DE69418413T2

DE69418413T2 - Bewegungskompensationsgerät und Verfahren zum Bestimmen der Richtung eines Bohrlochs

Info

Publication number: DE69418413T2
Application number: DE69418413T
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel D. Hache; Pierre A. Moulin; Wayne J. Phillips
Original assignee: Anadrill International SA
Current assignee: Anadrill International SA
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2014-09-14
Also published as: EP0646696B1; DK0646696T3; CA2131576A1; DE69418413D1; NO943309L; EP0646696A1; CA2131576C; NO943309D0; US5432699A; NO308265B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung findet in bestimmten Meßsystemen Anwendung, die den Vortrieb von einem Bohrloch einer Bohrung bestimmen. Zum Beispiel bezieht sich die Erfindung auf Messen-währenddes-Bohrens-Systeme (measuring-while-dilling - MWD), die konstruiert sind, um die Position und den Vortrieb einer im Tandem verbundenen Gruppe nahe der Bohrkrone einer Bohrstrangbaugruppe in einem Öl- oder Gasbohrungsbohrloch zu bestimmen. Die Erfindung findet außerdem mit einer Drahtleitungsvorrichtung Anwendung, in der ein oder mehrere unten im Loch befindliche Instrumente konstruiert sind, um die Position und den Vortrieb eines derartigen Instruments (derartiger Instrumente) während der Bohrlochmessung eines unverschalten Bohrloches zu bestimmen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Bestimmung des Vortriebs der Bohrung aus gyroskopischen Daten, die die Erdrotation berücksichtigen, und aus Beschleunigungsmesserdaten, die das Erdgravitationsfeld berücksichtigen. Die Erfindung bezieht sich außerdem spezieller auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren gyroskopischer Daten für die Bewegung eines unten im Loch befindlichen Meßinstruments, während eine Vortriebbestimmung ausgeführt wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Beispiele von Messen-während-des-Bohrens-Ausrüstung (MWD- Ausrüstung) des Standes der Technik enthalten die US-Patente 4,768,152 und 4,433,491. Das '152-Patent offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen von Bohrlöchern unter Verwendung eines Einzelgeschwindigkeitsgyroskopes und eines Beschleunigungsmesserpaketes in einer Instrumentenschale, die in ein Bohrloch gesenkt wird. Das '491-Patent offenbart eine ähnliche Instrumentenschale mit Gyroskopen und Beschleunigungsmessern zur Bohrlochkartierung und zeigt außerdem an, daß die Erfindung an das Ersetzen der Gyroskope mit Magnetometern anpassungsfähig ist.
Andere MWD-Ausrüstungen des Standes der Technik enthalten Magnetometer und Beschleunigungsmesser, die in jeder von drei orthogonalen Achsen einer Meßgruppe einer Bohrstranganordnung angeordnet sind. Eine derartige Meßgruppe ist typischerweise Teil einer speziellen Schwerstange gewesen, der in einer relativ kurzen Entfernung über der Bohrkrone angeordnet ist. Die Bohrkrone bohrt die Erdformation, da der Bohrstrang durch einen Bohrtisch eines Bohrturms an der Oberfläche gedreht wird.
In periodischen Intervallen wird der Bohrstrang am Drehen gehindert, so daß die Meßgruppe in der Schachtbohrung Magnetometerdaten, die das Erdmagnetfeld berücksichtigen, und Beschleunigungsmesserdaten, die das Erdgravitationsfeld berücksichtigen, mit Bezug auf die orthogonalen Achsen der Meßgruppe erzeugen kann. Der h-Vektor aus den Magnetometerdaten und der g-Vektor aus den Beschleunigungsmesserdaten werden dann verwendet, um den Vortrieb des Schachtes zu bestimmen.
Derartige Verfahren des Standes der Technik besitzen den Nachteil, daß das Erdmagnetfeld mit der Zeit variiert und durch Strukturen in der Nähe der Meßgruppe beeinflußt wird, die Eisen oder magnetisches Erz enthalten. Eine derartige Abweichung führt zu Fehlern und Unsicherheiten in der Bestimmung des Schachtvortriebs.
Eine derartige Abweichung in der Vortriebsbestimmung der Meßgruppe einer MWD-Baugruppe oder eines ähnlichen Draht leitungsinstruments kann theoretisch durch das Hinzufügen von Gyroskopen zu jeder orthogonalen Achse der Meßgruppe beseitigt werden. In der Theorie kann dann der Vortrieb der Meßgruppe aus den Beschleunigungsmesserdaten von jeder der derartigen Achsen und den gyroskopischen Daten von jeder der derartigen Achsen bestimmt werden. Die Beschleunigungsmesserdaten sprechen auf das Gravitationsfeld der Erde an, während die gyroskopischen Daten auf die Drehgeschwindigkeit der Erde mit Bezug auf einen Inertialraum ansprechen.
Während die Beschleunigungsmesserdaten und die gyroskopischen Daten gewonnen werden, kann die Bewegung der Meßgruppe (in dem Fall einer MWD-Anwendung) einen Fehler in die Bestimmung des Erddrehgeschwindigkeitsvektors einführen. Eine derartige Bewegung kann durch die "Verwindung" oder das Drehmoment des Bohrstrangs verursacht werden, nachdem er an der Drehung gehindert wird und an den Gestängen in dem Bohrturmbohrtisch aufgehängt wird. Eine derartige Verwindungsbewegung kann auf Landbohrtürmen oder auf schwimmenden Bohrtürmen auftreten. Die Bewegung kann außerdem erzeugt werden, während das Bohren für eine Vortriebsbestimmung in einem schwimmenden Bohrturm eingestellt worden ist, wo das Wogen der See den Bohrstrang veranlaßt, in dem Bohrloch zu steigen und zu sinken. Es kann eine Drehung eines derartigen Bohrstrangs verursacht werden, die auf die welleninduzierte Hin- und Herbewegung der Meßgruppe längs eines gekrümmten Bohrloches zurückzuführen ist. Analoge Fehler können im Fall eines Drahtleitungsinstruments auftreten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine primäre Aufgabe dieser Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren der drehungsinduzierten Fehler für ein Instrument zu schaffen, das gyroskopische Messungen zum Bestimmen des Vortriebs eines Bohrlochs verwendet.
Eine wichtige Aufgabe der Erfindung ist es, eine spezifische Anwendung der Erfindung in einer Vorrichtung und in einem Verfahren zum Kompensieren gyroskopischer Messungen einer MWD-Meßgruppe für die Drehung der Meßgruppe selbst zu schaffen, während Beschleunigungsmessermessungen und gyroskopische Messungen ausgeführt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung und ein Meßverfahren zum Bestimmen der Richtung eines Schachtes durch die Verwendung von Beschleunigungsmessermessungen und gyroskopischen Messungen zu schaffen, wo mögliche Korrekturen für die Drehung der Vorrichtung unter Verwendung von Beschleunigungsmessermessungen und gyroskopischen Messungen gemessen werden.
Die oben identifizierten Aufgaben werden zusammen mit anderen Vorteilen und Merkmalen der Erfindung in einer zweckmäßigen Ausführung in einem Verfahren und in einer Vorrichtung zum Vermindern einer Fehlerquelle in einer Messen-während- des-Bohrens-Ausrüstung (MWD-Ausrüstung) erläutert. Die Erfindung ist außerdem für Anwendungen in Drahtleitungsinstrumenten vorgesehen. In der MWD-Anwendung der Erfindung wird eine Meßgruppe bereitgestellt, die separat einen Beschleunigungsmesser, ein Magnetometer und ein Gyroskop besitzt, die längs jeder der x-, y- und z-Achsen eines Gruppenkoordinatensystems befestigt sind. Während der Zeit, in der eine Bestimmung des Vortriebs der Gruppe mit Bezug auf die Erde ausgeführt wird, wird durch die Bewegung der Meßgruppe in einem Bohrstrang in den Gyroskopsignalen ein Fehler produziert, während der Strang an einem Bohrtisch aufgehängt wird. Ein Einheitsvektor, der das Erdmagnetfeld mit Bezug auf das Gruppenkoordinatensystem repräsentiert, wird zu einer ersten Zeit t&sub1; bestimmt, und noch einmal zu einer zweiten. Zeit t&sub2;, um Einheitsvektoren t1 und t2 sowie einen Differenzeinheitserdmagnetfeldvektor Δ zu produzie ren. Ein das Erdgravitationsfeld in bezug auf das Gruppenkoordinatensystem repräsentierender Einheitsvektor wird zu der ersten Zeit t&sub1; bestimmt, und noch einmal zu der zweiten Zeit t&sub2;, um Einheitsvektoren t1 und t2 und einen Differenzeinheitserdgravitationsfeldvektor Δ zu produzieren. Die Zeitdifferenz Δt zwischen t&sub1; und t&sub2; wird ebenfalls bestimmt. Aus den Vektoren Δ , t1, Δ , t1 und der Zeitdifferenz Δt wird ein Vektor P bestimmt, der für die Winkelgeschwindigkeit der Meßgruppe oder "Sonde" repräsentativ ist. Die Bestimmung von P erlaubt, daß der gyroskopische Vektor g, der während einer derartigen Zeit gemessen wird, korrigiert wird, um den wirklichen Erddrehgeschwindigkeitsvektor e zu bestimmen. Ein derartiger Vektor und seine Komponenten zusammen mit der Beschleunigungsmesserbestimmung des Erdgravitationsfeldes erlauben eine Bestimmung des Vortriebs oder der Richtung der Schachtbohrung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden deutlicher durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente anzeigen und in welcher eine beispielhafte Ausführung der Erfindung gezeigt ist, worin:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Messen-während- des-Bohrens-Systems ist, das ein schwimmendes Bohrschiff und eine unten im Loch befindliche Meßgruppe enthält, die gemäß der Erfindung gebaut ist;
Fig. 2A eine schematische Darstellung der unten im Loch befindlichen Meßgruppe mit einem Beschleunigungsmesser, einem Magnetometer und einem Gyroskop ist, die längs der orthogonalen Achsen der Gruppe angeordnet sind; und
Fig. 2B eine schematische Darstellung eines Mikrocomputers in der Meßgruppe ist, der verschiedene Computerprogramme zum Bestimmen der Vortriebsstrecke der Gruppe enthält, während sie sich unten im Loch befindet, unter Verwendung der Beschleunigungsmesserdaten und der gyroskopischen Daten, wobei die gyroskopischen Daten für die Bewegung der Gruppe selbst korrigiert sind.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 stellt eine beispielhafte Ausführung der Erfindung für eine MWD-Anwendung dar. Wie oben erwähnt ist, kann die Erfindung außerdem auf ein Drahtleitungsmeßsystem Anwendung finden. Ein Bohrschiff S. das ein typisches drehbares Bohrturmsystem 5 enthält, besitzt eine unterirdische Vorrichtung zur Ausführung von Messungen der Formationseigenschaften während des Bohrens. Obwohl die Erfindung zur Veranschaulichung in einer MWD-Bohrschiffumgebung beschrieben wird, wird die Erfindung in MWD-Systemen für Landbohrungen und mit anderen Typen küstennahen Bohrens Anwendung finden.
Die unten im Loch befindliche Vorrichtung ist an einem Bohrstrang 6 aufgehängt, der durch einen Bohrtisch 4 auf dem Bohrschiff gedreht wird. Eine derartige unten im Loch befindliche Vorrichtung enthält eine Bohrkrone B und eine oder mehrere Schwerstangen, wie z. B. die Schwerstange F, die in Fig. 1 mit Stabilisatorblättern veranschaulicht ist. Derartige Schwerstangen können mit Sensoren zum Messen der Widerstandsfähigkeit oder der Durchlässigkeit oder anderer Eigenschaften mit elektrischen oder nuklearen oder akustischen Instrumenten ausgerüstet sein.
Die Signale, die die Messungen der Instrumente der Stangen F (die die veranschaulichten Stabilisatorblätter enthalten können oder nicht) repräsentieren, werden unten im Loch gespeichert. Derartige Signale werden über herkömmliche Messen-während-des-Bohrens-Fernmessungsvorrichtungen und - verfahren drahtlos zu der Oberfläche übertragen. Zu diesem Zweck wird mit der unten im Loch befindlichen Vorrichtung eine MWD-Fernmessungsgruppe T bereitgestellt. Sie empfängt Signale von den Instrumenten der Stange F und von der später beschriebenen Meßgruppe M und überträgt diese Meßwerte drahtlos über den Spülschlammweg des Bohrstrangs 6 und schließlich zu der Oberflächeninstrumentierung 7 über einen Drucksensor 21 in dem Standrohr 15.
Das Bohrturmsystem 5 enthält einen Motor 2, der eine Mitnehmerstange 3 mittels des Bohrtisches 4 dreht. Der Bohrstrang 6 enthält Abschnitte aus Gestängerohr, das von Ende-zu-Ende an die Mitnehmerstange 3 angeschlossen ist und dadurch gedreht wird. Sowohl die Meßgruppe oder die Meßstange M dieser Erfindung als auch andere herkömmliche Stangen F und andere MWD-Werkzeuge sind am Bohrstrang 6 befestigt. Derartige Stangen und Werkzeuge bilden eine Bodenlochbohrbaugruppe zwischen dem Bohrstrang 6 und der Bohrkrone B.
Da sich der Bohrstrang 6 und die Bodenlochbaugruppe drehen, bohrt die Bohrkrone B das Bohrloch 9 durch die Erdformationen 32. Ein Kreisring 10 wird als der Teil des Bohrlochs 9 zwischen der Außenseite des Bohrstrangs 6 einschließlich der Bodenlochbaugruppe und den Erdformationen 32 definiert. Ein derartiger Kreisring ist durch ein röhrenförmiges Gehäuse gebildet, das von dem Schiff zu wenigstens einem Oberteil des Bohrlochs durch den Meeresgrund läuft.
Der Spülschlamm oder "Bohrschlamm" wird durch die Pumpe 11 von dem Spülschlammbohrschacht 13 über das Standrohr 15 und den drehbaren Injektorkopf 8 durch das hohle Zentrum der Mitnehmerstange 3 und den Bohrstrang 6 durch die Gruppen T, M und F zu der Bohrspitze B gezwungen. Der Spülschlamm bewirkt die Schmierung der Bohrkrone B und die Beförderung von Bohrlochabfällen durch den Kreisring 10 aufwärts zur Oberfläche. Der Spülschlamm wird zu dem Spülschlammbohrschacht 13 geliefert, wo er von den Bohrlochabfällen und ähnlichem getrennt, entgast und zur erneuten Anwendung zu dem Bohrstrang zurückgeführt wird.
Die Meßgruppe M, wie sie in Fig. 2A und 2B erläutert ist, wird bereitgestellt, um die Position der unten im Loch befindlichen Baugruppe im Bohrloch zu messen. Ein derartiges Bohrloch kann gekrümmt oder mit Bezug auf die Senkrechte geneigt sein, vor allem in küstennahen Schächten. Die Gruppe M enthält eine Struktur, um die orthogonalen Achsen x, y und z zu definieren. Die z-Achse ist mit der Gruppe M koaxial. Auf jeder Achse sind separat ein Beschleunigungsmesser, ein Magnetometer und ein Gyroskop montiert. Mit anderen Worten, die als Gx, Hx, Ωgx; Gy, Hy, Ωgy und Gz, Hz, Ωgz dargestellten Signale werden erzeugt und an den Mikrocomputer C angelegt, der in der Gruppe M angeordnet ist. Derartige Signale werden in digitale Darstellungen der Messungen der Instrumente für die Manipulation durch den Computer C umgewandelt.
Die Signale Gx, Gy und Gz stellen die Beschleunigungsmesserausgangssignale dar, die längs der x-, y-, z-Achsen der Gruppe M orientiert sind; die Hx-, Hy- und Hz-Signale stellen die Magnetometersignale dar; die Ωgx-, Ωgy- und Ωgz-Signale stellen die Gyroskopsignale dar.
Im Betrieb wird das Bohren periodisch angehalten, so daß die Messungen der Gruppe M ausgeführt werden können, um den Vortrieb φ mit Bezug auf die Senkrechte zu bestimmen. Mit anderen Worten, ein Vortrieb von φ = 0 bedeutet, daß sich der Schacht neigt oder in Richtung auf den geographischen Norden der Erde steuert. Ein Vortrieb von φ = 90º bedeutet, daß sich der Schacht gegen Osten neigt, und so weiter.
Der Vortrieb der Schachtbohrung kann unter Verwendung der dreiachsigen Menge der Beschleunigungsmesser Gx, Gy, Gz und der dreiachsigen Menge der Gyroskope Ωgx, Ωgy, Ωgz gefunden werden, um das Erdgravitationsfeld G und den Drehvektor der Erde e in ihre Komponenten längs der drei orthogonalen Achsen aufzulösen. Der Drehvektor e repräsentiert die Winkelgeschwindigkeit der Erde mit Bezug auf den Inertialraum.
Wenn die z-Achse der Meßgruppe M parallel zu der Achse der Schachtbohrung ist, kann die Richtung des Bohrlochs φ aus den Vektorkomponenten von und e als
bestimmt werden, wobei
ein Einheitsgravitationsvektor mit den Komponenten gx, gy, gz ist, und
ein Einheitserddrehvektor mit den Komponenten ωex, ωey, ωez ist.
Der Term oder der Absolutwert des Beschleunigungsmesservektors ist als
= Gx² + Gy² + Gz²
definiert.
Der Winkelgeschwindigkeitsvektor g, der durch die Gyroskope gemessen wird, ist die Summe des Winkelgeschwindigkeitsvektors e der Erde und des Winkelgeschwindigkeitsvektors P der Sonde, mit anderen Worten,
g = e + P.
Wenn der Bohrstrang 6 in dem Drehtisch 4 durch die Schwerstangen aufgehängt ist und nicht gedreht wird, kann die Bewegung der Meßgruppe M in dem Bohrloch eine große Fehlerquelle für die Gyroskope werden. Eine derartige Bewegung kann sich aus der Verwindung des Bohrstrangs ergeben, die durch restliche Torsionsenergie des Bohrstrangs verursacht wird, nachdem er am Drehen gehindert wurde. Eine derartige Bewegung kann außerdem die Form einer Auf- und Abbewegung des Bohrstrangs annehmen, die durch das Wogen des Bohrschiffs S verursacht wird. Im Ergebnis gleitet die Meßgruppe M während der Zeit der Vortriebsbestimmung längs der Kurve eines geneigten Bohrlochs auf und ab. Mit anderen Worten, die gyroskopischen Messungen werden mit Messungen der Drehung der Gruppe M selbst verfälscht.
Diese Erfindung enthält eine Vorrichtung und ein Verfahren zum unabhängigen Bestimmen des Drehgeschwindigkeitsvektors P der Gruppe oder "Sonde" bezüglich der Erde, und hierauf zum Bestimmen des Erddrehvektors e durch Subtrahieren von P von dem von den Gyroskopen bestimmten Drehvektor g.
Die Wirkung der Drehung der Meßgruppe M bezüglich der Erde auf einen in der Erde fixierten Einheitsvektor kann als
geschrieben werden.
Für endliche Zeitschritte wird Gleichung (2)
Δ = · P Δt. (3)
Der Vektor P kann in Komponenten parallel und senkrecht zu aufgelöst werden, indem die Vektorprodukte der linken und rechten Seiten der Gleichung (3) mit gebildet werden:
oder
In Gleichung (4) ist P Δt durch die Summe aus zwei Komponenten ausgedrückt. Die Komponente Δ · ist senkrecht zu . Der Term ( · P Δt) ist parallel zu .
Weil der Gravitationsfeldvektor , (der von den Gx-, Gy-, Gz-Beschleunigungsmessern erhalten wird), und der Magnetfeldvektor , (der von den Hx-, Hy-, Hz-Magnetometern erhalten wird), beide in dem Bezugssystem der Erde fixiert sind, können für P Δt zwei Gleichungen geschrieben werden:
und
wobei und Einheitsvektoren längs des Erdgravitationsfeldvektors und des Erdmagnetfeldvektors sind,
ist, und
ist.
Durch Gleichsetzen der rechten Seiten der Gleichungen (5) und (6) wird die Gleichung zu
Die beiden Gleichungen für die Unbekannten ( · P Δt) und ( · P Δt) werden zum Beispiel durch das Bilden der Skalarprodukte der Gleichung (7) mit irgend zwei linear unabhängigen Vektoren und erhalten:
Die Gleichungen (8) und (9) können in Matrixform geschrieben und nach ( · P Δt) und ( · P Δt) aufgelöst werden:
Eine mögliche Lösung der Gleichungen (8) und (9) besteht darin,
und
zu wählen.
Für eine derartige Auswahl kann die Gleichung (8) für ( · P Δt) direkt gelöst werden und kann die Gleichung 9 für · P Δt direkt gelöst werden.
Fig. 2B erläutert den Mikrocomputer C, der in der Meßgruppe M angeordnet ist. Verschiedene Computerprogramme oder Unterprogramme sind in dem Mikrocomputer C gespeichert, um die Darstellungen der Signale von jedem der Beschleunigungsmesser, Magnetometer und Gyroskope zu erfassen.
Das Computerprogramm 30, das als Magnetometer-Computerprogramm (Einheitsvektor) bezeichnet wird, erfaßt die Magnetometersignale Hx, Hy und Hz zu Zeiten t&sub1; und t&sub2;, die von dem Taktgeber 32 empfangen werden. Der Einheitsvektor wird bei jeder der Zeiten t&sub1; und t&sub2; bestimmt. Eine Darstellung der Einheitsvektoren t1 und t2 wird zur weiteren Verwendung in das Computerprogramm 36 eingespeist. Auf die gleiche Weise erfaßt das Computerprogramm oder das Unterprogramm 34 die Signale Gx, Gy, Gz von den Beschleunigungsmessern der Meßgruppe M. Das Computerprogramm 34 bestimmt die Einheitsgravitationsfeldvektoren zu den Zeiten t&sub1; und t&sub2;. Derartige Vektoren t1 und t2 werden in das Programm 36 eingespeist.
Das Computerprogramm 36 bestimmt zuerst die Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Messungen von t1 und t2 sowie t1 und t2. Mit anderen Worten, es wird eine Darstellung von Δ und Δ bestimmt. Die Darstellung von Δt, der Zeitdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Meßzeiten, wird ebenfalls in das Computerprogramm 36 eingespeist.
Das Computerprogramm 36 verwendet Darstellungen von Δ , , Δ , zusammen mit beliebigen Vektoren und , ( und sind so ausgewählt, daß sie voneinander linear unabhängig sind), um eine Darstellung von P Δt zu produzieren. Entweder t1 oder t2 oder der Mittelwert zwischen derartigen Vektoren kann als verwendet werden. Gleichermaßen kann der t1 oder der t2 oder der Mittelwert zwischen derartigen Vektoren als verwendet werden. Das Programm 36 besitzt einen Dateneingang von Δt von dem Taktgeber 32. Dementsprechend wird die Δt-Darstellung mit den Darstellungen von P Δt verwendet, um Darstellungen von ΩPx, ΩPy, ΩPz zu erzeugen, die in das Gyroskopkorrektur-Computerprogramm oder -Unterprogramm 38 eingespeist werden. Das Programm 38 erfaßt außerdem die Gyroskopsignale Ωgx, Ωgy, Ωgz. Es bestimmt dann die Differenz der Sondendrehsignale ΩPx, ΩPy, ΩPz von den Gyroskopsignalen Ωgx, Ωgy, Ωgz, um die korrigierten Erdrotationssignale Ωex, Ωey, Ωez für die Anwendung in dem Computerprogramm oder Unterprogramm 40 zu produzieren, das den Einheitsvektor e produziert, der für den Erdrotationsvektor repräsentativ ist, d. h.,
Als nächstes wird die Darstellung des Einheitsvektors e mit der Darstellung des Einheitsvektors aus dem Programm 34 kombiniert, um gemäß der Beziehung nach der obigen Gleichung (1) einen korrigierten Bohrlochvortrieb φ zu bestimmen. Das Signal φ wird an das Fernmessungsmodul T angelegt, um über die Spülschlammsäule des Bohrstrangs 6, das Standrohr 15 und den Drucksensor 21 an die Oberflächeninstrumentierung übertragen zu werden, wie in Fig. 1 erläutert ist.
Die praktischen Aspekte der Erfindung verdienen Erwähnung. Die in dieser Erfindung verwendeten Gyroskope sind vorzugsweise Ring-Laser-Kreisel. Es können Faseroptik-Kreisel oder mechanische Gyroskope mit rotierenden Massen verwendet werden, die angemessen geschützt sind, um mechanische Stöße einer unten im Loch befindlichen Bohrumgebung zu überstehen.
Das oben umrissene Verfahren berücksichtigt nicht die Quellen der Unsicherheit in den Messungen von und . Die Fehler in dem gemessenen zeitlichen Ablauf von und können zu einer Ungleichheit zwischen den linken und rechten Seiten der Gleichung (7) führen. Da die Gleichung (7) ein Vektor ist und längs irgendeiner Koordinatenachse gelten muß, ist sie tatsächlich zu drei skalaren Gleichungen äquivalent.
Weil es drei Gleichungen und nur zwei freie Parameter gibt, ist das System der Gleichungen überbestimmt. Das oben beschriebene Verfahren garantiert, daß die linken und rechten Seiten der Gleichung (7) in einer Ebene gleich sein werden, die die Vektoren und enthält, aber als Folge von Fehlern in der Messung von und könnten sie auf einer Linie senkrecht zu dieser Ebene nicht gleich sein. Der erhaltene Wert von P wird von der Wahl der Vektoren und abhängen, die willkürlich und ohne irgendeine Betrachtung, welche Wahl die "Beste" ist, ausgeführt worden ist. Es ist nützlich, die "beste" Schätzung der wahren Drehgeschwindigkeit der Sonde bei gegebenen Unsicherheiten in den Messungen von Δ und Δ zu bestimmen.
Weil Δ und Δ beide dreidimensionale Vektoren sind, kann eine einzelne Messung von Δ und Δ als eine einzelne Probe eines 6-dimensionalen Zufallsvektors angesehen werden. Die Unsicherheiten in den Messungen können in der Form einer 6 · 6-Kovarianzmatrix K ausgedrückt werden, in der jedes Element der Kovarianzmatrix die Kovarianz zwischen zwei der Komponenten des Zufallsvektors ist. Die Kovarianzmatrix kann durch Analysieren der Quellen der Unsicherheit in der Messung von Δ und Δ bestimmt werden. Unter der Annahme, daß die Verteilung der Messungen von Δ und Δ einer Gaußschen Verteilung für mehrdimensionale Zufallsvariable gehorcht, ist es notwendig, den Wert von P zu finden, der die Wahrscheinlichkeit, die beobachteten Werte von Δ und Δ zu erhalten, maximiert. Die Maximalwahrscheinlichkeits-Abschätzungen von Δ und Δ , Δ ml und Δ ml werden aus der Maximalwahrscheinlichkeits-Abschätzung von P aus den Gleichungen
berechnet.
Die Wahrscheinlichkeit des Beobachtens des gemessenen Wertes von Δ und Δ ist proportional zu der Größe:
Um die Wahrscheinlichkeit des Beobachtens der gemessenen Werte von Δ und Δ zu maximieren, wird der Faktor im Exponenten minimiert, indem die drei Komponenten von P als freie Parameter behandelt werden, die variiert werden dürfen. Der so bestimmte Wert von P ist die Maximalwahrscheinlichkeits-Abschätzung von P, Pml.
Verschiedene Modifizierungen und Umgestaltungen in den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen, die nicht von der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abweichen, sind anhand der vorangehenden Beschreibung für den Fachmann offensichtlich. Aus diesem Grund sollen diese Änderungen in den beigefügten Ansprüchen enthalten sein. Die beigefügten Ansprüche stellen die einzige Einschränkung für die vorliegende Erfindung dar. Die beschreibende Weise, die zum Darlegen der Ausführungen verwendet wird, sollte nur als veranschaulichend, aber nicht als einschränkend interpretiert werden.

Claims

1. Vorrichtung, die betriebsmäßig zum Messen von Eigenschaften eines Bohrlochinstruments eingerichtet ist, umfassend

ein Meßinstrument, das betriebsmäßig zur Anordnung in dem Bohrloch eingerichtet ist, wobei das Instrument separat einen Beschleunigungsmesser und ein Magnetometer längs jeder der z-, x- und y-Achsen eines Instrumentenkoordinatensystems befestigt besitzt,

gekennzeichnet durch

Computermittel, die auf Signale vom Magnetometer zum Bestimmen eines Einheitsvektorsignals ansprechen, das das erdmagnetische Feld in bezug auf das Instrumentenkoordinatensystem zu einer ersten Zeit t&sub1;, das heißt t1 und zu einer späteren Zeit t&sub2;, das heißt t2, repräsentiert, und zum Bestimmen eines Differenzeinheitserdmagnetfeldvektors Δ , der die Differenz zwischen t2 und t1 repräsentiert, und zum Speichern von Signalen, die repräsentativ für Δ und sind wobei gewählt ist gleich t2 oder t1 oder der Hauptwert zwischen t2 oder t1,

Computermittel, die auf den Beschleunigungsmesser zum Bestimmen eines Einheitsvektorsignals ansprechen, das das Erdgravitationsfeld in bezug auf das Instrumentenkoordinatensystem zu einer ersten Zeit t&sub1;, das heißt t1, und zu einer späteren Zeit t&sub2;, das heißt t2, repräsentiert, und zum Bestimmen eines Differenzeinheitsgravitationsfeldvektorsignals Δ , das die Differenz zwischen t2 und t1 repräsentiert, und zum Speichern von Signalen, die für Δ und repräsentativ sind, wobei ausgewählt ist gleich t2 oder t1 oder der Hauptwert zwischen t2 und t1,

Mittel zum Erzeugen eines Signals, das für die Zeitdifferenz Δt zwischen der ersten Zeit t&sub1; und der zweiten Zeit t&sub2; repräsentativ ist, und

Computermittel, die auf die Signale repräsentativ für Δ , , Δ , und Δt zum Bestimmen eines Vektorsignals P ansprechen, das die Winkelgeschwindigkeit des Instruments repräsentiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Instrument eine Meßgruppe ist, die zur Tandemverbindung mit einem Bohrstrang betriebsmäßig eingerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend separate Gyroskope, die jeweils längs der z-, x- und y- Achsen des Instrumentenkoordinatensystems befestigt sind,

Computermittel, die auf die Gyroskope zum Bestimmen eines Vektorsignals g ansprechen, das repräsentativ für die Drehgeschwindigkeit der Erde und der Drehgeschwindigkeit der Meßgruppe ist, und zum Speichern des Signals, das für den Vektor g repräsentativ ist, und

Computermittel zum Erzeugen eines Vektorsignals, das für die Erdrotationsgeschwindigkeit e in bezug auf das Meßgruppenkoordinatensystem durch Subtrahieren des Vektorsignals P von dem Vektorsignal g repräsentativ ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Computermittel zum Bestimmen eines Vektorsignals P Mittel zum Lösen der Gleichung

umfassen.

5. Bei einer betriebsmäßig zum Messen von Eigenschaften eines Bohrlochinstruments eingerichteten Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Instrument umfaßt, das einen separaten Beschleunigungsmesser und Magnetometer längs jeder der z-, x- und y-Achsen seines Koordinatensystems befestigt aufweist, ein Verfahren zum Bestimmen der Winkelgeschwindigkeit des Instruments, wenn dieses innerhalb eines Bohrlochs angeordnet ist, umfassend die Schritte:

Bestimmen eines Einheitsvektors aus den Signalen des Magnetometers, der das Erdmagnetfeld in bezug auf das Instrumentenkoordinatensystem zu einer ersten Zeit t&sub1;, das heißt t1, und zu einer späteren Zeit t&sub2;, das heißt t2, repräsentiert,

Bestimmen eines Differenzeinheitserdmagnetfeldvektorsignals Δ , das die Differenz zwischen t2 und t1 repräsentiert,

Bestimmen eines Einheitsvektors aus Signalen des Beschleunigungsmessers, der das Erdgravitationsfeld in bezug auf das Instrumentenkoordinatensystem zu einer ersten Zeit t&sub1;, das heißt t1, und zu einer späteren Zeit t&sub2;, das heißt t2, repräsentiert,

Bestimmen eines Differenzeinheitserdgravitationsfeldvektorsignals Δ , das die Differenz zwischen t2 und t1 repräsentiert,

Bestimmen eines Signals, das repräsentativ für die Zeitdifferenz Δt zwischen der ersten Zeit t&sub1; und der zweiten Zeit t&sub2; ist, und

Bestimmen eines Vektorsignals P aus Δ , , Δ , und Δt, das für die Winkelgeschwindigkeit des Instruments repräsentativ ist, wobei ausgewählt ist gleich t1 oder t2 oder dem Hauptwert von t1 oder t2, und ausgewählt ist gleich t1 oder t2 oder dem Hauptwert zwischen t1 und t2.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Instrument eine Meßgruppe ist, die tandemartig mit einem Bohrstrang verbunden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung ferner ein Gyroskop längs jeweils der z-, x- und y-Achsen seines Koordinatensystems befestigt umfaßt, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfaßt, die Erdrotationsgeschwindigkeit in bezug auf das Meßgruppenkoordinatensystem zu bestimmen, wobei diese Schritte

ein Bestimmen eines Vektorsignals g aus den Signalen der Gyroskope, das repräsentativ für die Rotationsgeschwindigkeit der Erde und die Rotationsgeschwindigkeit der Meßgruppe ist, und

ein Bestimmen eines Vektors umfaßt, der nur für den Erdrotationsgeschwindigkeitsvektor e in bezug auf das Meßgruppenkoordinatensystem repräsentativ ist, indem das Vektorsignal P von dem Vektorsignal g subtrahiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Bestimmens eines Vektorsignals P den Schritt des Lösens der Gleichung

umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend den Schritt des Berechnens einer maximalen Wahrscheinlichkeitsabschätzung des Vektorsignals P.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Berechnens der maximalen Wahrscheinlichkeitsabschätzung des Vektorsignals P den Schritt des Minimierens der Größe

umfaßt,

wobei

und

ist, indem die drei Komponenten des Vektorsignals P als freie Parameter behandelt werden, denen erlaubt wird zu variieren, wobei der Wert des Vektorsignals P, der so bestimmt wird, die maximale Wahrscheinlichkeitsabschätzung des Vektorsignals P das Vektorsignal Pml ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter betriebsmäßig zum Messen der Richtung eines Bohrlochs eingerichtet, in dem das Meßinstrument plaziert wird, und weiter umfassend

Computermittel, die auf das Vektorsignal ansprechen, das repräsentativ für Komponenten der Erdrotationsgeschwindigkeit e und auf die Vektorsignale ist, die repräsentativ für Komponenten des Erdgravitationsfeldes sind, um ein Signal zu erzeugen, das repräsentativ für die Richtung φ des Bohrlochs ist.

12. Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend einen Schritt zum Bestimmen der Richtung eines Bohrlochs, in dem das Instrument plaziert wird, wobei der Schritt

ein Erzeugen eines Signals umfaßt, das repräsentativ für die Richtung φ des Bohrlochs ist, in Ansprache auf das Vektorsignal e, das für die Erdrotationsgeschwindigkeit repräsentativ ist, und auf Vektorsignale, die repräsentativ für das Erdgravitationsfeld sind.