DE3328722C2 - Bohrlochmeßinstrument zur Bestimmung der Drehorientierung einer Bohrlochsonde - Google Patents

Abstract

Ein Bohrlochmeßinstrument umfaßt eine Sonde (20) mit einer polarisierten Lichteinheit (35, 36, 37) zur Übertragung eines Signals, das die Winkellage der Sonde (20) darstellt, zur Erdoberfläche. Licht von einer Lichtquelle (35) in der Sonde (20) wird durch ein Polarisationsfilter (36) mit einer Polarisationsachse, die zur Sondenlängsachse orthogonal verläuft, gerichtet. Der polarisierte Lichtstrahl wird durch einen Lichtleiter (37) zur Erdoberfläche übertragen. Der Polarisationswinkel wird mit einem umlaufenden Polarisationsfilter (41) erfaßt und liefert ein Maß für die Sondenorientierung. Bei der Vermessung eines Bohrlochs wird das Azimut aus Neigungsmesser-Meßwerten bestimmt. Die Sondenorientierung in Vertikalabschnitten des Bohrlochs wird mit der polarisierten Lichteinheit (35, 36, 37) gemessen. Zwei Meßwerte des Bohrlochazimuts werden kombiniert unter Bildung eines verbesserten Meßwerts des Azimuts in Bohrlöchern, die nahezu vertikal und nahezu horizontal verlaufen.

Description

liefert. Hin Kabelhebezeug zum Senken und Heben der Sonde 20 ist der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Die Sonde 20 weist Mittel auf, die die Bohrlochneigung relativ zum Vertikal- oder Schwerkraftvektor an aufeinanderfolgenden Stellen längs dem Bohrloch messen. Wie noch ersichtlich wird, liefert diese Messung in einem geneigten Bohrloch ausreichende Information, um die Änderung des Bohrlochazimuts von einer Stelle zur nächsten zu bestimmen. Viele Bohrlöcher weisen einen vertikalen Abschnitt, insbesondere den Anfangsabschnitt unter der Erdoberfläche, auf. Die Orientierung der Sonde in einem vertikalen Bohrloch wird unter Anwendung der polarisierten Lichteinheit, die nachstehend erläutert wird, gemessen. Neigung und Orientierung der Sonde bezeichnende Signale werden zur Erdoberfläche durch das Kabel 21 übermittelt und einem Detektor 23 zugeführt Das Ausgangssignal des Detektors wird wiederum einer Datenverarbeitungseinheit 26 zugeführt, die mit einer Tastatur/Sichtanzeige 27 verbunden ist, die für die Dateneingabe zu und Datenausgabe aus der Einrichtung dient.

Die für die Erfindung wesentlichen Elemente der Sonde sind schematisch in F i g. 2 gezeigt. Die Sonde hat ein Gehäuse 30, in dem ein Neigungsmesser 31 positioniert ist, der bevorzugt aus einer orthogonalen Beschleunigungsmesser-Triade 32, 33, 34 besteht, deren Empfindlichkeitsachsen mit X, Y bzw. Z bezeichnet sind. Die Z-Achse koinzidiert mit der Sondenlängsachse. Die X- und die K-Achse definieren eine Ebene, die unter rechten Winkeln zur Z-Achse verläuft Bevorzugt sind die Beschleunigungsmesser, die den örtlichen Schwerkraftvektor messen, servogeregelte Vorrichtungen. Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser bezeichnen den Neigungswinkel des Bohrlochs relativ zur Vertikalen und bei einem geneigten Bohrloch den Roiationswinke! eier Sonde relativ zu einer Vertikalebene durch die Sondenachse. Zwei Beschleunigungsmesser oder andere Winkelbeziehungen könnten ebenfalls verwendet werden, aber der gezeigte Neigungsmesser wird bevorzugt.

Eine Lichtquelle 35 in Form einer Leuchtdiode ist am Oberende der Sonde 20 angeordnet. Ein Polarisationsfilter 36 ist im Gehäuse 30 festgelegt und polarisiert das Licht von der Lichtquelle 35 längs einer Achse, die zur Sondenlängsachse quer verläuft Ein Lichtleiter 37 empfängt polarisiertes Licht vom Filter 36 und leitet es zur Oberfläche. Der Lichtleiter 37 kann in das Kabel 21 des Hebezeugs eingebaut sein. Das Ende 37a des Lichtleiters ist bevorzugt am Ende des Sondengehäuses 30 befestigt Wenn jedoch durch die Rotation der Sonde 20 während der Bewegung durch das Bohrloch das Kabel 21 zu stark verdreht wird, können Kabel und Lichtleiter 37 über eine Kugellagerverbindung (nicht gezeigt) mit dem Sondengehäuse !& verbunden werden.

Während sich die Sonde 20 um ihre Achse dreht, dreht sich die Polarisationsebene des Lichts der LED 35 mit der Sonde. Die durch das Filter 36 definierte Polarisationsebene wird weder durch die Reflexion von Licht beim Durchgang desselben durch den Lichtleiter 37 noch durch ein Verdrehen des Kabels 21 und des Lichtleiters wesentlich modifiziert Infolgedessen bezeichnet die Polarisationsachse des an der Erdoberfläche erfaßten Lichts die Orientierung der Sonde um deren Längsachse.

Das an der Oberfläche durch den Lichtleiter 37 empfangene polarisierte Licht wird einem Lichtmeßfühler 40 zugeführt, der mit dem Detektor 25 verbunden ist Zwischen den Lichtleiter und den Lichtmeßfühler 40 ist ein zweites Polarisationsfilter 41 geschaltet, das von einem Motor 42 drehgetrieben wird.

Die F i g. 3 und 4 zeigen die Bestimmung der Sondcnurieniäerung aus dem polarisierten Licht Bei umlaufer.' dem Filter 41 hat das vom Lichtmeßfühler 40 empfangene Licht einen Höchstwert, wenn die Polarisationsachsen der Filter koinzident sind, und einen Niedrigstwert, wenn die Achsen um 90° zueinander versetzt sind. Die Kurven von F i g. 3 und F i g. 4 zeigen die Amplitude des empfangenen Lichts bzw. des Meßfühlersignals als eine Funktion der Winkellage des Filters 41. In Fig.3 ist die Polarisationsachse des Filters 36 mit derjenigen des Filters 41 bei 0° ausgerichtet. Signalhöchstwerte treten bei 0° und 180° auf. Signalniedrigstwerte treten für das Filter 41 bei 90° und 270° auf. In F i g. 4 ist die Sonde 20 um 90° zu ihrer Drehlage von F i g. 3 versetzt Wenn die Filterscheibe 41 sich bei 0° befindet, hat die Signalamplitude ihren Niedrigstwert, und dieser Zustand wiederholt sich, wenn sich die Filterscheibe bei 180" befindet Signalhöchstwerte treten bei 90° und 270° auf.

Bei der Bohrlochmessung wird die Sonde am Oberende des Bohrlochs 22 relativ zu einem bekannten Azimutwert orientiert Die Winkelbeziehung zwischen dem Ausgangssigna] des Meßfühlers 40 und dem umlaufenden Filter 41 wird aufgezeichnet Während sich die Sonde durch das Bohrloch bewegt, wird die Drehlage der Sonde mit der Entfernung 1 der Sonde entlang dem Bohrloch korreliert Es ist nur erforderlich, daß die Winkelgeschwindigkeit des umlaufenden Filters 41 erheblich höher als die Winkelgeschwindigkeit der Sonde ?0

Signale, die die Ausgangswerte des Meßfühlers 40 und die Winkellage der Filterscheibe 41 bezeichnen, werden dem Detektor 25 zugeführt, der den Phasenwinkel des Signals in bezug auf die Winkellage des Filters 41 erfaßt und die Drehlage der Sonde 20 bestimmt Die relative Differenz zwischen Signaispitzen und Nulldurchgängen kann s>ch mit den Systembedingungen ändern, aber der Phasenwinkel ändert sich nicht Grundsätzlich ist das Signal eine einweggleichgerichtete Sinuskurve mit einer Vorgleichspannung. Der Detektor 25 umfaßt z. B. eine Datenverarbeitungseinheit, die an das Detektorsignal eine Fourier-Kurvenanpassung anlegt Der Grundfrequenzanteil des Signals beträgt das Zweifache der Scheibenrotation. Variable Terme in der Fourier-Darstellung des Signals können vernachlässigt werden. Der Phasenwinkel des Signals identifiziert in spezieller Weise die Sondenorientierung.

Die Bestimmung der Scndenlage im Bohrloch aufgrund der Signale, die die Orientierung der Sonde um ihre Längsachse, die Entfernung im Bohrloch und die Orientierung der Sonde relativ zur Schwerkraft darstellen und vom Neigungsmesser 31 stammen, wird in Verbindung mit den F i g. 5,6 und 7 erläutert Nach F i g. 5 verläuft das Bohrloch 22 von der Erdoberfläche nach unten. Ein dreidimensionales Koordinatensystem /V(Nord), £(Ost) und C (Schwerkraft) hat seinen Ursprung am Schnittpunkt des Bohrlochs mit der Erdoberfläche. Die lokale Fläche kann als eben angesehen werden. Wenn die Sonde 20 an einem Punkt /positioniert ist, mißt der Neigungsmesser 31 den Winkel ^zwischen der quer verlaufenden Bezugsachse der Sonde, d. h. der Polarisationsachse des Filters 36, und der Vertikalebene 45, die die Sondenlängsachse enthält Der Winkel φ ist zwischen der Polarisationsachse des Filters 36 (die auch als die quer verlaufende Bezugsachse der Sonde bezeichnet wird) und einer zur

Sondenlängsachse senkrecht verlaufenden Geraden 46, die in der Vertikalebene 45 liegt, angegeben. Der $

Neigungswinkel / der Sonde und des Bohrlochs am Punkt/ ist als der Winkel zwischen einer Verlängerung der $

Längsachse 47 dor Sonde und der Vertikallinie 48 in der Ebene 45 gezeigt. $

Der Schnittpunkt der Vertikalebene 45 mit der Erdoberfläche definiert eine Gerade 49, deren Orientierung fj

das Azimut des Bohrlochs am Punkt /ist. Der Azimutwinkel A wird im Uhrzeigersinn von Nord gemessen, wobei 5 $, die Erdoberfläche von oben gesehen wird. H

D^i Neigungswinkel / wird aus den Beschleunigungsmessersignalen des Neigungsmessers 31 errechnet. Ebenso· wird an jeder Stelle, an der die Bohrlochachse nicht vertikal verläuft, der Winkel aus den Beschleunigungsmessersignalen errechnet. Wenn jedoch die Bohrlochachse vertikal verläuft, gibt es keine spezielle Vertikalebene, und der Winkel ψ ist nicht definiert. Ein typisches Bohrloch hat einen vertikalen Anfangsabschnitt, und beim Durchlaufen eines solchen Vertikalabschnitts wird der Detektor für die Erfassung der Drehorientierung durch polarisiertes Licht benutzt. Wie erwähnt, werden zu Beginn eines Meßvorgangs die Sondenorientierung und der Phasenwinkel des polarisierten Lichtsignals aufgezeichnet. Änderungen der Rotationsorientierung der Sonde während der Abwärtsbewegung durch einen vertikalen Bohrlochabschnitt werden aufgezeichnet. Wenn die Sonde den vertikalen Bohrlochabschnitt verläßt, ist ihre Orientierung bekannt und bildet die Basis für eine weitere Bestimmung des Bohrloch-Azimuts.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Winkel ψ aus den Beschleunigungsmessersignalen bestimmt wird. In der eingangs genannten US-Patentanmeldung von Liu ist angegeber., daß der Winke! ψ und das Bchrlochazirnut miteinander in Beziehung stehen. Die Beziehung ist implizit in einer Serie von Matrixoperationen enthalten, aus denen eine Darstellung der Bohrloch-Bahnkurve abgeleitet wird. Eine explizite Angabe der Beziehung ist die Grundlage des Verfahrens der Bestimmung des Bohrlochazimuts entsprechend der hier angegebenen Einrichtung.

F i g. 7 zeigt zwei aufeinanderfolgende Bohrlochpunkte /und / + 1, und es sei angenommen, daß der Bohrlochabschnitt zwischen den beiden Punkten eine ebene Kurve ist. Dies gilt bei einem Bohrloch nicht immer, ist jedoch eine annehmbare Näherung und kann so genau wie erwünscht gemacht werden, indem sehr kleine Entfernungen zwischen den Punkten gewählt werden. Die Ebene P-, ist eine Vertikalebene, die die Längsachse der Sonde am Punkt /enthält. Die Ebene P, hat einen Azimutwinkel Aj, und die Neigung der Sonde am Punkt /ist h Die Ebene P, _+t ist eine Vertikalebene, die die Längsachse der Sonde am Punkt / + 1 enthält. Die Ebene R enthält die ebene Bohrlochkurve vom Punkt /zum Punkt / + 1.

Γ „τ Vektor j ist ein Einheitsvektor im Koordinatensystem der Sonde, der ursprünglich mit der E- Achse des globalen Koordinatensystems ausgerichtet ist Durch Anwendung des Verfahrens Eulerscher Winkel kann gezeigt werden, daß die Komponenten des Einheitsvektors j im globalen Koordinatensystem folgende sind:

N = —cos Acos /sin φ— sin Acos ψ

E = —sin /kos /sin ψ+ cos Acos φ G = sin /sin ψ

In F i g. 7 ist der Einheitsvektor j an beiden Punkten / und / + 1 gezeigt und um einen Winkel θ aus den jeweiligen Vertikalebenen Pj und P₊1 gedreht, so daß die Vektoren senkrecht zu der Ebene der Bohrlochkurve an beiden Punkten verlaufen. Die beiden Einheitsvektoren haben dann die gleiche Richtung und somit die gleichen Komponenten im JVEG-Koordinatensystem. Somit gilt:

N = —cos A/cos Ißin Θ,—sin Apos Θ-, = — cosy4,₊icos//+isin θ;+\— sin/4/-ηcos θ+\ E = — sin Aicos //sin Θ-,+cos Apos Θ; — sin A,+icos /,·+1 sin Θ,+1 + cos A,+ icos Θ,+1 G = sin Iß\n Θ,- = sin /,+isin θ,+\

Die Änderung der Azimut-Winkels vom Punkt /zum Punkt /+1 kann ausgedrückt werden als /1;= Ai₊X-A;

Durch lineare Kombination der N- und Ε-Gleichungen sind zwei neue Gleichungen, ausgedrückt als A₁. ableitbar:

fein θί— sin4cos Θ,- = cos /,+ism ft+i

55 sin //,cos /,sin ft+cos //,cos θί = cos θ,+\

Ein Winkel/,ist wie folgt definiert:

Yi = ψί+1—ψί = θϊ+l — θί

Die vorstehenden Gleichungen können mit der Gleichung für die G-Komponenten des Einheitsvektors kombiniert werden:

[cos //sin /,+lSin ^,]cos Δ-,—[sin /;—sin i+icos γ&η Δ; = sin //cos /,+isin y,

[sin /,—sin /,+icos ^/]cos Δ-, + [cos /; sin /,+isin #]sin Δ, = sin //cos /,—sin /,·+1

Wenn man diese Gleichungen für sin Δ·, und cos Ai auflöst und die eine durch die andere dividiert unter Erhalt von tan Δ* erhält man die folgende Beziehung:

. , _ _ι Γ (cos/, + cos I₁₊1) siny, Ί

^/+l ' L sin/,sin/,+1 - (1 + cosZ/COs/y+i)cosy, J'

Somit kann die Änderung des Azimutwinkels zwischen aufeinanderfolgender Punkten des Bohrlochs aus den Neigungsmesser-Meßwerten an den beiden Punkten bestimmt werden.

Wie vorstehend angegeben wurde, wird die Orientierung der Sonde 20 direkt an der Erdoberfläche erfaßt, to Dann wird die Sonde durch das Bohrloch abgelassen. Solange die Bohrlochachse vertikal ist, wird die Sondenorientierung um ihre Längsachse unter Verwendung der polarisierten Lichteinrichtung gemessen. An dem Punkt, an dem das Bohrloch von der Vertikalen abweicht, werden Änderungen des Azimuts durch aufeinanderfolgende Berechnungen von Ji bestimmt, und der Azimutwinkel an jedem Punkt wird dadurch bestimmt, daß die Azimutwinkel-Inkremente addiert werden. Wenn die Sonde auf einen weiteren vertikalen Bohrlochabschnitt trifft, wird die Sondenorientierung um ihre Längsachse während des Durchlaufens des vertikalen Abschnitts durch die polarisierte Lichteinrichtung bestimmt

Unter der weiteren Annahme, daß die Bohrlochkurve zwischen Punkten glatt ist und daß die Punkte so gewählt sind, daß sie sehr nahe beieinanderüegen, so daß ψ,—ψ,+ \ ein kleiner Winkel ist, und wenn

// - /i+i,

dann ist

COS/,

Diese Beziehung ist nützlich, um sich das Verhalten der Meßeinrichtung vorzustellen, und ist in manchen Anwendungsfällen ausreichend genau für tatsächliche Messungen.
Die vorstehend erläuterte Einrichtung ist einfacher als die in der Anmeldung von Liu angegebene, und zwar insofern, als sie nur einen anstatt zwei Neigungsmesser verwendet und die Sonde ein einziges kompaktes Gehäuse ist anstatt zwei Gehäuse, die durch einen Verbindungsabschnitt verbunden sind, der zwar entlang der Bohrlochachse biegsam ist, jedoch einer Drehung zwischen den Gehäusen um die Bohrlochachse widersteht Dies sind vom mechanischen Standpunkt bedeutende Unterschiede. Ein wichtigerer Unterschied liegt jedoch bei der hier angegebenen Einrichtung bzw. dem Verfahren in der Art des Bohrlochazimuts. Bei den vorgenannten bekannten Einrichtungen summieren sich Meßfehler, so daß die Genauigkeit der Messungen mit steigender Anzahl abnimmt. Bei der Vorliegenden Einrichtung werden Fehler aufgehoben, so daß der Fehler in jeder Azimutmessung eine Funktion der Differenz zwischen dem ursprünglichen Azimut und dem letzten Meßwert ist. Es können zehntausende von Messungen bei der Vermessung eines Bohrlochs durchgeführt werden, so daß der Genauigkeitsunterschied der beiden Einrichtungen sehr bedeutsam ist

Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist, daß die Genauigkeit der beiden bekannten Einrichtungen in vertikalen oder nahezu vertikalen Bohrlöchern abnimmt Bei der vorliegenden Einrichtung kann die Messung des Anfangs-Azimuts vollkommen genau sein, und die Polarisationslichteinrichtung zur Erfasung der Sondenrotation minimiert etwaige Fehler, die während des Durchgangs der Sonde durch ein vertikales Bohrloch eingeführt werden.

Die Genauigkeit der vorliegenden Einrichtung nimmt jedoch ab, wenn sich das Bohrloch der Horizontalen nähert, wobei cosl nach Null geht Wenn ein Bohrloch mit einem Horizontalabschnitt vermessen werden soll, wird die Einrichtung von F i g. 1 mit dem Instrument von Hulsing (Serial-Nr. 224 789) gemäß F i g. 8 kombiniert Dabei ist die Sonde 55 an einem Kabel 56 aufgehängt und in das Bohrloch 57 abgelassen. Die Sonde 55 umfaßt zwei Glieder 58, 59, die mittels einer biegsamen Kupplung 60 verbunden sind, wie sie in der genannten

so US-Patentanmeldung beschrieben ist Das obere Sondenglied 58 enthält einen Neigungsmesser und eine polarisierte Lichtquelle entsprechend F i g. 2. Die biegsame Kupplung 60 weist Mittel zur Erzeugung von Signalen auf, wobei diese den Winkel zwischen den beiden Sondengliedern darstellen. Die verschiedenen Signale werden zur Erdoberfläche durch das Kabel 56 übertragen und an einen Empfänger/Detektor/Prozessor-Block 62 angelegt Die Signale der Polarisationslichteinrichtung und des Neigungsmesser? werden verarbeitet unter Erzeugung eines ersten Meßwerts für das Azimut A, der in einem vertikalen Bohrloch einen hohen Genauigkeitsgrad hat Signale vom Neigungsmesser und von der Kupplung 60 werden verarbeitet unter Erzeugung eines zweiten Meßwerts für das Azimut A' der in einem horizontalen Bohrloch einen hohen Genauigkeitsgrad und in einem vertikalen Bohrloch einen weniger hohen Genauigkeitsgrad hat Die Azimutsignale A und A'werden in einem Mittelungsglied 63 nach Maßgabe der Sondenneigung /kombiniert unter Erzeugung eines zusammengesetzten Azimutsignals A_sm wobei

A„_c = Acos / + Λ'(1 — cos I).

Signale von den verschiedenen Meßfühlern in der Sonde werden zur Erdoberfläche bevorzugt in digitaler Form durch Amplitudenmodulation des polarisierten Lichtstrahls übermittelt Die Einrichtung zur Durchführung dieses Vorgangs ist in F i g. 9 in Blockform gezeigt Die verschiedenen Meßfühler, z. B. Beschleunigungsmesser 32,33 und 34 sowie die Winkelmeßfuhler der Kupplung 60 von F i g. 8 sind in einem Block 65 zusammengefaßt Die Ausgangssignale der Meßfühler werden einzeln von einem Multiplexer ausgewählt und einer

Analog-Digital-Umsetzung unterworfen, was in Block 66 stattfindet Die seriellen Digitalsignale werden einer Lampe 35 zugeführt und modulieren die Intensität des Lichtstrahls. Das Signal vom Lichtmeßfühler 40 hat den bei 67 gezeigten Verlauf; in der Praxis kann allerdings die Folgefrequenz der Digitalsignale das Vielfache der gezeigten Folgefrequenz betragen. Das Signal vom Lichtmeßfühler 40 wird sowohl dem Sondenwinkel-Detektor 68 als auch einem Digitalsignal-Detektor 69 zugeführt. Die Ausgangssignale der Detektoren werde *. eiaer 5 Datenverarbeitungseinheit 70 zugeführt Wenn die relativen Amplituden des gleichgerichteten Sinussignals und der Digitalimpulse derart sind, daß die Digitalsignale beim Nulldurchgang des Analogsignals verlorengehen, kann die Digitalinformation nur während des Auftritts der Spitzen der Sinuswellen gelesen werden. In diesem Fall können die jeden Meßfühlerausgang bezeichnenden Digitalsignale wiederholt werden, um einen Verlust von Meßfühlerinformation zu vermeiden. io

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Bohrlochmeßinstrument mit einer an einem Kabel gehalterten Sonde zum Durchlaufen eines Bohrlochs, wobei die Sonde eine Längsachse hat und um diese während des Durchlaufens des Bohrlochs drehbar ist einer Einrichtung zur Bestimmung der Sonderorientierung um ihre Längsachse, einem Signalleiter zwischen Sonde und Erdoberfläche und Einrichtungen zur Erfassung von Signalen, die von der Sonde durch den Signalleiter zur Erdoberfläche geleitet werden, dadurchgekennzeichnet, daß

— in der Sonde (20) eine polarisierte elektromagnetische Strahlungsquelle (35, 36) zur Erzeugung eines ίο polarisierten Signals, dessen Polarisationsachse quer zur Sondenlängsachse und in unveränderlicher

Beziehung zur Sonde verläuft, vorgesehen ist

— der Signalleiter (37) zur Übertragung des polarisierten Signals zur Erdoberf) äche hin ausgebildet ist, und

— die Erfassungseinrichtung (40,41,42,25) zur Erfassung der Polarisationsebene des vom Signalleiter (37) empfangenen Signals ausgebildet ist

2. Bohrlochmeßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die polarisierte Signalquelle eine Lichtquelle (35) und ein Polarisationsfilter (36), die an der Sonde (20) befestigt sind, umfaßt

3. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalleiter (37) ein Teil des Sondenkaixls (21) ist

4. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Polarisationsebene des empfangenen Lichts aufweist:

einen Lichtmeßfühler (40), ein zwischen dem Ende des Signalleiters (37) und dem Lichtmeßfühler (40) angeordnetes Polarisationsfilter (41), einen Motor (42), der das FDter (41) drehantreibt zur Modulation des auf den Lichtmeßfühler (40) auftreffenden Lichts, und ein Glied (25), das die Sondenorientierung aus dem Phasenwinkel des modulierten Lichts relativ zu der Rotation des letztgersannten Polarisationsfilters (41) bestimmt

5. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Sonde (20) ein Gehäuse (30) und

— einen im Gehäuse (30) angeordneten Neigungsmesser (31) aufweist und

— die polarisierte clektroa/agnetische Strahlungsquelle (35, 36) am Gehäuse (30) festgelegt ist und ein polarisiertes SigrrJ erzeugt, dessen Polarisationsachse orthogonal zur Gehäuselängsachse verläuft wobei die Polarisationsac .se des Signals ein Maß für die Gehäuseorientierung als Bezugswert für den Neigungsmesser (31) liefert

6. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die polarisierte elektromagnetische Strahlungsquelle eine Lichtquelle (35) und ein Polarisationsfilter (36), die am Gehäuse (JfO) befestigt sind, umfaßt, und daß der Signalleiter ein Lichtleiter (37) ist

7. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen Meßfühler (65) in der Sonde (55), dessen Ausgangssignal einen erfaßten Zustand bezeichnet, eine Einheit (35), die die Intensität des Lichtstrahls nach Maßgabe des Ausgangssignals des Meßfühlers moduliert und Glieder (68, 69), die die Intensitätsmodulation des vom Lichtleiter empfangenen Lichtstrahls erfassen.

8. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Meßfühlers ein Analogsignal ist, wobei das Instrument einen Analog-Digital-Umsetzer (66), der auf das Analogsignal anspricht, sowie Mittel zur Amplitudenmodulation der Intensität des Lichtstrahls nach Maßgabe des digitalen Meßfühlersignals aufweist

9. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl Meßfühler (65) sowie einen Multiplexer (66), der die Intensität des Lichtstrahls nach Maßgabe von sequentiell ausgewählten Meßfühler-Ausgangssignalen moduliert.

so

10. Bohriochmeßinstrument nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der

Meßfühler (65) Analogsignale sind und daß das Instrument einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist, der auf die sequentiell von dem Multiplexer ausgewählten analogen Meßfühler-Ausgangssignale anspricht

11. Verfahren zur Bestimmung einer Azimutdifferenz an aufeinanderfolgenden Punkten längs einem Bohrloch, das ein Bohriochmeßinstrument gemäß dem Anspruch 1 verwendet gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Bewegen einer einen Neigungsmesser enthaltenden Sonde (20) durch das Bohrloch;
Messen des Neigungswinkels zwischen der Schwerkraftrichtung und der Bohrlochachse an zwei aufeinanderfolgenden Punkten längs des Bohrlochs;
Erzeugen einer polarisierten elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Sonde (20), wobei die Polarisationsachse quer zur Längsachse der Sonde (20) in einer festen Beziehung zur Sonde liegt;

Messen des Winkels zwischen der Schwerkraftrichtung und der Polarisationsachse an zwei aufeinanderfolgenden Punkten des Bohrlochs;

Übertragung des polarisierten Signals zum oberen Ende des Bohrlochs; und
Berechnen der Differenz des Bohrlochazimuts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten aus den vier zuvor bestimmten Winkelmeßwerten.

12. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz 4 des Bohrlochazimuts zwischen aufeinanderfolgenden Punkten /und / + 1 nach folgendem Ausdruck erfolgt:

_{Aj = ctg} Γ (cos/,+ cos/,+1)siny,

γ]

- (1 + cos/,cos/_/+1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrlochmeßinstrument zur Bestimmung der Drehorientierung einer Bohrlochsonde während ihrer Bewegung durch ein vertikales Bohrloch sowie auf ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Bohrlochazimuts.

Aus der DE-OS 31 35 743 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Bohrlochs bekannt Eine Fühlersonde mit zwei beabstandeten Sätzen von Beschleunigungsmessern mißt Komponenten des Schwerkraftvektors entlang orthogonalen Achsen in aufeinanderfolgenden Positionen entlang des Bohrlochs. Die beiden Sätze der Beschleunigungsmesser sind beispielsweise durch ein Rohr zusammengefügt, das flexibel gegenüber Verbiegung und gegenüber Torsion steif ist Die Winkelorientierung der beiden Beschleunigungsmessersätze zueinander um die Bohrlochachse wird durch das Verbindungsrohr so festgelegt, daß jede Differenz in der Orientierung der beiden Sätze eine Funktion des lokalen Verlaufs des Bohrlochs ist Zwei Sätze von Beschleunigungsmesser-Ausgangssignalen, die Schwerkraftvektorkomponenten in Positionen darstellen, die entlang der Achse des Bohrlochs beabstandet sind, werden benutzt und die Bohrlochneigung in jeder Position sowie -die Änderung im Bohrloch-Azimutwinkel zwischen den Positionen der Beschleunigungsmessersätze abzuleiten. Die Beschleunigungsmessersignale werden zusammen mit einem Signal, das die Position der Sonde längs des Bohrlochs darstellt, gemischt um eine dreidimensionale Darstellung des Bohrlochverlaufs hinsichtlich eines Bezugspunktes zu liefern, der das Ende des Bohrlochs an der Oberfläche sein kann.

Es ist erforderlich, die Sondenorientierung zn messen, um einen Bezugswert für die Neigungsmesscr-Meßwerte zu erhalten, so daß das Bohrlochazimut bestimmt werden kann. Aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 32 30 889 ist es bekannt, die Orientierung mit einem Kreiselinstrument zu messen. Dabei treten die die Zuverfässigkeit beeinträchtigenden Beschränkungen auf, die die Genauigkeit verschlechtern und zu hohen Kosten beitragen.

Dabei wird ein Gerät beschrieben, das drei Azimutmeßphasen hat Die erste Phase stellt ein Kalibrierverfahren dar, das am Bohrlochanfang nötig ist Die zweite Meßphase wird bei Inklinationen des Bohrlochs von 0 bis 45° verwendet Dabei ist wichtig, daß die Azimutbestimmung während der zweiten Phase in der DE-OS 32 30 889 nicht genau beschrieben wird. Die dritte Meßphase wird bei Bohrlochinklinationen über 45° verwendet Der Azimutwinkel wird als ein Integral einer Azimutänderung berechnet Eine Kombination von Azimutwinkeln gemäß dem vorliegenden Verfahren ist aus der DE-OS 32 30 889 nicht bekannt

Die FR-PS 24 97 870 zeigt ein Bohrlochmeßinstrument, das mehrgliedrige Sonden zusammen mit Mitteln zur Bestimmung der inkrementellen Azimutänderungen während der Bewegung der Sonde durch das Bohrloch verwendet Diese Instrumente machen zwar das Kreiselinstrument oder das Magnetometer überflüssig, sind jedoch mit anderen Nachteilen behaftet, z. B. einer großen Sondenlänge und einer Summierung des Meßfehlers, wodurch die Meßgenauigkeit verringert wird.

Die FR-PS 24 97 870 erwähnt, daß bei Bohrlöchern, die nahezu horizontal verlaufen, durch die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der DE-OS 31 35 753 nur schwerlich ein genauer Azimutwert ableitbar ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bohrlochmeßinstrument zur Bestimmung der Drehorientierung einer Bohrlochsonde sowie ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Bohrlochazimuts zu ermöglichen, wobei auch wenn die Sonde einen vertikalen oder horizontalen Bohrlochabschnitt durchläuft, die Sondenorientierung erfaßt werden kann.

Die obige Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in seinem kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst

Die Urfceransprüehe 2 bis 10 kennzeichnen jeweils vorteilhafte Ausbildungen davon.

Ein Verfahren zur Bestimmung des Bohrlochazimuts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 wird durch die in seinem Kennzeichen angegebenen Merkmale gelöst

Der Anspruch 12 schließlich kennzeichnet die genaue Berechnung der Differenz des Bohrlochazimuts zwischen aufeinanderfolgenden Punkten des Bohrlochs.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß auch bei vertikal und bei horizontal verlaufenden Bohrlöehern ein 3ohrlochazimut mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm der Einrichtung nach der Erfindung mit einem Schnitt durch ein Bohrloch, in das eine Sonde eingeführt ist,

F i g. 2 eine diagrammatische Teildarstellung der Sonde, wobei die polarisierte Lichtquelle und ein Neigungsmesser gezeigt sind,

F i g. 3 und 4 Diagramme, die die Erfassung der Winkellage der Sonde zeigen,

F i g. 5 bis 7 geometrische Diagramme, die für die Beschreibung der Bestimmung des Bohrlochazimuts verwendet werden,

F i g. 8 ein Diagramm eines Bohrlochmeßinstruments mit Mitteln zur Ableitung und zum Kombinieren von μ zwei Meßwerten des Bohrlochazimuts, und

F i g. 9 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Übermittlung von Meßfühlerinformation zur Erdoberfläche durch Amplitudenmodulation des polarisierten Lichtstrahls.

Bei der Meßeinrichtung nach Fig. 1 ist an einem Kabel 21 eine Sonde 20 aufgehängt, so daß sie durch eiri Bohrloch 22 bewegbar ist. Die Sonde 20 ist im Bohrloch durch geeignete Abstandselemente 23 zentriert, so daß die Sondenlängsachse u;i Bohrloch mittig verläuft und als mit der Bohrlochachsc übereinstimmend bezeichnet werden kann. Die Sonde 20 kann sich während der Bewegung durch das Bohrloch frei drehen. Das Kabel 21 läuft auf einer umlaufenden Scheibe ab, die ein Maß 1 für die Entfernung der Sonde in Bohrlochabwärtsrichtung