DE3406096C2

DE3406096C2 - Bohrlochmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3406096C2
Application number: DE3406096A
Authority: DE
Inventors: Daniel O. Seattle Wash. Molnar
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1984-02-20
Publication date: 1986-10-30
Also published as: SE8400800D0; NO840482L; FR2541366A1; GB8404440D0; SE8400800L; GB2135783B; DE3406096A1; ZA841151B; IT8447718A0; IL70901A0; CH658296A5; JPS59159012A; HK64487A; GB2135783A; BE898973A; FR2541366B1; CA1211506A; IL70901A; AU2426984A; NL8400558A

Abstract

Zur Verbesserung der Genauigkeit von Bohrlochmeßeinrichtungen, die Sonden mit Trägheitskomponenten einschließlich Neigungsmessern verwenden, sind zwei ringförmig angeordnete Laser-Gyroskope vorgesehen, die Rotationsinformation für das System erzeugen. Wenn die Sonde (18) in einem Bohrloch bewegt wird, dient die Neigungsmesser-Information zur Erzeugung eines synthetischen Rotationssignals, das ein drittes Gyroskop ersetzt, und die Erdrotation dient einem ähnlichen Zweck in Verbindung mit Signalen von den beiden Ringlaser-Gyroskopen (42, 44), wenn die Sonde (18) angehalten ist. Die Geschwindigkeit des Drahtseils wird in Verbindung mit der Information von den Neigungsmessern (32, 34, 36) und den Gyroskopen (42, 44) zur Erzeugung von Signalen genutzt, die die Geschwindigkeit und die Lage der Sonde bezeichnen. Koordinaten-Transformationen erfolgen in der Sonde, so daß die Trägheitssignale und die Drahtseil-Geschwindigkeitssignale in ein erdbezogenes Koordinatensystem transformiert werden. Eine Filterung mit Kalman-Filtern umfaßt nicht auf der Trägheit beruhende Geschwindigkeitsdaten, wodurch die Auswirkung von Fehlern, die bei der Erzeugung verschiedener Eingangssignale für das System naturgemäß vorhanden sind, verringert wird.

Description

- eine Logik (78), die aufgrund der BeschJeunigungssignale (50,52,54) und des Bewegungssignals (V¹") bei bewegter Sonde (18) ein erstes synthetisches Winkelrotationssignal (80) erzeugt, das die Winkelrotation der Sonde (18) um eine von zwei vorgegebenen Rotationsachsen (ω*, <u*) verschiedene dritis Rotationsachse (<»£) darstellt;

- ei&& Logik (66), die aufgrund der Winkelrotationssignale (©j, ©*) und des Bewegungssignals (V¹") bei iü unbewegter Sonde (18) sin zweites synthetisches Winkelrotationssigna! (72) erzeugt, das die Winkel-

rotation der Sonde (18) um die dritte Rotationsachse (©£) angibt;

- eine Iransformationslogik (64), die aufgrund der Winkelrotationssignale (56, 58) und eines synthetischen Winkelrotationssignals (72 bzw. 80) die Sondenbewegung bezeichnende Signale von einem sondenbezogenen Koordinatensystem in ein erdbezogenes transformiert;

- eine erste Recheneinheit (104), die mit der Transformationslogik (64) und den Beschleunigungsfühlern (32, 34, 36) gekoppelt ist und die die Beschleunigungssignale (50, ·32, 54) in eine erste Gruppe von Geschwindigkeitssignalen (V¹-), nach Durchlauf durch ein Integrationsglied (114), umsetzt;

- eine zweite Recheneinheit (124,128), die in Verbindung mit der Transformationslogik (64) das Bewegungssignal (^) in eine zweite Gruppe von Geschwindigkeitssignalen (F*) umsetzt; und

- eine;¹ Vergleicher (140), der die erste Gruppe von Geschwindigkeitssignalen (F* auf Bus 116) mit denen der zweiten Gruppe (&*) vergleicht und ein Fehlersignal (141) erzeugt, das Filter (142) ansteuert, die aufgrund des Fehlersignals (141) Fehlerkompensationssignale, insbesondere zur Korrektur der Geschwindigkeitssignale (V¹-) un<i der aus diesen errechneten, erdbezogenen Lagekoordinaten (R) abgeben.

2. Bohrlochmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (142) als Kaiman-Filter ausgebildet sind.

3. Bohrlochmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (18) einen Speicher (48) enthält, in dem Kaiman-Verstärkungskoeffizienten (K) für die Kaiman-Filter (Λ42) speicherbar sind.

4. Bohrlochmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (18) eine Recheneinheit zur Berechnung der Kaiman-Verstärkungskoeffizienten (K) für die Kaiman-Filter (142) aufweist.

5. Bohrlochmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logik (66) für das zweite synthetische Winkelrotationssignal (72) eine Signalquelle (68) zur Darstellung der Winkelrotation der Erde aufweist.

6. Bohrlochmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationslogik (64) eine Signalquelle (68) zur Darstellung der Winkelrotation der Erde aufweist.

Die Erfindung betrifft eine Bohrlochmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei vielen bekannten Bohrlochmeßeinrichtungen wird eine Sonde eingesetzt, die Beschleunigungs- oder Neigungs-Meßinstrumente in Verbindung mit Azimut- oder Richtungsbestimmungs-Instrumenten, z. B. Magnetomeiern, enthält. Beispiele solcher Einrichtungen sind in den US-PS 38 62 499 und 43 62 054 angegeben, die Bohrlochmeßeinrichtungen zeigen, die einen Neigungsmesser verwenden, der aus drei Beschleunigungsmes- ψ sern zur Messung der Abweichung des Bohrlochs von der Vertikalen sowie einem Dreiachsen-Magnetometer

|j für die Azimut-Bestimmung besteht. Derartige Einrichtungen unterliegen Fehlern, die aus einer Anzahl Fakto-

$ ren einschließlich Änderungen des Magnetfelds der Erde resultieren, welche durch die Art der Erdschichten

Il 65 bedingt sind, durch die die Sonde bewegt wird. Ferner gibt es eine Anzahl Einrichtungen, die anstelle der ^ Magnetometer für die Richtungs- oder Rotationserfassung kardanisch aufgehängte oder festmontierte mecha-

r|| nische Gyroskope verwenden. Wegen ihrer Empfindlichkeit gegenüber Stoßen und Schwingungen liefern

in mechanische Gyroskope jedoch nicht die für Bohrlochmeßeinrichtungen erwünschte Genauigkeit und Zuver-

lässigkeit. Mechanische Gyroskope unterliegen femer Drift- und Präzessionsfehlern und erfordern zu ihrer Stabilisierung erhebliche Beruhigungszeiten. Außerdem sind diese Einrichtungen mechanisch kompliziert aufgebaut und teuer.

Eine Möglichkeit zur Verringerung der Fehler, die bei Trägheits-Messungen der Sondenlage in einem Bohrloch unvermeidlich sind, ist der Einsatz von Kaiman-Filtern. Bisher ist jedoch der Einsatz von Kaiman-Filtern auf eine Ausrichtung der Sonde, wenn diese im Bohrloch angehalten ist, beschränkt und wurde nicht dynamisch für eine Verringerung von Fehlern eingesetzt, die bei Messungen auftreten, während sich die Sonde durch das Bohrloch bewegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Bohrlochmeßeinrichtung, die unter Verwendung von Kaiman-Filtern bei bewegter Bohrlochsonde die auftretenden Meßfehler verringert.

Diese Aufgabe wird srfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist dabei ein Kaiman-Filter vorgesehen, das die dynamischen Abweichungen einer Nullbewegung senkrecht zum Bohrloch dazu nutzt, Fehler in der Beschleunigungs-, Winkelverschiebungs- und Ausrichtungsinformation, die zur Erzeugung der Geschwindigkeits- und Lagesignale genutzt wird, auszugleichen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Einrichtung nach der Erfindung, wobei der Schnitt durch ein Bohrloch eine mit der BohrlochmeBeinrichtung verwendete Sonde zeigt; Fig. la eine Perspektivansicht der Sondrnbauteile; und

F i g. 2 ein Logikdiagramm, das die logischen Schaltungen zum Errechnen der Sondenlage im Bohrloch zeigt.

Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Umgebung für die bevorzugte Ausführungsform der Bohrlochmeßeinrichtung. Ein Bohrloch 12 erstreckt sich unter der Erdoberfläche 10 und ist mit mehreren Bohrloch-Futterrohren 14 und 16 ausgekleidet In das Bohrloch 12 ist eine Sonde 18 eingeführt, die mit einer Kabeltrommel 20 über ein Kabel 22 verbunden ist, das über eine oberirdische Seilscheibe 24 abläuft. Das Kabel 22 dient dem Ablassen der Sonde 18 durch das Bohrloch 12 und ist gleichzeitig ein Übertragungsmedium für die Übertragung von Daten von der Sonde 18 zu einer oberirdischen Signalverarbeitungseinheit 26. Eine weitere Signalübertragungrleitung 28 kann dazu verwendet werden, eine Anzeige für die in das Bohrloch 12 abgelassene Kabellänge zu liefern und Daten vom Kabel 22 zur Signalverarbeitungseinheit 26 zu übertragen. Bei der Einrichtung nach F i g. 1 wird die Information zu und von der Sonde 18 zwar über das Kabel £2 übertragen, Information kann jedoch oberirdisch auch durch andere Mittel wie etwa Druckimpulse übertragen werden, wobei digitale Daten durch Bohrschlamm bei einem während des Bohrvorgangs ablaufenden Meßvorgang übertragen werden. Die Information kann auch in einem in der Sonde befindlichen Speicher gespeichert und später entnommen und ausgewertet werden.

Nach Fig. 1 a ist in der Sonde 18 ein dreiachsiges Beschleunigungsmesser-Paket mit drei Beschleunigungsmessern 32, 34 und 36 befestigt. Die Beschleunigungsmesser 32, 34 und 36 sind mit ihren Empfindiichkeitsachsen entsprechend dem Sondenkörper orientiert, wie durch das Koordinatensystem 38 angedeutet ist. In dem Sondenkörper-Koordinatensystem verläuft die jc-Achse entsprechend x* entlang dem Bohrloch, und die.y-Aohse entsprechend./ und die z-Achse entsprechend 2* sind relativ zur x*-Achse orthogonal.

Die Sonde 18 enthält ferner eine Lasergyroskop-Einheit 4f? mit zwei Lasergyroskopen 42 und 44. Das erste Lasergyroskop 42 ist in der Sonde so orientiert, daß es die Winkelrotation bzw. -verschiebung der Sonde um die jA-Achse mißt, wobei die so gemessene Winkelrotation <a* bezeichnet ist. Ebenso ist das zweite Lasergyroskop 44 in der Sonde 18 so befestigt, daß es die Sondenrotation um die z*-Achse mißt, die mit ω\ bezeichnet ist, Da der Sondendurchmesser relativ klein ist, steht nicht genügend Raum zur Verfügung, um ein Lasergyroskop vorzusehen, daß die Rotation um die χ -Achse mißt.

In der bevorzugten Ausführungsform der Sonde 18 ist ferner ein Mikrocomputer 46 zusammen mit einem Speicher 48 angeordnet. Von den Beschleunigungsmessern 32,34 und 36 kommende Leitungen 50,52 und 54 sind an den Mikrocomputer angeschlossen und übertragen Beschleunigungssignale a„ a_y und α., die die Beschleunigung der Sonde entlang den x*-, jA- bzw. 2*-Achsen bezeichnen. In ähnlicher Weise ist der Mikroprozessor 46 über Leitungen 56 und 58 an die Lasergyroskop-Einheit 40 angeschlossen, so daß das Winkelrotations- Signal <yj; vom y-Achse-Gyroskop 42 und das Winkelrotations-Signal <y* vom z-Achse-Gyroskop 44 übertragen werden.

Beider Ausführungsform nach F i g. 1 a wird ein Geschwindigkeitssignal F* über eine Leitung 60 zum Mikroprozessor 46 übertragen. Nach Fig. 1 würde dieses Signal durch die Drehgeschwindigkeit der Seilscheibe 24 erzeugt so daß man ein Maß für die Geschwindigkeit der Sonde im Bohrloch 12 erhält, wobei die Leitung 60 im Kabel 22 enthalten ist. Es können aber Umstände auftreten, unter denen das ^-Signal vorteilhafter in anderer Weise, z. B. durch Zählen der Futterrohrabschnitte 14 und 16 im Bohrloch, erzeugt werden könnte. ,

Bei der Bestimmung der Sondenlage und damit der Bohrlochlage, die das I'auptziel der angegebenen Einrichtung ist, müssen die verschiedenen Fühlersignale, die in dem Sondenk.örper-Koordinatensystem 38 erzeugt werden, in ein Koordinatensystem transformiert werden, das sich auf die Erde bezieht. Ein solches Koordinatensystern ist in F i g. 1 allgemein bei 62 dargestellt, wobei die x-Achse entsprechend yl· parallel zum Schverkraitvektor g⁷· ist und die übrigen Achsen y und ζ zu der jc^-Achse orthogonal und parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Dieses Koordinatensystem kann als Erdkoordinatensystem bezeichnet werden, wobei die J-- und die ^^L-Achse Richtungen wie Nord und Ost darstellen.

Die Logik, mit welcher der Mikroprozessor 46 die Beschleunigungssignale auf den Leitungen 50,52 und 54, die Winkelgeschwinciigkeits-Signale auf Leitungen 56 und 58 sowie das Geschwindigkeitssignal auf Leitung 60 in Lagesignale umsetzt, ist in F i g. 2 gezeigt. Labei ist jedoch zu beachten, daß ein Teil dieser Verarbeitung im oberirdisch angeordneten Computer 26 vorgenommen werden könnte. Wie bereits angedeutet, ist eines der

größten Probleme bei der Erzeugung von Signalen, die die Lage der Sonde 18 relativ zum Erdkoordinatensystem yl·, /■ und J- bezeichnen, die genaue Umsetzung von Signalen, die die Orientierung und Bewegung der Sonde relativ zum Sondenkörper-Koordinatensystem jc*, / und / darstellen, in das Erdkoordinatensystem umzusetzen. Eine der Hauptaufgaben der Logik von Fig. 2 ist die möglichst genaue Durchführung der Koordi-S natentransformation unter Verwendung von Kaiman-Filtern zum Ausgleich der den verschiedenen Signalquellen anhaftenden Fehler.

In der nachstehenden Tabelle I sind die Definitionen der verschiedenen in Fi g. 2 benutzten Symbole angegeben.

Tabelle I

= Sondenkörper-ZErdkoordinaten-Transformationsmatrix
= Rohr-ZSondenkörper-Koordinatentransformation

a^b _x = Beschleunigung entlang x-Achse des Körpers

a* = Beschleunigung entlang .y-Achse des Körpers

a? = Beschleunigung entlang z-Achse des Körpers

efi, = Beschleunigungsvektoren in Sondenkörper-Koordinaten zu einem ersten Zeitpunkt

aw = Beschleunigungsvektoren in Sondenkörper-Koordinaten zu einem zweiten Zeitpunkt

<u£ = Winkelrotation um x-Achse des Sondenkörpers ί

ω* = Winkelrotation um ,y-Achse des Sondenkörpers

ω⁰. = Winkelrotation um z-Achse des Sondenkörpers

V* = Sondengeschwindigkeit längs dem Rohr

V^ = Sondengeschwindigkeit in Erdkoordinaten wie gemessen

Kf- = Sondengeschwindigkeit in Erdkoordinaten, aus der Trägheit abgeleitet

Ω = Winkelrotation der Erde

Q_s = Winkelrotation der Erde - Nordkomponente

Q₀ = Winkelrotation der Erde - Abwärtskomponente

ρ = Winkelgeschwindigkeit der Horizontalen relativ zur Erde

A= Lagevektor mit den drei folgenden Komponenten:

Ä.v = Noralage-Koordinate

/?£ = Üstlage-Koordinate

R₀ = Abwärtslage-Koordinate

;. = geographische Breite

Ψ = Fehler in Körper-ZErd-Transformation C£

ί = Sondenkörper-Fehlausrichtung im Rohr

K = subwillkürliche Kalman-Verstärkungskoeffizienten

/ = Schwerkraftvektor ^iR₀) = W^R₁ - R₀)

I = Identitätsmatrix

Ä, = Erdradius

δ V¹- = Geschwindigkeitsfehler in Erdkoordinaten

ε_α = Beschleunigungsmesser-Fehler

c_% = Gyroskop-Fehler

μ-i = systematischer Gyroskopfehler

ν = weißes Meßrauschen

?! = Spektraldichte der weißen Rauschleistung des j>-Gyroskops (Grad/Radixstunde)²

q₂ = Spektraldichte der weißen Rauschleistung des z-Gyroskops (Grad/Radixstunde)²

g₂ = Unsicherheit der Sondenverdrehung (Rollen («*) längs dem Bohrloch während der Sondenbewegung

Q^L = Gyroskop-Varianzmatrix in Erdkoordinaten nach der Monte-Carlo-Methode

X_c = Fehlerzustände

X_e = Fehlerdynamik zwischen einzelnen Messungen

Φ = zeitliche Transformation für Fehlergleichungen

F = Modellmatrix Für dynamische Fehler

H - Geschwindigfceitsmessungs-Matrix

P = Kovarianz von Fehlerzuständen

R = Kovarianz von weißem Meßrauschen

Forl.scl7.ung έ

W, = /— Schuler-Schwingungsrate (ca. '/34 min)

r = Zeitkonstante der Körper-Weg-Fehlausrichtung

{·) - bezeichnet die schiefsymmetrische Matrixdarstellung des umschlossenen Vektors.

Die Logik für die Fortschreibung der Koordinaten-Transformationsmatrix C£ ist in dem Block 64 von Fig. 2 angegeben. Eingänge zu dieser Logik sind u. a. die Winkelrotationssignale ω* und ω* auf den Leitungen 56 und 58. Da zur Fortschreibung der Transformationslogik im Block 64 ein Signal erforderlich ist, das die Rotation der Sonde um die x-Achse (uj bezeichnet, muß ein synthetisches ω^-Signal erzeugt werden. Dies wird erreicht, wenn die Sonde 18 im Bohrloch 12 durch die in dem Block 66 enthaltene Logik angehalten wird. Zwei Eingänge zu der Logik 66 sind die Winkelrotationssignale <y* und ω; auf Leitungen 56 und 58, der dritte Eingang ist ein Signal, das die Rotation der Erde Ω bezeichnet. Der Ursprung des ß-Signals ist in Block 68 angegeben, wo das Signal Ω aus drei Vektoren einschließlich Ω_Ν und ß_D besteht und die Erdrotation um Nord bzw. in eine Abwärtsrichtung bezeichnet. Ferner ist gemäß Block 68 der Wert von Ω von der geographischen Breite λ der Sonde 18 abhängig. Urn die Operation der Logik von F ig. 2 im Mikroprozessor 46 zu vereinfachen, kann der Breitengrad /des Bohrlochs indem Speicher 48 gespeichert und über Leitung 69 zum Block 68 übertragen werden. Das Λ-Signal wird dann über Leitung 70 zur Logik 66 übertragen, die ein erstes synthetisches Signal m^b auf Leitung 72 erzeugt. Wenn die Sonde im Bohrloch angehalten wird, wird ein Logiksignal, das anzeigt, daß r gleich Null ist, über eine Strichlinienleitung 74 übertragen, so daß dadurch das Signal auf Leitung 72 über Leitung 73 an die Logik 64 >

angelegt wird.

Die Beschleunigungsmesser-Fehler werden berichtigt, während die Sonde angehalten ist, und die schwer· f

kraftbedingte Beschleunigung wird so neu eingestellt, daß sie gleich und entgegengesetzt der erfaßten Beschleunigung ist.

Wenn sich dagegen die Sonde durch das Bohrloch 12 bewegt, wird alternativ ein zweites synthetisches Signal wj auf Leitung 80 durch die Logik 78 erzeugt. Wenn sich die Sonde im Bohrloch 12 bewegt, schließt das logische Signal auf Leitung 74 den Schalter 76, wodurch die Leitung 80 mit der Leitung 73 verbunden wird. Nach Fi _e. 2 werden die Beschleunigungssignale auf Leitungen 50, 52 und 54, die die Beschleunigung des Körpers bezeichnen, über einen Bus 82 zu der Logik 78 und zu einem Verzögerungsglied 84 übertragen. Der erste Eingang zur Logik 78 über den Bus 82 kann mit afr, bezeichnet werden undrepräsentiert die Körperbeschleunigung der Sonde 18 zu einem ersten Zeitpunkt. Das Verzögerungsglied 84 erzeugt ein zweites Körperbeschleunigungssignal ah über einen Bus 86 zur Logik 78. Eine annehmbare Zeitverzögerung für das Verzögerungsglied 84 ist '/Μ» s. Auf diese Weise werden synthetische Winkelrotationssignale um die jr-Achse der Sonde für den Fall, daß sich die Sonde bewegt, und für den Fall, daß die Sonde angehalten ist, erzeugt.

Zusammen mit dem fl-Signal auf Leitung 70 empfängt die Transformationsänderungs-Logik 64 ein Signai auf Leitung 90, das die Winkelgeschwindigkeit der Sonde relativ zur Erde entsprechend Block 92 bezeichnet. Der Ausgang der Logik 64 C^L _b auf dem Bus 94 bezeichnet die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Sondenkörper-/Erdkoordinaten-Transformation, die aus den Beschleunigungssignalen a^b und den Winkelrotationssigna- ^s Jen a^b resultiert. Dieses Signal wird dann entsprechend 96 integriert unter Erzeugung eines Signals C\, auf dem Bus 98, das die Transformationsmatrix bezeichnet, die erforderlich ist, um im Sondenkörper-Koordinatensystem 38 erzeugte Signale in das Erdkoordinatensystem 62 umzusetzen. Die Signale auf Leitung 98, die die Koordinaten-Transformationsmatrix C bezeichnen, werden über ein Summierglied 100 zu einem Bus 102 übertragen.

Die Beschleunigungssignale a^b werden von Sondenkörper-Koordinaten in Erdkoordinaten mittels einer Logik 104 umgesetzt, wobei der Logik 104 über die Schiene 102 die fortgeschriebene Koordinaten-Transformationsmatrix zugeführt wurde. Der resultierende Ausgang auf Schiene 106 bezeichnet die Beschleunigung der Sonde 18 in Erdkoordinaten und wird einem Summierglied 108 zugeführt. Im Summierglied 108 wird ein Signal φ auf Leitung 110 subtrahiert, das die schwerkraftbedingte Beschleunigung bezeichnet, so daß ein Signal auf einer Schiene 112 resultiert, das die Beschleunigung V ^L der Sonde 18 in Erdkoordinaten bezeichnet. ^- ist eine Funktion der Tiefe R_ä der Sonde 18. Dieses Signal wird dann im Glied 114 integriert unter Erzeugung eines Signals auf Leitung 116, das die Geschwindigkeit V^L bezeichnet.

Das resultierende Geschwindigkeitssignal V^L wird dann auf Leitung 118 zur Logik 120 rückgeführt, die ihrerseits ein Signal auf Schiene 122 erzeugt, das die Zentripetalbeschleunigung bezeichnet, die aus der durch die Rotation der Erde erzeugten Corioliskraft resultiert Das resultierende Signal auf Schiene 122 wird wiederum von den Beschleunigungssignalen a^L im Summierglied 108 subtrahiert. Infolgedessen ist ersichtlich, daß das resultierende Signal auf Schiene 112 die Beschleunigung der Sonde 18 im Bohrloch unter Berücksichtigung der Schwerkraft und der durch die Rotation der Erde erzeugten Beschleunigung darstellt.

Zusätzlich zu den Geschwindigkeitssignalen, die durch die Trägheitsmittel erzeugt werden, werden Geschwindigkeitssignale auch durch tatsächliche Messung der Bewegung der Sonde 18 im Bohrloch erzeugt. Wie bereits erläutert, kann das Signal V^p auf Leitung 60 die Drahtseilgeschwindigkeit der Sonde im Bohrloch bezeichnen. Dieses Signal wird durch eine Logik 124 in ein Geschwindigkeitssignal auf eine Schiene 126 transformiert, das die Geschwindigkeit der Sonde in Sondenkörper-Koordinaten V^b bezeichnet Wie in Block 124 angegeben, umfaßt die Transformationsmatrix C^b eine Identitätsmatrix / plus eine Matrix, die in Matrixform die Fehlausrichtung der Sonde 18 in den Rohrabschnitten 14 und 16 wiedergibt. Das resultierende Geschwindigkeitssignal V* auf Schiene 126 wird dann mittels der Koordinaten-Transformationsmatrix c£ entsprechend 128 in Geschwindigkeitssignale K^im Erdkoordinatensystem auf Schiene 130 transformiert. Diese Gescbwindigkeitssienale werden dann durch ein Summierglied 132 zu einer Schiene 134 geleitet und bei 136 integriert unter

Erzeugung von Signalen auf Schiene 138, die die Lagekoordinaten Λ der Sr.nde relativ zu Nord, Ost und Abwärts entsprechend den Erdkoordinaten 62 bezeichnen.

Wie zu erwaiten ist, unterliegen die Geschwindigkeitssignale auf Schiene 134, die aus den tatsächlichen Drahtseil-Messungen resultieren, und die Geschwindigkeitssignale auf Leitung 118, die von den Trägheits-Signalquellen kommen, den verschiedensten Fehlern. Um ein Signal δ V^L , das den relativen Fehler zwischen den Geschwiiidigkeitssignalen auf Leitungen 118 und 134 darstellt, zu erzeugen, werden die Signale auf den Leitungen 118 und 134 einem Summierglied 140 zugeführt unter Erzeugung des Geschwindigkeits-Fehlersignals δ V¹ in Erdkoordinaten auf Leitung 141. Zum Ausgleich für die verschiedenen Fehlerquellen, die bei der Erzeugung der Geschwindigkeits- und damit der Positionssignale vorhanden sind, werden Kaiman-Filter eingesetzt, um die Fehlerkorrektursignale zu schätzen.

Eines der Hauptziele bei der Verwendung eines Kaiman-Filters niedrigerer Ordnung ist die Kompensation der fehlenden oder eine geringe Qualität aufweisenden Trägheitsdaten. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache, daß im Bohrloch die Sonde 18 über eine erhebliche Strecke der Bohrlochachse folgen muß, was in äquivalente Geschwindigkeitsinformation übersetzt werden kann, wodurch die Vermessungsgenauigkeit des Bohrlochs verbessert wird. Der Einsatz dynamischer Abweichungen dieser Art resultiert in einem bedeutenden Vorteil gegenüber bekannten Systemen. Die rechnerische Belastung beim Kaiman-Filtervorgang wird verringert, indem nur die bedeutendsten Fehlerzustände als mathematisches Modell erstellt werden. Zum Beispiel wird die Lage bzw. Haltung der Sonde 18 dazu genutzt, die externe Geschwindigkeit V^p in Erdkoordinaten aufzulösen, um Lagekoordinaten zu erzeugen.

Das Kalman-Filterverfahren ist durch einen Logikblock 142 bezeichnet, der als Eingang das Geschwindigkeits-Fehlersignal δ V^L auf Leitung 141 empfängt. Wie in dem Logikblock angedeutet ist, werden die Kaiman-Verstärkungskoeffizienten K mit dem Geschwindigkeits-Fehlersignal δ V^L multipliziert und den in der Matrix 144 bezeichneten Größen hinzuaddiert. Die in der Matrix 146 angegebenen berichtigten Größen werden dann den verschiedenen Teilen der Logik von Fig. 2 zugeführt, um eine Fehlerkompensation herbeizuführen. Zum Beispiel werden Fehlerkompensations-Terme für die Lagekoordinaten R über eine Leitung 148 einem Summierglied 150 zugeführt, so daß aktualisierte Lagekoordinaten gemäß 152 erhalten werden. Ebenso werden Geschwindigkeitsfehler-Terme über Leitung 154 einem Summierglied 132 zugeführt, um eine Fehlerkompensation für die Geschwindigkeitssignale V^, zu erreichen. Fehlerterme φ für die Sondenkörper-ZErd-Transformationsmatrix C^L _b werden auf Leitung 158 dem Summierglied 100 zugeführt, und Fehlerterme werden über Leitung 160 zugeführt, um eine Fehlausrichtung ζ in der Transformationslogik 124 zu korrigieren.

Um den Wirkungsgrad des Prozesses zu erhöhen, können die Kaiman-Koeffizienten K in dem Speicher 48 der Sonde gespeichert werden, anstatt im Bohrloch errechnet zu werden, wie durch Block 142 angegeben ist. Durch Eingabe der Kaiman-Koeffizienten K in den Speicher 48 können die Transformations-Prozesse in der Sonde 18 dynamisch korrigiert werden, während sie sich im Bohrloch 12 befindet.

In einem linearen diskreten Kaiman-Filter resultieren Rechenvorgänge auf dem Kovarianzniveau schließlich in den Kaiman-Verstärkungskoeffizienten AT, die dann bei der Errechnung erwarteter Werte der Fehlerzustände X_t genutzt werden. Diese Fehlerzustände umfassen:

X_rA

OR ÖV

Ψ ζ

Bei dem Systemmodell sind die Fehlerzustände eine Funktion von Φ, d. h. die zeitliche Abbildung für Fehlergleichungen. Der Term Φ ist gleich:

Φ-I + FAt
wobei die F-Matrix die Fehlerdynamik zwischen diskreten Messungen repräsentiert:

ÖR	= F	ÖR
*δ V* Ψ		ÖV Ψ
ξ I _	ζ

+ Rauschen

Die Gleichung (3) wird wie folgt detailliert: ÖR = {ν-}φ- ÖV+

-W] O O

δ ν= ο -w\ ο

O O -W]

φ = {Ω) ψ+ CU_g

ÖR- [2Ω)δν- {Α)φ+ C

ξ = -- (+ ω (rund ω sind physikalische Konstante) r

Das Mcssungs-Modell kann wie folgt geschrieben werden:

δ V* = HX_e + ν wobei H die Geschwindigkeitsmessungs-Matrix ist:

_öy* = Cl[V⁴-)!?- {vli+ C'öK+ ν
Die Kalman-Verstärkungskoeffizienten A: können wie folgt geschrieben werden:

K = P(-,H^T[HP(-)H^T + Rf¹ wobei die Fehlerkovarianz-Aktualisierung wie folgt ist:

Pt+) = [I - KH]Pi-)
Die Kovaranzmatrix für das Gyroskop-Prozeßrauschen ist wie folgt definiert:

(7)

(8)

(9) ίο

(10)

(U)

(12)

Die Varianz </₃ und der Gyroskop-Fehler ^₃ auf der Basis der nichtlinearen Rekonstruktion des fehlenden <u_A-Gyroskops sind nachstehend wie folgt geschrieben:

Q\	0	0
0		0
0	0	ft

<7j = 3.6 -fq μ_} = -4.5 Vq

(13)

15

20

25

30

mit q — q\ — ft.

Während der Bewegung wird 173 die der Logik 78 zugeordnete Varianz.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, werden die einem Bohrlochvermessungssystem, bei dem die Sonde 18 senkrecht zu den Futterrohren 14 und 16 von F i g. I im wesentlichen nicht bewegt wird, anhaftenden Zwänge und Abhängigkeiten dazu genutzt, die Fehlerschätzung und -korrektur zu vereinfachen. Zum Beispiel wird ein Fehlersignal erzeugt, um die Rollposition der Sonde dadurch zu korrigieren, daß die erwarteten Beschleunigungssignale entlang den>--und z-Achsen des Körpers mit den erfaßten Beschleunigungen a_y und α. auf Leitungen 52 und 54 differenziert werden.

Während der Verarbeitung der Fehlersignale wird ferner die Schätzung der Fehlausrichtung ξ von Körper und Strecke über die Zeit verbessert.

Das gespeicherte Schwerkraftmodell 113 kann zur Aufhebung der erfaßten Beschleunigung a„ a_y und a._ neu eingestellt werden unter Anwendung der folgenden Beziehung:

W_s(R_f - R₀)

(14)

wobei W₁ die Schuler-Schwingungen bezeichnet.

Die vorstehend angegebenen Verfahren sind auf verschiedenen Gebieten der Bohrlochvermessung anwendbar. Zum Beispiel kann in einer Bohrlochumgebung, in der das Vermessen während des Bohrens stattfindet, das angegebene Vermessungsverfahren zur Bohrerführung eingesetzt werden, ohne daß Daten zur Erdoberfläche übertragen werden müssen. In diesem Fall wird die Lage bzw. Haltung der Sonde 18 unter Einsatz der Logik 66 bestimmt, um Horizontal-, Azimut- und Arbeitsflächen-Information zu erzeugen.

Andererseits kann die Bohrlochvermessung die während der Bewegung der Sonde 18 erzeugten Lagedaten entsprechend der Logik 78 zusammen mit den Lagedaten nutzen, die erzeugt werden, wenn die Sonde angehalten wird (Logik 66).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Bohrlochmeßeinrichtung mit

einer in ein Bohrloch einführbaren Bohrlochsonde, in der drei Beschleunigungsfühler angeordnet sind, die drei Beschleunigungssignale erzeugen, die den Bewegungskomponenten der Sonde relativ zu drei Achsen entsprechen, und die eine Winkelfühlereinheit aufweist, die Winkelrotationssignale erzeugt, die der Winkelrotation der Sonde um vorgegebene Rotationsachsen entsprechen,
einer Steuereinheit, die die Sondenbewegung im Bohrloch steuert,

einer betriebsmäßig mit der Steuereinheit und mit der Sonde gekoppelten Einheit, die ein die Sondenbewegung im Bohrloch bezeichnendes Signal erzeugt, und

einer Recheneinheit, die aufgrund der Signale von den Beschleunigungs- und Winkelfühlern die Position der Sonde, bezogen auf ein erdbezogenes Koordinatensystem, ermittelt,
gekennzeichnet durch