DE1954256C3

DE1954256C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Gesteinscharakteristika von Erdformationen während des Bohrens

Info

Publication number: DE1954256C3
Application number: DE1954256A
Authority: DE
Inventors: Jean Lutz; Claude Billere Quichaud; Michel Raymaud
Original assignee: Nationale Elf Aquitaine (production) Sa Courbevoie (frankreich) Ste
Current assignee: Nationale Elf Aquitaine (production) Sa Courbevoie (frankreich) Ste
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-28
Publication date: 1979-10-31
Also published as: GB1285985A; DD77941A5; LU59716A1; OA03335A; DE1954256B2; BE740919A; RO75744A; DE1954256A1; US3626482A; IL33261A; CA925848A; RO75744B; IL33261A0; ES372983A1; NL6916279A; CH511363A; JPS502841B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur teufenabhängigen Messung der Gesteinscharakteristika von Erdformationen während des Bohrens mittels eines Drehantriebs, eines Bohrgestänges und eines Drehbohrmeißels, bei welchem Schwingungen über das Bohrgestänge aus dem Bohrlochtiefsten zur Erdoberfläche hin übertragen, an mindestens einem Punkt des Bohrgestänges bzw. der Antriebsstange abgegriffen, in elektrische Signale umgewandelt und nach einer Frequenzbandfilterung in Korrelation zur Teufe des Bohrmeißels gesetzt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 28 10 546 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren werden die zur Messung der Gesteinscharakteristika benötigtt.i Schwingungen mit Hilfe eines mechanischen Oszillators erzeugt, der sich im Bohrgestänge etwas oberhalb des Bohrmeißels befindet. Dieser mechanische Oszillator wird durch den im Innern des Bohrgestänges nach unten gepreßten Bohrschlamm angetrieben und arbeitet nach dem Prinzip des »Wasserhammers«. Dieser Oszillator umfaßt zahlreiche mechanische Teile, wie Federn, Ventile und Kolben, die viel Platz beanspruchen und darüber hinaus störanfällig sind.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der FR-PS 14 98 615 bekannt, bei der jedoch die Schwingungen mit Hilfe eines am Bohrgestänge unmittelbar oberhalb des Bohrwerkzeugs angeordneten Preßlufthammers, der elektrisch gesteuert wird, erzeugt werden.

Des weiteren ist eine Bohrvorrichtung mit einem durch den Bohrschlamm angetriebenen Vibrator aus der US-PS 23 52 833 bekannt.

Aus der US-PS 27 55 431 ist ein Verfahren zur Messung der Gesteinscharakteristika während des Bohrens bekannt, bei dem im Bohrloch Explosionsladungen abgefeuert und die erzeugten Schwingungen über den Bohrschlamm an die Erdoberfläche übertragen und dort nach einer Filterung ausgewertet werden.

Schließlich sind aus den US-PSen 27 52 591 und 26 20 386 Bohrvorrichtungen bekannt, die jedoch nicht zum Tiefbohren geeignet sind und bei denen die Beschaffenheit des gebohrten Materials mit Hilfe eines gefedert gelagerten Fühlerzahns ertastet wird. Die Schwingungsbewegungen des Fühlerzahns während des Umlaufes desselben geben Aufschluß über die Beschaffenheit des Materials.

Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind — soweit sie zur Tiefbohrung geeignet sind — aufwendig und teuer. Die Vorrichtungen sind störanfäl-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die während des Bohrens zuverlässige Werte über die Gesteinscharakteristika der Erdformationen liefert; das Verfahren soll mit einer einfachen, wenig störanfälligen Vorrichtung durchgeführt werden könnea

Diese Aufgabe ist verfahrensmäßig dadurch gelöst daß die Frequenzbandfilterung auf eine Mittelfrequenz abgestellt wird, welche gleich der Rotationsfrequenz multipliziert mit der Anzahl der Schneidelemente des Bohrmeißels ist, und daß als Wert für die Charakteristik des durchbohrten Gesteins die Amplitude des ausgefilterten Signals gemessen wird.

Vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 5 durch die im Kennzeichen dieses Anspruches genannten Merkmale gelöst

Dank der Maßnahmen gemäß der Erfindung kann auf gesonderte Geräte zur Erzeugung von Schwingungen verzichtet werden. Vielmehr können die durch den Eingriff der Schneidelemente des Bohrmeißels erzeugten Schwingungen zur Auswertung herangezogen werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, an einem Punktpaar des Bohrgestänges bzw. der Antriebsstangen Signale aufzunehmen, von denen die algebraische Summe oder die Augenblicksdifferenz ermittelt wird. Dabei wurde eine Qualitätsverbesserung der Beziehungen zwischen Amplitude des verarbeitenden Signals und den Gesteinseigenschaften beobachtet. Die Erklärung dieser Erscheinung liegt wahrscheinlich in der durch Verwendung zweier gegenüberstehender Aufnahmegeräte verbesserten Unterdrückung von nicht auswertbaren Vibrationen, die beispielsweise durch Gestängeübertragung entstehen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispie-Ie näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Übersichtsschema der auf die Bohranordnung montierten Vorrichtung,

Fig. 2 ein Montagedetail der auf eine Muffe montierten Beschleunigungsmesser (Muffe zwischen Spülkopf und Antriebsstange des Bohrgestänges),

Fig. 3 ein Montageschema für Belastungsgeber auf einer Muffe zwischen Spülkopf und Amriebsstange (Antriebsvierkant),

Fig.4 das elektronische Schaltschema einer Ausblendvorrichtung für Störspannungen (die auf Schläge zurückzuführen sind, wenn die Beschleunigungsmesser als Aufnahmegeräte verwendet werden),

F i g. 5 ein Schema eines Filters zur Frequenzbandauswahl (wenn die Frequenz durch einen Meißel mit Zahnkränzen hervorgerufen wird, der mit einer Arbeitsgeschwindigkeit von 200 U/min arbeitet und die Schwingungen aufgenommen werden, die von der äußeren Reihe der Bohrmeißelzähne ausgehen),

Fig.6 zwei Diagraphien (Diagramme der einzelnen Widerstandswerte des bearbeiteten Gesteins), wobei die linke Diagraphie ein akustisches Diagramm darstellt, das nach dem Bohrvorgang in bekannter Form aufgestellt wurde, während es sich bei der rechten Diagraphie um eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene und während der Bohrung vorgenommene Meßdarstellung handelt,

F i g. 7 eine Aufbauform, innerhalb der die Signale im Bohrschacht aufgenommen werden,

F i g. 8 ein Detail der Darstellung von Zeichnung 7,

F i g. 9 den Erfassungsaufbau am oberen Teil des Bohrgestänges zur Aufnahme des vom in Zeichnung 8 dargestellten Geräts gelieferten Wellencharakters,

Fig. 10 eine Reihe von Filtern jeweils angrenzenden Frequenzspektrums, die je nach der Drehgeschwindigkeit des Bohrgestänges zugeschaltet werden.

In Zeichnung 1 wurde bei 1 ein Bohrturm dargestellt, bei 2 der obere Teil des Bohrturmes mit der Seilrollenanordnung 3. Mit 4 wurden die Seilkabel dargestellt, die eine Reihe von Seilrollen 3 mit dem Block der beweglichen Rollen 5 verbinden. An diesem Block 5 ist ein Haken 6 befestigt, der den Spülkopf 7 trägt. Der obere Teil dieses Einspritzkopfes ist feststehend, während der untere Teil beweglich über ein Lagersystem angebracht ist. Bei 8 wurde die Einspritzzuleitung dargestellt, die einerseits mit dem Spülkopf 7 und andererseits mit einem auf der Zeichnung nicht dargestellten Schlammpumpenaggregat verbunden ist. Mit 9 wurde die Antriebsstange (Kelly-Stange) der Bohrvorrichtung bezeichnet. Diese Antriebsstange hat oft die Form eines Vierkants und wird demzufolge innerhalb des folgenden Beschreibungsteils als Antriebsvierkant bezeichnet.

Dieses Antriebsvierkant 9 wird durch den Drehtisch 10 in Rotation versetzt, der wiederum durch einen nicht auf der Zeichnung dargestellten Motor angetrieben wird. Mit 11 wurde schematisch ein Bohrschacht angedeutet, während das Bohrgestänge bei 12 dargestellt ist. Dieses Gestänge besitzt an seinem unteren Teil den mit 20 bezeichneten Bohrmeißel. Bei 13 liegt zwischen Spülkopf und Antriebsvierkant ein Schwingungsmeßgerät, das in den folgenden Zeichnungen näher beschrieben wird. Mit 14 wurde das Seilkabel bezeichnet, das die Verbindung zwischen Schwingungsmeßstrecke 13 und Gerät 15 herstellt, das zur Ausarbeitung elektrischer Größen auf Grundlage der Schwingungen dient. Diese Signalverarbeitungseinheit ist im vorliegenden Beispiel mit einem Aufnahmegerät 16 verbunden, wobei die Bewegung des Aufnahmeträgers von einem Motor 19 aus gesteuert wird und dieser Motor über eine Verbindung 18 mit einem Geber 17 verbunden ist, der der Bohrvorschubsmessung dient. Diese Bohrvorschubsmessung beeinflußt zeitabhängig die jeweilige Stellung des Bohrmeißels 20.

In Zeichnung 2 wurde im Detail die Meßstrecke 13 der vorhergehenden Übersichtszeichnung 1 dargestellt. Diese Meßstrecke wird durch eine Muffe gebildet, die den Spülkopf mit dem Antriebsvierkant verbindet. Bei

21 wurde die Muffe dargestellt die an ihrem oberen Teil mit einem Innengewinde und an ihrem unteren Teil mit einem Außengewinde versehen ist. Bei 21a wurde ein Befestigungselement dargestellt das am feststehenden Teil des Spülkopfes 7 aufliegt wodurch der äußere Teil des bei 22 dargestellten Gerätes in fester Lage gehalten werden kann. Die Muffe 21 trägt an ihrem äußeren Teil eine Abdeckung 23, an der ein Isolierblock 24 befestigt und somit kraftschlüssig mit der Muffe 21 verbunden ist Dieser Isolierblock 24 trägt eine Reihe von Ringen, die mit den Kennziffern 25a, 25b, 25c und 25t/ belegt sind Gegenüber des Isolierblocks 24 und durch das feste Teil

22 gehalten, befindet sich ein Isolierblock 26. Dieser Isolierblock 26 trägt eine Reihe von Abnehmern, die mit den Kennziffern 27a, 27b, 27c und 27c/ belegt sind und auf den Ringen 25a, 25b, 25cund 25c/aufliegen.

Diese Abnehmer sind mit einer Reihe von elektrischen Kabeln verbunden, die bei 28 dargestellt sind. Die Herausführung dieser Kabel aus dem Gerät erfolgt über eine mit 30 bezeichnete Schutzvorrichtung. Bei 29 wurde ein von der Muffe 21 gehaltenes Lager sowie eine Stopfbuchse dargestellt, die die zwischen der Muffe 21 und dem äußeren Teil 22 gelegene Kammer abdichtet. Diese Abdichtung muß verhältnismäßig gut ausgeführt sein, um eine Verschmutzung der Ringe 25 sowie der Abnehmer 27 auszuschließen. Bei 31 wurde ein Quarzbeschleunigungsmesser dargestellt, der unter dem Einfluß einer Beschleunigung ein elektrisches Signal

ίο liefert. Dieses Beschleunigungsmeßgerät ist fest mit einer in die Muffe 21 eingefräste Nut bzw. Auskragung verbunden. Dieser Quarzbeschleunigungsmesser 31 ist über ein Kabel 31a mit einer Impedanzanpassungsschaltung 32 verbunden. Diese Impedanzanpassungsschaltung. die z. B. durch einen Feldeffekttransistor dargestellt wird, besitzt eine Eingangsimpedanz von mehreren Megohm und eine Ausgangsimpedanz in der Größenordnung eines Kiloohm und ist einerseits über ein Meßkabel mit einem der Ringe 25d verbunden während ein zweiter Eingang für die Speisespannung des Transistors über ein zweites Kabel mit einem anderen Ring 25b verbunden ist. Bei 36 wurde ein zweiter Beschleunigungsmesser des gleichen Typs dargestellt, der sich auf einer Mantellinie der Muffe befindet, die gegenüber der des ersten Beschleunigungsmessers 31 entgegengesetzt liegt und zudem einige zehn Zentimeter höher als der erste liegt. Dieser Beschleunigungsmesser ist ebenfalls über ein Kabel 36a mit einer Impedanzanpassungsschaltung 37 mit zwei Ausgängen verbunden, wovon der eine mit dem Ring .25c, der andere mit dem Ring 25b verbunden ist. Die Verbindungen erfolgen über die Kabel 38 und 39.

Zeichnung 3 zeigt eine weitere Variante eines Vibrationsmeßgerätes, das auf dem Übersichtssehema der Zeichnung 1 unter 13 angegeben ist. Bei 40 wurde eine Muffe dargestellt, die an ihrem oberen Teil ein Innengewinde und an ihrem unteren Teil ein Außengewinde besitzt. Bei 41 wurde ein mit der Muffe 40 fest verbundenes Teil gezeigt, das bei 42 einen Isolierblock besitzt. Bei 43 wurde eine Abdeckung dargestellt, die fest mit einer Stange 44 des oberen Teils des Einspritzkopfes verbunden ist und selbst feststeht. Diese eine Kammer bildende Abdeckung 43 bleibt demnach während des Betriebs der beschriebenen Vorrichtung feststehen.

Der Isolierblock 42 ist mit einer Anzahl von Ringen 45a, 45/j, 45c und 45t/ versehen, die wiederum über die Kabel 46a, 466, 46c und 46c/ mit einer Anzahl von Belastungsgebern 47,48,49 und 50 verbunden sind. Die Belastungsgeber 47 und 48 sind in vertikaler Lage montiert, während die Belastungsgeber 49 und 50 horizontal montiert sind, d. h. senkrecht zur Achse der Muffe 40 stehen und als Kompensationsgeber dienen Die über die Geber 47 und 48 einerseits. 49 und 50 andererseits aufgenommenen Größen wurden unter Berücksichtigung der mechanischen Koeffizienten in einer Meßbrücke umgekehrt bzw. werden gegenübergestellt In der Zeichnung sind die Abnehmer 51a, 516. 51cund 5Ic/dargestellt die auf den Ringen 45a, 45a 45c und 45c/ schleifen. Diese von einem Isolierblock 52 gehaltenen Abnehmer sind fest mit der Abdeckung bzw. Kammer 43 befestigt und mit den elektrischen Kabein 53a, 530, 53c und 53c/ verbunden. Der Ausgang dieser Kabelgruppe ist mit der Kennzahl 54 bezeichnet

Von den in den Zeichnungen 2 und 3 gezeigten Vorrichtungen können zwei Varianten abgeleitet werden. Die Schwingungsgeber, unabhängig davon, ob es sich um Beschleunigungsmesser oder um Belastungs-

geber handelt, können auch an einem anderen Punkt des Bohrgestänges angebracht werden, so daß während der Bohrung diese Schwingungsgeber unterhalb des Drehtisches angebracht sind. In das Anlriebsvierkant sind demzufolge zwei l.ängsschlilze eingearbeitet, um dort s die Leitungen zu verlegen, die die Schwingungsgeber mit der Einheil der Schleifringe und Abnehmer verbinden. Die Beschleunigungsmesser liegen in Aussparungen am Ansal/. des Antriebsvierkants und zwar in der Weise, daß die aktiven Flächen parallel zur Achse des Antriebsvierkants stehen und kraftschlüssig mil den Auskragungen dieser Stange verbunden sind, wobei sich die aktiven Flächen der beiden Beschleunigungsmesser in derselben Ebene zu beiden Seiten der Achse des Antriebsvierkants befinden. '■>

Zeichnung 4 zeigt die Einheit eines Filter/Verstärkers, der die algebraische Summe der beiden Signale bildet und den auf Schläge zurückzuführenden Störanteil des Signals aussiebt. Im Beispiel der Zeichnung 2 ergeben die von den Beschleunigungsmessern gelieferten Signa- 2« Ie um 180° phasenverschobene Signale und werden auf die beiden Eingänge 56a und 566 eines Differenzverstärkers 56 (20fache Verstärkung ca.) übertragen, wodurch nunmehr die algebraische Summe der beiden Signale entsteht. Der Differenzverstärker 56 besitzt bei offener Schleife eine Verstärkung von 50 000. Zwischen den beiden Eingängen 56a und 566dieses Verstärkers wurde eine bei 57 dargestellte Diode eingeschleift. Am Ausgang 56c dieses Differenzverstärkers wird ein regelbarer Widerstand angeschlossen und zwar in der ^o Form, daß dieser Widerstand eine Gegenkopplung des Differenzverstärkers vornimmt und die Verstärkung dieses letztgenannten auf einen Wert von nahezu 20 begrenzt wird.

Zwischen dem negativen Eingang 56a des Differenz-Verstärkers und dem Ausgang 56c werden in Serie die Kapazitäten 59a, 59b, 59c angeschlossen, die zusammen ein Filter bilden, das die Signale oberhalb eines vorher festgelegten Wertes stark dämpft, wobei diese Grenze im genannten Aufbau in etwa bei 5 Kiloherz liegt. ⁴«

Zwischen den Klemmen 56a und 56c wird ebenfalls eine Doppelserie Dioden 60 und 61 eingeschleift. Die erste Serie 60 ist in der Form geschaltet, daß eine Leitung in Richtung von 56a nach 56c gegeben ist, während die zweite Serie 61 so geschaltet ist, daß eine Leitung in Richtung von 56c nach 56a gegeben ist. Die Anzahl der Dioden bestimmt hierbei die Schweilspannung des Geräts. Mit Hilfe dieser zwei Serien von zwei Dioden erhält man eine Spitzenschwelle in der Größenordnung von 1,2 Volt, d. h., daß zwischen der Bezugsleitung 62 und der Ausgangsklemme 56c eine veränderliche Spannung von +1,2 Volt max verfügbar ist. Hiermit können zufällig auftretende Signale großer Amplitude ausgefiltert werden, die auf Nebenerscheinungen bei im Rohrmeißel induzierten Schwingungen zurückzuführen sind.

In Zeichnung 5 wurde eine Frequenzauswahlschaltung dargestellt. Am Eingang 63 erhält man das von den Klemmen 56c und 62 ausgehende Signal des in Zeichnung 4 dargestellten Geräts. Dieses Signal wird über die beiden Transistoren 64 und 65, die als Impedanzanpassungsschaltungen arbeiten, zu einem Differenzverstärker mit totaler Gegenkopplung 66 und von hier aus zu einer Frequenzauswahlschaltung 67 übertragen, die durch eine Reihe von Widerstandskapazitäten und Selbstinduktionsorganen gebildet wird. Dieses Filter wurde wie in Bandpaßfilter mit einem konstanten Ansprechkoeffizienten innerhalb des gewählten Frequenzbandes bemessen, das zu beiden Seilen dieses Frequenzbandes mit einer Dämpfung von etwa 5OdB pro Oktave arbeitel. Das gefilterte Signal wird dem Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 68 zugeführt, in dessen Ausgangskreis sich zwei in Gegenrichtung geschaltete Dioden 69 und 70 befinden. Diese Dioden richten die Halbwellen des Schwingungssignals gleich, woljei die Signale nach Gleichrichtung jeweils an die beiden Eingänge eines dritten Differenzverstärkers übertragen werden (Verstärker 71). Man fügt somit die positiven und negativen Amplitudenteile des Schwingungssignals wieder hinzu und erhält am Ausgang 72 ein Signal, daß die Maximalamplitude des Frequenzstandes des vom Filter 67 ausgewählten Signals darstellt. Diese elektrische Größe steht nunmehr zur Verfügung, um entweder aufgezeichnet zu werden, oder aber für die automatische Bohrsteuerung verwendet zu werden. Die Aufzeichnung bzw. Übernahme erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen Arbeitstiefe des Meißels, wobei für die Vorschubsteuerung oder Übernahme des Signals ein Aufnahmegerät zur Bestimmung der augenblicklichen Arbeitstiefe des Bohrmeißels hinzugezogen wird.

In Zeichnung 6 wurde bei 73 eine akustische Diagraphie dargestellt, die für eine Gasbildung im Rohrschacht erstellt wurde. Bei 74 wurde die Diagraphie dargestellt, die bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich wurde. Die Zahlenwerte auf der mittleren Geraden bezeichnen die Tiefen in Metern, in denen sich das Gestein befindet, dessen Eigenschaften durch beide Verfahren ergründet werden sollen. Es fällt hierbei auf, daß der allgemeine Verlauf beider Diagraphien ähnlich ist und daß insbesondere die Zonen, innerhalb derer die Schallgeschwindigkeit hoch ist, den Zonen entsprechen, für die die Amplitude des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens untersuchten Schwingungssignals hohe Werte aufweist.

Zu bemerken wäre ferner noch, daß die mechanische Diagraphie 74 zum Augenblick der Bohrung selbst angefertigt wurde, während die akustische Diagraphie 73 erst aufgestellt wurde, als die Bohrung beendet war.

Die akustische Diagraphie 73 mißt die Schallgeschwindigkeit im Gestein. Sie wurde mit Hilfe eines Ultraschall-Senders/Empfängers erstellt, der bei bekannter Meßtiefe im Bohrschacht bewegt wird. Eine Schwingungsfolge wird vom Sender ausgestrahlt und anschließend vom Empfänger wieder aufgenommen. Die Messung der Laufzeit bestimmt die Schallgeschwindigkeit im Gestein durch die Beziehung

VL

wobei

T die Laufzeit und

V die Schallgeschwindigkeit und

L die Entfernung Sender— Empfänger ist

Hierzu im Gegensatz stellt in der Diagraphie 74 die Amplitude der Kurve die Amplitude des gemäß der Erfindung verarbeiteten Signals dar.

Ebenfalls zu bemerken ist die Ähnlichkeit der Signale. Insbesondere bei einer Tiefe von etwa 1340 Metern fallen zwei Spitzen zusammen. Die gleiche Neigung beobachtet man für die beiden Signale bei einer Tiefe zwischen 1335 und 1340 Metern.

Die gleiche Erscheinung wiederholt sich zwischen 1370 und 1380 Metern. Eine abnehmende Tendenz zeigt sich bei etwa 1390 m.

Man erkennt somit, daß die gemäß der Erfindung

durchgeführte Messung sich proportional zur Schallgeschwindigkeit im Gestein verhüll, wovon letztere sich wiederum korrelativ zur Gesteinshärte und Kompaktheit verhalt.

Analoge Zusammenhänge erhält man auch mit der sogenannten »Gamma-roy-neutronw-Diagraphie bzw. der Diagraphie der Gesteinsdichte.

Die Arbeitsweise der entsprechenden Vorrichtung sowie die Anwendung des Bohrverfahrens mit Hilfe eines Bohrmeißelwcrkzcugs können wie folgt beschrieben werden.

Mil Hilfe der in Zeichnung 2 dargestellten Beschleunigungsmesser 31 und 36, die sich auf der Muffe 21 befinden und an der mit 13 bezeichneten Stelle (in Zeichnung 1) angeschlossen sind, werden Beschleunigungswerte aufgenommen, die auf die Längsschwingungen zurückzuführen sind, die durch das Arbeiten des Bohrmeißelwerkzeuges in der Bohrvorrichtung erzeugt werden. Die von diesen Beschleunigungsmessern abgegebenen Spannungen werden von den Impedanzanpassungsschaltungen 32 und 37 weiterverarbeitet. Die abgegebene Spannung niedriger Impedanz wird über das Schleifring/Abnehmersystem zu einem Differenzverstärker und Spannungsbegrenzer übertragen (siehe Zeichnung 4). Auf diese Weise werden die Signalkomponenten, die oberhalb von 5 Kiloherz liegen, ausgesiebt, desgleichen Amplituden, die oberhalb des Wertes von etwa 1,2 Volt liegen.

Das von dem in Zeichnung <♦ dargestellten Gerät abgegebene Signal wird an den Eingang des in Zeichnung 5 dargestellten Filters übertragen, der eine Filterung in einem Frequenzband zwischen 40 und 100 Hz vornimmt. Dieses Frequenzband ist auf die Frequenz von 70 Hz zentriert, was einer Rotaiionsgeschwindigkeit des Meißels von 210 U/min entspricht und wodurch eine Erregungsfrequenz des Bohrgestänges von 70 Hz entsteht. Bei jeder Umdrehung des Bohrgestänges werden durch die äußere Zahnreihe des Bohrmeißels 20 Elementarimpulse abgegeben. Es hat sich gezeigt, daß diese genannte Aussendung der Elementarimpulse gegenüber Aussendungen von Rädern oder Zähnen der mittleren Reihe vorherrschend ist. Verwendet man hingegen ein Filter mit abweichendem Frequenzband, so könnten die Schwingungen durch Räder oder Zähne der mittleren Reihe analysiert werden. Es ist darüber hinaus möglich, ein Filter mit regelbarer Frequenzbandbreite mit Hilfe einer Größe zu steuern, die aus der Rotationsfrequenz des Bohrgestänges, z. B. der augenblicklichen Rotationsgeschwindigkeit ableitbar ist.

Die Amplitude des gefilterten Signals wird in Abhängigkeit vom Meißelvorschub während des Bohrvorgangcs aufgezeichnet

Dieses Signal kann ebenfalls als Eingangsgröße innerhalb eines Gerätes verwendet werden, das in der Lage ist aus diesem Eingangssignal Steuergrößen abzuleiten, die zur automatischen Bohrsteuerung verwendet werden können, z. B. durch Einwirkung auf die Seilwindenbremse, so daß das auf den Meißel wirksam werdende Gewicht entweder erhöht oder vermindert wird, darüber hinaus noch auf die Ansaugorgane des Motors, so daß hiermit die Rotationsgeschwindigkeit und/oder die Schlammförderungsmenge verändert wird.

Die Signalübertragung zwischen Aufnahmegeräten und Verarbeitungseinheiten wurde innerhalb der vorangegangenen Beispiele mit einer Drahtverbindung durchgeführt Diese Verbindung kann ebenfalls über elektromagnetische Wellen, durch Schallwellen oder beispielsweise Ultraschallwellen erfolgen.

In Zeichnung 7 wurde bei 101 ein Bohrturm dargestellt. Die zugehörigen Aufhängekabel wurden boi 102 angedeutet. Mit der Kennziffer 103 wurde der Spülkopf belegt, der das Eindringen des Schlamms in das Bohrgestänge ermöglicht. Bei 104 ist ein Sondenanschluß dargestellt, der die Informationen über den Schlammstrom empfängt, diese Informationen weiterverarbeitet und diese zu einem Speicherorgan weiterleitet. Mit 105 ist die Antricbsstange des Bohrgestänges bezeichnet, während bei 106 der Drehtisch dargestellt wurde. Mit 107 wurde der Untergrund belegt, in den mit Hilfe des Bohrgestänges 108 ein Schacht gebohrt wurde, wobei das am Bohrgestänge befindliche Gewichtssystem mit 109 gekennzeichnet wurde. Innerhalb dieses Gewichtssystems liegt eine Spezialmeßstange 110, die ebenfalls die Übertragung der Meßwerte an dir Oberfläche vornimmt und einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.

An diese Spezial-Meßstange 110 ist eine Werk, eug-Halterung Ul angeschlossen, die mit einem Meißel 112 versehen ist, der direkt das Gestein angreift. Ein in gewisser Entfernung vom Bohrschacht angeordneter Empfänger 113 empfängt die durch den Anschluß 104 geleiteten Informationen und liefert in abhängiger Arbeitstiefe eine charakteristische Größe für die mechanischen Gesteinseigenschaften, wobei diese Kenngröße entweder aufgezeichnet bzw. direkt zur automatischen Bohrsteuerung weiterverwendet werden kann.

Um diese Übertragung sicherzustellen, ist der Anschluß 104 mit einem Funkempfänger/Sender ausgerüstet, der eine Antenne Ü4 trägt. Der Empfänger 113 ist mit einer Empfangsantenne 115 ausgerüstet.

Zeichnung 8 zeigt im Detail die Spezial-Meßstange 110, die in der Beschreibung der Zeichnung 7 erwähnt wurde. Diese wird von einem Stangengewichtskörper 116 gebildet. Innerhalb dieses Gewichtskörpers liegt ein Schlammdruck-Regelsystem, das insbesondere durch ein Ventil 117 gebildet wird, dessen Öffnung und Schließung in Folgesteuerung durch eine Einheit 118 erfolgt, die wiederum die Steuerbefehle von einer elektronischen Einheit 119 erhält, die sich im unteren Teil dieses Gewichtskörpers befindet. Das Ventil schließt auf einem Ventilsitz 120, über den normalerweise der Schlammdruck läuft, der die Druckstöße erzeugt. Die von der elektronischen Einheit 119 gelieferten Befehle werden über eine Verbindung 121 zum Regelventil 117 übertragen. Zwischen diesem Regelventil 117 und der elektronischen Einheit 119 liegt der Meßeinsatz 122, ein fester Stahlanschluß, über den eine

i\i.iiii vwti ucmsiuiigagcuci π ι^Λ uuu l^t unu/iiuci Beschleunigungsmesser 125, 126 und 127 gesteuert werden. Dieser Anschluß ist nach außen durch die Abdeckung 122a geschützt die an einem seiner Enden befestigt und am anderen Ende frei ist wobei die Dichtheit an diesem freien Ende mit Hilfe eines O-Ringes bewirkt wird.

Die einzelnen Aufnahmegeräte sind über Kabel, die durch eine Kanalisation 128 laufen, die die Kammer zwischen Anschluß und Abdeckung verbindet mit der elektronischen Einheit 119 verbunden.

Nachdem der Schlammstrom den Raum zwischen Ventil 117 und Ventilsitz 120 durchflossen hat fließt er um die Einheit 118 und gelangt in den Innenraum 129 des Meßeinsatzes. Über eine Aussparung 130 gelangt dieser Strom in den ringförmigen Raum 131, der die

elektronische Einheil 119 umgibt. Über die Aussparungen 132 kann dieser Strom wieder über die Kanalisation 134 in das Innere der Werkzeughalterung 133 eindringen. In der Zwischenzeit wurde der Strom dazu ausgenutzt, eine Turbine 135 anzutreiben, die die erforderliche elektrische Energie zum Betrieb der elektronischen Einheit 119 liefert.

Die Beschleunigungsmesser 126 befinden sich auf zwei entgegengesetzt liegenden Mantellinien des Anschlusses 122 und zwar in der Form, daß ihre to elektrischen Achsen parallel zur Anschlußachse verlaufen.

Die Beschleunigungsmesser 125 befinden sich auf entgegengesetzt liegenden Mantellinien gleicher Höhe, wobei ihre elektrischen Achsen senkrecht zur Achse des Anschlusses verlaufen.

Die Aufnahmegerate 125 ermöglichen die Auswahl der Torsionsschwingungsart, während die Aufnahmegeräte 126 die Art der Längsschwingungen auswählen können.

Das Aufnahmegerät 127 befindet sich parallel zu den Aufnahmegeräten 125. Dieses Aufnahmegerät empfängt eine Sinusschwingung, deren Periode in direktem Zusammenhang zu der Rotationsgeschwindigkeit steht, wodurch die Grundfrequenz für ein Vielfaches der Filterfrequenz bestimmt werden kann, auf die die Schwingungen gerichtet sind. Das bedeutet somit, daß die Frequenz, auf die das Filter zentriert ist, ein Vielfaches der Rotationsgeschwindigkeit ist.

Mit den Aufnahmegeräten 123 und 124 können ebenfalls sowohl Längsschwingungen als auch Torsionsschwingungen ausgewählt werden. Hierzu sind die Geber in Halbbrückenschaltung montiert und entsprechend einer Richtung aufgebaut, die mit den zu messenden Schwingungsarten in direktem Zusammenhang steht.

Obwohl die Beschleunigungsmesser und Belastungsgeber innerhalb einer Zeichnung dargestellt wurden, kann eine der Kombinationen herausgegriffen werden, um je nach besserer Nutzung die eine oder andere Art von Schwingungen auszuwählen.

Die Verarbeitung der elektrischen Größen, die von den Belastungsgebern bzw. Beschleunigungsmessern geliefert wurden, erfolgt in nachstehend beschriebener Form.

Werden Beschleunigungsmesser verwendet, so werden diese auf der Muffe auf zwei sich gegenüberliegenden Mantellinien des Meßanschlusses angebracht, wonach die von diesen Aufnahmegeräten gelieferten elektrischen Signale in einem Differenzverstärker so gegenübergestellt werden. Auf diese Weise addieren sich die Signale, die Auskunft über das Schwingungsverhaitcn geben und diejenigen Signale bzw. -antcilc, die auf Störschwingungen zurückzuführen sind, werden ausgesiebt. Somit erhält man am Ausgang des Differenzverstärkers ein Einheitssignal einer genau doppelten Amplitude des von einem der Aufnahmegeräte gelieferten Wirksignals. Dieses Signal wird nunmehr weiterverarbeitet Innerhalb eines ersten Stadiums begrenzt man die Spannung zwischen zwei w vorher bestimmten Werten, was z. B. in einem Sättigungsverstärker erfolgen kann, dessen Maximalamplitude durch die Gegenspannung von Dioden festgelegt ist. Das in dieser Form verarbeitete Signal wird nunmehr einem Bandpaßfilter zugeführt, dessen mittlere Frequenz ein Vielfaches der Rotationsgeschwindigkeit ist.

Hierzu liefert der Beschleunigungsmesser 127 eine Sinusspannung, die selektiv in einem Band von 0,2 bis 5 Hz verstärkt wird. Anschließend wird mit Hilfe eines Frequenzvervielfachers die somit erhaltene Frequenz mit einer Anzahl multipliziert, die die Anzahl der aktiven bzw. Angriffselemente des Bohrwerkzeuges berücksichtigt. Wertet man beispielsweise die vorherrschenden Schwingungen der äußeren Zahnreihe eines aus drei Konen bestehenden Bohrmeißels aus, so ergäbe sich ein Multiplikationsfaktor von etwa 20.

Das obengenannte Schema ist darüber hinaus in Zeichnung 9 dargestellt, wo mit den Kennzahlen 136 und 137 Beschleunigungszähler belegt wurden, die über die Verbindungen 138 und 139 mit einem Differenzverstärker 140 verbunden sind. Der Ausgang 141 dieses genannten Differenzverstärkers ist mit einer Begrenzerschaltung 142 verbunden, dessen Ausgang 143 mit einem Bandpaßfilier 144 verbunden ist, das wiederum durch eine Frequenz gesteuert wird, die ein Vielfaches der durch den Beschleunigungsmesser in Zeichnung 8 gemessenen Rotationsgeschwindigkeit ist.

Die von diesem Beschleunigungsmesser 127 gelieferte Sinusspannung wird in einem Filter 145 ausgesiebt, wonach die Frequenz im Frequenzvervielfacher 146 vervielfacht wird.

Die Verarbeitung der von den Belastungsgebern gelieferten Signale erfolgt in analoger Weise. Das Signal wird hierbei direkt durch den Brückenaufbau der Geber erhalten, wobei die eingebauten Kompensationsgeber die Aufgabe haben, die gesuchten Schwingungen zu messen und störende Schwingungseinflüsse zu unterdrücken, die durch Temperatur- oder Druckeinflüsse hervorgerufen werden können. Die Aussiebung des von den Gebern gelieferten Signals kann nach deren Verarbeitung durch ein Filter vorgenommen werden, das aut die augenblickliche Rotationsgeschwindigkeit der Bohrvorrichtung abgestimmt ist.

Innerhalb einer Variante, die unabhängig von der Lage der Meßstrecke Anwendung finden kann, können eine Anzahl Filter mit festem Durchlaßbereich und fester Mittelfrequenz verwendet werden. Das von den Aufnahmegeräten gelieferte Signal wird jeweils dem Filter übertragen, dessen mittlere Frequenz der gesuchten Filterfrequenz entspricht.

Dieser Betriebsfall ist in Zeichnung 10 dargestellt. Das Signal zur Messung der Rotationsgeschwindigkeit wird hierbei vom Aufnahmegerät 127 geliefert. Dieses Signal wird durch den festen Filter Induktanz 147 — Kapazität 148 ausgesiebt Das ausgesiebte Signal steuert einen Wähler 149, der den Eingang 150 an die einzelnen Ausgänge 151, 152, 153, 154 schaltet wobei jeder dieser Ausgänge mit einem Bandpaßfilter 155, 156, 157, 158 verbunden ist Die Mittelfrequenz dieser einzelnen Filter ist jeweils unterschiedlich. Die Frequenzen sind hierbei in der Form aufgeteilt daß die obere Trennfrequenz eines Filters genau der unteren Trennfrequenz des folgenden Filters entspricht Die Schaltfrequenz ist jeweils auf die Frequenz dieser Filter abgestimmt

Die von den einzelnen Filtern ausgehenden Signale werden in einem Block 159 mit einem Ausgang gesammelt und das hieraus austretende Signal ist kodiert und wird anschließend dem Schlammdruck-Regelgerät zugeführt

Befindet sich die Meßstrecke nahe des Meißels und arbeitet man mit der Übertragung des Signals, das die Amplitude durch Druckunterschiede des Schlammdrukkes ausdrückt so werden die anfallenden Druckänderungen über ein Druckaufnahmegerät aufgenommen.

das sich im Innern des Anschlusses 104 (im Zusammenhang mit Zeichnung 7 beschrieben) befindet Dieses Aufnahmegerät wirkt auf die Modulation eines Wellenscnders, der sich im gleichen Anschluß 104 befindet Das Antwortsignal, durch das Gerät 113 empfangen, liefert nach entsprechender Verarbeitung eine elektrische Größe, die entweder aufgezeichnet werden kann oder aber als Steuergröße an den Eingang eines Rechners übertragen werden kann, der zur Regelung des Bohrvorschubes dient iu

Weiterhin kann erfindungsgemäß der Schiammdruckregler durch einen magnetostriktiven Sender ersetzt werden, der mit der Gestängeführung verbunden ist. In diesem Falle wird das kodierte Signal entweder als direktes Steuersignal oder aber als Steuermodulation is für den magnetostriktiven Sender verwendet. Ein Empfänger gleichen Typs, z. B. magnetostriktiv, befindet sich im Anschluß oberhalb der Antriebsstange. Dieser Empfänger kann nunmehr Signale aufnehmen, die von der Gestängeführung her übertragen wurden und diese an einen Sender elektromagnetischer Wellen weiterübertragen, der dem vorgenannten angeschlossen ist. Das somit zum Verarbeitungsgerät übertragene Signal wird in eine Größe umgewandelt die entweder aufgezeichnet oder aber zur Bohrmeißel-Regelung verwendet wird.

Eine weitere Anwendungsform liegt in der Verwendung von nur einem einzigen Aufnahmegerät, z. B. eines Beschleunigungsmessers oder eines einzigen Paares von Belastungsgebern, wobei der eine als aktives Element und der andere der Kompensation dient oder aber die Verwendung eines Druckgeber*, der auf die Schlammdruckänderungen anspricht In diesem Falle wird der Differenzverstärker durch einen einfachen Verstärker ersetzt, der mit einem Frequenzfilter und einem Pegelbegrenzer ausgerüstet ist Die übrigen Teile der Meßstrecke bleiben unverändert.

Es gilt als selbstverständlich, daß die beispielhaft gegebene Erfindung alle hieraus ableitbaren Varianten gleichermaßen einschließt

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur teufenabhängigen Messung der Gesteinscharakteristika von Erdformationen während des Bohrens mittels eines Drehantriebs, eines Bohrgestänges und eines Drehbohrmeißels, bei welchem Schwingungen über das Bohrgestänge aus dem Bohrlochtiefsten zur Erdoberfläche hin übertragen, an mindestens einem Punkt des Bohrgestänges bzw. der Antriebsstange abgegriffen, in elektrische Signale umgewandelt und nach einer Frequenzbandfilterung in Korrelation zur Teufe des Bohrmeißels gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzbandfilterung auf eine Mittelfrequenz abgestellt wird, welche gleich der Rotationsfrequenz multipliziert mit der Anzahl der Schneidelemente des Bohrmeißels ist, und daß als Wert für die Charakteristik des durchbohrten Gesteins die Amplitude des ausgefilterten Signals gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einem Punktpaar des Bohrgestänges bzw. der Antriebsstange Signale aufgenommen werden, von denen die algebraische Summe oder die Augenblicksdifferenz ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen im oberen Teil der Bohrvorrichtung abgegriffen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen an einem dem Bohrmeißel nahegelegenen Punkt abgegriffen werden.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem über ein Bohrgestänge angetriebenen Bohrmeißel, mit mindestens einem Schwingungswandler, der längs des Bohrgestänges bzw. einer Antriebsstange angeordnet ist, mit einer elektrischen Filterschaltung zur Ausfilterung von Störsignalen, die nur ein vorbestimmtes Frequenzband durchläßt, und mit einem Gerät zur Anzeige und/oder Aufzeichnung der Signalamplitude des gefilterten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung ein Filter enthält, dessen Mittelfrequenz gleich der Rotationsfrequenz multipliziert mit der Anzahl der Schneidelemente des Bohrwerkzeugs (20) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Schwingungswandler und ein Differenzverstärker (56) vorgesehen sind, welcher die algebraische Summe oder die Differenz der beiden Signale bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Schwingungswandler auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien von Teilen des Bohrgestänges (12) befinden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Schwingungswandler bei Aufnahme von Längsschwingungen in einem Abstand von zwei cm b's neun Meter axial versetzt auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien befinden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schwingungswandler für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale Beschleunigungsmesser (31, 36) sind, deren elektrische Achsen parallel zur Achse des Bohrgestänges (12) verlaufen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungswandler für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale mindestens zwei Wegmesser sind, die parallel zur Achse des Bohrgestänges (12) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Schwingungswandler für die den Torsionsschwingungen entsprechenden Signale Beschleunigungsmesser (31, 36) sind, deren elektrische Achsen senkrecht zur Achse des Bohrgestänges (12) verlaufen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungswandler für die den Torsionsschwingungen entsprechenden Signale mindestens zwei Wegmesser sind, die in einer um 45° gegenüber der Achse des Bohrgestänges geneigten Ebene angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Schwingungswandler im oberen Teil des Gestänges (12) befinden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Schwingungswandler innerhalb eines Meßeinsatzes (122) im unteren Teil des Bohrgestänges befinden und eine Übertragungseinrichtung zur Übermittlung des der Amplitude des gefilterten Signals entsprechenden Signals an die Oberfläche vorgesehen ist, wobei das Bohrgestänge (108) einen Teil der Übertragungseinrichtung bildet und dazu ein mit einer Muffe fest verbundener magnetostriktiver Stab vorgesehen ist, dessen Erregung mit der Amplitude des Signals modulierbar ist, wobei die Muffe zwischen den Schwerstangen (116) eingebaut ist oder das Ventil (117) für den Schlammstrom einen Teil der Übertragungseinrichtung bildet und die Übertragung des Signals an die Oberfläche durch den Schlammstrom erfolgt, dessen Druck durch die Amplitude des Signals zur Beaufschlagung des Ventils selbst modulierbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Beschleunigungsmesser (31, 36) für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien einer Muffe (21) zwischen dem Spülkopf (7) und der Antriebsstange (9) bzw. im Meßeinsatz (122) vorgesehen sind, wobei diese Beschleunigungsmesser auf senkrecht zur Muffenachse bzw. Meßeinsatzachse stehenden, axial versetzten Auskragungen ruhen und fest mit diesen verbunden sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Beschleunigungsmesser für die den Torsionsschwingungen entsprechenden Signale auf gleicher Höhe auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien des unteren Teils der Antriebsstange (9) des Bohrgestänges (12) bzw. des Meßeinsatzes (122) vorgesehen sind, wobei diese Beschleunigungsmesser auf parallelen, in Achsrichtung der Antriebsstange verlaufenden Auskragungen ruhen und ihre elektrischen Achsen entgegengesetzt gerichtet sind und parallel verlaufen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wegmesser für die den Längsschwingungen entsprechenden Signale auf zwei gegenüberliegenden Mantellinien

einer Muffe (21) zwischen dem Spüikopf (7) und der Antriebsstange (9) bzw. im Meßeinsatz (122) vorgesehen und axial gegeneinander versetzt sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wegmesser für die den Torsionsschwingungen entsprechenden Signale am unteren Teil der Amriebsstange (9) des Bohrgestänges (12) bzw. im Meßeinsau (122) an zwei entgegengesetzten Punkten vorgesehen sind und in einer Ebene liegen, die 45° gegenüber d r Achse der Amriebsstange (9) bzw. des Meßeinsatzes (122) geneigt ist.