DE4037262C2 - Zielbohrstange - Google Patents
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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. Unter dem im Anspruch 1 angegebenen Ausdruck "Offsetdrift" wird
dabei die Abweichung von der vorgegebenen Bohrrichtung verstanden. 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
Zielbohrstange 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, weitere 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) zugewandt, 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 konzentrischen 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
Plungerkolben (9 bzw. 10; 11 bzw. 12) gesteuert,
deren Zylinder senkrecht zur Längsachse (12a) der
Zielbohrstange (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 Steuerleiste
(6) vorgesehen. Da deren Plungerkolben unabhängig
von dem Plungerkolben der Steuerleiste (5)
beaufschlagt werden, können die Korrekturmomente in
der beschriebenen Ebene nach jeder Seite aufgebracht
werden. Durch Zusammenwirken der Plungerkolben mit den Steuerleisten
in der anderen, d. h. senkrecht zur Zeichenebene
verlaufenden Korrekturebene
kann jede das Bohrwerkzeug ablenkende
Störgröße durch Korrekturmomente ausgeglichen werden.
In einer Aussparung (15) des konzentrisch äußeren
Rohres (3′) ist ein Elektromotor untergebracht, der
mit seiner Welle drehfest mit einer in einer anschließenden
Aussparung (16) untergebrachten Pumpe
verbunden ist, welche den hydraulischen Betriebsdruck
für die Plungerzylinder erzeugt. Pumpe und
Motor sind in dem hydraulischen Schaltbild nach
Fig. 3 bei (17 bzw. 18) wiedergegeben. Zur Stromversorgung
dient ein Elektromotor (19), welcher in
einem Tender (20) der Zielbohrstange (14) untergebracht
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) zugeordnete 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 Aussparung
(27) dient auch dazu, die übrigen elektronischen
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 untergebracht.
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 Meßsystems
(31, 32) erfaßt. Dadurch ist es möglich, in
jeder der beiden Meßebenen gleichzeitig alle Störgrößen
zu erfassen, welche zu einer Abweichung von
der vorgegebenen Borrichtung führen. Da es sich in
jeder Meßebene um zwei Meßsysteme handelt, so genügt
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 (Puls-Weiten-moduliert) 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. 11, 12), 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. 11, 12)
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 Plungerzylindern
steigt. Dadurch wird unabhängig von der
Teufe eine vorgegebene Kolbengeschwindigkeit eingehalten
und das Korrekturmoment nach der Teufe verstärkt.
Claims (7)
1. Zielbohrstange mit wenigstens einem Paar von
Neigungsreglern in einer Ebene zur Steuerung hydraulischer Korrekturantriebe,
bei der ein Meßsystem die Regelgröße
als Neigungswinkel der Zielbohrstange in der
Ebene gegen die vorgegebene Bohrachse
feststellt und die Steuerung
die Meßwerte in Stellgrößen für die in der Ebene
angeordneten, gegenläufig wirkenden Korrekturantriebe
umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß
in dem Meßsystem (31, 32) der Neigungssensor
(29, 30) elektronisch ausgebildet
ist und ein permanentes, elektronisches Meßsignal
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 Dreipunktregler
an Leistungsendstufen (36, 37) abgibt,
welche elektrische Stellgrößen an Magnetventile
(38, 39) weitergeben.
2. Zielbohrstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßbereich des Meßsystems (31,
32) auf ca. 120 Winkelminuten und die Auflösung
und Wiederholgenauigkeit 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 Druckverstärker (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.
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