DE2156110C3 - Gerat zum Bestimmen des Rollwinkels eines Bohrkopfes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Bestimmen des zur Bohrlochführung benötigten Rollwinkels eines Bohrkopfes um dessen Längsachse, wobei der Bohrkopf ein turbinengetriebenes Bohrwerkzeug am unteren Ende eines Bohrrohrcs im Bohrloch aufweist und der Azimut- und Neigungswinkel des Bohrloches bekannt sind.

Um den Verlauf eines bereits vorhandenen Bohriüchs zu bestimmen, ist es üblich, die Lage der Bohrlochsohle (US-PS 34 90 149) und/oder den Azimut- und Neigungswinkel des Bohrlochs (US-PS 20 00 524, DT- PS 9 Π 242 und deutsche Patentanmeldung D 12 519 VIi 5a) zu bestimmen. Die Werte für den Azimut- und Neigungswinkel des Bohrlochs sind daher zumeist über Tage vorhanden.

Zusätzlich /u diesen Daten über den Verlauf des bereits vorhandenen Bohrlochs ist der Rollwinkel des Bohrkopfes cmc wichtige Kenngröße bei der Bohrlochführung, insbesondere beim Tiefbohren mit einem Bohrkopf, der ein turbinengetriebenes Bohrwerkzeug aufweist, welches am Ende eines Bohrrohr- oder Gestängezugs zum Zwecke einer Kursänderung mit einer geringfügigen Neigung angeordnet ist. Um festzulegen, in welche Richtung diese Kursänderung erfolgen soll, muß der Rollwinkel des Bohrkopfes um dessen Längsachse entsprechend eingestell? werden. Daher ist eine Bohrlochführung längs einer erwünschten Bahn möglich, wenn der Verlauf des bereits vorhandenen Bohrloches bekannt ist und außerdem der Rollwinkel des Bohrkopfes (die Ist-Ausrichtung der Bohrkopf-Querachsen) festgestellt werden kann.
Es ist bekannt, den Rollwinkel des Bohrkopfes mit Hilfe eines herkömmlichen Magnetkompasses zu bestimmen (US-PS 34 34 219), was jedoch nur für den Sonderfall einer vertikalen oder nahezu vertikalen Ausrichtung der Bohrloch-Längsachse möglich ist, während bisher bei größeren Neigungswinkeln der Bohrloch-Längsachse im allgemeinen zur Ermittlung des Bohrkopf-Rollwinkeis auf Gravitationsfühler zurückgegriffen werden mußte (US-PS 35 87 176).

Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein Gerät zum Bestimmen des Rollwinkels eines Bohrkopfes geschaffen werden, das unter Verzicht auf Gravitationsfühler während des laufenden Bohrvorgangs eines Bohrloches eine Anzeige des Bohrkopf-Rollwinkels unabhängig vom Neigungswinkel des Bohrlochs ermögHcht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Gerät der eingangs erwähnten Art gelöst durch einen Meßwertgeber, der die Vektorkomponenten des erdmagnetischen Feldes längs Querachsen des Bohrkopfes erfaßt und nach über Tage vermittelt, und eine Umsetzstufe, die die übermittelten Vektorkomponenten zwecks Umwandlung in den Roüwinkel des Bohrkopfes auf die Vektorkomponenten des erdmagnetischen Feldes in Richtung von gegenüber der magnetischen Nordrichtung um den Azimutwinkel des Bohrloches und gegenüber der Vertikalen um den Neigungswinkel des Bohrlochs gedrehten Hauptachsen bezieht. Das erfindungsgemäße Gerät benötigt einfache erdmagnetische Meßwertgeber, durch die die Komponenten des erdmagnetischen Feldes längs bohrkopffester Achsen festgestellt und in der Umsetzstufe mit Hilfe von Winkel- oder Vektortransformationen unter Berücksichtigung der zumeist ohnehin vorhandenen Daten über die Lage des Bohrlochs in den Rollwinkel des Bohrkopfes umgesetzt werden, und ermöglicht auch während des laufenden Bohirvorgangs mit einem geringen Bauaufwand und einer einfachen Messung eine rasche und präzise Ermittlung des Rollwinkels. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die nach über Tage vermittelten, einen Winkel darstellenden Vektorkomponenten durch Addition eines aus dem Azimut- und Neigungswinkel des Bohrlochs errechneten Korrckturwinkcls in den Rollwinkel umgewandelt, wodurch sich eine besonders einfache Umrechnung der am Bohrkopf ermittelten

Daten in den Rollwinkel ergibt. Zur wcitergn Verringerung des Rechenaufwands ist der Korrekturwinkel zweckmäßigerweise vorherberechnet und elektronisch oder in Tabellenform gespeichert und be Bedarf selektiv abrufbar.

Vorzugsweise ist der Meßwertgeber ferner in einen fest mit dem Bohrkopf verbindbaren Gehäuse an geordnet und weist statische Magnetfeldfühler au! die die zu übermittelnden, über Tage entspreehenc

dem Bohrloch-Azimut- und -Neigungswinkel umgewandelten Vektorkomponenten in Form von Sektoren längs gehäusefester Achsen ermitteln, so daß am Bohrkopfselbst nur wenige, einfach zu montierende Bauteile angeordnet werden müssen.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden, beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm zur Darstellung der erdfesten und der werkzeugfesien Achsen,

F i g. 2. 3 und 4 drei aufeinanderfolgende Koordinatendrehungen der Erdachsen bezüglich der Werkzeugachsen,

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Bohrlochsohle,

F i g. 6 einen Servoresolver in schematischer Darstellung, der Signale von kreuzweise angeordneten Magnetfühlern erhält,

F i g. 7 ein Schaltbild einer bevorzugten erfind ungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 8 Bauteile für die in F i g. 7 gezeigte Einrichtung,

F i g. 9 und 10 Anordnungen für die bei der Einrichtung gemäß F i g. 7 vorhandenen Resolver,

Fig. 11,12 und 13 Schaltbilder zur Verdeutlichung wahlweise möglicher Verfahren zur Berechnung der Nulleinstell-Winkel,

Fig. 14 ein Schaltbild zur Darstellung der Analog-Berechnung der erforderlichen Winkel-Modifikationen und

Fig. 15 eine an Stelle des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 8 wahlweise mögliche Vorrichtung.

Das erfindungsgemäße Gerät baut darauf auf. daß Einzelmessungen bezüglich des Bohrlochs unmittelbar vor Beginn eines Bohrganges vorhanden sind und sorgt während des Bohrganges auf Grund der Meßwerte lediglich zweier magnetischer Fühler für eine »Steillagen«- und/oder Magnetfeld-Anzeige der Ausrichtung der Werkzeug-Stirnfläche. Die beschriebene Vorrichtung vermag bei Bohrlochrichtungen zu arbeiten, die um mehr als etwa 5' von der Richtung des am Bohrlochort vorhandenen erdmagnetischen Feldes abweichen. Für kleinere Winkel Hißt sich ein entsprechendes Steillagen-Werkzeug verwenden, da jedoch die Zahl der Einsatzfälle dafür gering ist, genügt es, derartige Steillagen-Werkzeuge in geringer Anzahl für den jeweiligen Bedarfsfall zur Verfügung zu haben.

Auf Grund geometrischer Überlegungen müssen die erdfesten Achsen in die werkzeugfesten Achsen um den Azimutwinkel ψ, den Neigungswinkel ft und den Rollwinkcl Φ gedreht werden.

Gemäß Fig. 1, in der das Bohrloch mit 10 bezeichnet ist, sind die erdfesten Achsen vie folgt definiert:

ON = Horizontale Nordrichtung.
OE = Horizontale Ostrichtung.
OV- Vertikalrichtung nach unten.

Die werkzeugfester, Achsen sind wie folgt definiert:

OX = Verläuft senkrecht zur Bohrlochachse und in Richtung des T-förmigen Bohrkopfes.

OV= Verläuft senkrech! zur Bohrlochachse und senkrecht zur Richtung des T-förmigen Bohrkopfes.

Ο/. ~ Bohrlochachse.

Das erdfeste Achsenkreuz Fällt auf Grund folgende Drehungen im Uhrzeigersinn mit dem werkzeugfestei Achsenkreuz zusammen:

a) Drehung um 0 K um den Azimutwinkel · (s. F i g. 2). Ein Vektor V mit den Vektorkomponen ten K_n- längs ON, V_E längs OE und V_v längs 0 Kerhäl die Komponenten K_V1 längs ON₁, K_£1 längs OE₁ um Vy längs 0 K wobei

Km = Kv cos _Ψ + V_E sin ψ,

Κει = Kv sin ψ + V_E cos ψ.

b) Drehung um OE₁ um den Seitenwinkel <■ (s. F i g. 3). Der Vektor K mit den Komponenten K_n längs ON₁, K₁,, längs OE₁ und K₁, längs OV erhält dii Komponenten K_n, längs ON₂, V_n längs OE₁ und V längs OZ, wobei

Kv2 = Km cos ft - Vy sin ft = K_n, cos ft ■ cos y

+ V₁: cos ft ■ sin ψ — Vy sin ft,
20

K? = Km sin ft + Vy cos ft — V_s sin fi> · cos γ

+ K_/; sin ft ■ sin ι/ + V_y cos β.

c) Drehung um OZ um den Rollwinkel ft (s. Fi g. 4) Der Vektor Vmit den Komponenten K_n-, längs ON₂ V_n längs OE_x und K_z längs OZ erhält die Kompo nentcn V_x längs OX, K₁ längs OY und K_z längs OZ wobei

l'.v = K_n., cos Φ + V_n sin Φ

= K_n. (cos Φ cos C-) cos ν - sin Φ sin y)
+ K,- (cos Φ cos C-) sin 1/· + sin Φ cos ψ)
— K, cos W sin Θ,
,5 K, = K_n,, sin ft + V_n cos Φ

= K_n (— sin Φ cos fi> cos 1/' — cos Φ sin ψ)
-I- K_E (- sin Φ cos (9 sin y + cos Φ cos i,>)
+ Vy sin Φ sin ft,
K_z = K_n sin ft cos i/· + K,. sin β sin </' + Vy cos ft

Falls H und 1/' ^von einer vorhergehenden Einzel messung bekannt sind und sich während des nach folgenden Bohrganges nicht merklich ändern, kam die Messung von B_x und B₁. entweder den bei steiler Bohrlöchern benötigten Sleillagen-Parameter Φ ode den bei schwach abgestellten Bohrlöchern benötigtei Magnet-Parameter ψ + Φ ergeben, da B,,B_h für jedi betrachtete Stelle bekannt ist. Wie diese Paramcte ermittelt werden, wird an Hand F i g. 5 erläutert, ii der die Bohrlochsohle im Schnitt gezeigt ist, wobei di< Bohrlochrichtung vor dem erneuten Bohrgang be stimmt wird, um den Neigungswinkel ft und dei Azimutwinkel ψ zu erhalten, 1, der Winkel zwischci der Anstellrichtung und der Richtung der Kompo nente des erdmagnetischen Feldes B in dieser Ebene ist eine Funktion von ft, ψ und dem magnetischci Depressionswinkel Λ an der Bohrlochstellc. Dicsi Funktion kann vor dem Bohrgang berechnet werden Längs der werkzeugfesien Achsen angeordnete Ma gnelfühler ergeben die Werte K ■ B_x und KB, wobei B_x und B₁. die Komponenten von B in Richtuni der werkzeugfesten Achsen sind und K eine Konstant' ist. Falls K ■ B_x und K ■ B_y dem in F i g. 6 gezeigtei Ausgabe-Servoresolver zugeführt werden, ergeben de Zeiger und die Anzeigeskala den Winkel /·. wöbe

sin ;· H. ,. ■ ■

—- ' . Somit ist r — — -·.

Der benötigte Rollwinkel to ---- .· ;· = ■■ I '' k;mn nach einer der folgenden drei Möglichkeilen erhallen werden:

;i) Lies den Winkel r auf der An/eigeskala und addiere», was Φ ergibt.

b) Drehe die äußere Anzeigeskala bezüglich des Zeigers um den Winkel / entgegen dem Uhrzeigersinn vor dem Bohrvorgang, dann ergibt die Zeiger/Skala-Anzeige unmittelbar Φ.

c) Drehe den Zeiger gegenüber der äußeren Skala im Uhrzeigersinn um den Winkel.· vor Durchführung des Bohrganges. Dann vermittelt die Zeiger/Skala-Anzeige unmittelbar den Wert Φ.

Bei der weiter unten beschriebenen bevorzugten Anlage wird von der Möglichkeil c) Gebrauch gemacht, indem die Vektorkomponenten K B_x und K ■ B_y um den Winkel / gedreht werden, bevor sie dem Ausgabc-Scrvoresolvcr zugeführt werden.

Die Magnet-Steuerparamter lassen sich auf entsprechende Weise erhalten, indem eine Korrekturgröße/' addiert wird, wobei *' wiederum eine Funktion von to, ν und <Ί ist.

F i g. 6 zeigt eine herkömmliche eleklromeehanisehe Scrvoresolvereinhcil mit einem Motor 61, der über einen Verstärker 63 von einem Resolver 62 gesteuert wird und mit dem Resolver über ein Untersetzungsgetriebe 64 und eine Kupplung 65 gekoppelt ist. wobei der Resolver um einen durch einen Zeiger 67 auf einer Skala 66 angezeigten Winkel verdreht wird, wenn elektrische Signale, die den Sinus und Cosinus dieses Winkels darstellen, den entsprechenden Resolvereingängen 68 und 69 zugeführt werden.

F i g. 7 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten erfindungsgemäßen Einrichtung, wobei eine zweckmäßige Anordnung der Bauteile dieser Einrichtung in schaubildlichcr Darstellung in F i g. 8 gezeigt ist. Die OA'- und OV-Fühler?! und 72 am Standort des Bohrwerkzeuges im Bohrloch geben die Signale V_BX und V_BY an den Signalgeber 73, der diese Signale einer Rcsolvcrstufe 74 an der an der Oberfläche befindlichen Bohrstation übermittelt, von wo modifizierte Signale V_BXl und Kg,·! zu einem Anzeigegerät 75 gelangen, das den erforderlichen Winkel r anzeigt.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Werkzeug-Steuereinrichtung, d. h. der in F i g. 8 gezeigten Steuer-Hilfseinrichtung zur Ermittlung der Werkzeugausrichtung, ist der an der Bohrsohlc befindliche Abschnitt 81 mit Hilfe von Führungen 82 gegenüber dem T-förmig geschlitzten Kopf 83 des Schlammotors in einer festen Lage gehalten und enthält zwei Magnctflußtore 84,85, die normalerweise mit dem -formigen Schlitz fluchten und derart angeordnet sind, daß ihre Ansprech-Achsen die obenerwähnten OX- und OY-Achsen sind. Dieser Abschnitt 81 enthält ferner eine zugeordnete Signal-Verarbeitungsstufe 86, die eine Signalübermittlung mit Hilfe einer herkömmlichen Impuls-Modulationstechnik über einen einzigen Leiter 87 in einer Schutzhülle 38 ermöglicht, welche die Erdrückleitung bildet. Der an der Oberfläche befindliche Abschnitt enthält eine Stufe 89, die eine Stromversorgungsstufe 90, eine Impulsempfangs- und -wiedergabestufe 91 und eine Rechenstufc 92 aufweist. Die Winkel ν und to werden auf Wählscheiben 93 bzw. 94 eingestellt, so daß die diesbezüglichen Informationen der Rechenstufe zugeführt werden. Die Stufe 89 enthält ferner eine Anzeigestufe 96 in Form eines Scrvoresolvcrs 97 und einer Anzeigeskala 98. Ein Meßgerät

99. das die Stärke des erdmagnetischen Feldes in der Meßebene BOXY anzeigt, ist in der Baueinheit 89 angeordnet. Das Meßgerät 99 zeigt die berechnete Feldstärke, die von der Rechenstufe 92 ausgegeben wurde, und gleichzeitig oder wahlweise zu Vergleiehs-/wecken die gemessene Feldstärke an. die vom Servoresolver 97 über eine Leitung 100 zugeführt wird.

Arbeitsprinzip

ίο Die Komponenten des erdmagnelischen leides in Richtung der oben definierten, erdfesten Achsen sind wie folgt:

B₁₁ in Richtung ON (Norden). Null in Richtung OE (Osten). ß, in Richtung OV (vertikal nach unten).

Die Komponenten des erdmagnelischen Feldes in Richtung OX und OV der oben definierten werk/eugfesien Achsen sind somit:

ß_v = B₁₁ (cos Φ cos to cos i/¹ — sin </» sin ι,·|

- ß,· cos Φ sin to (1)

in Richtung OA'.
ßj = — B₁, (sin Φ cos to cos ψ + cos '/' sin ψ)

+ B₁ sin Ψ sin to (2)

in Richtung OV.

Wie F i g. 9 zeigt, werden Analogspannungen V_11x = K ■ B_x und K,„ ■= K ■ By, die von den Fühlern der am Bohrloch befindlichen Sonde erhalten werden, dem Resolver zugeführt, der vorher auf den Winkel , eingestellt wurde, wobei

sin 1 = - P ■ sin ψ,
cos , = P (cos '/' cos ι,·

- tan Λ sin to).

35 P und P sind positive Konstanten und tan λ

. Der Wert von .· ist unabhiineie von ß, und

ß, und ergibt sich aus der Einzclmcssung von ψ und to unmittelbar vor dem Bohrvorgang sowie dem Wert des Dcpressionswinkels Λ an der Bohrstelle. Es gilt

tan .· =-

cos to cos

tan ^ sin to

Die Ausgangssignale dieses Rcsolvcrs sind K_BV und K₈₁,. wobei infolge einer Drehung von K_BV und V„y entgegen dem Uhrzeigersinn um den Winkel ,

^vb\. = K_H1 cos .· = V_11x sin :. (6)

Vbx· = '«> ^s'n ■' + l's.v cos .·. (7)

V_BX, und — V_By, sind die Eingangssignale eines ir Fig. 10 gezeigten Scrvoresolvers, der den Resolvei 101. den Verstärker 102. den Motor 103 und da« Untersetzungsgetriebe 104 enthält, das den Zeiger 105 im Uhrzeigersinn um den Winkel ;■ verstellt, wöbe

₅₀ sin r
cos r

v_B

Die Rcsolver-Ausgangssignale dieser Stufe sine Null und V_BnXy, wobei

boxy = - ^vby-

BV

■ cos r

⁶⁵ Aus den Gleichungen (ft). (7) und (8) ergibt sich sinr ₌ - !/,„-cos, + K,_jvsin, cos r V_1n sin .· + V_11x cos ,

7 8

Unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2) erhält man somit

cos / sin '/' cos W cos ψ 4- cos / cos 0 sin y — cos * lan Λ sin Φ sin <-) + sin / cos '/' cos W cos ψ — sin / sin Φ sin ψ — sin / tan Λ cos '/' sin W — sin / sin Φ cos W cos ψ — sin / cos W sin '/' + sin ' ^lan ^ sin 0 sin W 4- cos / cos Φ cos W cos ν¹ — cos f sin Φ sin /,· — cos ι tan Λ cos '/> sin <->

sin r =

sin Φ [cos ι (cos (-) cos i/¹ — ^tan Λ sin W) — sin / sin ν ] + cos </' [sin ι (cos W cos ψ — tan Λ sin W) 4- cos ι sin y]

cos '/' [cos / (cos (-) cos ^ — tan Λ sin W) — sin ι- sin y ] — sin 'Λ [sin e (cos W cos ψ — tan Λ sin W) + cos* sin ψ~\

Durch Einsetzen der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich unmittelbar

sin r
cos r

sin 0 (cos² /
cos 0 (cos²

4- sin² /) 4- cos 0 (sin / cos / — cos / sin /) _ sin 0
4- sin²/) — sin Φ (sin / cos/ — cos/ sin/) cos0

Somit ist der Anzeigewinkel r eindeutig der Rollwinkel 0.

Falls die vorgegebene Rcsolvervcrstcllung um den Winkel /' erfolgt, wobei

Fs gilt

sin r
cos r

- V₁₁ , cos >' + V_{11 v} sin
V_1n sin /' + K_11x cos 1'

Für den Fall kleiner Winkel W werden die Gleichungen (I) und (2) zu

sin 1' = - P ■ sin W sin ν tan Λ, (11)

cos / = P(I - sin W cos ν lan Λ) (12)

. . „ . ·, ß. = ß/; cos m - ß, sin W cos 1,· cos m

und / eine positive Konstante ist, dann ergibt die ... ...

Einrichtung für geringe Winkel W einen Anzeige- ₃o ~ ßr sin W sin m sin 1/·. (!■*)

winkel r, der gleich dem Magnetpcil-Stcuerparamc- ^ß> = - ^ßu ^{sin m} + ^Bv ^{sin w s}'n '» ^cos '/' ter m ist, wobei m = 0 + i/·.

B₁- sin W cos m sin

Somit

sin r
cos r

sin/>i [cos 1' (i — sin W cos ν tan Λ) — sin >■' sin W sin ψ lan Λ] + cos »τι [sin 1' (1 — sin W cos ψ lan Λ) -I- cos >■' sin W sin ν tan Λ]

cos m [cos /(I — sin W cos v' tan Λ) — sin ί' sin W sin </' tan Λ] — sin m [sin /■' (1 — sin W cos ν tan Λ) + cos /' sin W sin v' t^an ^]

sin i?i (cos² ί' + sin²/') + cos m (sin /' cos /' — cos/'sin <) sin m

cosniTcos²/' 4- sin²/') — sin m (sin /' cos >■' — cos Γ sin λ') cos m

Der Anzcigcwinkel r ist somit gleich dem Magnclpeil-Steuerparameter m.

Berechnung der Vorgabcwinkcl .· und /'

Die Werte von / und /' sind unabhängig von den Ausgängen V_BX und K₈₁ der Sondenfühlcr und sind lediglich eine Funktion der bekannten Geometrie des vor Durchführung des Bohrganges vorhandenen Bohrlochs und des Erdmagnetfeldes an der Bohrstelle. Es gibt grundsätzlich drei Möglichkeiten, die /- und f-Werte zu ermitteln und zur Nulleinstellung des Resolvers zu verwenden. Bei allen drei Möglichkeiten wird entweder unmittelbar oder mittelbar f berechnet

tan / = — — -

— sin ψ

cos W cos ψ — tan Λ sin W

(16)

und /' berechnet aus

tan /' =

— sin W sin ψ tan Λ

1 — sin W cos I₁- tan f>

Diese Berechnungen können entweder ein einziges Mal für jeden Satz von ψ-, W- und Λ-Werten durchgerührt und das Ergebnis tabelliert und zur Verwendung für sämtliche später vorkommenden An-

wcndungsfälle abgelegt werden (im nachfolgender die Möglichkeit a). Wahlweise können / und 1' auch im Bedarfsfall für den vorliegenden Satz von 1/'-, W- und Ii-Werten berechnet werden. Die Berechnung kanr getrennt jeweils vor einem Bohrwcrkzeuglauf vor

genommen werden, beispielsweise unter Ansteuerunj eines Rechenzentrums (im nachfolgenden Möglich keit b), oder in einer Recheneinrichtung durchgeführ werden, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtunj zur Bestimmung der Ausrichtung selbst enthalten is

(Möglichkeit c).

Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellun; der Möglichkeit a). Der Bedienungsraum erhält di ψ-, W-Werte aus der unmittelbar vor dem Werkzeug lauf vorgenommenen Einzelmessung und entnimm

die entsprechenden /- und 1 '-Werte aus vorher bc rechneten Tabellen, welche sämtliche <- und /-Wert an der Bohrlochstcllc für irgend beliebige i_y-, W-Wert abgeben. Dann stellt der Bedienungsmann den Rc

509 648/18

solver entweder auf den /■- oder ι '-Wert ein, je nachdem, ob zur Steuerung der Anstell- oder der Magnetpeil-Parameter benötigt wird.

Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung der Möglichkeit b). Die vor dem Werkzeuglauf auf Grund einer Einzelmessung erhaltenen ψ-, W-Werte werden entweder unmittelbar oder über den Bedienungsmann einem Rechenzentrum zugeführt, wo die Berechnung der entsprechenden ι- und ι '-Werte vorgenommen wird (oder diese Werte werden auf Grund vorhergehender Berechnungen ermittelt). Das Rechenzentrum informiert dann den Bedienungsmann über den /■- (oder ι '-)Wert, auf den der Resolver vorher einzustellen ist.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm der Möglichkeit c). In diesem Fall bildet die /,<'-Rechenstufe einen Teil der Werkzeug-Steuervorrichtung. Der Bedienungsmann hat lediglich die verhältnismäßig einfache Aufgabe, die auf Grund der Einzelmessung erhaltene ψ-, (^-Information unmittelbar in die am Bohrloch zo befindliche Einrichtung einzugeben. Die Berechnung von ; und / sowie die Resolver-Nulleinstellung erfolgen in der Werkzeug-Steuervorrichtung. Die Möglichkeit c) erfordert zwar eine verfeinerte und somit auch kostspieliegere Ausbildung der Werkzeug-Steuervorrichtung, hat jedoch den äußerst wichtigen Vorteil, daß die an den Bedienungsmann gestellten Anforderungen weit weniger kompliziert als bei der Möglichkeit a) oder b) sind.

Berechnung von c oder >■'

1 und 1' könnten natürlich aus den Gleichungen (16) und (17) unter Verwendung eines entsprechend programmierten Digitalrechners ermittelt werden, f und /■' stehen jedoch in enger Beziehung zu Vektordrehungen und werden zweckmäßigerweise durch ein Analogverfahren berechnet. Die wesentlichen Merkmale des r-, >'-Analogrechners sind in Fig. 14 gezeigt. Die Winkel ψ und θ werden am Resolver 141 bzw. 142 eingestellt, von denen Produkte, beispielsweise — By sin θ sin ψ ermittelt und einem Servoresolver 143 zugeführt werden können, dessen Resolver 144 sich selbsttätig auf den gewünschten Winkel >■ oder f' einstellt und ferner B_OXY ausgibt.

Die wichtigsten Vorteile einer derartigen Einrichtung sind:

50

a) Entweder Anstell- oder Magnet-Steuerparameter lassen sich durch Betätigung eines fünfpoligen Zwei wegschalters wählen.

b) Die Ausgaben > und / des Rechners erfolgen in Form einer Drehung einer Abtriebswelle, die zur unmittelbaren Einstellung des Vorschaltresolvers verwendet werden kann.

c) Die Einrichtung ermittelt auch den voraussichtlichen Wert von B_0XY, der zur überwachung der Einrichtung mit dem gemessenen Wert von B_OXY s. Gleichung 9) verglichen werden kann. Die Größe von B_0XY kann auch dazu dienen, den Bedienungsmann zu warnen, falls er versuchen sollte, das Werkzeug in einer Sperrzone zu betätigen. (Ein einwandfreies Arbeiten läßt sich nicht bei einer Bohrloch-Geometrie erreichen, bei der die Bohrlochrichtung der Richtung des Erdmagnetfelds stark angenähert ist, da in diesem Fall V_11x und V_m sehr klein sind. Derartige Fälle sind jedoch äußerst unwahrscheinlich.)

Bei der in Fig. 15 gezeigten Anordnung werden zur Ermittlung des Vorschaltwinkels / oder ;' die Möglichkeiten a) oder b) verwendet, und der Vorschaltwinkel wird in die Anzeige mit Hilfe einer Nulleinstellung auf einer geeigneten Skala des Anzeigegerätes eingeführt.

Der an der Bohrlochsohle befindliche Abschnitt 151 der Einrichtung ist so aufgebaut, wie er in Verbindung mit F i g. 8 beschrieben wurde. Der an der Oberfläche befindliche Teil der Einrichtung enthält eine Baueinheit 152, die eine Empfangs- und Signalwiedergabcstufe aufweist, eine Anzeigestufe 153 und ein Meßgerät 154, das die Stärke des Erdmagnetfeldes in der Meßebene OXY anzeigt. Der Servoresolver 155 ist in der Anzeigestufe angeordnet. Der Zeiger 156 der Anzeigestufe bewegt sich über eine Skala 157, die ihrerseits um einen irgend beliebigen Winkel um die Rotationsachse des Zeigers gedreht werden kann.

Das Arbeitsverfahren ist wie folgt:

a) Der Bedienungsmann erhält die Neigungs- und Azimutwinkel von dem unmittelbar vorhegehenden Einzellauf und wird von dem Bohrführer darüber informiert, ob entweder der Anstell- oder der Magnet-Stcuerparameter benötigt wird.

b) Unter Verwendung dieser Information und mit Hilfe der tabulicrten 1- (oder f'-)Werte Tür die geographische Lage der Bohirstclle ermittelt der Bedienungsmann den entsprechenden Wert von l· (oder f') und den voraussichtlichen Wert des magnetischen Feldstärkeparameters B_OXY.

c) Der Bedienungsmann stellt die drehbare Anzeigeskala 157 auf den ermittelten Wert von t (oder t-') ein.

d) Das Werkzeug wird dann in das Bohrloch geführt und wiederholt aufgesetzt, bis nacheinander drei identische Ausrichtungen der Werkzeug-Stirnfläche erreicht werden. Der Bedienungsmann überprüft ferner die Anzeige des Meßgeräts für die Magnctfcldstärke mit dem vermuteten ß_OAV-Wcrt.

e) Falls d) in zufriedenstellender Weise zu Ende geführt wurde, kann der Bohrvorgang fortgeführt werden, und während des Bohrens wird der Bedienungsmann kontinuierlich über den erforderlichen Steuerparameter, nämlich entweder den Rollwinkel Φ oder den Magnetwinkel m = y> + Φ unterrichtet.

f) Bei Fortführung der Bohrung wird der Wert von ; (oder f■') korrigiert, wenn jeweils eine Gruppe von Momentananzeigen erhalten wird.

In einem beispielsweisen Betriebsfall wird eine Anstell-Information für einen Werkzeuglauf an einei Bohrstelle benötigt, an der die Parameter des Erd magnetfeldes B_h = 0,187 und B_v = 0,434 (c.g.s) sind Momentanmessungen unmittelbar vor dem Werk zeuglauf ergeben Azimut- und Ablenkwinkel < = 545°W bzw. θ = 15°. Die »festen« Paramete zur Zeit des Werkzeuglaufs sind somit ψ = 225^C Θ = 15° und D = tan'¹ B JB_h = 66°42'. Für diesel Satz »fester Parameter« findet sich als entsprechende Wert von r in den aus der Gleichung (5) entwickelte Tabellen > = 151°. Dieser Wert von r wird auf de

A

<S 1 OO 1 1 U

11 12

ι -Skala der Anzcigecinhcit eingeslelll. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die Magnetfeldkomponent ß_ovl. = ^B_x ² + B₁ ¹ = |/β77οο?7Γαϊϊϊ^Γ^-^^!ίϊη^Γψ)+ ßTsTr?77 ~2B_r ß^sin « cos β cos

und aus den auf dieser Gleichung beruhenden Tabellen 5 Arbeitsschritte a), b) und c) sind nunmehr beend von ß_OA-, läßt sich als der dem Satz »fester« Parameter und die Arbeitsschritte d), e) und f) können duic entsprechender Wert für B_OXY = 0,274 ablesen. Die geführt werden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Bestimmen des zur Bohrlochfuhrung benötigten Rollwinkels eines Bohrkopfes um dessen Längsachse, wobei der Bohrkopf ein turbinengetriebenes Bohrwerkzeug am unteren Ende eines Bohrrohres im Bohrloch aufweist und der Azimut- und Neigungswinkel des Bohrloches bekannt sind, gekennzeichnet durch einen Meßwertgeber (71, 72, 73; 81, 84, 85; 151), der die Vektorkomponenten (B_x und B_y) des erdmagnetischen Feldes (B) längs Querachsen (OX und O Y) des Bohrkopfes (83) erfaßt und nach über Tage vermittelt, und eine Umsetzstufe (61 bis 67; 74, 75, 89; 101 bis 105; 141 bis 144; 152 bis 157), die die übermittelten Vektorkomponenten zwecks Umwandlung in den Rollwinkel (Φ) des Bohrkopfes (83) auf die Vektorkomponenten des erdmagnetischen Feldes in Richtung von gegenüber der magnetischen Nordrichtung um den Azimutwinkel (ψ) des Bohrloches (10) und gegenüber der Vertikalen um den Neigungswinkel ((-)) des Bohrlochs (10) gedrehten Hauptachsen bezieht.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach über Tage vermittelten, einen Winkel darstellenden Vektorkomponenten (B_x und B_y) durch Addition eines aus dem Azimut- und Neigungswinkel (y und Θ) des Bohrlochs (10) errechneten Korrekturwinkels (/; /) in den Rollwinkel (Φ) umgewandelt werden.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwinkel (f; /) vorherberechnet und elektronisch oder in Tabellenform gespeichert und bei Bedarf selektiv abrufbar ist.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (81, 84, 85) in einem fest mit dem Bohrkopf (83) verbindbaren Gehäuse angeordnet ist und statische Magnetfeldfühler (84, 85) aufweist, die die zu übermittelnden, über Tage entsprechend dem Bohrloch-Azimut- und -Neigungswinkel (ψ und ft) umgewandelten Vektorkomponenten (B_x und B_y) in Form von Vektoren längs gehäusefester Achsen (X, Y) ermitteln.