[0001] Die Erfindung betrifft eine Zielbohrstange für drehendes Bohrgestänge mit Spülkanal
vorzugsweise für den Untertagebetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Allgemein gesehen ist eine Zielbohrstange ein in den Bohrgestängezug eingebautes
Bohrrohr, welches Meßwerte aufnimmt und weitergibt, die von Meßgeräten und Wächtern
in der Zielbohrstange stammen. Die Meßwerte geben über den Verlauf der Bohrung, d.h.
über etwaige Abweichungen von einer vorgegebenen Bohrlochrichtung Auskunft, während
die Wächter Meßwerte liefern, welche die Funktionsüberwachung der verschiedenen Einrichtungen
einer solchen Zielbohrstange ermöglichen. Insbesondere betrifft die Erfindung Zielbohrstangen,
welche mit einer Einrichtung zur Korrektur der Bohrung versehen sind. Eine solche
Einrichtung besteht in der Regel aus mehreren, am Außenrohr schwenkbar gelagerten
Steuerleisten, die sich auf den Stößen des Bohrloches abstützen und über hydraulisch
beaufschlagbare Zylinder einzeln verstellt werden können, um die Richtung des Bohrgestänges
zu korrigieren.
[0003] Die Erfindung geht aus von einer vorbekannten Zielbohrstange der letztgenannten Art
(DE-OS 30 00 239.2).
[0004] In das Außenrohr dieser Zielbohrstange sind zur Steuerung der hydraulisch beaufschlagbaren
Verstellzylinder der Steuerleisten meistens mehrere, vorzugs
- weise zwei Neigungsmesser in rechtwinklig zueinander orientierten senkrechten Meßebenen
vorgesehen. Deren Meßwerte liefern nicht nur die Eingangsgrößen der eingebauten automatischen
Steuerleistenverstellung, sondern werden zu einem am Bohrlochmund angeordneten Steuerstand
mit der telemetrischen Einrichtung übertragen. Diese telemetrische Einrichtung arbeitet
mit elektrischen Signalen, welche über entweder in einem Schleppkabel oder in den
Bohrrohren selbst untergebrachte Leiter übermittelt werden. Die so übermittelten Signale
sind ausreichend genau, weil zu ihrer Erzeugung und Übertragung eine von dem Spülstrom
unabhängige Stromquelle dient, welche die Signalenergie liefert und den Druckerzeuger
antreiben kann, sofern dieser nicht unmittelbar seine Bewegungsenergie von dem drehenden
Innenrohr erhält. Obwohl als Stromquelle auch eine Batterie infrage kommt, handelt
es sich vorzugsweise um einen Generator, dessen Läufer von dem drehenden Innenrohr
angetrieben wird.
[0005] Nachteilig wirkt sich jedoch die für die Übertragung der Signale erforderliche Leiterverbindung
aus.
[0006] Wenn sie im Bohrgestänge untergebracht wird, ist die Herstellung und Aufrechterhaltung
einwandfreier Kontaktverbindungen zwischen den Bohrrohren schwierig. Bedient sich
die telemetrische Einrichtung eines Schleppkabels, so ist die Verbindung zwar elektrisch
einwandfrei, unterliegt aber allen mechanischen und sonstigen Beanspruchungen durch
das drehende Bohrgestänge, die Bohrlochstöße und die Bohrlochspülung.
[0007] Es ist jedoch eine als Schwerstange ausgebildete Zielbohrstange bekannt (DE-OS 29.41
102), welche als drehendes Bohrrohr ausgeführt ist. Hierbei dient als telemetrische
Einrichtung der durch den Spülkanal verlaufende Spülstrom und ein hydraulischer Wandler,
welcher die elektrischen Signale in Druckimpulse der Spülung umsetzt. Der so druckmodulierte
Spülstrom kann am Bohrlochausgang vermessen werden, wodurch sich die Druckimpulse
von einem Empfänger aufnehmen und zur Weiterleitung in elektrische Größen umwandeln
lassen. Als Wandler für die Druckmodulation des Spülstromes dient in der Schwerstange
ein Rohrventil, das den Spülstrom drosselt und mit Hilfe eines eingebauten, in sich
geschlossenen hydraulischen Kreises betätigt wird. Die Steuerung des hydraulischen
Arbeitsmediums geschieht mit Hilfe eines Magnetventiles, das mit den elektrischen
Neigungsdaten beaufschlagt wird.
[0008] Eine solche telemetrische Einrichtung setzt eine axiale Anordnung des Rohrventiles,
d.h. des Ventilkörpers konzentrisch in einem Spülkanal voraus, der die Spülung hinter
der Drosselstelle an dem Rohrventilkörper vorbeileitet. Einerseits ergibt sich hieraus
ein räumliches Problem, wenn nämlich das den Spülkanal aufweisende Bohrrohr verhältnismäßig
dünnwandig ist.
[0009] Das ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich um das Innenrohr einer Zielbohrstange
der eingangs als bekannt vorausgesetzten Art handelt, die ein stehendes Außenrohr
aufweist. Andererseits kann aber bei entsprechend dickwandigen Bohrrohren ein stehendes
Außenrohr nicht verwirklicht werden. Das bedingt die Unterbringung des Stromerzeugers
in dem drehenden Bohrrohr und setzt dann für den Antrieb des Generators eine von der
Spülung angetriebene Turbine voraus.
[0010] Diese Turbine verursacht wegen des druckmodulierten Spülstromes und anderer, den
Spülstrom beeinflussender Größen Fehler in der Bildung der elektrischen Signale, die
übertragen werden sollen. Im Ergebnis sind die Drucksignale durch einen ungleichmäßigen,
jedenfalls aber flachen Druckanstieg und -abfall gekennzeichnet, wenn sie mit der
bekannten Einrichtung erzeugt und übermittelt werden. Das ist nachteilig, weil dadurch
nicht nur das Erkennen der Drucksignale erschwert wird, sondern auch die Signalfrequenz
gering bleibt und dadurch die Genauigkeit der auf diese Weise zu übermittelten Daten
beschränkt bleibt.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Zielbohrstange der als bekannt
vorausgesetzten Art auf einfache Weise die telemetrische Einrichtung mit dem Ziel
zu verbessern, die elektrischen Leitungsverbindungen im Bohrloch nach außen fortfallen
zu lassen, aber die mit der eingebauten elektrohydraulischen Einrichtung erzeugten
Signale mit der erforderlichen Genauigkeit zu übermitteln.
[0012] Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 qelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
[0013] Der Fortfall der elektrischen Leitungsverbindungen wird erfindungsgemäß durch die
eingangs als bekannt beschriebene Verwendung des durch den Spülkanal verlaufenden
Spülstromes als telemetrische Einrichtung und den zur Druckmodulation erforderlichen
Wandler erreicht. Jedoch wird dieses Prinzip bei einer dem grundsätzlichen Aufbau
der erfindungsgemäßen Zielbohrstange entsprechend
EnZielbohrstange erst durch die Miniaturisierung des Wandlers ermöglicht, der sich
deswegen in den beschränkten räumlichen Verhältnissen unterbringen läßt, wobei gleichzeitig
für die erforderliche Form der Druckimpulse gesorgt wird. Diese Miniaturisierung des
Wandlers geschieht durch die Verlegung aller dem Spindelkolben und seiner Kolbenaussparung
nachgeordneten Teile und Baugruppen in das Außenrohr, während durch die Anordnung
und Ausbildung des Spindelkolbens Druckimpulse erzeugt werden können, die im wesentlichen
rechteckförmig sind, d.h. einen steilen Druckanstieg und -abfall aufweisen. Sie ermöglichen
die Aufnahme des Druckimpulses zwischen diesen beiden Ästen des Drucksignals und dadurch
eine hohe Signalfrequenz, mit der sich entsprechend viele präzise und unterschiedliche
Daten übermitteln-lassen.
[0014] Die Erfindung hat daher vor allem den Vorteil, daß außer den von den Neigungsmessern
gelieferten Signalen auch eine Vielzahl von weiteren Daten der Zielbohrstange nach
außen übertragen werden kann. Dabei lassen sich die dazu erforderlichen Meßgeräte
und Wächter in dem stehenden und daher verhältnismäßig weniger mechanisch belasteten
Außenrohr unterbringen und lediglich die von ihnen gelieferten Signale nach Wandlung
in hydraulische Impulse für den Spindelkolben auf den Spülstrom übertragen. Man kann
damit nicht nur die einwandfreie Steuerung der Zielbohrstange nach dem vorgegebenen
Bohrlochverlauf, sondern auch die Funktionstüchtigkeit der hierfür benötigten hydraulischen
und elektrischen Einrichtungen mit geeigneten Geräten und Wächtern überwachen.
[0015] Vorzugsweise und gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung lagert man den Spindelkolben
ein- oder beidseitig und beaufschlagt ihn mit dem hydraulischen Arbeitsmedium nach
elektrischen Signalen gemäß dem Merkmal des Anspruches 2. Bei geringen Bohrlochdurchmessern
mit entsprechend schwachem Innenrohr der Zielbohrstange bei ausreichend bemessenem
Spülkanal bevorzugt man die doppelseitige Lagerung des Spindelkolbens, der sich dann
in seiner Aussparung beiderseits des Spülkanals abstützt.
[0016] Insbesondere für die letztgenannte Ausführungsart der Erfindung empfiehlt sich die
Weiterbildung nach Anspruch 3..Sie ermöglicht einen konstruktiv einfachen Aufbau des
Innenrohr und eine entsprechend vereinfachte Fertigung, bei der die Spindelkolbenaussparung
lediglich gebohrt und die Verbindungen zu dem Wegeventil im wesentlichen mit Nuten
geschaffen werden können, die sich relativ einfach über Ringdichtungen abdichten und
durch Räumen oder Fräsen anbringen lassen.
[0017] Eine vom Spülstrom unabhängige Erzeugung von Druckimpulsen wird dadurch gesichert,
daß gemäß einer Ausbildung der Erfindung der Impulskolben im drehenden Innenrohr doppelt
gelagert und quer zur Bohrrichtung angeordnet ist. Er wird von der Hydraulikpumpe
aus, die im nicht drehenden Außenrohr angeordnet ist, zwischen zwei Wellendichtungen
versorgt und so im drehenden Innenrohr den Spülkanal mehr oder weniger einengend hin-
und herbewegt.
[0018] Eine einwandfreie und gesicherte Versorgung des Impulskolbens ist erreicht, da erfindungsgemäß
im Bereich des Impulskolbens zwischen drehendem Innenrohr und nicht rotierendem Außenrohr
eine Drehdurchführung vorgesehen ist.
[0019] Die vom Spülstrom unabhängige Energieversorgung ist insbesondere zu erreichen, indem
dem nicht rotierenden Außenrohr ein als Langsamläufer ausgebildeter, vom Innenrohr
antreibbarer Bohrstangengenerator zugeordnet ist.
[0020] Zur Sicherung der Hydraulikpumpe ist dieser nach einer weiteren Ausführung der Erfindung
ein Druckbegrenzungsventil zugeordnet. überschüssiges Druckmedium wird über das Druckbegrenzungsventil
in den Hydrauliktank abgeleitet.
[0021] Eine den ermittelten Meßwerten genau entsprechende Steuerung des Impulskolbens wird
erreicht, indem in der Hydraulikleitung zwischen Hydraulikpumpe und Impulskolben ein
über die elektronische Steuerung schaltbares Magnetventil angesteuert ist. über dieses
Magnetventil kann der jeweilige Impuls genau dem ermittelten Maßwert entsprechend
gestaltet werden.
[0022] Zweckmäßig ist es, als Meßwertaufnehmer sowohl Neigungsmesser als auch Richtungsgeber,
Temperatur-, Druck- und Spannungsmesser zu verwenden, die gruppenweise oder einzeln
an unterschiedlichen Stellen des Außen- und/oder Innenrohres angeordnet sind. Mit
derartigen Meßwertaufnehmern können alle wichtigen und gleichzeitig zur Beurteilung
des Zustandes der Zielbohrstange und der Bohrkrone interessanten Daten ermittelt und
zum Bohrstand weitergeleitet werden.
[0023] Um eine genaue Rückübertragung bzw. Decodierung zu ermöglichen, ist die am Bohrstand
angeordnete Auswerteeinheit ein Differenzdruckaufnehmer, der mit einem Anzeigegerät
gekoppelt ist. Die Druckimpulse können damit sofort am Anzeigegerät abgelesen und
gegebenenfalls gespeichert sowie ausgewertet werden.
[0024] Alle für die verschiedenen Aggregate in der Zielbohrstange benötigten Versorgungsenergien
stehen zur Verfügung, wenn - wie erfindungsgemäß vorgesehen ist - der Bohrstangengenerator
mit einem Gleichrichter sowie Spannungsregler und Spannungswandler ausgerüstet ist
und die elektronische Steuerung mit zugeordnetem Sender energiemäßig versorgt wird.
[0025] Um sicher zu sein, daß die vom Sender abgegebenen Impulse vom Empfänger auch richtig
aufgenommen und verarbeitet werden, ist es von Vorteil, daß der Empfänger des Differenzdruckaufnehmers
und der Sender der elektronischen Steuerung synchronisiert und so geschaltet sind,
daß die Überprüfung der Synchronisierung vor jeder Meßreihe erfolgt. Jeder Impulsfolge
sind somit ein oder zwei Synchronimpulse vorgeschaltet, die eine Aufnahme nur bei
einwandfreier Synchronisierung erlauben.
[0026] Auch horizontale und geneigte Zielbohrungen können ohne weiteres mit einer derartigen
Vorrichtung ausgerüstet werden, wobei dies insbesondere der Fall ist, wenn als Neigungsmesser
ein elektronisch gestützter Beschleunigungsaufnehmer und als Richtungsgeber ein magnetisch
austariertes Magnetometer dient. Derartige Einrichtungen sind gegen Mitdrehen während
des Bohrens unempfindlich und sichern eine genaue Ermittlung und Übertragung der benötigten
Meßwerte.
[0027] Bei flözgeführten Zielbohrungen ist es zweckmäßig, dem Außenrohr ein oder mehrere
Gamma-Strahlen-Sensoren zuzuordnen, über die ein Abtasten des Hangenden und des Liegenden
einwandfrei möglich ist.
[0028] Der technische Fortschritt der vorliegenden Erfindung ist wesentlich, weil sowohl
eine wesentliche genauere Übertragung von Meßwerten zum Bohrstand möglich ist als
auch gleichzeitig eine genaue Überwachung des weit im Bohrloch befindlichen Gestänges
bzw. der Zielbohrstange und der Bohrkrone erreicht wird. Aufgrund der genauen kontinuierlichen
Überwachung sind zusätzliche und nachträgliche Kontrollmessungen überflüssig, was
zu einer wesentlichen Vereinfachung des gesamten Bohrvorganges führt. Aufgrund der
genauen kontinuierlichen Meßwertübertragung und -erfassung kann der Bohrlochverlauf
kontinuierlich überprüft und reguliert werden, was zu erheblichen bohrtechnischen
Vorteilen führt.
[0029] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Zielbohrstange mit Bohrkrone, teilweise im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt einer Zielbohrstange,
Fig. 3 einen Längsschnitt einer Zielbohrstange,
Fig. 4 eine vereinfachte Gesamtdarstellung einer Vorrichtung mit den dem Bohrstand
zugeordneten Teilen,
Fig. 5 ein Druckimpulsdiagramm in vereinfachter Darstellung,
Fig. 6 die für den Impulskolben notwendige Steuerung,
Fig. 7 eine andere Ausführung der Steuerung,
Fig. 8 einen einseitig gelagerten Impulskolben und
Fig. 9 in der Fig. 2 entsprechender Darstellung eine abgeänderte Ausführungsform des
Spindelkolbens.
[0030] Bohrlochseitig endet das nur mit zwei Bohrrohren 40 und 41 in Fig. 4 dargestellte
drehende Bohrgestänge, das aus mehreren miteinander verschraubten Bohrrohren besteht,
durch die der vorlaufende Strom der Bohrtrübe gefaßt ist, an einer Zielbohrstange,
welche unmittelbar hinter dem Bohrwerkzeug 1 angeordnet ist, welches mit dem Bohrgestänge
angetrieben wird. Die Zielbohrstange überträgt die Drehbewegung über ihr Innenrohr
4 auf das Bohrwerkzeug 1. Das Innenrohr 4 umschließt einen Spülkanal 3, der den vorlaufenden
Strom der Bohrtrübe weiterleitet. Das Innenrohr ist konzentrisch in einem Außenrohr
5 angeordnet und in diesem drehbeweglich bei 9 gelagert. Das Außenrohr weist außen
schwenkbar gelagerte Steuerleisten 7 auf, die sich auf den Bohrlochstößen abstützen,
so daß das Außenrohr bei Drehung des Bohrgestänges festgehalten wird. Deswegen ergibt
sich eine Relativdrehung des Innenrohres 4 im Außenrohr 5.
[0031] Das Außenrohr dient zur Aufnahme der im einzelnen nicht dargestellten Arbeitszylinder
für die Steuerleisten 7, die zu ihrer Betätigung dienende hydraulische Einrichtung
sowie einer Vielzahl von Meßgeräten und Wächtern, die bei 17 und 18 in den Figuren
dargestellt sind. Zu den Meßgeräten gehörenu.a. Neigungsmesser, welche die Richtung
des allgemein mit 27 bezeichneten Bohrloches überwachen und die Regelgrößen einer
elektronischen Regeleinrichtung liefern, welche automatisch die Steuerleisten verstellt
und dadurch die Einhaltung der geplanten Bohrrichtung gewährleistet. Eine in das Außenrohr
eingebaute Pumpe 10 erzeugt den hydraulischen Betriebsdruck. Sie kann entweder unmittelbar
von dem drehenden Innenrohr 4 oder elektrisch von einem Generator 8 angetrieben werden.
Der Rotor des Generators 8 weist ein Ritzel 15 auf, das mit einer Verzahnung des Innenrohres
4 kämmt, so daß der Generator seinerseits von dem Innenrohr 4 angetrieben wird. Auf
diese Weise ist der Betrieb der hydraulischen Einrichtung sowie die Energie für die
Meßwerte und ihre Übertragung auf die hydraulische Einrichtung von der lebendigen
Energie des Spülstromes unabhängig.
[0032] Der Generator 8 dient deswegen auch dazu, die Energie für die Signale der Meßgeräte
und Wächter sowie zur Steuerung eines 3/2-Magnetwegeventiles 11 zu liefern, welches
das hydraulische Arbeitsmedium eines allgemein mit 24 bezeichneten Spindelkolbens
steuert. Die Pumpe 10 ist über ein Druckbegrenzungsventil 12 in der Ringleitung 13
zum Tank 14 abgesichert, aus dem sie sich mit Druckmedium versorgt. Das Magnetventil
erhält seine Steuerströme aus einer elektronischen Steuerung 16. Diese nimmt die Signale
aus den Meßgeräten bzw. Wächtern 17, 18 auf. Neben der Wiedergabe der von den erwähnten
Neigungsmessern kommenden Regelgrößen der automatischen Steuerleistenverstellung handelt
es sich um Signale, mit denen der Zustand ausgewählter Einrichtungen des Außenrohres
überwacht wird. Auf diese Weise lassen sich Informationen nicht nur über den Richtungsverlauf
der Bohrung, sondern auch über den technischen Zustand der Zielbohrstange 2 gewinnen.
Im einzelnen kann es sich um Meßdaten handeln, die rechtzeitig den Verschleiß, sich
ankündigenden Ausfall des hydraulischen Systems oder der elektrischen bzw. elektronischen
Steuerelemente melden. Die entsprechende Verstellung des Magnetventiles 11 sorgt für
eine ausgewählte Druckbeaufschlagung des Spindelkolbens.
[0033] Dieser Spindelkolben ist nach der Ausführungsform in den Fig. 2, 3 und 6 ein Doppelkolben,
dessen Einzelheiten anhand der Darstellung der Fig. 2 und 3 näher erläutert werden.
Demnach sitzt der Spindelkolben in einer Aussparung 44, welche auf dem größeren Teil
ihrer Länge gleichen Durchmesser hat und das Innenrohr 4 sowie den Spülkanal 3 durchsetzt
(Fig. 2). Während der Stirnkolben 45, der mit einem O-Ring 46 in der einen Hälfte
47 der Spindelkolbenaussparung 44 abgedichtet ist, unmittelbar aus einer Leitung 21b
beaufschlagt wird, ist der durch den Schaft 48 abgesetzte Kurzkolben 49 in einer Hälfte
50 der Spindelkolbenaussparung 44 gelagert und mit einem O-Ring 51 in dieser abgedichtet.
Die Aussparung reicht bis zu einem Ringsitz 52 für eine Schraubenfeder 26. Eine axiale
Querbohrung 53 bildet eine hydraulische Verbindung nach außen. Die Schraubenfeder
26 stützt sich unter dem Hemd 54 des Kurzkolbens 49 und auf einem vom Boden des Kurzkolbens
49 ausgehenden Zapfen 55 ab, welcher aus dem Kolbenhemd 54 vorsteht. Der Spindelschaft
48 durchquert den Spülkanal 3 ständig, der wegen des geringen, d.h. den Kolbendurchmesser
wesentlich unterschreitenden Spindelschaftes dadurch nur geringfügig gedrosselt wird.
[0034] Davon unterscheidet sich die Ausführungsform des Spindelkolbens 24' nach Fig. 8.
Hierbei ist die Aussparung 44 zwar mit einem Abschnitt für den Stirnkolben 45 vorhanden,
der volle Durchmesser endet jedoch vor dem Spülkanal 3 an der Ringschulter 52, die
den Sitz der Schraubenfeder 26 bildet und setzt sich mit geringem Durchmesser in der
Hälfte 50 fort, die aber stark verkürzt ist, um das freie Ende 56 des Spindelschaftes
48 aufzunehmen, der den Spülkanal nicht ständig, sondern lediglich bei Druckbeaufschlagung
der Kolbenstirnseite 57 durchquert, wenn die Kraft der Schraubenfeder 26 überwunden
*wird.
[0035] Anhand der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Fortleitung des hydraulischen Arbeitsmediums
für die Betätigung des Spindelkolbens 24 von dem stehenden Außenrohr 5 auf das drehende
Innenrohr 4 in die Aussparung des Spindelkolbens wiedergegeben, welcher allgemein
mit 24 bezeichnet ist. Danach sitzt vor den bohrwerkzeugseitigen Lagerpaaren 58 und
59 des Außenrohres eine Hülse 60 auf dem Innenrohr, welche mit einem Stift 61 mit
dem Innenrohr drehfest versperrt ist und auf ihrer Außenseite je eine Ringnut 62,
63 für die Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung des Spindelkolbens 24 trägt. Die
beiden Ringnuten 62, 63 sind außen durch Ringdichtungen 64, 65, 66 und innen durch
Ringdichtungen 67, 68, 69 gegeneinander und nach außen hydraulisch abgedichtet. Mit
Hilfe von Radialbohrungen 70 und 71 sind sie an die Kanäle in dem Außenrohr angeschlossen,
die die Vor- und Rückleitungen 13, 19 und 20 für das hydraulische Arbeitsmedium bilden.
[0036] Wenn das Magnetventil 11 angesteuert und der entsprechende Kanal 21a bzw. 21b beaufschlagt
bzw. entlastet werden, wird das Druckmedium entweder vor die Stirnseite 22 des Spindelkolbens
geführt und aus dem Raum hinter der Stirnseite 23 des Kurzkolbens 49 verdrängt, so
daß der Spindelkolben augenblicklich ausgelenkt wird bzw. erfolgt die Beaufschlagung
umgekehrt, wodurch der Spindelkolben augenblick in seine Ausgangsstellung zurückgeführt
wird.
[0037] Bei Auslenkung des Spindelkolbens 24 wird der Spülstrom durch den Spülkanal augenblicklich
mit Hilfe des vorschnellenden Stirnkolbens 45 stark gedrosselt oder kurzzeitig ganz
abgesperrt. Dadurch entsteht ein steiler Druckanstieg im Spülkanal, der nach Umschaltung
des Magnetventiles 11 zu einem ebenfalls steilen Druckabfall führt, weil die Feder
26 den Kolben augenblicklich in seine Ausgangslage zurückführt. Es ergeben sich hieraus
rechteckförmige Druckimpulse, die bei 35 in Fig. 5 wiedergegeben sind. Die über diesen
Impulsen eingezeichneten Doppelpfeile geben die Impulsdauer wieder, die durch den
Druckanstieg und Druckabfall bis zum folgenden Druckimpuls gegeben ist. Diese Impulsdauer
identifiziert einen Meßwert und ein Meßsignal. Sie wird von einem Wandler 29 aufgenommen
und in einen Spannungswert umgesetzt.
[0038] Die unter der mit 35 in Fig. 5 wiedergegebene weitere Impulsfolge 36 mit ihrer ebenfalls
durch Doppelpfeile wiedergegebenen Impulsdauer identifiziert ein anderes Meßsignal,
so daß der Spindelkolben über das Wegeventil 11 infolge der mit Magnetventilen dieser
Art erreichbaren hohen Schaltfrequenz tatsächlich eine Vielzahl von Meßwerten in einwandfrei
unterscheidbaren Drucksignalen aufnehmen undden Spülstrom aufprägen. kann. Derals
Differenzdruckaufnehmer 29 ausgebildete Wandler kann daher diese Drucksignale in elektrische
Signale umsetzen, die sich identifizieren lassen.
[0039] Beispielsweise ist in Fig. 4 der Steuerstand 28 mit dem als Differenzdruckaufnehmer
29 ausgebildeten Wandler versehen, der ein Anzeigegerät 30 und gegebenenfalls gleichzeitig
auch ein Schreibgerät 31 betätigt. Der Wandler 29 ist in der Bohrtrübezuführung 33
zum Spülkanal untergebracht. Das Anzeigegerät kann auch entfernt vom Steuerstand 28,
gegebenenfalls auch Ubertage angeordnet werden, da der Wandler 29 ausgangsseitig Stromimpulse
liefert.
[0040] Am Beispiel der Fig. 3 kann eine mögliche Dimensionierung für eine Untertage eingesetzte
Zielbohrstange für ein Bohrlochdurchmesser 8 1/2" angegeben werden, die nachstehend
beschrieben wird:
Der Generator 8 ist ein Langsamläufer von 60 U/min und liefert trotz der geringen
Umdrehungszahl eine Wechselspannung von 3 ≈ von 24 Volt bei einer erforderlichen Leistung
von rd. 40 Watt. Anstelle eines Wechselstromgenerators 8 lassen sich auch zwei Gleichstrommotoren
verwenden.
[0041] Die Elektronik hat einen Leistungsteil, der einen Gleichrichter umfaßt, welcher den
Drehstrom in Gleichstrom umwandelt und daneben einen Spannungsregler für die Einhaltung
der 24 Volt-Spannung aufweist. Ein Spannungswandler DC-DC sorgt für - 12 V=für das
Messen um einen Nullpunkt. Neben der Leistungselektronik ist eine Steuerelektronik
vorhanden. Sie besteht aus einem Frequenzgenerator zur Speisung der Richtungsmeßwertgeber,
einem Gleichrichter, der die Richtungsmeßwertsignale richtet, einem Soll-Ist-Wertvergleicher
(Fenster) für die eingangs beschriebene Regelung und eine Ansteuerung der Magnetventile,
die den Ölfluß auf die Steuerkolben der Steuerleistenbetätigung freigeben.
[0042] Neben der beschriebenen Leistungs- und Steuerelektronik ist eine Senderelektronik
zur Aufnahme und Weitergabe von Meßwerten bzw. Signalen vorgesehen, welche von Wächtern
kommen. Im einzelnen handelt es sich um die Weitergabe der Signale aus den zwei Neigungsmeßgeräten
für z. B. vertikale Bohrungen, welche über eine Steuerspannung von - 5 V übermittelt
werden. Daneben kann die Temperatur z. B. des hydraulischen Mediums an zwei Stellen
überwacht werden, was durch ein Spannungssignal von 0 bis 5 V erfolgt. Ferner läßt
sich der Hydrauliktankdruck von 0 bis 5 bar mit einem Spannungssignal von 0 bis 5
V wiedergeben. Der hydraulische Systemdruck von 0 bis 100 bar, der auf diesen Wert
begrenzt ist, wird ebenfalls mit einer Spannung von 0 bis 5 V = angezeigt, während
der Hydraulikdruck im Meßwertübertragungssystem von 0 bis 60 bar (Spindelkolben) auf
diesen Wert begrenzt ist und mit 0 bis 5 V
= übertragen wird. Schließlich läßt sich die Generatorspannung von 18 bis 38 V auf
diese Weise überwachen.
[0043] Für die beschriebenen acht Überwachungssysteme, die im Bedarfsfall auch vermehrt
oder vermindert werden könnten, benötigt man mithin acht Kanäle für die Übermittlung
der Meßdaten nach Art der Darstellung bei 35 und 36 in Fig. 5. In der Senderelektronik
16, die den eigentlichen Sender umfaßt, müssen daher die acht Meßwerte als Spannungswerte
± 5 V bzw. 0 bis 5 V aufgenommen und die Spannungs-Zeitumsetzung der Meßwerte vorgenommen
werden. Daraus muß die Senderelektronik Impulse bilden, wobei die Impulsdauer, d.
h. der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen dem Spannungswert eines
Meßwertkanals entspricht (8 Kanäle → 9 Impulse). In der Senderelektronik werden die
Meßwerte am Eingang zyklisch abgefragt und für die 8 Kanäle → 9 Impulse seriell auf
einen Ausgangstransistor ausgegeben, der das Magnetventil 11 für den Spindelkolben
in entsprechendem Zeittakt (9 Impulse) betätigt. Durch diese Betätigung des Impulskolbens
werden der Spültrübesäule im Bohrgestänge die Druckimpulse aufmoduliert, die von dem
Differenzdruckaufnehmer 29 am Bohrstand außerhalb des Bohrloches empfangen werden.
Bei einer Empfindlichkeit des Differenzdruckaufnehmers von 0 bis 100 mbar und bei
einer Spannungsversorgung von 10 bis 40 V kann man ausgangsseitig Stromimpulse von
0 bis 20 mA erhalten. Diese lassen sich über ein zweiadriges Kabel von dem Wandler
29 unabhängig von der Leitungslänge weiterleiten.
[0044] Empfängerseitig können acht Kanäle mit einer Spannungsversorgung von 24 V vorgesehen
sein. Im Empfänger werden die fernübertragenen Stromimpulse in Spannungsimpule umgesetzt
und seriell aufgenommen. Der Empfänger wertet die Zeitabstände zwischen den Impulsen
aus und setzt diese in Spännungswerte um. Die Spannungswerte entsprechen den vom Sender
aufgenommenen Meßwerten. Die Ausgabe erfolgt parallel auf acht Digitalanzeigen.
[0045] Zur Erkennung der vom Sender abgegebenen Impulse durch den Empfänger werden zusätzlich
vor jeder Meßreihe (neun Impulse) zwei Synchronimpulse erzeugt. Der Zeitabstand dieser
Synchronimpulse ist stets der gleiche. Dadurch werden Sender und Empfänger synchronisiert.
Erst nach einwandfreiem Empfang dieser Synchronimpulse durch den Empfänger werden
die Meßimpulse aufgenommen. Dadurch lassen sich Ubertragungsfehler ausschalten.
[0046] Die Ubertragungsgenauigkeit beträgt bei ± 5 V→156 mV ≙ ca. 1,5 %. Das bedeutet für
die Neigung bei einem Meßbereich von ± 1° einen Übertragungsfehler von - 1 Bogenminute,
was der Meßgenauigkeit der bislang eingesetzten und bekannten Neigungsgeber entspricht.
[0047] Gemäß der in Fig. 9 gezeichneten Ausführungsform ist der Durchmesser der Aussparung
44 für den Spindelkolben größer als der Durchmesser des Spülkanals 3, der in der Projektion
der Aussparung angeordnet ist. Der Spindelkolben hat eine Aussparung 72, welche den
gleichen Umriß und Querschnitt wie der Spülkanal hat. Eine Nute 73 in der Wand der
Aussparung 44 wirkt mit einem Nocken 7
4 am Kolben 24 zusammen, so daß der Kolben auf seiner gesamten Wegstrecke um seine
Längsachse festgelegt ist und die Neutralstellung des Kolbens mit dem Spülkanal fluchtet.
Infolgedessen beschränkt sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung der Spindelschaft
48 auf den Restquerschnitt des Spindelkolbens im Bereich seiner Aussparung 72 und
liegt demzufolge außerhalb des Spülkanalquerschnittes. Auf diese Weise bleibt der
Spülkanalquerschnitt in der Neutralstellung des Kolbens uneingeschränkt.
1. Zielbohrstange für drehendes Bohrgestänge mit Spülkanal vorzugsweimfür den Untertagebetrieb,
bei der ein von dem Bohrgestänge angetriebenes Innenrohr konzentrisch im stehenden
Außenrohr angeordnet ist, welches für einen in der Zielbohrstange untergebrachten
hydraulischen Steuerkreis einen Druckerzeuger aufweist, dessen beweglicher Teil von
dem Innenrohr gebildet oder von einem Elektromotor angetrieben ist, dessen Antrieb
von dem Innenrohr abgeleitet ist, wobei Meßwerte von im Außenrohr untergebrachten
Meßgeräten mit einer telemetrischen Einrichtung aus dem Bohrloch auf den Steuerstand
übermittelt werden , dadurch gekennzeichnet , daß als telemetrische Einrichtung in
an sich bekannter Weise der durch den Spülkanal (3) verlaufende Spülstrom und ein
hydraulischer Wandler dienen, der die Meßwerte in Druckimpulse der Spülung umsetzt,
und daß der Wandler einen Spindelkolben (24) aufweist, für den eine das Innenrohr
(4) und den Spülkanal (3) radial durchsetzende Aussparung (44) vorgesehen ist, wobei
der mit mindestens einem Kolben (45, 49) an einer Seite oder beiderseits des Spülkanals
(3) in der Kolbenaussparung (44) geführte und abgedichtete Spindelkolben (24) mit
seinem Schaft (48) den Spülkanal (3) durchquert und ein-oder beidseitig mit dem Medium
des hydraulischen Steuerkreises beaufschlagt ist.
2. Zielbohrstange nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß der Spindelkolben
(24) einseitig auf einer Feder (26) abgestützt ist, die sich auf der Unterseite eines
Kolbens (45), der Kolbenaussparung (44) und auf dem den Spülkanal (3) durchquerenden
Spindelschaft (48) oder einem koaxialen Kolbenzapfen (55) auf der dem Spindelschaft
(48) gegenüberliegenden Kolbenseite (49) abstützt, wobei der der Feder (26) zugewandte
und die ihr gegenüberliegende Spindelkolbenstirnfläche mit einem 2/3-Wegemagnetventil
beaufschlagbar ist.
3. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kolbenaussparung (44) von einer mitdrehenden Hülse (60) abgedeckt ist, welche auf
ihre Außenseite gegeneinander und gegen den Innenmantel des Außenrohres abgedichtete
Ringnuten (62, 63) aufweist, die über Querbohrungen (70, 71) in der Hülse (60) mit
der Kolbenaussparung (44) und Querbohrungen in dem Außenrohr mit einem Wegeventil
(11) verbunden sind.
4. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß
als Meßwertaufnehmer (17, 18) sowohl Neigungsmesser (17) als auch Richtungsgeber (18),
Temperatur-, Druck- und Spannungsmesser dienen, die gruppenweise oder einzeln an unterschiedlichen
Stellen des Außen-(5) oder Innenrohres (4) angeordnet sind.
5. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die
am Bohrstand (28) angeordnete Auswerteeinheit ein Differenzdruckaufnehmer (29) ist, der
mit einem Anzeigegerät (30) gekoppelt ist.
6. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bohrstangengenerator (8) mit einem Gleichrichter sowie Spannungsregler und Spannungswandler
ausgerüstet ist und die elektronische Steuerung (16) mit zugeordnetem Sender energiemäßig
versorgt.
7. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Empfänger des Differenzdruckaufnehmers (29) und der Sender der elektronischen Steuerung
(16) synchronisiert und so geschaltet sind, daß die Überprüfung der Synchronisierung
vor dieser Meßreihe erfolgt.
8. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Neigungsmesser (17) mindestens ein elektronisch gestützter Beschleunigungsaufnehmer
und als Richtungsgeber (18) wenigstens ein magnetisch austarierter Magnetometer dient.
9. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Außenrohr (5) ein oder mehrere Gamma-Strahlen-Sensoren zugeordnet sind.
10. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
dem Spülkanal (3) zugeordnete Schaft (48) des Spindelkolbens (24) außerhalb des Spülkanalquerschnittes
angeordnet ist.