EP0486750A2 - Zielbohrstange - Google Patents

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Publication number
EP0486750A2
EP0486750A2 EP91106101A EP91106101A EP0486750A2 EP 0486750 A2 EP0486750 A2 EP 0486750A2 EP 91106101 A EP91106101 A EP 91106101A EP 91106101 A EP91106101 A EP 91106101A EP 0486750 A2 EP0486750 A2 EP 0486750A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
boring bar
target
measuring
inclination
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91106101A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0486750A3 (en
Inventor
Klaus-Dieter Schwidder
Udo Weber
Paul Braun
Heinz Wallussek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bergwerksverband GmbH
Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co
Original Assignee
Bergwerksverband GmbH
Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bergwerksverband GmbH, Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co filed Critical Bergwerksverband GmbH
Publication of EP0486750A2 publication Critical patent/EP0486750A2/de
Publication of EP0486750A3 publication Critical patent/EP0486750A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/062—Deflecting the direction of boreholes the tool shaft rotating inside a non-rotating guide travelling with the shaft
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/02—Determining slope or direction
    • E21B47/022—Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism

Definitions

  • the invention relates to a target boring bar according to the preamble of claim 1.
  • Such target boring bars are set up to control rotating bores and in particular bores according to the rotary method, generally vertically downwards, but also occasionally vertically upwards, so that they do not deviate from the predefined drilling direction, which generally corresponds to the vertical .
  • a target boring bar forms a drill pipe, which is usually installed as the last drill pipe in front of the drill bit in the drill string and, with the help of the hydraulic drives, transmits correction torques to the drilling tool, which cancel out the forces that deflect the drilling tool and thus the drilling from the drilling direction .
  • such a target boring bar can be realized with a pair of concentric tubes, of which the inner tube forms the drilling shaft, which is connected to the drilling tool and the drill pipe in a rotationally fixed manner, while the concentrically outer tube is rotatably mounted on the drilling shaft and has pivotable control strips that are supported on the borehole joints. These control strips are acted upon by the hydraulic drives, the reaction forces of which cause the correction moments on the drilling tool.
  • the invention relates in particular to the measuring and control systems required to control such target boring bars, which ensure that the boring follows the predetermined drilling direction.
  • at least two measuring and control systems which are effective in a plane offset from one another by a semicircle, are required to ensure sufficient accuracy in compliance with the predefined drilling direction, a pair of in each measuring plane in the exemplary embodiment of the target boring bar described above Control strips, the correction moments of which are opposite to each other, are arranged. In this way, all deviations on the drilling tool that occur within a full circle about the drilling axis can be corrected.
  • a prerequisite is a measuring and control system that detects the deviations from the controlled variable with sufficient temporal and absolute accuracy and converts them into corresponding manipulated variables on the hydraulic drives, which usually have plunger pistons that act on the control strips.
  • the structure of a target boring bar described above is basically known from DBP 30 00 239.
  • electrical inclinometers are used as inclinometers, which are offset by 90 ° to one another.
  • Such an inclinometer can consist, for example, of a spirit level filled with mercury, which moves in a curved tube, which is closed at both ends, and serves as a contactor which interacts with contacts which are alternately closed or opened by the mercury filling.
  • such and similar electrical sensors lead to Inaccuracies in the controlled system and thus to intolerable deviations from the specified drilling direction.
  • the manipulated variables cannot be displayed in real time with the measured variables and passed on to the hydraulic drives.
  • There are also incorrect controls which act on the drill string due to the mechanical loads on the measuring system during normal drilling operations and which can take on orders of magnitude which close the contacts even though there is no control deviation.
  • the invention has for its object to provide a target boring bar of the known general construction, which adheres to the predetermined drilling direction practically error-free even with large boreholes.
  • the measuring system and the controlled systems of each inclination controller are designed electronically, ie, in contrast to previously known electrical designs, the control variables are based on the interaction of electrons. Therefore the decisive control impulse can be from an acceleration mass generated and converted into the manipulated variables in real time.
  • the measurement signal which contains the vibrations of the drill pipe and is also falsified by the temperatures rising in large depths due to the geothermal depth, is filtered, so that the measurement signal created behind the filter only has the control deviation from the setpoint contains, ie the size of the angle that the axis of the drill pipe includes with the predetermined, ie generally perpendicular drilling direction.
  • This signal is given the correct sign to the window discriminator after it has been amplified accordingly.
  • electrical manipulated variables are formed in the power output stages designed as three-point controllers, the value of which is determined according to the control window and assumes either zero or a specific variable to the right or left.
  • the power output stages form electrical manipulated variables with which the control valves for acting on the plunger cylinders can be controlled.
  • the invention has the advantage that, due to the electronic design, even the smallest control deviations lead to the formation of control variables with which a correction of the drilling direction is brought about in real time.
  • This type of control especially of deep holes, ensures an absolutely straight course of the hole in the specified drilling direction, regardless of the disturbance variables acting on the rod and the drilling tool, which cannot be achieved if the manipulated variables are formed from the relevant measurement signals with a time delay .
  • the described filtering of the measured variables makes the in the invention Control signals independent of the disturbance variables, which act on the acceleration mass delivering the measurement signal.
  • Deep drilling i.e. Orders of magnitude that can no longer be mastered, which is the case at depths of approx. 4,000 m and more, depending on the nature of the mountains, can be achieved with the target boring bar according to the invention, because the measurement errors in the filter are also suppressed by the inevitable heating of the drilling fluid and the surrounding drilling equipment occur due to the geothermal depth.
  • Another advantage of the invention is that in particular the component which has the electronics can be miniaturized.
  • the parts of the measuring and control system have to be accommodated in the small wall thickness of the concentrically outer tube of the target boring bar, which has often led to failure due to external influences due to the lack of space in electrical design.
  • the power requirement is also lower, which leads to the downsizing of the generator, which is used to generate electricity and must also be installed in the target boring bar.
  • the measuring range is expedient of the measuring system adjusted to these control deviations.
  • claim 2 gives a practical dimensioning.
  • the measuring range is limited to only approx. 120 angular minutes with a resolution and repeatability of the measurement signals of approx. 1 angular minute, the absolute measuring accuracy being approx. 3 angular minutes.
  • control window can either be designed asymmetrically or symmetrically according to the angle minutes.
  • expedient orders of magnitude are given in claims 3 and 4.
  • Fig. 1 the mechanical structure of the target boring bar is shown.
  • the deepest of the borehole is the shaft end (1) of a concentrically inner tube (2), which has a receptacle (3) for a borehole bit, not shown, which is non-rotatably connected to the shaft end (1).
  • a concentrically outer tube (3) is rotatably mounted on the shaft (2).
  • the shaft (2) has a cylindrical channel (4) for supplying the downward flow of the drilling fluid to the receptacle (3) and thus to the drill bit.
  • the mechanical parts with which the correction of the drilling direction is effected are accommodated in the concentrically outer tube.
  • Each Control bar has at one end a connecting joint (6) which connects it to the concentrically outer tube (3) and is controlled by two pairs (7, 8) of plungers (9 or 10; 11 or 12), the cylinders of which are vertical to the longitudinal axis (12) of the target boring bar (14) in the outer tube (3).
  • correction moments can be applied to each side in the plane described.
  • Correction planes running perpendicular to the plane of the drawing are correspondingly effective, so that any disturbing variable deflecting the drilling tool can be compensated for by correction moments.
  • An electric motor is accommodated in a recess (15) of the concentrically outer tube (3), and its shaft is connected in a rotationally fixed manner to a pump which is accommodated in a subsequent recess (16) and which generates the hydraulic operating pressure for the plunger cylinders. Pump and motor are shown in the hydraulic circuit diagram of Fig. 3 at (17 and 18).
  • An electric motor (19) which is accommodated in a tender (20) of the target boring bar (14), is used for the power supply is.
  • the tender is formed by a further, concentrically outer tube (21) which is screwed to the tube (3), as shown at (22), and is thus connected to the latter in a rotationally fixed manner.
  • the other end (23) of the shaft (2) emerges from the end of the tender and has a receptacle (24) for non-rotatable screwing with the subsequent linkage (26).
  • the end of the tube (3) assigned to the tender (21) has guides (25) which limit the pivoting out of the control strips (5 or 6).
  • a board is accommodated, which is shown at (28) in Fig. 2.
  • the recess (27) also serves to accommodate the other electronic and electrical switching elements for the plunger (9-12).
  • An inclination sensor (29, 30) with its complete signal processing is accommodated in the measuring planes described above for each pair of plunger pistons. This creates a redundancy for each control bar, which ensures that an immediate removal of the target boring bar is not required in the event of a failure of a measuring and control system, which is associated with deep drilling with the pulling of the rod and therefore a lot of effort.
  • Each sensor essentially consists of an acceleration mass, which permanently detects the inclination of the measuring system (31, 32) housed in the relevant plane. This makes it possible to simultaneously capture all disturbance variables in each of the two measurement planes, which lead to a deviation from the specified device. Since there are two measuring systems in each measuring level, it is sufficient it to explain the duplicate electronics using the plunger (9, 10).
  • the signal permanently generated by the inclination sensor (29) is applied to a low-pass filter (33).
  • the filtered signal thus represents the controlled variable that is given to a signal amplifier (34).
  • the inclination measuring system has a resolution and repeat accuracy according to the illustrated embodiment of approximately 1 angular minute and an absolute measuring accuracy of approximately 3 angular minutes.
  • the amplified signal reaches a window discriminator (35), which evaluates the inclination signal with the correct sign and then controls the two power output stages (36, 37). This is done in the form of a three-point controller, with the correction window having approximately 3.5 angular minutes.
  • This control window can optionally be asymmetrical with approx. + 2.5 / approx. - 1 angular minute or symmetrical with approx. + 1.75 / approx. - 1.75 angular minutes.
  • the PWM-modulated output stages (36 and 37) control the loading of the plunger (9, 10) individually with a certain current / time profile via directional valves (38, 39), in that the directional valves control the plunger cylinders via the hydraulic operating circuit.
  • FIG. 3 differs from that of FIG. 2 in that only one solenoid valve (y1-y4) is then assigned to each plunger pair and the cylinders are connected in series.
  • the PWM modulated output stages (36 and 37) control the magnets of these 2/2-way valves, which are spring-loaded.
  • the cylinders of the plungers (9, 10 and 10, 11), which are housed in a recess in the outer tube (3), which are designated as chambers (1-4) in the circuit diagram in FIG. 3, are hydraulically connected to one another , whereby the plungers (9, 10 or 10, 11) extend or retract at the same time.
  • the directional valves (y1-y4) are acted upon via ring channels which are identified by (T) for tank and (P) for pump, but are not entered in FIG. 1.
  • the hydraulic pressure generator has a pressure booster (40).
  • This contains a spring-loaded piston (41), the underside (42) of which is subjected to the regulated operating pressure of the pump (18).
  • the opposite side of the piston (43) is supported on the spring (44), which in turn is acted upon by a membrane (45) which is exposed to the pressure of the rising washing liquid.
  • the arrangement therefore acts in such a way that the pressure of the rising flushing liquid increases the pressure in the hydraulic control line (46) with which the plunger cylinders are acted upon.

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Abstract

Bei einer Zielbohrstange mit wenigstens einem Paar von Neigungsreglern zur Steuerung hydraulischer Korrekturantriebe, bei der ein Meßsystem die Regelgröße als Neigungswinkel der Zielbohrstange in einer Eben gegen die vorgegebene Bohrachse in beiden Richtungen feststellt und die Steuerung die Meßwerte in Stellgrößen für die in der Ebene angeordneten, gegenläufig wirkenden Korrekturantriebe umwandelt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß in dem Meßsystem (31, 32) der Neigungssensor (29, 30) als Beschleunigungsmasse ausgebildet ist, die ein permanentes, elektronisches Meßsignal einem Filter (33) aufgibt, welches die Schwingungen der Zielbohrstange unterdrückt und die um die temperaturabhängige Offsetdrift des Neigungssensors (29, 30) korrigierte Regelgröße liefert, die über einen Signalverstärker (34) auf einen Fensterdiskriminator (35) gelangt, der die Regelgröße durch ein nach Winkelminuten der Neigung bemessenes Steuerfenster als Dreipunktregler an Leistungsendstufen (36, 37) abgibt, welche elektrische Stellgrößen an Magnetventile (38, 39) weitergeben. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Zielbohrstange gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Derartige Zielbohrstangen sind darauf eingerichtet, drehende Bohrungen und insbesondere Bohrungen nach dem Rotary-Verfahren in der Regel senkrecht nach unten, aber auch gelegentlich senkrecht nach oben so zu steuern, daß sie nicht aus der vorgegebenen Bohrrichtung, welche im allgemeinen mit der Senkrechten übereinstimmt, abweichen. Im allgemeinen bildet eine solche Zielbohrstange ein Bohrrohr, welches meistens als letztes Gestängerohr vor dem Bohrmeißel in den Gestängezug eingebaut wird und mit Hilfe der hydraulischen Antriebe Korrekturmomente auf das Bohrwerkzeug überträgt, welche die Kräfte aufheben, die das Bohrwerkzeug und damit die Bohrung aus der Bohrrichtung ablenken. Bei praktischer Ausführung kann eine solche Zielbohrstange mit einem Paar konzentrischer Rohre verwirklicht werden, von denen das innere Rohr die Bohrwelle bildet, die mit dem Bohrwerkzeug und dem Bohrgestänge drehfest verbunden ist, während das konzentrisch äußere Rohr drehbar auf der Bohrwelle gelagert ist und ausschwenkbare Steuerleisten aufweist, die sich auf den Bohrlochstößen abstützen. Diese Steuerleisten werden von den hydraulischen Antrieben beaufschlagt, deren Reaktionskräfte die Korrekturmomente an dem Bohrwerkzeug hervorrufen.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die zur Steuerung derartiger Zielbohrstangen erforderlichen Meß- und Regelsysteme, die dafür sorgen, daß die Bohrung der vorgegebenen Bohrrichtung folgt. Allgemein gesehen benötigt man zur Gewährleistung einer hinreichenden Genauigkeit bei der Einhaltung der vorgegebenen Bohrrichtung wenigstens zwei Meß- und Regelsysteme, welche in jeweils einer um einen Halbkreis gegeneinander versetzten Ebene wirksam sind, wobei in der vorstehend beschriebenen beispielsweisen Ausführungsform der Zielbohrstange in jeder Meßebene ein Paar von Steuerleisten, deren Korrekturmomente einander entgegengesetzt sind, angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich alle innerhalb eines Vollkreises um die Bohrachse auftretenden Abweichungen an dem Bohrwerkzeug korrigieren. Voraussetzung ist jedoch ein Meß- und Regelsystem, welches die Abweichungen von der Regelgröße mit hinreichender zeitlicher und absoluter Genauigkeit erfaßt und in entsprechende Stellgrößen an den hydraulischen Antrieben umsetzt, welche in der Regel Plungerkolben aufweisen, die auf die Steuerleisten wirken.
  • Der vorstehend beschriebene Aufbau einer Zielbohrstange ist aus dem DBP 30 00 239 grundsätzlich bekannt. In der Praxis werden elektrische Neigungsmesser als Neigungssensoren benutzt, die um 90° gegeneinander versetzt sind. Ein solcher Neigungsmesser kann beispielsweise aus einer Libelle mit Quecksilberfüllung bestehen, welche sich in einem gekrümmten, an beiden Enden verschlossenen Rohr bewegt und als Kontaktgeber dient, der mit Kontakten zusammenwirkt, die wechselweise durch die Quecksilberfüllung geschlossen oder geöffnet werden. Solche und ähnliche elektrische Sensoren führen jedoch zu Ungenauigkeiten in der Regelstrecke und damit zu nicht tolerierbaren Abweichungen aus der vorgegebenen Bohrrichtung. Tatsächlich lassen sich die Stellgrößen nicht in Echtzeit mit den Meßgrößen darstellen und an die hydraulischen Antriebe weitergeben. Es kommt auch zu Fehlsteuerungen, welche durch die mechanischen Belastungen des Meßsystems beim normalen Bohrbetrieb auf das Bohrgestänge wirken und Größenordnungen annehmen können, welche die Kontakte schließen, obwohl eine Regelabweichung nicht vorliegt.
  • Insbesondere ergeben sich bei der vorstehend beschriebenen Bauart erhebliche Regelabweichungen mit zunehmender Teufe der Bohrung. Das ist einerseits eine Folge der Verlängerung des Bohrgestänges, andererseits aber auch der Einwirkungen auf die Bohrlochspülung und auf die Bohreinrichtung des Gebirges.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zielbohrstange des als bekannt vorausgesetzten allgemeinen Aufbaus zu schaffen, welche auch bei großen Bohrlochteufen die vorgegebene Bohrrichtung praktisch fehlerlos einhält.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß der Erfindung sind das Meßsystem und die Regelstrecken jedes Neigungsreglers elektronisch ausgebildet, d.h. im Gegensatz zu vorbekannten elektrischen Ausführungen beruhen die Steuergrößen auf der Wechselwirkung von Elektronen. Daher kann der maßgebende Steuerimpuls von einer Beschleunigungsmasse erzeugt und in Echtzeit in die Stellgrößen umgewandelt werden. Um die hierbei entstehenden Störgrößen auszuschalten, wird das Meßsignal, welches die Schwingungen des Bohrgestänges enthält und im übrigen auch durch die in großen Teufen aufgrund der geothermischen Tiefenstufe ansteigenden Temperaturen verfälscht ist, gefiltert, wodurch das hinter dem Filter entstehende Meßsignal nur noch die Regelabweichung vom Sollwert enthält, d.h. die Größe des Winkels, den die Achse des Bohrgestänge mit der vorgegebenen, d.h. in der Regel senkrechten Bohrrichtung einschließt. Dieses Signal wird vorzeichenrichtig dem Fensterdiskriminator aufgegeben, nachdem es entsprechend verstärkt worden ist. Dadurch werden in den als Dreipunktregler ausgebildeten Leistungsendstufen elektrische Stellgrößen gebildet, deren Wert sich nach dem Steuerfenster bestimmt und entweder Null oder eine bestimmte Größe nach rechts oder links annimmt. Die Leistungsendstufen bilden elektrische Stellgrößen, mit denen die Regelventile zur Beaufschlagung der Plungerzylinder gesteuert werden können.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, daß aufgrund der elektronischen Ausbildung bereits geringste Regelabweichungen zur Bildung von Steuergrößen führen, mit denen eine Korrektur der Bohrrichtung in Echtzeit herbeigeführt wird. Diese Art der Steuerung, insbesondere von Tiefbohrungen sorgt unabhängig von den auf das Gestänge und das Bohrwerkzeug wirkenden Störgrößen für einen absolut geraden Verlauf der Bohrung in der vorgegebenen Bohrrichtung, was nicht zu erreichen ist, wenn man die Stellgrößen mit zeitlicher Verzögerung aus den betreffenden Meßsignalen bildet. Die beschriebene Filterung der Meßgrößen macht in der Erfindung die Steuersignale von den Störgrößen unabhägig, welche auf die das Meßsignal liefernde Beschleunigungsmasse einwirken. Das bedeutet, daß z.B. die unvermeidlichen Schwingungen des Bohrgestänges, die durch den Bohrvorgang entstehen und bei ihrer Einwirkung auf die Bildung des Steuersignals zum Flattern der Regelstrecke um den Sollwert führen, nicht wirksam werden können, so daß die Regelung unabhängig von den Schwierigkeiten des Bohrens ausschließlich auf Richtungsabweichungen reagiert.
  • Tiefbohrungen, d.h. Größenordnungen, wie sie bislang nicht mehr beherrscht werden können, was bei Teufen von ca. 4.000 m und mehr je nach Beschaffenheit des Gebirges der Fall ist, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Zielbohrstange führen, weil auch die Meßfehler im Filter unterdrückt werden, die durch die unvermeidliche Aufheizung der Bohrlochspülung und der von dieser umgebenden Bohreinrichtung infolge der geothermischen Tiefenstufe auftreten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß insbesondere das Bauelement, welches die Elektronik aufweist, miniaturisierbar ist. In der Praxis müssen nämlich die Teile des Meß- und Regelsystems in der geringen Wandstärke des konzentrisch äußeren Rohres der Zielbohrstange untergebracht werden, was bei elektrischer Ausführung bisher häufig zum Versagen aufgrund von äußeren Einflüssen wegen des zu geringen Raumangebotes führt. Bei der Erfindung ist auch der Leistungsbedarf geringer, was zur Verkleinerung des Generators führt, der zur Stromerzeugung dient und ebenfalls in die Zielbohrstange eingebaut werden muß.
  • Da die Erfindung bereits geringe Regelabweichungen aufnimmt und ausgleicht, wird zweckmäßig der Meßbereich des Meßsystems auf diese Regelabweichungen eingestellt. Dazu gibt der Anspruch 2 eine für die Praxis zweckmäßige Bemessung wieder. Hierbei beschränkt sich der Meßbereich auf nur ca. 120 Winkelminuten bei einer Auflösung und Wiederholgenauigkeit der Meßsignale von ca. 1 Winkelminute, wobei die absolute Meßgenauigkeit ca. 3 Winkelminuten ausmacht.
  • Das Steuerfenster kann wahlweise asymmetrisch oder symmetrisch ebenfalls nach Winkelminuten ausgelegt werden. Die hierfür zweckmäßigen Größenordnungen sind in den Ansprüchen 3 und 4 wiedergegeben.
  • Von besonderer Bedeutung für die genaue Regelung der Bohrrichtung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zeilbohrstange ist die Berücksichtigung eines mit der Teufe anwachsenden hydrostatischen Druckes der Bohrlochspülung. Dies führt nämlich dazu, daß die hydraulischen Antriebe die Korrekturmomente mit immer größerer zeitlicher Verzögerung an die Zielbohrstange weitergeben. Dieses Problem wird grundsätzlich mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Danach ist der Betriebsdruck der hydraulischen Antriebe variabel, d.h. er wächst mit wachsender Teufe an, die über den hydrostatischen Druck der Bohrlochspülung auf den Betriebsdruck der Antriebe einwirkt.
  • Im Anspruch 6 ist eine praktische Ausführung des hydraulischen Betriebskreises gekennzeichnet, welche nach diesem Grundgedanken arbeitet.
  • Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen
    • Fig. 1
    im Längsschnitt unter Weglassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Einzelheiten eine Zielbohrstange gemäß der Erfindung im Längsschnitt,
    Fig. 2
    die Darstellung der Meß- und Regelsysteme, welche in der Zielbohrstange nach Fig. 1 untergebracht sind und
    Fig. 3
    die teufenabhängige, hydraulische Steuerung der Steuerleistenantriebe.
  • In der Fig. 1 ist der mechanische Aufbau der Zielbohrstange wiedergegeben. Dem Bohrlochtiefsten ist das Wellenende (1) eines konzentrisch inneren Rohres (2) gezeichnet, welches eine Aufnahme (3) für einen nicht dargestellten Bohrlochmeißel aufweist, der drehfest mit dem Wellenende (1) verbunden ist. Ein konzentrisch äußeres Rohr (3) ist drehbar auf der Welle (2) gelagert. Die Welle (2) weist einen zylindrischen Kanal (4) zur Zuführung des im Kanal nach unten gerichteten Stromes der Bohrflüssigkeit zu der Aufnahme (3) und damit zu dem Bohrmeißel auf. In dem konzentrisch äußeren Rohr sind die mechanischen Teile untergebracht, mit denen die Korrektur der Bohrrichtung bewirkt wird.
  • Dazu gehören insgesamt vier Steuerleisten, die paarweise in je einer Ebene untergebracht sind, welche gegen die benachbarte Ebene um 90° versetzt ist. Deshalb sind in der Darstellung der Fig. 1 nur die Steuerleisten (5 und 6) erkennbar, die in einer dieser Ebenen angeordnet sind. Das andere Steuerleistenpaar steht senkrecht zur Zeichenebene. Jede Steuerleiste hat an einem Ende ein Anschlußgelenk (6), das sie mit dem konzentrisch äußeren Rohr (3) verbindet und wird mit zwei Paaren (7, 8) von Plungerkolben (9 bzw. 10; 11 bzw. 12) gesteuert, deren Zylinder senkrecht zur Längsachse (12) der Zielbohrstange (14) im äußeren Rohr (3) ausgespart sind. Sobald die Plungerkolben (9, 10 bzw. 11, 12) aus ihren Zylindern ausfahren, verschwenken sie die Steuerleiste (5) im Gelenk (6) nach außen, die sich auf dem nicht dargestellten Bohrlochstoß abstützt. Das Reaktionsmoment der Plungerkolben wirkt auf die Zielbohrstange (14) und damit auf das Bohrwerkzeug, das dadurch eine Richtungsänderung erfährt.
  • Die beschriebene Anordnung ist auch bei der Steuerleiste (6) vorgesehen. Da deren Plungerkolben unabhängig von dem Plungerkolben der Steuerleiste (5) beaufschlagt werden, können die Korrekturmomente in der beschriebenen Ebene nach jeder Seite aufgebracht werden. Im Zusammenwirken mit den Steuerleisten in der anderen, d.h. senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Korrekturebene sind entsprechend wirksam, so daß jede das Bohrwerkzeug ablenkende Störgröße durch Korrekturmomente ausgeglichen werden kann.
  • In einer Aussparung (15) des konzentrisch äußeren Rohres (3) ist ein Elektromotor untergebracht, der mit seiner Welle drehfest mit einer in einer anschließenden Aussparung (16) untergebrachten Pumpe verbunden ist, welche den hydraulischen Betriebsdruck für die Plungerzylinder erzeugt. Pumpe und Motor sind in dem hydraulischen Schaltbild nach Fig. 3 bei (17 bzw. 18) wiedergegeben. Zur Stromversorgung dient ein Elektromotor (19), welcher in einem Tender (20) der Zielbohrstange (14) untergebracht ist. Der Tender wird von einem weiteren, konzentrisch äußeren Rohr (21) gebildet, das mit dem Rohr (3), wie bei (22) dargestellt, verschraubt und dadurch drehfest mit diesem verbunden ist. Das andere Ende (23) der Welle (2) tritt aus dem Ende des Tenders aus und weist eine Aufnahme (24) zur drehfesten Verschraubung mit dem anschließenden Gestängezug (26) auf. Das dem Tender (21) zugeordnete Ende des Rohres (3) weist Führungen (25) auf, welche das Ausschwenken der Steuerleisten (5 bzw. 6) begrenzen.
  • In einer weiteren Aussparung (27) des konzentrisch äußeren Rohres (3) ist eine Platine untergebracht, die bei (28) in Fig. 2 wiedergegeben ist. Die Aussparung (27) dient auch dazu, die übrigen elektronischen und elektrischen Schaltelemente für die Plungerkolben (9-12) aufzunehmen.
  • In den vorstehend beschriebenen Meßebenen ist für jedes Plungerkolbenpaar ein Neigungssensor (29, 30) mit seiner vollständigen Signalverarbeitung untergebracht. Hierdurch entsteht für jede Steuerleiste eine Redundanz, die dafür sorgt, daß bei Ausfall eines Meß- und Regelsystems ein sofortiger Ausbau der Zielbohrstange nicht erforderlich ist, was bei Tiefstbohrungen mit dem Ziehen des Gestänges und deswegen einem hohem Aufwand verbunden ist. Jeder Sensor besteht im wesentlichen aus einer Beschleunigungsmasse, welche permanent die Neigung des in der betreffenden Ebene untergebrachten Meßsystems (31, 32) erfaßt. Dadurch ist es möglich, in jeder der beiden Meßebenen gleichzeitig alle Störgrößen zu erfassen, welche zu einer Abweichung von der vorgegebenen Vorrichtung führen. Da es sich in jeder Meßebenen um zwei Meßsysteme handelt, so genügt es, die doppelt vorhandene Elektronik anhand der Plungerkolben (9, 10) zu erläutern.
  • Das permanent von dem Neigungssensor (29) erzeugte Signal wird einem Tiefpassfilter (33) aufgegeben. Dieser filtert das durch die Vibration des Bohrgestänges stark gestörte Neigungssignal des Sensors (29) aus und kompensiert gleichzeitig die temperaturabhängige Offsetdrift des Neigungssensors. Das gefilterte Signal gibt damit die Regelgröße wieder, die einem Signalverstärker (34) aufgegeben wird. Dieser verstärkt das gefilterte Neigungssignal mit dem gemäß dem Ausführungsbeispiel auf ca. 120 Winkelminuten festgelegten Meßbereich. Das Neigungsmeßsystem hat eine Auflösung und Wiederholgenauigkeit gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel von ca 1 Winkelminute und eine absolute Meßgenauigkeit von ca. 3 Winkelminuten.
  • Das verstärkte Signal gelangt auf einen Fensterdiskriminator (35), der das Neigungssignal vorzeichenrichtig bewertet und danach die beiden Leistungsendstufen (36, 37) steuert. Das geschieht in Form eines Dreipunktreglers, wobei das Korrekturfenster ca. 3,5 Winkelminuten aufweist. Dieses Steuerfenster kann wahlweise asymmetrisch mit ca. + 2,5/ca. - 1 Winkelminuten oder symmetrisch mit ca. + 1,75/ca. - 1,75 Winkelminuten ausgelegt werden.
  • Die PWM modulierten Endstufen (36 und 37) steuern über Wegeventile (38, 39) die Beaufschlagung der Plungerkolben (9, 10) einzeln mit einem bestimmten Strom/Zeitprofil, indem die Wegeventile die Plungerzylinder werden über den hydraulischen Betriebskreis ansteuern.
  • Die Darstellung der Fig. 3 weicht von der nach Fig. 2 insofern ab, als danach jedem Plungerkolbenpaar nur ein Magnetventil (y1-y4) zugeordnet und die Zylinder hintereinander geschaltet sind. Die PWM modulierten Endstufen (36 und 37) steuern die Magnete dieser 2/2-Wegeventile an, welche federnd vorgespannt sind. Dabei sind die Zylinder der Plungerkolben (9, 10 bzw. 10, 11), die in einer Aussparung des äußeren Rohres (3) untergebracht sind, welche als Kammern (1-4) im Schaltplan der Fig. 3 bezeichnet sind, hydraulisch miteinander verbunden, wodurch die Plungerkolben (9, 10 bzw. 10, 11) gleichzeitig aus- bzw. einfahren. Die Beaufschlagung der Wegeventile (y1-y4) erfolgt über Ringkanäle, die mit (T) für Tank und (P) für Pumpe gekennzeichnet, jedoch in die Fig. 1 nicht eingetragen sind.
  • Der hydraulische Druckerzeuger weist einen Druckverstärker (40) auf. Dieser enthält einen federbelasteten Kolben (41), dessen Unterseite (42) mit dem geregelten Betriebsdruck der Pumpe (18) beaufschlagt ist. Die gegenüberliegende Kolbenseite (43) stützt sich auf der Feder (44) ab, die ihrerseits mit einer Membran (45) beaufschlagt ist, die dem Druck der aufsteigenden Spülflüssigkeit ausgesetzt ist. Die Anordnung wirkt deshalb so, daß der Druck der aufsteigenden Spülflüssigkeit den Druck in der hydraulischen Steuerleitung (46) verstärkt, mit der die Plungerzylinder beaufschlagt werden. Das bedeutet, daß mit anwachsender Teufe und dementsprechend anwachsenden hydrostatischen Druck der Bohrlochspülung auch der hydraulische Druck in den Plungerzylindern steigt. Dadurch wird unabhängig von der Teufe eine vorgegebene Kolbengeschwindigkeit eingehalten und das Korrekturmoment nach der Teufe verstärkt.

Claims (7)

  1. Zielbohrstange mit wenigstens einem Paar von Neigungsreglern zur Steuerung hydraulischer Korrekturantriebe, bei der ein Meßsystem die Regelgröße als Neigungswinkel der Zielbohrstange in einer Ebene gegen die vorgegebene Bohrachse in beiden Richtungen feststellt und die Steuerung die Meßwerte in Stellgrößen für die in der Ebene angeordneten, gegenläufig wirkenden Korrekturantriebe umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßsystem (31, 32) der Neigungssensor (29, 30) als Beschleunigungsmasse ausgebildet ist, die ein permanentes, elektronisches Meßsignal einem Filter (33) aufgibt, welches die Schwingungen der Zielbohrstange unterdrückt und die um die temperaturabhängige Offsetdrift des Neigungssensors (29, 30) korrigierte Regelgröße liefert, die über einen Signalverstärker (34) auf einen Fensterdiskriminator (35) gelangt, der die Regelgröße durch ein nach Winkelminuten der Neigung bemessenes Steuerfenster als Dreipunktregler an Leistungsendstufen (36, 37) abgibt, welche elektrische Stellgrößen an Magnetventile (38, 39) weitergeben.
  2. Zielbohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich des Meßsystems (31, 32) auf ca. 120 Winkelminuten und die Auflösung und jeder Hohlgenauigkeit der Meßsignale auf ca. 1 Winkelminute bei einer absoluten Meßgenauigkeit von ca. 3 Winkelminuten festgelegt sind, wobei das Steuerfenster ca. 3,5 Winkelminuten umfaßt.
  3. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfenster symmetrisch mit ca. + 2,5/ca. -1 Winkelminuten ausgelegt ist.
  4. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfenster symmetrisch mit ca. + 1,75/ca. - 1,75 Winkelminuten ausgelegt ist.
  5. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Betriebsdruck der Antriebe (9-11) linear nach dem hydrostatischen Druck der Bohrspülung im Bereich der hydraulischen Antriebe (9-11) anwächst.
  6. Zielbohrstange nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolbendruckspeicher (40) in den hydraulischen Betriebskreis eingebaut ist, dessen Kolben (41) auf einer Seite (42) von dem hydraulischen Druckerzeuger (17, 18) und auf der gegenüberliegenden Seite mit der Spülflüssigkeit belastet ist.
  7. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Meßebene vierfach unter sich gleiche Meßsysteme (31, 32) angeordnet und hydraulische Antriebspaare (9, 10, 11, 12) zugeordnet sind.
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