WO2017137025A1

WO2017137025A1 - Richtbohrgerät und verfahren zum kalibrieren desselben

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Publication number: WO2017137025A1
Application number: PCT/DE2017/000035
Authority: WO
Inventors: Werner Vorhoff
Original assignee: VON DEN DRIESCH, Stefan
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2017-08-17
Also published as: RU2018129165A3; US20190048702A1; EP3414418B1; CN109790740A; RU2018129165A; BR112018016124A2; SA518392173B1; DE112017000692A5; US20200370410A1; US10760400B2; MX2018009672A; CA3013949A1; AU2017217559A1; US11306576B2; AU2017217559B2; EP3414418A1; DE102016001780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein zuverlässig arbeitendes Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs mit einem Gehäuse, einer, vorzugsweise im Gehäuse rotierenden, auf ihrem Ende einen Drehbohrmeißel tragenden Meißelantriebswelle, im Rumpfabschnitt des Gehäuses angeordneten Steuervorrichtung und Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb und Magnetfeldsensoren, die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt, nämlich in dem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten, unmittelbar an den Drehbohrmeißel angrenzenden, also bohrmeißelnahen, Bereich des Gehäuses angeordnet und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein von einer Helmholtz-Spule erzeugtes homogenes Magnetfeld kalibriert sind.

Description

Beschreibung

Richtbohrgerät und Verfahren zum Kalibrieren desselben Die Erfindung betrifft ein kostengünstiges Verfahren zum Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem hoch präzise arbeitenden Richtbohrgerät zur frühzeitigen, zuverlässigen und zeitnahen Bestimmung des Bohrlochs unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs für das Tiefbohren und ein Richtbohrgerät, welches ein Gehäuse, eine im Gehäuse rotierende Meißelantriebswelle, deren, vorzugsweise aus dem Gehäuse vorstehendes, Ende einen Drehbohrmeißel trägt, eine in dem Gehäuse angeordnete Steuervorrichtung und mit derselben verbundene Magnetfeldsensoren, mehrere in dem Gehäuse angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei Bohrbetrieb. Mit Richtbohren bezeichnet man auch Bohrverfahren, die es ermöglichen, die Richtung einer Bohrung zu beeinflussen. Mit komplexen Systemen wird der Bohrlochverlauf in jede Richtung verändert und bestimmt. Dafür werden unter Anderem Werte für Neigung und magnetisch Nord gemessen. Die Sensoren zur Erfassung von magnetisch Nord werden in nicht magnetisierbaren Stählen angeordnet in genügendem Abstand zu allen Teilen, die einen mag- netischen Einfluss bewirken. Nur in dieser Weise kann unbeeinflusst magnetisch Nord erfasst und in die richtige, d.h. vorbestimmte, Richtung gesteuert werden. Vorteilhaft ist bei der Verwendung von Richtbohrgeräten die Messung von Neigung und Richtung möglichst nah hinter dem Meißel angeordnet zu haben, um einen kontrollierten und geplanten Sollverlauf der Bohrung zu gewährleisten. Moderne Rotary Steerable Systeme haben nur die Neigungs- messung im ihrem System direkt eingebaut und die Richtungssensoren in einem deutlich mehrere Meter dahinter liegenden Sektor, der nicht magnetisch ist, um mit der geforderten Genauigkeit magnetisch Nord zu ermitteln. Der Einbau der Richtungssensoren und die Erfassung von magnetisch Nord im Richtbohrgerät zusammen mit den Neigungssensoren würde ohne entsprechende Korrekturen zu magnetischen Missweisungen führen und große Ungenau- igkeiten in der Richtungsermittlung zulassen.

Herkömmliche Richtbohrgeräte umfassen ein rohrförmiges Gehäuse. Das Gehäuse nimmt zumindest mit seinem Fußabschnitt, der dem Drehbohrmeißel abgewandt ist, den Bohrrohrstrang, auch Bohrstrang genannt, auf. in dem Kopfabschnitt des Gehäuses ist der Drehbohrmeißel angeordnet; zumindest ein Teil der Meißelantriebswelle, an welcher der Drehbohrmeißel gekoppelt ist, ist ebenso in dem Kopfabschnitt des Gehäuses drehbar angeordnet. Der Fußabschnitt geht in den Rumpfabschnitt des Gehäuses über, welcher in den Kopfabschnitt übergeht. Die Magnetfeldsensoren sind -so weit wie möglich von dem Kopfabschnitt und dem Rumpfabschnitt des Gehäuse entfernt-, in dem Fußabschnitt des Gehäuses herkömmlicher Richtbohrgeräte angeordnet, um zu versuchen, die auch bei Betrieb des Drehbohrmeißels auftretenden magnetischen Missweisungen, die infolge der in dem Kopfabschnitt und Rumpfabschnitt des Gehäuses verbauten Einrichtungen, Bauteile, usw. erzeugten magnetischen Missweisungen und deren Einflüsse auf die Magnetfeldsensoren durch die Raumferne oder Beabstandung der Magnetfeldsensoren von dem Kopfabschnitt des Gehäuses des herkömmlichen Richtbohrgerätes zumindest zu verringern. Trotz der räumlichen Ferne der Magnetfeldsensoren von dem Kopfabschnitt und Rumpfabschnitt zeigt sich gleichwohl die Beeinflussung der Ermittölung der von Magnetfeldsensoren ermittelten Lagedaten der herkömmlichen Richtbohrgeräte, so dass das gerichtete Tiefbohren mit den herkömmlichen Richtbohrgeräten nicht mit dem erwünschten Verlauf des abgeteuften Bohrlochs übereinstimmt.

Darüber hinaus tritt ein weiterer relevanter Nachteil bei dem Einsatz der herkömmlichen Richtbohrgeräte durch die Raumferne der Magnetfeldsensoren von dem Kopfabschnitt des Gehäuses auf; durch die weite Beabstandung der Magnetfeldsensoren von dem Kopfabschnitt werden geringfügige Abweichungen der herkömmlichen Richtbohrgeräte mit ihren Kopfabschnitten in z.B. drei Raumrichtungen nicht frühzeitig festgestellt, so dass diese frühzeitigen auftretenden Richtungsabweichungen mittels der in dem Fußabschnitt angeordneten Magnet- feldsensoren erst zu einem späteren Zeitpunkt festgestellt werden können. Durch die erst nach einer gewissen Zeitdauer ermittelten Richtungsabweichungen sind nachträgliche Berichtigungen der Richtungsverläufe der Abteufungen erforderlich, die, je später die Richtungsabweichungen des Drehbohrmeißels ermittelt werden, desto zeitaufwendiger und kosten- trächtiger erweisen sich die Berichtigungen des Richtbohrens. Bemühungen im Stand der Technik, die Richtungsabweichungen der Kopfabschnitte der Richtbohrgeräte durch zumindest kopfabschnittnahen Einbau der Magnetfeldsensoren in den herkömmlichen Richtbohrgeräte, wie nachfolgend aufgeführt wird, scheiterten aufgrund der deutlichen Zunahme des Auftretens der Missweisungen mit der geringer werdenden Raumferne der Magnetfeldsensoren von dem Kopfabschnitt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein zuverlässig arbeitendes hoch präzises Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer, fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs mit einem Gehäuse, einer, vorzugsweise im Gehäuse rotierenden, auf ihrem aus dem Gehäuse vorstehenden Ende einen Drehbohrmeißel tragenden Meißelantriebswelle, einer Steuervorrichtung, vorzugsweise mehreren in dem Gehäuse angeordneten Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb und mit der Steuervorrichtung verbundene Magnetfeldsensoren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Magnetfeldsensoren in einem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich, bohrmeißelnahen Bereich, des Gehäuses angeordnet und mittels eines von Helmholtz-Spulen erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert sind. Im Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Niederbringen von vertikalen Bohrungen oder Bohrungen mit Krümmungsverlauf, vornehmlich Großlochbohrung, bekannt, die den Anforderungen der Praxis, namentlich in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit und die Sicherheit, insbesondere aber auch in Bezug auf die Genauigkeit der Orientierung des Bohrlochs, in ungenügender Weise Rechnung tragen. Wesentlich ist, dass Bohrungen zum Richtbohren in großen Tiefen kontrollierbar und steuerbar sind. Die Kontrollierbarkeit ist wesentlich, um die Lage des Bohrlochs und den Verlauf der Bohrung zu überprüfen und ggf. unerwünschte Abweichungen zu korrigieren. Die Steuerbarkeit ist ebenso wesentlich, um z.B., sowohl die Ver- tikalität der Tiefbohrung wie auch deren Krümmungsverlauf einzuhalten und möglichst bei Betrieb in den Bohrverlauf einzugreifen. Abweichungen von Bohrlöchern stellen sich gerade im Tiefengestein der Gesteinsformationen ein, auch bedingt durch das Auftreten unterschiedlicher Härten von Festgestein bzw. Lockergestein. Auch stellen sich bei der Bohrung Abweichungen ein aufgrund der Überlänge des Bohrrohrstrangs, auch Bohrgestänge genannt, und der veränderlichen Kraft, die auf das Bohrgestänge ausgeübt wird.

Um die Bohrlochabweichungen zu vermeiden, sind bei einer herkömmlichen Vorrichtung mit einem Drehbormeißel, z.B. Richtbohrgerät, zum Niederbringen von vertikalen oder krümmungsbedingten Bohrungen, die ein Bohrwerkzeug umfasst, an dessen Außenseite umlaufend nach außen schwenkbare Steuerrippen, auch Gleitkufen, Spannstücke, Gleitrippen, usw. genannt, angeordnet, die gegen die Wandung des Bohrlochs kraftbeaufschlagt angesetzt werden. Durch die Kraftbeaufschlagung gegen die Wandung des Bohrlochs, im Folgenden kurz Bohrlochwandung genannt, wird eine Ablenkung des Drehbohrmeißels der herkömmlichen Vorrichtung in Gegenrichtung hervorgerufen. Es zeigt sich jedoch, dass die herkömmliche Vorrichtung lediglich von außen von einem Steuerstand obertägig anzusteuern ist. Die Ansteuerung der Richtungssteuereinrichtungen des herkömmlichen Richtbohrgeräts über den obertägigen Steuerstand führt jedoch zu der zeitversetzten Reaktion des Schwenkens der Steuerrippen, so dass unter Anderem wertvolle Zeit kostenträchtig verloren geht, um den Orientierungsverlauf des Bohrlochs unter Tage zu beeinflussen. Das Abweichen des Bohrlochs von der vorgegebenen Richtung kann zudem auf dem

Drehmoment und die Vorwärtsbohrkraft beruhen, die von dem Drehbohrmeißel auf die Formation ausgeübt wird. Daher ist die Größe und die Richtung der Bohrlochabweichung nach DE 602 07 559 nicht vorhersagbar und bedarf stets der Ansteuerung des Drehbohrmeißels über das Bohrwerkzeug oder Richtbohrgerät. Bei einer herkömmlichen Vorrichtung zur Herstellung zielgerichteter Bohrungen mit einer Messwerteinrichtung mit einem Messgrößenaufnehmer werden die an der Vorrichtung angeschlagenen Steuerrippen nach Maßgabe der Ausschläge der Messwertgrößen desselben angesteuert werden. Es zeigt sich jedoch, dass die Orientierung des Verlaufs und die Überprüfung des Bohrlochs unzureichend sind, da die Messwertgrößen der als Messwerteinrichtungen verwendeten Neigungsmesser und Magnetfeldsensoren nicht in Echtzeit, sondern lediglich zeitlich versetzt über einen obertägigen Steuerstand verarbeitet, mit Sollwertvorgaben verglichen und Steuersignale an die an Kabel elektrisch steuerungstechnisch angeschlossenen Steuerrippen weitergeleitet werden.

Die von Schlumberger Technology B.V. offenbarten herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen erkannten zwar das Problem der zeitversetzten Reaktion des Eingreifens korrektiver Maßnahmen und das seit langem bekannte, aber bisher ungelöste Problem des Auftre- tens magnetischer Missabweichungen, so dass lediglich die bereits oben erwähnte nachteilige bohrkronenentfernte Anordnung der Magnetfeldsensoren verwirklicht wurde. Daher war auch Schlumberger Technology B.V nicht in der Lage, beide Probleme in zufriedenstellender Weise gleichzeitig zu lösen, denn die während der Bohrung erfolgende Bestimmung von Bohrlochneigung und Bohrlochazimut anhand diskreter Anzahl von longitudinalen Punkten ent- lang der Achse des Bohrlochs durch die Abschätzung von mindestens zwei lokalen Magnetfeldkomponenten mittels queraxialer Magnetfeldsensoren und queraxialer Beschleunigungsmessern verkompliziert die Bauweise der Vorrichtung und macht das herkömmliche Verfahren störanfällig und verwirklicht nicht die nahe an dem Drehbohrmeißel zu erfolgende Magnetfeldmessung, geschweige denn die nächst dem Drehbohrmeißel oder unmittelbar an den Drehbohrmeißel angrenzende, zu erfolgende Magnetfeldmessung.

Daher verblieben die Messwerteinrichtungen weiterhin weit beabstandet von dem Drehbohrmeißel, so dass Schlumberger Technology B.V. bedauerte, die Technik der Magnetfeldmessungen für bohrkronennahe Abweichungen sei ungeeignet. Die bohrkronennahe Anordnung der Magnetfeldsensoren in der herkömmlichen Vorrichtung, wie Richtbohrwerkzeugen und -geräten, war technisch undurchführbar, jedoch dringend erfordert, zumal hierdurch gänzlich neue Anwendungen und große Möglichkeiten in dem Tiefrichtbohren sich eröffnen würden; die axiale Magnetfeldmessungen, so erkannte Schlumberger Technology B.V, blieben gegenüber magnetischen Interferenzen oder Missweisungen, die vom nahe gelegenen Bohrrohrstrangkomponenten ausgehen, zum Beispiel von Bohrkrone, Schlammmotor, Erweiterungsbohrwerkzeug, und dergleichen, besonders empfindlich, so dass nur zu der bohrkronenfernen Anwendung der Magnetfeldmessungen, d.h. zu der von den Drehbohrmeißeln entfernten Anordnung der Magnetfeldmessungen in dem herkömmlichen Richtbohrgerät nach herkömmlicher Lehre geraten wurde. Unter bohrkronennahe wird auch bohrmeißelnahe verstanden.

Daher nimmt dieser Stand der Technik in Kauf, da die Magnetfeldmessungen erst sehr spät Richtungsänderungen des Drehbohrmeißels feststellen aufgrund deren weiten Beabstan- dung von dem Drehbohrmeißel, dass das Tiefrichtbohren sich aufgrund der späten Reaktion des Eingreifens korrektiver Maßnahmen als kostenträchtig erweist und das Tiefbohren mit herkömmlichen Richtbohrgeräten oder -Werkzeugen wegen der infolge später Reaktion sich einstellender Verlängerung der Tiefbohrstrecke betriebswirtschaftlich in heutigen Zeiten der Beachtung der stetig wachsenden Relevanz der Kosten-Nutzen-Analyse von Tiefbohrungen mit den von Schlumberger Technology B.V. empfohlenen herkömmlichen Vorrichtungen nicht ratsam ist.

Insbesondere im Fall des Erschließens neuer Gas- oder Erdölfelder mittels Einsatzes herkömmlicher Richtbohrgeräten oder -Werkzeugen, zu welchen Schlumberger Technology B.V. gleichwohl rät, ist das Betreiben von Tiefbohrungen angesichts der Aufbereitung bereits erschlossener Felder mittels Fracking- Verfahren zeitaufwändig und kostenträchtig. Auch das im Stand der Technik bekannte Verfahren, bei welchem ein Bohrloch- Messgerät in ein Bohrloch eingeführt wird und das herkömmliche Bohrloch-Messgerät mittels einer in dem herkömmliche Bohrloch-Messgerät eingebauten Inklinationsspule zur Erzeugung eines vorbestimmten Magnetfeldes zur Darstellung von Inklinationswerten angepasst wird, hilft nicht weiter, da die Vermessung des Bohrlochs und dessen Verlaufs erst nach dem Abteufen desselben und Einführens des herkömmlichen Bohrloch-Messgerätes in das bereits abgeteufte Bohrloch stattfindet, auch wenn das herkömmliche Bohrloch-Messgerät in der Lage ist, Richtungswerte eines Standortes in dem Bohrloch in drei Raumrichtungen zu ermitteln. Auch wird mit dem herkömmlichen Verfahren der Nachteil der Richtbohrgeräte mit der

Anordnung der drehbohrmeißelentfernten Magnetfeldsensoren in den herkömmlichen Richtbohrgeräten nicht gelöst.

Die Aufgabe der Erfindung soll es auch sein, ein Richtbohrgerät bereitzustellen, wel- ches unter Anderem die durch Verwendung unterschiedlicher Materialien in dem Richtbohrgerät erzeugten Abweichungen bzw. Missweisungen frühzeitig -bereits und unmittelbar beim Tiefbohren ausschaltet oder -gleicht und trotz der bei dem Tiefbohren auftretenden magnetischen Störfelder beim Tiefrichtbohren die vorbestimmte Abteufung in Bezug auf die drei Raumrichtungen und die Neigung beibehält, ohne dass es im Gegensatz zum Stand der Tech- nik sogar bei laufendem Bohrbetrieb des obertätigen Eingreifens bedarf, zumal das obertägi- ge Eingreifen erst infolge des Einführens des herkömmlichen Bohrloch-Messgerätes in das Bohrloch möglich ist.

Auch soll ein solches Richtbohrgerät bereitgestellt werden, welches sowohl das Einfüh- ren des herkömmlichen Bohrloch-Messgerätes in das Bohrloch und das anschließende ober- tägige Eingreifen überflüssig macht.

Zudem soll das Richtbohrgerät mit Magnetfeldsensoren in seinem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich, also in dem dem Drehbohrmeißel angrenzenden Bereich, ausgestattet sein, um sonach auch bereits geringste in Drehbohrmeißelnähe messbare z.B. infolge Auftretens unterschiedlicher Gesteinshärten bedingte Abweichungen des Richtbohrgeräts in Neigung und Azimut zu vermeiden. In einer Vielzahl an Druckschriften wird zwar die Kalibrierung herkömmlicher Magnetfeldsensoren offenbart, eine Erkenntnis, die für den Fachmann nichts Neues bringt. So wird in einem weiteren Stand der Technik ein herkömmlicher Bohrlochsensor bereitgestellt, der in der Lage ist, die Raumrichtungen eines Standortes in einem Bohrloch festzustellen und Abweichungen desselben von Sollwerten zu ermitteln, aber der herkömmliche Bohrlochsensor ermöglicht nicht zeitgleich das Abteufen einerseits und die ständige Kontrolle der Überwachung der Richtungsgrößen andererseits während des Abteufens vor Ort, d.h. der dem herkömmlichen Drehbohrgerät zu eigenen, diesem beim Abteufen zuzuordnenden Richtungsgrößen. Auch dieser Stand der Technik bestätigt die Erkenntnis der Schlumberger Technology

B.V. der im Stand der Technik als unmöglich erachteten Beseitigung der Nachteile der nur zeitversetzten Reaktion des obertägigen Eingreifens durch korrigierende Maßnahmen in das durch das herkömmliche Richtbohrgerät erfolgende Abteufen, so dass die ständige Überwachung in Bezug auf Azimut und Neigung aufgrund des Auftretens z.B. magnetischer Mess- abweichungen kostenträchtig weiterhin zu bestehen hat.

Daher ist es Aufgabe des bereitzustellenden Richtbohrgerätes und des Verfahrens, sowohl ein Richtbohrgerät bereitzustellen, welches beispielsweise während des Abteufens sowohl die Abweichungen des Tiefbohrens unmittelbar mittels Magnetfeldsensoren nächst dem Drehbormeißel des Richtbohrgeräts misst, die Abweichungen mit Sollwerten vergleicht, entsprechende Stellsignale zur Steuerung des Richtbohrgerätes erzeugt und unabhängig von der Ansteuerung von außen, also außerhalb des Richtbohrgerätes, ohne Zeit- und Kostenaufwand frühzeitig -ohne Zeitverzug- an die Stellglieder, wie Spannstücke, des Richtbohrgerätes weiterleitet. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung magnetischer Flussdichten können in einem Bohrlochmessverfahren Magnetfeldsensoren verwendet werden, die um die Geräte- Längsachse rotierend angeordnet sind und dabei durch den vorhandenen Erdmagnetismus induzierte Signale an den Steuerstand obertägig liefern, gleichwohl verbleiben die Magnetfeldsensoren in einem weiten Abstand von dem Drehbohrmeißel, so dass man geringfügige Änderungen des Verlaufs des Bohrlochs weder erkennt, noch frühzeitig in den Betrieb des Tiefrichtbohrens zwecks Korrektur einzugreifen vermag.

Aufgabe der Erfindung soll es sein, ein Verfahren bereitzustellen, welches Magnetfeldsensoren in einem Richtbohrgerät auf einfache Weise kalibriert.

Weiterhin soll das Verfahren Abweichungen des Richtbohrgerätes bei Betrieb im Tiefbohren bereits im Voraus erfassen und korrektive Maßnahmen abspeichern.

Zudem soll das bereitzustellende Richtbohrgerät geringfügige Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs bei Bohren in großen Tiefen ohne Weiteres erkennen können.

Des Weiteren soll das bereitzustellende Richtbohrgerät Magnetfeldsensoren in bohrkronennaher Anordnung aufweisen.

Ebenso soll das Richtbohrgerät nicht nur bereits geringfügige Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs erkennen, sondern auch frühzeitig korrektive Maßnahmen zur Aufrechterhaltung des erwünschten Bohrungsverlaufs ergreifen.

Zusätzlich soll das bereitzustellende Richtbohrgerät im Fall von Änderungen des Bohrungsverlaufs ohne Gefahr des Einflusses magnetischer Störfelder auf die Lagebestimmung das Tiefrichtbohren korrigieren. Hinzukommend soll das Ansteuern des Richtbohrgerätes über einen obertägigen Steuerstand insoweit überflüssig sein, als dieser von der Durchführung korrektiver Maßnahmen infolge unerwünschter Bohrlochabweichungen entlastet und nur noch zur Steuerung der Tief- bohrung als solche zuständig ist.

Hinzutretend soll das bereitzustellende Richtbohrgerät in Echtzeit sich selbst steuern, um die kostenträchtige Verlängerung der Bohrstrecke infolge später einsetzender Abweichungsabhilfen zu vermeiden.

Überdies soll das bereitzustellende Verfahren kostengünstig die Kalibrierung des Richtbohrgerätes durchzuführen sein, so dass das auch von Schlumberger Technology B.V erkannte, aber von Schlumberger Technology B.V ungelöste Problem der Anordnung von Magnetfeldsensoren bohrkronennah in Richtbohrgeräten beseitigt wird und das von Schlumberger Technology B.V vorgeschlagene komplizierte und störanfällige Verfahren vermieden wird.

Smart Drilling GmbH ordnet die Sensoren, wie Magnetfeldsensoren, für Neigung und Richtung in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät an und führt zur Erhaltung der geforderten Genauigkeiten eine Korrektur durch. Die Erfindung löst das Problem durch den Einsatz einer Helmholtz Spule. Im Zentrum der Helmholtz-Spule wird das vorhandene Magnetfeld inklusive des Erdmagnetfeldes neutralisiert, d.h. es besteht kein Magnetfeld. Anschließend wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit den Richtungssensoren, wie Magnetfeldsensoren, in das neutrale Magnetfeld der Spule positioniert. Da sich in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät verschiedene Komponenten befinden, die eine magnetische Beeinflussung erzeugen, zeigen die Richtungssensoren nun in der Helmholtz-Spule die magnetische Missweisung in x-, y-und z- Achsen an. Diese Beeinflussung wird dann vorteilhafterweise kompensiert, bis wieder ein neutrales Magnetfeld vorliegt und als Korrekturwerte im elektronischen Speicher des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes hinterlegt. Anschließend können alle Betriebsfunktionen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes in der Helmholtz-Spule durchgefahren werden, die magnetischen Missweisungen gemessen, kompensiert und die Korrekturfaktoren im Richtbohrgerät abgespeichert werden. So kann das erfindungsgemäße Richtbohrgerät im Betrieb sich selbst kompensieren und die hohen geforderten Richtungsgenauigkeiten erfüllen.

Die Aufgaben werden gelöst durch den Hauptanspruch und den Nebenanspruch, die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltung und Weiterentwicklung der Erfindung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren unter Verwendung eines Richtbohrgeräts, welches umfasst ein Gehäuse,

eine zumindest teilweise in einem Kopfschnitt des Gehäuses rotierende oder rotierbare Meißelantriebswelle, deren unteres, vorzugsweise aus dem Gehäuse vorstehendes, Ende in dem Kopfabschnitt einen Drehbohrmeißel trägt, der Kopfabschnitt in einen Rumpfabschnitt des Gehäuses übergeht,

eine in dem Rumpfabschnitt des Gehäuses angeordnete Steuervorrichtung,

mehrere mit derselben verbundene Magnetfeldsensoren,

der Rumpfabschnitt in einen Fußabschnitt des Gehäuses übergeht,

mehrere in dem Rumpfabschnitt oder dem Fußabschnitt des Gehäuses angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraft- komponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei einem Bohrbetrieb,

welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt des Gehäuses angeordnet sind und mittels eines von der Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert werden, wobei

a. das Richtbohrgerät mit den Magnetfeldsensoren in das durch die Helmholtz-Spule erzeugte Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in demselben angeordnet wird,

b. zur Kompensation magnetischer Störfelder die von magnetischen Störfeldern beein- flussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von den Magnetfeldsensoren bestimmt und die mit diesen korrespondierenden Messwerte als Missweisungswerte oder-signale erzeugt und die Missweisungswerte oder- signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

mit den Missweisungswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturwerte von der Steuervorrichtung erzeugt werden, die dem Ausmaß der Messwerte von durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von, den Messwerten der magnetischen Flussdichte bei Bezugsnormal entsprechen, und die Korrekturwerte in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden, und/oder

c. danach in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld das Richtbohrgerät in von der vorbestimmten Lage sich unterscheidende Ausrichtungen, z.B. als Betriebsfunktionen, angeordnet wird,

die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von Magnetfeldsensoren bestimmt und die mit diesen magnetischen Missweisungen wegen verschiedener Ausrichtungen, z.B. als Betriebsfunktionen, bedingten korrespondierenden Messwerte als Positionswerte oder - Signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

mit den Positionswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturfaktoren durch die Steuervorrichtung zum Verbringen des Richtbohrgeräts zurück in die vorbestimmte Lage erzeugt sowie die Korrekturfaktoren in dem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden.

Die Erfindung ist auch gerichtet auf ein zuverlässig arbeitendes Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs mit einem Gehäuse,

einer zumindest teilweise in einem Kopfschnitt des Gehäuses rotierenden oder rotierbaren Meißelantriebswelle, deren unteres, vorzugsweise aus dem Gehäuse vorstehendes, Ende in dem Kopfabschnitt einen Drehbohrmeißel trägt,

wobei der Kopfabschnitt in einen Rumpfabschnitt des Gehäuses übergeht, einer in dem Rumpfabschnitt des Gehäuses angeordneten Steuervorrichtung,

mehreren mit derselben verbundenen Magnetfeldsensoren,

wobei der Rumpfabschnitt in einen Fußabschnitt des Gehäuses übergeht,

mehreren in dem Rumpfabschnitt oder dem Fußabschnitt des Gehäuses angeordneten Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei einem Bohrbetrieb,

welches dadurch gekennzeichnet ist, dass

die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt des Gehäuses angeordnet sind und mittels eines von der Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert werden, das Richtbohrgerät mit den Magnetfeldsensoren in das durch die Helmholtz-Spule erzeugte Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in demselben angeordnet wird,

zur Kompensation magnetischer Störfelder die von magnetischen Störfeldern beein- flussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von den Magnetfeldsensoren bestimmt und die mit diesen korrespondierenden Messwerte als Missweisungswette oder-signale erzeugt und die Missweisungswerte oder- signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

mit den Missweisungswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturwerte von der Steuervorrichtung erzeugt werden, die dem Ausmaß der Messwerte von durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messwerten der magnetischen Flussdichte bei Bezugsnormal entsprechen, und die Korrekturwerte in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden, und/oder

danach in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld das Richtbohrgerät in von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen, z.B. als Betriebsfunktio- nen, angeordnet wird,

mit den Positionswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturfaktoren durch die Steuervorrichtung zum Verbringen des Richtbohrgeräts zurück in die vorbestimmte Lage er- zeugt sowie die Korrekturfaktoren in dem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden.

Das erfindungsgemäße Richtbohrgerät kann umfassen ein Gehäuse, dessen dem Kopfabschnitt abgewandter Fußabschnitt zu einer Aufnahme eines Bohrrohrstrangs und/oder einer Kopplung an einen Bohrrohrstrang vorgesehen ist, eine im Kopfabschnitt angeordnete, vorzugsweise im derselben oder zumindest teilweise im Gehäuse rotierende, auf ihrem, z.B. aus dem Gehäuse vorstehenden, Ende einen Drehbohrmeißel tragende Meißelantriebswelle, eine in dem Gehäuse, vorzugsweise in dessen Rumpf- und/oder Fußabschnitt, angeordnete Steuervorrichtung, vorzugsweise mehrere in dem Gehäuse, vorzugsweise in dessen Rumpf- und/oder Fußabschnitt, angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb und mehreren Magnetfeldsensoren, wobei die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt des Gehäuses, nämlich in dem bohrmeißelnahen Bereich des Gehäuses, angeordnet und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in ein die Helmholtz-Spule aufweisendes Ge- stell eingebracht und durch das von der Helmholtz-Spule erzeugte homogene Magnetfeld kalibriert sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem hoch präzise arbeitenden Richtbohrgerät zur frühzeitigen, zuverlässigen, zeitnahen Bestimmung des Bohrlochs und der Ausrichtung des Drehbormeißels relativ zum Erdmagnetfeld-Vektor unter Vorgabe eines wählbaren, wie vorbestimmten, Richtungs- Verlaufs des Bohrlochs für das Tiefbohren, wobei das Kalibrieren in einem mittels Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld durchgeführt wird. Auch ist die Erfindung auf eine Verwendung eines von einer Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes zur Kalibrierung eines Richtbohrgeräts gerichtet, welches um- fasst ein Gehäuse,

eine zumindest teilweise in einem Kopfschnitt des Gehäuses rotierende oder rotierbare Meißelantriebswelle, deren unteres aus dem Gehäuse vorstehendes Ende in dem Kopfabschnitt einen Drehbohrmeißel trägt,

der Kopfabschnitt in einen Rumpfabschnitt des Gehäuses übergeht,

eine in dem Rumpfabschnitt des Gehäuses angeordnete Steuervorrichtung,

mehrere mit derselben verbundene Magnetfeldsensoren,

der Rumpfabschnitt in einen Fußabschnitt des Gehäuses übergeht,

mehrere in dem Rumpfabschnitt oder dem Fußabschnitt des Gehäuses angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei einem Bohrbetrieb,

wobei die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt des Gehäuses angeordnet sind und mittels eines von Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert werden, das Richtbohrgerät mit Magnetfeldsensoren in das durch Helmholtz-Spule erzeugte Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in demselben angeordnet wird ,

zur Kompensation magnetischer Störfelder die von magnetischen Störfeldern beein- flussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von den Magnetfeldsensoren bestimmt und mit diesen korrespondierende Messwerte als Missweisungswerte oder-signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden, mit den Missweisungswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturwerte von der Steuervorrichtung erzeugt werden, die dem Ausmaß der Messwerte von durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messwerten der magnetischen Flussdichte bei Bezugsnormal entsprechen, und die Korrekturwerte in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden, und/oder danach in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld das Richtbohrgerät in von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen als Betriebsfunktionen angeordnet wird,

die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als magneti- sehe Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von Magnetfeldsensoren bestimmt und die mit diesen magnetischen Missweisungen wegen verschiedener Ausrichtungen/Betriebsfunktionen bedingten korrespondierenden Messwerte als Positionswerte oder - Signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

Das erfindungsgemäße Verfahren, welches das Richtbohrgerät mit einem Gehäuse, ei- ner im Gehäuse rotierende Meißelantriebswelle, deren aus dem Gehäuse vorstehendes Ende einen Drehbohrmeißel trägt, einer in dem Gehäuse angeordnete Steuervorrichtung und mit derselben verbundenen Magnetfeldsensoren, mehreren in dem Gehäuse angeordneten Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei Bohrbetrieb, verwendet, umfasst die Schritte:

die Magnetfeldsensoren in einem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich, also in dem bohrmeißelnahen Bereich, des Gehäuses angeordnet und mittels von Helmholtz- Spule erzeugtem homogenem Magnetfeldes kalibriert werden. Unter Anordnung in dem Kopfabschnitt des Gehäuses wird im Sinne der Erfindung auch verstanden, die Anordnung im bohrmeißelnahen, auch drehbohrmeißelnahen genannt, Bereich, der

nächst dem Drehbohrmeißel in dem erfmdungsgemäßen Richtbohrgerät ist oder unmittelbar an den Drehbohrmeißel in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät angrenzt oder

in unmittelbarer Nähe zu dem Drehbohrmeißel angeordnet ist, ohne dass der Drehbohr- meißel und die Magnetfeldsensoren sich bei Betrieb des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts gegenseitig behindern im Gegensatz zum Stand der Technik. Das bedeutet auch im Sinne der Erfindung, dass der Drehbohrmeißel und die Magnetfeldsensoren -im Gegensatz zum Stand der Technik- nicht voneinander beabstandet sind, eine Anordnung, die im Gegensatz zu der im Stand der Technik bisher geforderten Raumferne der Magnetfeldsensoren von dem Kopfabschnitt steht, und die der Vorschrift der herkömmlichen Lehre, Magnetfeldsensoren in dem dem Drehbohrmeißel abgewandten Bereich herkömmlicher Richtbohrgeräte zwecks Vermeidung der gegenseitigen Beeinflussung bzw. Vermeidung der Behinderung der Magnetfeldsensoren z.B. durch die im Bereich des Drehbohrmeißels auftretbaren Missweisungen beim Abteufen anzuordnen, nicht folgt. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein zuverlässig arbeitendes hoch präzises

Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer, fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs mit einem Gehäuse, einer, vorzugsweise im Gehäuse rotierenden, auf ihrem aus dem Gehäuse vorstehenden Ende einen Drehbohrmeißel tragenden Meißelantriebswelle, einer Steuervorrichtung, vorzugsweise mehreren in dem Gehäuse angeordneten Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb und mit der Steuervorrichtung verbundene Magnetfeldsensoren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Magnetfeldsensoren in einem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich, bohrmeißelnahen Bereich, des Gehäuses angeordnet und mittels eines von Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert sind.

Der Erfindung liegt auch zugrunde das Kompensieren, auch im Sinne der Erfindung Abgleichen genannt, des Einflusses der durch magnetische Störfelder bedingten magnetischen Missweisungen bzw. deren magnetischen Flussdichten von den magnetischen Flussdichten ohne Störfelder in dem von Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld, so dass deren Einfluss eliminiert ist, und das nachfolgende Kompensieren der Betriebsfunktionen, wie verschiedenste Ausrichtungen oder Anordnungen des Richtbohrgeräts in dem von Helmholtz-Spule er- zeugten Magnetfeld, die sich von einer vorbestimmten Lage des Richtbohrgeräts, auch als Bezugsnormal bezeichnet, unterscheiden, um das Richtbohrgerät in die vorbestimmte Lage zurücksetzen zu können; diese Schritte werden im Sinne der Erfindung auch Kalibrieren genannt. Bevorzugterweise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts, die vorteilhafterweise in dem vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten Bereich des Gehäuses, also nächst dem Drehbohrmeißel oder unmittelbar an diesen angrenzend, angeordnet sind, mittels eines von Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeldes kalibriert. Unter Helmholtz-Spule oder Helmholtz-Spulen wird im Sinne der Erfindung auch verstanden die Anordnung von zwei Spulen zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, zumindest eines weitgehend homogenen für die Kalibrierung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts hinreichenden Magnetfeldes; durch die Überlagerung der Magnetfelder beider Spulen der Helmholtz-Spulen ergibt sich vorteilhafterweise in Achsennähe das homogene Magnetfeld. Einfach gesagt, die Bedingungen unter Tage, die z.B. den Betriebsfunktionen entsprechen können, können mittels Magnetfeld auch nachgeahmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft auch das Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem von Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeld, da diese in dem erfin- dungsgemäßen Richtbohrgerät in dem bohrmeißelnahen Bereich des Gehäuses des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts angeordnet sind. Üblicherweise werden die magnetischen Störfelder, wie Hart- oder Soft-Iron-Effekte genannt, die z.B. durch die Drehbohrmeißel, ggf. den Schlammmotor, das Erweiterungsbohrwerkzeug, erzeugt werden und das Erdmagnetfeld überlagern oder zumindest beeinflussen können, mittels des erfindungsgemäßen Verfah- rens in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät kompensiert. Das Ausmaß der Kompensation kann qualitativ und quantitativ gemessen und in der Steuervorrichtung abgespeichert werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät ver- wendet, welches ein Gehäuse umfasst, wobei in dem Gehäuse eine Meißelantriebswelle rotierend angeordnet sein kann. Die Meißelantriebswelle ist an ihrem aus dem Gehäuse vorstehenden, oberen Ende mit einem Bohrrohrstrang koppelbar. In dem Gehäuse ist die Steuervorrichtung angeordnet, die mit den unmittelbar an den Drehbohrmeißel angeordneten Magnetfeldsensoren verbunden ist. Die herkömmliche Steuervorrichtung kann, wie dem Fachmann wohl vertraut ist, eine Messwerteinrichtung und/oder eine programmierbare Messwertempfangseinrichtung und/oder eine programmierbare Messwertverarbeitungseinrichtung, usw. umfassen, die miteinander verbunden sein können, zwecks Weiterleitung, Austausche und/oder Verarbeitung von Daten, Signalen, Missweisungswerten, -Signalen, Korrekturwerten, Positionswerten, -Signalen, Korrekturfaktoren durch die Steuervorrichtung zum Verbringen des Richt- bohrgeräts zurück in die vorbestimmte Lage erzeugt sowie die Korrekturfaktoren in dem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden. Die Magnetfeldsensoren können auch in bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahren und des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts als Messwerteinrichtung ein Bestandteil der Steuervorrichtung sein.

Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen.

a. das Richtbohrgerät mit Magnetfeldsensoren in das durch Helmholtz-Spule erzeugte Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in demselben angeordnet wird,

b. zur Kompensation magnetischer Störfelder die von magnetischen Störfeldern beein- flussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von den Magnetfeldsensoren bestimmt und mit diesen korrespondierende Messwerte als Missweisungswerte/-signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden, mit den Missweisungswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturwerte von der Steuervorrichtung erzeugt werden, die dem Ausmaß der Messwerte von durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messwerten der magnetischen Flussdichte bei Bezugsnormal entsprechen, und die Korrekturwerte in einem elektroni- sehen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden, und/oder

c. danach in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld das Richtbohrgerät in von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen/Betriebsfunktionen angeordnet wird,

Unter Verbindung wird im Sinne der Erfindung auch verstanden ein herkömmlicher elektrisch steuerungstechnischer Anschluss, z.B. zwischen den Magnetfeldsensoren und der Steuerverbindung, der Richtungssteuereinrichtungen und der Steuervorrichtung zwecks Austausch oder zumindest Weiterleitung von Daten, Messwerten oder Signalen. Im Sinne der Erfindung wird unter Steuervorrichtung auch verstanden, eine herkömmliche mit einer programmierbaren Messwertempfangseinrichtung, einer programmierbaren Messwertverarbei- tungseinrichtung, usw. die dem Fachmann wohl vertraut sind. Die Verbindung kann sein drahtlos, mittels Draht, Ultraschall, Infrarot, Datenkommunikation mittels Bluetooth, usw. in analoger und / oder digitaler Form und / oder codiert. Im Sinne der Erfindung werden unter Magnetfeldsensoren herkömmliche, z.B. Messwertempfangseinrichtung, auch verstanden, die dem Fachmann ebenso wohl vertraut sind. Weiterhin befinden sich in dem Gehäuse mehrere in oder an dem Gehäuse angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkom- ponenten für das Ausrichten des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts bei Bohrbetrieb. In dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät ist das Gehäuse vorteilhafterweise um den Bohrrohrstz- rand und/oder Meißelantriebswelle rotierbar angeordnet.

So kann in einem ersten Schritt, hier a., das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit sei- nen Magnetfeldsensoren in das von Helmholtz-Spule erzeugte homogene Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in dem homogenen Magnetfeld angeordnet werden.

In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfin- dungsgemäßen Richtbohrgerätes wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät in die Helmholtz-Spule eingefahren bzw. in ein, vorzugsweise käfigartiges, Gestell mit mindestens einer Helmholtz-Spule eingefahren, welches die beiden Spulen aufweist. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels der Helmholtz-Spule herkömmlicherweise ein homogenes Magnetfeld erzeugt, wobei die Spulen, wie Ringspulen, der Helmholtz-Spule auf gleicher Achse vorteilhafterweise angeordnet sind, isnbesondere einen identischen Radius aufweisen und/oder der axiale Abstand der Spulen voneinander dem Spulenradius entspricht. So werden die Spulen jeweils über eine Zuführeinrichtung mit einem Generator verbunden, die Spulen elektrisch in Serie geschaltet zum gleichsinnigen Stromdurchfluss sein können. Die Erzeugung von homogenen Magnetfeldern mittels Helmholtz-Spule, die ein Richtbohrge- rät zentriert aufnehmen und kalibrieren, sind dem Fachmann bekannt, so dass sich Angaben über Windungszahl N, der Radius der beiden Spulen, die Frequenz, magnetischen Flussdichte, die Stromstärke 1 für den Betrieb derselben sich erübrigen; die beiden Spulen der Helmholtz- Spule können auch, wie üblicherweise zuweilen ist, als Helmholtz-Spulen bezeichnet. Um die magnetischen Störfelder zu kompensieren, erfolgt die Bestimmung von magnetischen Flussdichten im folgenden Schritt, wie im Schritt b. Die Bestimmung derselben ist dem Fachmann bekannt; so können im Schritt b. beispielhaft das Minimum und das Maximum an magnetischer Flussdichte in Richtung jeder Achse, wie in Richtung der X-, Y- und Z- Achsen, von den Magnetfeldsensoren bestimmt werden. In dem Schritt können die infolge magnetischer Störfelder auftretenden Abweichungen der von Magnetfeldsensoren gemessenen magnetischen Flussdichten als Messwerte oder -großen von denjenigen Messwerten magnetischer Flussdichten ohne magnetische Störfelder als Normalbezug oder Bezugsnormal festgestellt und dokumentiert, z.B. in der Steuervorrichtung abgespeichert, werden. Falls er- forderlich kann auch das Ausmaß der Messwerte als Abweichungen der magnetischen Flussdichten in Gegenwart magnetischer Störfelder verglichen mit denjenigen Messwerten magnetischer Flussdichte in Abwesenheit magnetischer Störfeldern auch berechnet bzw. abgeglichen und in der Steuervorrichtung, wie in seinem elektronischen Speicher, abgespeichert werden.

Die Magnetfeldsensoren erzeugen die mit den Messwerten korrespondierenden Missweisungswerte oder Missweisungssignale und leiten diese über ihre Ausgänge an den Eingang der Steuervorrichtung weiter. Von der Steuervorrichtung können Korrekturwerte erzeugt werden, die mit den Missweisungswerten oder -Signalen korrespondieren. Diese können dem Ausmaß der durch die Störfelder erzeugten Änderungen oder Abweichungen der Messgrößen der magnetischen Flussdichten von den Messgrößen bei magnetischer Flussdichte bei Bezugsnormal ohne Störfelder entsprechen. Die Korrekturwerte werden in der Steuervorrichtung, vorzugsweise in dessen elektronischen Speicher, des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes hinterlegt.

In einem weiteren Schritt, wie c, wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld in verschiedenen Ausrichtungen zentral angeordnet, die sich von der vorbestimmten Lage, hier bezeichnet als Normallage, unterscheiden. Die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als Messgrößen magnetischer Flussdichten können in Richtung jeder Achse, -wie in Richtung der X-, Y-, Z-Achsen-, von den Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes bestimmt werden. Für die Verarbeitung von Messwerten, die Regelung der Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts ist in der Steuervorrichtung desselben ein Regelkreis für Mehrgrößenregelung vorgesehen. Die verschiedenen Ausrichtungen können den Betriebsfunktionen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes vor Ort entsprechen, die also vor Ort im Tiefbohren im Gestein auftreten können. Die mit den verschiedensten Ausrichtungen bedingten korrespondierenden Messwerte magnetischer Flussdichten werden als Positionswerte, auch Positionssignale genannt, über die Ausgänge der Magnetfeldsensoren an den Eingang der Steuervorrichtung weitergeleitet. Die mit den Positionswerten korrespondierenden Korrekturfaktoren werden von der Steuervorrichtung erzeugt, die dazu dienen können, das erfindungsgemäße Richtbohrgerät aus seinen verschiedensten Ausrichtungen wieder zurück in seine vorbestimmte Lage zu verbringen. Auch können üblicherweise die Positionswerte als Regelgrößen mit Sollwertvorgaben verglichen, im Fall von Abweichungen können geänderte Ausgangsgrößen als Stellsignale an die Richtungssteuereinrichtungen weitergeleitet werden zwecks Änderung von z.B. Neigungen, Azimut. Die Positionswerte als Istwerte können von der von dem Sollwert vorbestimmten Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts als Normalbezug oder Bezugsnormal abweichen, so dass die Korrekturwerte Stellgrößen entsprechen oder die nach Abgleich der Positionswerte um Korrekturwerte im Fall von Abweichung ermittelten Ausgangsgrößen als Abgleichfaktoren Stellgrößen entsprechen können, die an die Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts weitergeleitet werden können.

Die der Normallage oder Bezugsnormal zuzuordnenden Messgrößen können auch soweit als in der Steuervorrichtung eingegebene Sollwertvorgabe für die Positionswerte erachtet werden, als bei Abweichungen von diesen die Korrekturfaktoren als Stellgrößen an die Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts weitergeleitet werden zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten gegen die Bohrlochwandung. Die in Schritt c. von den Magnetfeldsensoren bestimmten Messwerte können um die Korrekturwerte von der Steuervorrichtung abgeglichen, quasi bereinigt werden. Die Korrekturfaktoren werden in einem elektrischen bzw. elektronischen Speicher der Steuervorrich- tung des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes hinterlegt, so dass bei Bedarf die Positionswerte ggf. mit Sollwertvorgaben in Echtzeit -ohne Rückgriff auf einen Steuerstand über Tage - verglichen und die den Positionswerten entsprechenden Korrekturfaktoren als Stellgrößen entsprechende Steuersignale an die Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts weitergeleitet werden.

Durch die Kalibrierung der Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts in dem homogenen Magnetfeld werden wirkungsvoll alle magnetischen Störfelder, bedingt durch externe Einflüsse, wie hart- und weichmagnetische Materialien, in der Nähe der Magnetfeldsensoren, qualitativ erfasst und in deren Maß quantitativ bestimmt, so dass die umständliche Kalibrierung desselben beispielsweise in herkömmlichen Feldstationen ohne Einfluss störender sonstiger magnetischer Missweisungen sich erübrigt.

Weiterhin können in Schritt c. die Korrekturfaktoren um die Korrekturwerte zur Erzeugung von Abgleichfaktoren abgeglichen werden, so dass die Abgleichfaktoren den Istwerten der von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen entsprechen. Die Abgleichfaktoren können mit Sollwertvorgaben, z.B. die den Sollwertvorgaben der vorbestimmten Lage im Magnetfeld entsprechen, verglichen und infolge der Abweichungen von Sollwertvorgaben geänderte Ausgangsgrößen als Stellsignale oder Steuersignale erzeugt werden, die an die Richtungssteuereinrichtung zur Ansteuerung derselben dienen. in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts können in dem Gehäuse des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes auch weitere Messwerteinrichtungen, insbesondere Temperatursensoren, Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren, Gammastrahlungssensoren, Gyroskop-Sensoren und/oder sonstige WOB-Sensoren zum genauen Bestimmen der Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts zu einem bestimmten Zeitpunkt mit der Steuervorrichtung verbunden sein.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird gewährleistet, dass auf einfache und kos- tengünstige Weise das erfindungsgemäße Richtbohrgerät kalibriert wird.

Magnetische Störfelder, die bedingt sind durch die in dem erfindungsgemäßen Richtbohrgerät vorhandenen ferromagnetischen Materialien, die die magnetische Flussdichte beeinflussen, werden frühzeitig berücksichtigt und kompensiert.

In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes können die Messgrößen zur Bestimmung des Richtungsverlaufs des Bohrlochs ebenso über Kabel, tele- metrisch und/oder in Form von Drucksignal und/ oder Impulsen, wie Schallwellen, von einem obertägigen Steuerstand zu der Steuervorrichtung und zurück weitergeleitet werden. Die Übermittlung von Steuersignalen oder sonstigen Daten, wie Messwertgrößen, an die Steuervorrichtung oder von derselben an den Steuerstand können gleichfalls übermittelt werden, wie weiter unter ausgeführt wird.

In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die o. g. Schritte auch in Gegenwart vorgegebener Temperaturen oder Temperaturbereiche durchgeführt werden, da die Übertragungseigenschaften in den Magnetfeldsensoren, innerhalb des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes, usw. temperaturabhängig sein können.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes liegt auch in dem Umstand be- gründet, dass die im Kopfabschnitt befindlichen Magnetfeldsensoren nicht nur frühzeitig über Abweichungen des Bohrlochs, sondern auch geringfügige Abweichungen des im Kopfabschnitt befindlichen Drehbohrmeißels bestimmen, über die Steuervorrichtung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts die korrektiven Maßnahmen in Echtzeit -ohne Eingriff von außen- aufgrund der in der Steuervorrichtung einprogrammierten Sollwertvorgaben, z.B. in Bezug auf Neigung und Richtung des Bohrlochs, und/oder Korrekturwerte, Korrekturfaktoren, Abgleichfaktoren, erfolgen können.

Aufgrund der Anordnung auch weiterer Messwerteinrichtungen können diese weitere Messwerte oder -großen ermitteln und an die Steuervorrichtung weiterleiten, die zur Regelung der Richtungssteuereinrichtungen über einen Regelkreis für Mehrgrößenregelung verfügt, welchem die Regelgrößen als Istwerte der Messwerteinrichtungen zugeführt werden, und in welchem diese Regelgrößen mit Sollwertvorgaben verglichen werden, so dass bei Abweichungen die Stellgrößen den Richtungssteuereinrichtungen als sogenannte Steuersignale zu- geführt werden, wie in DE 199 50 040 offenbart.

Durch das geschickte Zusammenarbeiten der Messwerteinrichtungen miteinander über die Steuervorrichtung werden ggf. auftretende Verzerrungen oder Missweisungen zwischen den einzelnen Messwerteinrichtungen und deren Messgrößen vermieden und derart über den Regelkreis für Mehrgrößenregelung miteinander gekoppelt, dass eine einwandfreie Kontrolle und Veränderung der einprogrammierten Sollwertvorgaben in dem Richtbohrgerät gewährleistet ist.

Die Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes können als Verspannvorrichtungen mit Stelleinrichtungen ausgebildets ein. an die radial auswärts und einwärts bewegbare, schildartige in Nuten des Gehäuses einlassbare, über den Umfang verteilt im Gehäuse zumindest auf einer Verspannebene angeordnete Spannstücke gekoppelt sind, deren Bewegbarkeit mittels der mindestens ein durch Hitze ausdehnbares Druckmedium aufweisenden Stelleinrichtungen temperaturgesteuert ist, das Druckmedium ein Feststoff und / oder eine Flüssigkeit ist, der Feststoff einen linearen Ausdehnungskoeffizienten bei 20°C von 1 ,5 bis 30,0 x 10^"6K^"' und/oder die Flüssigkeit einen Volumen-Ausdehnungskoeffizienten γ bei 18°C von 5,0 bis 20,0 x 10^"4K^"' aufweisen, wobei z.B. an den Stelleinrichtungen die Spannstücke gelenkig gekoppelt sind, die Stelleinrichtung als eine Kolben-Zylinder- Einrichtung ausgebildet ist, deren Zylinderraum eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Druckmediums aufweist, der Kolben mit seinem Außenende an dem Spannstück gekoppelt ist, der Zylinderraum mit der Flüssigkeit oder dem Gas als Druckmedium befüllt ist. So können an den Stelleinrichtungen die Spannstücke gelenkig gekoppelt sein, wobei die Stelleinrichtung als eine Kolben-Zylinder-Einrichtung ausgebildet ist, deren Zylinderraum druckme- diumdurchgängig mit einer Kammer eines Kammergehäuses verbunden ist, der Zylinderraum und die Kammer mit der Flüssigkeit oder dem Gas als Druckmedium befüllt sind, eine Heizeinrichtung an zumindest einem Teil der Innen- und / oder Außenwänden des Kammergehäuses zum Aufheizen desselben und des Druckmediums angeordnet ist, der Kolben mit seinem Außenende an dem Spannstück gekoppelt ist, der Zylinderraum der Kolben-Zylinder- Einrichtung eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Druckmediums aufweist, der Kolben mit seinem Außenende an dem Spannstück gekoppelt ist, der Zylinderraum mit der Flüssigkeit oder dem Gas als Druckmedium befüllt ist und/oder der Kolben infolge Erhitzung des Druckmediums radial zu der Mitte-Längsachse des Gehäuses zum kraftbeaufschlagten Ansetzen des Spannstücks gegen eine Bohrlochwandung bei Übergang von der Ausgangsstellung in die Endstellung sowie infolge Erkaltung des Druckmediums radial zu der Mitte-Längsachse des Gehäuses zum Ansetzen des Spannstücks an dasselbe bei Übergang von der Endstellung in die Ausgangsstellung verschoben ist. Es können das Druckmedium einen Volumen- Ausdehnungskoeffizienten γ bei 18 °C von 7,2 bis 16,3 x 10^"4K^"', noch mehr bevorzugt 12 bis 15 x 10^"4K^"', und/oder der Feststoff einen linearen Ausdehnungskoeffizienten α bei 0°C oder 20°C von 3,0 bis 24 x 10^"6K^"', noch mehr bevorzugt 10,0 bis 18,0 x 10^"6K^"', aufweisen. Die Stelleinrichtung kann als ein Linearantrieb ausgebildet sein, der mindestens einen aus dem Feststoff ausgebildeten Stab aufweist, an dessen Außenende das Spannstück gekoppelt ist, wobei der Feststoff einen linearen Ausdehnungskoeffizienten α bei 0°C oder 20°C von 3,0 bis 24 x 10^"6K^{" 1} , noch mehr bevorzugt 10,0 bis 18,0 x 10^"6K^"', aufweisen kann; auch ist ein die Kolben-Zylinder-Einrichtung als doppeltwirkende ausgebildet, deren gegenüberliegende Kolbenflächen mit temperaturgesteuerten Druckmedien beaufschlagbar sind.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts können die Druckimpulse in strömenden Medien zur Übertragung von Informationen der Steuervorrich- tung , insbesondere beim Herstellen von Bohrungen, im untertägigen Berg- und Tunnelbau durch den Spülkanal des an die Meißelantriebswelle koppelbaren Bohrrohrstrangs übertragen werden, wobei im Spülungskanal des Bohrrohrstrangs ein Laufrad angeordnet ist, das in Generator- und Motorbetrieb umschaltbar ausgebildet und entsprechend abwechselnd betreibbar ist. Hierbei kann das Laufrad mit den dem Bohrrohrstrang zugeordneten Spulen korrespondierend angebrachte Magnete aufweisen. Die Spulen können mit Energiespeichern verbunden sein, wobei das Spulrad vorteilhafterweise axial angeordnet ist. Zudem kann das Laufrad über sich gegen die Innenwand des Spülungskanals des Bohrrohrstrangs abstützende Führungen gelagert sein wie in DE 41 34 609 offenbart.

In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts können Informationen von der Steuervorrichtung über den Bohrrohrstrang innerhalb desselben mittels Druckimpulsen in einer strömenden Flüssigkeit, vorzugsweise Bohrspülflüssigkeit oder -fluid genannt, übertragen werden, wobei das erfindungsgemäße Richtbohrgerät eine mit der Steu- ervorrichtung verbundene Vorrichtung zur Übertragung der Informationen, insbesondere beim Herstellen von Bohrungen, mittels Drucksignalen in strömender Flüssigkeit, vorzugsweise Bohrspülflüssigkeit, umfasst; die Vorrichtung weist eine Informationserzeugungseinrichtung, eine an die Informationserzeugungseinrichtung angeschlossene Übertragungseinrichtung zur Erzeugung der Druckimpulse in der Flüssigkeit und eine Empfangseinrichtung zum Empfan- gen und Auswerten der durch die Druckimpulse übertragenen Informationen im Steuerstand auf, wobei die Übertragungseinrichtung einen elastischen Strömungswiderstandskörper im Flüssigkeitsstrom und eine Stelleinrichtung zur Veränderung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandes im Takt der zu erzeugenden Druckimpulse aufweist, wie in DE 196 07 402 offenbart.

Zur Erzeugung der Druckimpulse kann die Übertragungseinrichtung einen elastischen Strömungswiderstandskörper im Flüssigkeitsstrom und eine Stelleinrichtung zur Steuerung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandskörpers im Takt der zu erzeugenden Druckimpulse aufweisen. Der Vorteil dieser Übertragung ist die kompakte und kostensparen- de Bauweise als auch die verschleiß- und energiearme Arbeit der Druckimpulsübertragung und trotz leichten Austausches der beweglichen Teile wird eine einwandfreie Übertragung der Information gewährleistet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass im Flüssigkeitsstrom oder in dem Bohrspülflüssigkeitsstrom ein Strömungswiderstandskörper mit veränderlichem Strömungsquerschnitt sich befindet. Durch Veränderung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandskörpers können in Fließrichtung im Bereich des Strömungswiderstandskörpers und dahinter Druckimpulse erzeugt werden, welche sie in Fließrichtung des Flüssigkeitsstromes bzw. Bohrspülflüssigkeitsstromes fortpflanzen können. Diese Druckschwankungen oder Druckimpulse lassen sich zurückführen, dass bei verringertem Strö- mungsquerschnitt und gleichem Flüssigkeitsstrom die Strömungsgeschwindigkeit um den Strömungswiderstandskörper herum sich erhöht und folglich der Flüssigkeitsdruck teilweise sinkt. Eine Verkleinerung des Strömungsquerschnittes führt demzufolge zu einer teilweisen Druckerhöhung im Flüssigkeitsstrom. Hierdurch lassen sich gezielt Druckschwankungen oder Druckimpulse im Flüssigkeitsstrom erzeugen. Dies gelingt aufgrund der Elastizität des Strö- mungswiderstandskörpers in reproduzierbarer Weise, wobei der vorgenannte Vorgang beliebig oft und nahezu verschleißfrei wiederholt werden kann. Außerdem sind die Reaktionszeiten des elastischen Strömungswiderstandskörpers vorteilhafterweise so gering, dass einwandfreie Anstiegs- und Abfallflanken der Druckimpulse erzeugt werden können. Auf diese Weise ist eine ungestörte Informationsübermittlung nach wie vor möglich, da die erzeugten Drucki- mpulse eine ausreichende Flankensteilheit aufweisen, um anschließende beispielsweise digitale Auswertevorrichtungen ansteuern zu können.

Schließlich ist in einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts die Steuervorrichtung desselben mit einer Vorrichtung zur Übertragung von Informatio- nen innerhalb des Bohrrohrstrangs mittels Impulsen, wie Schallwellen, verbunden; an eine dem Drehbohrmeißel nachgeschaltete Informationserzeugungseinrichtung, z.B. als Teil der Steuervorrichtung, kann eine Übertragungseinrichtung zur Erzeugung der Impulse geschaltet sein, wobei eine Empfangseinrichtung zum Empfangen und Auswerten der der über Impulse übertragenen Informationen gleichfalls die Vorrichtung umfasst, wobei die mittels Übertra- gungseinrichtung erzeugten Impulse als Schallwellen ausgebildet und an die Empfangseinrichtung weitergeleitet sind, wie in DE 10 2012 004 392 offenbart. Die Schallwellen können mittels mechanisch, hydraulisch, elektrisch und / oder pneumatisch beaufschlagbarer Impulse ausgelöst sein.

Abweichungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes von einer vorgegebenen Lage, hier einer normalen oder vorbestimmten Lage genannt, werden nicht nur frühzeitig festgestellt, sondern in Echtzeit -ohne Einschaltung eines obertägigen Steuerstandes und der durch die Einschaltung desselben bedingten Verzögerung- sofort korrektive Maßnahmen zwecks Berichtigung der Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts mit Drehbohrmeißel durchgeführt.

Der Eingriff korrektiver Maßnahmen erfolgt bei Betrieb des Tiefbohrens ohne Unterbrechung.

Durch die Anordnung der Magnetfeldsensoren gerade in dem bohrmeißelnahen Bereich des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts ist das erfindungsgemäße Richtbohrgerät im Gegensatz zu der von Schlumberger Technology B.V. beworbenen Verfahren und Vorrichtungen in der Lage, bereits geringste Abweichungen von dem Bohrlochverlauf festzustellen und in ent- sprechender Weise mit Hilfe der von der Steuervorrichtung angesteuerten Richtungssteuereinrichtungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts sowie deren Steuerrippen durch Ausfahren bei laufendem Bohrbetrieb zu berichtigen.

Weiterhin ist festzustellen, dass im Stand der Technik bei den herkömmlichen Richt- bohrgeräten die Magnetfeldsensoren soweit von dem Drehbohrmeißel entfernt in dem Richtbohrgerät angeordnet sind, dass diese erst Änderungen des Krümmungsverlaufs des Bohrlochs feststellen, wenn die Änderungen des Azimutalwinkels weit fortgeschritten sind, so dass nicht nur der Bohrstrecke sich deutlich verlängert sondern nachteiligenswert zusätzliche beträchtliche, wenn auch unnötigerweise, Betriebskosten auftreten. Das erfindungsgemäße Richtbohrgerät und das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren desselben zeichnen sich darüber hinaus durch die Vorteile, wie folgt, aus durch

die Vermessung des Bohrlochs und dessen Verlaufs erst unmittelbar während des Ab- teufens desselben -ohne Zeitverzug-,

kein Einführen eines Bohrloch-Messgerätes in das bereits abgeteufte Bohrloch,

Ermittlung von Istwerten als Richtungs- und Neigungswerte nicht durch möglichst bohrmeißelentfernte -wie im Stand der Technik,- sondern durch im Kopfabschnitt des Gehäuses des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts, also nächst dem Drehbohrmeißel des erfin- dungsgemäßen Richtbohrgeräts angeordnete Magnetfeldsensoren,

Feststellen von Abweichungen bzw. Missweisungen frühzeitig -bereits und unmittelbar beim Tiefbohren,

Einhalten der vorbestimmten Bohrlochneigung und -richtung trotz üblicherweise beim Tiefbohren auftretenden, z.B. durch Gestein bedingte, magnetischen Störfelder,

kein obertägiges Eingreifen einer Steuerzentrale, welches Eingreifen im Stand der

Technik zu Zeitverlust und Kosten führt,

frühzeitiges, also sehr feinfühliges, Reagieren auf geringste im Kopfabschnitt, also in Drehbohrmeißelnähe messbare z.B. infolge Auftreten unterschiedlicher Gesteinshärten bedingter Abweichungen des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts in Neigung und Azimut, zeitgleiche Kombination von Abteufen einerseits und ständiger Kontrolle der Überwachung der Richtungsgrößen andererseits während des Abteufens vor Ort,

Vermeiden der zeitversetzten Reaktion des obertägigen Eingreifens durch infolge Messungen der Richtungsabweichungen des Kopfabschnitts in Neigungen und Azimut sofort antwortende, korrigierende Maßnahmen und hierdurch

bedingter Unterbindung der im Stand der Technik bewusst in Kauf genommenen wegen später einsetzender korrigierender Maßnahmen einhergehenden Erhöhung von Bohrlochlänge und Tiefbohrdauer,

frühzeitiges und dadurch kostensparendes Ausfahren von Spannstücken des Richtbohrgeräts gegen Bohrlochwandung unabhängig von der obertägigen Ansteuerung. Ausführungsbeispiel

In dem Ausführungsbeispiel wird in schematischer Weise das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren von Magnetfeldsensoren in einem hoch präzise arbeitenden Richt- bohrgerät zur frühzeitigen zuverlässigen, zeitnahen Bestimmung des Bohrlochs in Erdschichten unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs für das Tiefbohren und das erfindungsgemäße zuverlässig arbeitende Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs beschrieben.

Das erfindungsgemäße Richtbohrgerät umfasst ein Gehäuse, die in dem Gehäuse angeordneten, in unmittelbarer Nähe zu dem Drehbohrmeißel angeordneten, also in dem Kopfabschnitt des Gehäuses, sonach bohrmeißelnahen, angeordneten Magnetfeldsensoren, die im Rumpf- oder Fußabschnitt angeordneten Steuervorrichtung, deren Eingang elektrisch steue- rungstechnisch mit den Ausgängen der Magnetfeldsensoren und mit den Eingängen der an oder in dem Rumpf- oder Fußabschnitt des Gehäuses angeordneten Richtungssteuereinrichtungen angeschlossen oder verbunden ist, die zumindest teilweise im Kopfabschnitt des Gehäuses drehbar gelagerte Meißelantriebswelle mit dem Drehbohrmeißel. Unter Anordnung im Kopfabschnitt des Gehäuses wird auch in unmittelbarer Nähe zu dem Drehbohrmeißel oder nächst dem Drehbohrmeißel oder an diesen angrenzend im vorderen, dem Drehbohrmeißel zugewandten, an den Drehbohrmeißel angrenzenden Bereich oder unter Bohrmeißelnähe kann im Sinne der Erfindung auch verstanden werden, dass keine Be- abstandung -wie die im Stand der Technik geforderte und unvermeidbare Beabstandung-und damit Raumferne der Magnetfeldsensoren von dem Drehbohrmeißel erforderlich ist, sondern, - wie soweit technisch möglich ist, die Magnetfeldsensoren an den Drehbohrmeißel also angrenzen, so dass

einerseits die Bewegungen, wie Drehbewegungen, des Drehbohrmeißels nicht die Magnetfeldsensoren durch z.B. abgefrästes Gestein zu beschädigen vermögen, andererseits die Magnetfeldsensoren den Drehbohrmeißel während seiner Bewegungen infolge deren räumlichen Nähe und damit dessen Drehbewegungsfreiheit nicht einzuschränken vermögen. Das erfindungsgemäße Richtbohrgerät wird ein Gestell mit der Helmholtz-Spule eingebracht, um dieses verfahrensgemäß in dem von der Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeld in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in dem Magnetfeld anzuordnen im Schritt a. Im weiteren Schritt, wie b., werden die auch von den magnetischen Störfeldern beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung X-, Y-, Z- Achsen von den Magnetfeldsensoren als Messwerte oder -großen bestimmt, um die Messwerte als Missweisungswerte oder Missweisungssignale über deren Ausgänge an den Eingang der Steuervorrichtung weiterzuleiten. Mit den Missweisungswerten korrespondierende Korrekturwerte werden von der Steuervorrichtung erzeugt, die den Abweichungen als Missweisungswerte von den Messwerten magnetischer Flussdichten ohne Störfelder oder dem Ausmaß der Messgrößen der durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messgrößen magnetischer Flussdichten ohne, insbesondre magnetischer, Störfelder als Bezugsnormal nach Abgleichen entsprechen können. Die Korrek- turwerte werden in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt.

Im weiteren Schritt, wie c, wird das erfindungsgemäße Richtbohrgerät in dem von den der Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld und in von der vorbestimmten Lage als Bezugsnormal sich unterscheidende Ausrichtungen oder Betriebsfunktionen angeordnet und die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdich- ten in Richtung der X-, Y-, Z-Achsen von den Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Richtbohrgerätes als Messgrößen bestimmt; die mit diesen verschiedenen Ausrichtungen bedingten korrespondierenden Messwerte oder -großen als Positionswerte oder Positionssignale werden über die Ausgänge der Magnetfeldsensoren an den Eingang der Steuervorrichtung weitergeleitet. Die mit den Positionswerten korrespondierenden Korrekturfaktoren wer- den durch die Steuervorrichtung erzeugt, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Richtbohrgerät aus seinen verschiedenen Ausrichtungen wieder in eine vorbestimmte Lage als Bezugsnormal verbracht werden kann. Die Korrekturfaktoren können im elektronischen Speicher der Steuervorrichtung hinterlegt werden. Die Korrekturfaktoren können einem bestimmten Steuersignal oder Stellgröße für die Richtungssteuereinrichtungen entsprechen zur Verbringung des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts in eine vorbestimmte Lage. Mit Hilfe der abgespeicherten Korrekturfaktoren kann die Steuervorrichtung das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit seinen Richtungsteuer- einrichtungen mittels der mit den Korrekturfaktoren korrespondierenden Steuersignale in eine vorbestimmte Lage wieder verbringen. Die Korrekturfaktoren können den Istwerten der von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen entsprechen, so dass nach Vergleichen der Korrekturfaktoren mit den mit der vorbestimmten Lage entsprechenden Sollwertvorgaben die Steuervorrichtung die Richtungssteuereinrichtungen mittels der an diese mitgeteilten Steuersignale in eine vorbestimmte Lage verbracht werden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Korrekturfaktoren um die Korrekturwerte zur Erzeugung von Abgleichfaktoren soweit abgeglichen, dass mit deren Hilfe auch das erfindungsgemäße Richtbohrgerät aus den verschiedenen Ausrichtungen wieder in die vorbestimmte Lage als Bezugsnormal verbracht werden kann. Die Abgleichfaktoren können den Istwerten der von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen entsprechen, so dass nach Vergleichen der Abgleichfaktoren oder Korrekturfaktoren mit den mit der vorbestimmten Lage des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts entsprechenden Sollwertvorgaben die Steuervorrichtung das erfindungsgemäße Richtbohrgerät mit seinen Richtungssteuer- einrichtungen mittels der an diese mitgeteilten Steuersignalen in eine vorbestimmte Lage mittels erzeugter Ausgangs- oder Stellgrößen wieder verbracht wird. Auch ist es möglich, dass mit den Korrekturfaktoren und / oder Abgleichfaktoren korrespondierende Steuersignale zur Ansteuerung der Richtungssteuereinrichtungen von der Steuervorrichtung, z.B. als Stellgrö- ßen, zum selbsttätigen Ausrichten des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts in eine vorbestimmte Lage erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Richtbohrgerät ermögli- chen

das Kalibrieren auf einfache Weise,

das frühzeitige Erfassen von Abweichungen des Tiefbohrverlaufs,

die erstmalige Verwirklichung der bisher technisch anerkannterweise ungelösten Aufgabe, die

seit langem bekannt ist, nämlich

die Anordnung von Magnetfeldsensoren in bohrmeißelnaher Anordnung im erfindungsgemäßen Richtbohrgerät,

das frühzeitige Eingreifen korrektiver Maßnahmen,

das Erfassen auch geringfügiger Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs bei Bohren in großen Tiefen,

die Überwachung von sehr engen Krümmungsverläufen des Bohrlochs bei Bohren in großen Tiefen,

die Durchführung korrektiver Maßnahmen im Fall geringfügiger Abweichungen von dem erwünschten Verlauf des Bohrlochs in großen Tiefen,

die Korrektur zur Änderungen des Bohrungsverlaufs ohne Gefahr des Einflusses magnetischer Störfelder auf die Lagebestimmung,

das Wegfallen der Ansteuerung des Richtbohrgerätes über einen obertägigen Steuerstand,

die automatische Steuerung des Richtbohrgeräts in Echtzeit ohne kostenträchtige Ver- längerung der Bohrstrecke,

die Bereitstellung bohrmeißelnaher Magnetfeldsensoren in dem Richtbohrgeräte, den Entfall komplizierter und störanfälliger Verfahren im Gegensatz zu von Schlum- berger Technology B.V. in US 13 / 323 1 16 und 13 / 429 173 offenbarten Verfahren und Vorrichtungen sowie

die einfache und robuste Bauweise des erfindungsgemäßen Richtbohrgeräts

und

damit kostengünstige Herstellungsweise.

Auch ist durch die störungsfreie kabellose Übertragung von Signalen von dem obertägi- gen Steuerstand an das erfindungsgemäße Richtbohrgerät der Richtungsverlauf des Bohrlochs für das Tiefbohren jederzeit wählbar.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren unter Verwendung des Richtbohrgeräts, welches umfasst ein Gehäuse, eine zumindest teilweise in einem Kopfschnitt des Gehäuses rotierende Meißelantriebswelle, deren unteres Ende in dem Kopfabschnitt einen Drehbohrmeißel trägt,

der Kopfabschnitt in einen Rumpfabschnitt des Gehäuses übergeht,

eine in dem Rumpfabschnitt des Gehäuses angeordnete Steuervorrichtung,

mehrere mit derselben verbundene Magnetfeldsensoren,

der Rumpfabschnitt in einen Fußabschnitt des Gehäuses übergeht,

mehrere in dem Rumpfabschnitt oder dem Fußabschnitt des Gehäuses angeordnete Richtungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei einem Bohrbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt des Gehäuses angeordnet sind und mittels eines von der Helmholtz-Spule erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert werden, wobei a. das Richtbohrgerät in das durch die Helmholtz-Spule erzeugte Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in demselben angeordnet wird, b. zur Kompensation magnetischer Störfelder die von magnetischen Störfeldern beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z-

Achsen von den Magnetfeldsensoren bestimmt und mit diesen korrespondierende Messwerte als Missweisungswerte oder-signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

mit den Missweisungswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturwerte von der Steu- ervorrichtung erzeugt werden, die dem Ausmaß der Messwerte von durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messwerten der magnetischen Flussdichte bei Bezugsnormal entsprechen, und die Korrekturwerte in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden, c. danach in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld das Richtbohrgerät in von der vorbestimmten Lage sich unterscheidende Ausrichtungen angeordnet wird, die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von Magnetfeldsensoren bestimmt und die mit diesen magnetischen Missweisungen wegen verschiedener Ausrichtungen bedingten korrespondierenden Messwerte als Positionswerte oder -Signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b. die von den Magnetfeldsensoren bestimmten Messwerte um die Korrekturwerte von der Steuervorrich- tung zur Darstellung von Bezugsnormal abgeglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c. die Korrekturfaktoren um die Korrekturwerte zur Erzeugung von Abgleichfaktoren abgeglichen werden, vorzugsweise die Abgleichfaktoren den Ist-Werten den von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen, wie Betriebsfunktionen, entsprechen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Lage dem wählbaren Richtungsverlauf des Bohrlochs für das Tiefbohren entspricht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Schritte a. bis c. bei vorbestimmten Temperaturen durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse Temperatursensoren, Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren, Gammastrahlungssensoren, Gyroskop-Sensoren und/oder sonstige WOB-Sensoren als Messwerteinrichtung an die Steuervorrichtung angeschlossen sind und wahlweise zu- schaltbar sind.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messgrößen wie die zur Bestimmung des Richtungsverlaufs, und/oder der vorbestimmten Lage über ein in einem Bohrrohrstrang angeordnetes Kabel und / oder mittels Telemetrie und/oder in Form von Drucksignalen und/ oder Impulsen, wie

Schallwellen, von einem obertägigen Steuerstand zu der Steuervorrichtung weitergeleitet werden.

8. Richtbohrgerät für den Dauerbetrieb mit automatischer fein kontrollierter Überwachung des zielgerichteten Bohrens in großen Tiefen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs des Bohrlochs mit einem Gehäuse,

einer zumindest teilweise in einem Kopfschnitt des Gehäuses rotierenden Meißelantriebswelle, deren unteres dem Gehäuse vorstehendes Ende in dem Kopfabschnitt einen Drehbohrmeißel trägt,

wobei der Kopfabschnitt in einen Rumpfabschnitt des Gehäuses übergeht,

einer in dem Rumpfabschnitt des Gehäuses angeordneten Steuervorrichtung,

mehreren mit derselben verbundenen Magnetfeldsensoren,

wobei der Rumpfabschnitt in einen Fußabschnitt des Gehäuses übergeht,

mehreren in dem Rumpfabschnitt oder dem Fußabschnitt des Gehäuses angeordneten Rich- tungssteuereinrichtungen zur Erzeugung von Richtkräften mit radial ausrichtbaren

Kraftkomponenten für das Ausrichten des Richtbohrgerätes bei einem Bohrbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass

die Magnetfeldsensoren in dem Kopfabschnitt des Gehäuses angeordnet sind und mittels eines von Helmholtz-Spulen erzeugten homogenen Magnetfeldes kalibriert werden, das Richtbohrgerät mit Magnetfeldsensoren in das durch eine Helmholtz-Spule erzeugte Magnetfeld eingeführt und in einer vorbestimmten Lage als Bezugsnormal zentral in demselben angeordnet wird ,

zur Kompensation magnetischer Störfelder die von magnetischen Störfeldern beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z-

mit den Mi ssweisungs werten oder -Signalen korrespondierende Korrekturwerte von der Steu- ervorrichtung erzeugt werden, die dem Ausmaß der Messwerte von durch die Störfelder erzeugten Abweichungen der magnetischen Flussdichten von den Messwerten der magnetischen Flussdichte bei Bezugsnormal entsprechen, und die Korrekturwerte in einem elektronischen Speicher der Steuervorrichtung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden,

danach in dem durch die Helmholtz-Spule erzeugten Magnetfeld das Richtbohrgerät in von der vorbestimmten Lage sich unterscheidenden Ausrichtungen angeordnet wird, die von diesen Ausrichtungen beeinflussten magnetischen Missweisungen als magnetische Flussdichten in Richtung der X-, Y-, Z- Achsen von Magnetfeldsensoren bestimmt und die mit diesen magnetischen Missweisungen wegen verschiedener Ausrichtungen be- dingten korrespondierenden Messwerte als Positionswerte oder -Signale an die Steuervorrichtung weitergeleitet werden,

mit den Positionswerten oder -Signalen korrespondierende Korrekturfaktoren durch die Steuervorrichtung zum Verbringen des Richtbohrgeräts zurück in die vorbestimmte Lage erzeugt sowie die Korrekturfaktoren in dem elektronischen Speicher der Steuervorrich- tung des Richtbohrgerätes hinterlegt werden.

9. Richtbohrgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren nach einem der Ansprüche 2 bis 8 kalibriert sind.

10. Richtbohrgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung zur Ansteuerung der elektrisch betreibbaren Richtungssteuereinrichtungen mit diesen verbunden ist, die Richtungssteuereinrichtungen radial auswärts und einwärts bewegbare, vorzugsweise schildartige in Nuten des Außengehäuses einlassbare, über den Umfang verteilt im oder am Gehäuse zumindest auf einer Verspannebene angeordnete Steuerrippen aufweisen, deren Bewegbarkeit temperaturgesteuert ist.

11. Richtbohrgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungssteuereinrichtungen, vorzugsweise als Linearantriebe ausgebildete Stelleinrichtungen hat, an denen die Steuerrippen gekoppelt sind, die Stellrichtungen als Kolben-Zylinder- Einrichtungen ausgebildet sind, welche mittels Ansteuerung eines durch Hitze ausdehnbaren Druckmediums, vorzugsweise Gas, Flüssigkeit und/oder feste Stoffe, wie Hydraulikflüssigkeit, betätigbar sind.

12. Richtbohrgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass von

Magnetfeldsensoren als Messwerteinrichtungen der Steuervorrichtung ermittelten Daten, insbesondere Lagedaten, zu dem über Tage angeordneten Steuerstand in Form von Drucksignalen weiterleitbar sind, wobei das Richtbohrgerät eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drucksignalen zur Übertragung der Informationen in einem Spülkanal des Bohrrohrstrangs mittels eines durch die Spülung beaufschlagten, einen Generator mit angeschlossenem Speicher antreibenden Flügelrad umfasst, der Generator einschließlich Speicher, die Kupplung und das Lager der Flügelradwelle in einem axial verlaufenden, mit Öl befüllten und gegenüber dem Bohrrohrstrang einen zylindrischen Ringspalt bildenden Gehäuse angeordnet ist und in dem Ringspalt die Spülung zum Antrieb des Flügelrades verläuft, und dass oberhalb eines Ölspeichers im Gehäuse ein über die Spülung beaufschlagter Druckausgleichskolben vorgesehen ist und die am unteren Ende zwischen dem Gehäuse und der Flügelradwelle vorgesehene Dichtung als leichtlaufende Dichtung, z.B. als Lippen- oder Keramikdichtung, ausgebildet ist.

13. Richtbohrgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Messwerteinrichtungen ermittelten Daten, insbesondere Lagedaten, zu einem über Tage angeordneten Steuerstand in Form von Drucksignalen weiterleitbar sind, das Richtbohrgerät eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drucksignalen in strömenden Medien zur Übertragung der Informationen, insbesondere beim Herstellen von Bohrungen in einem untertägigen Berg- und Tunnelbau, durch einen Spülkanal des Bohrrohres um- fasst, wobei in dem Spülungskanal des Bohrrohrstrangs ein Laufrad angeordnet ist, das in Generator- und Motorbetrieb umschaltbar ausgebildet und entsprechend abwechselnd betreibbar ist.

14. Richtbohrgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das

Richtbohrgerät eine Vorrichtung zur Übertragung der Informationen, insbesondere beim Herstellen von Bohrungen, mittels Druckimpulsen in einer strömenden Flüssigkeit, vorzugsweise Bohrspülflüssigkeit, umfasst mit einer Informationserzeugungseinrichtung, einer an die Informationserzeugungseinrichtung angeschlossenen Übertragungseinrichtung zur Erzeugung der Druckimpulse in der Flüssigkeit und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen und Auswerten der durch die Druckimpulse übertragenen Informationen im Steuerstand, wobei die Übertragungseinrichtung einen elastischen Strömungswiderstandskörper im Flüssigkeitsstrom und eine Stelleinrichtung zur Veränderung des Strömungsquerschnittes des Strömungswiderstandes im Takt der zu erzeugenden Druckimpulse aufweist.

15. Richtbohrgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Messwerteinrichtungen ermittelten Daten, wie Lagedaten, zu einem über Tage angeordneten Steuerstand in Form von Drucksignalen weiterleitbar sind, wobei die Steuervorrichtung mit einer Vorrichtung zur Übertragung von Informationen innerhalb des Bohrrohrstrangs mittels Impulsen, wie Schallwellen, verbunden ist; wobei die Steuervorrichtung an eine Übertragungseinrichtung zur Erzeugung der Impulse geschaltet ist, die Vorrichtung eine Empfangseinrichtung zum Empfangen und Auswerten der über Impul- se übertragenen Informationen umfasst, die mittels Übertragungseinrichtung erzeugten Impulse als Schallwellen ausgebildet sind und an die Empfangseinrichtung weitergeleitet sind.