[0001] Die Erfindung betrifft eine Zielbohrstange gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] 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 Senkrechten 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 Korrekturmomente auf das Bohrwerkzeug überträgt, welche die Kräfte aufheben,
die das Bohrwerkzeug und damit die Bohrung aus der Bohrrichtung ablenken. Bei praktischer
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 Bohrgestänge drehfest verbunden ist, während das konzentrisch äußere Rohr drehbar
auf der Bohrwelle gelagert ist und ausschwenkbare Steuerleisten aufweist, die sich
auf den Bohrlochstößen abstützen. Diese Steuerleisten werden von den hydraulischen
Antrieben beaufschlagt, deren Reaktionskräfte die Korrekturmomente an dem Bohrwerkzeug
hervorrufen.
[0003] 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. Allgemein 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 beispielsweisen Ausführungsform
der Zielbohrstange in jeder Meßebene ein Paar von Steuerleisten, deren Korrekturmomente
einander entgegengesetzt sind, angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich alle
innerhalb eines Vollkreises um die Bohrachse auftretenden Abweichungen an dem Bohrwerkzeug
korrigieren. Voraussetzung ist jedoch ein Meß- und Regelsystem, welches die Abweichungen
von der Regelgröße mit hinreichender zeitlicher und absoluter Genauigkeit erfaßt und
in entsprechende Stellgrößen an den hydraulischen Antrieben umsetzt, welche in der
Regel Plungerkolben aufweisen, die auf die Steuerleisten wirken.
[0004] Der vorstehend beschriebene Aufbau einer Zielbohrstange ist aus dem DBP 30 00 239
grundsätzlich bekannt. In der Praxis werden elektrische Neigungsmesser als Neigungssensoren
benutzt, die um 90° gegeneinander versetzt sind. Ein solcher Neigungsmesser kann beispielsweise
aus einer Libelle mit Quecksilberfüllung bestehen, welche sich in einem gekrümmten,
an beiden Enden verschlossenen Rohr bewegt und als Kontaktgeber dient, der mit Kontakten
zusammenwirkt, die wechselweise durch die Quecksilberfüllung geschlossen oder geöffnet
werden. Solche und ähnliche elektrische Sensoren führen jedoch zu Ungenauigkeiten
in der Regelstrecke und damit zu nicht tolerierbaren Abweichungen aus der vorgegebenen
Bohrrichtung. Tatsächlich lassen sich die Stellgrößen nicht in Echtzeit mit den Meßgrößen
darstellen und an die hydraulischen Antriebe weitergeben. Es kommt auch zu Fehlsteuerungen,
welche durch die mechanischen Belastungen des Meßsystems beim normalen Bohrbetrieb
auf das Bohrgestänge wirken und Größenordnungen annehmen können, welche die Kontakte
schließen, obwohl eine Regelabweichung nicht vorliegt.
[0005] Insbesondere ergeben sich bei der vorstehend beschriebenen 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.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zielbohrstange des als bekannt vorausgesetzten
allgemeinen Aufbaus zu schaffen, welche auch bei großen Bohrlochteufen die vorgegebene
Bohrrichtung praktisch fehlerlos einhält.
[0007] Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0008] 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 Beschleunigungsmasse erzeugt und in Echtzeit in die Stellgrößen
umgewandelt werden. Um die hierbei entstehenden Störgrößen auszuschalten, wird das
Meßsignal, welches die Schwingungen des Bohrgestänges enthält und im übrigen auch
durch die in großen Teufen aufgrund der geothermischen Tiefenstufe ansteigenden 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 Bohrgestänge mit der vorgegebenen, d.h. in der Regel senkrechten Bohrrichtung
einschließt. Dieses Signal wird vorzeichenrichtig dem Fensterdiskriminator aufgegeben,
nachdem es entsprechend verstärkt worden ist. Dadurch werden in den als Dreipunktregler
ausgebildeten Leistungsendstufen elektrische Stellgrößen gebildet, deren Wert sich
nach dem Steuerfenster bestimmt und entweder Null oder eine bestimmte Größe nach rechts
oder links annimmt. Die Leistungsendstufen bilden elektrische Stellgrößen, mit denen
die Regelventile zur Beaufschlagung der Plungerzylinder gesteuert werden können.
[0009] Die Erfindung hat den Vorteil, daß aufgrund der elektronischen Ausbildung bereits
geringste Regelabweichungen zur Bildung von Steuergrößen führen, mit denen eine Korrektur
der Bohrrichtung in Echtzeit herbeigeführt wird. Diese Art der Steuerung, insbesondere
von Tiefbohrungen sorgt unabhängig von den auf das Gestänge und das Bohrwerkzeug wirkenden
Störgrößen für einen absolut geraden Verlauf der Bohrung in der vorgegebenen Bohrrichtung,
was nicht zu erreichen ist, wenn man die Stellgrößen mit zeitlicher Verzögerung aus
den betreffenden Meßsignalen bildet. Die beschriebene Filterung der Meßgrößen macht
in der Erfindung die Steuersignale von den Störgrößen unabhägig, welche auf die das
Meßsignal liefernde Beschleunigungsmasse einwirken. Das bedeutet, daß z.B. die unvermeidlichen
Schwingungen des Bohrgestänges, die durch den Bohrvorgang entstehen und bei ihrer
Einwirkung auf die Bildung des Steuersignals zum Flattern der Regelstrecke um den
Sollwert führen, nicht wirksam werden können, so daß die Regelung unabhängig von den
Schwierigkeiten des Bohrens ausschließlich auf Richtungsabweichungen reagiert.
[0010] Tiefbohrungen, d.h. Größenordnungen, wie sie bislang nicht mehr beherrscht werden
können, was bei Teufen von ca. 4.000 m und mehr je nach Beschaffenheit 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 Bohrlochspülung und der von dieser umgebenden Bohreinrichtung 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 Regelsystems in der geringen Wandstärke des
konzentrisch äußeren Rohres der Zielbohrstange untergebracht werden, was bei elektrischer
Ausführung bisher häufig 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 Zielbohrstange eingebaut werden muß.
[0011] Da die Erfindung bereits geringe Regelabweichungen aufnimmt und ausgleicht, wird
zweckmäßig der Meßbereich des Meßsystems auf diese Regelabweichungen eingestellt.
Dazu gibt der Anspruch 2 eine für die Praxis zweckmäßige Bemessung wieder. Hierbei
beschränkt sich der Meßbereich auf nur ca. 120 Winkelminuten bei einer Auflösung und
Wiederholgenauigkeit der Meßsignale von ca. 1 Winkelminute, wobei die absolute Meßgenauigkeit
ca. 3 Winkelminuten ausmacht.
[0012] Das Steuerfenster kann wahlweise asymmetrisch oder symmetrisch ebenfalls nach Winkelminuten
ausgelegt werden. Die hierfür zweckmäßigen Größenordnungen sind in den Ansprüchen
3 und 4 wiedergegeben.
[0013] 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 Zielbohrstange
weitergeben. Dieses Problem wird grundsätzlich 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.
[0014] Im Anspruch 6 ist eine praktische Ausführung des hydraulischen Betriebskreises gekennzeichnet,
welche nach diesem Grundgedanken arbeitet.
[0015] Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Figuren in der
Zeichnung; es zeigen
- Fig. 1
- im Längsschnitt unter Weglassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen
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.
[0016] In der Fig. 1 ist der mechanische Aufbau der Zielbohrstange wiedergegeben. Dem Bohrlochtiefsten
ist das Wellenende (1) eines konzentrisch inneren Rohres (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 mechanischen
Teile untergebracht, mit denen die Korrektur der Bohrrichtung bewirkt wird.
[0017] 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 Steuerleistenpaar 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 (12) 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.
[0018] 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. Im Zusammenwirken mit den Steuerleisten in der anderen, d.h. senkrecht zur
Zeichenebene verlaufenden Korrekturebene sind entsprechend wirksam, so daß jede das
Bohrwerkzeug ablenkende Störgröße durch Korrekturmomente ausgeglichen werden kann.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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 Vorrichtung
führen. Da es sich in jeder Meßebenen um zwei Meßsysteme handelt, so genügt es, die
doppelt vorhandene Elektronik anhand der Plungerkolben (9, 10) zu erläutern.
[0022] Das permanent von dem Neigungssensor (29) erzeugte Signal wird einem Tiefpassfilter
(33) aufgegeben. Dieser filtert das durch die Vibration des Bohrgestänges stark gestörte
Neigungssignal des Sensors (29) aus und kompensiert gleichzeitig die temperaturabhängige
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 Winkelminuten festgelegten Meßbereich.
Das Neigungsmeßsystem hat eine Auflösung und Wiederholgenauigkeit gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel von ca 1 Winkelminute und eine absolute Meßgenauigkeit von ca.
3 Winkelminuten.
[0023] Das verstärkte Signal gelangt auf einen Fensterdiskriminator (35), der das Neigungssignal
vorzeichenrichtig bewertet und danach die beiden Leistungsendstufen (36, 37) steuert.
Das geschieht in Form eines Dreipunktreglers, wobei das Korrekturfenster ca. 3,5 Winkelminuten
aufweist. Dieses Steuerfenster kann wahlweise asymmetrisch mit ca. + 2,5/ca. - 1 Winkelminuten
oder symmetrisch mit ca. + 1,75/ca. - 1,75 Winkelminuten ausgelegt werden.
[0024] 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 werden über den hydraulischen Betriebskreis ansteuern.
[0025] 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 Plungerkolben
(9, 10 bzw. 10, 11), die in einer Aussparung 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 Beaufschlagung der Wegeventile (y1-y4) erfolgt über Ringkanäle,
die mit (T) für Tank und (P) für Pumpe gekennzeichnet, jedoch in die Fig. 1 nicht
eingetragen sind.
[0026] Der hydraulische Druckerzeuger weist einen Druckverstärker (40) auf. Dieser enthält
einen federbelasteten Kolben (41), dessen Unterseite (42) mit dem geregelten Betriebsdruck
der Pumpe (18) beaufschlagt 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
bedeutet, daß mit anwachsender Teufe und dementsprechend anwachsenden hydrostatischen
Druck der Bohrlochspülung 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.
1. Zielbohrstange mit wenigstens einem Paar von Neigungsreglern zur Steuerung hydraulischer
Korrekturantriebe, bei der ein Meßsystem die Regelgröße 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 Korrekturantriebe umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßsystem
(31, 32) der Neigungssensor (29, 30) als Beschleunigungsmasse ausgebildet ist, die
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 jeder Hohlgenauigkeit der
Meßsignale auf ca. 1 Winkelminute bei einer absoluten Meßgenauigkeit 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 Winkelminuten 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 gekennzeichnet, 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.