DE4106849A1 - Bestimmung der magnetischen interferenz in einem bohrloch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Interferenz in einem Bohr­ loch gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 5.

Bei der Erfindung handelt es sich um das Überwachen von Bohrlöchern, wobei insbesondere eine magnetische Interferenz in einem nichtmagnetischen Bohrstrangabschnitt hervorgerufen wird, da oberhalb und unterhalb diesem Abschnitt magneti­ sierte Abschnitte des Bohrstranges zu liegen kommen.

Bei der Überwachung von Bohrungen, die nicht mit Stahl ausgekleidert sind, ist es bekannt, vor Ort Messungen vor­ zunehmen, indem man ein Dreiachsenmagnetometer und ein Dreiachsenbeschleunigungsmeßgerät benutzt, die in einem Gerät zusammengefaßt sind. Damit lassen sich verschiedene Parameter, beispielsweise der Inklinationswinkel und der Azimutwinkel bestimmen, die Richtungen an entsprechenden Stellen im Bohrloch anzeigen. Da jedoch die Bestimmung des Azimutwinkels auf Messungen des Erdmagnetfeldes beruht, und diese Messungen durch das Vorhandensein von störenden magne­ tischen Feldern ungenau sind, die sich aufgrund magnetisier­ ter Abschnitte des Bohrstrangs über und unter dem Über­ wachungsgerät einstellen soll der Effekt dieser magnetischen Interferenz möglichst gering gemacht werden, indem man das Meßgerät in einem Bohrkragen aus nichtmagnetischem Material einbaut, der sich um eine gewisse Länge über und unter der Meßstelle erstreckt. Jedoch ist es teuer und nicht immer praktikabel, einen derartigen nichtmagnetischen Bohrkragen von ausreichender Länge zu verwenden.

In der GB-PS 15 78 053 ist ein Verfahren beschrieben, mit dem mit hoher Genauigkeit Meßwerte mit einem Meßgerät er­ halten werden können, das in einem verhältnismäßig kurzen nichtmagnetischem Bohrkragen angeordnet ist, wobei der gemessene Azimutwinkel korrigiert wird, um die Wirkung der störenden magnetischen Felder zu kompensieren. Auf der Basis, daß die Wirkung dieser Störfelder als Fehlervektor in der Achsrichtung des Bohrloches angesehen werden kann, wird die Korrektur abhängig vom wahren Erdmagnetfeld bestimmt, das man aus Tabellen entnehmen kann, sowie aufgrund des von dem Meßgerät gemessenen lokalen Magnetfeldes und Werten für den Inklinationswinkel und den Azimutwinkel, die aus den Meßwerten des Magnetfeldes und des Schwerefeldes bestimmbar sind.

GB-PS 21 43 644 offenbart eine andere Methode zum Korrigie­ ren des Azimutwinkels zum Kompensieren der magnetischen Interferenz. Bei dieser Methode wird der korrigierte Azimut­ winkel ohne direktes Messen der Erdmagnetdfeldkomponente längs der Bohrlochachse bestimmt. Auch US-PS 47 09 486 be­ schreibt ein Verfahren zum Bestimmen des Azimutwinkels unmittelbar aus magnetischen und Gravitationsfeldmessungen ohne Korrektur der magnetischen Feldmessungen. Alle diese bekannten Verfahren erweisen sich unter bestimmten Bedingun­ gen als ungenau. Beispielsweise kann das letzte Verfahren nicht dazu benutzt werden, einen Bohrlochabschnitt auszumes­ sen, dessen Richtung sich nicht wesentlich auf seiner Länge verändert. Auch ergeben sich wesentliche Ungenauigkeiten durch Faktoren wie falsche Ausrichtung, Vorspann- und Maß­ stabsfehler, wenn ein naher horizontaler Längsabschnitt des Bohrloches vermessen werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit der unter den meisten Bedingungen größere Ungenauigkeiten vermieden werden.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Die Unteransprüche kennzeichnen weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfin­ dung.

So können die magnetischen Detektoren vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein, sie können aber auch in getrennten Gehäusen angeordnet sein, die zu einem gemein­ samen Gehäuse zusammengefaßt sind. Außerdem können zusätzli­ che Meßgeräte vorgesehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Bohrstranges mit einem Überwachungsgerät,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Überwachungsgerätes und

Fig. 3 eine Darstellung der Positionen der magnetischen Detektoren im Bohrstrang.

In Fig. 1 weist ein Bohrstrang 16 an einem Ende einen Bohr­ kopf 10 und einen nichtmagnetischen Bohrring 12 sowie mehrere magnetische Ringe 14 auf, die zum Anschließen des Bohrkopfes 10 an den Hauptstrang 16 dienen. Der nichtmagne­ tische Bohrring 12 weist eine bestimmte Länge auf und ist mit einem Überwachungsgerät 18 (gestrichelte Darstellung) versehen.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, besteht das Überwachungsgerät 18 aus einer Magnetfeldmeßsonde 22 mit drei Magnetometern zum Messen der Komponenten B_x, B_y, B_z des magnetischen Feldes in drei rechtwinkligen Achsen und aus einem Beschleunigungsteil 24 mit drei Beschleunigungsmessern zum Messen der Komponen­ ten g_x, g_y und g_z des Gravitationsfeldes, wobei die Z-Achse mit der Bohrlochachse zusammenfällt. Eine weitere Magnet­ feldmeßeinrichtung 23 ist im Abstand von der Magnetfeldmeß­ einrichtung 22 längs der Achse des Bohrrings 12 angeordnet. Die Magnetfeldmeßeinrichtung 23 kann einfach aus einem Mag­ netometer zum Messen der B_z-Komponente des magnetischen Feldes bestehen oder auch aus drei Magnetometern, die in ähnlicher Weise wie die der Einrichtung 22 angeordnet sind. Um die B_z-Ausgänge der beiden Einrichtungen 22 und 23 von­ einander zu unterscheiden, werden diese im folgenden als B_z1 und B_z2 bezeichnet.

Alle Ausgänge B_x, B_y, B_z1, B_z2, G_x, G_y und G_z sind propor­ tionale Spannungen, die an eine Signalverarbeitungsschaltung 26 mit A/D Wandlern geführt werden. Die Signalverarbeitungs­ schaltung 26 liefert Ausgänge g_x, g_y und g_z zum Weiterverar­ beiten in einer Rechenschaltung 28, um Werte für die Inkli­ nation R und den Hochseitenwinkel Φ (highside angle Φ) zu liefern und zwar entsprechend den Ausdrücken in der GB-PS 15 78 053. Außerdem können die Ausgänge der Signalverarbei­ tungsschaltung 26 in der Rechenschaltung 28 verwendet werden, um einen Wert für den Azimutwinkel Ψ zu erhalten. Diese Rechenvorgänge können in dem Überwachungsgerät durch­ geführt und die errechneten Werte in einem Speicher 30 abgespeichert werden. Andererseits können die Ausgänge der Meßsonden und Beschleunigungsmesser in dem Speicher 30 zum Weiterverarbeiten in einer gesonderten Rechenschaltung 28 an der Erdoberfläche gespeichert werden. Schließlich können die Ausgänge der Meßsonden und Beschleunigungsmesser auch unmit­ telbar telemetrisch an die Oberfläche übertragen werden. Alle Messungen werden vorzugsweise durchgeführt, wenn das Gerät stationär ist. Der Azimutwinkel Ψ wird beispielsweise anhand der Gleichung 14 der GB-PS 15 78 053 ermittelt, wobei der Wert B_z in dieser Gleichung durch einen Wert B_zt ersetzt wird, der dem wahren Wert der Z-Komponente des Erdmagnetfel­ des entspricht, wobei ein Fehler im Meßwert in Kauf genommen wird, der auf der magnetischen Interferenz B_zi beruht, die durch das Vorhandensein magnetisierter Abschnitte des Bohr­ stranges oberhalb und unterhalb des Ringes 12 verursacht ist. Um also den genauen Wert für den Azimutwinkel Ψ zu erhalten, ist es nötig, die magnetische Interferenz B_zi zu bestimmen.

Fig. 3 zeigt die Lagen für die magnetischen Detektoren 22 und 23 längs der Achse des Bohrrings 12 von bestimmter Länge L. Aus "Calculation of NMDC Length Required for Various Latitudes Developed from Field Measurements of Drill String Magnetisation" von S.J. Grindrod und J.M. Wolff ist es bekannt, daß der Effekt der magnetischen Bohrstrangabschnit­ te über und unter dem Ring 12 von einem oberen magnetischen Pol P_U am oberen Ende des Ringes 12 und einem unteren magne­ tischen Pol P_L am unteren Ende des Ringes 12 dargestellt werden können. Die magnetischen Detektoren 22 und 23 liegen im Abstand längs der Bohrachse in einem Bereich, der zwi­ schen und im Abstand vom Pol P_L am unteren Ende und dem Mittelpunkt M zwischen den beiden axialen Enden des Ringes 12 liegt, wobei der Detektor 22 mit einem Abstand r₁ und der Detektor 23 mit einem Abstand r₂ vom Pol P_U angeordnet ist.

Wie aus dem vorstehenden Aufsatz bekannt ist, bestimmt sich die magnetische Feldstärke (Flußdichte) in einem Abstand r vom magnetischen Pol mit der Polstärke P nach folgender Gleichung:

wobei B in Tesla und die Polstärke in Weber gemessen wird.

Somit ist das magnetische Feld oder die magnetische Inter­ ferenz B_z1i am Detektor 22 durch die Pole P_U und P_L durch folgende Gleichung bestimmt:

und die magnetische Interferenz B_z2i am Detektor 23 infolge der Pole P_U und P_L bestimmt sich durch:

Die vorstehenden Gleichungen sind vereinfacht, indem ein dreipoliges System zu einem zweipoligen System vereinfacht wurde, wie im obigen Aufsatz erläutert ist.

Somit kann die Komponente B_zt des wahren Erdmagnetfeldes auf die Komponenten B_z1 und B_z2 bezogen werden, die von den Detektoren 22 und 23 gemessen werden. Dies führt zu folgen­ den Ausdrücken:

Da die Werte von L1, r₁, r₂ bekannt sind, können die Pol­ stärken P_U und P_L aus den Meßwerten B_z1 und B_z2 anhand dieser Gleichungen bestimmt werden und eine iterative Methode kann benutzt werden, um den magnetischen Gradienten zwischen den Detektoren 22 und 23 infolge der Pole P_U und P_L zu bestimmen. Die magnetische Interferenz kann dann aus diesem magnetischen Gradienten ermittelt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen der magnetischen Inter­ ferenz in einem nichtmagnetischen in einem Bohrstrang eines Bohrloches angeordneten Bohrringes, wobei die magnetische Interferenz auf magnetisierte Abschnitte des Bohrstranges über und unter dem Bohrring beruht, wobei im Bohrloch mit­ tels eines längs der Achse des Bohrringes sich erstreckenden länglichen Meßgerätes magnetische Messungen vorgenommen werden und aus den Messungen die magnetische Interferenz errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (18) zwei magnetische Detektoren (22, 23) aufweist, die längs der Achse des Bohrringes im Abstand voneinander ange­ ordnet sind, so daß jeder Detektor in einer bestimmten Position auf der Bohrringachse liegt und daß mit den Detek­ toren die Messungen vorgenommen werden, während der Bohrring in einer gemeinsamen Meßstelle innerhalb des Bohrloches derart gehalten wird, daß jede Messung die Komponente B_z1 oder B_z2 des magnetischen Feldes längs der Achse des Bohr­ ringes in einer bestimmten Position anzeigt, die der Position des entsprechenden Detektors an der Meßstelle entspricht und daß die magnetische Interferenz infolge der magnetisierten Abschnitte des Bohrstranges aus den Messungen errechnet wird, die an der Meßstelle von den Detektoren vorgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetischen Detektoren (22, 23) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß weitere magnetische Messungen von dem Meßgerät (18) durchgeführt werden, welche die Komponenten B_x, B_y des magnetischen Feldes längs zweier gegenseitiger Querachsen anzeigen, die sich quer zur Achse des Bohrringes (12) er­ strecken.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Gravitationsmessungen von dem Meßgerät (18) vorgenommen werden, welche die Komponenten g_x, g_y und g_z des Gravitationsfeldes längs zwei oder drei gegen­ seitiger Querachsen anzeigen.

5. Meßvorrichtung zur Bestimmung der magnetischen Interferenz vor Ort in einem Bohrloch, mit einem nichtmagne­ tischen Bohrring in einem Bohrstrang, wobei die magnetische Interferenz durch das Vorhandensein magnetisierter Abschnit­ te des Bohrstrangs über und unter dem Bohrring verursacht ist, mit einem Meßgerät (18) in Längsform mit einem Gehäuse, das koaxial im Bohrring zu magnetischen Messungen an einer Meßstelle im Bohrloch angeordnet ist, und mit Mitteln zum Übertragen der Messungen des Meßgerätes (18) an der Meß­ stelle und zum Berechnen der magnetischen Interferenz, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (18) zwei magneti­ sche Detektoren (22, 23) in dem Gehäuse aufweist, die längs der Achse des Gehäuses derart im Abstand angeordnet sind, daß jeder Detektor in einer bestimmten Position auf der Achse des Bohrringes (12) liegt, wenn die magnetischen Mes­ sungen an der Meßstelle vorgenommen werden und daß jeder Detektor eine bestimmte magnetische Messung ausführt, welche die Komponente B_z1 oder B_z2 des Magnetfeldes längs der Achse des Bohrringes in einer bestimmten Position anzeigt, die der Position des Detektors in der Meßstelle entspricht, und daß die Meßwerte der magnetischen Detektoren zum Berechnen der magnetischen Interferenz infolge der magnetisierten Ab­ schnitte des Bohrstranges in einer Signalverarbeitungsein­ heit (26, 28) verarbeitet werden.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die magnetischen Detektoren Fluxgatemagneto­ meter sind.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Detektoren in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse Detektoren für magnetische Messungen der Komponenten B_x, B_y des magneti­ schen Feldes auf zwei quer zueinander liegenden Achsen aufweist, die sich quer zur Achse des Bohrringes erstrecken.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse Detektoren (24) zum Messen der Gravitationskomponenten g_x, g_y, g_z des Gravita­ tionsfeldes längs zwei oder drei zueinander senkrecht ste­ henden Achsen aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Detektoren (22, 23) in einem Bereich beabstandet sind, der zwischen und im Abstand von einem axialen Ende des Bohrringes und dem Mit­ telpunkt zwischen den beiden axialen Enden des Bohrringes (12) liegt.