FR2511727A1 - IMPROVEMENTS ON INSTRUMENTS TO ADJUST THE DIRECTION OF A WELL - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention, concernant des forages, est plus spécifiquement relative à des instruments pour régler la direction d'un forage, soit de façon continue, soit en une série d'emplacements espacés sur la longueur du forage, et à des procédés pour contrôler un forage. The present invention, relating to boreholes, relates more specifically to instruments for adjusting the direction of a borehole, either continuously or at a series of locations spaced along the length of the borehole, and to methods for controlling a drilling.
Habituellement le contrôle dans l'espace du trajet d'un forage est déduit d'une série de valeurs de l'angle d'azimut et de l'angle d'inclinaison, prélevés sur la longueur du forage. Des mesures, à partir desquelles les valeurs de ces deux angles peuvent être déduites, sont effectuées en des emplacements successifs sur la longueur du forage, les distances entre emplacements voisins étant connues avec précision. Usually the control in space of the path of a borehole is deduced from a series of values of the angle of azimuth and of the angle of inclination, taken from the length of the borehole. Measurements, from which the values of these two angles can be deduced, are taken at successive locations along the length of the borehole, the distances between neighboring locations being known with precision.
Dans un forage dans lequel le champ magnétique terrestre est inchangé par la présence du forage lui-même, on peut utiliser les mesures des composantes des champs terrestres gravitaniel et magnétique dans la direction des axes fixés à l'enveloppe pour obtenir les valeurs de l'angle d'azimut et de l'angle d'inclinaison, l'angle d'azimut étant mesuré par rapport à une référence magnétique fixée à la Terre, par exemple par rapport au Nord magnétique. In a borehole in which the earth's magnetic field is unchanged by the presence of the borehole itself, measurements of the components of the gravitational and magnetic earth fields can be used in the direction of the axes fixed to the envelope to obtain the values of the azimuth angle and tilt angle, the azimuth angle being measured with respect to a magnetic reference fixed to the Earth, for example with respect to magnetic North.
Néanmoins, dans des situations dans lesquelles le champ magnétique terrestre est modifié par les conditions locales dans un trou de forage, par exemple lorsque le forage est cuvelé par un tubage d'acier, il n'est plus possible d'utiliser des mesures magnétiques pour déterminer l'angle d'azimut par rapport à une référence fixée à la Terre. Dans de tels cas il est presque néeessaire d'employer un instrument gyroscopique.However, in situations where the earth's magnetic field is changed by local conditions in a borehole, for example when the borehole is cased by steel tubing, it is no longer possible to use magnetic measurements to determine the azimuth angle with respect to a reference fixed to the Earth. In such cases it is almost necessary to use a gyroscopic instrument.
Le brevet britannique nO 1 509 293 décrit un tel instrument dont l'axe longitudinal du boîtier coïncide en service avec l'axe du trou de forage, un dispositif gyroscopique ayant un degré de liberté unique qui comprend un cardan extérieur monté dans le tubage en ayant son axe qui coïncide avec l'axe longitudinal de ce dernier, un cardan intérieur monté dans le cardan extérieur, ayant son axe perpendiculaire à l'axe du cardan extérieur, un rotor gyroscopique monté dans le cardan intérieur, des moyens pour détecter le mouvement angulaire du cardan interieur par rapport au cardan extérieur et des moyens pour appliquer un couple au cardan extérieur pour le faire tourner, lors du fonctionnement, autour de son axe, -de sorte que le cardan intérieur est animé d'un mouvement de précession en revenant à sa position initiale, des moyens pour mesurer l'angle de rotation du boîtier autour de son axe longidutinal par rapport au cardan extérieur et un dispositif capteur de gravité pour mesurer les trois composantes de celle-cl dans trois directions non coplanaires. British Patent No. 1,509,293 describes such an instrument whose longitudinal axis of the housing coincides in service with the axis of the borehole, a gyroscopic device having a unique degree of freedom which comprises an external gimbal mounted in the casing having its axis which coincides with the longitudinal axis of the latter, an inner gimbal mounted in the outer gimbal, having its axis perpendicular to the axis of the outer gimbal, a gyroscopic rotor mounted in the inner gimbal, means for detecting angular movement of the internal universal joint with respect to the external universal joint and means for applying a torque to the external universal joint to make it rotate, during operation, around its axis, -so that the internal universal joint is driven by a movement of precession returning to its initial position, means for measuring the angle of rotation of the housing around its longitudinal axis relative to the external gimbal and a gravity sensor device for measuring the t three components of it in three non-coplanar directions.
On a constaté que cet instrument était en pratique extrêmement fiable et il a été démontré qu'il était susceptible d'avoir une précision d'environ +0,10 d'inclinaison et t 1,00 d'azimut. On admet généralement que l'inclinaison maximale énoncée pour un tel instrument est d'environ 700 par rapport à la verticale, car le contrôle à des angles supérieurs à 600 fournit des valeurs de moins en moins précises lorsque l'inclinaison croît. Néanmoins, avec la tendance actuelle à forer sous de grandes inclinaisons, on a de plus en plus besoin d'un instrument ayant une précision d'azimut du même ordre de grandeur que celle qu'on peut obtenir en inclinaison. Aussi l'invention a-t-elle notamment pour objet de fournir un tel instrument. This instrument has been found to be extremely reliable in practice and has been shown to have an accuracy of approximately +0.10 tilt and t 1.00 azimuth. It is generally accepted that the maximum inclination stated for such an instrument is approximately 700 with respect to the vertical, since control at angles greater than 600 provides less and less precise values when the inclination increases. However, with the current tendency to drill under large inclinations, there is an increasing need for an instrument having an azimuth precision of the same order of magnitude as that which can be obtained in inclination. The object of the invention is therefore in particular to provide such an instrument.
Conformément à l'invention, on établit un instrument pour régler la direction d'un forage, qui comprend un boîtier de forme allongée dont l'axe longitudinal coïncide en service avec l'axe du forage, un cardan extérieur monté avec pivotement à l'intérieur du cardan de façon que son axe de pivotement coïncide avec l'axe longitudinal de celui-ci, un dispositif gyroscopique monté dans le cardan extérieur et adapté à fournir des signaux de sortie indiquant les allures de la rotation autour de l'axe du cardan extérieur et d'un axe transversal par rapport à l'axe du cardan extérieur, des moyens pour appliquer un couple au cardan extérieur, des premiers moyens de sollicitation pour actionner les moyens d'application d'un couple lorsque l'instrument est disposé à la bouche d'un forage de façon à aligner ledit axe transversal dans une direction est/ouest en réponse à l'allure de la rotation autour dudit axe transversal détecté par le dispositif gyroscopique, des deuxièmes moyens de sollicitation pour actionner les moyens d'application d'un couple en réponse à l'allure de la rotation autour de l'axe du cardan extérieur détectée par le dispositif gyroscopique, tandis que l'instrument est déplacé le long du trou de forage de manière à stabiliser le cardan extérieur autour de son axe, et un dispositif capteur de gravité pour détecter deux composantes de la gravité dans deux directions transversales. According to the invention, an instrument is established for adjusting the direction of a borehole, which comprises an elongated casing the longitudinal axis of which coincides in service with the axis of the borehole, an external universal joint mounted with pivoting at the inside the gimbal so that its pivot axis coincides with the longitudinal axis thereof, a gyroscopic device mounted in the outer gimbal and adapted to provide output signals indicating the speeds of rotation around the axis of the gimbal exterior and an axis transverse to the axis of the exterior gimbal, means for applying a torque to the exterior gimbal, first biasing means for actuating the means for applying a torque when the instrument is arranged to the mouth of a borehole so as to align said transverse axis in an east / west direction in response to the shape of the rotation around said transverse axis detected by the gyroscopic device, of the second stressing means n to actuate the means for applying a torque in response to the shape of the rotation about the axis of the outer gimbal detected by the gyroscopic device, while the instrument is moved along the borehole so stabilizing the outer gimbal about its axis, and a gravity sensor device for detecting two components of gravity in two transverse directions.
L'emploi d'un gyroscope d'allure à deux axes permet d'obtenir une précision supérieure à + 0,10 sur l'inclinaison et à + 0,20 sur l'azimut. On peut utiliser la technique d'un gyro-compas pour aligner le cardan extérieur sur le Nord vrai et ceci élimine la nécessité de l'opération d'alignement de référence du boîtier qu'on emploie actuellement pour les instruments gyroscopiques classiques, qui peut constituer une source importante d'erreur d'azimutale. The use of a gyroscope with two axes gives an accuracy greater than + 0.10 on the tilt and + 0.20 on the azimuth. The technique of a gyro-compass can be used to align the outer gimbal to true North and this eliminates the need for the reference alignment operation of the case that is currently used for conventional gyroscopic instruments, which can constitute an important source of azimuth error.
Pour des inclinaisons dépassant 450, le cardan extérieur peut recevoir un couple servant à maintenir l'angle zero du côté haut et on peut utiliser la mesure d'allure du gyroscope autour de l'axe transversal pour calculer l'azimut lorsque l'instrument est promené le long du trajet du trou de forage.For inclines exceeding 450, the outer gimbal can receive a torque used to maintain the zero angle on the high side and we can use the gyroscope's pace measurement around the transverse axis to calculate the azimuth when the instrument is walked along the path of the drill hole.
L'invention fournit également un procédé pour contrôler un forage, qui comprend le positionnement à la bouche du trou de forage d'un instrument de contrôle comprenant : un boîtier de forme allongée dont l'axe longitudinal coincide avec l'axe du forage, un cardan extérieur monté de façon pivotante à l'intérieur du boîtier de façon que son axe pivot coïncide avec l'axe longitudinal de celui-ci et un dispositif gyroscopique monté dans le cardan extérieur et adapté à fournir des signaux de sortie indiquant les allures de rotation autour de l'axe du cardan extérieur et d'un axe transversal par rapport à l'axe du cardan extérieur; la détection de l'allure de rotation autour du dit axe transversal au moyen du dispositif gyroscopique et l'application d'un couple au cardan extérieur, fonction de l'allure détectée, de manière à aligner ledit axe transversal sur une direction est/ouest ; le déplacement de l'instrument de contrôle le long du trou de forage ; la détection continue de l'allure de rotation autour de l'axe du cardan extérieur au moyen du dispositif gyroscopique, tandis que l'instrument se déplace le long du forage, et l'application d'un couple au cardan extérieur en fonction de l'allure détectée, de manière à stabiliser le cardan extérieur autour de son axe ; la détection continue de deux composantes de la gravité dans deux directions transversales par rapport au cardan extérieur ou au boiter; et la determination d'au moins l'inclinaison et l'azimut du forage en une multiplicité de points sur sa longueur à partir des composantes dé gravité détectées. The invention also provides a method for controlling a borehole, which comprises positioning the borehole of a control instrument at the mouth comprising: an elongated housing whose longitudinal axis coincides with the axis of the borehole, a outer gimbal pivotally mounted inside the housing so that its pivot axis coincides with the longitudinal axis thereof and a gyroscopic device mounted in the outer gimbal and adapted to provide output signals indicating the rotation patterns around the axis of the outer gimbal and an axis transverse to the axis of the outer gimbal; detecting the speed of rotation around said transverse axis by means of the gyroscopic device and applying a torque to the external gimbal, depending on the speed detected, so as to align said transverse axis in an east / west direction ; moving the control instrument along the borehole; the continuous detection of the rate of rotation around the axis of the outer gimbal by means of the gyroscopic device, while the instrument is moving along the borehole, and the application of a torque to the outer gimbal as a function of the 'gait detected, so as to stabilize the outer gimbal around its axis; the continuous detection of two components of gravity in two transverse directions relative to the external gimbal or the box; and determining at least the inclination and the azimuth of the borehole at a multiplicity of points along its length from the detected gravity components.
L'invention sera mieux expliquée et comprise par la description ci-après de deux exemples de realisation préférés de celle-ci, donnés à titre non limitatifs, avec référence aux dessins ci-annexés parmi lesquels
- la figure l est une vue en perspective schématique d'un premier instrument, son boîtier étant représenté en coupe
- la figure 2, une vue partiellement arrachée d'un gyroscope accordé dynamiquement, qui fait partie du premier instrument
- la figure 3, une représentation schématique illustrant une transformation entre deux jeux d'axes de référence
- les figures 4 à 6, des schémas illustrant divers stades de la transformation représentés-sur la figure 3 et
- la figure 7, un diagramme illustrant la relation entre deux jeux d'axes de référence.The invention will be better explained and understood by the description below of two preferred embodiments thereof, given without limitation, with reference to the accompanying drawings, among which
- Figure l is a schematic perspective view of a first instrument, its housing being shown in section
- Figure 2, a partially cutaway view of a dynamically tuned gyroscope, which is part of the first instrument
- Figure 3, a schematic representation illustrating a transformation between two sets of reference axes
FIGS. 4 to 6, diagrams illustrating various stages of the transformation represented in FIG. 3 and
- Figure 7, a diagram illustrating the relationship between two sets of reference axes.
Si l'on se reporte d'abord à la figure 1, on voit que l'instrument comprend, à l'intérieur d'un boîtier 10 dont l'axe longitudinal colncide avec l'axe du forage, un gyroscope 12 à deux axes, accordé dynamiquement, monté à l'intérieur d'un cardan de suspension extérieur 13 en forme de cadre sur un arbre 14 du cardan, lequel arbre est pourvu de paliers 16 et 18 supérieur et inférieur de ce dernier, supportés par des montures de palier supérieure 17 et inférieure 19 du cardan extérieur.Le gyroscope accordé 12 est constitué essentiellement par une roue gyroscopique 46 dont l'axe de pivotement de stabilisation (spin) est perpendiculaire à l'axe du cardan extérieur, un premier axe pivot transversal par rapport audit axe de pivotement et un deuxième axe pivot perpendiculaire au premier axe pivot et transversal par rapport audit axe de pivotement. If we refer first to Figure 1, we see that the instrument comprises, inside a housing 10 whose longitudinal axis coincides with the drilling axis, a gyroscope 12 with two axes , dynamically tuned, mounted inside an outer suspension gimbal 13 in the form of a frame on a shaft 14 of the gimbal, which shaft is provided with upper and lower bearings 16 and 18 thereof, supported by bearing mounts upper 17 and lower 19 of the outer gimbal. The tuned gyroscope 12 consists essentially of a gyroscopic wheel 46 whose pivot axis of stabilization (spin) is perpendicular to the axis of the outer gimbal, a first pivot axis transverse to said pivot axis and a second pivot axis perpendicular to the first pivot axis and transverse with respect to said pivot axis.
L'arbre 14 du cardan extérieur est également pourvu d'un moteur 22 fournissant le couple et d'un solutionneur ou traducteur 26 supporté par une monture 28. Le solutionneur 26 inclut un stator qui comprend une paire de bobines dont les axes sont mutuellement orthogonaux et un rotor qui comprend une paire correspondante de bobines mutuellement orthogonales. Si un signal de référence est appliqué à l'une des bobines sur le rotor et si l'autre bobine sur le rotor est reliée à la terre, les signaux de sortie des deux bobines sur le stator étant a et b, la grandeur a/b est égale à la tangente de l'angle 01 entre une direction de référence par rapport au boîtier 10 et une direction de référence par rapport à l'arbre 14 du cardan extérieur.The shaft 14 of the outer gimbal is also provided with a motor 22 supplying the torque and with a solver or translator 26 supported by a mount 28. The solver 26 includes a stator which comprises a pair of coils whose axes are mutually orthogonal and a rotor which includes a corresponding pair of mutually orthogonal coils. If a reference signal is applied to one of the coils on the rotor and if the other coil on the rotor is earthed, the output signals of the two coils on the stator being a and b, the quantity a / b is equal to the tangent of the angle 01 between a reference direction relative to the housing 10 and a reference direction relative to the shaft 14 of the outer gimbal.
L > instrument inclut également un dispositif capteur de gravité 30 qui comprend trois accéléromètres montés sur l'arbre 14 du cardan extérieur. The instrument also includes a gravity sensor device 30 which includes three accelerometers mounted on the shaft 14 of the outer gimbal.
Si l'on se reporte à la figure 2, le gyroscope 12 accordé dynamiquement incorpore un boitier 32 qui est fixé au cardan extérieur 13, un arbre 34 pouvant tourner par rapport au boîtier 32 et par rapport au cardan extérieur 13 autour de l'axe de pivotement (spin) 35 et pourvu de paliers 36 de cet axe de pivotement et un moteur d'entraînement 40 comprenant un rotor 42 attaché à l'arbre 34 et un stator 44 attaché au boîtier 32.La roue gyroscopique 46 est accouplée à l'arbre 34 par un joint de Hookes qui comprend un cardan intérieur 48 susceptible de pivotement autour du premier axe pivot grâce à des tiges élastiques de torsion 50 joignant l'arbre 34 etle cardan intérieur 48, la roue gyroscopique 46 pouvant pivoter autour du deuxième axe pivot perpendiculaire au premier axe pivot grâce à des tiges élastiques de torsion 52 joignant le cardan intérieur 48 et la roue gyroscopique 46. Referring to Figure 2, the gyroscope 12 dynamically tuned incorporates a housing 32 which is fixed to the outer gimbal 13, a shaft 34 which can rotate relative to the housing 32 and relative to the outer gimbal 13 around the axis pivot 35 and provided with bearings 36 of this pivot axis and a drive motor 40 comprising a rotor 42 attached to the shaft 34 and a stator 44 attached to the housing 32. The gyroscopic wheel 46 is coupled to the 'shaft 34 by a Hookes joint which includes an inner gimbal 48 capable of pivoting around the first pivot axis thanks to elastic torsion rods 50 joining the shaft 34 and the inner gimbal 48, the gyroscopic wheel 46 being able to pivot around the second axis pivot perpendicular to the first pivot axis by means of elastic torsion rods 52 joining the internal gimbal 48 and the gyroscopic wheel 46.
La roue gyroscopique 46 inclut une bague 54 constituée par un aimant permanent et un évidement annulaire 56 immédiatement contigu à la bague 54 (aimant permanent), à l'intérieur de laquelle sont prévues quatre bobines 57 à 60, produisant le couple, qui sont fixées au boîtier 32, la bobine 57 étant disposée diamétralement à l'opposé de la bobine 59 et la bobine 58, diamétralement à l'opposé de la bobine 60. Une série de capteurs 62 fixés au boîtier 32 sert à détecter le déplacement angulaire de la roue gyroscopique 46 autour des deux axes mutuellement perpendiculaires. The gyroscopic wheel 46 includes a ring 54 constituted by a permanent magnet and an annular recess 56 immediately adjacent to the ring 54 (permanent magnet), inside which are provided four coils 57 to 60, producing the torque, which are fixed to the housing 32, the coil 57 being arranged diametrically opposite the coil 59 and the coil 58, diametrically opposite the coil 60. A series of sensors 62 fixed to the housing 32 is used to detect the angular displacement of the gyroscopic wheel 46 around the two mutually perpendicular axes.
Lors du fonctionnement du gyroscope, le couple appliqué à la roue gyroscopique 46 par les ressorts de torsion 50 et 52 est compensé par le couple négatif engendré, qui est dû à l'effet dynamique du cardan intérieur 48, lequel varie comme la racine carrée de la vitesse de la roue gyroscopique 46. il y a par conséquent une vitesse seulement, qui est la vitesse d'accord, pour laquelle les couples positifs des ressorts sont annulés par l'effet dynamique. A la vitesse d'accord la roue gyroscopique 46 est apparemment désaccouplée de l'arbre 34 et fonctionne donc comme un gyroscope libre.During the operation of the gyroscope, the torque applied to the gyroscopic wheel 46 by the torsion springs 50 and 52 is compensated by the negative torque generated, which is due to the dynamic effect of the internal gimbal 48, which varies as the square root of the speed of the gyroscopic wheel 46. there is therefore only one speed, which is the tuning speed, for which the positive torques of the springs are canceled out by the dynamic effect. At the tuning speed the gyroscopic wheel 46 is apparently uncoupled from the shaft 34 and therefore functions as a free gyroscope.
La figure 3 montre schématiquement un forage 80 et divers axes de référence par rapport auxquels l'orientation du trou de forage 80 peut être définie, ces axes comprenant un système d'axes fixés à la terre ON, OE et OV, parmi lesquels 0V correspond à la verticale vers le bas,
ON marque le Nord et OE l'Est, et un système d'axes fixés au boîtier OX, OY et OZ, parmi lesquels OZ est dirigé suivant la direction locale du forage à l'endroit d'une station de mesure et OX et OY se trouvent dans un plan perpendiculaire à cette direction.Le système des axes fixés à la terre peut être amené à tourner pour venir coïncider avec celui des axes fixés au boîtier par les trois rotations suivantes, dans le sens des aiguilles d'une montre:
1) rotation autour de llaxe OV, de l'angle azimutal t comme indiqué sur la figure 4
2) rotation autour de l'axe OE1, de l'angle d'inclinaison e comme indiqué sur la figure 5 et
3) rotation autour de l'axe OZ, de l'angle du côté haut comme indiqué sur la figure 6.FIG. 3 schematically shows a borehole 80 and various reference axes with respect to which the orientation of the borehole 80 can be defined, these axes comprising a system of axes fixed to the ground ON, OE and OV, among which 0V corresponds vertically down,
ON marks North and OE East, and a system of axes fixed to the housing OX, OY and OZ, among which OZ is directed according to the local direction of drilling at the location of a measurement station and OX and OY lie in a plane perpendicular to this direction. The system of the axes fixed to the earth can be made to rotate to coincide with that of the axes fixed to the housing by the following three rotations, clockwise:
1) rotation around the axis OV, of the azimuth angle t as shown in figure 4
2) rotation around the axis OE1, of the angle of inclination e as indicated in FIG. 5 and
3) rotation around the axis OZ, of the angle of the high side as indicated on figure 6.
La figure 7 illustre schématiquement la relation existant entre les axes fixés au boîtier OX, OY et OZ et un système d'axes fixés au cardan extérieur OX', OY' et OZ', les axes OZ et OZ' étant coîncidants et notés OZZ' sur la figure. Cette figure montre également la relation entre l'angle du côté haut et l'angle 1 mesuré par le solutionneur 26, 2 étant l'angle du côté haut qu'on obtiendrait si l'instrument venait à se déplacer jusqu'en un emplacement de mesure sans rotation autour de l'axe OZ fixé au boîtier. FIG. 7 schematically illustrates the relationship existing between the axes fixed to the housing OX, OY and OZ and a system of axes fixed to the external gimbal OX ', OY' and OZ ', the axes OZ and OZ' being coincident and denoted OZZ ' on the face. This figure also shows the relationship between the angle of the high side and the angle 1 measured by the solver 26, 2 being the angle of the high side that would be obtained if the instrument were to move to a location of measurement without rotation around the OZ axis fixed to the housing.
il est clair que 2 dépend de la forme du trajet suivi par l'instrument. On comprendra que = 1 + 2 si les différents axes, à savoir l'axe fixé au boîtier, l'axe fixé à la terre et l'axe fixé au cardan extérieur sont colncidants à l'endroit de la bouche du trou de forage
Les trois accéléromètres du dispositif capteur sont disposés de façon à détecter des composantes gX'' et gz, de la gravité le long des trois axes mutuellement orthogonaux et fixés au cardan extérieur OX', OY' et OZ', l'axe OZ' coincidant àvec l'axe du forage.Suivant une autre possibilité les trois acceléromètres peuvent être montés sur le boîtier 10 et disposés de façon à détecter les composantes de gravite gx, gy et gz le long de trois axes mutuellement orthogonaux et fixés au boîtier OX, OY et OZ.it is clear that 2 depends on the shape of the path followed by the instrument. It will be understood that = 1 + 2 if the different axes, namely the axis fixed to the housing, the axis fixed to the ground and the axis fixed to the outer gimbal are coincident at the location of the mouth of the borehole
The three accelerometers of the sensor device are arranged so as to detect components gX '' and gz, of gravity along the three mutually orthogonal axes and fixed to the outer gimbal OX ', OY' and OZ ', the axis OZ' coinciding with the drilling axis. According to another possibility, the three accelerometers can be mounted on the housing 10 and arranged so as to detect the gravity components gx, gy and gz along three mutually orthogonal axes and fixed to the housing OX, OY and OZ.
Si les accéléromètres sont montés sur le boîtier, le vecteur de gravité g = gX#UX+gY#UY+gZ#UZ' formule dans laquelle UX' Uy et Uz sont les vecteurs unité dans les directions d'axes fixés au boîtier, qui sont respectivement
OX, OY et OZ. Si les accéléromètres sont montes sur le cardan extérieur, le vecteur gravité est alors g = gX'#UX'+gY'#UY'+gZ'#UZ' ' relation dans laquelle UX., Uyt et Uz, représentent les vecteurs unité dans les directions d'axes fixés au cardan extérieur, soit respectivement OX', OY' et OZ'. If the accelerometers are mounted on the housing, the gravity vector g = gX # UX + gY # UY + gZ # UZ 'formula in which UX' Uy and Uz are the unit vectors in the directions of axes fixed to the housing, which are respectively
OX, OY and OZ. If the accelerometers are mounted on the outer gimbal, the gravity vector is then g = gX '# UX' + gY '# UY' + gZ '# UZ''relation in which UX., Uyt and Uz, represent the unit vectors in the directions of axes fixed to the external universal joint, that is to say respectively OX ', OY' and OZ '.
Ainsi,
gX' = gXcos #1 - gYsin #1 .......... (A)
gY' = gXsin #1 + gYcos #1 .......... (B)
gZ' = gZ .......... (C)
Si UN' UE et UV représentent les vecteurs unité dans les directions d'axes fixés à la terre, soit respectivement ON, OE et OV, alors d'après la définition des angles #, # et # , la formulation de l'opération vectorielle
UNEV = {# } le } {#}UXYZ représente la relation de transformation entre les jeux de vecteurs unité dans les deux cadres où
gX '= gXcos # 1 - gYsin # 1 .......... (A)
gY '= gXsin # 1 + gYcos # 1 .......... (B)
gZ '= gZ .......... (C)
If UN 'UE and UV represent the unit vectors in the directions of axes fixed to the earth, ie ON, OE and OV respectively, then according to the definition of the angles #, # and #, the formulation of the vector operation
UNEV = {#} le} {#} UXYZ represents the transformation relation between sets of unit vectors in the two frames where
L'opération vectorielle UXyZ = {#} T {e}T{#}TUNEV représente la relation de transformation en sens opposé. The vector operation UXyZ = {#} T {e} T {#} TUNEV represents the transformation relation in the opposite direction.
L'instrument peut fonctionner en trois phases de mesure distinctes pour obtenir trois mesures séparées. En premier lieu, avec l'instrument disposé verticalement à la bouche du forage, c'est-à-dire avec l'axe OZ' aligné sur l'axe OV, on peut utiliser une technique de gyro-compas pour aligner une position angulaire de référence du cardan extérieur 13 sur le Nord vrai.L'allure de rotation de la roue gyroscopique 46 autour de l'axe OX', due à la rotation de la terre telle que mesurée par les capteurs appropriés 62 du gyroscope accordé 12 est amenée au moteur de couple 22 par l'intermédiaire d'une circuiterie de commande convenable et utilisée pour faire pivoter le cardan extérieur 13 jusqu'à ce que l'allure de rotation de la terre, mesurée autour de l'axe OX' par le gyroscope accordé 12, soit nulle lorsque l'axe de pivotement (spin) 35 (axe OY') sera orienté dans le sens Nord/Sud, avec l'axe OX dans le sens Est/Ouest. The instrument can operate in three separate measurement phases to obtain three separate measurements. First, with the instrument placed vertically at the mouth of the borehole, i.e. with the OZ 'axis aligned with the OV axis, we can use a gyro-compass technique to align an angular position of reference of the outer gimbal 13 on true North. The rotational speed of the gyroscopic wheel 46 around the axis OX ', due to the rotation of the earth as measured by the appropriate sensors 62 of the tuned gyroscope 12 is brought to the torque motor 22 by means of a suitable control circuit used to rotate the external gimbal 13 until the rate of rotation of the earth, measured around the axis OX 'by the gyroscope granted 12, or zero when the pivot axis (spin) 35 (OY 'axis) is oriented in the North / South direction, with the OX axis in the East / West direction.
Cette phase de recherche du Nord au moyen du gyro-compas élimine la nécessité de l'opération d'alignement de la référence du boîtier qu'on emploie actuellement avec les instruments gyroscopiques classiques, qui peut constituer une source importante d'erreur azimutale.This phase of searching for the North by means of the gyro-compass eliminates the need for the operation of aligning the reference of the case that is currently used with conventional gyroscopic instruments, which can constitute a significant source of azimuth error.
Dans une deuxième phase de mesure, applicable à des inclinaisons de forage allant de 0 à 45 par rapport à la verticale, l'inclinaison du forage est mesurée, soit de manière continue, soit en une série d'emplacements sur sa longueur par le procédé de contrôle décrit dans le brevet britannique nO 1 509 293, excepté que la référence d'alignement initial est obtenue comme décrit ci-dessus en se référant à la première phase de mesure.L'allure de rotation de la roue gyroscopique 46 autour de l'axe OZ', telle que mesurée par les capteurs appropriés 62 du gyroscope accorde 12, est amenée par une circuiterie de commande appropriée au moteur de couple 22 et utilisée pour stabiliser le cardan extérieur 13 autour de l'axe OZ' de façon à maintenir l'alignement de l'axe OY' dans le plan vertical Nord/Sud. In a second measurement phase, applicable to drilling inclinations ranging from 0 to 45 relative to the vertical, the inclination of the drilling is measured, either continuously, or in a series of locations along its length by the method control described in British Patent No. 1,509,293, except that the initial alignment reference is obtained as described above with reference to the first measurement phase. The rotational speed of the gyroscopic wheel 46 around the 'OZ axis', as measured by the appropriate sensors 62 of the tuning gyroscope 12, is brought by a control circuit suitable for the torque motor 22 and used to stabilize the outer gimbal 13 around the axis OZ' so as to maintain the alignment of the axis OY 'in the vertical North / South plane.
Par conséquent le cardan extérieur 13 se comporte comme une plateforme stabilisée à un seul axe dont l'axe OZ' coïncide avec l'axe OZ du boîtier. Ainsi la rotation nette du boîtier 10 autour de l'axe OZ, mesurée par rapport à une référence de cardan extérieur, est égale à la somme de toutes les rotations du boîtier 10 autour des directions instantanées de OZ lorsque l'instrument est déplacé sur le trajet du forage et il est évident qu'elle est indépendante du trajet suivi.Consequently, the outer gimbal 13 behaves like a stabilized platform with a single axis, the axis OZ 'of which coincides with the axis OZ of the housing. Thus the net rotation of the housing 10 around the axis OZ, measured with respect to an external gimbal reference, is equal to the sum of all the rotations of the housing 10 around the instantaneous directions of OZ when the instrument is moved on the drilling path and it is obvious that it is independent of the path followed.
Avec l'instrument décrit dans ledit brevet nO 1 509 293 les allures de dérive du cardan extérieur autour de l'axe OZ sont de l'ordre de 10 à 100 par heure et au cours du contrôle on effectue des vérifications de l'al- lure de dérive. De cette manière on peut obtenir une précision de la mesure de l'allure de l'ordre de 0,50 par heure. With the instrument described in said patent No. 1 509 293, the drift gears of the outer gimbal around the axis OZ are of the order of 10 to 100 per hour and during the control checks are carried out of the drift lure. In this way it is possible to obtain an accuracy of the measurement of the pace of the order of 0.50 per hour.
Par contre, en utilisant l'instrument décrit ci-dessus, on peut obtenir une précision de la mesure de l'allure de l'ordre de 0,10 par heure et il n'est pas nécessaire de s'arrêter pour effectuer des vérifications de l'allure de la dérive au cours du contrôle. Avec une programmation convenable du système pour corriger les signaux de sortie des accéléromètres eu égard aux effets de l'instrument parcourant un trajet non rectiligne au cours du contrôle1 cette phase de mesure peut être exécutée en une seule opération continue.On the other hand, by using the instrument described above, it is possible to obtain an accuracy of the measurement of the pace of the order of 0.10 per hour and it is not necessary to stop to carry out checks. the speed of the drift during the inspection. With suitable programming of the system to correct the output signals from the accelerometers having regard to the effects of the instrument traveling a non-rectilinear path during the control1 this measurement phase can be carried out in a single continuous operation.
Dans une troisième phase de mesure, applicable à des inclinaisons de forage dépassant 450 par rapport à la verticale1 le cardan extérieur 13 est sollicité,@ tourner par le moteur de couple 22 de façon à maintenir l'angle du côté haut à zéro, comme mesuré par le dispositif capteur de gravité 30. Si les trois accéléromètres fournissent des composantes de gravité OX, OY et OZ de gX' gy et gZ' respectivement le long des axes OX, OY et OZ fixés au boîtier, l'angle d'inclinaison # sera donné par
e = atan (gx2 + gy2) / (gx2 + gy2 + gZ2) 1/2 et l'angle du côté haut sera fourni par = = atan (gY / gX)
gx, gy et gZ doivent être corrigés des effets de l'instrument qui parcourerait un trajet non rectiligne.In a third measurement phase, applicable to drilling inclinations exceeding 450 relative to the vertical1 the external gimbal 13 is stressed, @ turn by the torque motor 22 so as to maintain the angle of the high side at zero, as measured by the gravity sensor device 30. If the three accelerometers supply gravity components OX, OY and OZ of gX 'gy and gZ' respectively along the axes OX, OY and OZ fixed to the housing, the angle of inclination # will be given by
e = atan (gx2 + gy2) / (gx2 + gy2 + gZ2) 1/2 and the top side angle will be provided by = = atan (gY / gX)
gx, gy and gZ must be corrected for the effects of the instrument traveling a non-rectilinear path.
La mesure de l'allure de la roue gyroscopique 46 autour de l'axe OX', telle que fournie par les capteurs appropriés 62 du gyroscope accordé 12, peut être alors utilisée pour calculer l'angle azimutal # lorsque l'ins- trument est promené sur le trajet du trou de forage. L'allure mesurée autour de l'axe OX', rX = xX + R Oii #X représente l'allure de rotation de l'instrument autour de l'axe OX' et # X' l'allure de la rotation de la terre autour de l'axe OX'. The measurement of the speed of the gyroscopic wheel 46 around the axis OX ', as provided by the appropriate sensors 62 of the tuned gyroscope 12, can then be used to calculate the azimuth angle # when the instrument is walked along the path of the drill hole. The speed measured around the axis OX ', rX = xX + R Oii #X represents the speed of rotation of the instrument around the axis OX' and # X 'the speed of the earth's rotation around the axis OX '.
Comme # = 0, l'angle azimutal # peut être calculé à partir de l'intégrale de temps #, avec # = - #X / sin # =
-(rX-#X)sin # où #X = RT#cos # #cos # + RR#sin #,
RT = RE#cos # et RR = RE#sin# où RE représente l'allure de la rotation de la terre autour de son axe et h , la latitude géographique.Since # = 0, the azimuth angle # can be calculated from the time integral #, with # = - #X / sin # =
- (rX- # X) sin # where #X = RT # cos # #cos # + RR # sin #,
RT = RE # cos # and RR = RE # sin # where RE represents the shape of the rotation of the earth around its axis and h, the geographic latitude.
Les deuxième et troisième phases de mesure sont mutuellement complementaires, car pour des inclinaisons dépassant 450 par rapport à la verticale, la deuxième phase de mesure tendrait à donner des résultats de plus en plus inexacts lorsque l'inclinaison augmente, tandis que pour des inclinaisons allant de 0 à 450 par rapport à la verticale, la troisième phase de mesure donnerait des résultats de plus en plus inexacts lorsque l'inclinaison diminue. The second and third measurement phases are mutually complementary, because for inclinations exceeding 450 with respect to the vertical, the second measurement phase would tend to give increasingly inaccurate results when the inclination increases, while for inclinations ranging from 0 to 450 with respect to the vertical, the third measurement phase would give increasingly inaccurate results when the inclination decreases.
On fournira maintenant ci-après la base théorique de l'instrument. The theoretical basis of the instrument will now be provided below.
Si l'instrument est déplacé de façon que l'axe longitudinal de l'instrument OZ' reste parallèle à l'axe du trou de forage au cours du déplacement, alors les allures de rotation de l'instrument autour des axes fixés au boîtier sont définis respectivement par 0 X #Y et WZ. Si les allures de rotation instantanées sont définies en fonction des allures Q etijf, lesquelles sont définies par les modifications des paramètres du forage e et # lorsque l'instrument se déplace le long du trajet du forage, l'allure de l'instrument peut être alors définie dans le cadre fixé à la terre par Rp = - ##sin # #UN + ##cos # #UE + ##UV
La transformation du vecteur Rp en composantes fixées au boîtier donne
{#} {#} {#}#Rp = (-sin##cos### + ##sin# ) #UX + (sin##
sin### + ##cos# ) #UY + (cos###) #UZ #
Ainsi,
#X = -sin##cos## # + ##sin# .......... (1)
#Y = sin##sin## # + ##cos# .......... (2)
# Z = cos## # .......... (3)
La résolution des relations (1) et (2) ci-dessus fournit pour t et Q
# = -{#X#cos# - #Y#sin#} / sin# .... (4)
e = #X. X .sin + #Y#cos# .... (5)
Si la grandeur de la rotation autour de la terre de son axe est RE' alors l'allure de rotation de la terre peut être définie dans le cadre fixé à la terre par RE = RE#cos # #UN - RE#sin # #UV ou
BE = RT#UN - RRUV
La transformation du vecteur RE en composantes fixées au boîtier donne #X = RT#cos # #cos##cos# + RR#sin##cos# - RT#sin##sin#..(6) #Y =-RT#cos # #cos##sin# - RR#sin##sin# - RT#sin##cos#..(7) #Z = RT#cos # #sin# - RR#cos# ..(8) où #X' #Y et #Z représentent les allures de rotation de la terre autour des axes fixés au boîtier. If the instrument is moved so that the longitudinal axis of the instrument OZ 'remains parallel to the axis of the borehole during movement, then the rotational speeds of the instrument around the axes fixed to the housing are defined respectively by 0 X #Y and WZ. If the instantaneous rotation paces are defined as a function of the paces Q etijf, which are defined by the modifications of the drilling parameters e and # when the instrument moves along the drilling path, the instrument pacing can be then defined in the frame fixed to the earth by Rp = - ## sin # #UN + ## cos # #UE + ## UV
The transformation of the vector Rp into components fixed to the housing gives
{#} {#} {#} # Rp = (-sin ## cos ### + ## sin #) #UX + (sin ##
sin ### + ## cos #) #UY + (cos ###) #UZ #
So,
#X = -sin ## cos ## # + ## sin # .......... (1)
#Y = sin ## sin ## # + ## cos # .......... (2)
# Z = cos ## # .......... (3)
The resolution of relations (1) and (2) above provides for t and Q
# = - {# X # cos # - # Y # sin #} / sin # .... (4)
e = #X. X .sin + # Y # cos # .... (5)
If the magnitude of the rotation around the earth of its axis is RE 'then the rate of rotation of the earth can be defined in the frame fixed to the earth by RE = RE # cos # #UN - RE # sin # # UV or
BE = RT # UN - RRUV
The transformation of the vector RE into components fixed to the housing gives #X = RT # cos # # cos ## cos # + RR # sin ## cos # - RT # sin ## sin # .. (6) #Y = -RT #cos # # cos ## sin # - RR # sin ## sin # - RT # sin ## cos # .. (7) #Z = RT # cos # # sin # - RR # cos # .. (8) where #X '#Y and #Z represent the rotation patterns of the earth around the axes fixed to the housing.
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