DE1138364B

DE1138364B - Oriented plummet for deep boreholes

Info

Publication number: DE1138364B
Application number: DEG21436A
Authority: DE
Inventors: Dr Richard Schachenmeier
Original assignee: TECH MESSGERAETE DIPLOM KAUFMA
Current assignee: TECH MESSGERAETE DIPLOM KAUFMA
Priority date: 1957-02-05
Filing date: 1957-02-05
Publication date: 1962-10-25

Description

Orientiertes Lotgerät für Tiefbohrlöcher Bei Tiefbohrungen, welche zur Erdölgewinnung erforderlich sind, ist es im allgemeinen nicht möglich, das Bohrloch genau senkrecht nach unten zu treiben. Auch verläuft dasselbe gewöhnlich nicht geradlinig, sondern in wechselnder Richtung je nach Härte und Schichtung des Gesteins, der Eigenart des Bohrgestänges u. ä. m. Es ist daher erforderlich, die Gestalt und räumliche Lage des Bohrlochs auszumessen.Oriented plumb bob for deep boreholes For deep boreholes, which are required for oil production, it is generally not possible to drill the well to drive exactly vertically downwards. Nor does it usually run in a straight line, but in alternating directions depending on the hardness and stratification of the rock, the peculiarity of the drill string, etc. It is therefore necessary to have the shape and spatial Measure the position of the borehole.

Die gleiche Aufgabe tritt auch im Kohlenbergbau auf, z. B. beim Abteufen von Gefrierschächten, deren gegenseitige Abstände innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden müssen, damit eine geschlossene Frostmauer entstehen kann.The same task occurs in coal mining, e.g. B. when sinking of freezer shafts, the mutual spacing of which is kept within certain limits must be so that a closed frost wall can arise.

Die Erfindung betrifft ein Gerät, welches an jeder Stelle die Winkel, welche die Tangente an die Mittellinie des Borhlochs (kurz als Bohrlochachse bezeichnet) mit den drei Koordinatenrichtungen eines erdfesten Bezugssystems einschließt, angibt. Da die jeweils erreichte Tiefe aus der Länge des Förderseils ermittelt werden kann, ist es mit diesen Angaben möglich, das Bohrloch in drei Projektionen auf die drei Koordinatenebenen eines erdfesten Bezugssystems maßstabsgetreu aufzuzeichnen. Als Koordinatenachsen werden zweckmäßig gewählt die Ost-West-Richtung als x-Achse, die Süd-Nord-Richtung als y-Achse und die Lotrichtung als z-Achse (Bild 1). Der Ursprung 0 des Koordinatensystems kann willkürlich, z. B. am Eingang des Bohrlochs, gewählt werden (Bild 1).The invention relates to a device which at every point the angle, which is the tangent to the center line of the borehole (referred to as the borehole axis for short) with the three coordinate directions of an earth-fixed reference system, indicates. Since the depth reached in each case can be determined from the length of the hoisting rope, With this information it is possible to project the borehole onto the three Record coordinate planes of a fixed reference system true to scale. as Coordinate axes are expediently chosen the east-west direction as the x-axis, the South-north direction as the y-axis and the perpendicular direction as the z-axis (Fig. 1). The origin 0 of the coordinate system can be arbitrary, e.g. B. at the entrance of the borehole selected be (picture 1).

Es sind Geräte bekannt, welche die Neigung, d. h. den Winkel zwischen der Bohrlochachse und der Horizontalebene oder, was dasselbe ist, mit der Lotlinie mittels pendelartiger Vorrichtungen angeben. Jedoch lassen sie die sogenannte »Abweichung«, das ist das Azimut, also den Winkel, welchen die Projektion der Bohrlochachse auf die Horizontalebene mit der Süd-Nord-Richtung einschließt, unbestimmt. Für ein rationelles Bohrverfahren ist aber dieser Winkel ebenfalls unentbehrlich.Devices are known which measure the inclination, i. H. the angle between the borehole axis and the horizontal plane or, which is the same, with the plumb line specify by means of pendulum-like devices. However, they leave the so-called "deviation", this is the azimuth, i.e. the angle which the projection of the borehole axis onto includes the horizontal plane with the south-north direction, indefinitely. For a rational However, this angle is also indispensable for drilling methods.

Es sind Geräte bekannt, welche auch diesen Winkel zu messen gestatten und dazu das erdmagnetische Feld benutzen unter der Voraussetzung, daß die magnetischen Kraftlinien im Innern der Erde ungestört verlaufen. Die Sonde wird also z. B. mit einem Magnetkompaß ausgerüstet. Die Ausnutzung des erdmagnetischen Feldes ist aber mit großen Unsicherheiten behaftet, weil man nicht weiß, ob dasselbe, z. B. infolge Eisengehaltes im Gestein, gestört ist. Bekanntlich sind z. B. Öllagerstätten meist von Magnetit begleitet. Die magnetische Messung wird ferner durch das Stahlgehäuse der Sonde beeinträchtigt und fast ganz unmöglich, wenn das Bohrloch verrohrt ist, d. h. mit einem Mantel aus Eisenrohr versehen ist, wie das bei Ölbohrungen meist geschieht, insbesondere, wenn sandige Schichten durchstoßen werden müssen. Das gleiche gilt, wenn die Sonde durch das hohle Bohrgestänge versenkt werden soll. Es ist dann nur möglich, jeweils am Ende des Rohrstrangs mittels Magnetnadel zu messen, was große Ungenauigkeiten nach sich zieht.Devices are known which also allow this angle to be measured and use the earth's magnetic field for this, provided that the magnetic Lines of force in the interior of the earth run undisturbed. The probe is so z. B. with equipped with a magnetic compass. The utilization of the earth's magnetic field is fraught with great uncertainties because one does not know whether the same thing, e.g. B. as a result Iron content in the rock, is disturbed. It is well known that z. B. Oil deposits mostly accompanied by magnetite. The magnetic measurement is also carried out by the steel housing the probe is impaired and almost impossible if the borehole is cased, d. H. is provided with a jacket made of iron pipe, as is usually the case with oil drilling happens, especially when sandy layers have to be pierced. The same applies when the probe is to be sunk through the hollow drill pipe. It is then only possible to measure what at the end of the pipe string using a magnetic needle large inaccuracies.

Bei Verwendung eines Kreiselkompasses werden diese Fehlerquellen zwar vermieden, jedoch bestehen sehr große konstruktive Schwierigkeiten wegen des sehr engen Raums, der in einer Sonde für größere Tiefen zur Verfügung steht. Auch ist der Kreiselkompaß sehr empfindlich gegen rauhen Betrieb und benötigt eine lange Anlaufzeit, bis das Gerät betriebsbereit ist.When using a gyro compass, these sources of error are indeed avoided, but there are very great design difficulties because of the very narrow space available in a probe for greater depths. Also is the gyro compass is very sensitive to rough operation and takes a long time Start-up time until the device is ready for operation.

Die unter Schutz gestellte Anordnung vermeidet die genannten Nachteile und hat überdies den Vorteil, daß die Meßgrößen auf elektrischem Wege leicht fernübertragen werden können. Dadurch wird es möglich, Hilfseinrichtungen, insbesondere solche mit beweglichen Teilen, welche stoßempfindlich sind, oder solche, welche größeren Raum beanspruchen (z. B. Uhrwerk, Kompaß, Erdinduktor, Kreisel, fotografische Einrichtung, elektrische Stromquelle, Integriereinrichtung, Relais, Verstärker, Anzeigeinstrumente usw.), entweder ganz zu entbehren oder über Tage anzuordnen und so den Raumbedarf in der Sonde auf ein Minimum zu beschränken.The protected arrangement avoids the disadvantages mentioned and also has the advantage that the measured quantities can easily be transmitted remotely by electrical means can be. This makes it possible to use auxiliary devices, especially those with moving parts that are sensitive to impact, or those that are larger Take up space (e.g. clockwork, compass, earth inductor, gyro, photographic equipment, electrical power source, integrator, relay, amplifier, display instruments etc.), either to be dispensed with entirely or to be arranged over days and thus the space requirement in the probe to a minimum.

In den Bildern 1 bis 11 ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt: Eine Sonde 5 wird an die auszumessende Stelle des Bohrloches versenkt (Bild 1). Zur Veranschaulichung ist das -Bohrloch als aus geradlinigen Strecken bestehend gezeichnet, deren Knickpunkte in allen drei Projektionen mit I, II, III, ... IX bezeichnet sind; die Strecke IV-V soll parallel zur x-z-Ebene liegen.An example embodiment of the invention is shown in Figures 1 to 11: A probe 5 is sunk into the location of the borehole to be measured (Figure 1). For illustration, the borehole is drawn as consisting of straight lines, the breakpoints of which are marked I, II, III, ... IX in all three projections; the segment IV-V should be parallel to the xz plane.

In der Sonde ist ein sphärisches Pendel, das ist ein um einen innerhalb der Sonde festen Punkt allseitig drehbarer starrer Körper, untergebracht. Die allseitige Drehbarkeit wird verwirklicht z. B. durch ein Kugelgelenk oder in einer Flüssigkeit angeordnete Schwimmer oder eine kardanische Aufhängung (Kardanpendel) u. a. m. In der Beschreibung und Zeichnung wird der Kürze halber nur auf eine kardanische Aufhängung Bezug genommen, ohne jedoch die Erfindung auf eine solche zu beschränken. Die Drehachsen des Kardanpendels sind mit 3, 4, der Schwerpunkt mit 33, das Gehänge mit 6 bezeichnet (Bild 2, 3). Eine nicht gezeichnete, auf die Kardanachsen wirkende Dämpfungsvorrichtung bringt etwaige Pendelschwingungen zur Ruhe.In the probe is a spherical pendulum that is one around one inside the probe's fixed point, a rigid body that can be rotated in all directions. The all-round Rotatability is realized z. B. by a ball joint or in a liquid arranged floats or a cardanic suspension (cardan pendulum), etc. m. in the description and drawing are for the sake of brevity only on a cardanic suspension Reference is made, however, without restricting the invention to such. The axes of rotation of the cardan pendulum are indicated with 3, 4, the center of gravity with 33, the hanger with 6 (Pic 2, 3). A damping device, not shown, acting on the cardan axles brings any pendulum oscillations to rest.

Die Sonde nimmt vermöge ihrer langgestreckten Gestalt stets die Richtung des Bohrloches ein. Es ist also die Richtung ihrer Längsachse im erdfesten Bezugssystem zu ermitteln. Dies geschieht, indem innerhalb der Sonde drei Richtungen parallel zu den erdfesten Koordinatenachsen x, y, z (Bild 1) ermittelt und auf elektrischem Wege über Tage gemeldet werden.Due to its elongated shape, the probe always takes the direction of the borehole. So it is the direction of their longitudinal axis in the earth's fixed frame of reference to investigate. This is done by placing three parallel directions inside the probe to the earth-fixed coordinate axes x, y, z (Fig. 1) determined and on electrical Routes over days are reported.

Da das Kardanpendel sich in die Richtung der Schwerkraft einstellt, so ist damit die Richtung der z-Achse bekannt. Die x -y-Ebene (Horizontalebene) steht senkrecht zu ihr und ist z. B. in Bild 2 bis 5 durch den Kardaninnenring 1 gegeben.As the cardan pendulum adjusts itself in the direction of gravity, so the direction of the z-axis is known. The x -y plane (horizontal plane) stands perpendicular to her and is z. B. in picture 2 to 5 by the cardan inner ring 1 given.

Die beiden erdfesten Richtungen x, y in dieser Horizontalebene (Bild 1) werden nun innerhalb der Sonde auf folgende Weise ermittelt: Der Kardaninnenring 1 trägt ein in sich geschlossenes rotationssymmetrisches Hohlgefäß 30 (Bild 2, 3, 4, 5); dessen Symmetrieachse 34 in die Richtung des Kardanpendels fällt und also stets die Richtung der Schwerkraft annimmt. Eine leichtbewegliche Flüssigkeit füllt das Hohlgefäß 30 vollständig aus, d. h. derart, daß keine an Luft grenzende freie Oberfläche der Flüssigkeit vorhanden ist. Wenn sich solche nicht ganz vermeiden lassen, z. B. an Öffnungen, die zum Einfüllen der Flüssigkeit vorgesehen sind, so müssen sie sehr klein im Vergleich zu der gesamten, von der Flüssigkeit benetzten Innenfläche des Gefäßes gehalten werden.The two earth-fixed directions x, y in this horizontal plane (Fig. 1) are now determined within the probe in the following way: The inner gimbal ring 1 carries a self-contained, rotationally symmetrical hollow vessel 30 (Fig. 2, 3, 4, 5); whose axis of symmetry 34 falls in the direction of the cardan pendulum and therefore always assumes the direction of gravity. An easily movable liquid fills the hollow vessel 30 completely, ie in such a way that there is no free surface of the liquid adjacent to air. If such cannot be avoided entirely, e.g. B. on openings which are provided for filling the liquid, they must be kept very small compared to the entire inner surface of the vessel wetted by the liquid.

Versuche haben ergeben, daß die Flüssigkeit bei einer beliebigen Drehung des Gefäßes um seine Symmetrieachse infolge ihres Beharrungsvermögens, betrachtet von dem erdfesten Bezugssystem aus, in Ruhe bleibt. Man könnte also während des Ablotens zwei Richtungen parallel x und y (Bild 1) innerhalb der Sonde festhalten, wenn es möglich wäre, in der Flüssigkeit überhaupt eine Richtung kenntlich zu machen. Da dies nicht möglich ist, wird statt dessen die Relativgeschwindigkeit zwischen der bewegten Gefäßwand und der ruhenden Flüssigkeit auf elektrischem Wege gemessen und der erhaltene Meßwert zur Ermittlung der erdfesten Koordinatenrichtungen x, y benutzt..Tests have shown that the liquid with any rotation of the vessel around its axis of symmetry due to its inertia from the earth-fixed reference system, remains at rest. So during the Deflect two directions parallel x and y (Fig. 1) within the probe, if it were possible to mark any direction in the liquid at all. Since this is not possible, the relative speed is instead between the moving vessel wall and the stationary liquid measured electrically and the measured value obtained for determining the coordinate directions x fixed on the earth, y used ..

In Bild 2 bis 8 ist dieses Prinzip beispielsweise dargestellt. Der Kardaninnenring 1 trägt das rotationssymmetrische Flüssigkeitsgefäß 30, welches in Bild 7 und 8, von oben bzw. von der Seite gesehen, dargestellt ist.This principle is shown in Figures 2 to 8, for example. The gimbal inner ring 1 carries the rotationally symmetrical liquid container 30, which is shown in Figures 7 and 8, seen from above and from the side.

Dasselbe hat beispielsweise ringförmige Gestalt (Toroid). Die Flüssigkeit nimmt darin also einen zweifach zusammenhängenden Raum ein, d. h., derselbe wird durch einen gedachten Schnitt 35 (Bild 10) in einen einfach zusammenhängenden Raum verwandelt. Einfach zusammenhängend heißt ein Raum (z. B. eine Kugel 36), der durch jede Schnittfläche-37 (Bild 11) in zwei getrennte Räume zerlegt wird derart, daß zwischen zwei Punkten 38, 39 (Bild 11) der getrennten Räume keine stetige Kurve gelegt werden kann, ohne diese Schnittfläche zu durchstoßen. Bei zweifach zusammenhängenden Räumen können hingegen zwei beliebige Punkte 40, 41 (Bild 10) immer noch durch eine stetige Kurve 42 verbunden werden, welche die Schnittfläche 35 (Bild 10) nicht durchsetzt.It has, for example, an annular shape (toroid). The liquid thus occupies a doubly contiguous space, ie it is transformed into a simply contiguous space by an imaginary cut 35 (Fig. 10). Simply connected is a space (e.g. a sphere 36) which is divided into two separate spaces by each intersection 37 (Fig. 11) in such a way that there is no continuous curve between two points 38, 39 (Fig. 11) of the separate spaces can be laid without piercing this cut surface. In the case of doubly connected spaces, on the other hand, any two points 40, 41 (Figure 10) can still be connected by a continuous curve 42 which does not penetrate the cut surface 35 (Figure 10).

Die Rotationsachse 34 (Symmetrieachse) des Hohlgefäßes 30 fällt in die Richtung der Schwere g (Bild 1 bis 5). Dasselbe führt beim Abloten nur Drehbewegungen um diese Symmetrieachse aus, dazu Translationsbewegungen seines Mittelpunktes.The axis of rotation 34 (axis of symmetry) of the hollow vessel 30 falls into the direction of gravity g (Fig. 1 to 5). The same thing only leads to rotary movements when plumbing around this axis of symmetry, plus translational movements of its center.

In dem Ringgefäß 30 ist ein sogenannter Hitzdraht 29 (Bild 3), das ist ein dünner, elektrisch leitender Draht z. B. aus Platin, Aluminium, Wolfram od. dgl. ausgespannt, dessen elektrischer Widerstand mit seiner Temperatur veränderlich ist, und der von dem durchfließenden Strom auf eine Temperatur über der Flüssigkeitstemperatur erwärmt wird. Der Hitzdraht ist zwischen den Wänden des Gefäßes 30, elektrisch isoliert von diesen, ausgespannt. Die Strombelastung des Drahtes wird so gewählt, daß seine Temperatur nahe bei, jedoch noch unter der Siedetemperatur der Flüssigkeit bleibt. Vorteilhaft ist eine Flüssigkeit, welche elektrisch nichtleitend ist (z. B. destilliertes Wasser, Benzin, Alkohol u. a. m).In the ring vessel 30 is a so-called hot wire 29 (Fig. 3), the is a thin, electrically conductive wire z. B. made of platinum, aluminum, tungsten od. The like. Expanded, the electrical resistance of which changes with its temperature is, and that of the flowing stream to a temperature above the liquid temperature is heated. The hot wire is electrically insulated between the walls of the vessel 30 of these, stretched out. The current load of the wire is chosen so that its Temperature close to, but still below the boiling point of the liquid remains. A liquid that is electrically non-conductive (e.g. distilled liquid) is advantageous Water, gasoline, alcohol, etc. m).

Die in dem Hitzdraht entwickelte Stromwärme wird fortwährend an die Flüssigkeit abgegeben und durch Wärmeleitung und Konvektion abgeführt. Es bildet sich um den Draht eine Zone, innerhalb welcher die Temperatur von der Drahttemperatur auf die Flüssigkeitstemperatur abfällt. Bewegt sich der Hitzdraht durch die Flüssigkeit, so wird diese Zone gestört, der Draht kühlt sich ab und ändert damit seinen elektrischen Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird vermittels einer geeigneten Schaltung gemessen.The current heat developed in the hot wire is continuously transferred to the Liquid released and carried away by conduction and convection. It educates around the wire there is a zone within which the temperature differs from the wire temperature drops to the liquid temperature. If the hot wire moves through the liquid, so this zone is disturbed, the wire cools down and changes its electrical Resistance. This change in resistance is achieved by means of a suitable circuit measured.

Besonders vorteilhaft ist es, den Hitzdraht 25 (Bild 3) in zwei Zweige 29a, 29b (Bild 7, 8) zu unterteilen, welche in Brückenschaltung mit zwei unveränderlichen Vergleichswiderständen 27, 28 liegen, und sie so auszuspannen, daß möglichst große Teile senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufen und daß von diesen der eine Zweig bei Rotationsbewegungen den anderen »abschirmt«, d. h. von der Flüssigkeit zuerst getroffen wird.It is particularly advantageous to split the hot wire 25 (Fig. 3) into two branches 29a, 29b (Figure 7, 8) which are in bridge circuit with two immutable Comparative resistors 27, 28 are, and they stretch so that as large as possible Parts run perpendicular to the direction of movement and that one of these branches "shields" the other during rotational movements, d. H. of the liquid first is hit.

Bewegt sich z. B. in Bild 7 das Ringgefäß im Sinne des Pfeiles 40, so wird der Zweig 29b von 29a abgeschirmt. Der abschirmende Zweig wird mehr abgekühlt als der abgeschirmte und ändert dadurch seinen Widerstand stärker. Das hat zur Folge, daß das elektrische Gleichgewicht der Brückenschaltung gestört und der vorher spannungslose Zweig 14 (Bild 7, 8) nunmehr Spannung führt, welche einer Empfangsanlage 16 zugeführt wird. Dieser kann ein Relais oder ein Verstärker 15 vorgeschaltet sein.Moves z. B. in Figure 7 the ring vessel in the direction of arrow 40, the branch 29b is shielded by 29a. The shielding branch is cooled down more than the shielded branch and thereby changes its resistance more strongly. As a result, the electrical equilibrium of the bridge circuit is disturbed and the previously de-energized branch 14 (Fig. 7, 8) now carries voltage, which is fed to a receiving system 16. This can be preceded by a relay or an amplifier 15.

Eine ideale reibungslose und inkompressible Flüssigkeit würde bei Drehung des Gefäßes stets in Ruhe, betrachtet vom erdfesten Bezugssystem aus, bleiben. Da jedoch jede reale Flüssigkeit eine gewisse nicht verschwindende innere Reibung aufweist, so wird auch eine geringe Mitnahme zu erwarten sein. Eine solche wird besonders dann auftreten, wenn die Gestalt des Gefäßes von der Rotationssymmetrie abweicht. Bei genügend großem Querschnitt des Hohlgefäßes geht jedoch die anfänglich laminare Strömung sehr bald in turbulente Strömung über, welche die mitgeteilte Bewegungsenergie in Reibungswärme verwandelt, wonach die Flüssigkeit als Ganzes wieder in Ruhe ist. Es sind daher auch Abweichungen des Gefäßes von der Rotationssymmetrie in gewissen Grenzen zulässig, wenn dafür gesorgt wird, daß die dadurch bewirkte Mitnahme genügend schnell durch Reibung aufgezehrt wird. Besonders vorteilhaft für diesen Zweck sind zweifach oder mehrfach zusammenhängende Gefäßformen.An ideal smooth and incompressible fluid would be at Rotation of the vessel always remains at rest, viewed from the fixed reference system. However, since every real fluid has a certain non-zero internal friction has so a small takeaway will also be expected. One Such will occur especially if the shape of the vessel is of rotational symmetry deviates. If the cross-section of the hollow vessel is sufficiently large, however, this is initially possible laminar flow very soon turns into turbulent flow, which the communicated Kinetic energy is converted into frictional heat, after which the liquid as a whole is at rest again. There are therefore also deviations of the vessel from the rotational symmetry Permissible within certain limits, if care is taken to ensure that the resultant Entrainment is consumed sufficiently quickly by friction. Particularly beneficial for this purpose are doubly or multiply connected vessel shapes.

Maßgebend für den Eintritt der Turbulenz ist der kritische Wert der Reynoldsschen Zahl. Die Reynoldssche Zahl ist in bekannter Weise ausgedrückt durch Querschnittsradius a (Bild 8), kinematischen Reibungskoeffizienten v der Flüssigkeit, zu messende Umfangsgeschwindigkeit w des Ringgefäßes um seine Symmetrieachse (Bild 7, Pfeil 40) mittels der Formel Ihr kritischer Wert Rk beträgt, wenn die Größen a, v, 1v in cgs-Einheiten angegeben werden (nach Kohlrausch, Prakt. Physik), Diese Konstruktionsgrößen sind also so zu wählen, daß der aus Formel (1) berechnete Wert Rk kleiner als 2000 bleibt. Damit sind die Abmessungen des Gefäßes festgelegt.The critical value of the Reynolds number is decisive for the occurrence of turbulence. The Reynolds number is expressed in a known way by the cross-sectional radius a (Fig. 8), the kinematic coefficient of friction v of the liquid, the circumferential speed w to be measured of the ring vessel around its axis of symmetry (Fig. 7, arrow 40) using the formula Its critical value is Rk if the quantities a, v, 1v are given in cgs units (according to Kohlrausch, Prakt. Physik), These construction sizes are to be selected so that the value Rk calculated from formula (1) remains less than 2000. This defines the dimensions of the vessel.

Entstehen in der Flüssigkeit irgendwelche Wirbelbewegungen oder Zirkulationsströmungen, z. B. wenn, wie angegeben, die laminare Strömung in turbulente übergeht oder infolge der Wärmeabfuhr durch Konvektion, so haben diese auf die Anzeige der Meßbrücke keinen nennenswerten Einfluß. Denn ein Wirbel oder eine Zirkulation wird stets die beiden Hitzdrahtzweige an mindestens zwei Stellen in entgegengesetzter Richtung treffen, so daß dieWirkungen auitd'as elektrische Gleichgewicht gegenseitig einander aufheben. Hierin kommt ein besonderer Vorteil des zweifach zusammenhängenden Flüssigkeitsgefäßes gegenüber einem einfach zusammenhängenden (z. B. Kugel oder Hohlzylinder) zum Ausdruck. Diesem gegenüber hat das Ringgefäß ferner noch den Vorteil, daß der Flüssigkeitsmasse ein größeres Trägheitsmoment um die Rotationsachse verliehen werden kann und sie dadurch bei Drehbewegungen des Gefäßes um so sicherer in Ruhe bleibt: Auch ist die auftretende Lineargeschwindigkeit oder, was dasselbe ist, die Umfangsgeschwindigkeit (Bild 7, Pfeil 40) w entsprechend größer, was für die später zu beschreibenden elektrischen Vorgänge von Vorteil ist.If there are any eddies or circulating currents in the liquid, z. B. if, as indicated, the laminar flow turns into turbulent or as a result the heat dissipation by convection, these have no effect on the display of the measuring bridge significant influence. Because a vortex or a circulation always becomes the two Meet branches of hot wire in at least two places in opposite directions, so that the effects auitd'the electrical equilibrium mutually cancel one another. This is a particular advantage of the doubly connected liquid container as opposed to a simply connected (e.g. sphere or hollow cylinder). Compared to this, the ring vessel also has the advantage that the liquid mass a larger moment of inertia about the axis of rotation can be imparted and they This means that when the vessel rotates, it is all the more certain that it remains at rest occurring linear speed or, what is the same, the peripheral speed (Fig. 7, arrow 40) w correspondingly larger, which is for the electrical to be described later Operations is beneficial.

Die an dem -Brückenzweig 14 (Bild 7,- 8) auftretende Spannung ist angenähert proportional der Umfangsgeschwindigkeit des Ringgefäßes, wie aus Versuchen und theoretischen Überlegungen hervorgeht. Bei hohen Anforderungen an Genauigkeit können Abweichungen von der Proportionalität durch Eichung der Empfangsanlage 16 berücksichtigt werden. Die Empfangsanlage 16 kann beispielsweise bestehen aus einem Folgemotor (= Nachdrehmotor) 33, welcher über ein Vorgelege 41 eine Kompaßrose 18, deren Drehachse 34 in dem Bügel 45 gelagert ist, bewegt (Bild 2, 3, 4, 5). Der Folgemotor ist so gebaut, daß seine Umdrehungszahl proportional der angelegten Spannung ist. Der Proportionalitätsfaktor wird so gewählt, daß sich die Kompaßrose mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit u zurückdreht, mit welcher der Kardaninnenring 1 bzw. das Ringgefäß 30 von der Sonde mitgenommen wird. Für die Winkelgeschwindigkeit u und die oben eingeführte unmittelbar gemessene Umfangsgeschwindigkeit w gilt die Beziehung worin o den Radius der Mittellinie des Hohlgefäßes (Bild 8) bedeutet.The tension occurring at the bridge branch 14 (Fig. 7, - 8) is approximately proportional to the circumferential speed of the ring vessel, as can be seen from experiments and theoretical considerations. In the case of high demands on accuracy, deviations from the proportionality can be taken into account by calibrating the receiving system 16. The receiving system 16 can for example consist of a follow-up motor (= post-rotation motor) 33, which moves a compass rose 18, the axis of rotation 34 of which is mounted in the bracket 45 , via an intermediate gear 41 (Fig. 2, 3, 4, 5). The slave motor is built so that its number of revolutions is proportional to the applied voltage. The proportionality factor is chosen so that the compass rose rotates back with the same angular velocity u at which the inner gimbal ring 1 or the ring vessel 30 is taken along by the probe. The relation applies to the angular velocity u and the directly measured peripheral velocity w introduced above where o is the radius of the center line of the hollow vessel (Fig. 8).

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Rose 18 im erdfesten Bezugssystem stillsteht (abgesehen von Translationsbewegungen), während die Sonde beim Abteufen beliebige Bewegungen ausführt.In this way it is achieved that the rose 18 stands still in the fixed reference system (apart from translational movements), while the probe executes any movements when sinking.

Es ist nun nicht erforderlich, Folgemotor und Rose, wie gezeichnet, in der Sonde selbst unterzubringen, sondern beide können über Tage aufgestellt werden. Dann dreht sich die Rose über einer erdfesten Skala und zeigt den gesuchten Winkel x zwischen Anfangslage 31 und Endlage 32 des Kardaninnenringes 1 (Bild 3) an.It is now not necessary to follow the motor and rose as drawn, in the probe itself, but both can be set up above ground. Then the rose rotates over a fixed scale and shows the desired angle x between the start position 31 and end position 32 of the gimbal inner ring 1 (Fig. 3).

Man kann auch auf Folgemotor und Kompaßrose verzichten und statt dessen die an dem Zweig 14 auftretende Brückenspannung (Bild 7, 8) über Tage einem schreibenden Meßinstrument zuführen, welches dieselbe auf einem Registrierstreifen mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit aufzeichnet. Wird die so erhaltene Kurve planimetriert, so erhält man mittels eines geeigneten Umrechnungsfaktors das Integral der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit, das ist ebenfalls den gesuchten Winkel x.You can also do without a follower motor and compass rose and instead apply the bridge voltage (Fig. 7, 8) occurring at branch 14 to a writing measuring instrument which records it on a recording strip at a constant feed rate. If the curve obtained in this way is planimized, the integral of the angular velocity with respect to time is obtained by means of a suitable conversion factor, which is also the angle x sought.

Zur Integration der Brückenspannung können auch selbsttätige mechanische oder elektrische Integriervorrichtungen benutzt werden, welche den gesuchten Winkel unmittelbar anzeigen.Automatic mechanical or electrical integrators are used, which the desired angle show immediately.

Dieser Winkel x gehört nun noch nicht zu den Bestimmungsstücken, welche in der Praxis der Tiefbohrungen benötigt werden. Praktisch gebraucht wird die sogenannte Abweichung ß, das ist das Azimut der Projektion der Sondenachse auf die Horizontalebene, ferner die Neigung y, das ist der Winkel, welchen die Sondenachse mit dem Lot einschließt. Diese Bestimmungsstücke können nun mittels des Winkels x ermittelt werden, wenn dazu noch zwei Hilfswinkel 99, y gemessen werden, nämlich die beiden Winkel 99, p, um welche die beiden Kardanringe 1, 2 um die innere bzw. äußere Kardanachse 3,4 gegen ihre Anfangslage gedreht sind. Diese Hilfswinkel werden in an sich bekannter Weise auf elektrischem Wege gemessen wie folgt: Auf der inneren Kardanachse 3 ist eine Potentiometerspule 8 (Bild 5) angebracht, welche jede Drehung des Kardaninnenringes 1 um diese Achse 3 mitmacht. Ein Schleifkontakt 9 ist auf dem Kardanaußenring 2 so befestigt, daß er einen Widerstand abgreift, der proportional dem Winkel p zwischen den beiden Ebenen der Kardanringe 1 und 2 ist. Vermittels einer an sich bekannten Potentiometerschaltung (Bild 6) wird dann dieser Drehwinkel 9p auf dem passend geeichten Spannungsmessen 10 (Bild 6) über Tage angezeigt.This angle x does not yet belong to the determinants of which are required in the practice of deep drilling. The so-called Deviation ß, that is the azimuth of the projection of the probe axis on the horizontal plane, also the inclination y, that is the angle which the probe axis encloses with the perpendicular. These determination pieces can now be determined by means of the angle x, if in addition two auxiliary angles 99, y are measured, namely the two angles 99, p, around which the two cardan rings 1, 2 around the inner and outer cardan axis 3, 4 are rotated against their initial position. These auxiliary angles are known per se Electrically measured way as follows: On the inner cardan axis 3 is a potentiometer coil 8 (pic 5) is attached, which each rotation of the gimbal inner ring 1 participates around this axis 3. A sliding contact 9 is on the cardan outer ring 2 mounted so that it taps off a resistance proportional to the angle p between the two levels of the gimbals 1 and 2 is. By means of a known per se Potentiometer circuit (picture 6) then this angle of rotation is 9p to the suitably calibrated tension measurements 10 (Fig. 6) above days are displayed.

Anstatt der hotentiometerschaltung kann auch eine noch genauere Brückenschaltung treten. Auch kann die Potentiometerspule 8 selbst ersetzt werden durch einen Drehkondensator oder eine veränderbare Selbstinduktion oder einen variablen Schwingkreis und gleichzeitig die Spannungsquelle 11 durch einen Wechselspannungs- oder Hochfrequenzgenerator.Instead of the thermometer circuit, an even more precise bridge circuit can be used. The potentiometer coil 8 itself can also be replaced by a variable capacitor or a variable self-induction or a variable resonant circuit and at the same time the voltage source 11 by an alternating voltage or high-frequency generator.

Ebenso befindet sich eine Potentiometerspule 12 (Bild 5) auf der äußeren Kardanachse 4, welche jede Drehung des Kardanaußenringes 2 um diese Achse mitmacht; zugleich ist ein Schleifkontakt 13 am Gehäuse 5 der Sonde befestigt, welcher einen Widerstand-abgreift proportional dem Winkel y zwischen der Ebene des Kardanaußenringes 2 und der Querschnittsebene des Sondergehäuses 5 (Bild 5). Dieser wird vermittels einer Potentiometerschaltung wie in Bild 6 nach oben übertragen und auf einem zweiten geeichten Spannungsmesser 10a (Bild 1) angezeigt.There is also a potentiometer coil 12 (Fig. 5) on the outer cardan axis 4, which takes part in every rotation of the outer cardan ring 2 about this axis; At the same time, a sliding contact 13 is attached to the housing 5 of the probe, which taps off a resistance proportional to the angle y between the plane of the outer cardan ring 2 and the cross-sectional plane of the special housing 5 (Fig. 5). This is transmitted upwards by means of a potentiometer circuit as in Figure 6 and displayed on a second calibrated voltmeter 10a (Figure 1).

Nach den Lehrsätzen der sphärischen Trigonometrie erhält man nun aus den drei Winkeln p, V, x für das Azimut ß die Gleichung und zugleich zusätzlich für die Neigung Diese Formeln können rechnerisch oder mittels Tabellen oder mittels automatisch arbeitender Rechenmaschinen ausgewertet werden.According to the theorems of spherical trigonometry, the equation for the azimuth ß is obtained from the three angles p, V, x and at the same time also for the inclination These formulas can be evaluated arithmetically or by means of tables or by means of automatically operating calculating machines.

Auf die angegebene Weise können also an jedem beliebigen Punkt des Bohrloches die Bestimmungsstücke ß; y ermittelt werden.In the specified way, the determining pieces ß; y can be determined.

Eine Einrichtung, welche Auswertung der Formeln (3) (4) unnötig macht, ist folgende: Eine mit Längen- und Breitenkreisen versehene globusähnliche Kugel 19 (Bild 9) ist um ihre Süd-Nord-Achse drehbar in 20 gelagert. Zwei Kardanringe 21, 22 sind in dem Gestell 23 so gelagert, daß ihr Drehungsmittelpunkt mit dem Kugehnittelpunkt zusammenfällt. Der äußere Kardanring 22 trägt auf dem Bügel 24 einen Zeiger 25, welcher bei horizontaler Lage der Kardanringe gerade über dem Nordpol der Kugel steht. Werden nun die Winkel (p, y auf die beiden Kardanachsen und der Winkel x auf die Süd-Nord-Achse der Kugel übertragen, was von Hand oder mittels elektrischer Fernwirksysteme geschehen kann, so kann an der Stellung des Zeigers 25 die Neigung y als Poldistanz und die Abweichung ß als Azimut unmittelbar abgelesen werden.A device which makes the evaluation of the formulas (3) (4) unnecessary, is as follows: A globe-like sphere with circles of longitude and latitude 19 (Fig. 9) is mounted in 20 so that it can rotate about its south-north axis. Two gimbals 21, 22 are mounted in the frame 23 so that their center of rotation with the ball center point coincides. The outer cardan ring 22 carries a pointer 25 on the bracket 24, which when the gimbals are in a horizontal position just above the north pole of the sphere stands. If now the angles (p, y on the two cardan axes and the angle x transferred to the south-north axis of the sphere, which can be done by hand or by means of electrical Telecontrol systems can happen, so can the position of the pointer 25 the inclination y as the pole distance and the deviation ß as the azimuth can be read off immediately.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Orientated hanging on a cardan ring or the like Plumb line for deep boreholes to determine the direction by means of an easily movable, Liquid contained in a rotationally symmetrical hollow vessel, characterized in that that a current-carrying hot wire is attached to the inner walls of the hollow vessel whose temperature is higher than the liquid temperature but lower than is the boiling point and that when rotating around the axis of symmetry through the resting one Liquid is moved, the change in resistance caused by cooling serves to measure the angular velocity of the vessel in the fixed reference system.

2. Oriented plumbing device according to claim 1, characterized in that the rotationally symmetrical hollow vessel includes a multiple contiguous space which is completely filled by the liquid, ie without a free surface, and its cross-sectional radius (a), depending on the kinematic viscosity y of the used Liquid, the circumferential speed to be measured w of the hollow vessel is adapted in such a way that the Reynolds number is equal to or slightly less than its critical value Rk (2000).

3. Oriented Plumbing device according to claims 1 and 2, characterized in that the current-carrying Hot wire consists of two bridged branches, each of which bent at regular intervals at approximately right angles and so in the hollow vessel it is appropriate that the sections alternate along the wall and across the Hollow vessel run, so that as large a part of the cooling effect of the movement as possible are exposed by the liquid, and that the transverse portions of the a bridge branch, seen from the center of the hollow vessel, all either lie to the right or left of the adjacent section of the other branch, such that the two branches mutually reciprocate when moving through the liquid shield.

4. Oriented soldering device according to claim 1 or dependent claims, characterized characterized in that the bridge voltage can be fed to a receiving system, which the same is integrated according to the time and thereby the angle between the start and end position of the gimbal inner ring is determined in the fixed reference system.

5. Oriented plummet according to claim 1 or subclaims, characterized in that the bridge voltage, possibly via an amplifier, a writing measuring device with constant Feed rate can be fed.

6. Oriented plumbing device according to claim 1 or dependent claims, characterized in that for taking up the bridge voltage a slave motor whose speed of rotation is proportional to the applied voltage is, is provided and this is a compass rose with the same angular velocity turns back, with which the gimbal ring is taken from the probe, so that they set the angle between the start and end position of the gimbal inner ring in a fixed position Reference system.

7. Oriented plumbing device according to claim 1 or subclaims, characterized in that the two cardan axes of the for receiving the hollow vessel Serving pendulum each carry a potentiometer coil, which in addition to the angle of rotation of the hollow vessel required determinants of the deviation (of the azimuth) as well as at the same time and independently of this also complete determinants of the angle of inclination deliver. B. Oriented plumbing device according to claim 1 or subclaims, characterized in that a pointer means for evaluating the measured variables obtained two gimbals over one with longitude and latitude circles and around the South-north axis rotatable ball is adjustable by hand or electromechanically so that the angle of rotation measured within the probe about the two cardan axes and the angle between the start and end position of the gimbal inner ring corresponds to the corresponding Cardan axes of the pointer and the south-north axis of the sphere are communicated so that the inclination and deviation can be read off as pole distance and azimuth. In Considered publications German patents Nos. 286 830, 296 727, 300 371, 357 784; German Auslegeschriften A23607 VI / 5a (published on 24. 5. 1956), D 12519 VI / 5a (published April 26, 1956).