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Title:
DEVICE FOR THE PROGRESS-CONTROLLED DRILLING OF BORES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/029371
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for the progress-controlled drilling of bores comprising rotating drilling rods and a bore rod in a rotationally fixed housing which has control ribs which can be adjusted by means of an adjustment cylinder. Regulation of said adjustment cylinders occurs using control valves and by means of a clinometer blade located in a housing in order to determine slope values. Magnetic field meters are employed to determine direction values and a control circuit is provided in order to regulate multivariables.

Inventors:
VORHOFF WERNER (DE)
FELD DAGOBERT (DE)
Application Number:
PCT/EP2000/010163
Publication Date:
April 26, 2001
Filing Date:
October 16, 2000
Export Citation:
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Assignee:
DMT WELLDONE DRILLING SERVICES (DE)
VORHOFF WERNER (DE)
FELD DAGOBERT (DE)
International Classes:
E21B7/06; E21B47/01; E21B47/022; (IPC1-7): E21B47/022; E21B7/04; E21B7/06; E21B47/01
Domestic Patent References:
WO1997015749A21997-05-01
WO1997039218A11997-10-23
Foreign References:
US5485089A1996-01-16
US5725059A1998-03-10
EP0209318A21987-01-21
US5439064A1995-08-08
EP0594418A11994-04-27
DE3000239A11981-07-16
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen, mit einem antreibbaren Drehbohrgestänge und einer an das Drehbohrgestänge angeschlossenen Bohrge rät mit einem in einem drehfesten Gehäuse drehbar ge lagerten Bohrstange und einem an die Bohrstange ange schlossenen Bohrwerkzeug, wobei das Gehäuse Steuerrip pen aufweist, die mittels Stellzylinder verstellbar sind, und in dem Gehäuse Steuerventile für die Steue rung der Stellzylinder, Neigungsmesser zur Ermittlung von Neigungswerten und ggf. ein Generator für die Stromversorgung der elektrisch betätigbaren Steuerven tile und Neigungsmesser angeordnet sind, dadurch ge kennze i chne t, daß in dem Gehäuse (3) Magnet feldmesser (12) zur Ermittlung von Richtungswerten in Abhängigkeit vom Erdmagnetfeld angeordnet sind und daß zur Regelung der Stellzylinder (8) über die Steuer ventile (9) ein Regelkreis (13) für eine Mehrgrößenre gelung vorgesehen ist, welchem die Regelgrößen Neigung und Richtung von den Neigungsmessern (10) und den Mag netfeldmessern (12) zugeführt und in welchen diese Re gelgrößen mit der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung vergleichen werden, und daß bei Abweichungen die geän derten Ausgangsgrößen des oder der Regler als Stell signale für die Steuerventile (9) dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungsmesser (10) als Neigungssensoren und die Magnetfeldmesser (12) als Magnetfeldsensoren aus gebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Regelkreis (13) für Mehrgrößenrege lung zur Verarbeitung von weiteren Regelgrößen wie z. B. Temperatur, geologische Parameter oder dergleichen eingerichtet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (3) ein mit den Magnetfeldmessern (12) gekoppeltes Kompensationsmodul (14) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (3) ein erster Da tensender (20) und ein erster Datenempfänger (21) an geordnet sind, und das zu einer bereits vorhandenen Bohrung (16) eine Parallelbohrung (17) niederbringbar ist, wobei in der vorhandenen Bohrung (16) ein Vor triebsgestänge mit einem zweiten Datensender (18) und einem zweiten Datenempfänger (19) auf der Bohrhöhe von Datensender (20) und Datenempfänger (21) geführt ist.
Description:
Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrun- gen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Niederbringung verlaufkontrollierter Bohrungen, mit einem antreibbaren Drehbohrgestänge und einem an das Drehbohrgestänge ange- schlossenen Bohrgerät mit. einem in einem drehfesten Gehäuse drehbar gelagerten Bohrstange und einem an die Bohrstange angeschlossenen Bohrwerkzeug, wobei das Gehäuse Steuer- rippen aufweist, die mittels Stellzylinder verstellbar sind, und in dem Gehäuse Steuerventile für die Steuerung der Stellzylinder, Neigungsmesser zur Ermittlung von Nei- gungswerten und ggf. ein Generator für die Stromversorgung der elektrisch betätigbaren Steuerventile, Neigungsmesser und dergleichen angeordnet sind.

Es sind derartige Vorrichtungen zum Niederbringen von Boh- rungen bekannt, bei denen zur Übertragung der von den Nei- gungsmessern ermittelten Werte zu einem am Bohrlochmund an- geordneten Steuerstand telemetrische Einrichtungen am Bohr- gerät und am Steuerstand vorgesehen sind oder ein kombi- niertes Mess-Steuerkabel zwischen dem Bohrgerät und dem Steuerstand verlegt ist (vgl. DE 30 00 239). Soweit bei derartigen Vorrichtungen mit lediglich Neigungsmessern ge- arbeitet wird, läßt sich zwar jede Neigung und folglich

Schrägbohrung des Bohrgerätes ermitteln, eine Kontrolle der Richtung und folglich der Lage des Bohrgerätes im Raum fehlt jedoch. Aus diesem Grunde hat man bereits versucht, das Drehbohrgestänge mit Magnetfeldmessern auszurüsten, um die Lage des Bohrgerätes im Erdmagnetfeld als Referenz zu ermitteln. Jedoch läßt sich auf diesem Wege die Richtung des Bohrgerätes nicht hinreichend genau erfassen, schon we- gen der Biegeelastizität des Bohrstranges. Das gilt insbe- sondere unter Berücksichtigung der Tatsache, daß beispiels- weise beim Aufschluß von Olfeldern Bohrungen bis zu einer Tiefe von 6000-8000 Meter niedergebracht werden müssen und unter Berücksichtigung einer derartigen Bohrtiefe erhebli- che hydrostatische Drücke von 1200 bar und mehr und Tempe- raturen von 125'und mehr. auftreten, so daß nicht nur Tor- sionsschwankungen, sondern auch Längenschwankungen des Bohrgestänges in Kauf genommen werden müssen. Das alles führt zwangsläufig zu Verzerrungen der Magnetfeldmessungen und folglich Richtungsmessungen im Verhältnis zu den Nei- gungsmessungen des Bohrgerätes. Daraus resultiert ein un- gleichmäßiger Bohrlochverlauf, der eine exakte Bohrloch- verrohrung insbesondere unter Verwirklichung enger Bohr- löcher nicht zulaßt.-Hier setzt die Erfindung ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrollierter Bohrungen der ein- gangs beschriebenen Ausführungsform zu schaffen, die einen gleichmäßigen und exakten Bohrlochverlauf gewährleistet, so daß selbst unter Verwirklichung enger Bohrlöcher eine ein- wandfreie Bohrlochverrohrung möglich ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch, daß in dem Gehäuse außerdem Magnet-

feldmesser zur Ermittlung von Richtungswerten in Abhängig- keit vom Erdmagnetfeld angeordnet sind, und daß zur Rege- lung der Stellzylinder über die Steuerventile ein Regel- kreis für eine Mehrgrößenregelung vorgesehen ist, welchem die Regelgrößen Neigung und Richtung von den Neigungsmes- sern und den Magnetfeldmessern zugeführt und in welchem diese Regelgrößen mit der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung verglichen werden, und daß bei Abweichungen die geänderten Ausgangsgrößen des oder der Regler als Stellsignale für die Steuerventile dienen.-Diese Maßnahmen der Erfindung haben zur Folge, daß jede Verzerrung zwischen der Neigungsmessung und Richtungsmessung für das Bohrgerät vermieden wird, vielmehr die Neigungsmesser und Magnetfeldmesser über einen Regelkreis für Mehrgrößenregelung derart miteinander gekop- pelt sind, daß eine einwandfreie Kontrolle und ggf. Verän- derung der einprogrammierten Soll-Neigung und Soll-Richtung des Bohrgerätes gewährleistet ist, um die Sollwertvorgabe Neigung/Richtung stets einzuhalten. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Magnetfeldmesser sich wie die Nei- gungsmesser in dem drehfesten Gehäuse des Bohrgerätes be- finden, können solche Verzerrungen nicht mehr bei der Er- mittlung von Neigungswerten und Richtungswerten nicht mehr auftreten, die sonst auf die Biegeelastizität des Bohr- stranges sowie Torsions-und Längenschwankungen zurück- zuführen sind. Außerdem bestehen das Gehäuse und die darin gelagerte Bohrstange aus nicht magnetisierbarem Stahl bzw. aus austenitischem Stahl, so daß auch insoweit jeder nega- tive Beeinflussung oder Störung der Magnetfeldmessung aus- geschlossen ist. Es genügt beispielsweise eine Magnet- feldmessung in drei Raumrichtungen, um auf diesem Wege die exakte Lage des Gehäuses und folglich des Bohrgerätes im Erdmagnetfeld als Referenz eindeutig zu ermitteln. Das ge-

lingt hinsichtlich der Neigung des Bohrgerätes mit Hilfe der Neigungsmesser, die wie die Magnetfeldmesser als Senso- ren ausgebildet sind. Die von den Neigungsmessern und Mag- netfeldmessern ermittelten Regelgrößen werden dem Regel- kreis zugeführt und mit der Sollwertvorgabe Neigung/Rich- tung verglichen. Soweit Abweichungen ermittelt werden, fin- den die geänderten Ausgangsgrößen des oder der Regler als Stellsignale für die Steuerventile Verwendung mit deren Hilfe folglich die Stellzylinder und dadurch die Steuerku- fen zur Einhaltung der Sollwertvorgabe Neigung/Richtung verstellt werden. Auf diese Weise lassen sich gleichmäßige und exakte Bohrlöcher ohne Richtungsschwankungen herstel- len, so daß selbst enge Bohrlöcher einwandfrei verrohrt werden können.-Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, auch weitere Regelgrößen wie z. B. Temperatur, geologische Parameter oder dergleichen zu berücksichtigen, weil der Re- gelkreis für Mehrgrößenregelung eingerichtet ist. Im übri- gen ist in dem Gehäuse ein mit dem Magnetfeldsensoren ge- koppeltes Kompensationsmodul angeordnet. Das Kompensations- modul dient zum Kompensieren von das Erdmagnetfeld beein- flussenden Faktoren wie z. B. durch eine eigene Magnetfel- der erzeugende Geräte, bei denen es sich um den Generator und die Steuerventile handeln kann.

Nach einem Vorschlag der Erfindung mit selbständiger Bedeu- tung ist vorgesehen, daß in dem Gehäuse ein erster Daten- sender und ein erster Datenempfänger angeordnet sind, und das zu einer bereits vorhandenen Bohrung eine Parallel- bohrung niedergebracht wird, wobei in der vorhandenen Boh- rung ein Vortriebsgestänge mit einem zweiten Datensender und einem zweiten Datenempfänger geführt ist. Danach läßt sich folglich eine vorlaufkontrollierte Bohrung nieder-

bringen, die gleichsam von einer bereits existierenden Boh- rung aus kontrolliert wird, weil ein ständiger Informai- onsaustausch zwischen dem ersten Datensender in der nieder- zubringenden Bohrung und dem zweiten Datenempfänger in der bereits vorhandenen Bohrung stattfindet. Das gilt in glei- cher Weise für den Datensender in der bereits existierenden Bohrung und dem zugeordneten Datenempfänger in der nieder- zubringenden Parallelbohrung. Insoweit sorgt der gegensei- tige Datenaustausch für einen exakten Bohrlochverlauf bei der niederzubringenden Bohrung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläu- tert. Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung zum Niederbringen verlaufkontrol- lierter Bohrungen in schematischer Darstellung, Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus den Gegenstand nach Fig. 1 im Bereich des Bohrgerätes, Fig. 3 einen schematischen Schnitt AA durch den Gegenstand nach Fig. 2, Fig. 4 einen Regelkreis für Zweigrößenregelung in schema- tischer Darstellung und Fig. 5 das Niederbringen einer Bohrung anhand einer be- reits vorhandenen Bohrung.

In den Figuren ist eine Vorrichtung zum Niederbringen ver- laufkontrollierter Bohrungen dargestellt, die zum Aufschluß

von Grubenfeldern, Olfeldern oder dergleichen dient. Diese Vorrichtung weist in ihrem grundsätzlichen Aufbau ein vom Bohrlochmund aus antreibbares Drehbohrgestänge 1 mit einem an das Drehbohrgestänge 1 angeschlossenen Bohrgerät 2 auf.

Das Bohrgerät 2 besitzt ein drehfestes Gehäuse 3 und eine in dem drehfesten Gehäuse 3 drehbar gelagerte Bohrstange 4.

An diese Bohrstange 4 ist ein Bohrwerkzeug 5, z. B. Bohr- meißel angeschlossen. Das Drehbohrgestänge 1 und die Bohr- stange 4 besitzen ferner einen Spülkanal 6. Das Gehäuse 3, welches aus unmagnetischem Stahl besteht, weist auf seiner Außenseite in Bohrrichtung verlaufende Steuerrippen 7 auf, die mittels Stellzylinder 8 verstellbar sind. In dem Gehäu- se sind Steuerventile 9 für die Steuerung der Stellzylinder 8 angeordnet. Ferner befinden sich in dem Gehäuse 3 Nei- gungsmesser 10 zur Ermittlung von Neigungswerten für das Bohrgerät 2. Außerdem ist ein Generator 11 für die Strom- versorgung der elektrisch betätigbaren Steuerventile 9, Neigungsmesser 10 und weiterer elektrisch betätigbarer Ag- gregate vorgesehen.

In dem Gehäuse 3 befinden sich außerdem Magnetfeldmesser 12 zur Ermittlung von Richtungswerten im Raum für das Bohr- gerät 2, und zwar in Abhängigkeit vom Erdmagnetfeld. Zur Regelung der Stellzylinder 8 über die Steuerventile 9 ist ein Regelkreis 13 für eine Mehrgrößenregelung vorgesehen, welchen die Regelgrößen Neigung und Richtung von den Nei- gungsmessern 10 und den Magnetfeldmessern 12 zugeführt wer- den und in welchem diese Regelgrößen mit der Sollwert- vorgabe Neigung/Richtung verglichen werden. Bei Abweichun- gen dienen die geänderten Ausgangsgrößen der Regler R1, R2 als Stellsignale für die Steuerventile 9. Die Neigungsmes-

ser 10 sind als Neigungssensoren und die Magnetfeldmesser 12 als Magnetfeldsensoren ausgebildet.

Der Regelkreis 13 für Mehrgrößenregelung ist zur Ver- arbeitung von weiteren Regelgrößen wie z. B. Temperatur, geologische Parameter oder dergleichen eingerichtet. Nach dem Ausführungsbeispiel handelt es sich jedoch um eine Zweigrößenregelung. Danach werden die Ist-Werte X1, X2 für Neigung und Richtung gemessen und die Ist-Werte Xl für die Neigung dem Regler Rl zugeführt, die Ist-Werte X2 für die Richtung dem Regler R2 zugeführt. Der Regler Rl ist an ei- nen Sollwertgeber S1 angeschlossen, von dem er die Soll- werte Neigung Wl erhält. Der Regler R2 ist an einen Soll- wertgeber S2 angeschlossen, von dem er die Sollwerte Rich- tung W2 erhält. Die Stellgrößen Y1 und Y2 werden einem Kom- pensationsmodul 14 zugeführt, von dem aus Stellsignale Z an die Steuerventile 9 für die Stellzylinder 8 abgegeben wer- den.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung wird praktisch mit zwei Vorrichtungen zum Niederbringen einer verlauf- kontrollierten Bohrung gearbeitet. In dem einen Fall han- delt es sich um das vorbehandelte Drehbohrgestänge 1 mit dem Bohrgerät 2, im anderen Fall wird von einem am Bohr- lochmund angeordneten Steuerstand 15 aus ein Vortriebs- gestänge in einer bereits vorhandenen Bohrung 16 nieder- gebracht. Um zu der bereits vorhandenen Bohrung 16 die ver- laufkontrollierte Bohrung als Parallelbohrung 17 zu erzeu- gen, ist das Vortriebsgestänge mit einem Datensender 18 und einem Datenempfänger 19 ausgerüstet, während in dem Gehäuse 3 des Bohrgerätes 2 ein Datensender 20 und ein Datenempfän- ger 21 angeordnet sind. Zwischen den Datensendern 18,20

und den Datenempfängern 19,21 erfolgt ein ständiger Daten- austausch in der Weise, daß eine verlaufgerechte Parallel- bohrung 17 zu der schon vorhandenen Bohrung 16 niederge- bracht werden kann. Selbstverständlich befinden sich dazu die Datensender 18,20 und die Datenempfänger 19,21 stän- dig auf nahezu gleicher Bohrhöhe.