SE507356C2 - Sätt och anordning för precisionsborrning - Google Patents

Description

|_l UI f\) (L) k) (_11 LA) (Ö L.) LD 507 356 ningsgivare, som är placerade invändigt i borröret när- mast borrkronan. Mätningen görs i samband med att ett nytt rör sätts fast vid borrsträngens övre ände, så att mätningen genomförs exempelvis var tredje meter. På detta sätt kan borrkronans position räknas fram förutsatt att startpunkten är känd. Ett problem med denna typ av ut- rustning är att tràdtöjningsgivare är mycket känsliga för yttre påverkan och därför lätt skadas och därmed ger fel- aktiga mätresultat. Som exempel på känd teknik med töj- ningsgivare kan nämnas US-A-4 662 458, US-A-4 324 297 och SE-A-373 635.

En annan känd metod är baserad på en inpejling av borrsträngen. Inpejlingen kan ske genom att hela borr- strängen används som radioantenn eller genom att strål- ning från ett radioaktivt preparat nära borrkronan ut- nyttjas eller genom att borrkronan inpejlas induktivt.

Alla dessa metoder ger emellertid oprecisa mätresultat, eftersom markens beskaffenhet (reflexion, dämpning och sprickförekomst) kraftigt påverkar mätresultatet.

En annan känd metod är baserad på en optisk mätning av utböjningen. Man har föreslagit, att man i borrsträng- en närmast borrkronan skall placera en kamera, som re- gistrerar rorets aktuella avbojning optiskt, varvid bil- der från successivt efter varandra gjorda mätningar ut- nyttjas ocn utsätts för bildbehandling i ändamål att be- stämma borrkronans aktuella position i ett koordinatsys- tem. Denna typ av utrustning kräver emellertid rigorös inkapsiing och slag- och stöttålig kamerautrustning för tt tåla de stränga betingelser, som råder nära borrkro- (n IW l De kända systemen för positionsbestämning har 1% lunda diverse nackdelar, som ger upphov till olika 'per I av problem.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är därför att lösa bl a dessa problem vid känd borrningsteknik. Ett speciellt ändamål är att åstadkomma ett sätt och en an- ordning för bestämning av borrkronans position utan att 15 35 507 356 borren behöver tagas ur hålet. Ett ytterligare ändamål ar att åstadkomma en mätsond, som är så konstruerad, att den kan vara permanent placerad i borrsträngens inre i närh ten av borrkronan och kan fungera vid både sänkborrning och alla andra borrningsmetoder. Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma en mätsond av så robust beskaffenhet, att den tål de mycket svåra förhållanden som föreligger nära borrkronan under pågående borrningsförlopp. Ännu ett ändamål är att åstadkomma en mätutrustning, vilken trots att den är bildad av enkla komponenter ger ett gott mät- resultat och tål de svåra användningsförhållanden, som råder i borrsträngen nära borrkronan.

Dessa och andra ändamål har enligt föreliggande upp- finning lösts med det sätt och den anordning, som deiini- eras i de självständiga patentkraven l och 6. De osjälv- ständiga patentkraven anger särskilt föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen.

Sammanfattningsvis är uppfinningen grundad på iden att bestämma en borrkronas aktuella position under ett borrningsförlopp i berg eller lösmasscr genom utnyttjande av en med borrsträngen ständigt följande mätscnd. I mat- sonden finns flera strängar, som är spända över två stall och som sträcker sig fritt mellan dessa samt som har känd egensvängningsfrekvens i ett förutbestämt spänningstill- stånd i mätsondens vilotillstånd. Vid mätning av borrkro- nans aktuella läge försätts strängarna i svängning. enskilda strängarnas aktuella svängningsfrekvens detekte- ras och utnyttjas för beräkning av mätsondens utböjnings- grad och -riktning och bestämning av borrkronans aktuella position i ett koordinatsystem.

Vid uppfinningen utnyttjas sålunda det faktum, att spända strängar, som är placerade på avstånd fr dens centrumlinje, kommer vid mätsondens böjnin spännas i olika utsträckning i beroende av om strä är placerade närmast eller längst från mätsonde ni gscentrum. Detta medför att strängarnas egensvä ningsfrekvens andras i beroende av nur kraftigt strängar- I\) UI UI 507 356 na är spända. Eftersom mätsonden har en känd och konstant längd, kan man genom empiriska försök och även genom ma- tematisk beräkningar fastställa korrelationen mellan son- dens utböjning och två motstående strängars frekvens- skillnad. Dessa värden kan sedan lagras i tabellform i en dator, som utnyttjas vid anordningens användning under borrningsförlopp. Frekvensskillnaden anger sålunda utböj- ningsgraden från ände till ände av mätsonden.

För att utböjningsriktningen skall kunna bestämmas används, kan en vridningslägesgivare användas. Denna gi- vare kan i sitt enklaste utförande ha ett cirkulärt spår o eller en cirkulär löpbana, som är centrerad kring mäts n- dens centrumaxel och sträcker sig vinkelrätt mot denna. I et eller löpbanan finns en kula, som lämpligen är dad av magnetiserbart material och som kan löpa fritt P t eller löpbanan under inverkan av gravitatio.s- e kraften. Vid minst ett förutbestämt ställe utmed spåret eller löpbanan finns en givare. Om man vid mätningen av- bryter borrningsförloppet, så att mätsonden är i vila, rullar kulan ned till spàrets eller banans lägst placera- de punkt. Mätsonden vrids (roteras) sedan långsamt tills givaren befinner sig mittför kulan. Härefter utförs den ovannämnda mätningen av de olika strängarnas egensväng- ningsfrekvenser. Eftersom dessa bestäms av den aktuella dragspänningen i de enskilda strängarna och eftersom son- dens vridningsläge är känt, kan man med hjälp av informa- tion om l) borrningsdjupet (dvs avståndet mellan borr- strängens spets och borrutrustningen), 2) utböjningsgra- den (beräknas med hjälp av frekvensskillnaden mellan två mctstàende strängar) och 3) utböjningsriktningen (beräknas genom jämförelse av frekvensskillnäderna mellan lika par av strängar) fastställa borrspetsens aktuella o läge i ett tredimensionellt koordinatsystem.

Om man vid en sådan bestämning vill ha säkerhet mot felfunktion i utrustningen, kan man använda flera vrid- ningslägesgivare runt det cirkulära spåret, så att man kan vrida borrsträngen och därmed sonden ett kvarts varv |,_1 Ö 20 25 5o7 sse (Jï eller ett halvt varv och sedan upprepa lägesbestämningen.

Om samma mätresultat då uppnås, ger utrustningen sanno- likt korrekta mätresultat.

Borrningsförloppet behöver inte nödvändigtvis avbry- tas vid mättillfällena, även om det är föredraget av göra detta. Om sänkborrning sker, kan mätningen utföras under pågående borrning. Även vid användning av roterande borr- strängar, kan en mätning utföras under borrningsförlop- pet, särskilt om rotationshastigheten inte är alltför hög. Mätningen under pågående borrning kan emellertid kräva att flera givare utmed den cirkulära löpbanan eller det cirkulära spåret.

Genom uppfinningen har sålunda ett helt nytt matför- farande respektive en helt ny typ av mätutrustning åstad- kommits. Mätningen kan utföras utan att borrsträngen dras upp ur borrhålet. Utrustningen omfattar ett robust mätin- strument, som är baserat på en ny men tekniskt enkel mät- metod ocn som är placerat permanent i borrsträngen och följer med denna under borrningsförloppet. Instrumentet avkänner hur mycket hålet böjer av och hur borrsträngen är positionerad i ett tredimensionellt koordinatsystem.

Mätresultatet kan företrädesvis åskàdliggöras på en da- tor, som är kopplad till instrumentet.

Komplicerade borrningar blir med detta mätsystem av- sevärt billigare och mindre tidskrävande att genomföra.

Instrumentet öppnar nya marknader för den geotekniska 1 borrningen. Uppfinningen kan användas t ex för kabeL_ägg- ning i stadsmiljö, där man idag anlitar gräventreprenö- v-fi-v. ._34 Precisionsborrning är här ett attraktivt alternativ till uppgrävda gator med avstängningar och trafikstör- ningar som följd.

Uppfinningen kan användas för alla typer av borr- ni_g, dvs vertikalborrning (t ex brunnsborrning) och ho- ntalborrning (t ex vid borrning genom en vägbank) och lutande borrning. Borrningen kan genomföras i berg i lösa massor. Uppfinningen kan användas vid olika orrningsmetoder, t ex kärnborrning och hammarborrning, r-' (n 30 Lu (11 507 556 och både vid styrd och icke-styrd borrning. Vid den styrda borrningen kan man användas sig av s k bananborr- ning. Bananborrningsmetoden används vid borrning i lera, jord m m och fungerar så att vatten sprutas ut genom små asymmetriskt placerade öppningar i borrkronan (som för övrigt är helt slät och ser ut ungefär som en nagel) under nögt tryck. Samtidigt trycks borren framåt, och det avverkade käxet trycks upp genom borrhålet på grund av vattentrycket. Trots dessa möjligheter kan man inte vara säker på att avsedd borrningsriktning uppnås, eftersom mark- eller bergbeskaffenheten kan medföra avvikelser, som inte kan förutses.

Två föredragna utföringsformer av uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig l schematiskt visar en borrutrustning med en anord- ning enligt föreliggande uppfinning, :ig 2 schematiskt visar några i anordningen ingående de- taljer, fig 3 visar en mätsond enligt uppfinningen i perspektiv, : g 4 visar en del av denna mätsond i större skala, fig 5 visar en sektion längs linjen V-V i fig 3, :ig 6 visar ett i anordningen ingående stall i ändvy, fig 7 visar en sektion längs linjen VII-VII i fig 3, fig 8 visar en schematisk längdsektion genom mätsonden enligt fig 3, fig 9 schematiskt visar en alternativ exciterings- och detekteringsanordning för försättande av en sträng i svängning och för detektering av strängens egen- frekvens. fig 10 visar ett diagram över spänning och frekvens vid utnyttjande av en detekteringsanordning enlig: 9 och fig ll schematiskt visaren vridningslägesbestämningsan- ordning, som kan användas i sonden enligt uppfin- ningen. 10 15 (f) Uï 507 556 I fig l visas schematiskt en borrutrustning, i vilken föreliggande uppfinning utnyttjas. Från en borrigg 10 med normal, icke närmare visad borrutrustning drivs en borrsträng ll successivt ner i berg eller lösmassor l2 under alstring av ett borrhål 13. Vid borrsträngens fria ände finns en borrkrona 14. Nära borrkronan är en mätsond 15 insatt. mare i det följande) är insatt i denna mätsond och är via Mät- och detekteringsutrustning (beskrivs när- ledningar l6 anslutet till en signalanalysanordning (dator) 17, med hjälp av vilken borrkronans aktuella po- sition i ett koordinatsystem kan beräknas. Av sonden av- givna signaler är på känt sätt beroende av hur mycket mätsonden utböjs från rät form till följd av ingrepp med borrhålets 13 väggar.

Till skillnad från kända mätsonder är en mätsond en- ligt föreliggande uppfinning baserad på mätning av egen- svängningsfrekvensen hos ett antal strängar, som är in- spända i mätsondens längdriktning. Värdera strängen 20 är inspänd vid 2l och 22 vid sina ändar (se fig 2) och löper över två stall 23, 24. Den enskilda strängens egensväng- ningsfrekvens är beroende av dragspänningen i strängen samt avståndet mellan de båda stallen. Egensvängningen hos den enskilda strängen kan detekteras med hjälp av en elektromagnetisk givare 25, om strängarna består av mag- netiskt material.

Strängarna är anordnade på radiellt avstånd från mätso dens centrumlinje och kommer därför at: spännas mer eller mindre kraftigt i beroende av om den aktuella strängen befinner sig vid utsidan eller insidan av den böjda mat- sonden, sett från böjningscentrum för mätsonden. Om strängarna har en känd egensvängningsfrekvens i sondens neutralläge (rak sond), kan man genom beräkningar eller empiriska försök fastställa skillnaden mellan två motstå- ende strängars frekvenser vid olika utböjningsgrad hos sonden. Dessa beräknade eller empiriskt fastställda vär- den kan sedan lagras i tabellform i signalanordningen 17. för Om denna dessutom matas med borrningslängdvärden LH 23 I\) (n (U f.) LA) LH 507 356 varje mätningstillfälle, kan signalanalysanordningen ange borrkronans aktuella position i ett tredimensionellt ko- ordinatsystem.

En stor fördel med den elektromagnetiskt baserade mätmetodiken enligt uppfinningen är att den ger mycket noggranna resultat och att utrustningen är mycket mot- ståndskraftig och därför klarar de stränga arbetsförhål- landena i närheten av borrkronan.

Vid den för närvarande mest föredragna utföringsfor- men av uppfinningen utnyttjas en mätsond 15 med fyra strängar 20, som är jämnt fördelade runt mätsonden.

Strängarna är inspända mellan två ändfästen 30 och sträcker sig genom längsgående spår 31 i sonden. Sonden har ett rörformigt hölje 18, som omsluter sondens inre delar med glidpassning runt sonden för att tillsluta spå- ren och avtäta dessa mot omgivningen. Detta rörformiga hölje visas enbart i fig 5.

Strängarna 20 sträcker sig över ställen 23, 24, som vid det visade utföringsexemplet utgörs av cirkulära ski- vor 32, som har genomgående hål 33 för strängarna (se fig 6). Dessa stall är insatta i mätsonden nära sondens ena ände (till höger i fig 3 och 4). Avståndet mellan de båda ställen kan vara t ex 60 cm, om en mätsond med en total- längd av ca 3 m används. Strängarna sträcker sig emeller- tid i huvudsak från ände till ände av mätsonden för upp- nående av hög noggrannhet i mätvärdena.

Inom den del av spåren, som befinner sig mellan ställen finns dels en strängexciteringsanordning (J: fsolenoiddriven hammare) 34, dels en magnetisk givare 3-, med hjälp av vilken strängens aktuella egenfrekvens mäts.

D l (I) olika givarna är förbundna med signalanalysanordningen -\.l Strängarna 20 kan ha samma tjocklek utmed sondens hela längd, men företrädesvis utformas strängarna med en tunnare del i området mellan de båda ställen 32 och en tjockare del 20' inom resterande delar av spåret 3l. Av- växlingen mellan de båda strängpartierna kan ske med 20 f\> (fl L.) LH ^» 507 356 hjälp av en hylskoppling, vars hylsa utgörs av ett längs- gående bottenhål i det tjockare strängpartiet och vars insticksdel utgörs av det tunnare strängpartiets ände, som förankras i bottenhålet. Det tjockare strängpartiets dimensioner är så valda relativt spårets 31 vidd, att strängen kan glida med glidpassning i spåret (se fig 7).

Genom detta arrangemang kommer den tjockare delen av strängen att bättre följa sondens böjningsrörelser. Detta ger ökade och säkrare utslag vid böjningen av sonden. En annan viktig effekt av användningen av en tjockare och en tunnare del av strängen 20 är att man kan koncentrera den största delen av strängens töjning till det tunnare strängpartiet mellan stallen 32. Ändringarna i egensväng- ningsfrekvensen blir härigenom kraftigare, så att större möjligheter erhålls för detektering av även små utböj- ningsgrader hos sonden.

I stället för att ha separata svängningsalstrare och svängningsgivare såsom beskrivits ovan, kan man ha en ge- mensam anordning. I fig 9 visas en sådan anordning 40.

Anordningen 40 utgörs av en elektromagnetisk källa (hög- talare/mikrofon), som är anordnad nära den enskilda strängen 20 och har en icke närmare visad strömmatnings- krets. Denna är anordnad att aktivera den elektromagne- tiska källan för försättande av strängen i svängnin genom att attrahera och repellera strängen. Frekvensen varieras inom ett frekvensområde, som omfattar strängens ecensvängningsfrekvens. När källans frekvens sammanfaller med strängens aktuella egensvängningsfrekve fram- träder detta som en kortvarig ändrning av drivspänning i strömmat strömmatningskretsen, varvid organ ingår i nings- kretsen för detektering av parametervariationer, när strängens svänger vid den aktuella egensvängningsfrekven- sen (se fig 10).

För att möjliggöra en noggrannare bestämning av riktningen för en eventuell avvikelse från avsedd borr- ningsriktning kan man med fördel använda en anordning för bestämning av scndens vridningsläge vid mätningstillfäl- |_.\ (Ü l\) U l 507 556 10 let. En enkel och robust utforingsform av en sådan anord- ning visas i fig ll. Denna anordning 50 är insatt t ex vid sondens ände och har ett inre cirkulärt spår 51, vilket sträcker sig i ett mot sondens geometriska axel vinkelrätt plan. I spåret 5l är en kula 52 av magnetiser- bart material inlagd. Kulan har en sådan dimension, att den kan rulla fritt i spåret under inverkan av gravita~ tionskraften. Kulan strävar därför att alltid ligga vid spårets lägsta punkt. I spåret finns också en induktiv givare 53, som används for att avkänna kulan 51. När man vid ett mättillfälle avbryter borrningsforloppet, vrider (roterar) man borrsträngen och därmed även sonden lång- samt, tills givaren 53 detekterar kulan 52 och därmed be- finner sig vid sondens nedåtvända sida. Genom detektering av egensvängningsfrekvenserna hos de olika, runt sondens omkrets fördelade strängarna kan man sedan bestämma inte blott hur mycket sonden bojts ut under inverkan av bcrr- hålet utan även i vilken riktning denna avbojning har skett. På så sätt kan man med stor precision fastställa borrkronans läge i ett tredimensionellt koordinatsystem, om man samtidigt har information om borrdjupet. det ovanstående har enbart två utforingsformer av uppfinningen beskrivits. Inom ramen for uppfinningen kan man variera sondens utformning. Man kan t ex tre strängar eller fler än fyra strängar detektering av den riktning i vilken sonden bojts ut från avsedd borrningsriktning. 1 -k .dra vridningslägesbestämningsanordningar kan givetvis r också utnyttjas.

Claims (13)

l0 15 25 LA) f) = 507 356 PATENTKRAV

1. Sätt att vid borrning i berg eller lösmässor (12) bestämma aktuell position för en borrkrona (14) vid änden av en borrsträng (ll) genom mätning av en i borrsträngen insatt och med denna följande mätsonds ( 5) böjning, k ä n n e t e c k n a t därav, att positionsbestämningen utförs med en långsträckt mätsond (15) med flera spända strängar (20), som vardera är spända över två stall (23, 24, 32) och som sträcker sig fritt mellan dessa samt som har känd egensvängningsfrekvens i ett förutbestämt spän- ningstillstånd i mätsondens vilotillstånd, att strängarna (20) försätts i svängning, att de enskilda strängarnas aktuella egensvängningsfrekvens detekteras och utnyttjas för beräkning av mätsondens utböjningsgrad och -riktning och bestämning av borrkronans (14) aktuella position i ett koordinatsystem.

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k - n a t därav, attborrningsförlcppet avbryts temporärt, när strängarnaa skall försättas i svängning och deras aktuella egensvängningsfrekvensk skall detekteras. eller 2, k ä n n e - (lö) aktuella

3. Sätt enligt patentkravet t e c k n a t därav, att mätsonden före detekte- ringen av de enskilda strängarnas (20) egensvängningsfrekvens genom vridning kring sin längdaxel inri tas i ett förutbestämt vridningsläge relativt ett i mätsondens längdriktning riktat vertikalplan.

4. Sätt enligt patentkravet l, 2 eller 3, vid vilket strängar (20) av magnetiserbart material utnyttj k ä n n e t e c k n a t därav, att detekteringen av den (20) en ele.tromagnetisk givare (35), enskilda strängens egensvängningsfrekvens utförs med som är placerad vid varje sträng och är utformad för alstring av en växel- spänning med samma frekvens som strängens egenfrekvens vi aktuell böjning av mätsonden. 10 15 I\) C) 30 507 556 12

5. Sätt enligt patentkravet 1, 2 eller 3, vid vilket strängar (20) av magnetiserbart material utnyttjas, k ä n n e t e c k n a t därav, att den enskilda strängen (20) vid detekteringstillfället försätts i svängning genom aktivering av en nära strängen anordnad, elektro- magnetisk källa (40), vars avgivna magnetpulsers frekvens varieras inom ett frekvensomràde, som omfattar strängens egensvängningsfrekvens, varvid strängens svängning vid den aktuella egensvängningsfrekvensen detekteras som en parametervariation i en strommatningskrets till den elektromagnetiska källan.

6. Anordning for bestämning av en vid en borrsträngs ände befintlig borrkronas (14) position under borrning i berg eller losmassor (12), vilken anordning omfattar en i borrsträngen insatt och med denna följande mätsond (15), vars av borrnàlet orsakade utbojning detekteras och ut- nyttjas for bestämning av borrkronans läge i ett koordi- ätt mätsonden (20) är natsystem, k ä n n e t e c k n a d därav, (15) är làngsträckt sond, i 'ilken flera strängar anordnade på radiellt avstånd fràn sondens centrumaxel, varvid vardera strängen är inspänd i sondens längdrikt- ning och sträcker sig över två stall (23, 24, 32) och fritt mellan dessa, att sonden har svängningsalstrings- och detekteringsanordningar (34, 35, 40) svängningsalst- ring ocn detektering av de enskilda strängarnas (20) ak- tuella egensvängningsírekvens och att anoroningen omfat- tar en signalanalysanordning (17) for utnyttjande av från detekteringsanordningarna (35, 40) kommande mätsignaler for beräkning av mätsondens (15) utbojningsgrad och -riktning och bestämning av borrkronans (14) aktuella po- sition i ett koordinatsystem.

7. Anordning enligt patentkravet 6, k ä n n e - a d därav, att den omfattar en vridningsläges- n bestämningsanordning (50) for inställning av mätsonden tt forutbestämt vridningsläge relativt ett i längdriktning riktat vertikalplan. l\> L.) b) (J) 507 356 13

8. Anordning enligt patentkravet 7, k ä n n e - t e c k n a d därav, att vridningslägesbestämningsanord- ningen (50) omfattar dels minst en runt sondens centrum- linje sig sträckande löpbana (51), i vilken en kula (52) är fritt rörlig, dels en minst en givare (53) för avkän- ning av metallkulans läge utmed löpbanan.

9. Anordning enligt något av patentkraven 6-8, k ä n n e t e c k n a d därav, att strängarna (20) be- står av magnetiserbart material och att en elektromagne- tisk givare (35) är placerad vid varje sträng ocn utfor- mad for alstring av en växelspänning med samma frekvens som strängens egensvängningsfrekvens vid aktuell böjning av mätsonden.

10. Anordning enligt något av patentkraven 5-8, k ä n n e t e c k n a d därav, att svängningsalstrings- anordningarna (34) består av solenoiddrivna nammare (34), vilka vid aktivering av anordningarna bringas slå mot tillhörande sträng (20) för att försätta denna i (I) gensvängning. lf) (

ll. Anordning enligt något av patentkraven k ä n n e t e c k n a d därav, att strängarna (2 be- ' I 0) står av magnetiserbart material, att en elektromagnetisk källa (4 ) är anordnad nära den enskilda strängen (20) och när en strömmatningskrets, vilken är anordnad att ak- tivera den elektromagnetiska källan för försättande av strängen i svängning genom attranering ocn repellerin av denna med en frekvens, som är varierar inom ett strängens egensvängningsfrekvens omfattande frekvensområde, ocn att organ finns för detektering av parametervariation (D 'i strömmatningskretsen, när strängens svänger vid den aktu- ella egensvängningsfrekvensen.

12. Anordni.g enligt något av patentkraven 5-il, k ä n n e t e c k n a d därav, att strängarna (209 om- fattar en grövre del (20') ocn en tunnare del ocn att den tunnare delen av strängarna sträcker fritt sig mellan de båda tillhörande ställen. (Jl 507 556 14

13. Anordning enligt patentkravet 12, k ä n n e - t e c k n a d därav, att strängarnas (20) grövre del (20') sträcker sig med i huvudsak glidpassning genom ett i sonden (15) upptaget, längsgående nål eller spår (3l} för att denna del av strängarna skall i huvudsak följa sondens böjningsrörelser.