FR2532683A1 - Systeme de controle directionnel par inertie d'un puits de forage - Google Patents

Abstract

SYSTEME DE CONTROLE DIRECTIONNEL PAR INERTIE D'UN PUITS DE FORAGE. LE SYSTEME DETERMINE LE DEPLACEMENT SELON TROIS DIRECTIONS DU CHEMIN DE FORAGE PAR RAPPORT A LA TETE DE PUITS. IL COMPREND UN OUTIL DE FORAGE DESCENDU DANS LE PUITS AU BOUT D'UN CABLE ELECTRIQUE ET UN ORDINATEUR, A LA SURFACE, COMMUNIQUANT AVEC L'OUTIL. CET OUTIL COMPREND UN CARTER DESTINE A ETRE ABAISSE DANS LE TROU DE FORAGE, DES MOYENS DE MESURE ANGULAIRE DE L'INCLINAISON DU CARTER PAR RAPPORT A LA VERTICALE ET DE PRODUCTION DE SIGNAUX INDICATIFS DE CETTE INCLINAISON, DES MOYENS DE MESURE D'ACCELERATION ET DE PRODUCTION DE SIGNAUX INDICATIFS DE CES ACCELERATIONS, DES MOYENS POUR COMBINER LESDITS SIGNAUX D'ANGLE ET D'ACCELERATIONS ET POUR PRODUIRE DES INFORMATIONS D'ACCELERATION, DE VITESSE ET DE POSITION NORMALISEES VERTICALEMENT ET DES MOYENS POUR FOURNIR LESDITES INFORMATIONS DE POSITION POUR EFFECTUER UN CONTROLE DU TROU DE FORAGE.

Description

La présente invention concerne un outil qui réa-

lise un contrôle directionnel complet d'un trou de forage

de puits de pétrole ou de gaz pour déterminer le déplace-

ment du chemin de trou de forage dans les trois directions par rapport à la bouche de puits à la surface.

Le gourvernement des E U A a des droits sur cet-

te invention conformément au contrat N O DE-ACO 4-76 DPO 0789

entre le Département américain de l'Energie et la Compa-

gnie Wbetern Electric.

La plupart des instruments ou outils utilisés pour effectuer des contrôles directionnels comprennent des

dispositifs qui mesurent l'attitude, ou orientation an-

gulaire, de l'outil quand il est abaissé sur un câble jus-

que dans le trou de forage Typiquement, on utilise des

accéleremètres ou des détecteurs deinclinaison pour mesu-

rer une inclinaison d'outil et des compas gyroscopiques ou magnétiques sont utilisés pour repérer le nord On calcule le déplacement de 1 outil en projetant chaque augmentation

incrémentale de longueur de cable dans la direction déter-

minée par l'attitude de l'outil o Les erreurs de mesure de déplacement sont généralement de 1 'ordre de 3,048 m pour tous les 304,8 m de longueur de trou de forage et elles résultent des erreurs dans les dispositifs de détection de gravité et de nord, et d'un désalignement entre l'outil et

le trou de forage De plus, les erreurs de mesure de dépla-

cement résultent des imprécisions dans la mesure de lon-

gueur de câble.

Récemment, des efforts ont été faits pour adapter des systèmes de navigation par inertie d'avion pour leur utilisation comme instruments de contr 6 le directionnel de trou de forage Dans un système de navigation par inertie, les signaux de sortie des accéléromètres et des gyroscopes sont traités dans un ordinateur pour obtenir des valeurs

de vitesse et de déplacement Il n'est pas nécessaire d'ef-

fectuer des mesures de longueur de cable.

D'une façon générale, il existe deux types de mé-

canisation de système de navigation, c'est-à-dire, à sus-

pension à la cardan et attachés par courroie Dans un sys-

tème à suspension à la cardan, le bloc détecteur contenant les gyroscopes et les accéléromètres est supporté par un

groupe de suspensions à la cardan qui isolent le bloc dé-

tecteur d'une rotation par rapport au carter extérieur. En fonctionnement normal, le bloc détecteur reste de fait

sans mouvement de rotation et maintient à peu près son ali-

gnement initial ou de référence On utilise les signaux de sortie des gyroscopes sur le bloc détecteur dans des

boucles d'asservissement de recherche de zéro qui comman-

dent les suspensions à la cardan de manière à ce qu'il ne se produise pas de rotation du bloc détecteur Un avantage d'un système à suspension à la cardan est qu'il n'est pas nécessaire que les gyroscopes mesurent de grandes vitesses

angulaires Les gyroscopes fonctionnent dans un environne-

ment à vitesse angulaire favorable, nominalement nulle.

Un inconvénient important des systèmes à suspension à la

cardan est qu'ils comportent une mécanique très compliquée.

Un système attaché par courroie ne comprend pas

de suspension à la cardan Toute vitesse angulaire de ro-

tation du carter d'instrument à l'intérieur du trou de fo-

rage est transmise directement au bloc détecteur Les gy-

roscopes doivent mesurer un large intervalle de vitesses

angulaires de zéro jusqu'à éventuellement plusieurs cen-

taines de degrés par seconde Les systèmes attachés par courroie sont mécaniquement plus simples et ordinairement

plus petits que les systèmes à suspension à la cardan.

Jusqu'à maintenant, on a mis au point un certain

nombre de détecteurs de trou de forage comprenant normale-

ment un gyroscope et des accéléromètres pour mesurer l'at-

titude et un dispositif de mesure de câble pour déterminer

la profondeur de l'instrument à l'intérieur du trou de fo-

rage Par exemple, deux brevets des E U A no 3 753 296

et N O 4 199 869 accordés à Van Steenwyk F ainsi que le bre-

vet des E U A no 4 197 654 accordé à Van Steenwyk et al, décrivent un appareil cartographique de puits qui utilise un mécanisme à gyroscope d'attitude Chacun de ces brevets

comprend un dispositif de mesure approprié 17 qui enregis-

tre la longueur du cable s'étendant vers le bas dans le

puits dans un but de repérage De plus, chaque brevet dé-

crit un gyroscope 25 qui est monté sur des structures à bagues collectrices 25 a et 26 a prévues avec des bornes pour transmettre les signaux de sortie du gyroscope et

d'un accéléromètre 26.

Le brevet des E U A N O 4 244 116 de Barriac dé-

crit un dispositif pour mesurer l'azimut et la pente d'un trou de forage Ce dispositif comprend un gyroscope 5 et un accéléromètre 12 qui incluent deux axes principaux de sensibilité qui sont parallèles entre eux Ce dispositif

n'est défini que pour mesurer l'attitude d'un trou de fo-

rage.

Le brevet des Eo U A n 4 238 809 de Barriac dé-

crit un dispositif pour analyser l'azimut et la pente d'un trou de forage Le dispositif comprend un gyroscope

et un accéléromètre qui sont suspendus à un câble Le gy-

roscope et l'accéléromètre ne sont prévus que pour mesurer l'attitude du mécanisme à l'intérieur du trou de forage et un moyen de mesure 6 est prévu pour mesurer la longueur du câble quand le dispositif est abaissé jusque dans le

trou de forage.

Le brevet des E U Ao no 3 691 363 de Armistead

décrit un procédé et un appareil-pour repérer directionnel-

lement un trou de forage Un moteur électrique Il à vites-

se constante, par exemple un moteur synchrone, est monté

dans un carter d'instrument supérieur 13 pour faire tour-

ner une première bobine 10 La première bobine 10 est disposée dans une bobine de Helmholtz 40 La bobine de H Elm holtz 40

est montée par suspension à la cardan dans'le carter d'ins-

trument supérieur 13 de manière à ce qu'il maintienne son axe central dans une orientation verticale par laquelle la bobine tournante inclinée 10 est soumise à des lignes de

flux magnétique ayant une direction essentiellement verti-

cale Une unité de mesure de longueur et 'de génération d'impulsions 1 i 9 est prévue mécaniquement couplée avec la

poulie 114 et comprenant un moyen pour mesurer chaque in-

crément de longueur de cable passant sur la poulie 114

quand l'instrument de repérage est élevé ou abaissé, L'u-

nité de mesure de longueur et de génération d'impulsions

119 émet une impulsion de déclenchement pour chaque incre-

ment de longueur mesuré.

Le brevet des E U A né 3 982 431 de Grosso et ai et le brevet des E U A n 4 021 774 de Asnundsson et ai

décrivent des dispositifs détecteurs de trou de forage.

Chaque détecteur de trou de forage comprend un dispositif de suspension a la cardan à trois axes pour déterminer

un plan vertical utilisant la force de gravité comme réfé-

rence, un plan horizontal utilisant la force de gravité comme référence et une direction de nord utilisant le champ magnétique conmme troisième axe de référence Ces

deux dispositifs utilisent de la boue qui traverse l'o-

rifice 50 créant des impulsions de pression dans le courant de boue qui sont transmises à et détectées à la surface

pour fournir des indications de différentes conditions dé-

tectées par l'unité détectrice 44 Les mnécanismes décrits dans ces deux brevets sont effectivement actifs pendant un court intervalle de temps tous les 9,144 m ou à peu près de profondeur du trou de forage Le dispositif décrit dans les deux brevets est utilisé pour mesurer l'attitude

du mécanisme à lintérieur du trou de forage.

Le brevet des E U A n 4 245 498 de Poquette dé-

crit un instrument de controle de puits qui fournit des informations angulaires incréEmentales autour de deux axes perpendiculaires à la ligne axiale centrale d'un tuyau de puits à controler Des informations d'inclinaison sont fournies par un gyromètre placé en azimut par un gyroscope

azimutal de recherche de zéro sur une suspension à la car-

dan azimutale La profondeur du dispositif à l'intérieur du

trou de forage est obtenue en mesurant la longueur du ca-

ble laissé filé quand le dispositif est abaissé dans le

trou de forage.

Le brevet des E U A n 4 302 886 de Starr décrit un instrument de contrôle directionnel gyroscopique Le sujet énoncé dans ce brevet est principalement orienté vers la protection de l'instrument placé à l'intérieur du carter

À;A -2532683

. extérieur du dispositif Plus particulièrement, le brevet

de Starr décrit un instrument de controle qui peut suppor-

ter une pression de 1687,34 kg/cm 2 De plus, le dispositif

est conçu pour supporter une température de 1 ordre de -

232 C L'instrument décrit par Starr comprend une bouteil- le isolante et un récipient -sous pression dans lesquels

les instruments sont disposes.

Un objet de la présente invention est un système de controle directionnelde trou de forage par inertie

qui ne nécessite pas de-mesure de longueur de cable.

Un autre objet de la présente invention est un système de controle daris lequel on obtient des déplacements du dispositif à leintérieur d'un trou de forage par une

technique de navigation par inertie pour calculer 1 atti-

tude à partir de signaux de sortie de gyroscope et en uti-

lisant cette information pour convertir des accélérations mesurées en accélerations dans des directions spécifiques, par exemple" du nord, vers le bas, de l'est, etc. Un autre objet de la présente invention est un système de contrôle dans lequel le désalignement du bloc instrument par rapport au puits de forage n'est pas une source d'erreur Le chemin du dispositif dans le puits de forage est déterminé indépendamment de l'orientation du

dispositif par rapport au puits de forage.

Un autre objet de la présente invention est un système de contrôle directionnel de trou de forage par inertie qui calcule dé façon précise le chemin du puits de forage sans être soumis à des erreurs engendrées par des

mesures de longueur de câble et à des erreurs dues au désa-

lignement du dispositif à l'intérieur du puits de foragé.

Un autre objet de la présente invention est un dispositif pour controler un puits de forage qui comprend

un bloc détecteur monté sur une seule suspension à la car-

dan L'axe de rotation de la suspension à la cardan est

aligné avec l'axe cylindrique du dispositif -

Un autre objet de la présente invention est un dispositif de contrôle de puits de forage qui utilise des techniques de navigation par inertie et qui utilise

des techniques de filtrage de Kalman pour prévoir de fa-

çon optimale les erreurs de système.

Encore un autre objet de la présente invention -5 est d'augmenter la vitesse de contrôle de puits de forage pour diminuer le temps de forage et réduire la sensibilité du système à une surchauffe en profondeur et/ou à des puits

de forage chauds.

Encore un autre objet de la présente invention est un dispositif pour contrôler un trou de forage dans

lequel le dispositif est insensible à un tournoiement de l'ou-

til induit par une torsion du câble ou par l'action de fluides de trou de forage ou de centralisateurs d'outil

quand l'outil est élevé ou abaissé dans le trou de forage.

Ces objets et d'autres de la présente invention sont réalisés par un système de contrôle directionnel de trou de forage par inertie qui comprend deux gyroscopes à deux axes et trois accéléromètres à axes simples Ces détecteurs par inertie sont placés sur un bloc détecteur

qui est supporté par une seule suspension à la cardan.

L'axe de rotation du bloc détecteur est aligné avec l'axe cylindrique de l'outil En utilisant les deux gyroscopes à deux axes et les trois accéléromètres à axes simples on obtient trois axes de mesures de mouvement angulaire et linéaire Un axe de gyroscope est réservé à une boucle

d'asservissement de recherche de zéro qui élimine effecti-

vement une rotation du bloc détecteur autour de l'axe de suspension à la cardan Deux autres axes de gyroscopes sont utilisés pour mesurer des rotations de bloc détecteur autour des axes dans un plan perpendiculaire à l'axe de suspension à la cardan Le dernier axe de gyroscope est superflu.

Cette mécanisation est une combinaison des méca-

nisations complètement à suspension à la cardan et atta-

chées par courroie mentionnées précédemment Dans cette

mécanisation hybride, le problème de la mesure des vites-

ses élevées de rotation de l'outil autour de son axe cy-

lindrique est éliminé, et l'étalonnage du système est fa-

cilité L'isolement est prévu pour diminuer l'effet des

températures de formation élevées sur la surface extérieu-

re de l'outil De plus, l'outil comprend des circuits élec-

troniques d'asservissement de suspension à la cardan et de détecteur par inertie et des circuits électroniques

d'interface d'ordinateur Les déplacements de l'outil par -

rapport au sommet du trou de forage sont obtenus en cal-

culant une attitude de bloc détecteur à partir des signaux de sortie de gyroscopes et en utilisant cette information pour convertir des accélérations mesurées en accélérations dans des directions spécifiques Les accélérations sont

intégrées doublement pour fournir l'information de dépla-

cement de l'outil par rapport au sommet du trou de forage.

Le désalignement du bloc instrument par rapport au puits de forage n'est pas une source d'erreur puisque le chemin

de 1 'outil;dans le trou de forage est déterminé indépen-

damment de 1 orientation du bloc par rapport au puits de forage

Le dispositif de la présente-invention utilise-

en outre des techniques d'estimation de Kaimaan pour com-

penser les erreurs de système et rendre optimale la pre-

cision du contrleo' L'instrument du trou de forage

est arrêté périodiquement dans le trou de forage pour con-

troler les erreurs de calcul de vitesse Chaque arret peut être extrêmement court et il est utilisé pour trouver des erreurs de calcul de vitesse effectives à utiliser dans

l'estimation de Kalman Le dispositif de la présente in-

vention peut controler un trou de forage à -des vitesses

extrêmement élevées: environ-152,4 m/min, par lutilisa-

tion de ses techniques de controle par inertie.

D'autres caractéristiques et avantages de la pré-

sente invention seront-mis en évidence dans la description

suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en Meéfé-

rence aux dessins annexés dans lesquels: Figure 1 est un schéma fonctionnel des différents

composants qui constituent le système -de controle direc-

tionnel de trou de forage par-inertie de l'invention;

Figure 2 est une vue latérale déconnectée repre-

sentant les différents composants et 1 'interconnexion du système;

Figure 3 est une vue en coupe transversale repré-

sentant la partie intérieure de la plate-forme à une seule suspension à la cardan;_ Figure 3 A est une vue en plan d'en haut du bloc

détecteur par inertie ou plate-forme comme on l'a represen-

té sur la Figure 3; Figure 3 B est une vue d'en bas du bloc détecteur par inertie ou plate-forme comme on l'a représenté sur la Figure 3-; Figure 4 est une vrue en coupe transversale en

plan d'en haut representant le module électronique d'asser-

vissement de gyroscope et de conversion d'analogique en fréquence (A/F) du système;

Figure 5 est une vue en coupe transversale laté-

tale représentant le module électronique d'asservissement de gyroscope et de conversion d'analogique en fréquence (A/F) représenté sur la Figure 4;

Figure 6 est une vue en coupe transversale par-

tielle en plan d'en haut représentant le module électroni-

que d'entrée/sortie (E/S) du système;

Figure 7 est unle vue latérale du module électro-

nique d'E/S selon la Figure 6; Figure 8 est une vue en coupe transversale en plan d'en haut du convertisseur d'alimentation du système; Figure 9 est une vue latérale du convertisseur d'alimentation représenté sur la Figure 8 Figure 10 est une rue en coupe transversale en plan d'en haut du bloc d'interconnexion du système; Figure 11 est une vue en coupe transversale en plan d'en haut du bloc de batterie du système; Figure 12 est un organigramme des algorithmes de contrôle; Figure 13 est un organigramme de l'algorithme d'estimation de Kalman; Figure 14 est un schéma fonctionnel représentant l'horloge de conversion d'analogique en fréquence (A/F) et la plaquette de conversion d'analogique en fréquence (A/F) draccéléromètre d'axe Z du système; Figure 15 est un schéma fonctionnel représentant la plaquette de conversion A/F de gyroscope d'axes X-Y du système;

Figure 16 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te d'asservissement de gyroscope d'axes X-Y du système;

Figure 17 est un schéma fonctionnel de la pla-

quette d'inverseur du système;

Figure 18 est un schéma fonctionnel de la pla-

quette de source d'alimentation du système;

Figure 19 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te de commande de ligne du systeme;

Figure 20 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te de convertisseur de valeurs de résolution en numérique (R/N) du système;

Figure 21 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te de compteur d IA/F du système;'

Figure 22 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te de commande d-élément de chauffage du système;

Figure 23 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te de préamplificateur de gyroscope du système;

Figure 24 est un schéma fonctionnel de la plaquet-

te d'unité centrale de traitement (CPU) du système; et

Figure 25 est un schéma fonctionnel de lensem-

ble des différents assemblages du système de controle

de puits de forage par inertie -

Sur les Figures 1 et 2 ', le système de contrôle de puits de forage par inertie de l'invention comprend un carter extérieur 10 qui peut etre séparé en au moins trois sections 10 A, l OB et 1 OC Le carter extérieur 10 peut être construit en acier inoxydable et il comprend un module d'entrée/sortie 12, un module de convertisseur d'analogique en fréquence et d'asservissement de gyroscope 14, une plateforme à une seule suspension à la cardan 16, un module convertisseurd'alimentation 18 et un compartiment de batterie 20 De plus, comme le montre la Figure 2, le module électronique d'entrée/sortie 12 est connecté au moyen d'une fiche de levée 13 à une tête de câble 15 La tête de câble 15 est Connectée à un câble 17 qui permet

d'élever ou d'abaisser le carter extérieur 10 à l'inté-

rieur d'un trou de forage De plus, le câble 17 fournit

un moyen de connexion électrique entre le système de con-

trole de puits de forage par inertie et un ordinateur 19

qui est placé à la surface et communique avec l'outil.

Le bloc de batterie 20 comprend des centralisa-

teurs 22, 23 et 24 pour stabiliser la position du carter extérieur 10 à l'intérieur du trou de forage Pareillement, le module électronique d'entrée/sortie 12 comprend des

stabilisateurs 25, 26 et 27 qui ont une fonction semblable.

La partie la plus basse du carter extérieur 10

est un ensemble amortisseurde chocs 28 qui est relié direc-

tement au bloc de batterie 20 L'amortisseur de chocs 28 peut contenir un grand ressort pour amortir certains des chocs pouvant se produire pendant une manipulation Dans un exemple préféré de réalisation, le carter extérieur 10 peut avoir un diamètre extérieur de 10,16 cm, environ 6,lm de long et une épaisseur de paroi de 6,35 mm Le carter extérieur 10 a unerésistance à la pression d'environ

703,07 kg/cm.

La plate-forme à une seule suspension à la cardan 16 est plus clairement représentée dans la vue en coupe transversale partielle de la Figure 3 La plate-forme à

une seule suspension à la cardan 16 comprend deux gyros-

copes 31 et 32 à deux axes à rotor accordé Modèle III-E d'Incosym De plus, on utilise trois accéléromètres 33, 34 et 35 à axe simple Modèle QA-1200 de Sundstrand Deux puits de chaleur 36 et 37 sont placés chacun d'un c 6 té de la plate-forme 38 sur laquelle sont montés les gyroscopes et les accéléromètres Un circuit détecteur électronique et des connecteurs sont montés sur une plate-forme 39 qui est fixée à une extrémité du puits de chaleur 37

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Comme le montrent les Figures 3 A et 3 B, le bloc

détecteur 40 comprend un connecteur d'extrémité 41 -Si -

l'on se réfère à la Figure 3, on voit que le connecteur

d'extrémité 41 est monté à l'intérieur d'une enveloppe ex-

térieure 4) qui est fixée au carter extérieur 10 Des rou-

lements 44 sont placés entre le connecteur d'extrémité ex-

térieur 41 et l'enveloppe extérieure 43 pour permettre une

rotation relative entre ceux-ci, Les composants électroni-

ques placés sur la plate-forme 39 sont connectés au moyen de fils 45 a, 45 b, 45 c et 45 d à une bague collectrice 42 "

La bague collectrice 42 est montée par rapport à l'envelop-

pe extérieure 43, Pareillement, le puits de chaleur 36 est monté sur un arbre en saillie 46 qui est disposé à l'intérieur du moteur de suspension à la cardan 47 Des roulements 48

sont placés entre ltarbre en saillie 46 et 11 enveloppe dgex-

trémité 49 qui est fixé au carter extérieur 10, Le moteur de suspension à la cardan 47 est disposé entre 1 'enveloppe d'extrémité 49 et l'arbre en saillie 46 Un dispositif de résolution 50 est fonctionnellement connecté à l'arbre en saillie 46 pour mesurer 19 angle de suspension à la cardan

par rapport à la position de baril sous pression.

Une couche isolante 51 est connectée à des élé-

ments d'extrémité 52 et 53 Un couvercle de protection 514 est monté sur la partie extérieure de la couche isolante 51 et il est pareillement fixé aux éléments d'extrémité

52 et 530 Le'élément d'extrémité 53 est connecté à l'enve-

loppe extérieure 43 au moyen d'un élément d'isolement con-

tre les vibrations 56 e Pareillement, l'élément d'extrémité 52 est connecté à un élément de carter 55 au moyen d'un élément d'isolement contre, les vibrations 56 De plus, des

absorbeurs de chocs 57 et 58 sont fixés aux éléments d'ex-

trémité 52 et 53 pour empêcher de détériorer les composants

placés sur le bloc détecteur 40.

Les deux plaquettes de circuits imprimés placées sur la plate-forme 39 contiennent des circuits de commande

d'élément de chauffage de gyroscope et des circuits préam-

* plificateur de gyroscope Le moteur de suspension à la cardan 47 produit un couple en réponse au signal de sortie de gyroscope pour contrecarrer un frottement de roulement

et permettre au bloc détecteur 40 de rester essentielle-

ment immobile en présence d'une rotation d'outil autour de l'axe longitudinal Le dispositif de résolution 50 mesure l 'angle de suspension à la cardan par rapport à une

position de baril sous pression.

Comme le montrent les Figures 4 et 5, un module 14 de convertisseur d'analogique en fréquence (A/F) et

d'asservissement de gyroscope comprend un circuit électro-

nique 60 de conversion A/F de gyroscope d'axes XR-Z, un circuit électronique dé conversion A/F de gyroscope d'axes

X-Y 62, um circuit électronique 63 de conversion A/F d'ac-

céléromètre d'axes X-Y, un circuit de distribution de si-

gnal 64, un circuit d'asservissement de gyroscope d'axes-.

XR-Z 65 et un circuit d'asservissement de gyroscope d'axes X-Y 66 Le circuit électronique 60 de conversion A/F de

gyroscope d'axes Xi-Z et le circuit électronique 62 de con-

version A/F de gyroscope d'axes X-Y contiennent un puits de chaleur 61 Une couche isolante 67 est placée sur la périphérie extérieure du module 14 de conversion A/F et d'asservissement de gyroscope Un bloc d'interconnexion 68 est placé à une extrémité du module 14 de conversion A/F et d'asservissement de gyroscope pour le relier au module

d'entrée/sortie 12 Le circuit électronique 63 de conver-

sion A/F d'accéléromètre d'axes X-Y est connecté à un puits de chaleur 69 Pareillement, le circuit d'asservissement de gyroscope d'axes XR-Z et le circuit d'asservissement 66 de gyroscope d'axes X-Y sont connectés à un puits de

chaleur 70.

Le module d'entrée/sortie 12, le module 14 de

conversion A/F et d'asservissement de gyroscope et le mo-

dule 18 convertisseurd'alimentation comprennent des plaquet-

tes de circuits fixées chacune d'un c 6 té d'une plaque d'a-

luminium Le module 14 de conversion A/F et d'asservisse-

ment de gyroscope a été défini plus haut La plaque d'alu-

:

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minium constitue non seulement un support de structure,

mais elle fournit aussi un puits de chaleur pour les com-

posants électriques de haute puissance.

Les deux gyroscopes sont les seuls éléments du système 'qui comprennent des moyens de contrôle de tempéra- ture actifs Des éléments de chauffage et un détecteur de

température sont montés sur chaque gyroscope et fonction-

nent en association avec un circuit électronique de con-

trole de température pour porter les gyroscopes à une tem-

pérature controlée de 710 C dans un délai de 10 minutes

après que le système est mis en marche Le circuit élec-

tronique de controle de température est représenté par la

plaquette de commande d'élément de chauffage 530 de la Fi-

gure 22 La température de chaque gyroscope est détectée

par un détecteur associe 532 (non représenté) Cette tem-

pérature est comparée à une tension de référence par un

amplificateur différentiel 534 pour produire un signal dif-

férentiel qui est envoyé à un amplificateur de puissance

536 qui commande à son tour l'élément de chauffage de gy-

roscope 5400 Il y a un de ces circuits de commande d élé-

ment de chauffage pour chacun des deux gyroscopes D au-

tres composants sensibles à la température comprennent les accéléromètres et les convertisseurs d'analogique en fréa' quence Les températures de Ces éléments sont controlées

de manière -à pouvoir prévoir -une compensation dans le lo-

giciel de l'ordinateurp si nécessaire.

La majorité des composants électroniques du sys-

tème sont des éléments courants du commerce.

qui ont une limite de temperature de fonctionnement annon-

cée de 125 C Dans les trous de forage extrêmement profonds,

la température des formations géologiques peuvent facile-

ment dépasser cette limite Comme on l'a expliqué plus

haut, il est préférable de placer un isolant entre la pa-

roi intérieure du baril sous pression et la surface exté-

rieure de l'instrument L'isolant peut être du caoutchouc mousse ausilicone Cette matière a un avantage en ce

qu'elle est relativement bon marché, relativement dispo-

2532 ve 3 nible et elle-est capable de supporter des températures

dépassant 2000 C En plus de la chaleur de formation exté-

rieure, un'outil de contr&le doit s'opposer à la chaleur

engendrée de façon interne.

, Par conséquent, la capacité de l'outil vis-à-vis de la température, est aussi le résultat de la capacité calorifique du contenu de l'outil On peut utiliser des liquides, des mousses d'uréthane remplies de céramique et du sable de céramique pour remplir les vides dans les blocs de circuits électroniques et pour augmenter la masse

thermique Le sable peut etre la matière préférée en rai-

son de la facilité avec laquelle on peut la retirer du bloc si une réparation est nécessaire Une conductibilité thermique relativement élevée donne une distribution de chaleur loin des points chauds de sorte que le délai avant que des températures excessives soient atteintes à

n'importe quel point particulier peut être prolongé Ce-

pendant, la gravité de ce problème est diminuée par la vi-

tesse de contrôle élevée obtenue avec le dispositif de la présente invention Les températures à quinze positions

sur la longueur de l'outil sont controlées, et-l'alimenta-

tion est coupée si l'outil est trop chaud.

Sur la Figure 3, on a représenté les isolateurs contre les vibrations 54, 56 qui réduisent les vibrations à fréquence élevée pouvant gêner le fonctionnement du bloc

détecteur 40 Les isolateurs 56 sont coupés dans une feuil-

le de caoutchouc mousse au silicone et sont serrés entre

des anneaux d'aluminium De plus, tout l'ensemble de plate-

forme est suspendu par deux amortisseurs de choc 57, 58 qui sont formés à partir d'un soufflet métallique Des anneaux en O 54 A, 56 A sont prévus le long de l'ensemble pour réaliser un amortissement de frottement avec le baril

sous pression Les centralisateurs sur le baril sous pres-

sion fournissent un isolement radial contre les chocs et

les vibrations quand l'outil est dans un puits de forage.

Si l'on se réfère aux Figures 3, 4 et 5, on voit

que le module électronique 14 de conversion A/F et d'asser-

i 5

vissement de gyroscope contient une plaquette de conver-

sion A/F de gyroscope d'axes X-Y 65, une plaquette d'asser-

vissement de gyroscope d'axes i-Z 66 p une plaquette de conversion A/F de gyroscope d'axes X-Y 623 une plaquette de conversion A/F de gyroscope d'axes S-Z 60 et une pla-

quette de conversion A/F d'accéléromètre d'axes X-Y 63.

Chacun des deux gyroscopes 31 et 32 sur la plate-forme 38 a deux axes d'entrée Un axe d'entree de gyroscope d'axes

X-Y est parallèle à l'axe de rotation de suspension à la.

:

cardan, c'est-à-dire, l'axe X L'axe Y est dirigé perpen-

diculairement à l'axe X L'axe R de gyroscope -d'axes XR-Z est un axe superflu dans la direction X Chaque gyroscope contient un élément de torsion qui est utilisé pour mettre la roue tournante en précession de manière à ce qu'elle suive la rotation du bloc détecteur Le courant d'élément

de tors Oon est nominalement proportionnel à la vitesse an-

gulaire autour de l'axe d'entrée de gyroscope.

La plaquette d'asservissement 65, 66 pour chaque

gyroscope contient le circuit qui engendre le courant d'é-

lément de torsion convenable Une plaquette d'asservisse= ment de' gyroscope d'axes X-Y sera décrite dans la suite

dans la partie "Description du circuit de commande"

Comme le montrent les Figures 6 et 7, un module

électronique 12 d'entrée/sortie comprend une plaquette -

d'horloge et de conversion A/F d'accéléromètre d'axe Z 71,

une plaquette de compteur de conversion A/F 729 une pla-

quette de convertisseur de résolution en numérique (R/N) 73, une plaquette d'unité centrale de traitement (CPU) 74 et

une plaquette de circuit de commande de ligne 75 La pla-

quette d'horloge et de conversion A/F d'accéléromètre d'axe Z 71 et la plaquette decompteur A/F 72 comprennent un puits de chaleur 76 Un élément isolant 77 est disposé autour de la surface périphérique extérieure du module électronique d'entrée/sortie Un bloc d'interconnexiôn -78 est prévu pour connecter le module électronique d'entrée/sortie au

module électronique 14 de conversion A/F et d'asservisse-

ment de suspension à la cardan.

Si l'on se réfère aux Figures 8 et 9, on voit

que le convertisseur d'alimentation lcomprend une plaquet-

te d'alimentation 80 et une plaquette d'inverseur 81 La plaquette d'alimentation 80 fournit un courant continu tandis que la plaquette d'inverseur 81 convertit ce cou- rant continu en courant alternatif Un puits de chaleur 82 est connecté fonctionnellement à la plaquette d'inverseur 81 Un élément isolant 83 est disposé autour de la surface

périphérique extérieure du convertisseur d'alimentation 18.

La plaquette d'alimentation 80 est branchée sur les ten-

sions + 28 V, 28 V et + 9,6 V du module de batterie et four-

nit les tensions en courant continu + 28 V, 28 V, + 18 V, 18 V et + 15 V La plaquette d'alimentation 80 comprend

un circuit représenté sur la Figure 18 Les lignes de ten-

sion + 28 V, 28 V et -+ 9,6 V sont reliées à un comparateur logique de non-marcheo Le comparateur logique de non-marche

reçoit en outre le signal de vitesse angulaire de suspen-

sion à la cardan fourni par le conditionneur de signal 204 de la plaquette 15 d'élément de résolution/numérique de la Figure 20, qui sera décrite plus loin Quand une vitesse angulaire de suspension à la cardan élevée est détectée,

le comparateur logique de non-marche 560 supprime la ten-

sion appliquée au moteur de suspension à la cardan de pla-

te-forme an envoyant un signal à un relais 566 pour empe-

cher une rotation de plate-forme incontr 6 lée qui pourrait endommager les gyroscopes Le relais 566 déconnecte les

lignes de i 28 V reliées au moteur de suspension à la car-

dan de plate-forme 72 Un régulateur de 5 V 562 est en ou-

tre prévu sur la plaquette d'alimentation 18 pour fournir une alimentation logique réglée et des seconds régulateurs écreteurs 564, 566 asservissent les tensions + 28 V pour produire une tension de sortie de + 18 V.

On va se référer à la Figure 10 o un bloc d'in-

terconnexion 90 est représenté comme connectant électri-

quement le module 14 de conversion A/F et d'asservissement

de gyroscope au module électronique 12 d'entrée/sortie.

Chaque bloc d'interconnexion contient deux plaquettes supportant 153 broches sur lesquelles des fils sont enroulés ou

soudés Toutes les interconnexions sont réalisées par enrou-

lement de fils jusqu'a d'autres broches sur la meme pla-

quette dans le cas de l'entrée de signaux qui ressortent par un autre connecteur ou jusqu'à des broches sur la pla- quette opposée si le signal est nécessaire à l'intérieur

du module.

Le bloc d'interconnexion 90 comprend une broche 91 sur laquelle est enroulé un fil qui est connectée fonctionnellement à un cavalier à double rangée de broches DIP 92 qui relie entre eux une partie du module 14 de conversion A/F et d'asservissement de gyroscope et le module 12 d'entrée/

sortie De plus, le bloc d'interconnexion -comprend des ca-

valiers à double rangée de broches 93, 94 et 95 En outre,

un connecteur 96 à enveloppe métallique miniature est prévu.

Comme le montre la Figure 11, un bloc de batterie

comprend 56 piles de Ni-Cad rechargeables, de 4 amp-heu-

re, 1,2 V 9 sèches Les alimentations de + 28 V et 28 V sont constituées chacune de 24 piles connectées en série et l'alimentation de + 9 D 6 V contient les 8 autres piles La consommation moyenne en courant estimée pour chaque source

d'alimentation est d'environ 1 ampère, de sorte que le mo-

dule de batterie 100 peut fournir une alimentation pendant

quatre heures de fonctionnement de l'outil.

Le module de bloc de batterie 100 comprend un en-

semble de piles 101 disposées en connexion fonctionnel-

le les unes par rapport aux autres Une tige de serrage 102 assure le positionnement précis de l'ensemble des

piles les unes par rapport aux autres Une entretoise phé-

nolique 103 est disposée entre des piles' prédéterminées

disposées a l'intérieur du bloc de batterie 100 o Un éeé-

ment isolant 104 est prévu autour de la surface périphé-

rique extérieure du bloc de batterieo

Description du circuit de commande de la présente inven-

tion. Sur la Figure 16 on a représenté le circuit d'asservissement de gyroscope d'axes X-Y 65 Ce circuit engendre des courants d'élément de torsion de gyroscope à partir de tensions sélectives de gyroscope Le courant d'élément de torsion de gyroscope est proportionnel à la

vitesse angulaire de variation de la suspension à la car-

dan de plate-forme 16 autour de l'axe d'entrée de gyrosco-

pe La Figure 23 représente la plaquette de préamplifica-

teur de gyroscope 550 qui reçoit et filtre le signal sélec-

tif de gyroscope provenant de chaque détecteur de gyrosco-

pe, effectue un filtrage passe-bande et amplifie le signal

dans un filtre et d'un étage de gain 552 et envoie un si-

gnal analogique de courant alternatif aux circuits d'asser-

vissement de gyroscopes d'axes X-Y et i R-Z 65 et 66, res-

pectivement Les tensions sélectives sont produites par des détecteurs montés sur les suspensions à la cardan de gyroscopes Dans un exemple de réalisation préféré, un élément de résolution transformateur de type sélectif est

utilisé pour produire chaque tension sélective.

La tension sélective de gyroscope d'axe X prove-

nant de la plate-forme de gyroscope 16 est appliquée à l'entrée d'un démodulateur d'axe X 510 qui convertît la tension sélective de gyroscope en courant alternatif en un signal de tension représentant ia variation d'angle du système autour de l'axe X Pareillement, une tension sélective de gyroscope d'axe Y est produite à partir d'un

autre élément de résolution transformateur de type sélec-

tif et produit une tension de courant alternatif qui est démodulée par un démodulateur d'axe Y 512 qui produit une

tension représentant une variation-d'angle du système au-

tour de l'axe Y La tension produite par le démodulateur d'axe X 510 est appliquée à un filtre passe-bas d'axe X.

514 qui fonctionne pour réduire le signal bruit Pareille-

ment, un filtre passe-bas d'axe Y 516 effectue la maême fonction sur le signal de sortie du démodulateur d'axe Y 512 Les signaux de sortie des filtres passe-bas respectifs 514 et 516 sont ensuite envoyés à un intégrateur d axe X 518 et à un intégrateur d'axe Y 520, respectivement, qui fonctionnent oomme des filtres de second ordre ayant des caractéristiques un peu trop faiblement amorties qui servent en outre à définir les tensions représentatives de la variation angulaire du système autour des axes X et Y, respectivement Un réseau de conducteurs d'axe X 522 fonctionnant comme le circuit linéaire reçoit également

le signal de sortie du démodulateur d'axe X 510 et l'en-

voie cormme signal d'entrée à lgintégrateur deaxe Y 520

pour compenser les effets entre les axes créés par préces-

sion Cette compensation prend la forme d'une réaction

sur vitesse de l'axe de torsion.

Les signaux de sortie de l'intégrateur d'axe X 518 et de l'intégrateur d'axe Y 520 sont respectivement envoyés a un filtre éliminateur de bande à flancs raides d'axe X 526 et à un filtre éliminateur de bande à flancs

raides d'axe Y 528 qui contribuent au filtrag des harmo-

niques naturelles provoquées par la fréquence de rotation du gyroscope et la fréquence d'excitation de l'élément de résolution sélective qui produisent du bruit à l'intérieur du système Les tensions de sortie produites à la sortie

des filtres éliminateurs de bande à flancs raides respec-

tifs 526, 528 sont ensuite appliquées à un circuit de com-

mande de tension en courant d axe X 530 et à un circuit

de commande de tension en courant d'axe Y 532, respective-

ment, qui produisents des courants proportionnels aux ten-= sions appliquées à ces circuitso Ces courants sont par

conséquent proportionnels aux angles respectifs.

Bien que la Figure 16 représente le circuit d'as-

servissement de gyroscope d'axes X-Y 65, on remarquera que le circuit d'asservissement de gyroscope d'axes XR-Z 66

est identique Ainsi, ce circuit ne sera pas décrit indé-

pendamment dans la suite.

Les signaux de sortie du circuit de commande d'axe X 530 et du circuit de commande d'axe Y 532 constituent les courants d'élément de torsion d'axe X et d'axe Y de gyroscope qui sont envoyés aux entrées respectives d'un circuit de conversion A/F de gyroscope d'axe X 300 qui fait partie du circuit de conversion A/F de gyroscope

d'axes X-Y 63 représenté sur la Figure 15.

Ces courants sont envoyés aux éléments de torsion de gyroscope respectifs Les couples résultants agissent pour empêcher des inclinaisons (angles sélectifs) de la

roue de gyroscope par rapport au boîtier de gyroscope.

Conformément aux lois de la dynamique des gyroscopes, la valeur de couple, et par conséquent du courant, nécessaire

pour les satisfaire est proportionnelle à la vitesse angu-

laire du boîtier de gyroscope (et de la suspension à la

cardan de plate-forme) autour de l'axe d'entrée de gyros-

cope respectif.

Le circuit de conversion A/F de gyroscope d'axes X-Y (indiqué dans son ensemble par 63) fonctionne pour convertir les courants d'élément de torsion de gyroscope sôus forme analogique en trains d'impulsions numériques

ayant une fréquence d'impulsion proportionnelle à l'ampli-

tude du courant d'élément de torsion de gyroscope Ainsi, ces circuits de conversion d'analogique en fréquence de gyroscope rendent numérique le signal de vitesse angulaire de variation produit par les circuits d'asservissement de gyroscope représentés sur la Figure 16 Le circuit de conversion A/F de gyroscope d'axe X 300 est exemplaire de ces circuits convertisseurs d'analogique en fréquence Un intégrateur 304 reçoit le courant d'élément de torsion de gyroscope d'axe X produit par le circuit d'asservissement

de gyroscope d'axes X-Y 66 L'intégrateur est un amplifica-

teur opérationnel de courant renforcé avec une réaction à

condensateur L'intégrateur 304 intègre ce signal de cou-

rant de vitesse pour produire une forme d'onde en rampe

qui est comparée à une constante par un comparateur 308.

Quand la forme d'onde de type rampe engendrée par 1 'inté-

grateur 304 est égale à la constante, elle est comparée dans le comparateur 308, le comparateur 308 produisant un signal d'équivalence qui provoque la génération d'une

impulsion à la sortie 311 d'un générateur d'impulsion 310.

Simultanément, le générateur d'impulsion produit une im-

pulsion à sa sortie 312,envoyée à une source de

courant -306 qui convertit l'impulsion engendrée par le gé-

nérateur d'impulsion 310 en une impulsion de courant qui

est envoyée à l'intégrateur 304 pour remettre à zéro 1 'in-

tégrateur et faire commencer le signal de sortie en rampe as-

cendante de l'intégrateur au niveau zéro Ainsi, une nou-

velle forme d Oonde en forme de rampe ascendante est compa-

rée à une constante par le comparateur 308 o Ce processus continue par la génération d'une impulsion chaque fois que le courant d'élément de torsion de gyroscope intégré atteint un niveau prédéterminé Le résultat total est la production d'un train d'impulsions ayant une vitesse qui

est proportionnelle au courant d'élément de torsion de gy-

roscope d'axe X envoyé à l'intégrateur 304 Conmme cette vitesse d'impulsion produite à la sortie 311 du générateur d'impulsion 310 est proportionnelle à la vitesse angulaire

de variation détectée par le système, chaque impulsion sé-

parée est proportionnelle à une progression angulaire par-

ticulière autour de l'axe X Dans un exemple de réalisa-

tion préféré, une impulsion est égale à 1/600 d'un degré.

Le générateur d'impulsion 310 reçoit des impul-

sions d'horloge de l'horloge 375 (Figure 14) de manière à contrôler la largeur d O impulsion des impulsions produites

par le générateur d'impulsion 310.

Le circuit de conversion A/P de gyroscope d'axe

Y 302 est construit de façon identique au circuit de con-

version A/F de gyroscope d'axe X 300 Ce circuit reçoit le courant d'élément de torsion de gyroscope d'axe Y du circuit d'asservissement de gyroscope d'axes X-Y 66 et produit un train d'impulsions de gyroscope d'axe Y à sa

sortie qui est envoyé, en association avec le 'train d'im-

pulsions de gyroscope d'axe Xp au module d'entrée/sortie (Figure 21), Le circuit de conversion A/F de gyroscope d'axes

XR-Z 60 est structurellement identique au circuit de con-

version A/F de gyroscope d'axes X-Y 63 Ce circuit reçoit le courant d'élément de torsion de gyroscope d'axe i et le courant d'élément de torsion de gyroscope d'axe Z du circuit d'asservissement de gyroscope d'axes X -Z 66 et produit des trains d'impulsions à envoyer au module d'en- trée/sortie de la Figure 21 d'une manière identique au

circuit de conversion A/F de gyroscope d'axes X-Y 63.

La Figure 14 représente collectivement un circuit de conversion A/F d'accéléromètre d'axe Z 354 et l'horloge 375 Le circuit de conversion A/F d'accéléromètre d'axe Z

354 est identique à un circuit de conversion A/F d'accélé-

romètre d'axe X 350, et à un circuit de conversion A/F

d'accéléromètre d'axe Y 352 Les trois circuits de conver-

sion A/F d'accéléromètre reçoivent des courants des accélé-

romètres d'axes X, Y et Z 33, 34 et 35 représentés sur la

Figure 3 Le courant produit par chacun de ces accéléro-

mètres respectifs est proportionnel au taux de variation de la vitesse du système de la présente invention Ces courants de taux de variation de vitesse sont envoyés à

un circuit convertisseur d'analogique en fréquence d'accé-

léromètre d'axe Z 354 qui est identique à tous égards au circuit de conversion A/F de gyroscope d'axe X 300 décrit

par rapport à la Figure 15 Le signal de sortie 355 pro-

duit par le circuit de conversion A/F d'accéléromètre d'axe

Z exemplaire est un train d'impulsions de fréquence propor-

* tionnelle au taux de variation de vitesse Ces impulsions

sont aussi fournies aux modules d'entrée/sortie représen-

tés sur la Figure 21.

La largeur d'impulsion des impulsions est contro-

lée par l'horloge 375 également représentée sur la Figure 14 L'horloge 375 comprend un oscillateur à cristal 378 qui envoie un signal de deux mégahertz à un compteur 380 de division par 32 qui produit un signal de 65 kilohertz à sa sortie Ce signal est envoyé à un générateur de forme

d'onde 382 qui produit un train d'impulsions de 65 kilo-

hertz qui est envoyé aux circuits de conversion A/F 300, 302, 324, 326, 350, 352, et 354 Les impulsions d'horloge sont aussi envoyées à un générateur d'interruption 402

de la Figure 21 et au circuit d'élément de résolution/nu-

mérique de la Figure 22.

Une partie de circuit compteur de conversion A/F du module d'entrée/sortie est représentée sur la Fi- gure 21 Le train d'impulsions de gyroscope d'axe X de sortie sur la ligne 311 provenant du circuit de conversion

A/F de gyroscope d'axe X 300 (Figure 15) est envoyé au ca-

nal d'entrée de gyroscope d'axe X 414 de la plaquette de compteur de conversion A/F de la Figure 21 o Pareillement,

le train d'impulsions de gyroscope deaxe Y de sortie pro-

duit par le circuit de conversion A/F de gyroscope d'axe Y 302 est appliqué au canal d'entrée de gyroscope d'axe Y 415 de la même plaquette O Le signal de sortie du circuit de conversion A/F de gyroscope d'axe XR superflu 324 'est envoyé au canal d'entrée de gyroscope d'axe XR 417 tandis que le signal de sortie du circuit de conversion A/F de

gyroscope d'axe Z 326 est envoyé au canal d'entrée de gy-

roscope d'axe Z 416 Ainsi, les signaux numériques de taux

de variation angulaire produits par les circuits de con-

version A/F de gyroscope respectifs sont envoyés sur les

lignes 414-417 Pareillement, le train d'impulsions d'accé-

léromètre d'axe Z de sortie produit sur la ligne 355 par le circuit de conversion A/F d'accéléromètre deaxe Z 354

est envoyé au canal d'entrée d'accéléromètre d'axe Z 413.

Le signal de sortie du circuit de conversion A/F d accélé-

rômètre d'axe X 350 est envoyé au canal d'entrée d'accélé-

romètre d'axe X 411 tandis que le signal de sortie du cir-

cuit de conversion A/F dlaccéléromètre d'axe Y 352 est en-

voyé au canal d'entrée d'accéléromètre d'axe Y 412 o Un ensemble de compteurs accumulateurs 421-427 accumulent des impulsions envoyées sur les canaux d'entrée respectifs 411-417 Chacun de ces compteurs accumulateurs 421-427 envoie un signal de sortie à un circuit de commande de verrou/bus associé 431-437 Les circuits de commande de verrou/bus 431- 437 sont chacun prévus avec un signal de

commande sur une ligne de commande respective 441-447.

Les signaux envoyés sur les lignes de commande respectives sont transmis par un décodeur de verrou 405 qui engendre des signaux de commande pour vider le contenu des compteurs

accumulateurs respectifs 421-427 sur un bus de données 400.

Le bus de données 400 est commandé par un circuit de com - mande de verrou/bus 401 supplémentaire qui fait passer les

données jusqu'à la plaquette de CPU (Figure 24).

Chaque fois qu'un circuit de commande de verrou/ bus, par exemple, le circuit de commande de verrou/bus 431 1-0 associe au canal d 1 accéléromètre d axe X, a un signal de

commande envoyé par l 'intermédiaire de la ligne de comman-

de 441, le contenu de ce compteur accumulateur respectif

421 est envoyé en -série au bus de données 400 pour le trans-

mettre à la plaquette de CPU (Figure 24) Le compteur accu-

mulateur respectif 421 est ensuite remis à zéro pour re-

commencer à accumuler des impulsions produites par son cir-

cuit de conversion A/F d'accumulateur d'axe X respectif 350 Le décodeur de verrou 405 vide séquentiellement le contenu des compteurs accumulateurs respectifs 421-427 de façon périodique de manière à fournir des informations d'accélération et de variation angulaire à la plaquette de CPU (Figure 24) Puisque chaque impulsion produite par les circuits de conversion A/F de gyroscope d'axes X, Y, R

et Z 300, 302, 324, 326 est representative d'une progres-

sion de variation angulaire, le nombre d'impulsions accu-

mulées dans les compteurs d'accumulation respectifs 424-

427 est indicatif de la variation angulaire mesurée par le système Quand les comptes accumulés dans les compteurs accumulateurs sont lus à intervalles périodiques, on peut

aussi déterminer le taux de variation angulaire.

Les signaux d'accélération-produits par les cir-

cuits de conversion A/F d'accéléromètres d'axes X, Y et Z 350, 352, 354, fournissent des informations d'accélération

qui sont accumulées dans les compteurs accumulateurs 421-

423 et qui sont aussi envoyées à la plaquette de CPU par l'intermédiaire du bus de données 400 et du circuit de

commande de verrou/bus 401.

La Figure 21 représente aussi un genérateur d'in-

terruption 402 qui reçoit des signaux d'horloge de l'hor-

loge 375 (Figure 14) et qui fournit ces-signaux 'à la pla-

quette de CPU de manière à permettre à la plaquette de CPU d'engendrer des signaux pour commander le rythme d"é-

chantillonnage produit par le décodeur de verrou 405.

La Figure 20 représente la plaquette d'élément

de résolution/numérique 73 du module d'entrée/sortie 12.

La plaquette d'élément de résolution/numérique 73 reçoit

des signaux de courant alternatif de l'élément de résolu-

tion 50 de la Figure 3 o Le signal de sortie de l'élément de résolution 50 est reçu par un convertisseur délément de résolution en numérique 202 qui convertit les signaux de courant alternatif fournis par-l'élément de résolution en un mot binaire indiquant la position angulaire et en une tension analogique indiquant la vitesse angulaire Le convertisseur d'élément de résolution/numérique 202 envoie

un mot binaire indiquant la position angulaire de suspen-

sion à la cardan à un circuit de commande de verrou/bus 208 qui envoie l'information a un émetteur/récepteur asyn= chrone universel UART 220 Le convertisseur délément de

résblution/numérique 202 fournit aussi un signal analogi-

que indiquant la vitesse angulaire à un conditionneur de

signal 204 qui convertit la vitesse angulaire de suspen-

sion à la eardan en un signal analogique de 0-5 volts.

envoyé à un convertlsseur d'analogique/numérique 210

qui convertit la vitesse angulaire de suspension à la car-

dans en un signal numérique envoyé à l'émetteur/récepteur UART 220 par l'intermédiaire d un circuit de commande de verrou/bus 215 o Le convertisseur d'analogique/numérique 210 reçoit en outre des données analogiques de temperature indiquant des températures à l'intérieur de l'instrument

et transfère ces données de température à lvémetteur/ré-

cepteur UART pour une transmission ultérieure vrers le haut

du trou.

Le signal de vitesse angulaire de suspension à la cardan produit par le conditionneur de signal 204 est aussi envoyé à la plaquette d'alimentation 80 à l'intérieur du convertisseur d'alimentation 18 La fonction de ce signal de vitesse angulaire de suspension à la cardan fourni à la plaquette d'alimentation 80 sera décrite plus loin en référence à la Figure 18. Le signalde sortie d'élément-de résolution en provenance de l'élément de résolution 50 est aussi envoyé à un générateur de signal d'erreur de cage 206 qui produit un signal d'erreur de cage (qui sera décrit plus loin) qui

est envoyé à la partie d'asservissement de cage de suspen-

sion à la cardan de la plaquette d'inverseur représentée sur la Figure 17 Le générateur de signal d'erreur de cage 206 reçoit également un signal de commande angulaire, quand il est en fonctionnement, en provenance d'un circuit de

commande de verrou/bus 212 qui envoie le signal de comman-

de au générateur de signal d'erreur de cage 206 par 1 'émet-

teur/récepteur UART 220 Ce signal provient du haut du trou et sert à commander le circuit d'asservissement de

cage de suspension a la cardan pour faire tourner la plate-

forme d'un certain angle pour étalonner le système Cette information est fournie au circuit d'asservissement de cage de suspension à la cardan de la plaquette d'inverseur par l'intermédiaire d'un circuit de commande de verrou/

bus 214.

L'émetteur/récepteur asynchrone universel UART

220 reçoit les données de la plaquette d'élément de réso- lution/numérique et de la plaquette de CPU de la Figure 24 (qui sera

décrite plus loin) et convertit ces données en une série de données contenant des mots de 125 bits chacun

qui seront transmis vers le haut du trou 32 fois par se-

conde pour un débit de 4 K bits par seconde Chaque mot contient 20 bits pour chacun des trois canaux de gyroscope, bits pour chacun des trois canaux d'accéléromètre 10 bits pour les informations deélément de résolution, 10 bits pour un ou deux des quinze canaux de température, et 5 bits pour l'espacement Le canal de gyroscope d'axe XR superflu ne présente pas d'informations dans la série de données transmises vers le haut du trou Puisqu'il faut 20 bits pour un groupe de données d'accéléromètre ou d'élément de résolution, deux cycles sont nécessaires pour terminer la

transmission d'un groupe de données à partir de ces unités.

-Ainsiple rythme de transmission résultant deà don- nées est de 32 hertz pour des données de gyroscope, de 16 hertz pour des données de vitesse d'accéléromètre et d'élément de résolution de suspension à la cardan, et de

4 hertz pour des données de température complètes Un dé-

bit de données de-gyroscope supérieur est souhaitable car'

la vitesse de calcul d'attitude est un facteur de limita-

tion de la précision d'un environnement dynamiques

La réservation de 20 bits pour chaque canal de -

gyroscope ou d'accéléromètre est quelque peu une mesure de

précaution en ce que, au rythme maximal de 65 k Hz des im-

pulsions de conversion A/F, il n'y a'que deux mille im-

pulsions accumulées en 1/32 de secondeo Puisque l'émet-' teur/récepteur UART 220 fonctionne avec des mots de 8 bits ( + 2 pour le temps système)-, il faut 20 bits dans une se rie de données pour envoyer 10 bits de données S'il faut

une utilisation de l'espace plus efficace, on peut dispo-

ser les données un peu plus efficacement au détriment d'une

augmentation de la complexité du logiciel du microproces-

seur en haut du trou, comme on le décrira plus loino Sur la Figure 24, la plaquette d'unité centrale de traitement 74 du module électronique d'entrée/sortie 12 reçoit des informations de la partie de circuit compteur de conversion A/F du module électronique-d'entrée/sortie 12 de la présente inventiono Les informations sont reçues

par un circuit de commande de verrou/bus 212 et sont en-

voyées a une unité CPU 202, une mémoire à accès sélectif RAM 204 et à une mémoire morte programmable PROM 206 par l'intermédiaire d'un bus de données 213 o Le logiciel du

microprocesseur commande le traitement des données à l'in-

térieur du système,y compris la séquence de synchronisa-

tion des données envoyées à 1 'émetteur/récepteur UART 220 de la Figure 22 Le traitement de données effectué par

l'unité centrale de traitement 202 et sa structure asso-

ciée est fait conformément à des techniques connues de

l'homme de l'art Les informations mémorisées dans les mé-

moires PROM 206 et RAM 204 sont envoyées par l'intermédiai-

re d'un bus d'accès à la mémoire 207 à un verrou de données 208 qui commande la transmission de ces informations à un décodeur 210, à un circuit de commande de verrou/bus 214 et à un circuit logique de commande et de synchronisation 216 Le décodeur 210 envoie les informations à l'émetteur/ récepteur UART 220 de la plaquette d'élément de résolution/

numérique de la Figure 20 et au circuit compteur de con-

version A/F du module d'entrée/sortie 12 représenté sur

la Figure 21 Les données d'adresse sont fournies par l'in-

termédiaire du circuit de commande de verrou/bus 214 au

décodeur de verrou 405 de la Figure 21 En outre, le cir-

cuit logique de synchronisation et de commande 216 reçoit des informations de l'horloge 375 de la Figure 14 et du générateur d'interruption 402 de la Figure 21 de manière

à synchroniser les informations envoyées à l'émetteur/ré-

cepteur UART 220 de la plaquette d'élément de résolution/ numérique 13 par l'intermédiaire du circuit de commande

de verrou/bus 212.

La Figure 17 représente la plaquette d'inverseur 81 qui comprend un oscillateur à cristal de 3,5 MHV, 300, qui produit une fréquence élevée fournie à un diviseur de fréquence 302, un diviseur de fréquence 304, à un diviseur

de filtre et d'étage de gain 314, et à un diviseur de fil-

tre et d'étage d'alimentation 316 Le diviseur de filtre

et d'étage de gain 314 fournit un signal de courant alter-

natif de 54 kilohertz pour des tensions de gyroscope sélec-

tives tandis que le diviseur de filtre et d'étage d'alimen-

tation 316 fournit une forme d'onde de courant alternatif

de 844 hz à l'élément de résolution pour son excitation.

Les signaux de sortie des diviseurs de fréquence respectifs 302, 304 sont envoyés à des générateurs de phase associés 306, 308 qui produisent du courant alternatif triphasé au moteur de rotation de gyroscope d'axes i Z et des moteurs de rotation de gyroscope d'axes X-Y respectivement par l'intermédiaire des seconds circuits de commande 310 et 312. Le circuit d' asservissement de cage de suspension à la cardan est aussi placé sur la plaquette d'inverseur 81 Le circuit d'asservissement de cage de suspension à la

cardan comprend un circuit d'étalonnage extérieur qui re-

çoit des commandes extérieures et des informations prove-

nant du générateur de signal d'erreur de cage 206 de la

plaquette d'élément de résolution/numérique 13 de la Figu-

re 22 Ce signal d'erreur de cage est envoyé au circuit d'étalonnage extérieur et il est utilisé pour réétalonner le système quand on veuto On peut faire cet étalonnage, comme on veut, conformément à des procédés communs dans la technique, à n importe quel moment et on peut arreter

un passage dans le trou de forage, si nécessaire Les si-

gnaux de-commande provenant du circuit d 'étalonnage exté-

rieur 320 sont envoyés à un amplificateur tampon 328 qui envoie à son tour les signaux de commande à un intégrateur

330 et à un circuit de commande 332 jusqu au moteur de sus-

pension à la cardan de plate-forme 47 Quand le système est dans un mode opérationnel et qu il n'est pas étalonné, une réaction de vitesse analogique de gyroscope d'axe X est reçue du détecteur de vitesse angulaire de gyroscope

d'axe X et elle est envoyée à lintégrateur 330 et au cir-

cuit de commande 332 de manière à commander le moteur de suspension à la cardan de plate-forme 47 pour protéger la rotation de la plate-forme 16 provoquée par une torsion de càble de 1 laction des liquides de trou de forage ou des centralisateur d'outil quand l' outil est élevé ou abaissé

dans le trou de forage.

Quand le circuit d'étalonnage extérieur 320 est en fonctionnement, la plate-forme peut etre mise en cage de manière à tourner jusqu'à une position prédéterminée au moyen de la commande d'étalonnage extérieure Un signal d'erreur de cage qui constitue une tension équivalant à la différence entre la position commandée et la position de

-32683

suspension à la cardan effective est filtré, démodulé, in-

tégré et envoyé au moteur de suspension à la cardan de plate-forme 47 ainsi qu'un signal de réaction de vitesse provenant du gyroscope d'axe X Le moteur fait tourner la suspension à la cardan jusqu'à ce que la plateforme soit à la position prédéterminée et que le signal d'erreur de

cage soit nul.

Le câble 17 qui relie le système de navigation par inertie de puits de forage à l'ordinateur 19 placé en haut du trou comprend sept conducteurs Cinq conducteurs

des sept conducteurs du câble sont réservés à la trans-

mission de données Ceux-ci comprennent une ligne de don-

nées vers le haut du trou, une ligne commune vers le haut du trou, une ligne de données vers le bas du trou, une

ligne commune vers le bas du trou, et une ligne de synchro-

nisation de données vers le bas du trou Sur la Figure 19,

sur la plaquette de circuit de commande de ligne 75 du mo-

dule d'entrée/sortie 13, les lignes de données et de syn-

chronisation vers le bas du trou sont chacune reliées à des inverseuxs pouvant être sélectionnés 502, 504 qui prcduis Ent la polarité d'impulsion appropriée Ces inverseurs pouvant être sélectionnés 502, 504 sont suivis Par des sources de

courant 506, 508 qui convertissent les impulsions de ten-

sion en impulsions de courant sur le câble Les données

provenant du haut du trou sont passent dans un isolant op-

toélectronique à deux canaux 510 qui est constitué d'une

paire de photodiodes et de cellules photoélectriques L'i-

limination de la connexion électrique directe entre l'or-

dinateur en haut du trou et l'émetteur/récepteur UART en

bas du trou a pour effet de réduire le bruit dans le sys-

tème. La ligne de synchronisation des données vers le bas du trou transporte un courant qui oscille entre O et milliampères à une fréquence de 32 HZ Le rôe de ce signal de synchronisation est de fournir à l'ordinateur en haut du trou un moyen de synchronisation des données

vers le bas du trou.

L'émetteur/récepteur asynchrone universel UART 220 de la Figure 20 et son circuit de commande de ligne associé incluant les inverseurs pouvant etre sélectionnés 502 et 504 et les circuits de commande de ligne 506 et 508 sont identiques à des unités semblables placées en haut du trou à l'autre extrémité du câble et agencés pour

émettre et recevoir des signaux d'une manière semblable.

En plus des lignes de données vers le haut, des données vers le bas, et de synchronisation des données vers le bas,

les sept conducteurs du cable comprennent une ligne commu-

ne vers le haut du trou, une ligne commune vers le bas du trou, une ligne de commutation d alimenation maître, et

une ligne de rechange.

La Figure 25 représente un schéma fonctionnel

des composants principaux du dispositif de la présente in-

vention Comme l'ensemble de ces composants et leur rela-

tion individuelle avec les autres composants dans le sys-

tème ont été décrits précédemment, il n'est pas nécessaire

de décrire cette figure en détail Cependant, la vue d en-

semble fournie par la Figure 25 est précieuse pour compren-

dre lé fonctionnement du dispositif de la présente inven-

tion comme on va le décrire maintenant

Brève description du fonctionnement

Le fonctionnement du système de la présente in-

vention va maintenant etre décrit en référence aux dessins et en expliquant particulièrement les Figures 12 et 13 qui représentent des organigrammes des programmes utilisés par

le système de la présente invention.

En fonctionnement, le système de navigation pa:r invertie de la présente invention est abaissé jusque dans

un trou de forage par un câble 17 qui relie à la fois phy-

siquement et électriquement le système navigation de la

présente invention à l'équipement de surface Un ordina-

teur placé à la surface communique avec le système de con-

trkle en bas du trou Le bloc détecteur monté sur la plate-

forme à une seule suspension à la cardan est stabilisé pour ne pas qu'il tourne autour de l'axe d'outil par une boucle de réaction qui contrale le signal de réaction de vitesse produit par l'axe X du gyroscope d'axes X-Y 31

pour chercher-à éliminer la rotation du système de détec-

tion autour de l'axe X Ainsi, la plate-forme 16 empêche la rotation du bloc détecteur par rapport au trou de fora- ge malgré la rotation de l'outil due à l'enroulement de l'équipement en bas du trou sur le câble 17 provoqué par

divers facteurs déjà mentionnés.

Comme le système est sur une seule suspension à la cardan et seulement partiellement attaché en bas, de grandes variations progressives de vitesse angulaire sont

évitées et des variations de vitesse angulaire et des ac-

célérations linéaires peuvent etre mesurées avec une plus

grande précision.

Pour initialiser le système en bas du trou avant un contrôle, 'outil de contrôle est maintenu immobile à la surface pendant environ 15 minutes pour normaliser les

mesures gyroscopiques provoquées par la rotation de la ter-

re et les mesures d'accéléromètre provoquées par gravité.

L'outil est ensuite rapidement abaissé jusque dans le trou

pour commencer un contrôle Pendant un contrôle, le sys-

tème est périodiquement amené au repos pour un étalonnage consistant en une mesure de l'erreur de calcul de vitesse

et une estimation des erreurs de contr 5 le.

Pendant le contrôler, l'attitude de l'outil de contrôle est périodiquement calcullée sous la forme d'une matrice de cosinus de direction basée sur des signaux de sortie de gyroscope, et elle est utilisée pour convertir des signaux de sortie d'accéléromètre en un système de

coordonnées connu, c'est-à-dire, le bas, l'est et le nord.

Si l'on se réfère à nouveau à la Figure 12, on voit que

l'ordinateur en haut du trou 19 utilise les données de gy-

roscope et d'accéléromètre pour calculer l'attitude de l'outil de même que la position et la-vitesse de l'outil

dans le trou de forage L'algorithme mis en oeuvre par l'or-

dinateur 19 se compose de deux parties majeures.

L'algorithme de contrôle est une modification

d'un algorithme de navigation par inertie à système atta-

ché en bas, dans lequel la vitesse angulaire du bloc dé-

tecteur autour de l'axe X est presque nulle L'algorithme est exécuté périodiquement à un rythme prédéterminé quand les données d'inertie sont disponibles à partir de l'émet-

teur/récepteur asynchrone universel 220 Après chaque é-

chantillon, l attitude ou vritesse et la position sont mi-

ses à jour Quand l'attitude est calculée par ordinateur,

une matrice de cosinus de direction est mise à jour en u-

tilisant les données de gyroscope produites par l'outil en bas du trou La matrice de cosinus de direction mise

à jour est ensuite utilisée pendant la période d 9 eéchantil-

lonnage suivante pour transformer les données d'accéléro-

mètre dans le système de coordonnées de contrôle du bas, de l'est et du nkordo Ces données d'accélération transfor=

mées sont utilisées pour calculer la vitesse et la posi-

tion deune manière connue Plusieurs calculs par ordinateur

supplémentaires sont executées à un sous-multiple du ryth-

me deéchantillonnage principal comme on l'a indiqué en bas de 11 Figure 12 Par exemples une orthonormalisation peut etre effectuée de manière à soassurer que les matrices de

cosinus de direction ont des caractéristiques d'axes per-

pendiculaires Autrement, on pourrait modifier le modèle

de gravité de manière a compensear la profondeur de l'ou-

til dans le trou O Cela est nécessaire car la force de gra-

vité varie avec le rayon de la terre O Périodiquement, le sous-programme de coriolis et de vitesse de la terre de l'algorithme de la Figure 12

compense les gyroscopes et les accéléromètres pour la ro-

tation de la terreo Un système d'estimation de Kalman dé-

duit aussi périodiquement une valeur d'estimation d'erreur minimale de l'état du système en utilisant la connaissance

de la dynamique du système, des bruits statiques et de sys-

tème supposés et des erreurs de mesure ainsi que les infor-

mations de condition initiale Cette technique est utilisée

pour estimer les erreurs à l'intérieur du système de contr&-

le de la présente invention.

La Figure 13 représente un organigramme des algorithmes utilisés par l'ordinateur 19 de la présente

invention pour engendrer les valeurs d'estimation de Kalman.

Le filtre de Kalman est une forme particulière d'un système d'estimation optimal pour des systèmes li-

néaires Un système d'estimation optimal est un algorith-

me de calcul qui traite les mesures pour déduire une va-

* leur d'estimation d'erreur minimale (dans un certain sens

bien défini) de l'état d'un système en utilisant la connais-

sance de la dynamique du système, des statistiques et des

conditions initiales.

Description du système linéaire.

Le vecteur d'état du système X au temps tk est donné par As = -h-î Xi_ + \K-1

W est une séquence de bruit blanc moyen nul de covarian-

ce QK Ainsi, le vecteur d'état à un temps tk est une fonc-

tion linéaire du vecteur d'état au temps précédent tki, plus le bruit du système Q est connu comme la matrice de

transition d'état.

Les mesures sont faites au temps tk et peuvent être représentées comme B ? = 1 ±gr est un vecteur représentant des combinaisons linéaires mesurées des variables d'état du système, plus le bruit de

mesure, représenté par le vecteur y K (de covariance RK).

H est la matrice de mesure au temps tk Z elle décrit les

combinaisons linéaires des variables d'état XK qui compo-

sent Z à Vlabsence de bruite Le problème résolu par le filtre de Kalman oensiste à savoir comment combiner les informations de mesure Z avec les valeurs d'estimation

existantes des états du système,, pour produire de nou-

velles valeurs d'estimation d'état K (+)' Le signe plus indique la valeur d'estimation après que les mesures ont

été prises en compte.

On peut rechercher une nouvelle valeur d'estima-

tion du vecteur d'état du système X de la forme K ()= K ( i K t o ' (+) est la nouvelle valeur d'estimation du vecteur d'état du système, X est l'ancienne valeur d'estimation

(prémesurée), et Z et H ont été définis précédemment.

k-

HKXK n'est pas nul-en raison de la présence de bruit.

-K K-K

KK est une matrice de gain à choisir pour réduire au mini-

K -

mum l'erreur dans la valeur d'estimation X (+).

Quand KK est ainsi choisi, il est appelé matrice

de gain de Kalman.

-N Il reste X = i qui est l'erreur dans la

valeur d'estimation.

On définit P = E (ey e KT) = la matrice de cova-

rian ce d'erreur, o e T représente la transposition de e K

Si l'on choisit KK dans l'équation C par l utili-

sation de l'équation D, la grandeur du vecteur d'erreur

(_K) sera réduite au minimum.

D K = HpH T( Hp KX T y) E o p K T E o P = e K 1 PK-1 4 K-l QK-1 A nouveau, PK est ' la matrice de covariance d'erreur, est la matrice de transition d'état, et QK est la covariance de bruit de système ou de traitement. Selon les enseignements de la présente invention,

l'application d'un filtrage de Kalman au problème de topo-

graphie du puits de forage est fonction de l'existance

d'un modèle d'erreur linéarisé pour un système de naviga-

tion par inertie L'équation de modèle est F d (x (t)) = F (X, t) 6 x (t) + G(t)U (t) dt

x est un vecteur avec des éléments et des uni-

tés comme représentés dans le Tableau'l On notera que ces

éléments sont des erreurs de système.

F est une matrice comme elle est donnée dans les Tableaux 2 A, 2 B, et 2 Co Ses éléments sont continuellement mis à jour à partir des signaux de sortie de la partie de

navigation du logiciel -La matrice Cn est une transforma-

p tion calculée comme une partie des calculs de navigation

par inertie bien connus G(t)U(t) est une fonction de com-

mande ou d'entrée.

G (t) =l 09 x 6 U (t) est un vecteur dont les six éléments représentent un bruit aléatoire associé aux variations de polarisation

aléatoires des instruments par inertie (gyroscopes et accé-

léromètres). L'équation F permet le calcul de la réponse du

système de navigation par inertie à ces erreurs Les va-

riances associées à U (t) sont utilisées dans le calcul de

la matrice de bruit de traitement, QK comme on le démon-

trera plus loin.

Procédure de calcul de mise à our.

La matrice de transition d'état r est en rapport avec G la matrice F (comme on l'a définie plus haut) par

O -

Comme les calculs de contrôle sont faits dans l'ordinateur en haut du trous F est mis à jour à partir

des signaux de sortie résultant des calculs de navigation.

La valeur mise à jour de est obtenue par intégration de 1 'équation G. Les états de ce problème d'estimation sont les erreurs Sx Avec chaque nouvelle valeur de d, de nouvelles

valeurs d'estimation de _ x et PK sont calculées par l'or-

dinateur en haut du trou.

H i 4 Hé tk T K = PK-1 +x-1QK-1 QK est une matrice de covariance associée aux erreurs de polarisation d'accéléromètre et de gyroscope Elle sera

définie plus en détail dans la suite.

Chaque minute ou à peu près, l'outil est amené

à l'arrêt A ces moments, la vitesse de l'outil est suppo-

sée être nulle Par conséquent, les vitesses calculées

sont des valeurs d'estimation directes d'erreurs de vitesse.

L'équation de mesures est

I $= HK K+ VK

HK 3 x 331 I 3 x 3 03 x 95 est une matrice de "sélection" qui sert simplement à limiter la mesure aux trois vitesses seulement Ces trois vitesses sont, dans 1 oexemple de réalisation préféré, le

Nord, l'Est et le bas Tous les autres termes sont nuls.

est une séquence de bruit de mesure de covariance sup-

posée R RK sera défini dans la suiteo

Les erreurs de vitesse mesurées Z (calculées quand le sys-

tème est au repos) sont utilisées pour mettre à jour (ou

corriger) les paramètres de navigation d'outil comme suit.

On se rappellera que Pic et k sont disponibles à la suite des calculs de navigation et de propagation de covariance par 1 Vordinateur en surface Le gain de Kalman peut être calculé à partir de Dç 19 = PK Hi 6 PK% 'f ds éKa) Ensuite, la valeur d estimation mise à jour des états b X(+) est calculée par l ordinateur C 9 (,) = Kl X ( HK XK), Egale*ment

M 1 () = X

Ces états S X sont des erreurs dans les paramètres de navi-

gation d'outil, ócest=à-direp des erreurs dans les déplace-

ments, les vitesses, les angles d'attitude, et les -polari-

sation d'accéléromètre et de gyroscope O Quand la valeur d'estimation de vecteur détat mise à jour X (-*)est obtenue, elle est utilisée pour

calculer les valeurs d'estimation corrigées ' (du déplace-

ment, de vitesse et d'attitude de l'outil) par J e f 6 ( É o s X (+) est k après que les mesures ont été

prises en cmmpte.

Même si Z n'est constitué que par les mesures d'erreur de vitesse (un total de 3), les 15 états (LK)sont corrigés par cette rocédure C'est une'conséquence de la ematrice de gain /comportant gnralement que des lment matrice de gain KK/comportant généralement que des éléments

non nuls En d'autres termes, les erreurs de vitesse mesu-

rées _ sont fonctionnellement en rapport avec les autres

états du système par la nature de la matrice F et par con-

séquent des matrices et P. Matrices de covariance de bruit Q et R On se rappellera à partir de 1 'équation A que le vecteur d'état X (au temps t K) est en relation avec le vecteur d'état b X _ 1 (au temps précédent t K avec A-.

A 1-X 'K K 'K1 -K-1

o WK est une séquence de bruit blanc moyen nul (ou bruit de traitement) de covariance QK QK apparaît comme un complément dans l'équation pour la propagation de P. H p = _ P 1 T_

K K-1 K K-1 + QK-1

QK est obtenu par intégration de léquation suivante.

(t K TT QK = (t C,t) G (E(UU)) GT T( t K) d-C K-1 G, et U ont ét 4 définis plus haut, U (iff T) = valeur d'estimation l v jt %du vecteur de bruit / et de sa transposition

L'effet du bruit de traitement QK est de faire évoluer li-

néairement les éléments en diagonale de la matrice de co-

variance,PK, avec le temps

2 2 2

c'est-à-dire que t + Or Les O% ont -été choisis de manière à ce que ces variances,

qui sont associées aux polarisations de gyroscope et d'ac-

céléromètre soient quadruples en une heure.

L < S,0 X 109 rd/sec 3 6, 6 x 10 15 x 30,48 cm/sec 5 Ces valeurs sont choisies sur la base du jugement et de

l'expérience et ne sont pas critiques Cependant, un cer-

tain signal d'entrée de bruit est nécessaire de manière

à empecher que les gains de Kalman diminuent dans le temps.

L'introduction de ce bruit de traitement dans le filtre

a pour but d'inclure les effets des variations de polari-

2532683-

sation aléatoires dans les instruments et de maintenir les gains de filtre de Kalman au-dessus d'une certaine valeur minimal e

Le vecteur de vitesse mesurée e K des états du sys-

K tème est donné par

I = HK K

o V est une séquence de bruit blanc moyen nul (bruit de -K

mesure) de covariance RK.

R = L a I

o les C sont des variances associées à une mesure d'er-

reur de vitesse particulière (quand l'outil est arrêté).

Comme valeur typique déterminée par le jugement et une ex-

périence de routine

2 * 2 2

Ov E= N ==:D = O x 3048 cm/sec.

Ce bruit comprend les effets tels que le bruit de quantifi-

cation d'accéléromètre et du mouvement résiduel présent

quand le système est supposé etre au repos.

Valeur initiale de la matrice de covariance Po Dans la versbn présente du logiciel, les erreurs

de système initiales sont supposées ne pas etre en corré-

lation " c'est-à-dire que les éléments hors de diagonale de PK sont nuls Les covariances associées à la position initiale sont supposées être nulles Cela est justifié par le fait que bien qu'il puisse y avoir une incertitude dans

la position absolue de la bouche de puits, seule la posi-

tion relative du forage par rapport à la bouche de puits est intéressante Par conséquent, Pl = P 22 P 33 o, Pareillement, pour les vitesses initiales, o P 44 P 55 = P 66 = La déviation normale d'erreur d'attitude initiale O est considérée comme étant de 0,1 radian, qui est une valeur

raisonnable pour un préalignement manuel du système.

Aussi, P 77 = P 88 = P 99 = ( 01)2 = 0,01 (rd)2 Les valeurs initiales de Pl O 10 P 1515 sont en rapport avec la qualité des instruments par inertieo On a encore supposé que les incertitudes de polarisation (déviations) étaient de 0,05 degrés/heure pour les gyroscopes et de

micro-g pour les accéléromètres en utilisant le juge-

ment et une expérience de routine Dans différentes unités P -P P 5, -140 "(rd,/sec)2 ,10 11,11 = P 12,12 = 59 x 1014 (rd/sec)2 P 1313 P 14,14 =P 15,15 =, O x 10 x 30,4 &,fcm/sec) Tableau I Variables d'état du système Variable d'état b bx 2 6 x 3 x 4 Sx 5 6 X 6 2 o b Xlo

b Xli-

bxq 8 x 12 6 x 13 $x 14 Sx 15 Symbol e 6 L b H bv E b YZ t.E EN " GBX AG Bz AAB x AA By 4 A Bz Des Mcri erreur de longitude erreur. -erreur erreur erreur erreur erreur erreur erreur erreur Unités rad de latitude rad d'altitude cm de vitesse d'Est cm/sec de vitesse de-Nord cm/sec de vitesse vers le haut cm/sec d'attitude d'axe Est rad d'attitude d'axe Nord rad d'attitude d'axe haut rad de polarisation rad/sec de gyroscope- d'axe x erreur de polarisation rad/sec de gyroscope d'axe y erreur de polarisation rad/sec

de gyroscope d'axe z-

erreur de polarisation cm/sec 2 d'accéléromètre d'axe x erreur depolarisation cm/sec 2 d'accéléromètre d'axe y erreur de polarisation cm/sec 2 d'accéléromètre d'axe z O 03 x 6 i s> Itaii partideorone epaefrm a apr ussèe L

S U

e g

de ncavigation -

e Modèle d ' erreur Fo 5)CS,5 C g l 6 g 3 X Ce Thansúormation à partr cles coordonnées de plate-forme par rapport au système de navigation 0 % oo Tableau 2-A Matrice de système lindaire utilisée dans le Modèle d'erreur lx 5 u à M rlo Ln tu VZ n"a Tqul np s Z nv e lqwl 1101- "fi &à ai- a a a Un a Ob% Ili- Ili a ljdb Ilob- Ili- Ui a 1 a

MASUV%

M/1 lifig 1109- età 1 "a IVI a tu"o 46 à àv",$ sfjm âv Ibe O sp'd aâsit" ti'd 4 sa lai &ta

0 O

ikvea O 1 "O xpo 1 $"/go M/1- an- (u 6#80) M/1 Tbleau 2-Ce, Eléments de L Latitude du véhi C Ul E Vitesse de rotation

R Rayon de la terre.

g Grandeur -du vect'e 4 r S Comiposante's de la vi par rapport à la tei Composantes de la fc Il Composantes de la vi e e du système de coordc *Y tr L/* à l'espace d'inertie "'n n-n 152 N v/ R 205 ns P 1 P ks * -6 p tai/g L+a 92 N p F %-9 x 9 de la terre de gravité tesse du véhieule re ) rce spécifi que tesse dia la terre itesse angulaire

rnnées E-N-Z p rapport'.

Dans l'exemple de réalisation préféré, la présen-

te invention utilise un micro-ordinateur de Data General Eclipse comme ordinateur en haut du trou Cependant, tout système de traitement approprié pour cette application peut être utilisé, y compris différents microprocesseurs relativement rapides Pour résumer le fonctionnement de l'ordinateur en haut du trou et la génération des valeurs d'estimation de Kalman, on se réfèrera à l'organigramme de la Figure 13 en relation avec les opérations mathématiques

qui ont été expliquées plus haut.

Quand on entre dans le sous-programme d'Estima-

tion de Kalman représenté sur la Figure 13, on connait la

matrice de transition d'état à partir des calculs de navi-

gation qui produisent la matrice du Tableau 2-B et à par-

tir de la solution de l'équation G En outre, la matrice

de sélection H est connue, ainsi que les matrices de co-

K

variance de bruit QK, RKE Les valeurs initiales de la ma-

trice de covariance d'erreur PK sont également connues ainsi que les erreurs d'état _x Quand le sous-programme est lancé, la matrice de covariance PK est repropagée, et

de nouvelles valeurs d'estimation de l'erreur h sont cal-

culées en utilisant les équations définies plus haut H.

Chaque minute ou à peu près, les valeurs d'erreur de vites-

se sont mises à jour en amenant l'outil à larret à l'inté-

rieur du trou de forage Quand cette mise à jour doit être

faite, les gains de Kalman sont recalculés par les ordina-

teurs jusqu'à la solution de l'équation D, K PHT HPHT +R-l 1

KK PK HK (HKPKHK + RK)

A ce moment là, l'outil est arrêté dans le trou

de forage et les mesures de Z sont faites Quand la vites-

-=K

se vraie est nulle, i peut facilement être calculé à par-

tir d'une mesure directe des erreurs de vitesse.

On notera que l'outil ne doit être arrêté que pen-

dant un moment de manière à mesurer ces erreurs de vitesse.

C'est important quand des économies importantes sur le temps

de présence de l'outil en bas du trou de forage sont réali-

sées, ce qui réduit le temps pendant lequel un forage productif est im-

possible La réduction du temps de présence de l'outil en bas du trou desforage permet de réduire aussi le temps d'exposition de l'outil aux températures élevées présentes dans les

trous de forage profonds et/ou chauds.

L'ordinateur en haut du trou calcule ensuite une valeur d'estimation des états d'erreur L (+) en utilisant l'équation C, définie plus haut On notera que la matrice de gain de Kalman KK, les erreurs de vitesse mesurées ZK la matrice de sélection p et la valeur d'estimation d'erreur précédente 6 X sont bien connues L'ordinateur en

haut du trou met ensuite à jour les états de système de na-

vigation par l'utilisation de l'équation J, définie plus haut, X (+) = t X(+), pour produire des valeurs

d'estimation corrigées de déplacement, de vitesse, d'at-

titude de 1 'outil, etco o Ensuite, avant de retourner au

programme de navigation de la Figure 12, la matrice de co-

variance PK est mise à jour par l utilisation de l équation suivante P (+) KKH) P K Cette équation produit la valeur optimisée pour la matrice de covariance d'erreur d'estimation mise à jour PK (P

L'ordinateur retourne alors au programme de con-

trole de la Figure 12, les erreurs de système ayant été

estimées de façon optimale, et les éta ts du système corri-

gés, par les techniques d'estimation de Kalman.

Comme on l'a décrit précédemment, les données de

vitesse angulaire gyroscopiques et les données deaccéléro-

mètres sont regroupées par le système en bas du trou et sont présentées dans une suite de données à 10 ordinateur

en haut du trou par 19 émetteur/récepteur asynchrone univer-

sel 220 Ce sont ces données qui sont utilisées par l'ordi-

nateur en haut du trou pour le calcul de l'attitude par la

mise à jour de la matrice de cosinus de direction L'atti-

tude mise à jour est ensuite utilisée pour calculer la vi-

tesse et la position en utilisant les données d'accéléro-

mètre transformées par la matrice de cosinus de direction.

Grâce au système de la présente invention pour contrôler par inertie des trous de forage en utilisant les techniques d'estimation optimale pour prévoir des erreurs de système, le dispositif de la présente invention peut

contrôler des trous de forage à des vitesses élevées d'en-

viron 152 m/min Ces vitesses élevées de contrôle sont en partie dues aux arrêts brefs nécessaires pour déterminer

une erreur de système (de l'ordre de 8 secondes) Les vi-

tesses de contrôle rapide obtenues avec le dispositif de la présente invention raccourcissent les temps de forage

et réduisent la sensibilité du dispositif à des construc-

tions calorifiques et à une surchauffe due à un contrôle

de puits de forage longs et/ou chauds.

Il est évident que de nombreux modifications

et changements peuvent être apportés au système de la pré-

sente invention qui a été décrit précédemment sans que l'on sorte pour autant du cadre de la présente invention

telle que définie dans les revendications annexées.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Appareil de controle de trou de foraget carac-

térisé en ce qu'il comprend: -un carter ( 10) destiné à être abaissé dans un trou de forage; des moyens de mesure angulaire ( 31,32) montés dans ledit carter pour mesurer les directions angulaires d'inclinaison du carter à partir de sa position verticale et pour produire des signaux d'angles indicatifs de ces directions angulaires; des moyens de mesure d'accélération ( 33,34,35) -montés dans ledit carter pour mesurer des accélérations

par inertie appliquées au carter et pour produire des si-

gnaux d'accélérationsindicatifs de ces accélérations; des moyens ( 421427) pour combiner lesdits signaux

d'angles et deaccélérations et pour produire des infor-

mations d'accélération, de vitesse et de position normali-

sées verticalement; et des moyens ( 74) pour fournir au moins lesdites informations de position de manière à effectuer un contrôle

de tr 6 u de forage.

2 Appareil de controle de trou de forage, selon la revendication 1, caractérisé en ce: que lesdits moyens de mesure angulaire sont destinés à mesurer la disposition

angulaire du carter à partir de la verticale et la direc-

tion angulaire de ladite disposition angulaire quand elle est projetée sur un plan horizontal et repérée à partir

d'une direction connue dans le pi-an et à produire des si-

gnaux d'angles indicatifs de celle-ci; lesdits moyens pour combiner les signaux déaniles

et d'accélérations produisant des informations deaccéléra-

tion, de vitesse et de position normalisées par rapport

à la verticale et à ladite direction horizontale connueo -

3 Appareil selon la-revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mesure angulaire comprennent des

gyroscopes ayant des axes, les gyroscopes controlant ortho-

gonalement la position angulaire.

4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé

en ce-que lesdits moyens de mesure d'accélération compren-

nent trois accéléromètres ayant leurs axes de mesure dis-

posés orthogonalement.

5 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une -plate-forme à une seule

suspension a la cardan ( 16)pour supporter lesdits gyros-

copes et lesdits accéléromètres, la plate-forme à une seu-

le suspension a la cardan étant sensible à la position an-

gulaire mesurée par un des gyroscopes et tournant par rap-

port audit carter pour empêcher une rotation des gyrosco-

pes et des accéléromètres par rapport audit trou de forage.

6 Appareil selon la revendication 5, caactérisé en ce que ledit carter comprend un isolant thermique ( 51) entourant au moins les moyens de mesure angulaire et les

moyens de mesure d'accélération, ledit carter ayant en ou-

tre une masse thermique élevée.

7 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les signaux d'angles produits par les moyens de mesure angulaire sont des trains d'impulsions numériques, chaque impulsion indiquant une progression de la position

angulaire, le rythme d'impulsion indiquant le taux de va-

riation angulaire.

8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure d'accélération produisent

à leur sortie un train d'impulsion dont la fréquence indi-

que une accélération linéaire.

9 Appareil de contrôle de trou de forage, carac-

térisé en ce qu'il comprend: un carter ( 10); un moyen ( 17) pour abaisser le carter dans un trou de forage;

des moyens supportés par le carter pour contrô-

ler les qualités physiques du trou de forage et pour pro-

duire des signaux de sortie indiquan t celles-ci; des moyens pour calculer à partir des signaux de sortie des moyens de controle la position calculée du

-À 00 2532683

:ft 49 carter quand il est abaissé dans le trou de forage et pour

produire des informations de position indiquant cette po-

sition;

des moyens pour estimer des erreurs de sys-

tème; et des moyens pour modifier lesdites informations de

position afin de compenser lesdites erreurs de système es-

timées; lesdites informations de position constituant un

controle du puits de forage.

Appareil selon la revendication 9, caractéri-

sé en ce que lesdits moyens d'estimation optimale sont a-

gencés pour estimer les erreurs de système en utilisant des techniques d'estimation de Kalman O