprechenden Werte X₁, Y₁, X₂, Y₂, ^s, ^s ^usw- Man stellt diese Werte in Form einer Rechentafel zusammen, welche X_n und Y_n in Funktion von δ_η und φ_η ergibt. Umgekehrt kann man aus dieser Tafel die Werte ö_n und φ_η finden, welche den Werten X_n und Y_n entsprechen, die man mit der sodann in ein zur Senkrechten geneigtes Bohrloch abgesenkten Vorrichtung experimentell gemessen hat.

Wenn die Neigung des Bohrloches gering ist (in der Größenordnung von 5⁰ beispielsweise), so ist die zur Achse OZ der Bussole senkrechte Ebene ungefähr waagerecht. In diesem Falle ist der Vektor H (Fig. 3) angenähert zum magnetischen Norden gerichtet. Der Vektor H' liegt in der durch die Achse des Bohrloches gehenden senkrechten Ebene, so daß der Winkel X zwischen H und H' genau dem Inklinationsazimut gleich ist. Die

Länge des Vektors H' ist im Verhältnis gleich dem Inklinationswinkel <5. Diese sehr einfachen Annäherungen sind jedoch nicht mehr zulässig, wenn die Neigungen groß werden, so daß man dann die oben beschriebene vollständige Methode anwenden muß.

Selbstverständlich sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung mannigfacher Abänderungen fähig, ohne von dem ίο Erfindungsgedanken abzuweichen.

An Stelle der vier Bürsten4, 5, 6, 7 auf dem Kollektor der Bussole kann man auch nur drei verwenden, die beispielsweise an den Spitzen eines rechtwinkligen Dreiecks angeordnet sind. Die Ablesungen der Potentialdifferenzen erfolgen dabei nacheinander zwischen einer Bürste und der links benachbarten Bürste und sodann zwischen der gleichen Bürste und der rechts benachbarten ao Bürste.

Anstatt die Bussole um eine zum Meßgerät feste Achse zu drehen und den magnetisierten Stab senkrecht zu halten, kann man auch in umgekehrter Weise verfahren, nämlich den magnetisierten Stab gegenüber der Vorrichtung festhalten und die Drehachse der Bussole mittels einer geeigneten Aufhängung dauernd senkrecht halten.

Man kann auch die Drehgeschwindigkeit der Bussole während des Versuchs messen, beispielsweise auf akustischem Wege mittels eines Telephons, das an den Motorstrom angeschlossen ist und den durch das Vorbeiwandern der Kollektorlamellen dieses Motors gegebenen Ton zu Gehör bringt. Man könnte daraus den Koeffizienten K der Formel (4) ableiten und folglich den Wert des durch das Pendel erzeugten Vektors H'. Dieser Vektor H' ist nicht eine Funktion von φ, sondern lediglich eine Funktion von δ. Die Messung von H' würde also unmittelbar δ ergeben. Man könnte dann φ mittels der folgenden Formel errechnen:

cos δ · cos ψ — cotg X - sin φ = cotg η · sin δ. ₄g

In dieser Gleichung haben δ, φ und X die oben angegebenen Bedeutungen, während η der Winkel ist, den das magnetische Erdfeld mit der Senkrechten bildet.

Auch diese möglichen. Abänderungen der Er}· 5 findung sind natürlich nur beispielsweise gegeben, ohne daß damit die Erfindung beschränkt werden soll.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Übertagemessung der Abweichung von Bohrungen durch eine in das Innere des Bohrloches in einem dichten Gehäuse abgesenkte und um eine der Bohrung parallel gerichtete Achse gedrehte Induktionsbussole, dadurch gekennzeichnet, daß die Bussole sich fortlaufend dreht und daß sie unter der Einwirkung eines in dem gleichen Gehäuse angeordneten magnetisierten Pendels steht, derart, daß durch das magnetische Erdfeld und durch das magnetische Feld des stets senkrecht gehaltenen Pendels elektromotorische Kräfte entstehen, und daß aus den zwischen den Bürsten der Bussole erhaltenen Potentialdifferenzen der Wert und die Richtung der beiden magnetischen Felder ermittelt und daraus der Inklinationswinkel und das Azimut der Bohrung abgeleitet werden.
2. 2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Bussole stets senkrecht gehalten wird und der magnetisierte Stab stets der Bohrung parallel gerichtet bleibt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen