NL8200117A

NL8200117A - Boorholte-opmeettoestel, waarin gebruik gemaakt wordt van versnellingsmeters en sonde-scharniermetingen.

Info

Publication number: NL8200117A
Application number: NL8200117A
Authority: NL
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1981-01-13
Filing date: 1982-01-13
Publication date: 1982-08-02
Also published as: US4399692A; IT1147567B; FR2497870A1; GB2093595B; CA1166844A; ZA8246B; IT8247536A0; AU535029B2; SE8107604L; JPS6057007B2; DE3200269C2; FR2497870B1; DE3200269A1; JPS57136101A; GB2093595A; NO820063L; AU7794581A; MX151205A

Description

P & c . * ...· *

LW 5560-9 M/LvD

Boorholte-opmeettoestel, waarin gebruik gemaakt wordt van versnellings-meters en sonde-schamiermetingen.

De uitvinding heeft betrekking op boorgat-opmeetinstrumenten en 5 in het bijzonder op boorgat opmeetinstrumenten voorzien van sondes, die op traagheid gebaseerde inrichtingen toepassen, zoals versnellingsmeters.

Het opmeten van boorgaten, zoals die gebruikt worden bij het geologisch landmetem het mijn- en oliebronboren, vergt een nauwgezette bepaling van de azimuth- en elevatiecoordinaten van de boorholten, zodat 10 een nauwkeurige grafiek van de richting en diepte van het boorgat kan worden gemaakt. Het opmeten van een boorgat wordt dikwijls uitgevoerd door een instrument of een sonde, die beweegt door het boorgat en inclinatie- en azimuthhoeken meet in successieve punten: inclinatie zijnde de hoek waarmede het boorgat afwijkt van de verticaal, 15 kan worden gemeten met een slinger of een versnellingsmeter; azimuth/ zijnde de hoek van het boorgat met betrekking tot de referentie-richting zoals het noorden, wordt typisch gemeten met een magnetische of gyroscopische kompas. Deze hoeken tezamen met de afstand langs het boorgat worden gebruikt om de coördinaten vast te stellen van punten langs 20 het boorgat met betrekking tot een referentie op de grond.

Diverse aanpakken zijn gebruikt in het verleden bij het opmeten van boorgaten omvattende het gebruik van magnetometers, gyroscopen en versnellingsmeters. Bij voorbeeld een .slinger voor het meten van de incli-. natie, kan de vorm aannemen van een lineaire, door een servo bestuurde 25 versnellingsmeter, die reageert op de zwaartekracht. Servo-gestuurde versnellingsmeters zijn beschikbaar, die klein, stevig en nauwkeurig zijn.

De nauwkeurige meting van het azimuth kan echter heel moeilijk zijn. Bijvoorbeeld magnetische kompassen of andere inrichtingen voor het meten van het aardmagnetische veld zijn onderhevig aan fouten veroorzaakt 30 door magnetische anomalieën in de grond. Gyroscopische kompassen hebben eveneens verscheidene nadelen, waaronder grote afmeting, lager slijtage, gevoeligheid voor schokken, drift en precessiefouten en het vereiste van een lange tot rustkomingsperiode voor stabilisatie wanneer een meting is gedaan. Als gevolg hiervan hebben boorgat opmeetinstrumenten, die 35 gyroscopen gebruiken, de neiging om duur en ingewikkeld te zijn en eveneens sondes nodig te hebben met grote diameter.

Een voorbeeld van een andere aanpak is genoemd in de Amerikaanse neven octrooiaanvrage, nummer 200.096, ingediend op 23 oktober 1980 door Liu, waarin een sonde met twee secties verbonden door een torsievast 40 lichaam, een versnellingsmeterpak in elke sonde zit, die worden gebruikt 8200117 » # .

- 2 - om daaraan te ontlenen de relatieve kantel- en azimuthhoek van het boorgat als de sonde afdaalt in het boorgat. Deze aanpak heeft een aanzienlijk voordeel boven bekende werkwijzen van boorgat-opmetingen ten aanzien van snelheid en nauwkeurigheid en het verdere voordeel dat geen kompas behoeft 5 te worden gebruikt voor azimuth-meting. Daarenboven, omdat zijn versnellings-meters gebruikt, kan de sonde een huis met relatief kleine diameter hebben en is nagenoeg steviger. Deze speciale werkwijze heeft echter als een van haar nadelen het onvermogen om azimuth te bepalen, wanneer de richting van de boorholte zeer dicht bij de horizontaal is. De uitvinding 10 beoogt dan ook het verschaffen van een boorholte-opmeetinrichting bevattende een sonde met een eerste en tweede sectie ingericht voor het insteken en bewegen door een boorgat met een scharnier, dat op flexibele wijze de eerste sectie verbindt met de tweede sectie tezamen met een inrichting voor het meten van de hoeken tussen de eerste en tweede sondesectie bij 15 het soepele scharnier, waarbij het boorgat opmeet-toestel een signaalverwerker omvat, die reageert op de hoeksignalen voor het produceren van een indicatie van de boorgatrichting.

Een verder oogmerk van de uitvinding is het verschaffen van een boorgat opmeettoestel dat een sonde omvat met een eerste en tweede sectie 20 ingericht voor het insteken en bewegen door het boorgat met een scharnier voor het op soepele wijze verbinden van de eerste sondesectie aan de tweede sondesectie, waarbij in de eerste sondesectie een versnellings-metersamenstel opgenomen is en een hoekmeetsamenstel voor het meten van de hoeken tussen de langsassen van de eerste sondesectie en de tweede sonde-25 sectie. Voorts is opgenomen in het opmeettoestel een signaalverwerker voor het uit de versnellingsmeter opwekken van signalen waarbij een signaal de inclinatie weergeeft van de eerste sondesectie in het boorgat en voor het uit het hoekmeet samenstel produceren van signalen die de inclinatie van de tweede sondesectie voorstellen ten opzichte van de eerste 30 sondesectie, en het azimuth van de tweede sondesectie ten opzichte van de eerste sondesectie, waarbij eveneens voorzieningen getroffen zijn voor het produceren van een horizontaal componentsignaal, dat de sinus weergeeft van de combinatie van de inclinatiehoek, en de inclinatiehoek van de tweede sondesectie ten opzichte van de eerste sondesectie tezamen 35 met het produceren van signalen die de sinus en co-sinus weergeven van de azimuth tussen de eerste en de tweede sondesecties. Daarnaast reageert de verwerker op het horizontale componentsignaal en de co-sinus van het azimuth signaal voor het produceren van een horizontale projectie, die de incrementale horizontale projectie voorstelt van de boorholte langs 40 een eerste vooraf bepaalde richting, zoals het noorden;en middelen die 8200117 Λ - 3 - reageren op het horizontale componentsignaal en de sinus van het azimuth-signaal voor het opwekken van een signaal dat de incrementale projectie voorstelt van het boorgat langs een tweede, vooraf bepaalde richting, zoals het oosten.

5 Een extra oogmerk van de uitvinding is het verschaffen van een boorgat-opmeettoestel, dat een sonde omvat met een eerste en tweede sectie ingericht voor het insteken en bewegen door het boorgat met een scharniersamenstel, dat op soepele wijze de secties met elkaar verbindt, tezamen met een aantal zich in de eerste sondesectie bevindende ver-10 snellingsmeters, en een werkwijze voor het meten van de hoek tussen de eerste en de tweede sondesecties. Eveneens opgenomen is een groep van signaal conditioneertekens, die verbonden zijn met de uitgangen van elk der versnellingsmeters en een binnen de sonde opgenomen multiplex-keten, die werkzaam verbonden is met de middelen voor het meten van 15 hoeken en de signaal conditioneerketen, waarbij een analoog naar digitaal omzetcircuit verbonden is met de uitgang van de multiplexketen en een serie omzatketen werkzaam verbonden met de uitgang van de analoog naar digitaal omzetketen met een gegevens transmissielijn verbonden met de uitgang ven de serie omzetketen. Een binnen de sonde aanwezige logische 20 keten is verbonden met de multiplexketen, de analoog naar digitaal omzetketen en de serie omzetketen en is effectief om te maken dat de multiplexketen de uitgangssignalen van de versnellingsmeter en de hoeksignalen multiplexeerd, en is voorts werkzaam om te maken dat de analoog naar digitaal omzetketen de gemultiplexeerde versnellingsmeter uitgangssignalen 25 en hoeksignalen omzet in digitale vorm, waarbij de serie omzetketen effectief is om de digitale versnellingsmeter uitgangssignalen en hoeksignalen aan te leggen aan de gegevens transmissiekabel. Een buiten het boorgat gelegen gegevensontvanger is werkzaam verbonden met de gegevens transmissiekabel om de digitale signalen uit de sonde op te nemen.

30 Een ander oogmerk van de uitvinding is het verschaffen van een boorgat opmeettoestel, bevattende een sonde met een eerste en tweede sectie met een schafniersamenstel, dat op soepele wijze de secties met elkaar verbindt, tezamen met een binnen het scharniersamenstel opgenomen hoek-meetsamenstel voorzien van een groep rekstrookjes voor het opwekken 35 van signalen, die de hoeken tussen de eerste en tweede sondesecties bij het scharniersamenstel weergeven.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van enige in de figuren der bijgaande tekeningen weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht.

40 Fig. 1 geeft een illustratie van een toestel waarin de uitvinding 8200117 - 4 - is belichaams, omvattende een sectie door een boorgat, die een sonde laat zien, die gebruikt wordt bij het boorgat opmeettoestel;

Fig. 2 toont een langsaanzicht, gedeeltelijk in doorsnede, van een sondesectie·, die een opstelling van versnellingsmeters in de 5 sonde illustreert;

Fig. 3 stelt een langsdoorsnede voor, gedeeltelijk in doorsnede, van een scharniersamenstel om de twee sondesecties met elkaar te verbinden;

Fig. 4 stel een langsdoorsnede voor van een centraliseermecha-10 nisme voor gebruik met de sonde;

Fig. 5 stelt een langsdoorsnede voor, die een alternatief scharniersamenstel illustreert, waarbij gebruik gemaakt wordt van een soepele staaf met inbegrip van rekstrookjes;

Fig. 6 is een schema van een circuit dat gebruikt kan worden 15 bij de opstelling van rekstrookjes, weergegeven in fig. 5;

Fig. 7 is een geometrisch diagram, dat de oriëntatie van de versnellingsmeters in een sondesectie weergeeft;

Fig.8 is een geometrisch diagram, dat de vertizale oriëntatie illustreert van het boorgat-opmeettoestel ten opzichte van aarde of de 20 horizontale as.

Fig. 9 is een geometrisch diagram, dat de horizontale oriëntatie illustreert van het boorgat opmeettoestel ten opzichte van azimuth; en

Fig.10 is een blokschema van een signaal verwerkingssysteem voor het verwerken van de signalen afkomstig uit de sonde in een repre-25 sentatie van boorgatrichting, waaronder inclinatie en azimuth.

In fig. 1 wordt een representatieve omgeving geïllustreerd voor de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding. Onder de grond 10 strekt zich een boorgat uit, algemeen aangegeven aangegeven met 12, dat gevoerd is met een aantal boorgatbekistingen 14-16, zoals de algemene 30 praktijk is in de industrie. In het punt 17, waar het boorgat 12 de bodem 10 binnengaat, is een lanceerbuis 18, die verbonden is met de eerste boorgatbekisting 14. In het boorgat 12 is een sonde gestoken om door het boorgat bewogen te worden, welke sonde bestaat uit drie sondesecties 20, 22 en 24, die verbonden zijn door torsie vaste, soepele scharnier-35 samenstellen 26 en 28. Voorbeelden van schamiersamenstellen, die geschikt zijn voor gebruik met de sonde, zijn weergegeven in figuren 3 en 5. De eerste sondesectie 20 is verbonden met een kabelhaspel 30, door middel van een kabel 32, die loopt over een bovengrondse katrol 33. De kabel 32 dient om de sonde door het boorgat 12 omlaag te brengen en verschaft 40 bovendien een transmissiemedium voor het overbrengen van gegevens vanaf 82 0 0 1 1 7 - 5 - de sonde naar een signaalverwerker 34 via een kabel 36 vanaf de haspel 30. Een andere signaal transmissielijn 37 is verbonden tussen de katrol 33 en de signaalverwerker 34 voor het verschaffen van een indicatie van de hoeveelheid kabel 32, die men laat vieren in het boorgat 12.

5 Aan de lanceerbuis 18 is een transit 38 bevestigd, die kan worden gebruikt voor het bepalen van de begin azimuth van het boorgat ten opzichte van een richting, zoals het noorden. Daarnaast kan de begin kantelhoek of inclinatiehoek van het boorgat vanaf de verticaal zoals aangegeven door de lanceerbuis 18 worden bepaald door conventionele waterpasinrichting-10 en die kunnen worden bevestigd aan de transit 38. In fig. 2 ziet men dat binnen de eerste sondesectie 20 een tri-axiaal versnellingsmeterpakket bevestigd is, waaronder drie versnellingsmeters 40, 42 en 44. Een geschikte versnellingsmeter voor deze toepassing is een lineaire servo-gestuurde versnellingsmeter van het type geopenbaard in het Amerikaanse 15 octrooischrift 3,702.073. De eerste versnellingsmeter 40 is gelegen binnen de eerste sondesectie 20, waarbij de gevoelige as of Z-as ervan gelegen is langs de longitudinale as 41 van de sondesectie 20 en de andere twee versnellingsmeters 42 en 44 zijn gelegen met hun gevoelige assen X en Y onder rechte hoeken met de Z-as en onder rechte hoeken met elkaar.

20 Als gevolg hiervan, wanneer de eerste sondesectie 20 in vertizale richting is opgehangen, zal de Z-as loodrecht staan op het horizontale vlak en de X- en Y-assen zullen evenwijdig zijn aan het horizontale vlak.

In fig. 3 is in sectievorm de uitvoeringsvorm van het soepele scharniersamenstel 26 geïllustreerd, dat een kogel 45 en een bus 46 25 opstelling omvat, ter verbinding van de eerste sondesectie 20 met de tweede sondesectie 22 waardoor de tweede sondesectie 22 in staat is angulair te buigen ten opzichte van de eerste sondesectie 20. De kogel 45 is bevestigd in het huis van de sondesectie 22 door middel van een stemorgaan 47. Voorts is een balg 48 aanwezig, die behalve dat deze 30 het buigen van de sondesectei 22 ten opzichte van de sondesectie vergemakkelijkt, voorkomt dat de sondesectie 22 roteert ten opzichte van de sondesectie 20, zodat de sondesecties 20 en 22 torsiestijf zijn ten opzichte van elkaar. Eveneens bevindt zich in het flexibele scharniersamenstel 26 een potentiometer 50 van het stuurknuppeltype, hetgeen 35 omvat een stang 49 bevestigd aan de kogel 45 hetgeen resulteert in spanningssignalen aan leidingen 52, die de richting en grootte van de angulaire buiging van de tweede sondesectie 22 ten opzichte van de eerste sondesectie 20 weergeven.

Teneinde nauwkeurigheid van de door de versnellingsmeters 40, 40 42 en 44 in de eerste sondesectie 20 en de door de soepele scharnier 8200117 - 6 - samenstellen 26 en 28 opgewekte signalen te verbeteren, zijn de bovenste sondesectie 20 en de onderste sondesectie 24 voorzien van centreermecha-nismen 52, 54, 56 en 58 om de sondesecties 20 in het midden van de boorgatbekistingen te houden, zoals weergegeven bij 14 en 16. Een 5 gedetailleerd voorbeeld van een mechanisme voor de centreerorganen 52, 54, 56 en 58 is weergegeven in de detailtekening van fig. 4. In het centreermechanisme zijn opgenomen twee rollen 60 en 62, die ingericht zijn om te rollen langs de binnenzijde van de boorgatbekistingen 14 en 16. De rollen 60 en 62 bevinden zich aan het einde van een paar benen 63 10 en 64 van het huis van de sonde 20 door middel van een mechanisme, waarin zijn opgenomen uitdrijfstaven 65 en 66 onder druk van een uitdrijfveer 67. De uitdrijfstaven 65 en 66 zijn bevestigd aan een telescopische steun-staaf 68 in een scharnierpunt 70. Het andere einde van de telescopische steunstaaf 68 en de benen 63 en .64 zijn scharnierend bevestigd aan een 15 steunbasis 71. Uitdrijfstaven 65 en 66 zijn bevestigd aan de benen 63 en 64 in scharnieren 72 en 73. In de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding echter zal het centreermechanisme drie of meer rollen omvatten, die gelegen zijn.aan benen, die op gelijke afstanden van elkaar verwijderd zijn teneinde de sonde 20 binnen de hartlijn van de boorgatbekisting te 20 behouden. Het in figuur 4 weergegeven mechanisme bezit slechts twee benen voor het gemakkelijke begrijpen.

Aangezien elk centreerbeen 63 en 64, zoals weergegeven infig. 4, zich moet uitstrekken over een gelijke afstand vanaf de sondesectie als de andere benen, zal de sonde nauwkeurig gelegen zijn langs de hart-25 lijn van het boorgat, waardoor het centreermechanisme weergegeven in fig.

4 voorzien wordt van een aanzienlijk nauwkeurigheidsvoordeel boven centreerorganen, die gebruik maken van onafhaneklijke veerrollen. De uitdrijfveer 67 kan zodanig gevorm dworden, dat de krachten inwerkend op elk been, worden overwonnen door de veer. Aldus kan het gewicht van de 30 sondesectie 20 of de kracht van de kabel 32 niet de sonde bewegen vanuit de hartlijn van het boorgat. Indien de uitdrijfveer 67 niet voldoende sterkte bezit om de krachten inwerkend op de rollen te overwinnen, kunnen de krachten de veer overwinnen en zal het ene been zich scheiden van de zijwand van het boorgat 12, waardoor de sonde haar centreerring verliest. 35 Met onafhankelijke veren zal zelfs de kleinste kracht de centreerring van de sonde met een bepaalde waarde verminderen alsmede bepaalde oscillaties veroorzaken van de sonde naar en van de hartlijn, wanneer de kracht wordt opgeheven. Dit probleem zal niet optreden daar waar de benen in vereniging werken en de veer zodanig geconfigureerd is, dat zij groter is 40 dande som van de krachten die inwerken op een willekeurig enkel been.

82 0 0 1 1 7 - 7 -

Een alternatief voor het in figuur 3 weergegeven mechanisme voor het meten van de hoeken tussen twee van de sondesecties is geïllustreerd in fig. 5. In dit angulair uitleesmechanisme wordt een orgaan 74 in de vorm van een vierkante soepele staaf, bevestigd aan elk van de 5 sondesecties 20 en 22. Op elk vlak van de staaf zit een halfgeleider rekstrookje, hier aangegeven met verwijzingscijfers 76, 78, 79 en 80.

Twee rekstrookjes aan de van de kijker afgewende zijde van de flexibele staaf 74 zijn niet in fig. 5 zichtbaar, maar hun relatieve plaatsen zijn aageduid met de verwijzingscijfers 79 en 80, De halfgeleider rek-10 strookjes hebben een aanzienlijk voordeel boven metalen rekstrookjes in deze aanvrage, aangezien een groot signaal kan worden opgewekt bij kleine angulaire uitwijkingen, bijvoorbeeld van 2 en 1½° of minder, aangezien de schaalfactor voor een halfgeleider rekstrookje 150 is tegen 2 voor metalen rekstrookjes. Door een paar rekstrookejes aan tegenge-15 stelde vlakken zoals rekstrookjes 76 en 80 electrisch te verbinden in een halve brugketen, zoals weergegeven in fig. 6, wordt een spanningssig-. naai opgewekt, dat de angulaire uitwijking van één sondesectie ten opzichte van de andere weergeeft. Het andere paar rekstrookjes op de staaf 74 zal worden verbonden op soortgelijke wijze. Zoals weergegeven in het schema-20 tische diagram van fig. 6 is één rekstrookje 76 verbonden met een spanningsbron en het rekstrookje 80 aan het tegenover gelegen vlak van de soepele staaf 74 is in serie geschakeld met het rekstrookje 76 met een spannings-uitgang daartussen verbonden. In deze opstelling zal slechts een differentiële verandering als gevolg van angulaire uitwijking tussen 25 sondesecties 20 en 24 een uitgangsspanning produceren. Buiging over gekruisde assen zal tegen elkaar wegvallen, aangezien de rekstrookjes 76 en 80 aan tegengestelde vlakken de zelfde signalen bij het buigen met gekruisde assen zullen opwekken. Daarnaast zal deze verbinding temperatuur-effecten en het rekken of krimpen van de gemeenschappelijke aarde staaf 30 conpenseren. Het zal duidelijk zijn dat in deze opstelling het flexibele orgaan 74 de kogel en busopstelling, weergegeven in fig. 3 zal vervangen, teneinde eerste sondesectie 20 mechanisch te verbinden met de tweede sondesectie 22.

Bij het bepalen van de geometrische relaties van de boorgat 12 35 en de uitgangssignalen afkomstig van de versnellingsmeters 40, 42 en 44 tezamen met de hoeksignalen afkomstig van de hoekscharnierverbindingen 26 en 28 dient verwezen te wroden naar de geometrische diagrammen weergegeven in figuren 7-9. De definitie van de verbindingshoeken ε en Θ ten opzichte van de versnellingsmeterassen X, Y en Z, waarbij ε gedefini-40 eerd wordt als een verticale hoekverandering ten opzichte van de Y-as, 8200117 - 8 - aannemende dat de Y-as zich bevindt in het vlak bepaald door de Z-as en de ware verticaal zoals aangegeven door de lijn 82 in fig. 7.

Op soortgelijke wijze worden de Θ -hoeken gedefinieerd ten opzichte van de X-as, aannemende dat de X-as horizontaal is. De ε-hoeken en de horizontale 5 projecties van de θ-hoeken kunne beschouwd worden als relatieve inclinatie- resp. azimuth-hoeken, aangezien zij relatieve veranderingen weergeven in inclinatie en azimuth van de ene sondesectie ten opzichte van de andere sondesectie. De rolhoek Θ van de sonde, zoals geïllustreerd in fig. 7 geeft de rotatie weer van de sondesecties 20, 22 en 24 in het 10 boorgat 12, zoals geïllustreerd in fig. 7. In deze uitvoeringsvorm van de uitvinding worden de sondehoeken ε en 0 gemeten uit de vorige sondesectie en zijn directe metingen van de hoeken tussen twee sondesecties, zoals sondesectie 20 en sondesectie 22. In onderstaande TABEL I zijn de verschillende symbolen gedefinieerd die gebruikt worden bij de definitie van 15 de beschrijving van de onderhavige uitvinding: 20 25 30 35 40 8200117 - 9 -

TABEL I

A - Azimuth hoek vanuit het noorden (0°= Noorden, 90°= oosten, 180°= zuiden, 270°= westen) I - Inclinatie vanaf de verticaal (0°= recht omlaag, 90°= horizontaal) 5 ε - sonde scharnierhoekverandering in inclinatie (verticale vlak) 0 - sonde scharnierhoekverandering in het xz vlak φ - sonde rolhoek (om de z-as) N - noorden volgens compasopschrift (ware noorden) E - oosten volgens compasopschrift 10 D - diepte, verticaal L - lengte van sondesecties C - lengte van uitgevierde kabel x - sonde horizontale component (loodrecht op z) y - sonde verticale component (loodrecht op z) 15 z - sonde longitudinale component (rakend aan boorgatas) a - x-uitgang van versnellingsmeter (langs x-as wanneer φ = 0°)

X

a - y-uitgang van versnellingsmeter (langs y-as wanneer φ = Cr) a - z-uitgang van versnellingsmeter langs z-as z - uitgang potentiometer evenredig met hoek langs x-versnellingsmeter 20 hij eerste scharnier P - uitgang potentiometer evenredig met hoek langs x-versnellingsmeter bij tweede scharnier P ^ - uitgang potentiometer evenredig met hoek langs y-versnellingsmeter bij eerste scharnier 25 P ^ - uitgang potentiometer evenredig met hoek langs y-versnellingsmeter bij tweede scharnier.

Onderstaande vergelijking (1) bepaalt de inclinatiehoek I als functie van de versnellingsmeteruitgangen a^, a^ en a^.

30 / - / 2 2 _ . -1 / ». a + a 1 = tan I \!_*__zy (i) 35 Aangezien in deze uitvoeringsvorm van de uitvinding de sonde rolhoek φ niet mechanisch wordt gecontroleerd in het boorgat, zal de verticale zwaar-tekrachtscomponent loodrecht op de langsas van de sonde een combinatie zijn van de x-en y-meetwaarden van de versnellingsmeter. Indien de 8200117 - 10 - x-versnellingsmeter 40 horizontaal zou zijn, dan zal 1 t a \ I = tan ; f (la) a ƒ z / 5 zoals duidelijk zal zijn uit de illustratie in figuur 7. Vergelijking (1) bepaalt I in het algemene geval.

Een transformatie van de versnellingsmeteruitgangen en de hoek-uitgangen naar oppervlaktecoördinaten wordt eerst beschreven met betrekking tot het eenvoudige geval, waarin azimuth A gelijk is aan 10 en θ^, die op zijn beurt gelijk is aan nul. Zoals men kan zien in figuur 8 kan de horizontale projectie van de sonde op de grond, aannemende dat de grond vlak is, worden gebroken in drie segmenten, één voor elke sondesectie. De horizontale componenten van elke sonde Nq, en zijn: 15 Nq = Lq sin I (2) = sin (I + ε^) (3) N2 = L2 sin (I + ε1 + ε2) (4) 20

Bovenstaande vergelijkingen (2), (3) en (4) kunnen worden beschouwd als horizontale projecties omdat zij de projecties voorstellen van de sondesecties 20, 22 en 24 op de grond.

Evenzeer kan de diepteprojectie van elk der sondesecties worden 25 weergegeven als

Dq = Lq cos I (5) = cos (I + Cj) (6) 30 D2 = cos (I + Cj + ε2) (7)

Voor het algemene geval waarin de azimuth-hoek A niet gelijk is aan nul, wordt de opschriftlengte N van de sonde als geheel gewijzigd 35 door de cosinus van de azimuth-hoek A op de volgende wijze: ®1 ®1 ®2 N. = N cos A + N, cos (A + —: 7) + N COS (A + —; — + ——rr--. ) (8) 1 0 1 sin I 2 sin I sin(I+ Cj) 82 0 0 1 1 7 - 11 - θ! Ν, = L_ sin I cos A + L, sin (I + ε„) cos (A + —:——) +

10 1 1 sin I

Θ1 θ2 5 L2 sin (I + ε1 + e2) cos (A + sin τ + sin(I+ei)> (9) waarin de "i-de" meting is in een reeks metingen naarmate de sonde wordt voortbewogen door het boorgat in integrale veelvouden van de sonde-lengte. Opgemerkt dient te worden dat in bovenstaande vergelijkingen 10 (8) en (9) Θ^ wordt gedeeld door de sinus van I en wordt gedeeld door de sinus van I + ε^. Dit is ter compensatie van de invloed van de inclinatie op de azimuth-aflezingen zoals geïllustreerd in figuur 9.

Een meting in de compasrichting met het opschrift E of azimuth wordt verschaft door onderstaande vergelijking (10): 15 Θ1 E. = L. sin I sin A + L. sin (I + e.) sin (A + —:——) +

ï 0 1 1 sin I

Θ1 ®2 L sin (Ι + ε + ε„) sin (A + —.—· + ·, \ ) (10) 2 12 sin I sin(I+e^) 20

De "opschrift"-metingen in vergelijkingen (9) en (10) volgen uit directe aflezingen van de instrumenten in de sonde voor elke lengte waarover de sonde omlaag in het boorgat wordt verplaatst en het is mogelijk meer sondesecties te verschaffen door enkel aanvullende termen aan bovenstaande vergelijkingen toe te voegen.

25

De werking van het boorgatopmeettoestel wordt beschreven als functie van de eerste meting, die gedaan wordt met de eerste sondesectie 20, beginnende in de lanceerbuis 18 zoals geïllustreerd in figuur 1 van de tekeningen. Elke volgende meting of aflezing uit de versnellingsmeters en hoekscharnieren wordt gedaan nadat de sonde naar voren verplaatst is ^ over twee/derde van de totale sondelengte zodanig dat de eerste sectie 20, die de versnellingsmeters 40, 42 en 44 bevat, dezelfde sectie van de boorgatpijp zal bezetten als de derde sondesectie 24 bezette in de voorafgaande meting.

Berekening van de azimuth-hoeken Θ en Θ kan worden gesommeerd 35 12 met de eerder gemeten hoeken zonder een meting over te slaan. Onderstaande vergelijkingen (11), (12), (13) en (14) geven de berekening weer van de toenamen of stijgingen van de projectie van de sondesecties 20, 22 en 24 , in de richting van de compasinscriptie N en E alsmede diepte en lengte 8200117 - 12 - van de uitgevierde kabel, wanneer de sonde zich bevindt in de lanceer-buis 18.

Θ1 N = L sin I cos A + L sin (I + ε.) cos (A + —:;-= ) +

i. U 1 lx 11 1 sin I

5 θι θ2 L2 sin (I1 + ε1 + ε2) cos (A± + sin τ + sin(I+£i)) (11) Θ1 E =r L sin I. sin A + L sin (I. + ε.) sin (A + + i u i 11 li l sin i 10 Θ1 θ2 L sin (I. + ε. + ε0) sin (A. + ——- + —;—r——.) (12) 2 112 1 sin I sm(I+Sj)

Dj = Lq cos Ij + Lj cos (Ij + Ej) + L2 cos (Ij + Ej + ε2) (13) 15 C1 - L0 + h + L2 (14) 20 De volgende stap in het proces voor het opmeten van het boorgat is het verder omlaag brengen van de sonde in het boorgat over twee/derde van een lengte ervan zodanig dat de eerste sondesectie 20 zich in dezelfde positie bevindt als de derde sectie 24 in de voorafgaande meting. De azimuth-hoek voor de tweede meting wordt dan gedefinieerd door onder-25 staande vergelijking (15): 01 ®2 A2 = A1 + ϋϊΓΤ + sin(I+ej) (15) 30 Aangezien de versnellingsmeter 40, 42 en 44, die zich bevinden binnen de eerste sondesectie 20, kunnen worden gebruikt om een directe meting van de inclinatie I te maken, is het niet nodig te berekenen I2 = Ij + Ej + ε2 / maar kan deze worden gedaan teneinde een aanvullende controle over de nauwkeurigheid te leveren. De volgende toename van de 35 beweging van de sondes onder de grond door het boorgat wordt berekend met behulp van de onderstaande formules (16), (17), (18) en (19): 8200117 . * ·<► < - 13 - Θ1 N2 = N1 + L1 sin (l2 + ej) cos (a2 + + θ Θ L2 sin (I2 + Sj + e2> cos (¾ + ^ + Vinil^)1 (16) e! 5 E2 - Ej + Lt sin (I2 + Sj) sin <A2 + jr—f ) + θ θ L2 sin (I2 + Ej + ε2) sin (¾ + + sln (I ") > <17> D2 = D1 + L1 cos (I + Sj) + L2 cos d2 + ε1 + ε2) (18) 10 C2 - Ci + L1 + L2 <19)

Voor de derde meting wordt de azimuth-hoek A3 opnieuw 15 gedefinieerd door vergelijking (20) als volgt: Θ1 6 2 A = A. + + . i (20) 3 2 sm I sxn(I+Sj) 20 en de derde toename van sondeverplaatsing door het boorgat wordt berekend door gebruikmaking van de hieronder aangegeven vergelijkingen (21), (22), (23) en (24): S1 25 N3 = N2 + Ij sin (I3 + H) cos <A3 + + θ θ2 L2 sin <I3 + Sj + ε2) =os »3 + + sl^ll+z^ (21) h 30 E3 = E2 + Lj sin (I3 + Sj) sin (Aj + ) + Θ1 02 L2 sin (I3 + El + e2) sin <A3 + + sin(lï^)) (22) 35 D3 = D2 + L cos (I3 + Sj) + L2 cos (I + ε1 + ε2) (23) °3 + C2 + L1 + L2 (24> 8200117 - 14 -

De algemene vorm voor elke stap van de boorgat-meetprocedure wordt gedefinieerd door onderstaande vergelijkingen (25), (26), (27) en (28):

Ni - Ki-i + Li sin (I1 + ει> coa (ai + ÜTÏ)1 + 5 Θ1 θ2 L sin (I. + ε. + t.) COS (A. + —-- + .---/-—J - 2 i 1 2 i sin I sintl+e^) L„ sin I. cos A. (25) 0 11 10

E. = E. . + L. sin (I. + ε.) sin (A. + ——-) + ïi-ll i 1 1 sin I

®1 L2 sin (I. + + ε2) sin <A± + ' 15 Lq sin Ij sin Aj (26)

Dj = Dj + Lj COS (Ij + Sj) + COS (Ij + ε^ + ~ COS τΐ (27) 20 C. = C. + L, + L„ - L (28) i i-1 120

Bovenstaand voorbeeld van boorgat-opmeting werd beschreven zonder 25 rekening te houden met eventuele rotatie van de sonde binnen het boorgat zoals gedefinieerd door de hoek φ. De sonderolhoek φ kan worden bepaald uit de x-versnellingsmeter 42 en de y-versnellingsmeter 44 in de eerste sondesectie 20 met behulp van de volgende betrekking: 30 φ = tan-1 f ~ ) (29) \ay/

De werkelijke waarde van φ in graden zal afhangen van de polariteit van de uitgangen van de x-versnellingsmeter 42 en de y-versnellingsmeter 44 35 volgens onderstaande Tabel II: 82 0 0 1 1 7 • * * * - 15 -

TABEL IX

Polariteit Voorwaarde Vergelijking φ bereik a a x y 5 ± + |ax \< fa ί φ=ΐηη_1 -45° < φ < 45° y + + [ a^ | > j a [ φ=90°-^ηη * f ) 45° <_ φ <_ 90° y \ ax / - + |a j> |a | φ=-90-ίηη ^ -90° <_ φ <_ -45° X Y \ ax / + - |βχ [< |ay| φ= 180O+tan~'j 135° < φ < 180° la |< la I φ—180°+tan“Y—) -180° < φ < -135° 15 I x I- I yl Vay/ + - |ax [> I a I φ= 90°-tan"1/^! 90° i Φ 1 180° y \ax / [ax |> Jay| φ=-90°-^-180° £ φ <_ -90° 20

Na het bepalen van de sonderolhoek φ onder gebruikmaking van de in Tabel II weergegeven betrekkingen, kunnen de hoekuitgangen van de scharniersamenstellen worden gecompenseerd voor rolhoek, zodat de sonde-25 scharnierhoekverandering in de inclinatie en de sondescharnierhoek-verandering in azimuth ε respectievelijk Θ de werkelijke inclinatie-en azimuth verandering voorstellen. Dit wordt bewerkstelligd onder gebruikmaking van onderstaande betrekkingen in vergelijkingen (30) en (31): 30 Θ, = P . cos φ - P . sin φ (30) ï xi yi r ε. = P . cos φ + P . sin φ (31) i yi v xi ψ

De werking van het boorgat-opmeettoestel zoals hierboven beschreven veronderstelt dat de sonde begint aan de bovenzijde van het 35 82 0 0 1 1 7

i V

- 16 - boorgat; echter zou de werkingswijze zoals hierboven beschreven op gelijke wijze kunnen worden gebruikt wanneer de sonde is neergelaten op de bodem van het boorgat en de opmeting loopt vanaf de bodem naar de bovenzijde.

In dit geval echter zou het noodzakelijk kunnen zijn om de werkelijke 5 waarden voor N., E. en D. te berekenen nadat de sonde de lanceerbuis bereikt 111 heeft, zodat de begin-zimuth-hoek zou kunnen worden bepaald.

In figuur 10 is in blokschemavorm een signaal verwerkingssysteem geïllustreerd voor het opwekken van signalen die de richting weergeven van het boorgat vanuit versnellingsmeters 40, 42 en 44 en de hoeksignalen 10 en en ^ en 0£ vanuit de scharniersamenstellen 26 en 28. Zoals weergegeven in figuur 10 worden de hoeksignalen ε^, &2' ^ en 02 overgedragen over leidingen 82, 84, 86 en 88 aan een multiplexeerketen 90.

De versnellingsmeteruitgangssignalen a^, a^ en a^ worden overgedragen over leidingen 92, 94 en 96 aan filterketens 98, 100 en 102. De uitgangen 15 van de filterketens 98, 100 en 102 worden dan aangelegd over leidingen 104, 106 en 108 aan bemonsterings- en vasthoudketens 110, 112 en 114, die op hun beurt zijn verbonden met de multiplexeerketen 90 via leidingen 116, 118 en 120. De uitgang van de multiplexeerinrichting 90 wordt aangelegd aan een analoog-naar-digitaal-omzetter 122 door middel 20 van leidingen 124 en de resulterende digitale uitgang van de analoog-naar-digitaal-omzetter 122 wordt overgedragen aan een vervolgomzetter-keten 126 via leiding 128. Met de uitgang van de vervolgomzetterketen 126 is verbonden een gegevenstransmissiekabel 130, die deel uitmaakt van de in figuur 1 weergegeven kabel 32. In de voorkeursuitvoerings-25 vorm van de uitvinding zijn de verschillende hierboven beschreven circuit-elementen, waaronder de filterketens 98, 100 en 102, de bemonsterings-en houdketens 110, 112 en 114, de multipLsceerketen 90, de analoog-naar-digitaal-omzetter 122 en de vervolgomzetterketen 126, opgenomen binnen de sonde. Zoals met de versnellingsmeters 42, 40 en 44, kunnen deze 30 circuitelementen zich bevinden binnen de eerste sondesectie 20.

Naast de hierboven beschreven circuitelementen wordt een tijd bepalende en logische keten 131 opgenomen in de eerste sondesectie 20 en werkzaam verbonden door middel van leidingen 132-134 en 136 met de multiplexeerketen 90, de bemonsterings- en houdketens 110, 112 en 114, 35 de analoog-naar-digitaal-omzetterketen 128 en de vervolgomzetterketen 126. De logische keten 131 is werkzaam om te maken dat de multiplexeerketen 90 de uitgangen van de bemonsterings- en houdketens 110, 112 en 114 multiplexeert, zodat de gefilterde uitgang van de versnellingsmeters 8200117 t- * - η - 40, 42 en 44 wordt aangelegd aan de multiplexeerketen 90. De logische signalen afkomstig van de logische keten 131 worden aangelegd aan de bemonsterings- en houdketens 110, 112 en 114 via leiding 138. Gemultiplexeer-de signalen uit de multiplexeerketen 90 worden dan geconverteerd door de 5 analoog-naar-digitaal-omzetterketen 122 naar een digitaalformat en vervolgens omgezet worden door de vervolgomzetterketen in een vervolg-bit-stroom, die wordt overgedragen via de leiding 130 naar de gegevens ontvanger 34.

Een verschilversterker 140 ontvangt de vervolg bit-stroom die de 10 van de gegevenstransmissieleiding 130 afkomstige uitgangen van de versnellingsmeter- en hoeksignalen weergeeft en legt deze bit-stroom aan aan een serie-naar-parallelomzetterketen 142 door middel van leidingen 144. Een synchroniseerketen 146 in combinatie met een tijdsbepalende en regelketen 148 via een leiding 150 is werkzaam om te maken dat de 15 serie-naar-parallelomzetter 142 de serie bit-stroom omzet in een parallel-signaal op leidingen 152. De digitale gegevens op leidingen 152 worden dan aangelegd aan een computer, die ofwel analoog of digitaal kan zijn voor het opwekken van signalen die de richting weergeven van het boorgat in overeenstemming het de in de voorafgaande beschrijving genoemde 20 betrekkingen.

De signaalverwerker 34 omvat eveneens een energiebron 156, die energie levert voor doverse componenten van de sonde over een energie-transmissieleiding 158 en de componenten van de signaalverwerker 34. De energietransmissieleiding 158 maakt eveneens deel uit van de in figuur 25 1 weergegeven kabel 32 en brengt energie over naar een energieomzetter- keten 160 in de sonde, die energie levert aan de verschillende circuit-componenten en instrumenten zoals de versnellingsmeters 40, 42 en 44, die zich bevinden binnen de verschillende secties van de sonde.

De veronderstelling, dat de sonde zich verder verplaatst of 30 rijst in toename van exact twee/derde van de sondelengte behoeft niet een star operationeel vereiste te zijn. Intermitterende metingen met kortere toenamen of asyncrhone metingen, waarbij de sonde in continue beweging is, kunnen gemakkelijk worden gemaakt mit de lengte van de lanceer-buis 18 tenminste 2L^ bedraagt en dat de berekeningsalgoritme een 35 bepaalde soort interpolatieschema bevat. Een geschikte methode is die, welke geopenbaard wordt door Liu in zijn Amerikaanse nevenoctrooiaanvrage nr. 200,096.

82 0 0 1 1 7

Claims

1. Boorholte-opmeettoestel bevattende een aftastsonde met een eerste sondesectie en een tweede sondesectie ingericht voor het insteken en bewegen door een boorholte en een scharniersamenstel, dat op flexibele wijze de eerste sondesectie verbindt met de tweede sondesectie, gekenmerkt 5 door de middelen voor hoekmetingen, werkzaam verbonden met de sonde, voor het opwekken van signalen, die de hoek weergeven tussen de tweede en de eerste sondesectie bij het scharniersamenstel; signaalbewerkings-middelen, die reageren op de hoeksignalen, voor het opwekken van signalen, die de richting van de boorholte weergeven; en middelen, die reageren 10 op de hoeksignalen voor het meten van de diepte van de boorholte.

2. Inrichting volgens conclusie 1, gekenmerkt door middelen die werkzaam verbonden zijn met de signaalverwerkingsmiddelen voor het opwekken van een inclinatiesignaal, dat de inclinatie van de eerste sondesectie vanuit de verticale richting weergeeft, welke hoekmeetmiddelen 15 een eerste van de hoeksignalen opwekt, dat de relatieve inclinatie van de tweede sondesectie ten opzichte van de eerste sondesectie weergeeft en een tweede van de hoeksignalen, dat de relatieve azimuth van de tweede sondesectie ten opzichte van de eerste sondesectie weergeeft, en de signaalverwerkingsmiddelen middelen omvatten voor het uit het inclinatie-20 signaal genereren van een horizontale componentsignaal, dat de sinus weergeeft van de combinatie van het inclinatiesignaal en het relatieve inc1inatie signaal.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de signaalverwerkingsmiddelen middelen omvatten voor het opwekken van een 25 azimuth-sinussignaal, dat de sinus weergeeft van een signaal, dat het relatieve azimuth-signaal omvat alsmede een azimuth-cosinussignaal, dat de cosinus van een signaal weergeeft, waaronder het relatieve azimuth-signaal.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de signaal- 30 verwerkingsmiddelen middelen omvatten om het horizontale projectiesignaal te combineren met het azimuth-cosinussignaal voor het opwekken van een signaal, dat een toename voorstelt van de horizontale projectie van het boorgat in een eerste richting.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de signaal- 35 verwerkingsmiddelen middelen omvatten om het horizontale projectiesignaal te combineren met het azimuth-sinussignaal voor het opwekken van een signaal, dat een toename voorstelt van de horizontale projectie van het 8200117 c » - 19 - boorgat in een tweede richting.

6. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de signaal-verwerkingsmiddelen middelen omvatten om het inclinatiesignaal te combineren met het relatieve inclinatiesignaal tot een gecombineerd 5 inclinatiesignaal en middelen voor het opwekken van een signaal, dat de cosinus weergeeft van het gecombineerde inclinatiesignaal, dat een toename weergeeft van de diepte van het boorgat.

7. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de middelen voor het opwekken van het azimuth-sinussignaal en het azimuth-cosinussignaal 10 middelen omvatten om een signaal op te wekken dat de sinus weergeeft van een signaal omvattende tenminste ten dele het inclinatiesignaal en middelen om het relatieve azimuth-signaal te delen door het inclinatie-sinussignaal.

8. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het 15 scharniersamenstel middelen omvat om rotatie van de eerste sondesectie ten opzichte van de tweede sondesectie te voorkomen. 20 8200117