DE69629569T2

DE69629569T2 - System und verfahren zur ortung einer unterirdischen bohrvorrichtung

Info

Publication number: DE69629569T2
Application number: DE69629569T
Authority: DE
Inventors: W. Albert CHAU
Original assignee: Utilx Corp
Current assignee: Utilx Corp
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2016-05-25
Also published as: EP0836667A4; JPH11508004A; EP0836667B1; US5585726A; KR100396906B1; JP3466625B2; KR19990022017A; AU5930696A; DE69629569D1; EP0836667A1; WO1996037678A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Führungssystem und ein Verfahren zur exakten Bestimmung der Position einer Bohrvorrichtung und insbesondere auf ein Führungssystem und ein Verfahren, bei dem durch die Anwendung von zwei Navigationsverfahren der Fehler bei der Bestimmung der Position der Bohrvorrichtung minimiert wird.
Ausgangssituation der Erfindung
Der Begriff Richtbohren bezieht sich auf die Art einer Bohrung, bei der ein Bohrwerkzeug entlang eines vorgegebenen Bohrweges ausgerichtet wird, von einer Bedienperson, die sich auf einer Bohrmaschine befindet. Durch Führen des Bohrwerkzeugs von der Bohrlokation aus, können Verkabelungen, Rohrleitungen oder andere unterirdische Kabelkanäle verlegt werden, bei minimaler Ruptur der Erdoberfläche über der Stelle, wo das Bohrloch gebohrt wird. Richtbohrverfahren haben sich deshalb besonders dort bewährt, wo sich an der Oberfläche Hindernisse befinden, die das Ziehen von Gräben oder andere herkömmliche Verlegungsverfahren unmöglich machen würden. So sind Richtbohrverfahren zum Beispiel besonders vorteilhaft beim Anlegen eines horizontalen Bohrloches unterhalb einer Wasseransammlung, einer Straße oder unter Gebäuden. Weil Richtbohren ohne Rücksichtnahme auf Bauten an der Oberfläche vorgetrieben werden kann, ist es für viele Anwendungen zum Mittel der Wahl geworden.
Bei vielen Richtbohrverfahren ist das Ausrichten eines Bohrwerkzeugs auf eine vorgegebene Vortriebsstrecke ein iteratives Verfahren, das sich aus einer Ortungsphase und einer Bohrphase zusammensetzt. Während der Ortungsphase wird der Bohrer angehalten und die Position und die Orientierung des Bohrwerkzeugs wird mit Hilfe eines aus mehreren Verfahren bestimmt, wie dies nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Auf Basis der Ortsbestimmung des Bohrwerkzeugs kann eine Bedienperson berechnen, wie dicht sich das Bohrwerkzeug an einem vorgegebenen Bohrweg befindet. Wenn das Bohrwerkzeug weiter einem geradlinigen Bohrweg folgen soll, werden die Schwerstange und das Bohrwerkzeug während der folgenden Bohrphase in Rotation versetzt. Wenn das Bohrwerkzeug rotiert und zusätzliche Rohrabschnitte zur Schwerstange hinzugefügt werden, wird das Bohrloch entlang einer im Allgemeinen geraden Linie vorgetrieben. Wenn das Bohrwerkzeug die Richtung ändern muss, um das Bohrloch zurück auf den vorgegebenen Bohrweg zu bringen, muss die Orientierung des Bohrwerkzeugs bestimmt werden. Bei einer Art eines Richtbohrsystems ist die Verbindung zwischen dem Bohrkopf und der Schwerstange leicht gekrümmt. Die Orientierung der gekrümmten Verbindung bestimmt die Richtung, in der das Bohrwerkzeug vorgetrieben wird, wenn es mit Druck in Vorwärtsrichtung beaufschlagt wird und der Gestängestrang nicht rotiert. Um den Kurs des Bohrlochs zurück auf den vorgegebenen Kurs zu bringen, muss der Bohrkopf deshalb in die erforderliche Richtung gedreht werden, so dass ein in Vortriebsrichtung zugeführter Druck den Bohrweg des Bohrwerkzeugs korrigieren wird. In der nachfolgenden Bohrphase wird die Schwerstange nicht gedreht und das Bohrwerkzeug vorgetrieben. Indem die gekrümmte Verbindung selektiv ausgerichtet wird, kann eine Bedienperson deshalb das Bohrwerkzeug in eine gewünschte Richtung entlang eines gewählten Bohrweges steuern. Es ist leicht einzusehen, dass weitere Arten von Richtbohrsystemen existieren, die nicht von einer gekrümmten Verbindung abhängen, um die Richtung des Weges des Bohrwerkzeugs festzulegen. Unabhängig vom Mechanismus zum Ausrichten und Steuern des Bohrwerkzeugs sind bei den meisten Bohrsystemen eine Ortungsphase und eine Bohrphase Bestandteile im Verlauf der Richtbohrung.
Es sind etliche Verfahren nach dem Stand der Technik bekannt, um den Ort eines Bohrwerkzeugs entlang eines vorgegebenen Weges zu bestimmen. Zum Beispiel offenbart US-Patent 4,875,014 von Roberts et al. ein System, bei dem ein stromführendes Gitter verwendet wird, um die Ortsbestimmung und die Führung eines Bohrkopfes zu unterstützen. Das stromführende Gitter wird anfangs oberhalb des gewünschten Bohrweges verlegt. Der Bohrkopf enthält ein dreiachsiges Magnetometer und einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser. Wenn sich der Bohrkopf unterhalb des stromführenden Gitters vorwärts bewegt, werden Komponenten des magnetischen Feldes, das von dem Gitter erzeugt wird, von dem dreiachsigen Magnetometer detektiert. Unter Verwendung der Orientierung des Bohrkopfes, die man aus den Signalen des dreiachsigen Beschleunigungsmessers bestimmt, kann der magnetische Feldvektor in das Koordinatensystem transformiert werden, das von dem stromführenden Gitter verwendet wird. Durch Vergleich des gemessenen magnetischen Feldvektors mit einer Anzahl berechneter magnetischer Feldvektoren innerhalb des Gitters, kann der Ort des Bohrkopfes innerhalb des Gitters bestimmt werden. Eine Bedienperson kann dann den Bohrkopf entlang eines vorgegebenen Weges steuern, indem der Ort des Bohrkopfes periodisch kontrolliert wird.
Eine gebräuchlichere Methode zur Bestimmung des Ortes eines Bohrwerkzeugs beim horizontalen Bohren verwendet einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser, um eine Drehung des Bohrwerkzeugs in Bezug auf den Schwerkraftvektor zu detektieren und ein dreiachsiges Magnetometer, um Komponenten des Erdmagnetfeldes zu detektieren. Jeder dieser Sensoren ist im Kopf des Bohrers angeordnet, von wo aus sie mit der Erdoberfläche durch ein Kabel verbunden sind, über das die Energieversorgung und die Signalleitungen geführt werden. Jeder Beschleunigungsmesser spricht auf eine Komponente der Rotation des Bohrwerkzeugs an und erzeugt ein Signal, das der Rotation proportional ist. Aus den von den Beschleunigungsmessern erzeugten Signalen kann ein System sowohl die Neigung als auch den Rollwinkel des Bohrwerkzeugs berechnen. Jedes Magnetometer erzeugt eine Gleichspannung, die der Größe der Komponente des Erdmagnetfeldes proportional ist, die rechtwinklig zur Aufnahmespule im Magnetometer gerichtet ist. Wenn das Bohrwerkzeug vorgetrieben wird, können die Signale aus dem Magnetometer somit zusammen mit den Signalen des Beschleunigungsmessers verwendet werden, um den Kurs oder den Azimut des Bohrwerkzeugs auf Basis der Veränderungen im Magnetfeld zu bestimmen. Durch Integration von Neigung und Azimut des Bohrwerkzeugs über den zurückgelegten weg kann der Ort des Bohrwerkzeugs näherungsweise bestimmt werden. Die Kombination aus dreiachsigem Beschleunigungsmesser und dreiachsigem Magnetometer gestattet es einer Bedienperson deshalb, dem Ort des Bohrwerkzeugs grob zu folgen, wenn das Bohrwerkzeug vorgetrieben wird. Ein Vorteil bei der Verwendung eines dreiachsigen Beschleunigungsmessers und eines Magnetometers liegt darin, dass das Ortungsverfahren schnell durchführbar ist und die gerätetechnische Ausrüstung robust und rasch verfügbar ist.
Obwohl der Einsatz dreiachsiger Magnetometer und Beschleunigungsmesser einer Bedienperson gestattet, einem vorgegebenen Bohrweg grob zu folgen, lässt die Genauigkeit des resultierenden Bohrweges zu wünschen übrig. Um den Ort des Bohrwerkzeugs zu berechnen, muss das Signal aus den Beschleunigungsmessern über die von dem Bohrwerkzeug zurückgelegte Distanz integriert werden. Das Integrieren der Beschleunigungsmessersignale hat Fehler bei der berechneten Position des Bohrwerkzeugs zur Folge. Obwohl die Fehler bei jeder einzelnen Positionsbestimmung klein sein können, kann der kumulative Effekt der Fehler groß sein. In der Positionierungsphase beim Richtbohren werden die in die berechnete Position des Bohrwerkzeugs eingebrachten Fehler zu vorher bei der Messung entstandenen Fehlern addiert und vergrößert. Im Ergebnis kann über lange Bohrwege der berechnete Bohrweg von dem gewünschten Bohrweg um ein beträchtliches Stück abweichen, wenn das Bohrwerkzeug die Austrittsstelle erreicht.
Obwohl diese Fehler bei weniger anspruchsvollen Bohranwendungen im Allgemeinen annehmbar sind, können bei gewissen Anwendungen Fehler von nur einigen Fuß über den gesamten Bohrweg den Erfolg eines Projektes zunichte machen. So sind zum Beispiel Abwasserrohre auf ein leichtes Gefälle des Rohres angewiesen, um sicherzustellen, dass das gesamte Abwasser ohne den Einsatz von Pumpen bis zu einem gewünschten Ort geleitet wird. Die Austrittsstelle eines Bohrloches, das für die Verlegung von Abwasserrohren verwendet wird, muss ebenfalls mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnet und ausgeführt werden. Das Verlegen von Abwasserrohren ist bei ausschließlichem Einsatz dreiachsiger Magnetometer und Beschleunigungsmesser zur Bestimmung des Weges des Bohrwerkzeugs ein riskanter Vorschlag. Die in den resultierenden Bohrweg durch die Integration der Beschleunigungsmessersignale eingebrachten Fehler können zur Folge haben, dass der Bohrweg von dem vorgegebenen Kurs so stark abweicht, dass der durch die Schwerkraft bedingte Abfluss beeinträchtigt wird oder die Austrittsstelle ungenau ist. Für anspruchsvolle Anwendungen, bei denen einem gewünschten Bohrweg exakt gefolgt werden muss, ist es deshalb wünschenswert, das allgemeine Verfahren zur Verfolgung und Führung eines Bohrwerkzeugs unter Bezug auf Beschleunigungsmessersignale und Magnetometersignale zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Führungssystem und ein Verfahren zum Ausrichten eines unterirdischen Bohrwerkzeugs entlang eines vorgegebenen Weges. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind innerhalb eines Bohrwerkzeugs zwei Navigationseinheiten angeordnet. Die erste Navigationseinheit enthält ein dreiachsiges Magnetometer und einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser. Der von dem dreiachsigen Magnetometer und dem dreiachsigen Beschleunigungsmesser generierte Datensatz wird manipuliert, um die Orientierung des Bohrwerkzeugs zu bestimmen und durch Integrieren über den vom Bohrwerkzeug zurückgelegten Weg den angenäherten Ort des Bohrwerkzeugs während des Richtbohrvorgangs zu bestimmen. Die zweite Navigationseinheit weist eine magnetische Dipolantenne auf, die im Inneren des Bohrwerkzeugs angeordnet ist. Die magnetische Dipolantenne sendet ein elektromagnetisches Feld aus, das eine vorgegebene Feldverteilung aufweist. Bei Verwendung eines Ortungsgerätes, wie es im US-Patent 4,806,869 von Chau et al. offenbart wurde, kann eine unabhängige Angabe der Position des Bohrwerkzeugs bestimmt werden. Wenn beide gemeinsam benutzt werden, stellen die Navigationseinheiten die exakte Führung des Bohrwerkzeugs sicher. In einem bevorzugten Verfahren werden das Magnetometer und der Beschleunigungsmesser verwendet, um das Bohrwerkzeug während des größten Teils des Bohrvorgangs zu führen. Dabei wird jedoch periodisch mit Hilfe des Ortungsgerätes die tatsächliche Position des Bohrwerkzeugs bestimmt. Wenn die tatsächliche Position bestimmt ist, können Fehler, die sich in die berechnete Bohrwerkzeugposition eingeschlichen haben, eliminiert werden, indem die berechnete Position des Bohr werkzeugs durch Gleichsetzen mit der tatsächlichen Position des Bohrwerkzeugs aktualisiert wird. Durch periodisches Eliminieren des Integrationsfehlers kann dem vorgegebenen Bohrweg besser gefolgt werden. Während der vorherrschende Fehler, der von dem offenbarten System beziehungsweise durch das offenbarte Verfahren korrigiert wird, der Fehler ist, der durch die Integrationsberechnung eingebracht wird, werden andere Fehler, welche die berechnete Positionsbestimmung beeinflusst habe könnten, ebenfalls eliminiert.
Zusätzlich zur Sicherstellung der genauen Platzierung des Bohrwerkzeugs weist die Verwendung von zwei Positionsbestimmungsverfahren innerhalb eines einzigen Führungssystems viele Vorzüge gegenüber der Verwendung eines einzigen Verfahrens auf. Am wichtigsten ist, dass es die Verwendung zweier Verfahren zur Bestimmung der Position einer Bedienperson gestattet, abhängig von den tatsächlichen Bedingungen vor Ort das geeignetste Verfahren auszuwählen. So ist es zum Beispiel beim Bohren unter Gebäuden oder großen Bauwerken auf Grund gegenseitiger Beeinflussung unpraktisch und unmöglich, bei Verwendung eines Signals einer magnetischen Dipolantenne die Position eines Bohrwerkzeugs zu verfolgen. Unter diesen Bedingungen können ausschließlich die Signale aus dem Beschleunigungsmesser und dem Magnetometer verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist das Magnetometer auf den ersten fünfzig Fuß einer Bohrung nicht sehr genau, auf Grund der vom Bohrer ausgehenden magnetischen Störungen. In der Anfangsbohrphase kann deshalb die magnetische Dipolantenne verwendet werden, um die Tiefe, den Ort und den Kurs des Bohrwerkzeugs zu bestimmen. Allgemein gesagt weist jedes Verfahren Stärken auf, welche die Nachteile des anderen Verfahrens kompensieren.
Es ist ein zusätzlicher Vorzug des offenbarten elektronischen Führungssystems und -verfahrens, dass bei einem Ausfall einer Navigationseinheit die Bohrung typischerweise fertiggestellt werden kann, indem die verbleibende Navigationseinheit verwendet wird. So müsste zum Beispiel im Falle einer Unterbrechung der Kommunikation mit dem in einem Bohrwerkzeug angeordneten Magnetometer und Beschleunigungsmesser die Bohrung nicht abgebrochen und das Bohrwerkzeug demontiert und ausgewechselt werden. Statt dessen könnte die magnetische Dipolantenne in Verbindung mit dem Ortungsgerät verwendet werden, um den Bohrvorgang zu Ende zu führen. Umgekehrt könnte die Bohrung bei Ausfall der magnetischen Dipolantenne, allerdings mit geringerer Genauigkeit, mit der Beschleunigungsmesser-Magnetometereinheit zuende geführt werden.
Ein weiterer Vorzug des offenbarten elektronischen Führungssystems und -verfahrens besteht darin, dass die Daten aus den Beschleunigungsmessern und Magnetometern an die Erdoberfläche geleitet werden können, indem das von der magnetischen Dipolantenne erzeugte magnetische Dipolsignal moduliert würde. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Systems weist das von der Dipolantenne erzeugte Signal eine Frequenz zwischen 30 kHz und 90 kHz auf. Bei Verwendung des Dipolantennensignals als Trägerwelle können die von den Magnetometern und Beschleunigungsmessern erzeugten Signale dem Antennensignal aufmoduliert werden. Aus diesem Grunde wäre es nicht erforderlich, Signale aus dem Magnetometer und dem Beschleunigungsmesser unter Einsatz herkömmlicher Verfahren, wie zum Beispiel mittels Pulsation des Spülungsdruckes, mit Hilfe von Kabelverbindungen oder akustischen Wellen an die Erdoberfläche zu leiten.
Es ist deshalb einleuchtend, dass das Zusammenwirken von zwei Navigationseinheiten, bei denen innerhalb eines einzigen elektronischen Führungssystems unterschiedliche Ortungsverfahren verwendet werden, etliche Vorteile gegenüber den zur Zeit für die Ortung und Führung von Bohrwerkzeugen eingesetzten Systemen aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten Gesichtspunkte und viele der damit verbundenen Vorzüge dieser Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung anhand der Zeichnungen ersichtlich, auf denen dargestellt ist:
1 ist eine schematische Ansicht eines Richtbohrsystems mit einem vorgegebenen Bohrweg, einem berechneten Bohrweg und einem tatsächlichen Bohrweg;
2A und 2B sind Achsen, die ein normales Koordinatensystem und ein Koordinatensystem eines Bohrwerkzeugs verkörpern;
3 ist ein Diagramm, das einen Integrationsfehler darstellt, der zur Folge hat, dass ein berechneter Bohrweg und ein tatsächlicher Bohrweg voneinander abweichen;
4 ist eine Schnittperspektive, die ein Bohrwerkzeug zeigt, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
5 ist eine schematische Darstellung eines Suchgerätes, das sich für das Auffinden der Position eines Bohrwerkzeugs von einer über dem Bohrwerkzeug liegenden Position an der Erdoberfläche aus eignet;
6 ist eine schematische Darstellung, welche die Anwendung des auf 5 dargestellten Suchgerätes zeigt, um eine tatsächliche Position eines Bohrwerkzeugs entlang eines vorgegebenen Bohrweges zu orten;
7 ist eine schematische Darstellung eines vorgegebenen Bohrweges, eines berechneten Bohrweges und eines tatsächlichen Bohrweges, wie diese mit dem System und dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt wurden; und
8 ist ein Flussdiagramm eines Programms, das eingesetzt werden kann, um das Verfahren der Erfindung in einem Richtbohrsystem zu implementieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein Navigationssystem für ein unterirdisches Bohrwerkzeug, das sich auf Magnetometer und Beschleunigungsmesser stützt, um den Ort eines Bohrwerkzeugs zu bestimmen, ruft typischerweise einen Integrationsfehler hervor, der größer wird, je weiter sich das Bohrwerkzeug von der Bohrmaschine entfernt. Um das Verständnis für die Wirkung dieses Integrationsfehlers zu verbessern, zeigt 1 einen Querschnitt einer typischen Bohrlokation, bei der Richtbohrverfahren eingesetzt werden. Aus Gründen der Klarheit ist auf 1 nur die Auswirkung eines Integrationsfehlers auf die Bohrlochtiefe dargestellt. Es ist jedoch einleuchtend, dass der Integrationsfehler eine analoge Auswirkung auf den lateralen Weg des Bohrlochs haben wird. Obwohl sie im Zusammenhang mit der Bohrtiefe diskutiert werden, sind die hier beschriebenen allgemeinen Verfahren gleichermaßen anwendbar, um die Auswirkung eines Integrationsfehlers auf eine laterale Abweichung des Bohrweges zu minimieren.
Auf 1 ist eine typische Bohrmaschine 30 dargestellt. Die Bohrmaschine 30 weist einen beweglichen Wagen 32 auf, der in der Lage ist, ein Bohrgestänge 34 zu rotieren und durch ein Bohrsteuerungssystem 50 gesteuert vorzutreiben. Wenn eine Anzahl von Bohrgestängen zusammengefügt sind, ist ein Gestängestrang 42 entstanden, der sich von der Bohrmaschine, die sich an der Erdoberfläche befindet, bis zu einem (nicht dargestellten) Bohrwerkzeug im Boden erstreckt. Als eine erste Navigationseinheit ist das Bohrwerkzeug mit einem dreiachsigen Magnetometer und einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser ausgestattet, um das Bohrwerkzeug annähernd entlang eines vorgegebenen Pfades zu führen. Bohrmaschinen, die mit dem vorliegenden Navigationssystem und -verfahren verwendet werden können, werden in dem US-Patent 4,867,255, von Baker et al. und dem US-Patent 4,953,638, von Dunn, offenbart. Für den Fachmann ist leicht zu erkennen, dass weitere Arten von Bohrmaschinen existieren, die eingesetzt werden können, um ein Bohrwerkzeug beim Richtbohren selektiv vorzutreiben und zu steuern.
Die Bohrmaschine 30 sitzt auf der Erdoberfläche 36 auf. Wie dies auf 1 dargestellt ist, ist ein vorgegebener Weg 40 einer Bohrung unter einer Fahrbahn angedeutet. Die Koordinaten des vorgegebenen Weges werden vorab berechnet und in dem Bohrsteuerungssystem 50 gespeichert. Der Vorteil, in der Lage zu sein, eine Bohrung auf einem vorgegebenen Weg 40 unterhalb einer Fahrbahn vorzutreiben, liegt darin, dass es nicht erforderlich ist, das Ziehen von Gräben oder andere disruptive Mittel einzusetzen, um ein Rohr oder einen Kabelkanal zu verlegen. Der vorgegebene weg ist typisch für einen Bohrweg, dem unterhalb einer Fahrbahn gefolgt werden kann, er ist jedoch übertrieben, hinsichtlich der Krümmung und der Tiefe, in der man ein Bohrloch typischerweise anlegen würde. Dem vorgegebenen Weg überlagert sind ein berechneter Weg 44 und ein tatsächlicher Weg 46. Der berechnete Weg 44 basiert auf einer Integration der beim Vortrieb des Bohrwerkzeugs aus dem Bohrwerkzeug kommenden Magnetometer- und Beschleunigungsmessersignale und beinhaltet einen Integrationsfehler. Die Entstehung des Integrationsfehlers ist unter Bezug auf die 2A, 2B und 3 besser zu verstehen.
Auf den 2A und 2B werden die Konventionen hinsichtlich der Koordinaten dargestellt, die nachfolgend verwendet werden, um die Position eines Bohrwerkzeugs unter der Erdoberfläche zu beschreiben. 2A ist ein Bezugskoordinatensystem, dessen X- und Y-Koordinaten einen Ort auf der Erdoberfläche beschreiben (über typische Bohrdistanzen kann die Erdoberfläche als eine ebene Fläche angenähert werden), und die Z-Koordinate beschreibt eine Distanz oberhalb oder unterhalb der Erdoberfläche. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sind alle orthogonal. 2 zeigt ein relatives Koordinatensystem, das ein Bohrwerkzeug begleitet, das als Zylinder 48 dargestellt ist. Die Achse Y' verläuft längs des Weges des Bohrwerkzeugs, axial zum Bohrwerkzeug, und die Achsen X' und Z' sind in Bezug auf die Y'-Achse orthogonal. Bei der Bestimmung der Orientierung des Bohrwerkzeugs gibt es drei charakteristische Bewegungen, die allgemein beschrieben sind. Die erste ist eine Veränderung des Kurses oder des Azimuts des Bohrwerkzeugs, gekennzeichnet durch die Rotation des Bohrwerkzeugs um die Z'-Achse, dargestellt durch den Winkel Θ. Die zweite Bewegung ist eine Veränderung des Anstellwinkels oder der Neigung des Bohrwerkzeugs. Eine Änderung des Anstellwinkels wird gekennzeichnet durch die Rotation des Bohrwerkzeugs um die X'-Achse, dargestellt durch den Winkel Φ. Die dritte und letzte Bewegung des Bohrwerkzeugs ist das Rollen des Bohrwerkzeugs, gekennzeichnet durch die Rotation des Bohrwerkzeugs um die Y'-Achse, dargestellt durch den Winkel α.
3 ist eine vereinfachte graphische Darstellung der Komponenten Y und Z des Weges eines Bohrwerkzeugs. Genauso wie auf 1 gilt die nachfolgende Diskussion gleichermaßen für die lateralen Komponenten (das heißt, die X-Komponenten) des Bohrweges. Zum Zeitpunkt t₀ befindet sich das Bohrwerkzeug an der Erdoberfläche an der gewünschten Eintrittsstelle. In der ersten Bohrphase legt das Bohrwerkzeug eine gewisse horizontale Entfernung zurück und erreicht eine gewisse Tiefe unter der Erdoberfläche. Zum Zeitpunkt t₁ hat das Bohrwerkzeug die horizontale Entfernung Y₁ zurückgelegt und ist hinab bis in die Tiefe D₁ gelangt. Während der Ortungsphase beim Richtbohren wird die berechnete Position des Bohrwerkzeugs zum Zeitpunkt t₁ bestimmt. Der im Bohrwerkzeug montierte dreiachsige Beschleunigungsmesser weist drei Beschleunigungsmesser auf, welche die Gravitationskraft in den Y'-, X'- und Z'-Richtungen messen, die entsprechend durch G_x', G_y' und G_z' gekennzeichnet werden. Unter Verwendung der Signale aus den drei Beschleunigungsmessern können die Anstellwinkel und Rollwinkel des Bohrwerkzeugs aus den folgenden Beziehungen bestimmt werden:
Der Azimutwinkel kann mit den Beschleunigungsmessern nicht exakt gemessen werden, weil der Schwerkraftvektor beim normalen horizontalen Bohren parallel zur Z'-Achse liegt. Wenn man jedoch das Signal aus den Magnetometern in Verbindung mit den Beschleunigungsmessersignalen benutzt, ist es möglich, den Kurs des Bohrwerkzeugs zu berechnen. Das dreiachsige Magnetometer enthält drei Magnetometer, die auf das nächste magnetische Feld ansprechen. Jedes Magnetometer erzeugt eine Gleichspannung, die der Größe der Komponente des Erdmagnetfeldes proportional ist, die rechtwinklig zur Aufnahmespule im Magnetometer ausgerichtet ist und die entsprechend mit H_x', H_y' und H_z' bezeichnet werden. Unter Verwendung der folgenden Beziehung kann der Azimut des Bohrwerkzeugs berechnet werden:
Auf diese Art und Weise können die Augenblickswerte des Rollwinkels, der Inklination und des Kurses des Bohrwerkzeugs bestimmt werden. Um den absoluten Ort des Bohrwerkzeugs im XYZ-Koordinatensystem zu finden, können Azimut und Inklination des Bohrwerkzeugs aus dem Koordinatensystem des Bohrwerkzeugs umgesetzt und über die Länge des Bohrwegs des Bohrwerkzeugs integriert werden. Die vom Bohrwerkzeug zurückgelegte Entfernung kann aus der Anzahl der Stangen des Bohrgestänges 34 bestimmt werden, die zusammengesetzt wurden, um den Gestängestrang 42 zu bilden. Da jeder Abschnitt des Bohrgestänges eine bekannte Länge aufweist, (10 Fuß in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung), bestimmt die Summe der Längen aller Gestängerohre die vom Bohrwerkzeug zurückgelegte Entfernung. Die Integration der Signale über die vom Bohrwerkzeug zurückgelegte Entfernung gibt einen verhältnismäßig exakten Hinweis auf den vom Bohrwerkzeug zurückgelegten Weg und den resultierenden Ort im XYZ-Koordinatensystem. Das Verfahren der Ortung eines Bohrwerkzeugs auf der Basis von Beschleunigungsmessersignalen und Magnetometersignalen ist nach dem Stand der Technik allgemein bekannt.
Es wird nun erneut auf 3 Bezug genommen, wo zum Zeitpunkt t₂ das Bohrwerkzeug angehalten und die Position des Bohrwerkzeugs berechnet wird. Auf Grund des Integrationsfehlers, der sich bei der Berechnung der Position einschleicht, liegt die tatsächliche Position des Bohrwerkzeugs bei (Y₂', D₂'), obwohl die berechnete Position des Bohrwerkzeugs diesem die Koordinaten (Y₂, D₂) zuordnet. Die Abweichung zwischen der berechneten und der tatsächlichen Position nimmt immer mehr zu, je weiter das Bohrwerkzeug vorankommt. Zum Zeitpunkt t₃ ist die berechnete Position gleich (Y₃, D₃). Allgemein kann die Größenordnung des durch die Integration verursachten Fehlers ε nach folgender Beziehung berechnet werden:
Die während der Ortungsphase eingeschleppten Integrationsfehler haben zur Folge, dass der berechnete Bohrweg vom tatsächlichen Bohrweg abweicht. Obwohl diese Abweichung auf 1 in starkem Maße übertrieben ist, gibt es Anwendungen, bei denen jegliche Abweichung von dem vorgegebenen Weg schädlich wäre. Wenn zum Beispiel Abwasserrohre unter Einsatz von Richtbohrverfahren gebaut würden, hätte eine Abweichung des Gefälles des Abwasserrohres einen unzureichenden Abfluss zur Folge, oder eine Abweichung an der Austrittsstelle könnte eine falsche Orientierung relativ zu vorhandenen Abflussleitungen verursachen. Aus diesem Grund sollten die tatsächlichen und die berechneten Wege der Bohrung so dicht wie möglich beieinander gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und ein System, um die Größenordnung des Fehlers ε zu minimieren und um zu gewährleisten, dass der tatsächliche Bohrweg dem vorgegebenen Bohrweg so exakt wie möglich folgt. Eine Schnittdarstellung eines Bohrwerkzeugs 60, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ist auf 4 dargestellt. Das Bohrwerkzeug 60 weist drei Abschnitte auf. Der Körper des Bohrwerkzeugs wird aus einem ersten zylindrischen Abschnitt eines Bohrgestänges 66 geformt, der axial zu einem zweiten zylindrischen Abschnitt des Bohrgestänges 68 ausgerichtet ist. Ein Bohrkopf 64 ist am vorderen Ende des Bohrwerkzeugs angebracht, der zum Körper des Bohrwerkzeugs um einen kleinen Winkel geneigt ist. Die drei Abschnitte des Bohrwerkzeugs werden durch mit Gewinde versehene Enden 72 verbunden, die es ermöglichen, die Abschnitte miteinander zu verschrauben. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind alle drei Abschnitte des Bohrwerkzeugs aus einer nichtmagnetischen Legierung hergestellt, deren magnetische Permeabilität möglichst nahe bei 1,000 liegt. Ein nichtmagnetischer Edelstahl, der die Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit und der magnetischen Eigenschaften erfüllt, ist Nitronic 50HS.
Das Bohrwerkzeug 60 enthält die unter Tage liegenden Teile eines Navigationssystems, um die Position des Bohrwerkzeugs unter der Erdoberfläche zu bestimmen. Abweichend von herkömmlichen Bohrsystemen sind zwei Navigationseinheiten enthalten, die unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Position des Bohrwerkzeugs anwenden. Eine erste Navigationseinheit 80 enthält einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser und ein dreiachsiges Magnetometer. Der dreiachsige Beschleunigungsmesser besteht aus drei Beschleunigungsmessern, die jeweils entlang einer Achse des X'Y'Z'-Koordinatensystems ausgerichtet sind. Geeignete Beschleunigungsmesser für diese Anwendung werden von Allied Signal Corp. hergestellt. In gleicher Weise besteht das dreiachsige Magnetometer aus drei Magnetometern, die jeweils entlang einer Achse des X'Y'Z'-Koordinatensystems ausgerichtet sind. In einem aktuellen Ausführungsbeispiel der Erfindung bieten von Applied Physics Labs hergestellte Magnetometer ausreichende Genauigkeit für das offenbarte Verfahren. Ein unter Tage liegender Mikroprozessor (nicht dargestellt) in der ersten Navigationseinheit wandelt die Signale aus dem dreiachsigen Beschleunigungsmesser und dem dreiachsigen Magnetometer in ein zur Übertragung an die Erdoberfläche geeignetes Format um. Ein Kabel 88, das über den Gestängestrang mit dem Bohrwerkzeug verbunden ist, ermöglicht es dem unter Tage liegenden Mikroprozessor, die Daten an eine Kommunikationsschnittstelle 90 zu senden, die sich an der Oberfläche befindet. Die Kommunikationsschnittstelle 90 empfängt die Datensignale von dem unter Tage liegenden Mikroprozessor und setzt die Signale in eine Form um, die von einem Navigationscomputer 92 verarbeitet werden kann. Der Navigationscomputer 92 bestimmt die angenäherte Position des Bohrwerkzeugs durch Berechnung von Anstellwinkel, Rollwinkel und Azimut des Bohrwerkzeugs und Integrieren von Anstellwinkel und Azimut über den vom Bohrwerkzeug zurückgelegten Weg. Ein Empfänger 94 ist ebenfalls mit dem Navigationscomputer 92 über die Kommunikationsschnittstelle 90 verbunden. Der Empfänger 94 wird verwendet, um Daten hinsichtlich der Position des Bohrwerkzeugs von der zweiten Navigationseinheit zu empfangen, die nachfolgend beschrieben wird. Kommunikationsschnittstelle 90, Navigationscomputer 92 und Empfänger 94 sind alle Teil des Bohrsteuerungssystems 50.
Eine zweite Navigationseinheit 74 im Bohrwerkzeug 60 enthält eine magnetische Dipolantenne. Die magnetische Dipolantenne erzeugt ein quasistatisches Dipolfeld, welches das Bohrwerkzeug umgibt. Das Feld ist mit einer Frequenz moduliert, die in den Bereich von einigen hundert Hertz bis zu einigen hundert Kilohertz fällt, wobei der bevorzugte Arbeitsbereich zwischen 30 kHz und 90 kHz liegt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die magnetische Dipolantenne aus einem Draht, der auf einen ferromagnetischen Kern (Ferritkern) gewickelt ist. Der Vorteil bei der Verwendung eines Ferritkerns besteht darin, dass dieser eine bessere Kopplung des Kraftlinienflusses bietet und aus diesem Grunde die Induktivität der Antenne erhöht, die bei einem aktuellen Ausführungsbeispiel etwa 10 mH betragen sollte. Bei einer Dipolantenne mit Ferritkern wird die Induktivität der Antenne durch die Gleichung L = kn² repräsentiert, dabei steht k mit dem Kernwerkstoff und dessen Abmessungen in Beziehung und ist annähernd gleich 25 × 10^–8, und n ist gleich der Anzahl der Windungen um den Kern. Um die gewünschte Induktivität zu erzielen, sollte n aus diesem Grunde etwa gleich 200 sein. In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Schleifendipol anstelle der Dipolantenne mit Ferritkern verwendet werden. Der Schleifendipol besteht aus einem dielektrischen Draht, der um einen nichtleitenden Kern gewickelt ist. Es ist einleuchtend, dass wegen der geringeren Induktivität des Schleifendipols zusätzliche Windungen erforderlich sein werden, um eine Antenne mit der gewünschten Induktivität herzustellen.
Die für die Speisung einer Dipolantenne mit Ferritkern erforderliche Spannung kann durch folgende Gleichung angenähert werden: V = ikn22πf (5) dabei sind:
f = die gewünschte Betriebsfrequenz
n = die Anzahl der Windungen der Antennenspule
k = ein Kernfaktor, und
i = Ansteuerungsstrom.
Um einen Signalpegel bereitzustellen, der an der Erdoberfläche nachgewiesen werden kann, sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel f = 80 kHz, n = 200, k = 25 × 10^–8 und i = 20 mA. Die Spannung, die erforderlich ist, um ein ausreichend starkes magnetisches Dipolfeld zu erzeugen, beträgt deshalb annähernd 100 V. Für den Fachmann ist leicht zu erkennen, dass es für eine effiziente Ansteuerung der Antenne genauso wünschenswert ist, einen Kondensator in Reihe mit der Induktivität zu schalten, so dass 1/(2πfc) = 2πfc) ist. Wenn die Induktivität der magnetischen Dipolantenne verringert wird, muss der Wert der Kapazität dagegen vergrößert werden. Wenn anstelle einer Dipolantenne mit Ferritkern ein Schleifendipol verwendet wird, kann die Kapazität vergrößert werden, um die verringerte Induktivität des Schleifendipols auszugleichen. Wie dies nachfolgend im Detail noch zusätzlich beschrieben wird, kann das von der magnetischen Dipolantenne erzeugte elektromagnetische Feld verwendet werden, um das Bohrwerkzeug exakt zu lokalisieren.
Die zwei Navigationseinheiten werden innerhalb der Bohrgestängeabschnitte durch perforierte Abstandshalter 84 gehalten. Die perforierten Abstandshalter 84 sind runde Scheiben, die in das Bohrgestänge stramm eingepasst sind, und sie weisen über den Umfang der Scheiben verteilte Löcher auf, damit es für Schlamm oder andere Spülflüssigkeiten möglich ist, sie zu passieren. Durch das Aufhängen der Beschleunigungsmesser-Magnetometereinheit und der magnetischen Dipolantenneneinheit im Inneren des Bohrgestänges wird um die Navigationseinheiten herum ein ringförmiger Raum 86 gebildet. Der ringförmige Raum ermöglicht es unter Druck stehender Spülflüssigkeit, die durch den Gestängestrang gepumpt wird, um das Navigationssystem herum in den Böhrkopf und aus den Öffnungen 70, die auf der Frontfläche des Bohrkopfes ausgebildet sind, auszufließen. Die Spülflüssigkeit schneidet einen Weg oder ein Bohrloch 62 frei, durch das hindurch das Bohrwerkzeug sich vorwärtsbewegen kann. Für den Fachmann ist es einleuchtend, dass andere Verfahren angewendet werden können, um zu Bohren und ein Bohrwerkzeug voranzutreiben, einschließlich der Verwendung eines mit Spülflüssigkeit angetriebenen Vorortmotors, der einen Bohrmeißel antreibt. Die besondere Konstruktion des Bohrwerkzeugs, wie sie auf 4 dargestellt ist, stellt lediglich ein typisches Beispiel dar, das benutzt wird, um die körperliche Anordnung der Komponenten des hier offenbarten Navigationssystems zu zeigen.
Der Einbau einer magnetischen Dipolantenne mit Ferritkern in ein Bohrwerkzeug, ohne eine gegenseitige Beeinflussung mit den Beschleunigungsmessern und Magnetometern zu verursachen, macht drei Änderungen am Bohrwerkzeug erforderlich. Erstens muss die erste Navigationseinheit 74 von der zweiten Navigationseinheit 80 durch einen Abstandshalter 82 getrennt werden. Der Abstandshalter 82 stellt sicher, dass die magnetische Dipolantenne die Magnetfeldmessungen nicht übermäßig beeinflusst, die von den in der Beschleunigungsmesser- Magnetometereinheit enthaltenen Magnetometern vorgenommen werden. Bei Verwendung des bevorzugten, aus ferromagnetischem Werkstoff gefertigten magnetischen Dipols stellte es sich heraus, dass der Mindestabstand zwischen der magnetischen Dipoleinheit und den Magnetometern in der Beschleunigungsmesser-Magnetometereinheit mindestens 15,24 cm (6 Zoll) betragen sollte.
Zweitens sollten in den Abschnitt des Bohrgestänges 66, der die magnetische Dipolantenne umgibt, eine Anzahl Schlitze 76 eingeschnitten werden, um sicherzustellen, dass in dem Rohr keine magnetischen Wirbelströme erzeugt werden. Obwohl die Abschnitte des Bohrgestänges 66 und 68 nicht magnetisch sind, stellte es sich heraus, dass dann, wenn die Rohre eine magnetische Dipolantenne umschlossen, eine Tendenz zur Entstehung von Wirbelströmen in dem Rohr bestand. Die Wirbelströme stellten Verluste für die Stärke des magnetischen Dipols dar und minimierten die Entfernung, bis zu der das elektromagnetische Dipolfeld nachgewiesen werden konnte. Das zusätzliche Anbringen von Schlitzen 76 stellt sicher, dass Wirbelströme in dem Bohrgestänge nicht gebildet werden und die Stärke des resultierenden magnetischen Dipolfeldes nicht beeinflusst wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ermittelt, dass die Verwendung von drei Schlitzen 76 (zwei davon sind auf 4 dargestellt) ausreichend ist, um die Entstehung von Wirbelströmen zu unterbinden. Die drei Schlitze 76 werden entlang der Vortriebsrichtung des Bohrwerkzeugs ausgerichtet und ragen durch den Abschnitt des Bohrgestänges 66. Um zu verhindern, dass Spülflüssigkeit aus den Schlitzen 76 austritt, ist an der Innenseite des Bohrgestänges 66 ein Gummistreifen befestigt (nicht dargestellt), der jeden Schlitz abdeckt.
Drittens musste die Länge der ersten und zweiten Navigationseinheit so kurz wie möglich gemacht werden, um eine relativ kurze Gesamtbaulänge des Bohrwerkzeugs zu erhalten. Die Länge des Bauwerkzeugs beeinflusst den Wenderadius des Werkzeugs, deshalb hat eine Minimierung der Größe der Navigationseinheit eine bessere Manövrierfähigkeit des Bohrwerkzeugs zur Folge. Gleichzeitig musste der magnetische Dipol so dicht wie möglich am vorderen Ende des Bohrwerkzeugs angeordnet werden, um eine exakte Bestimmung der Position sicherzustellen. Wie dies nachfolgend erkennbar wird, bestimmt die zweite Navigationseinheit exakt die Position der magnetische Dipolantenne unter der Erdoberfläche. Die Anordnung der magnetische Dipolantenne am vorderen Ende des Bohrwerkzeugs in der Nähe des Bohrkopfes hat eine genauere Bestimmung der Position des Bohrwerkzeugs zur Folge. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Dipolantenne mit Ferritkern übersteigt die Länge der ersten und zweiten Navigationseinheit nicht 152,4 cm (60 Zoll).
In dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem als magnetische Dipolantenne ein Schleifendipol eingesetzt wird, müssen zwei Modifikationen am Bohrwerkzeug vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass die Dipolantenne und die Beschleunigungsmesser und Magnetometer sich nicht gegenseitig beeinflussen. Wie oben sollten in den Abschnitt des Bohrgestänges, der die magnetische Dipolantenne umgibt, eine Anzahl Schlitze geschnitten werden, um sicherzustellen, dass in dem Rohr keine magnetischen Wirbelströme erzeugt werden. Mit einem Schleifendipol müssen die ersten und zweiten Navigationseinheiten jedoch nicht durch einen Abstandshalter getrennt werden. Statt dessen kann der Schleifendipol um die erste Navigationseinheit oder um ein Magnetometer gewunden werden, das sich in der ersten Navigationseinheit befindet. Das Winden des Schleifendipols um das Magnetometer minimiert den Abstand der beiden Navigationseinheiten und minimiert dabei die Gesamtlänge des -Bohrwerkzeugs. Um die gegenseitige Beeinflussung von Schleifendipol und Magnetometer zu verhindern, muss der Betrieb des Schleifendipols jedoch alternierend mit dem Betrieb des Magnetometers erfolgen. Das heißt, beim Erzeugen des quasistatischen Dipolfeldes werden die Messungen des Magnetometers fehlerhaft und bei der Verwendung der Magnetometer zur Messung des umgebenden magnetischen Feldes sollte der Schleifendipol abgeschaltet werden.
Auf den 5, 6, 7 und 8 ist die Verwendung des Navigationssystems der vorliegenden Erfindung dargestellt und insbesondere die Verwendung der zweiten Navigationseinheit zur Minimierung von Fehlern, die von der ersten Navigationseinheit erzeugt wurden. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Suchgerätes 100, das ein Element der Navigationseinheit mit magnetischer Dipolantenne ist. Das Suchgerät 100 weist fünf Sensoren SA, SB, SC, SD und SE, auf, die auf das magnetische Feld ansprechen, das von der magnetischen Dipolantenne generiert wird. Die Konstruktion des Suchgerätes 100 und dessen Funktionsweise ist in dem Patent US 4,806,869 von Chau et al. beschrieben, auf das hier durch Verweis Bezug genommen wird. Auf Basis der Stärke des magnetischen Dipolfeldes, das von jedem Sensor detektiert wird und bei Anwendung des von Chau et al. beschriebenen Verfahrens kann der Abstand zwischen dem Suchgerät 100 und der in dem Bohrwerkzeug 60 angeordneten magnetischen Dipolantenne mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Das Suchgerät 100 enthält eine Anzeige- und Bedienkonsole 102, um die Tiefe und den Ort des Bohrwerkzeugs in Bezug auf das Suchgerät exakt darzustellen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Suchgerät 100 außerdem einen Sender (nicht dargestellt) auf, um die Position des Bohrwerkzeugs an den Empfänger 94 zu senden, der in dem Bohrsteuerungssystem 50 angeordnet ist.
Die Methode, das Suchgerät zur Minimierung des Fehlers zu verwenden, der bei der Messung der Position des Bohrwerkzeugs eingeschleppt wurde, ist auf den 6 und 7 dargestellt. Auf 6 ist eine Bohrlokation im Profil dargestellt, mit einem Suchgerät, das verwendet wird, um die Position des Bohrwerkzeugs zum Zeitpunkt t₁ genau zu bestimmen. Das Suchgerät 100 wird entlang des vorgegebenen Weges annähernd in der Entfernung von der Bohrmaschine positioniert, in der sich das Bohrwerkzeug befindet. Ein elektromagnetisches Dipolfeld 104 wird von der magnetische Dipolantenne im Bohrwerkzeug emittiert und von dem Suchgerät 100 an der Erdoberfläche über dem Bohrwerkzeug detektiert. Wenn die Tiefe und der laterale Versatz des Bohrwerkzeugs vom Suchgerät 100 berechnet wurden, wird die tatsächliche Position des Bohrwerkzeugs gesendet oder auf andere Art an das Bohrsteuerungssystem übertragen, das sich bei der Bohrmaschine befindet. Unter Verwendung der exakten Position kann eine Bedienperson die berechnete Position des Bohrwerkzeugs korrigieren, die von der ersten Navigationseinheit bestimmt wurde. Auf diese Art und Weise kann die berechnete Position des Bohrwerkzeugs periodisch korrigiert werden, damit sie mit der tatsächlichen Position des Bohrwerkzeugs übereinstimmt. Das bedeutet, ein beliebiger akkumulierter Integrationsfehler kann periodisch zu Null gemacht werden, indem die Position des Bohrwerkzeugs unter Verwendung des Suchgerätes 100 exakt bestimmt wird.
Ein Profil eines typischen Bohrweges eines Bohrwerkzeugs bei Verwendung des hier beschriebenen Systems und Verfahrens ist auf 7 dargestellt. Zum Zeitpunkt t₁ weichen die berechneten und die tatsächlichen Positionen des Bohrwerkzeugs voneinander ab. Die Verwendung des Suchgerätes 100 beseitigt den Integrationsfehler und setzt die berechnete Position auf die tatsächliche Position zurück. Der Weg des Bohrwerkzeugs wird sodann auf Basis der korrigierten Position justiert. Nach dem Zeitpunkt t₁ folgt die berechnete Position einem Weg 44' und die tatsächliche Position folgt einem Weg 46'. Aufs neue beginnt der Integrationsfehler sich in die berechnete Position des Bohrwerkzeugs einzuschleichen, was zur Folge hat, dass die Wege langsam auseinanderlaufen. Zu einem Zeitpunkt t₂ wird das Suchgerät 100 erneut verwendet, um die Position des Bohrwerkzeugs exakt zu bestimmen. Die berechnete Position des Bohrwerkzeugs wird auf die tatsächliche Position zurückgesetzt und der Bohrvorgang beginnt von neuem, wobei einem justierten Bohrweg gefolgt wird, der aus den korrigierten Koordinaten bestimmt wird. Während der folgenden Zeit t₂ ist das Bohrwerkzeug auf Basis eines berechneten Weges 44'' ausgerichtet, folgt jedoch einem tatsächlichen weg 46''. Als ein Ergebnis der Bestimmung der Position des Bohrwerkzeugs unter Verwendung der zweiten Navigationseinheit zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ liegt der tatsächliche Weg 46 näher bei dem gewünschten Weg 40. Die Genauigkeit des resultierenden Bohrlochs ist deshalb verbessert, im Vergleich zu einem Bohrloch, das nur unter Verwendung der ersten Navigationseinheit erzeugt wurde.
8 stellt einen Ablaufplan eines Computerprogramms 110 dar, das für die Implementierung des hier offenbarten Verfahrens in das Bohrsteuerungssystem 50 geeignet ist. In einem Block 112 werden die Koordinaten des Bohrwerkzeugs initialisiert auf (X₀, Y₀, Z₀), die mit dem Standort der Bohrmaschine übereinstimmen. In einem Block 114 wird die Position des Bohrwerkzeugs mit einem vorher bestimmten Weg verglichen, der zuvor graphisch dargestellt und in dem Bohrsteuerungssystem 50 gespeichert wurde. Auf: Basis der laufenden Position des Bohrwerkzeugs wird ein Weg berechnet, der dem vorher bestimmten Weg folgt oder der das Bohrwerkzeug zurück auf den vorher bestimmten Weg bringt, wenn das Bohrwerkzeug von dem gewünschten Weg abgewichen ist.
Nach dem Bestimmen des berechneten Weges dem das Bohrwerkzeug eigentlich folgen soll, muss das Bohrwerkzeug so ausgerichtet werden, dass ein in Vorwärtsrichtung auf das Bohrwerkzeug wirkender Druck das Bohrwerkzeug den berechnetem Weg entlang steuert. In einem Block 116 bestimmt das Programm die Orientierung des Bohrwerkzeugs aus den Signalen des dreiachsigen Magnetometers und des dreiachsigen Beschleunigungsmessers. Die Orientierung des Bohrwerkzeugs schließt den augenblicklichen Kurs, die Inklination und den Rollwinkel des Bohrwerkzeugs ein. In einem Block 118 bestimmt das Programm den gewünschten Rollwinkel des Bohrwerkzeugs, so dass die geneigte Vorderseite des Bohrkopfes in die gewünschte Richtung zeigt. In einem Block 120 wird der Gestängestrang gedreht, um das Bohrwerkzeug auf den die gewünschte Rollwinkel zu bringen. Es ist einleuchtend, dass der von Block 120 repräsentierte Block nur erforderlich ist, wenn der berechnete Weg einen Richtungswechsel des Bohrwerkzeugs erfordert. Wenn das Bohrwerkzeug sich weiter geradeaus bewegen soll, wird der Gestängestrang während der Bohrphase gedreht, damit er im Bohrloch auf einem geraden Weg vorankommt. Nachdem das Bohrwerkzeug zweckentsprechend ausgerichtet wurde, wird in einem Block 122 das Bohrwerkzeug in der Bohrphase beim Richtbohren auf dem berechneten weg vorgetrieben.
Im Anschluss an die Bohrphase wird die Position des Bohrwerkzeugs in der Ortungsphase bestimmt. In einem Block 124 berechnet das Programm die neue Position (X_c, Y_c, Z_c) des Bohrwerkzeugs aus der anfänglichen Orientierung des Bohrwerkzeugs und dem Abstand, den das Bohrwerkzeug zurückgelegt hat, wie er durch die Anzahl der zusätzlichen Bohrgestänge angezeigt wird, die dem Gestängestrang hinzugefügt wurden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Programms überwacht eine Bedienperson die zwischen den Ortungsphasen dem Gestängestrang zugefügte Länge und gibt diese ein.
In einem Entscheidungsblock 126 bestimmt das Programm, ob es angebracht ist, die Position des Bohrwerkzeugs zu korrigieren. Der Zeitabschnitt zwischen der Korrektur der berechneten Position des Bohrwerkzeugs und der tatsächlichen Position des Bohrwerkzeugs wird vom Bediener des Systems gewählt. Allgemein gesagt wird eine kürzere Zeitspanne erforderlich sein, wenn sich zeigt, dass der tatsächliche Weg des Bohrwerkzeugs schnell von dem berechneten weg abweicht. Ein derartig schnelles Abweichen kann verursacht werden durch umgebungsabhängige Bohrbedingungen, zum Beispiel magnetische Streufelder oder gegenseitige Beeinflussung durch Signalquellen in der Umgebung. Wenn ein Bediener im Gegensatz dazu findet, dass die Abweichung des tatsächlichen Weges vom berechneten Weg recht gering ist, kann eine Korrektur der berechneten Position seltener erfolgen. Somit bestimmt der maximal zulässige Fehler des Bohrweges die Zeitspanne zwischen den Korrekturen der berechneten Position.
Falls die Position des Bohrwerkzeugs nicht korrigiert wird, kehrt das Programm zu Block 114 zurück, wo die berechnete Position des Bohrwerkzeugs verwendet wird, um den berechneten weg für die nächste Bohrphase neu zu berechnen. Falls die Position des Bohrwerkzeugs jedoch korrigiert werden muss, läuft das Programm weiter zu einem Block 128. Im Block 128 empfängt das Bohrsteuerungssystem 50 die tatsächliche Position des Bohrwerkzeugs, die von einem Bediener unter Verwendung des Suchgerätes 100 gesendet wurde. Das Suchgerät 100 bestimmt sowohl exakt die Tiefe des Bohrwerkzeugs, als auch den lateralen Versatz des Bohrwerkzeugs zum gewünschten Weg. In einem Block 130 aktualisiert das Programm die berechnete Position des Bohrwerkzeugs, um die tatsächliche Position des Bohrwerkzeugs wiederzuspiegeln, wie sie vom Suchgerät bestimmt wurde. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nur der laterale Versatz (X-Koordinate) und die Tiefe (Z-Koordinate) der Position des Bohrwerkzeugs aktualisiert. Es ist jedoch einleuchtend, dass der Abstand des Bohrwerkzeugs von der Bohrmaschine durch Messung des Abstands zwischen dem Suchgerät und der Bohrmaschine aktualisiert werden könnte. Nach dem Aktualisieren der berechneten Position des Bohrwerkzeugs kehrt das Programm zu Block 114 zurück, um den berechneten Weg für die nächste Bohrphase zu berechnen. Durch periodische Bestimmung der tatsächlichen Werkzeugposition entfernt das Programm 110 wirksam den akkumulierten Integrationsfehler aus dem berechneten Weg des Bohrwerkzeugs.
Zahlreiche Vorteile leiten sich aus der Verwendung der hier beschriebenen ersten und zweiten Navigationseinheiten ab. Die Verwendung dreiachsiger Magnetometer und Beschleunigungsmesser im ersten Navigationssystem erhöht stark die Geschwindigkeit beim Richtbohren gegenüber der Geschwindigkeit, die bei ausschließlicher Verwendung der zweiten Navigationseinheit möglich wäre. Obwohl das Navigationsverfahren bei Verwendung der magnetischen Dipolantenne sehr genau ist, ist es jedoch relativ langsam. Durch Kombinieren der beiden Verfahren und nur gelegentliche Nutzung des Suchgerätes zum Eliminieren von Fehlern, die von der ersten Navigationseinheit erzeugt wurden, wird die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Richtbohrprozesses optimiert. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung redundanter Navigationseinheiten, die Bohrung fertigzustellen, falls eine der Navigationseinheiten ausfällt. Die Verwendung von zwei Einheiten maximiert die Aussicht auf Erfolg, die Bohrung ohne Komplikationen fertigzustellen.
Obwohl das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel ein dreiachsiges Magnetometer und einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser als erste Navigationseinheit verwendet, wird der Fachmann leicht erkennen, dass andere Navigationsverfahren benutzt werden könnten, um den Ort des Bohrwerkzeugs zu bestimmen. Zum Beispiel könnte das in US-Patent 4,875,014 von Roberts et al. beschriebene Verfahren, bei dem ein stromführendes Gitter benutzt wird, um die Position eines Bohrwerkzeugs innerhalb des Gitters zu bestimmen, als erstes Navigationsverfahren verwendet werden. Eine magnetische Dipolantenne könnte dann immer noch als zweite Navigationseinheit hinzugefügt und nach dem hier beschriebenen Verfahren verwendet werden, um die Genauigkeit eines beliebigen ersten Navigationsverfahrens zu erhöhen.

Claims

Navigationssystem zum Bestimmen der Position einer Bohrvorrichtung (60) unter der Erdoberfläche, wobei das Navigationssystem umfasst: (a) einen Navigationscomputer (92), der in einem Abstand zur Bohreinrichtung angeordnet ist; (b) eine erste Navigationseinheit (80), die innerhalb der Bohrvorrichtung angeordnet ist und Mittel enthält, um einen Satz primärer Signale zu generieren, der für die Position der Bohrvorrichtung (60) kennzeichnend ist und einen Sender, zum Senden der Signale an den Navigationscomputer (92), wobei der Navigationscomputer (92) dafür ausgelegt ist, eine erste Position der Bohreinrichtung (60) aus dem Satz primärer Signale zu berechnen, der von der Navigationseinheit (80) generiert wurde; und dadurch gekennzeichnet, dass es weiter enthält: (c) eine zweite Navigationseinheit (74), die innerhalb der Bohrvorrichtung angeordnet ist und die Mittel enthält, um einen Satz sekundärer Signale zu generieren, der für die Position der Bohrvorrichtung (60) kennzeichnend ist und einen Sender, zum Senden der sekundären Signale an den Navigationscomputer (92), wobei der Navigationscomputer (92) dafür ausgelegt ist, eine zweite Position der Bohreinrichtung (60) aus dem Satz sekundärer Signale zu berechnen, der von der zweiten Navigationseinheit (74) erzeugt wurde, und um die erste Position durch Gleichsetzen mit der zweiten Position zu aktu alisieren, um einen möglichen Fehler, der in der ersten Position enthalten ist, zu korrigieren.
Navigationssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Navigationseinheit (80) umfasst: (a) einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser, der innerhalb der Bohrvorrichtung (60) angeordnet ist und der einen ersten Satz primärer Datensignale erzeugt, der für eine Rotation der Bohrvorrichtung (60) repräsentativ ist; und (b) ein dreiachsiges Magnetometer, das innerhalb der Bohrvorrichtung (60) angeordnet ist und das einen zweiten Satz primärer Datensignale erzeugt, der für eine Stärke eines magnetischen Feldes repräsentativ ist, welches das dreiachsige Magnetometer, das innerhalb der Bohrvorrichtung (60) angeordnet ist, durchdringt.
Navigationssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Navigationseinheit (74) umfasst: (a) Strahlungsmittel, die innerhalb der Bohrvorrichtung (60) angeordnet sind, um ein elektromagnetisches Feld auszusenden, das eine vorgegebene Strahlungscharakteristik aufweist; und (b) ein Suchgerät, um das elektromagnetische Feld zu detektieren, das von den Strahlungsmitteln ausgesendet wird, und um eine tatsächliche Position der Strahlungsmittel zu bestimmen, indem die Stärke des empfangenen elektromagnetischen Feldes gemessen wird.
Navigationssystem nach Anspruch 3, wobei das Strahlungsmittel eine magnetische Dipolantenne ist.
Navigationssystem nach Anspruch 4, wobei die magnetische Dipolantenne eine Dipolantenne mit ferromagnetischem Kern ist.
Navigationssystem nach Anspruch 5, wobei die Dipolantenne mit ferromagnetischem Kern von dem dreiachsigen Magnetometer durch einen Abstand von mindestens 15,24 cm (6 Zoll) getrennt ist.
Navigationssystem nach Anspruch 6, wobei die Dipolantenne mit ferromagnetischem Kern in der Nähe eines Bohrkopfes (64) der Bohrvorrichtung (60) angeordnet ist.
Navigationssystem nach Anspruch 7, wobei die Dipolantenne mit ferromagnetischem Kern zwischen dem primären Navigationssystem (80) und dem Bohrkopf (64) angeordnet ist.
Navigationssystem nach Anspruch 4, wobei die magnetische Dipolantenne ein Schleifendipol ist.
Navigationssystem nach Anspruch 9, wobei der Schleifendipol in der Nähe eines Bohrkopfes (64) der Bohrvorrichtung (60) angeordnet ist.
Navigationssystem nach Anspruch 10, wobei der Schleifendipol die erste Navigationseinheit (80) umschließt.
Navigationssystem nach Anspruch 11, wobei der Schleifendipol das dreiachsige Magnetometer umschließt.
Verfahren zum exakten Verfolgen eines vorgegebenen Bohrweges (40) durch Überwachen der Position einer Bohrvorrichtung (60) unter der Erdoberfläche, wobei die Bohrvorrichtung (60) eine erste Navigationseinheit (80) enthält, die Mittel aufweist, um einen Satz primärer Signale zu generieren, der für die Position der Bohrvorrichtung (60) kennzeichnend ist und eine zweite Navigationseinheit (74), die Mittel aufweist, um einen Satz sekundärer Signale zu generieren, der für die Position der Bohrvorrichtung (60) kennzeichnend ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Empfangen eines Satzes primärer Signale, der für die Position der Bohrvorrichtung (60) kennzeichnend ist; (b) Berechnen einer ersten Position der Bohrvorrichtung (60); und (c) Führen der Bohrvorrichtung entlang eines vorgegebenen Bohrweges (40) auf Basis der berechneten ersten Position, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position periodisch von akkumulierten Fehlern befreit wird, durch: (i) Empfangen eines Satzes sekundärer Signale, der für die Position der Bohrvorrichtung (60) kennzeichnend ist; (ii) Berechnen einer zweiten Position der Bohrvorrichtung (60); und (iii) Aktualisieren der ersten berechneten Position der Bohrvorrichtung (60), durch Gleichsetzen mit der zweiten Position der Bohrvorrichtung (60), um einen möglichen Fehler, der in der ersten berechneten Position vorhanden ist, zu eliminieren.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Navigationseinheit (80) ein dreiachsiges Magnetometer und einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser umfasst und die zweite Navigationseinheit (74) ein Strahlungsmittel zum Aussenden eines elektromagnetischen Feldes enthält, das eine vorgegebene Strahlungscharakteristik aufweist und ein Suchgerät zum Bestimmen einer Position der emittierenden Mittel, indem eine Stärke des elektromagnetischen Feldes gemessen wird, das von dem Strahlungsmittel emittiert wird, an einer Position, die von dem Strahlungsmittel entfernt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Empfangen eines ersten Satzes primärer Signale von dem dreiachsigen Magnetometer, der für ein magnetisches Feld kennzeichnend ist, welches das dreiachsige Magnetometer durchdringt, und eines zweiten Satzes primärer Signale von dem dreiachsigen Beschleunigungsmesser, der für eine Rotation der Bohrvorrichtung (60) charakteristisch ist; (b) Berechnen einer ersten Position der Bohrvorrichtung (60) aus dem ersten Satz primärer Signale und dem zweiten Satz primärer Signale; und (c) Führen der Bohrvorrichtung entlang eines vorgegebenen Bohrweges (40) auf Basis der berechneten ersten Position, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Position periodisch von akkumulierten Fehlern befreit wird, durch: (i) Berechnen einer zweiten Position der Bohrvorrichtung (60) unter Verwendung des Suchgerätes, um die Position der Strahlungsmittel; zu bestimmen; und (ii) Aktualisieren der ersten Position durch Gleichsetzen mit der zweiten Position.