DE4037262A1 - Zielbohrstange - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zielbohrstange gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Zielbohrstangen sind darauf eingerichtet, drehende Bohrungen und insbesondere Bohrungen nach dem Rotary-Verfahren in der Regel senkrecht nach unten, aber auch gelegentlich senkrecht nach oben so zu steuern, daß sie nicht aus der vorgegebenen Bohrrichtung, welche im allgemeinen mit der Senk­ rechten übereinstimmt, abweichen. Im allgemeinen bildet eine solche Zielbohrstange ein Bohrrohr, welches meistens als letztes Gestängerohr vor dem Bohrmeißel in den Gestängezug eingebaut wird und mit Hilfe der hydraulischen Antriebe Korrektur­ momente auf das Bohrwerkzeug überträgt, welche die Kräfte aufheben, die das Bohrwerkzeug und damit die Bohrung aus der Bohrrichtung ablenken. Bei prakti­ scher Ausführung kann eine solche Zielbohrstange mit einem Paar konzentrischer Rohre verwirklicht werden, von denen das innere Rohr die Bohrwelle bildet, die mit dem Bohrwerkzeug und dem Bohr­ gestänge drehfest verbunden ist, während das kon­ zentrisch äußere Rohr drehbar auf der Bohrwelle ge­ lagert ist und ausschwenkbare Steuerleisten auf­ weist, die sich auf den Bohrlochstößen abstützen. Diese Steuerleisten werden von den hydraulischen Antrieben beaufschlagt, deren Reaktionskräfte die Korrekturmomente an dem Bohrwerkzeug hervorrufen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die zur Steuerung derartiger Zielbohrstangen erforderlichen Meß- und Regelsysteme, die dafür sorgen, daß die Bohrung der vorgegebenen Bohrrichtung folgt. Allge­ mein gesehen, benötigt man zur Gewährleistung einer hinreichenden Genauigkeit bei der Einhaltung der vorgegebenen Bohrrichtung wenigstens zwei Meß- und Regelsysteme, welche in jeweils einer um einen Halbkreis gegeneinander versetzten Ebene wirksam sind, wobei in der vorstehend beschriebenen bei­ spielsweisen Ausführungsform der Zielbohrstange in jeder Meßebene ein Paar von Steuerleisten, deren Korrekturmomente einander entgegengesetzt sind, an­ geordnet werden. Auf diese Weise lassen sich alle innerhalb eines Vollkreises um die Bohrachse auf­ tretenden Abweichungen an dem Bohrwerkzeug korri­ gieren. Voraussetzung ist jedoch ein Meß- und Regelsystem, welches die Abweichungen von der Regelgröße mit hinreichender zeitlicher und absolu­ ter Genauigkeit erfaßt und in entsprechende Stell­ größen an den hydraulischen Antrieben umsetzt, wel­ che in der Regel Plungerkolben aufweisen, die auf die Steuerleisten wirken.

Der vorstehend beschriebene Aufbau einer Zielbohr­ stange ist aus dem DBP 30 00 239 grundsätzlich be­ kannt. In der Praxis werden elektrische Neigungs­ messer als Neigungssensoren benutzt, die um 90° gegeneinander versetzt sind. Ein solcher Neigungs­ messer kann beispielsweise aus einer Libelle mit Quecksilberfüllung bestehen, welche sich in einem gekrümmten, an beiden Enden verschlossenen Rohr be­ wegt und als Kontaktgeber dient, der mit Kontakten zusammenwirkt, die wechselweise durch die Quecksil­ berfüllung geschlossen oder geöffnet werden. Solche und ähnliche elektrische Sensoren führen jedoch zu Ungenauigkeiten in der Regelstrecke und damit zu nicht tolerierbaren Abweichungen aus der vorgegebe­ nen Bohrrichtung. Tatsächlich lassen sich die Stellgrößen nicht in Echtzeit mit den Meßgrößen darstellen und an die hydraulischen Antriebe wei­ tergeben. Es kommt auch zu Fehlsteuerungen, welche durch die mechanischen Belastungen des Meßsystems beim normalen Bohrbetrieb auf das Bohrgestänge wir­ ken und Größenordnungen annehmen können, welche die Kontakte schließen, obwohl eine Regelabweichung nicht vorliegt.

Insbesondere ergeben sich bei der vorstehend be­ schriebenen Bauart erhebliche Regelabweichungen mit zunehmender Teufe der Bohrung. Das ist einerseits eine Folge der Verlängerung des Bohrgestänges, andererseits aber auch der Einwirkungen auf die Bohrlochspülung und auf die Bohreinrichtung des Gebirges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zielbohrstange des als bekannt vorausgesetzten all­ gemeinen Aufbaus zu schaffen, welche auch bei großen Bohrlochteufen die vorgegebene Bohrrichtung praktisch fehlerlos einhält.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung sind das Meßsystem und die Regelstrecken jedes Neigungsreglers elektronisch ausgebildet, d. h. im Gegensatz zu vorbekannten elektrischen Ausführungen beruhen die Steuergrößen auf der Wechselwirkung von Elektronen. Daher kann der maßgebende Steuerimpuls von einer Beschleuni­ gungsmasse erzeugt und in Echtzeit in die Stell­ größen umgewandelt werden. Um die hierbei entste­ henden Störgrößen auszuschalten, wird das Meß­ signal, welches die Schwingungen des Bohrgestänges enthält und im übrigen auch durch die in großen Teufen aufgrund der geothermischen Tiefenstufe an­ steigenden Temperaturen verfälscht ist, gefiltert, wodurch das hinter dem Filter entstehende Meßsignal nur noch die Regelabweichung vom Sollwert enthält, d. h. die Größe des Winkels, den die Achse des Bohr­ gestänge mit der vorgegebenen, d. h. in der Regel senkrechten Bohrrichtung einschließt. Dieses Signal wird vorzeichenrichtig dem Fensterdiskriminator aufgegeben, nachdem es entsprechend verstärkt wor­ den ist. Dadurch werden in den als Dreipunktregler ausgebildeten Leistungsendstufen elektrische Stell­ größen gebildet, deren Wert sich nach dem Steuer­ fenster bestimmt und entweder Null oder eine be­ stimmte Größe nach rechts oder links annimmt. Die Leistungsendstufen bilden elektrische Stellgrößen, mit denen die Regelventile zur Beaufschlagung der Plungerzylinder gesteuert werden können.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß aufgrund der elektronischen Ausbildung bereits geringste Regelabweichungen zur Bildung von Steuergrößen füh­ ren, mit denen eine Korrektur der Bohrrichtung in Echtzeit herbeigeführt wird. Diese Art der Steue­ rung, insbesondere von Tiefbohrungen sorgt unabhän­ gig von den auf das Gestänge und das Bohrwerkzeug wirkenden Störgrößen für einen absolut geraden Ver­ lauf der Bohrung in der vorgegebenen Bohrrichtung, was nicht zu erreichen ist, wenn man die Stell­ größen mit zeitlicher Verzögerung aus den betref­ fenden Meßsignalen bildet. Die beschriebene Fil­ terung der Meßgrößen macht in der Erfindung die Steuersignale von den Störgrößen unabhägig, welche auf die das Meßsignal liefernde Beschleunigungs­ masse einwirken. Das bedeutet, daß z. B. die unver­ meidlichen Schwingungen des Bohrgestänges, die durch den Bohrvorgang entstehen und bei ihrer Ein­ wirkung auf die Bildung des Steuersignals zum Flat­ tern der Regelstrecke um den Sollwert führen, nicht wirksam werden können, so daß die Regelung unabhän­ gig von den Schwierigkeiten des Bohrens ausschließ­ lich auf Richtungsabweichungen reagiert.

Tiefbohrungen, d. h. Größenordnungen, wie sie bis­ lang nicht mehr beherrscht werden können, was bei Teufen von ca. 4000 m und mehr je nach Beschaffen­ heit des Gebirges der Fall ist, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Zielbohrstange führen, weil auch die Meßfehler im Filter unterdrückt werden, die durch die unvermeidliche Aufheizung der Bohrloch­ spülung und der von dieser umgebenden Bohr­ einrichtung infolge der geothermischen Tiefenstufe auftreten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß insbesondere das Bauelement, welches die Elektronik aufweist, miniaturisierbar ist. In der Praxis müssen nämlich die Teile des Meß- und Regel­ systems in der geringen Wandstärke des konzentrisch äußeren Rohres der Zielbohrstange untergebracht werden, was bei elektrischer Ausführung bisher häu­ fig zum Versagen aufgrund von äußeren Einflüssen wegen des zu geringen Raumangebotes führt. Bei der Erfindung ist auch der Leistungsbedarf geringer, was zur Verkleinerung des Generators führt, der zur Stromerzeugung dient und ebenfalls in die Zielbohr­ stange eingebaut werden muß.

Da die Erfindung bereits geringe Regelabweichungen aufnimmt und ausgleicht, wird zweckmäßig der Meßbe­ reich des Meßsystems auf diese Regelabweichungen eingestellt. Dazu gibt der Anspruch 2 eine für die Praxis zweckmäßige Bemessung wieder. Hierbei be­ schränkt sich der Meßbereich auf nur ca. 120 Winkelminuten bei einer Auflösung und Wieder­ holgenauigkeit der Meßsignale von ca. 1 Winkel­ minute, wobei die absolute Meßgenauigkeit ca. 3 Winkelminuten ausmacht.

Das Steuerfenster kann wahlweise asymmetrisch oder symmetrisch ebenfalls nach Winkelminuten ausgelegt werden. Die hierfür zweckmäßigen Größenordnungen sind in den Ansprüchen 3 und 4 wiedergegeben.

Von besonderer Bedeutung für die genaue Regelung der Bohrrichtung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zeilbohrstange ist die Berücksichtigung eines mit der Teufe anwachsenden hydrostatischen Druckes der Bohrlochspülung. Dies führt nämlich dazu, daß die hydraulischen Antriebe die Korrekturmomente mit immer größerer zeitlicher Verzögerung an die Ziel­ bohrstange weitergeben. Dieses Problem wird grund­ sätzlich mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst. Danach ist der Betriebsdruck der hydraulischen Antriebe variabel, d. h. er wächst mit wachsender Teufe an, die über den hydrostatischen Druck der Bohrlochspülung auf den Betriebsdruck der Antriebe einwirkt.

Im Anspruch 6 ist eine praktische Ausführung des hydraulischen Betriebskreises gekennzeichnet, wel­ che nach diesem Grundgedanken arbeitet.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vor­ teile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen

Fig. 1 im Längsschnitt unter Weglassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht erfor­ derlichen Einzelheiten eine Zielbohrstange gemäß der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2 die Darstellung der Meß- und Regelsysteme, welche in der Zielbohrstange nach Fig. 1 untergebracht sind und

Fig. 3 die teufenabhängige, hydraulische Steuerung der Steuerleistenantriebe.

In der Fig. 1 ist der mechanische Aufbau der Ziel­ bohrstange wiedergegeben. Dem Bohrlochtiefsten ist das Wellenende (1) eines konzentrisch inneren Roh­ res (2) gezeichnet, welches eine Aufnahme (3) für einen nicht dargestellten Bohrlochmeißel aufweist, der drehfest mit dem Wellenende (1) verbunden ist. Ein konzentrisch äußeres Rohr (3) ist drehbar auf der Welle (2) gelagert. Die Welle (2) weist einen zylindrischen Kanal (4) zur Zuführung des im Kanal nach unten gerichteten Stromes der Bohrflüssigkeit zu der Aufnahme (3) und damit zu dem Bohrmeißel auf. In dem konzentrisch äußeren Rohr sind die me­ chanischen Teile untergebracht, mit denen die Kor­ rektur der Bohrrichtung bewirkt wird.

Dazu gehören insgesamt vier Steuerleisten, die paarweise in je einer Ebene untergebracht sind, welche gegen die benachbarte Ebene um 90° versetzt ist. Deshalb sind in der Darstellung der Fig. 1 nur die Steuerleisten (5 und 6) erkennbar, die in einer dieser Ebenen angeordnet sind. Das andere Steuer­ leistenpaar steht senkrecht zur Zeichenebene. Jede Steuerleiste hat an einem Ende ein Anschlußgelenk (6), das sie mit dem konzentrisch äußeren Rohr (3) verbindet und wird mit zwei Paaren (7, 8) von Plun­ gerkolben (9 bzw. 10; 11 bzw. 12) gesteuert, deren Zylinder senkrecht zur Längsachse (12) der Ziel­ bohrstange (14) im äußeren Rohr (3) ausgespart sind. Sobald die Plungerkolben (9, 10 bzw. 11, 12) aus ihren Zylindern ausfahren, verschwenken sie die Steuerleiste (5) im Gelenk (6) nach außen, die sich auf dem nicht dargestellten Bohrlochstoß abstützt. Das Reaktionsmoment der Plungerkolben wirkt auf die Zielbohrstange (14) und damit auf das Bohrwerkzeug, das dadurch eine Richtungsänderung erfährt.

Die beschriebene Anordnung ist auch bei der Steuer­ leiste (6) vorgesehen. Da deren Plungerkolben unab­ hängig von dem Plungerkolben der Steuerleiste (5) beaufschlagt werden, können die Korrekturmomente in der beschriebenen Ebene nach jeder Seite aufge­ bracht werden. Im Zusammenwirken mit den Steuerlei­ sten in der anderen, d. h. senkrecht zur Zeichen­ ebene verlaufenden Korrekturebene sind entsprechend wirksam, so daß jede das Bohrwerkzeug ablenkende Störgröße durch Korrekturmomente ausgeglichen wer­ den kann.

In einer Aussparung (15) des konzentrisch äußeren Rohres (3) ist ein Elektromotor untergebracht, der mit seiner Welle drehfest mit einer in einer an­ schließenden Aussparung (16) untergebrachten Pumpe verbunden ist, welche den hydraulischen Betriebs­ druck für die Plungerzylinder erzeugt. Pumpe und Motor sind in dem hydraulischen Schaltbild nach Fig. 3 bei (17 bzw. 18) wiedergegeben. Zur Strom­ versorgung dient ein Elektromotor (19), welcher in einem Tender (20) der Zielbohrstange (14) unterge­ bracht ist. Der Tender wird von einem weiteren, konzentrisch äußeren Rohr (21) gebildet, das mit dem Rohr (3), wie bei (22) dargestellt, verschraubt und dadurch drehfest mit diesem verbunden ist. Das andere Ende (23) der Welle (2) tritt aus dem Ende des Tenders aus und weist eine Aufnahme (24) zur drehfesten Verschraubung mit dem anschließenden Gestängezug (26) auf. Das dem Tender (21) zugeord­ nete Ende des Rohres (3) weist Führungen (25) auf, welche das Ausschwenken der Steuerleisten (5 bzw. 6) begrenzen.

In einer weiteren Aussparung (27) des konzentrisch äußeren Rohres (3) ist eine Platine untergebracht, die bei (28) in Fig. 2 wiedergegeben ist. Die Aus­ sparung (27) dient auch dazu, die übrigen elektro­ nischen und elektrischen Schaltelemente für die Plungerkolben (9-12) aufzunehmen.

In den vorstehend beschriebenen Meßebenen ist für jedes Plungerkolbenpaar ein Neigungssensor (29, 30) mit seiner vollständigen Signalverarbeitung unter­ gebracht. Hierdurch entsteht für jede Steuerleiste eine Redundanz, die dafür sorgt, daß bei Ausfall eines Meß- und Regelsystems ein sofortiger Ausbau der Zielbohrstange nicht erforderlich ist, was bei Tiefstbohrungen mit dem Ziehen des Gestänges und deswegen einem hohem Aufwand verbunden ist. Jeder Sensor besteht im wesentlichen aus einer Beschleunigungsmasse, welche permanent die Neigung des in der betreffenden Ebene untergebrachten Meß­ systems (31, 32) erfaßt. Dadurch ist es möglich, in jeder der beiden Meßebenen gleichzeitig alle Stör­ größen zu erfassen, welche zu einer Abweichung von der vorgegebenen Vorrichtung führen. Da es sich in jeder Meßebenen um zwei Meßsysteme handelt, so ge­ nügt es, die doppelt vorhandene Elektronik anhand der Plungerkolben (9, 10) zu erläutern.

Das permanent von dem Neigungssensor (29) erzeugte Signal wird einem Tiefpaßfilter (33) aufgegeben. Dieser filtert das durch die Vibration des Bohrge­ stänges stark gestörte Neigungssignal des Sensors (29) aus und kompensiert gleichzeitig die tempera­ turabhängige Offsetdrift des Neigungssensors. Das gefilterte Signal gibt damit die Regelgröße wieder, die einem Signalverstärker (34) aufgegeben wird. Dieser verstärkt das gefilterte Neigungssignal mit dem gemäß dem Ausführungsbeispiel auf ca. 120 Win­ kelminuten festgelegten Meßbereich. Das Neigungs­ meßsystem hat eine Auflösung und Wie­ derholgenauigkeit gemäß dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel von ca 1 Winkelminute und eine abso­ lute Meßgenauigkeit von ca. 3 Winkelminuten.

Das verstärkte Signal gelangt auf einen Fensterdis­ kriminator (35), der das Neigungssignal vorzeichen­ richtig bewertet und danach die beiden Leistungs­ endstufen (36, 37) steuert. Das geschieht in Form eines Dreipunktreglers, wobei das Korrekturfenster ca. 3,5 Winkelminuten aufweist. Dieses Steuerfen­ ster kann wahlweise asymmetrisch mit ca. +2,5/ca. -1 Winkelminuten oder symmetrisch mit ca. +1,75/ca. -1,75 Winkelminuten ausgelegt werden.

Die PWM modulierten Endstufen (36 und 37) steuern über Wegeventile (38, 39) die Beaufschlagung der Plungerkolben (9, 10) einzeln mit einem bestimmten Strom/Zeitprofil, indem die Wegeventile die Plungerzylinder über den hydraulischen Betriebskreis ansteuern.

Die Darstellung der Fig. 3 weicht von der nach Fig. 2 insofern ab, als danach jedem Plungerkolbenpaar nur ein Magnetventil (y1-y4) zugeordnet und die Zylinder hintereinander geschaltet sind. Die PWM modulierten Endstufen (36 und 37) steuern die Magnete dieser 2/2-Wegeventile an, welche federnd vorgespannt sind. Dabei sind die Zylinder der Plun­ gerkolben (9, 10 bzw. 10, 11), die in einer Aus­ sparung des äußeren Rohres (3) untergebracht sind, welche als Kammern (1-4) im Schaltplan der Fig. 3 bezeichnet sind, hydraulisch miteinander verbunden, wodurch die Plungerkolben (9, 10 bzw. 10, 11) gleichzeitig aus- bzw. einfahren. Die Beaufschla­ gung der Wegeventile (y1-y4) erfolgt über Ringkanäle, die mit (T) für Tank und (P) für Pumpe gekennzeichnet, jedoch in die Fig. 1 nicht einge­ tragen sind.

Der hydraulische Druckerzeuger weist einen Druck­ verstärker (40) auf. Dieser enthält einen federbe­ lasteten Kolben (41), dessen Unterseite (42) mit dem geregelten Betriebsdruck der Pumpe (18) beauf­ schlagt ist. Die gegenüberliegende Kolbenseite (43) stützt sich auf der Feder (44) ab, die ihrerseits mit einer Membran (45) beaufschlagt ist, die dem Druck der aufsteigenden Spülflüssigkeit ausgesetzt ist. Die Anordnung wirkt deshalb so, daß der Druck der aufsteigenden Spülflüssigkeit den Druck in der hydraulischen Steuerleitung (46) verstärkt, mit der die Plungerzylinder beaufschlagt werden. Das bedeu­ tet, daß mit anwachsender Teufe und dementsprechend anwachsenden hydrostatischen Druck der Bohrloch­ spülung auch der hydraulische Druck in den Plunger­ zylindern steigt. Dadurch wird unabhängig von der Teufe eine vorgegebene Kolbengeschwindigkeit einge­ halten und das Korrekturmoment nach der Teufe ver­ stärkt.

Claims (7)

1. Zielbohrstange mit wenigstens einem Paar von Neigungsreglern zur Steuerung hydraulischer Kor­ rekturantriebe, bei der ein Meßsystem die Regel­ größe als Neigungswinkel der Zielbohrstange in einer Ebene gegen die vorgegebene Bohrachse in beiden Richtungen feststellt und die Steuerung die Meßwerte in Stellgrößen für die in der Ebene angeordneten, gegenläufig wirkenden Korrektur­ antriebe umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßsystem (31, 32) der Neigungssensor (29, 30) als Beschleunigungsmasse ausgebildet ist, die ein permanentes, elektronisches Meß­ signal einem Filter (33) aufgibt, welches die Schwingungen der Zielbohrstange unterdrückt und die um die temperaturabhängige Offsetdrift des Neigungssensors (29, 30) korrigierte Regelgröße liefert, die über einen Signalverstärker (34) auf einen Fensterdiskriminator (35) gelangt, der die Regelgröße durch ein nach Winkelminuten der Neigung bemessenes Steuerfenster als Dreipunkt­ regler an Leistungsendstufen (36, 37) abgibt, welche elektrische Stellgrößen an Magnetventile (38, 39) weitergeben.

2. Zielbohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßbereich des Meßsystems (31, 32) auf ca. 120 Winkelminuten und die Auflösung und jeder Hohlgenauigkeit der Meßsignale auf ca. 1 Winkelminute bei einer absoluten Meßgenauig­ keit von ca. 3 Winkelminuten festgelegt sind, wobei das Steuerfenster ca. 3,5 Winkelminuten umfaßt.

3. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfenster symmetrisch mit ca. +2,5/ca. -1 Winkelminuten ausgelegt ist.

4. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerfenster symmetrisch mit ca. +1,75/ca. -1,75 Winkel­ minuten ausgelegt ist.

5. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Betriebsdruck der Antriebe (9-11) linear nach dem hydrostatischen Druck der Bohrspülung im Bereich der hydraulischen Antriebe (9-11) anwächst.

6. Zielbohrstange nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Kolbendruckspeicher (40) in den hydraulischen Betriebskreis eingebaut ist, dessen Kolben (41) auf einer Seite (42) von dem hydraulischen Druckerzeuger (17, 18) und auf der gegenüberliegenden Seite mit der Spülflüssigkeit belastet ist.

7. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Meßebene vierfach unter sich gleiche Meßsysteme (31, 32) angeordnet und hydraulische Antriebspaare (9, 10, 11, 12) zugeordnet sind.