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Method for controlling a drilling tool

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Publication number
EP0744526A1
EP0744526A1 EP19950107954 EP95107954A EP0744526A1 EP 0744526 A1 EP0744526 A1 EP 0744526A1 EP 19950107954 EP19950107954 EP 19950107954 EP 95107954 A EP95107954 A EP 95107954A EP 0744526 A1 EP0744526 A1 EP 0744526A1
Authority
EP
Grant status
Application
Patent type
Prior art keywords
tool
control
loop
drilling
computer
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.)
Granted
Application number
EP19950107954
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0744526B1 (en )
Inventor
Joachim Dr.-Ing. Oppelt
Gerald Dr.-Ing. Heisig
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ENI SpA
Baker Hughes Inc
Original Assignee
Agip SpA
Baker Hughes Inc
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/005Below-ground automatic control systems
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
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    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00Survey of boreholes or wells
    • E21B47/02Determining slope or direction
    • E21B47/022Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04Directional drilling
    • E21B7/06Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/062Deflecting the direction of boreholes the tool shaft rotating inside a non-rotating guide travelling with the shaft

Abstract

Drilling tool steering is achieved by a group of actuators distributed over its circumference. Whilst drilling subterranean formations, sensors on the tool determine bore direction and actuator settings, in conjunction with an integral programmable computer. This compares actual and desired values to develop a control output to the actuators. The tool internal control loop, exchanges data with an external loop in a programmable surface computer, which processes data from below and transmits control data back to the tool. In the new arrangement, the surface computer compares actual directional and depth values with stored, desired values. Hence it generates and transmits a steering vector to the tool control loop, which defines the actuator steering forces applied to the borehole wall.

Description

  • [0001] [0001]
    Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Bohrwerkzeugs, das zumindest durch eine Gruppe von dem Werkzeug zugeordneten, über den Werkzeugumfang verteilt angeordneten steuerbaren Stellgliedern richtbar ist, während des Bohrbetriebs in unterirdischen Formationen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a method for controlling a drilling tool, the at least associated with a group of the tool, distributed over the tool circumferentially spaced controllable actuators can be directed, during drilling operations in underground formations according to the preamble of claim 1.
  • [0002] [0002]
    Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-A-5 341 886) werden dem werkzeuginternen Regelkreis die Sollwerte für den Kurs des Bohrwerkzeugs zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt vorgegeben, die von dem werkzeuginternen Regelkreis mit Kurs-Istwerten verglichen werden, die durch werkzeuginterne Meßwertaufnehmer für die Richtung des Bohrwerkzeugs und dessen Teufe ermittelt werden. In a known method of this kind (US-A-5341886) are the tool internal control circuit set the desired values ​​for the course of the drilling tool between a starting point and a destination point, which are compared by the tool internal control loop with course actual values, by tool internal transducer are determined for the direction of the drilling tool and its depth. Bei Abweichungen vom Sollkurs errechnet der werkzeuginterne Regelkreis Korrekturdaten für die Bohrrichtung, die geeignet sind, das Bohrwerkzeug auf seinen Sollkurs zurückzuführen. If there are deviations from the nominal price of the tool internal loop correction data for the drilling direction, which are suitable to return the drill to its target price is calculated. Der werkzeuginterne Regelkreis steht in Datenaustausch mit einem externen Regelkreis, der die von untertage empfangenen Daten auswertet und es ermöglicht, dem werkzeuginternen Regelkreis Betriebsinstruktionen oder neue Daten, beispielsweise für einen geänderten Kurs oder die obertägig gemessene Werkzeugteufe, vorzugeben. The tool internal control loop is in data exchange with an external control circuit, which evaluates from underground received data and makes it possible to specify the tool internal control circuit operating instructions or new data, for example, a modified rate or above ground measured Werkzeugteufe. Bis zum Empfang neuer Betriebsinstruktionen oder Kursdaten und im Anschluß daran bestimmt der werkseuginterne Regelkreis den Kursverlauf für das Bohrwerkzeug bis zum Erreichen des vorgegebenen Ziels. Until the reception of new operating instructions, or data rate, and thereafter the werkseuginterne control circuit determines the price development of the drilling tool to reach the predetermined target.
  • [0003] [0003]
    Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, das eine präzise obertägige Werkzeugführung ermöglicht. The invention is concerned to provide a method of the stated type which allows a precise aboveground tool guide with the problem. Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 4 verwiesen. The invention solves the problem by a method having the features of claim 1. With regard to essential further embodiments, reference is made to the claims 2 to. 4
  • [0004] [0004]
    Das erfindungsgemäße Verfahren weist dem externen Regelkreis die Hauptsteuerfunktion zu, die dieser nach Auswertung der untertägig empfangenen Daten automatisch ausüben kann. The inventive method comprises the external control circuit to the main control function, the latter can automatically exercise after evaluation of the intraday data received. Statt dessen oder zusätzlich besteht die Möglichkeit der individuellen Einflußnahme auf den Werkzeugkurs durch eine das Geschehen untertage verfolgende Bedienungsperson, die ebenso wie bei automatischer Kursvorgabe die Werkzeugsteuerung allein durch Vorgabe eines einzigen Steuervektors vornehmen kann. Instead or in addition, there is the possibility of individual influencing the tool course by the events tracked underground operator, who can, like the case of automatic course setting make the tool controller only by specifying a single control vector. Dies ermöglicht überaus behutsame, schnell korrigierbare Kursbestimmungen, die das Erbohren eines Bohrlochs mit einem glatten, von Knicken und Zacken weitgehend freien Kurvenverlauf ermöglicht. This allows extremely cautious, quickly correctable determining courses, with a smooth, kinks and spikes largely free curve allows Erbohren a borehole. Dies ist insbesondere bei Bohrungen mit weitreichendem Horizontalverlauf von Bedeutung, deren Reichweite entscheidend durch die Bohrstrangreibung im Bohrloch beeinflußt wird, denn diese ist umso größer, je unsteter der Verlauf des Bohrloches ist. This is particularly holes with extensive horizontal course of importance, whose range is decisively influenced by the Bohrstrangreibung in the borehole, because this is the greater, the unsteady is the course of the borehole. Das erfindungsgemäße Verfahren begünstigt daher das Anlegen von Horizontalbohrungen vergrößerter Reichweite. Therefore, the method according to the invention favors the creation of horizontal drilling extended reach.
  • [0005] [0005]
    Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens anhand einer in der Zeichnung näher veranschaulichten Bohranlage. Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of the method with reference to an illustrative detail in the drawing drilling rig. In der Zeichnung zeigen: In the drawing:
    Fig. 1 Fig. 1
    eine schematische Darstellung der Bohranlage und eines beispielhaften Anfangsverlaufs von Bohrloch und Bohrstrang mit Bohrwerkzeug, a schematic representation of the drilling rig and an exemplary initial course of the borehole and the drill string with the drilling tool,
    Fig. 2 Fig. 2
    eine schematisierte Darstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung benötigter Parameter für den Steuervorgang, is a schematic illustration similar to FIG. 1 illustrating required parameters for the control process,
    Fig. 3 Fig. 3
    eine schematisierte Darstellung des Bohrwerkzeugs zur Veranschaulichung weiterer Parameter für den Steuervorgang, is a schematic representation of the drilling tool illustrating a further parameter for the control process,
    Fig. 4 Fig. 4
    eine vereinfachte Darstellung eines für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Bohrwerkzeugs, is a simplified illustration of a suitable for carrying out the method according to the invention the drilling tool,
    Fig. 5 Fig. 5
    einen schematischen Schnitt nach der Linie VV durch das Bohrwerkzeug nach Fig. 4, und a schematic section according to the line VV through the drilling tool of FIG. 4, and
    Fig. 6 Fig. 6
    eine Schemadarstellung des internen und des externen Regelkreises zur Veranschaulichung der beim Steuerungsvorgang ablaufenden Vorgänge. a schematic diagram of the internal and external control circuit for illustrating the control operation during running operations.
  • [0006] [0006]
    Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine Bohranlage 1 zum Abteufen von Bohrlöchern 2 in unterirdische Gesteinsformationen mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs 3 am vorderen Ende eines Bohrstranges 4, dessen fortschreitender Aufbau und Antrieb allgemein bekannt ist und keiner näheren Erläuterung bedarf. Fig. 1 illustrates schematically a drilling rig 1 for drilling of boreholes in underground rock formations 2 by means of a drilling tool 3 at the front end of a drill string 4, the progressive structure and drive is generally known and requires no further explanation. Anstelle eines sich drehenden, das Bohrwerkzeug 3 antreibenden Bohrstrangs 4 kann auch ein nicht rotierender Bohrstrang mit einem Bohrwerkzeug Anwendung finden, dessen Bohrmeißel von einem Untertagemotor angetrieben wird. rotating, instead of, the drilling tool 3 driving the drill string 4 may also find a non-rotating drill string having a drill bit application, the drill bit is driven by a downhole motor. Das obertägige Operationszentrum ist bei dem dargestellten Beispiel unmittelbar der Bohranlage 1 benachbart dargegestellt und mit 5 bezeichnet, kann jedoch auch in beliebiger Entfernung zur Bohranlage 1 eingerichtet sein, sofern für eine geeignete Übermittlung von Bohrbetriebsdaten Sorge getragen ist, die bei dem dargestellten Beispiel durch eine elektrische Leitungsverbindung 6 erfolgt. The above-ground operations center is dargegestellt immediately adjacent the drilling rig 1 in the illustrated example and indicated by 5, but may be arranged in any desired distance from the drilling rig 1, provided that care is taken for an appropriate transmission of drilling operations, which in the illustrated example by an electrical occurs line connection. 6
  • [0007] [0007]
    Das Werkzeug 3 umfaßt ein mit dem Bohrstrang 4 bei 7 verschraubtes Gehäuse 8, das bei 9 mit einem eingezogenen Fortsatz 10 verschraubt ist, der an seinem unteren Ende über eine Verschraubung 11 mit einem Bohrmeißel 12 verbunden ist. The tool 3 comprises a connected at its lower end by a screw 11 with a drill bit 12 with the drill string 4 at 7 screwed case 8, which is screwed at 9 to a retracted extension 10th Das Gehäuse 8 und sein Fortsatz 9 weisen einen zentralen Strömungskanal 13 für die Durchführung eines Spülungsmittels auf, das den Bohrstrang 4 abwärts durchströmt, aus dem Bohrmeißel 12 in das Bohrloch 2 austritt und im Ringraum zwischen der Wandung des Bohrloches 2 und dem Werkzeug 3 bzw. dem Bohrstrang 4 zur Bohranlage 1 zurückströmt, wo es in einen nicht dargestellten Spülungstank gelangt, aus dem es mittels einer Spülungspumpe in den Bohrstrang 4 gefördert wird. The housing 8 and its extension 9 have a central flow channel 13 for conducting a flushing agent flows through the drill string 4 downward, exiting the drill bit 12 into the borehole 2 and the annular space between the wall of the borehole 2 and the tool 3 or the drill string 4 to the drilling rig 1 flows back to where it enters a non-illustrated purge tank from which it is conveyed into the drill string 4 by means of a flushing pump.
  • [0008] [0008]
    Im Gehäuse 8 des Bohrwerkzeugs 3, das feststehende Rippen 14 eines oberen Stabilisators 15 trägt, befindet sich beispielsweise ein Generator 16 für die Stromversorgung der werkzeugseitigen elektrischen Verbraucher, der von einer nur schematisch angedeuteten, vom Spülungsmittelstrom beaufschlagten Turbine 17 angetrieben sein kann. In the housing 8 of the drilling tool 3, carries the fixed ribs 14 of an upper stabilizer 15, for example, there is a generator 16 for the power supply to the tool-side electrical loads which may be driven by an only schematically indicated, is acted upon by flushing medium flow turbine 17th Generator 16 und Turbine 17 können Bestandteil eines untertägigen Informationsempfängers bilden, dessen Empfangs- und Weiterverarbeitungsteil bei 18 schematisch angedeutet ist. Generator 16 and turbine 17 can form part of an underground information receiver, whose reception and subsequent processing part is indicated schematically at 18th Ferner ist im Gehäuse 8 ein bei 19 angedeuteter Informationsgeber, beispielsweise ein auf die Spülungsmittelströmung einwirkender Pulsgeber, vorgesehen, mit dessen Hilfe untertägig vorliegende, werkzeuginterne Daten an einen nur schematisch bei 20 veranschaulichten obertägigen Informationsempfänger übermittelt werden können. in the housing 8. Further, a, indicated at 19 information transmitter, for example a pressure acting on the flushing fluid flow pulse generator, is provided, by means of which intraday present, tool-internal data can be transmitted to an only schematically at 20 illustrated aboveground information receiver. Der obertägige Informationsgeber für obertägig vorliegende und an das Steuersystem des Bohrwerkzeugs 3 zu übermittelnde Daten ist ebenfalls nur schematisch in Fig. 1 angedeutet und mit 21 bezeichnet. The above-ground information transmitter for above ground and present to the control system of the drilling tool 3 to be transmitted data is also only schematically in Fig. 1 and indicated designated 21.
  • [0009] [0009]
    Auf dem eingezogenen Bereich 22 des Fortsatzes 10 ist über Lager 23 ein hülsenförmiges Gehäuseteil 25 drehbar abgestützt, das im Betrieb eine nicht rotierende Stellung im Bohrloch 2 einnimmt, während Bohrstrang 4, Gehäuse 8, Fortsatz 10 und Bohrmeißel 12 um ihre Mittelachse infolge des obertägigen Antriebs des Bohrstranges 4 rotieren. In the retracted portion 22 of the extension 10, a sleeve-shaped housing part 25, is rotatably supported via bearing 23, which occupies a non-rotating position in the borehole 2 in operation while the drill string 4, housing 8, extension 10 and drill bit 12 about its central axis due to the above-ground drive rotating the drill string. 4
  • [0010] [0010]
    Das Gehäuseteil 25 ist mit drei Stellgliedern in Form von Rippen 26,27,28 versehen, die eine stabilisatorrippenähnliche Gestalt aufweisen und jeweils um eine Achse 29 klappbar am Gehäuseteil 25 abgestützt sind. The housing part 25 is provided with three actuators in the form of ribs 26,27,28, which have a stabilizer rib-like shape and are each supported about a shaft 29 hinged to the housing part 25th Die Rippen 26,27,28 können einzeln und voneinander unabhängig mittels jeweils eines Druckmittelantriebs 30,31,32 aus der in Fig. 4 dargestellten eingeklappten Ausgangsstellung in eine mehr oder weniger weit ausgeklappte Betriebsstellung überführt werden, in der sie an der Wandung des Bohrlochs 2 anliegen und auf diese eine individuell vorgebbare Druckkraft ausüben. The ribs 26,27,28 can be individually and independently transferred from one another in each case by means of a pressure medium drive 30,31,32 from the position shown in Fig. 4 retracted initial position into a more or less folded-out operating position in which it on the wall of the borehole 2 rest and in this exercise individually definable compressive force.
  • [0011] [0011]
    Zur Betätigung der Druckmittelantriebe 30,31,32 ist im Gehäuseteil 25 eine Hydraulikpumpe 33 vorgesehen, die über Hydraulikleitungen 34 die Druckmittelantriebe 30,31,32 mit Druckmittel beaufschlagt. For actuating the pressure medium drives 30,31,32 a hydraulic pump 33 is provided in the housing part 25 which acts via hydraulic lines 34 the pressure medium drives 30,31,32 with pressure medium. Die Hydraulikpumpe 33 kann mittels eines Elektromotors angetrieben werden, der vom Generator 16 bzw. aus einer von diesem versorgten Batterie gespeist wird. The hydraulic pump 33 may be driven by an electric motor which is fed from the generator 16 or from a supplied from this battery. Anstelle von drei Stellgliedern, die zu einer genauen Ausrichtung des Bohrwerkzeugs 3 genügen, können auch mehr als drei, zB vier oder fünf, Stellglieder vorgesehen sein. Instead of three actuators, which meet at an accurate alignment of the drilling tool 3, also more than three, for example, be four or five actuators provided.
  • [0012] [0012]
    Im Gehäuseteil 25 ist bei dem dargestellten Beispiel ein elektronisches Steuersystem untergebracht, das bei 35 angedeutet ist und Sensoren 36 für die Aufnahme von benötigten Meßwerten und eine Auswerte- und Recheneinheit 37 umfaßt, die Bestandteil eines werkzeuginternen Regelkreises bildet. In the housing part 25 of an electronic control system is accommodated in the illustrated example, which is indicated at 35 and sensors 36 needed for the reception of measured values ​​and an evaluation and computing unit 37 comprises, forming the part of a tool internal control loop.
  • [0013] [0013]
    Zu den Meßwerten, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Werkzeugsteuerung benötigt, gehört die aktuelle Bohrrichtung 45, die durch den Winkel 43 der Werkzeug der Werkzeugaches 58 zu einer Referenzrichtung, beispielsweise die Magnetisch-Nord-Richtung 40 (Fig. 2) (Azimuth) und den Winkel 44 der Werkzeugachse 58 zu einer weiteren Referenzrichtung, vorzugsweise die Richtung der Erdbeschleunigung 41, definiert werden kann. To the measured values, the required process according to the invention for the tool controller, includes the current drilling direction 45 by the angle 43 of the tool of the Werkzeugaches 58 to a reference direction, such as the magnetic north direction 40 (Fig. 2) (azimuth) and the angle 44 of the tool axis 58 to a further reference direction, preferably the direction of gravity 41 may be defined. Diese Meßwerte werden durch werkzeugseitige Sensoren 36 festgestellt. These measured values ​​are determined by tool-side sensors 36th Zu den benötigten Meßwerten gehört ferner die Drehwinkellage des Bohrwerkzeugs 3 im Bohrloch 2 in bezug auf eine Referenzebene, vorzugsweise eine den Nullpunkt 50 eines dem Bohrwerkzeug 3 fest zugeordneten ebenen Koordinatensystems 51 schneidende und mit der Richtung der Erdbeschleunigung zusammenfallende Ebene 53, welche die Oberseite des Werkzeugs 3 in einer oberen Kulminationslinie schneidet, die durch die Kulminationspunkte 52 definiert ist. Further, one of the required measurements, the angular position of the drill 3 in the drill hole 2 with respect to a reference plane, preferably a zero point 50 of the drilling tool 3 dedicated plane coordinate system 51 overlapping and coincident with the direction of the gravitational acceleration plane 53, which the top of the tool 3 cuts into an upper Kulminationslinie which is defined by the culmination points of the 52nd
  • [0014] [0014]
    Aus den vorstehend ermittelten Daten ergibt sich die aktuelle Drehwinkelpo sition des Bohrwerkzeugs 3 als der Winkel 54 zwischen der durch die Schwerkraftrichtung definierten Referenzebene 53 und der werkzeugfesten Referenzebene 55, die mit der Ordinate des werkzeugfesten Koordinatensystems zusammenfällt, so daß vollständige Informationen über die Ausrichtung und Orientierung des Bohrwerkzeugs 3 gegeben sind. From the determined above data, the current Drehwinkelpo results sition of the drill 3 as the angle 54 between the reference plane defined by the direction of gravity 53 and the tool fixed reference plane 55, which coincides with the ordinate of the tool-fixed coordinate system, so that full information on the alignment and orientation of the drilling tool are given. 3
  • [0015] [0015]
    Ferner wird die Kraft ermittelt, mit der die Rippen 26,27,28 jeweils gegen die Wandung des Bohrlochs 2 drücken. Furthermore, the force is determined, with which the ribs 26,27,28 each press against the wall of the borehole. 2 Dies kann mittels Drucksensoren vorgenommen oder aus den Steuerventileinstellungen für die Druckmittelantriebe 30,31,32 abgeleitet werden. This can be done by means of pressure sensors or derived from the control valve settings for the pressure medium drives 30,31,32. Aus den Einzelkräften wird eine resultierende Kraft ermittelt, die nach Betrag und Richtung definiert ist und einen Steuervektor 56 bildet. a resultant force is determined from the individual forces, which is defined by the amount and direction and forming a control vector 56th Die Richtung des den Nullpunkt des werkzeugfesten Koordinatensystems 51 und die Werkzeugachse 58 senkrecht schneidenden Steuervektors 56 ist als der Winkel 57 definiert, den der Steuervektor 56 mit der Referenzebene 53 einschließt. The direction of the zero point of the tool-fixed coordinate system 51 and the tool axis 58 perpendicularly intersecting the control vector 56 is defined as the angle 57, the control vector 56 forms with the reference plane 53rd
  • [0016] [0016]
    Wie sich anhand der Darstellung in Fig. 6 verfolgen läßt, werden im Bohrbetrieb des Bohrwerkzeugs 3 von den zum werkzeuginternen Regelkreis 60 gehörenden Sensoren 36 die Meßwerte für die aktuelle Bohrrichtung des Bohrwerkzeugs 3, die aktuelle Einstellung der Stellglieder 26,27,28 und die Drehwinkelorientierung (Winkel 54) des Bohrwerkzeugs 3 ermittelt. As can be followed from the illustration in Fig. 6, during drilling of the drilling tool 3 of the belonging to the tool internal control circuit 60 sensors 36, the measured values ​​for the current drilling direction of the drilling tool 3, the current setting of the actuators 26,27,28, and the rotational angular orientation (angle 54) of the drill tool calculated. 3 Diese Daten werden an ein Rechenteil 61 des werkzeuginternen Regelkreises 60 übergeben, das Abweichungen der werkzeugfesten Referenzebene 55 zu der durch in die Erdbeschleunigungsrichtung vorgegebenen Referenzebene 53 kompensiert und Richtung (Winkel 57) und Betrag des aktuellen Steuervektors 56 ermittelt. These data are passed to a calculating part 61 of the tool internal control circuit 60, the deviations of the tool fixed reference plane 55 offset to the through specified in the gravitational acceleration reference plane 53 and the direction (angle 57) and determined amount of the current control vector 56th Die gesamten und aufbereiteten Daten werden über ein Datenübermittlungssystem 62, das beispielsweise den Informationsgeber 19 und den Informationsempfänger 21 umfaßt, an einen externen Regelkreis 70 übergeben, in dem diese Daten in noch zu beschreibender Weise verarbeitet werden. The total and processed data are transferred via a data transmission system 62 comprising, for example, the information encoder 19 and the information receiver 21 to an external control circuit 70 in which these data are still being processed in the manner described hereinafter. Während dieser Verarbeitung werden die vom Rechenglied 61 gelieferten, kompensierten Steuervektor-Istwerte im werkzeuginternen Regelkreis in einem Vergleichsteil 63 des Regelkreises 60 mit vorgegebenen, gespeicherten Steuervektor-Sollwerten verglichen und der Ergebniswert der Auswerte- und Recheneinheit 37 des werkzeuginternen Steuersystems 35 zugeführt, das, soweit erforderlich, die Einstellung der Stellglieder 26,27,28 korrigiert. During this processing, supplied from the arithmetic unit 61, the compensated control vector actual values ​​in the tool internal control circuit are compared in a comparing part 63 of the control circuit 60 with predetermined, stored control vector set values ​​and the result value of the evaluation and computing unit 37 of the tool internal control system 35 is supplied that, as far as necessary, corrects the adjustment of the actuators 26,27,28.
  • [0017] [0017]
    Im externen Regelkreis 70 werden die vom werkzeuginternen Regelkreis 60 gelieferten Istwerte der aktuellen Bohrrichtung des Bohrwerkzeugs 3 mit obertägig gespeicherten Richtungssollwerten in einem Rechner 72 verglichen, und unter Einbeziehung der obertägig von einem Meßgerät 71 ermittelten Werkzeugteufe wird die aktuelle geologische Position des Bohrwerkzeugs 3 bestimmt. In the external control circuit 70 supplied by the tool internal control circuit 60 actual values ​​for the current drilling direction of the drilling tool 3 are compared with above ground stored direction desired values ​​in a computer 72, and including the Werkzeugteufe above ground as determined by a meter 71 the current geological position of the drill tool 3 is determined. Egeben sich dabei Abweichungen vom vorgegebenen Kurs, die eine Korrektur erforderlich machen, können automatisch geeignete neue Sollwerte für den Steuervektor 56 ermittelt und über eine Kontrolleinheit 73, in der die Daten zB als digitale Folge von Signalen kodiert werden, und über ein Datenübermittlungssystem 74 an den werkzeuginternen Regelkreis 60 übergeben werden. ESpecify thereby deviations from the predetermined course, which make a correction required can be automatically appropriate new target values ​​for the control vector 56 is determined and in which the data, for example, be coded as a digital sequence of signals via a control unit 73, and via a data transmission system 74 to the tool internal control circuit are passed 60th Statt dessen oder zusätzlich können die vom Rechner 72 an eine Überwachungseinheit 75 übermittelten Daten einer Bedienungsperson Anlaß geben, einen von ihr gewählten Steuervektor 56 zu realisieren, was durch eine entsprechende Eingabe bei 76 erfolgen kann. Instead or in addition the data sent from computer 72 to a monitoring unit 75 data an operator may give rise to realize a chosen by its control vector 56, which may be effected by a corresponding input at the 76th Durch eine solche persönliche Steuerung kann ein Kurs für das Bohrwerkzeug 3 vorgegeben werden, der sich außerhalb der programmgemäß vorgegebenen Möglichkeiten bewegt. Through such personal control a course for the drilling tool 3 can be specified which moves outside the program in accordance with predetermined options. Dies kann nicht nur zu Zwecken einer Optimierung einer Kurskorrektur sinnvoll sein, sondern auch dann, wenn aufgrund sonstiger untertägig ermittelter Daten beispielsweise über die Art der durchbohrten Formationen eine Kursveränderung angezeigt ist. This can not only be useful for purposes of optimizing a course correction, but also when a rate change is appropriate due to other intraday determined data, for example, about the nature of the drilled formations.
  • [0018] [0018]
    Durch eine individuelle Eingabe bei 76 oder durch eine automatische Vorgabe kann vom externen Regelkreis 70 an den werkzeuginternen Regelkreis 60 ein Richtungshaltebefehl übermittelt werden, in welchem Falle die aktuellen Richtungsistwerte des Bohrwerkzeugs 3 in einem Datenspeicher des werkzeuginternen Regelkreises 60, der dem Vergleichsteil 63 zugeordnet sein kann, als Sollwert hinterlegt und anschließend fortlaufend mit weiterhin ermittelten Richtungsistwerten verglichen werden. By an individual input at 76 or by an automatic setting a direction holding command can be transmitted from the external control circuit 70 to the tool internal control circuit 60, in which case in a data memory of the tool internal control loop 60 which can be assigned to the comparison part 63, the current Richtungsistwerte of the drilling tool 3 be deposited as a desired value, and then continuously compared with further determined Richtungsistwerten. Aus einem derartigen Richtungsistwert/-sollwert-Vergleich beruhende Stellgrößen werden nun für die Einstellung der Stellglieder 26,27,28 erzeugt, und zwar anstelle von Stellgrößen, die sich von einem vorgegebenen Steuervektor ableiten. based of such Richtungsistwert / -Setpoint comparison manipulated variables are then generated for the setting of the actuators 26,27,28, instead of manipulated variables, which are derived from a predetermined control vector. Nach Aufhebung eines Richtungshaltebefehls geht dann der werkzeuginterne Regelkreis 60 wieder in den oben beschriebenen Betriebsmodus über. After cancellation of a direction holding command, the tool internal control circuit 60 then goes back into the above-described mode of operation.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Steuern eines Bohrwerkzeugs, das durch zumindest eine Gruppe von dem Werkzeug zugeordneten, über den Werkzeugumfang verteilt angeordneten, steuerbaren Stellgliedern richtbar ist, während des Bohrbetriebs in unterirdischen Formationen, bei dem durch werkzeugseitige Meßwertaufnehmer die aktuelle Bohrrichtung und die aktuelle Einstellung der Stellglieder ermittelt, in einem werkzeuginternen, einen programmgesteuerten Rechner einschließenden Regelkreis ermittelte Istwerte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und auf dem Istwert/Sollwert-Vergleich beruhende Stellgrößen zur Stellgliedbetätigung erzeugt werden, und bei dem der werkzeuginterne Regelkreis mit einem externen Regelkreis in Datenaustausch steht, der nach Verarbeitung von untertage empfangener Daten in einem obertägigen, programmgesteuerten Rechner obertägig erarbeitete Steuerdaten an den werkzeuginternen Regelkreis übergibt, dadurch gekennzeichnet , daß vom externen Regelkreis die vom werkzeuginternen Re A method of controlling a drilling tool, which are arranged distributed by at least one group assigned by the tool, via the tool periphery, controllable actuators can be directed, during drilling operations in underground formations, in which determined by tool-side transducer, the current drilling direction and current setting of the actuators, determined in a tool internal, a program-controlled computer enclosing loop actual values ​​with predetermined desired values ​​are compared and based on the actual value / desired value comparison manipulated variables are created for the actuator operation, and wherein the tool internal control loop with an external control loop is in data exchange, after processing of the underground received passes data in an above-ground program-controlled computer elaborated above ground control data to the tool internal control circuit, characterized in that the external control loop, the internal tool of Re gelkreis gelieferten Istwerte für die aktuelle Bohrrichtung mit obertägig gespeicherten Richtungssollwerten verglichen und an den werkzeuginternen Regelkreis ein auf dem obertägigen Richtungsistwert/-sollwert-Vergleich sowie der obertägig ermittelten Werkzeugteufe beruhender Sollwert für einen Steuervektor für das Bohrwerkzeug übermittelt wird, der die Richtung und den Betrag der aus der Einwirkung der Stellglieder der Stellgliedgruppe auf die Bohrlochwandung resultierenden Kraft definiert. is compared gelkreis supplied actual values ​​for the current drilling direction with above ground stored direction setpoints and transmits a value based on the above-ground Richtungsistwert / -Setpoint comparison and the Werkzeugteufe above ground determined nominal value for a control vector for the drilling tool on the tool internal control circuit, the direction and the amount of defined from the action of the actuators of the actuator group on the borehole wall resultant force.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Richtung des Steuervektors als den Nullpunkt eines dem Werkzeugquerschnitt des Bohrwerkzeugs fest zugeordneten rechtwinkligen Koordinatensystems schneidende Gerade definiert wird. A method according to claim 1, characterized in that the direction of the control vector is defined as the zero point of the tool cross-section of the drilling tool dedicated rectangular coordinate system is precisely defined cut.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß Meßwertaufnehmer des werkzeuginternen Regelkreises fortlaufend die Drehwinkelorientierung einer werkzeugfeten Referenzebene in dem dem Bohrwerkzeug zugeordneten Koordinatensystems zu einer in das Koordinatensystem projizierten, durch die Erdbeschleunigungsrichtung definierten Referenzebene ermitteln und durch den werkzeuginternen Regelkreis Winkelabweichungen zwischen den Referenzebenen bei der Ermittlung des aktuellen Istwertes des Steuervektors und bei der Vorgabe von Stellgrößen für die Stellglieder aufgrund eines Steuervektor-Istwert/-sollwert-Vergleichs kompensiert werden. A method according to claim 1 and 2, characterized in that transducers of the tool internal control loop continuously in the associated the drill tool coordinate system projected the rotational angular orientation of a tool fetuses reference plane to the coordinate system, determined as defined by the gravitational acceleration reference plane and through the tool internal control circuit angular deviations between the reference planes the determination of the current actual value of the control vector and be compensated for in the specification of manipulated variables for the actuators based on a control vector PV / -Setpoint comparison.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei einem vom externen Regelkreis an den werkzeuginternen Regelkreis übermittelten Richtungshaltebefehl die aktuellen Richtungsistwerte des Bohrwerkzeugs im Datenspeicher des werkzeuginternen Regelkreises als Sollwerte hinterlegt, mit fortlaufend weiterermittelten Richtungsistwerten verglichen und ausschließlich auf diesem Richtungsistwert/-sollwert-Vergleich beruhende Stellgrößen für die Stellglieder erzeugt werden. A method according to claim 3, characterized in that when a transmitted from the external control circuit to the tool internal loop direction holding command current Richtungsistwerte of the drilling tool in the data memory of the tool internal control loop stored as set values, compared with continuously updated Determined sparkled Richtungsistwerten and based solely on this Richtungsistwert / -Setpoint comparison manipulated variables for the actuators are generated.
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