EP0744526B1 - Verfahren zum Steuern eines Bohrwerkzeugs - Google Patents

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EP0744526B1
EP0744526B1 EP19950107954 EP95107954A EP0744526B1 EP 0744526 B1 EP0744526 B1 EP 0744526B1 EP 19950107954 EP19950107954 EP 19950107954 EP 95107954 A EP95107954 A EP 95107954A EP 0744526 B1 EP0744526 B1 EP 0744526B1
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EP
European Patent Office
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tool
control circuit
drilling
data
actual
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP19950107954
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English (en)
French (fr)
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EP0744526A1 (de
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Joachim Dr.-Ing. Oppelt
Gerald Dr.-Ing. Heisig
Francesco Donati
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Eni SpA
Baker Hughes Holdings LLC
Original Assignee
Eni SpA
Baker Hughes Inc
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Publication date
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Application filed by Eni SpA, Baker Hughes Inc filed Critical Eni SpA
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Priority to DE59509490T priority patent/DE59509490D1/de
Priority to NO962113A priority patent/NO962113L/no
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    • 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
    • E21B44/00—Automatic 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
    • E21B44/005—Below-ground automatic control systems
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a drilling tool, that is assigned at least by a group of the tool, Controllable actuators distributed over the tool circumference is correctable during drilling operations in underground formations the preamble of claim 1.
  • the invention addresses the problem of a method of the type mentioned create that enables precise surface tool guidance.
  • the invention solves the problem by a method with the features of the claim 1.
  • the method according to the invention has the main control function for the external control loop to the latter after evaluation of the received during the day Can exercise data automatically. Instead, or in addition, there is Possibility of individual influence on the tool course through a the operator is monitoring the events underground as well as at automatic course setting the tool control solely by specifying a can make single control vector. This enables extremely gentle, Quickly correctable course determinations that involve drilling a borehole with a smooth curve, largely free of kinks and jags enables. This is particularly the case with bores with extensive Horizontal course of importance, the range of which is determined by the Drill string friction in the borehole is affected, because this is the greater, depending the course of the borehole is more irregular. The method according to the invention therefore favors the creation of horizontal bores with increased range.
  • FIG. 1 schematically illustrates a drilling rig 1 for sinking boreholes 2 into underground rock formations using a drilling tool 3 at the front end of a drill string 4, its progressive construction and drive is generally known and requires no further explanation.
  • a rotating drill string 4 driving the drilling tool 3 can also use a non-rotating drill string with a drilling tool find, whose drill bit is driven by an underground motor.
  • the above-ground operation center is immediate in the example shown shown shown the drilling rig 1 adjacent and labeled 5, can however, it can also be set up at any distance from drilling rig 1, provided that Appropriate transmission of drilling operations data is ensured, which in the example shown by an electrical line connection 6 he follows.
  • the tool 3 comprises a housing screwed to the drill string 4 at 7 8, which is screwed at 9 with a retracted extension 10, the its lower end via a screw connection 11 with a drill bit 12 connected is.
  • the housing 8 and its extension 9 have a central one Flow channel 13 for the implementation of a detergent that the Flows through the drill string 4 downwards, from the drill bit 12 into the borehole 2 emerges and in the annular space between the wall of the borehole 2 and the Tool 3 or the drill string 4 flows back to the drilling rig 1, where it is in reaches a rinsing tank, not shown, from which it is by means of a rinsing pump is promoted in the drill string 4.
  • the fixed ribs 14 of an upper one Stabilizer 15 carries, for example, there is a generator 16 for the Power supply to the tool-side electrical consumers, from a only schematically indicated, acted upon by the flushing agent flow Turbine 17 can be driven.
  • Generator 16 and turbine 17 can be part of an intra-day recipient of information whose reception and further processing part is indicated schematically at 18.
  • information transmitter for example a pulser acting on the flushing agent flow, provided with whose help intraday, tool-internal data to only one schematically illustrated at 20 above-ground information receivers can be transmitted.
  • the daily information provider for the daily present and to be transmitted to the control system of the drilling tool 3 Data is also only indicated schematically in FIG. 1 and designated 21.
  • sleeve-shaped housing part 25 On the retracted area 22 of the extension 10 is a via 23 sleeve-shaped housing part 25 rotatably supported, which is not a in operation assumes a rotating position in borehole 2, while drill string 4, housing 8, extension 10 and drill bit 12 about their central axis as a result of the surface Rotate drive of drill string 4.
  • the housing part 25 has three actuators in the form of ribs 26, 27, 28 provided that have a stabilizer rib-like shape and each around an axis 29 are supported hinged on the housing part 25.
  • Ribs 26, 27, 28 can be used individually and independently of one another using one at a time Pressure medium drive 30,31,32 from the folded in shown in Fig. 4 Starting position in a more or less extended operating position are transferred in which they rest on the wall of the borehole 2 and exert an individually definable pressure force on them.
  • Hydraulic pump 33 For actuating the pressure medium drives 30, 31, 32 there is a in the housing part 25 Hydraulic pump 33 is provided, the hydraulic fluid drives via hydraulic lines 34 30,31,32 pressurized.
  • the hydraulic pump 33 can are driven by an electric motor, which is generated by the generator 16 or is powered by a battery supplied by this.
  • three Actuators that are sufficient for precise alignment of the drilling tool 3 can also have more than three, e.g. four or five, actuators provided his.
  • an electronic control system in the housing part 25 housed, which is indicated at 35 and sensors 36 for recording of required measured values and an evaluation and arithmetic unit 37 includes, which forms part of an internal control loop.
  • the current drilling direction 45 which is determined by the angle 43 Tool of the tool axis 58 to a reference direction, for example the magnetic north direction 40 (Fig. 2) (azimuth) and the angle 44 of Tool axis 58 to a further reference direction, preferably that Direction of gravitational acceleration 41 can be defined.
  • a reference direction for example the magnetic north direction 40 (Fig. 2) (azimuth) and the angle 44 of Tool axis 58 to a further reference direction, preferably that Direction of gravitational acceleration 41 can be defined.
  • To the required Measured values also include the angular position of the drilling tool 3 in the borehole 2 with respect to a reference plane, preferably the zero point 50 of a flat coordinate system 51 which is permanently assigned to the drilling tool 3 intersecting and coinciding with the direction of gravitational acceleration Level 53, which is the top of the tool 3 in an upper culmination line intersects that is defined by the culmination points 52.
  • the current rotational angle po results from the data determined above sition of the drilling tool 3 as the angle 54 between the direction of gravity defined reference plane 53 and the tool-fixed reference plane 55, which coincides with the ordinate of the tool-fixed coordinate system, so that complete information about the orientation and orientation of the drilling tool 3 are given.
  • the force with which the ribs 26, 27, 28 are pressed against the is determined Press the wall of borehole 2. This can be done using pressure sensors or from the control valve settings for the pressure medium drives 30,31,32 are derived. The individual forces become a resulting one Force determined, which is defined by amount and direction and a control vector 56 forms.
  • the direction of the zero point of the tool-fixed coordinate system 51 and the tool axis 58 perpendicularly intersecting control vector 56 is defined as the angle 57 that the control vector 56 makes with the reference plane 53 includes.
  • drilling operations are carried out of the drilling tool 3 from those 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 Orientation of rotation (angle 54) of the drilling tool 3 is determined.
  • This Data is sent to a computing part 61 of the internal control loop 60 transferred that deviations of the tool-fixed reference plane 55 to the by reference plane 53 given in the direction of gravitational acceleration compensated and direction (angle 57) and amount of the current control vector 56 determined.
  • the entire and processed data are sent via a data transmission system 62, for example the information provider 19 and the Includes information receiver 21, passed to an external control circuit 70, in which this data is processed in a manner to be described.
  • the data supplied by the computing element 61 compensated control vector actual values in the tool-internal control loop in one Comparison part 63 of the control circuit 60 with predetermined, stored Control vector setpoints compared and the result of the evaluation and Computing unit 37 of the tool-internal control system 35 fed, which if necessary, the setting of the actuators 26, 27, 28 is corrected.
  • those of the tool-internal control loop 60 supplied actual values of the current drilling direction of the drilling tool 3 above ground compared stored direction setpoints in a computer 72, and taking into account the tool depth ascertained above ground by a measuring device 71 the current geological position of the drilling tool 3 is determined. There are deviations from the specified course, one Appropriate new setpoints can automatically be required for correction determined for the control vector 56 and via a control unit 73 in which the Data e.g. are encoded as a digital sequence of signals and via a data transmission system 74 passed to the internal control loop 60 become.
  • the computer 72 can send a Monitoring unit 75 transmitted data to an operator as an occasion give to realize a control vector 56 chosen by her, what by a corresponding entry can be made at 76.
  • a personal Control a course for the drilling tool 3 can be specified, which is moved outside the options specified in the program. This can be useful not only for the purpose of optimizing a course correction, but also if, for example, due to other data collected during the day a course change over the type of pierced formations is displayed.
  • Direction stop command are transmitted, in which case the current actual direction values of the drilling tool 3 in a data memory of the internal tool Control loop 60, which can be assigned to the comparison part 63, as Setpoint value is stored and then continuously with actual direction values still determined be compared. From such a directional actual value / setpoint comparison based manipulated variables are now used for setting the Actuators 26,27,28 generated, instead of manipulated variables that differ from derive a predetermined control vector. After canceling a direction stop command the internal control circuit 60 then goes back into the operating mode described above.

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Description

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.
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. Bei Abweichungen vom Sollkurs errechnet der werkzeuginterne Regelkreis Korrekturdaten für die Bohrrichtung, die geeignet sind, das Bohrwerkzeug auf seinen Sollkurs zurückzuführen. 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. Bis zum Empfang neuer Betriebsinstruktionen oder Kursdaten und im Anschluß daran bestimmt der werkzeuginterne Regelkreis den Kursverlauf für das Bohrwerkzeug bis zum Erreichen des vorgegebenen Ziels.
Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, das eine präzise obertägige Werkzeugführung ermöglicht. 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist dem externen Regelkreis die Hauptsteuerfunktion zu, die dieser nach Auswertung der untertägig empfangenen Daten automatisch ausüben kann. 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. Dies ermöglicht überaus behutsame, schnell korrigierbare Kursbestimmungen, die das Erbohren eines Bohrlochs mit einem glatten, von Knicken und Zacken weitgehend freien Kurvenverlauf ermöglicht. 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. Das erfindungsgemäße Verfahren begünstigt daher das Anlegen von Horizontalbohrungen vergrößerter Reichweite.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Verfahrens anhand einer in der Zeichnung näher veranschaulichten Bohranlage. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung der Bohranlage und eines beispielhaften Anfangsverlaufs von Bohrloch und Bohrstrang mit Bohrwerkzeug,
Fig. 2
eine schematisierte Darstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung benötigter Parameter für den Steuervorgang,
Fig. 3
eine schematisierte Darstellung des Bohrwerkzeugs zur Veranschaulichung weiterer Parameter für den Steuervorgang,
Fig. 4
eine vereinfachte Darstellung eines für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Bohrwerkzeugs,
Fig. 5
einen schematischen Schnitt nach der Linie V-V durch das Bohrwerkzeug nach Fig. 4, und
Fig. 6
eine Schemadarstellung des internen und des externen Regelkreises zur Veranschaulichung der beim Steuerungsvorgang ablaufenden Vorgänge.
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. 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. 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.
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. 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.
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. Generator 16 und Turbine 17 können Bestandteil eines untertägigen Informationsempfängers bilden, dessen Empfangs- und Weiterverarbeitungsteil bei 18 schematisch angedeutet ist. 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. 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.
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.
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. 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.
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. Die Hydraulikpumpe 33 kann mittels eines Elektromotors angetrieben werden, der vom Generator 16 bzw. aus einer von diesem versorgten Batterie gespeist wird. Anstelle von drei Stellgliedern, die zu einer genauen Ausrichtung des Bohrwerkzeugs 3 genügen, können auch mehr als drei, z.B. vier oder fünf, Stellglieder vorgesehen sein.
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.
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. Diese Meßwerte werden durch werkzeugseitige Sensoren 36 festgestellt. 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.
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.
Ferner wird die Kraft ermittelt, mit der die Rippen 26,27,28 jeweils gegen die Wandung des Bohrlochs 2 drücken. Dies kann mittels Drucksensoren vorgenommen oder aus den Steuerventileinstellungen für die Druckmittelantriebe 30,31,32 abgeleitet werden. Aus den Einzelkräften wird eine resultierende Kraft ermittelt, die nach Betrag und Richtung definiert ist und einen Steuervektor 56 bildet. 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.
Wie sich anhand der Darstellung in Fig. 6 verfolgen läßt, werden im Bohrbetrieb des Bohrwerkzeugs 3 von den zum werkzeugintemen 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. 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. 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. Während dieser Verarbeitung werden die vom Rechenglied 61 gelieferten, kompensierten Steuervektor-Istwerte im werkzeugintemen 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.
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. 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 z.B. als digitale Folge von Signalen kodiert werden, und über ein Datenübermittlungssystem 74 an den werkzeuginternen Regelkreis 60 übergeben werden. 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. Durch eine solche persönliche Steuerung kann ein Kurs für das Bohrwerkzeug 3 vorgegeben werden, der sich außerhalb der programmgemäß vorgegebenen Möglichkeiten bewegt. 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.
Durch eine individuelle Eingabe bei 76 oder durch eine automatische Vorgabe kann vom externen Regelkreis 70 an den werkzeugintemen 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. 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. Nach Aufhebung eines Richtungshaltebefehls geht dann der werkzeuginterne Regelkreis 60 wieder in den oben beschriebenen Betriebsmodus über.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Steuern eines Bohrwerkzeugs (3), das durch zumindest eine Gruppe von dem Werkzeug zugeordneten, über den Werkzeugumfang verteilt angeordneten, steuerbaren Stellgliedern (26,27,28) richtbar ist, während des Bohrbetriebs in unterirdischen Formationen,
    bei dem durch werkzeugseitige Meßwertaufnehmer (36) die aktuelle Bohrrichtung (45) und die aktuelle Einstellung der Stellglieder (26,27,28) ermittelt,
    in einem werkzeuginternen, einen programmgesteuerten Rechner (37) einschließenden Regelkreis ermittelte Istwerte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen und auf dem lstwert/Sollwert-Vergleich beruhende Stellgrößen zur Betätigung der Stellglieder (26,27,28) erzeugt weden, und
    bei dem der werkzeuginterne Regelkreis (60) mit einem externen Regelkreis (70) über ein Datenübermittlungssystem (62) in Datenaustausch steht, der nach Verarbeitung von untertage empfangenen Daten in einem obertägigen, programmgesteuerten Rechner (72) obertätig erarbeitete Steuerdaten durch das Datenübermittlungssystem (62) an den werkzeuginternen Regelkreis (60) übergibt,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der werkzeuginterne Regelkreis (60) die Kräfte ermittelt, mit der die Stellglieder (26,27,28) jeweils gegen die Bohrlochwand drücken, und aus den Einzelkräften eine nach Richtung und Betrag definierte resultierende, einen Steuervektor (56) bildende resultierende Kraft als interne Richtgröße ermittelt,
    der werkzeuginterne Regelkreis (60) die von den Meßwertaufnehmern (36) ermittelten Istwerte für die aktuelle Bohrrichtung (45) und den Steuervektor (56) an den externen Regelkreis (70) übergibt,
    der externe Regelkreis diese Istwerte mit obertägig gespeicherten Sollwerten für die Bohrrichtung (45) und den Steuervektor (56) vergleicht und unter Einbeziehung obertägig ermittelter Istwerte für die Werkzeugteufe und die geologische Position des Bohrwerkzeugs (3) einen neuen Sollwert für den Steuervektor (56) bildet, und der externe Regelkreis (70) den von ihm ermittelten neuen Sollwert für den Steuervektor (56) dem werkzeuginternen Regelkreis (60) als neue Richtgröße vorgibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Steuervektors (56) als den Nullpunkt (50) eines dem Werkzeugquerschnitt des Bohrwerkzeugs (3) fest zugeordneten rechtwinkligen Koordinatensystems (51) schneidende Gerade definiert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwertaufnehmer (36) des werkzeuginternen Regelkreises (60) fortlaufend die Drehwinkelorientierung (Winkel 54) einer werkzeugfesten Referenzebene (53) in dem dem Bohrwerkzeug (3) zugeordneten Koordinatensystem (51) zu einer in das Koordinatensystem (51) projizierten, durch die Erdbeschleunigungsrichtung definierten Referenzebene (55) ermitteln, und
    der werkzeuginterne Regelkreis (60) Winkelabweichungen zwischen den Referenzebenen (53,55) bei der Ermittlung des aktuellen Istwertes des Steuervektors (56) und bei der Vorgabe von Stellgrößen für die Stellglieder (26,27,28) aufgrund eines Steuervektor-lstwert/Sollwert-Vergleichs kompensiert.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vom externen Regelkreis (70) an den werkzeuginternen Regelkreis (60) übermittelten Richtungshaltebefehl die aktuellen Richtungsistwerte des Bohrwerkzeugs (3) im Datenspeicher des werkzeuginternen Regelkreises (60) als Sollwerte hinterlegt, mit fortlaufend weiterermittelten Richtungsistwerten verglichen und ausschließlich auf diesem Richtungs-lstwert/Sollwert-Vergleich Stellgrößen für die Stellglieder (26,27,28) erzeugt werden.
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