DE2849633C2

DE2849633C2 - Vorrichtung zum Messen von Azimut und Neigung eines Bohrlochs

Info

Publication number: DE2849633C2
Application number: DE2849633A
Authority: DE
Inventors: Jacques Plaisir Barriac
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1977-12-02
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1983-01-05
Also published as: GB2009418B; GB2009418A; NO162778C; DE2849633A1; JPS5830524B2; NO783844L; FR2410725B1; US4244116A; JPS5485758A; NO162778B; FR2410725A1

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Messen von Azimut und Neigung eines Bohrlochs, mit einem mindestens eine Empfindlichkeitsachse aufweisenden Gyroskop und einem mindestens eine Empfindlichkeitsachse aufweisenden Beschieunigungsmeßwerk, die innerhalb eines Behälters vorgesehen sind, der mit einziehbaren Zentrierungsmitteln ausgerüstet am Ende eines Kabels in das Bohrloch absenkbar und im Bohrloch festlegbar ist.

Mit dem Azimut einer Bohrlinie oder Leitung bezeichnet man den Winkel, der sich durch die Projektion der Horizontalachse der Bohrlinie mit der Projektion der Horizontalen des Rotationsvektors der Erde ergibt. Mit der Neigung der Bohrlinie bezeichnet man den Winkel, der sich mit der Bohrlinie und dem Schwerkraftvektor ergibt.

Aus der US-PS 37 53 296 ist eine Einrichtung bekannt, die ein Gyroskop aufweist, dessen Rotationsachse rechtwinklig zur Bohrungslinie verläuft Die einzige Empfindlichkeitsachse dreht sich dort aufgrund der Beeinflussung eines Uhrwerks. In dieser Druckschrift ist auch ein Beschieunigungsmeßwerk offenbart, mit einer Empfindlichkeitsachse, die sich im Azimut dreht Nachteilig an dieser bekannten Einrichtung ist insbesondere, daß aufgrund je nur einer Empfindlichkeitsachse Meßfehler nicht auszuschließen sind.

Daneben ist bei der bekannten Einrichtung das Gehäuse des Gyroskops in ein sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit in bezug auf einen Meßcontainer angetriebenen Kardan montiert, was wiederum Meß-

•5 fehler nicht ausschließt

Aus der DE-OS 26 20 801 ist eine Anordnung bzw. eine Einrichtung bekannt die sich das Vorhandensein des irdischen Magnetfeldes zunutze macht Dazu wird ein Stromschütz vorgesehen, und die Achsen dieses Schützes werden immer horizontal gehalten, und zwar durch die Messung der Horizontalkomponente des irdischen Magnetfeldes.

Eine vierfach-kardanische, nicht gekoppelte Aufhängung, wobei ein Kardan mit einer Unwucht ausgerüstet ist zeigt die FR-PS 2170 216. Diese Kardane sind zwischen einem äußeren Behälter und einem Gyroskop angeordnet

Den bekannten Lösungen ist gemeinsam, daß mit den

dort eingesetzten Meßtechnologien genaue Messungen nicht unbedingt möglich sind, da insbesondere durch die kardanische Aufhängung große Ungenauigkeiten in die Meßergebnisse einfließen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, mit welcher die vorbeschriebenen Nachteile vermieden werden, insbesondere mit der eine genaue Messung sowohl des Azimut als auch der Neigung eines Bohrlochs durchführbar ist ohne daß durch Fehler der Aufhängungen und Kopplungen Meßabweichungen entstehen.

Bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der £. findung dadurch gelöst daß das Gyroskop zwei Empfindlichkeitsachsen aufweist, die senkrecht zur Achse des Bohrlochs liegen, und an ein Gyrometer gekoppelt ist, und daß das Beschieunigungsmeßwerk ebenfalls zwei Empfindlichkeitsachsen aufweist, die rechtwinklig zur Achse des Bohrlochs und parallel zu denen des Gyroskops verlaufen.

Grundsätzlich ist aus der US-PS 39 38 256 ein so Gyroskop mit zwpi Empfindlichkeitsachsen bekannt, allerdings fehlt dort die Zusammenfassung dieses Gyroskops in der erfindungsgemäßen Weise mit einem Beschieunigungsmeßwerk zum Zweck des Ausmessens eines Bohrlochs.

Mit der Erfindung wird insbesondere erreicht daß die Notwendigkeit entfällt den Träger des Gyroskops und des Beschleunigungsmeßwerks drehen zu müssen, was die vorbeschriebenen Nachteile mit sich bringt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Gyroskop gibt die Angaben Ωχ und Ω γ, die die beiden Komponenten gemäß den Empfindlichkeitsachsen XX und YY des Gyroskops des irdischen Rotationsvektors ^darstellen, von dem man den Modul (15,041°/h)kennt.

Von diesen Indikatoren Ωχ und Ωγ kann man die Komponente Qg des irdischen Rotationsvektors If in Übereinstimmung mit der Achse ZZ der Bohrleitung

ableiten.

Q₂= Ve¹ - ω\ - Q\

Die Messung von ßxiind Ω ν und die Berechnung von Vergeben daher den Azimut der Bohrleitung.

Das Besciileunigungsmeßwcrk gibt die Angaben von Αχ und Ay, welches die Komponenten gemäß den Empfindlichkeitsachsen XXund^YYdes Gyroskops des irdischen Schwcikraftvektors 5, dessen Modul man ι ο ken-: (931 cm/s²).

Mau Kann aus diesen Angaben die Neigung der Bohrleitung ableiten, d. h. den Winkel, welchen die Achse ZZ dieser Bohrleitung mit dem Schwerkraftvektor ^bildet.

Dieser Inclinationswinkel / ist derjenige nachfolgender Bedingung:

sin · /

Al +Al

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Die Erfindung besieht außer aus den in Frage kommenden Vorrichtungen noch aus gewisser: anderen Vorrichtungen, die man bevorzugt zur gleichen Zeit benutzen kann und die, wie weiter unten beschrieben, ausdrücklich auch in Frage kommen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig.I eine perspektivische Ansicht, teilweise aufgebrochen, einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung,

Fig.2 einen Aufriß der Erfindung entsprechend Fig. 1.

F i g. 3 einen vergrößerten Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1, die die Elemente zeigt, die mit der einen Empfindlichkeitsachse des Gyroskops zusammenarbeiten und in

Fig.4 eine Darstellung gemäß Fig.3 mit den Elementen, die mit der anderen Empfindlichkeitsachse des Gyroskops zusammenarbeiten.

Die Vorrichtung nach der Erfindung besteht aus einem Gyros', op (Kreisel) und einer Beschleunigungsmeßvorrichtung, die in einem Behälter 1 angeordnet sind, welcher an einem Kabel 2 hängend an einem Ort einer Bohrleitung 3 herabgelassen werden kann, wo man die Messung des Azimuts und des Neigungswinkels ausführen möchte.

Der Behälter 1 ist mit einziehbaren Zentrierungsmitteln 4 versehen, wie sich besonders aus F i g. 2 ergibt.

Das Gyroskop dieser Vorrichtung ist ein Gyroskop 5 mit zwei Empfindlichkeitsachsen XX und YYund ist im Behälter 1 derart angeortuet, daß die beiden Empfindlichkeitsachsen XX und YY rechtwinklig zur Achse ZZ der Bohrleitjng ausgerichte. sind.

Das Gyroskop 5 trägt, wie sich aus Fig. 3 und 4 ergibt, ein Schwungrad 6, welches von einem Motor 7 unter Zwischenschaltung eines Cardangelenks des Typs eines Hooke-Gelenkes 8 angetrieben wird. Die sich drehenden Teile des Gyroskops, die auf der anderen Seite der Schwungscheibe 6 in bezug auf das Cardangelenk 8 gelagert sind, sind in einem Gehäuse 9 unter Zwischenschaltung von Lagern 10 gehalten.

Das Herausfinden der Position der Schwungscheibe 6 um die Empfindlichkeitsachse XX vollzieht sich durch die Detektoren Or;* (F ig. 3) und die Wahrnehmung der Position der Schwungscheibe 6 um die Empfindlichkeitsachse YY vollzieht sich durch die Detektoren Day (F ig. 4).

In Fig. 3 ist die El^ne, auf welcher sich die Detektoren Dc_x befinden, in die Zeichenebene umgeschlagen, d.h. in Wirklichkeit befinden sich die Anzeigegeräte D_ux in emer Ebene zu 90° zu der Zeichenebene.

In F i g. 4 ist die Ebene, in welcher sich die Detektoren Day befinden, in die Zeichenebene geklappt, in Wirklichkeit befinden sich die Detektoren bzw. Anzeigegeräte D_Cy in einer Ebene zu 90° ?ur Zeichenebene.

Ein Drehmomentenmotor bzw. Fortschreitmomentenmotor als Dauermagneten 11, die auf dem Schwungrad 6 befestigt sind und aus festen Wicklungen, erlaubt gegenüber dem Schwungrad 6, ein Drehmoment aufzubringen.

Das Drehmoment wird aufgebracht

- um die Achse XX, wenn die Wicklungen B_x erregt sind (F i g. 3),

- um die Achse YY, wenn die Wicklungen B_Y erregt sind (F ig. 4).

Das Beschleunigungsmeßwerk bei ^'.,'ser Vorrichtung weist zwei Empfindlichkeitsachsen :;uf und ist im Behälter 1 so angeordnet, daß seine beiden Empfindlichkeitsachsen rechtwinklig zur Achse ZZ der Bohrleitung verlaufen, die beiden Empfindlichkeitsachsen sind ciaher mit XX und YY bezeichnet Man wird erkennen, daß dieses Beschleunigungsmeßwerk vorteilhaft von einem Beschleunigungsmesser 12 mit zwei Empfindlichkeitsachsen gebildet ist.

Dieser Beschleunigungsmesser 12 bes'eht. wie in den Fi g. 3 und 4 gezeigt, aus einer Pendelmasse 13, die um einen reibungsfreien Gelenkpunkt 14 montiert ist.

Das Feststellen der Lage der Pendelmasse 13 um die Empfindlichkeitsachse XX wird mit den Detektoren Da_x (Fig.3) und das Feststellen der Position der Pengelmasse 13 um die Empfindlichkeitsachse YY wird mit den Detektoren Da v(F ig. 4) ausgeführt

Wie in F i g. 3 dargestellt, werden die Fehlerinformationen der Stabilisation von den Detektoren Dc ~ des Gyroskops 5 in bezug auf seine Empfindlichkeitsachse XX geliefert und zu einem Synchrondemodulator 21 geschickt, der ein einheitliches Signal liefert, welches dann einem Stetigverstärker 22 verstärkt wird, der dann das Signal Ωχ liefert.

Das Signal Ω,γ wird dann in die Spulen B_x des Drehmomentenmotors zu den Dauermagneten 11 geschickt.

Wie in F i g. 4 dargestellt, werden die Fehlerinformationen der Stabilisation, die von den Detektoren Dc,\ des Gyroskops 5 in seiner Sensibilitätsachse VVin einen Synchrondemodulator 31 geschickt, der ein einheitliches Signal liefert, welches dann in einem Stetigverstärker 32 verstärkt wird, der dann das Signal ßyliefert.

Das Signal Ω γ wird dann in die Spulen B_Y des Drehmomentenmotors zu den Permanentmagneten 11 geschickt.

Diese Signale Ωχ und Ω γ werden darüber hinaus in einem Rechner 40 ausgewertet, um die Komponente Ω/ des irdischen Rotationsvektors gemäß der Achse der Bohrleitung ZZzu e mitteln.
Dieser Rechner 40 führt die Operation

fist dabei der Modul des irdischen Rotationsvektors.

Der Azimut der B^hrleitung wird daher djrch die Meßwerte Ω ν und Ων und durch den errechneten Wert ßz erhalten, die einem Anzeigegerät 41 zugeführt

werden.

Wie in F i g. 3 gezeigt, werden die Informationen die durch die Detektoren D._Vx des Beschleunigungsmessers 12 entsprechend seiner .Sensibilitätsachse XX in einem Verstärker 23 verstärkt, der dann ein Signal /Vv liefert. Wie sich aus F i g. 4 ergibt, werden die Informationen, die von den Detektoren D.\_} des Beschleunigungsmessers 12 entsprechend seiner Sensibilitätsachse YY geliefert, in einem Verstärker 33 verstärkt und liefern dann das Signal Ay.

Die Signale Αχ und Ay werden in einem Rechner 42 ausgewertet, der dann nach der nachfolgend wiedergegebenen Formel die Neigung / der Bohrleitung errechnet, d. h. den Winkel, den deren Achse ZZ mit dem Schwerkraftvektor Sbildet:

sin. / =

wnhri G der Modul des irdischen Schwerkraftvektors bedeutet.

Es ist vorteilhaft, zwei Anzeigegeräte 43 und 44 vorzusehen, die die entsprechenden Schwankungen der Signale Αχ und Ay während der gyrometrischen Messungen analysieren, diese Vorrichtungen werden herangezogen, um evtl. die Werte der Signale Ωχ und Ω > zu korrigieren. Unter diesen Bedingungen wird, wenn während einer Meßperiode der Behälter 1 um die Achse .-VX oder die Achse YY geschwungen hat. was immer möglich ist in einer Rohrleitung, selbst in Ruhe, diese Schwenkbewegung durch das Beschleunigungsmeßgerät 12 aufgespürt und es kann eine Korrektur aufgrund der Signale Ω \ und/oder iii erreicht werden.

Die Elemente 40 (Rechner). 41 (Anzeigegerät), 42 (Rechner), 43 und 44 (Detektoren bzw. Anzeigegeräte) sind auf dem Erdboden aufgestellt und empfangen die Signale Ωχ und fi>, Ay und Αχ durch elektrische Leitungen, die innerhalb des Kabels 2. welches den Behälter 1 hält, eingebettet sind.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel ist noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So können die unterschiedlichen Zentrifugierungsmittel am Behälter 1 vorgesehen sein, auch können vergleichsweise elektrische Meßgeräte mit den entsprechenden Schaltungen die jeweilige Relativbewegung des Behälters 1. ermittelt durch die Vorrichtungsteile 5 und 12, übertragen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von Azimut und Neigung eines Bohrlochs, mit einem mindestens eine Empfindlichkeitsachse aufweisenden Gyroskop und einem mindestens eine Empfindlichkeitsachse aufweisenden Beschieunigungsmeßwerk, die innerhalb eines Behälters vorgesehen sind, der mit einziehbaren Zentrierungsmitteln ausgerüstet, am Ende eines Kabels in das Bohrloch absenkbar und im Bohrloch festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gyroskop (5) zwei Empfindlichkeitsachsen (XJCYY) aufweist, die beide senkrecht zur Achse (ZZ) des Bohrlochs (3) liegen, und an ein Gyrometer gekoppelt ist, und daß das Beschieunigungsmeßwerk (12) ebenfalls zwei Empfindlichkeitsachsen (XX, YY) aufweist, die rechtwinklig zur Achse (ZZ) des Bohrlochs (3) und parallel zu denen des Gyroskops (5) verlaufen.

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, rfaß Mittel (40) zur Berechnung der Komponente (Qz) des irdischen Rotationsvektors gemäß der Achse (ZZ) des Bohrlochs (3) und Mittel (42) zur Berechnung der Neigung (I) der Achse (ZZ) des Bohrlochs (3) gegenüber dem Schwerkraftvektor vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (Dax, 21, 22; Der 31, 32; 40) vorgesehen sind, um die Komponenten (Ωχ, ßyund Qz) des irdischen Rotationsvektors gemäß den Achsen (XX. YYund ZZ) des Bohrlochs im Hinblick auf die BesUnmung des Azimuts des Bohrlochs zu ermitteln.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (43, 44) zur Ermittlung der Veränderung vom Beschieunigungsmeßwerk abgeleiteter Signale (Αχ und Ay) zur Korrektur der Werte vom Gyroskop abgeleiteter Signale (Qx und/oder Ω γ) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach gemäß einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschieunigungsmeßwerk (12) von einem Beschleunigungsmesser mit zwei Sensibilitätsachsen gebildet wird.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschieunigungsmeßwerk (12) von zwei Beschleunigungsmessern mit je einer Sensibilitätsachse gebildet wird.