NL8203007A

NL8203007A - DEVICE FOR MONITORING THE DIRECTION OF A BOREHOLE.

Info

Publication number: NL8203007A
Application number: NL8203007A
Authority: NL
Original assignee: Sperry Sun Inc
Priority date: 1981-08-20
Filing date: 1982-07-27
Publication date: 1983-03-16
Also published as: NO164193B; JPS5873807A; DE3230889A1; MX152695A; IT8222898A0; BR8204849A; IT1153556B; CA1189317A; CH651890A5; FR2511727B1; NO822825L; NO164193C; FR2511727A1

Description

-------- . ’ ....................... · *·· f · ·' · P & C ‘ .--------. "....................... · * ·· f ·" "P & C".

* W 4514-9 Ned./dB/WVR* W 4514-9 Dutch / DB / WVR

Inrichting voor het bewaken van de richting van een boorgat.Device for monitoring the direction of a borehole.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bewaken van de richting van een boorgat, hetzij continu of op een reeks punten, verdeeld over de lengte van het boorgat, en op een werkwijze voor het meten van het verloop van 5 een boorgat.The invention relates to a device for monitoring the direction of a borehole, either continuously or at a series of points distributed along the length of the borehole, and to a method for measuring the course of a borehole.

Een ruimtelijk overzicht van het verloop van een boorgat wordt gewoonlijk verkregen uit een reeks waarden van de azimuthhoek en de inclinatiehoek, genomen in de lengte-richting van het boorgat. Metingen, waaruit de waarden van deze beide hoeken kunnen worden verkregen, worden gedaan op opvolgende punten langs het verloop van het boorgat, waarbij de afstanden tussen aangrenzende punten nauwkeurig bekend zijn.A spatial overview of the borehole course is usually obtained from a range of azimuth angle and inclination angle values, taken in the length direction of the borehole. Measurements from which the values of these two angles can be obtained are made at subsequent points along the course of the borehole, the distances between adjacent points being accurately known.

In een boorgat waarin het magnetisch veld van de aarde 15 ongewijzigd wordt door de aanwezigheid van het boorgat zelf kunnen metingen van de componenten van het zwaartekracht-veld en het magnetische veld van de aarde in de richting van vaste assen ten opzichte van de verbuizing worden ge-bruikt voor het verkrijgen van de waarden van de azimuth-20 hoek en de inclinatiehoek, waarbij de azimuthhoek wordt ge-meten ten opzichte van een vast met de aarde verbonden magnetische referentie, bijvoorbeeld de magnetische noord-pool. In situaties waarbij het magnetische veld van de aarde wordt gewijzigd door de plaatselijke omstandigheden 25 in het boorgat, bijvoorbeeld wanneer het boorgat is bekleed met een stalen voering, kunnen echter magnetische metingen niet langer worden gebruikt voor het bepalen van de azimuthhoek ten opzichte van de vast met de aarde verbonden referentie. In die omstandigheden is het nodig een gyroscopisch 30 toestel te gebruiken.In a borehole in which the magnetic field of the earth 15 is unchanged by the presence of the borehole itself, measurements of the components of the gravitational field and the magnetic field of the earth in the direction of fixed axes relative to the casing can be made - used to obtain the values of the azimuth-20 angle and the inclination angle, measuring the azimuth angle with respect to a fixed earth-connected magnetic reference, for example, the magnetic north pole. However, in situations where the magnetic field of the earth is altered by the local conditions in the borehole, for example, when the borehole is lined with a steel liner, magnetic measurements can no longer be used to determine the azimuth angle relative to the solid Earth-connected reference. In those circumstances it is necessary to use a gyroscopic device.

Het Britse octrooischrift 1.509.293 beschrijft een dergelijk toestel, bestaande uit een huis waarvan de langs-hartlijn bij het gebruik samenvalt met de hartlijn van het 1 boorgat, met een gyro met e£n vrijheidsgraad, voorzien van 1 35 een buitenste kompasbeugel, geinonteerd in het huis met 1 zijn hartlijn samenvallend met de langshartlijn daarvan, een binnenste kompasbeugel, gemonteerd in de buitenste beugel, 8203007 % » \ - 2 - met zijn hartlijn loodrecht op de hartlijn van de buitenste beugel, waarbij een gyrorotor is gemonteerd in de binnenste beugel en organen aanwezig zijn voor het meten van de hoekverdraaiing van de binnenste beugel ten opzichte van de 5 buitenste beugel, en organen voor het uitoefenen van een koppel op de buitenste beugel voor het roteren van deze beugel bij het gebruik om zijn hartlijn, zodanig dat de binnenste beugel terugbeweegt naar zijn beginstand, met organen voor het meten van de rotatiehoek van het huis om 10 zijn langshartlijn ten opzichte van de buitenste beugel, en met een zwaartekrachtmeeteenheid voor het meten van drie componenten van de zwaartekracht in drie, niet in een vlak liggende richtingen.British Patent 1,509,293 describes such a device, consisting of a housing whose longitudinal centerline coincides with the centerline of the 1 borehole in use, with a gyro of one degree of freedom, fitted with an outer compass bracket, mounted in the housing with 1 its centerline coinciding with its longitudinal centerline, an inner compass bracket, mounted in the outer bracket, 8203007% - \ - 2 - with its centerline perpendicular to the centerline of the outer bracket, with a gyro rotor mounted in the inner bracket and members are provided for measuring the angular rotation of the inner bracket relative to the outer bracket, and means for applying torque to the outer bracket for rotating this bracket when used about its centerline such that the inner bracket moves back to its initial position, with means for measuring the rotation angle of the housing about its longitudinal axis from the outside bracket, and with a gravity measuring unit for measuring three components of gravity in three non-planar directions.

Dit toestel is gebleken zeer betrouwbaar in de praktijk 15 te zijn en kan een nauwkeurigheid hebben tot ongeveer + 0,1° in de inclinatiehoek en + 1,0° in de azirouthhoek.This device has been found to be very reliable in practice and can have an accuracy of up to about + 0.1 ° in the inclination angle and + 1.0 ° in the azirouth angle.

De maximum inclinatiehoek voor een dergelijk toestel wordt in het algemeen beschouwd te liggen bij onqeveer 70° met de vertikaal daar verloopmetingen bij hoeken groter dan 60° 20 leiden tot toenemend minder nauwkeurige metingen naarmate de inclinatiehoek toeneemt. Door de neiging tot het uit-voeren van boringen onder grote hellings.hoek bestaat echter een toenemende behoefte aan een toestel met een nauwkeurigheid in de azimutifioek van dezelfde grootte als bereikbaar 25 is voor de inclinatiehoek. Het doel van de uitvinding is het verschaffen van een dergelijk toestel.The maximum angle of inclination for such a device is generally considered to be approximately 70 ° with the vertical since gradient measurements at angles greater than 60 ° lead to progressively less accurate measurements as the angle of inclination increases. However, due to the tendency to drill holes at a large angle of inclination, there is an increasing need for a device with an accuracy in the azimuth angle of the same size as is achievable for the inclination angle. The object of the invention is to provide such a device.

De uitvinding verschaft daarom een inrichting voor het bewaking van de richting van een boorgat, bestaande uit een langwerpig huis waarvan de langshartlijn bij het gebruik 30 samenvalt met de hartlijn van het boorgat, met een buitenste beugel welke draaibaar is gemonteerd in het huis en waarvan de draailijn samenvalt met de langshartlijn daarvan, met een gyroscoopeenheid, gemonteerd in de buitenste beugel en inge-richt om een uitgang te geven welke een aanwijzing is 35 voor de rotatiesnelheid om de hartlijn van de buitenste beugel en een lijn dwars op deze hartlijn, met organen voor het geven van een torsiekoppel aan de buitenste beugel, eerste bedieningsorganen voor het bedienen van de torsie-organen wanneer de inrichting wordt geplaatst in de mond van 8203007 - 3 - een boorgat zodanig dat de dwarslijn wordt gebracht in de Oost/West-richting, afhankelijk van de rotatiesnelheid om de dwarslijn, gemeten door de gyroscoopeenheid, met tweede bedieningsorganen voor het bedienen van de torsieorganen, 5 afhankelijk van de rotatiesnelheid om de hartlijn van de buitenste beugel, gemeten door de gyroscoopeenheid, wanneer het toestel wordt bewogen langs het boorgat, voor het stabiliseren van de buitenste beugel om zijn hartlijn, en met een zwaartekrachtmeeteenheid voor het meten van twee componenten van de zwaartekracht in twee dwarsrichtingen.The invention therefore provides a device for monitoring the direction of a borehole, consisting of an elongated housing whose longitudinal axis coincides with the axis of the borehole in use, with an outer bracket rotatably mounted in the housing and the pivot line coincides with its longitudinal axis, with a gyroscope unit mounted in the outer bracket and arranged to provide an output indicative of the rotational speed about the center axis of the outer bracket and a line transverse to this axis, with members for giving torque to the outer bracket, first actuators for actuating the torsion members when the device is placed in the mouth of 8203007-3 - a borehole such that the transverse line is brought in the East / West direction, depending on the rotational speed about the transverse line, measured by the gyroscope unit, with second controls for operating the torso means, depending on the rotational speed about the axis of the outer bracket, measured by the gyroscope unit, when the device is moved along the borehole, for stabilizing the outer bracket about its axis, and with a gravity measuring unit for measuring two components of gravity in two transverse directions.

Het gebruik van een gyroscoop met snelheden om twee assen maakt het bereiken mogelijk van een betere nauwkeurigheid dan + 0,1° in de inclinatiehoek en + 0,2° in de azimuthhoek.The use of a dual axis gyroscope allows achieving better accuracy than + 0.1 ° in the inclination angle and + 0.2 ° in the azimuth angle.

Een gyrokompastechniek kan worden gebruikt voor het 15 0p ggn iijn brengen van de buitenste beugel met de echte noordpool en hierdoor wordt de noodzaak overbodig van de uitlijnprocedure van het huis ten opzichte van een referen-tie, zoals deze tot nu toe wordt gebruikt bij de bekende gyroscooptoestellen, die een hoofdbron kan zijn van fouten 20 in de azimuthhoek. Voor inclinaties groter dan 45° kan op de buitenste beugel een koppel worden uitgeoefend voor het op nul houden van de hoek aan de hoge zijde, terwijl de snelheids-meting van de gyroscoop om de dwarslijn kan worden gebruikt voor het berekenen van de azimtihhoek wanneer de inrichting 25 langs de baan van het boorgat wordt bewogen.A gyrocompa technique can be used to align the outer bracket with the true North Pole, thereby obviating the need for the housing alignment procedure relative to a reference as hitherto used in the prior art. gyroscopes, which may be a major source of azimuth angle errors. For angles greater than 45 °, a torque can be applied to the outer bracket to keep the angle on the high side zero, while the velocity gyroscope measurement can be used to calculate the azimtih angle when the device 25 is moved along the path of the borehole.

De uitvinding verschaft ook een werkwijze voor het onder-zoeken van een boorgat, bestaande in het plaatsen van een onderzoekinrichting in de mond van het boorgat, welke bestaat uit een langwerpig huis waarvan de langshartlijn samenvalt met de hartlijn van het boorgat, met een buitenste beugel die draaibaar binnen het huis is gemonteerd met zijn draai-as samenvallend met de langshartlijn van het huis, en met een gyroscoopeenheid, gemonteerd in de buitenste beugel en ingericht voor het verschaffen van uitgangen welke een maat Ο Π zijn voor de rotatiesnelheden om de hartlijn van de buitenste beugel en om een lijn dwars op deze hartlijn, uit het meten van de rotatiesnelheid om de dwarslijn door middel van de gyroscoopeenheid en het uitoefenen van een torsie op de buitenste beugel afhankelijk van de gemeten snelheid, voor 8203007 ·' · - 4 - het uitlijnen van de dwarslijn in de Cost/West-richting; het bewegen van het onderzoektoestel langs het boorgat; het continu meten van de rotatiesnelheid om de hartlijn van de buitenste beugel door rniddel van de gyroscoopeenheid wanneer 5 de inrichting langs het boorgat beweegt, en het uitoefenen van een torsie op de buitenste beugel afhankelijk van de gemeten snelheid, voor het stabiliseren van de buitenste beugel om zijn hartlijn; het continu meten van twee componen-ten van de zwaartekracht in twee dwarsrichtingen ten !0 opzichte van de buitenste beugel of van het huis? en het bepalen van ten minste de inclinatiehoek en de azimuthhoek van het boorgat op een aantal punten in de lengterichting daarvan uit de gemeten zwaartekrachtcomponenten.The invention also provides a method for examining a borehole, comprising placing an examining device in the borehole mouth, which consists of an elongated housing whose longitudinal axis coincides with the borehole centerline with an outer bracket mounted rotatably within the housing with its axis of rotation coinciding with the longitudinal axis of the housing, and with a gyroscope unit mounted in the outer bracket and arranged to provide outputs which are a measure of the rotational speeds about the axis of the outer bracket and around a line transverse to this centerline, from measuring the rotation speed around the crossline using the gyroscope unit and applying a torque to the outer bracket depending on the measured speed, for 8203007 · '· - 4 - aligning the cross line in the Cost / West direction; moving the survey device along the borehole; continuously measuring the rotational speed about the centerline of the outer bracket by means of the gyroscope unit as the device moves along the borehole, and applying a torque to the outer bracket depending on the measured speed, to stabilize the outer bracket for its centerline; continuously measuring two components of gravity in two transverse directions relative to the outer bracket or the housing? and determining at least the inclination angle and the azimuth angle of the borehole at a number of longitudinal points thereof from the measured gravity components.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht 15 aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting volgens de uitvinding is weergegeven.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing, in which an embodiment of the device according to the invention is shown.

Fig. 1 is een schematisch aanzicht in perspectief van de inrichting met opengesneden huis.Fig. 1 is a schematic perspective view of the cut-open housing device.

Fig. 2 is een gedeeltelijk opengewerkt aanzicht in pers-20 pectief van een dynamisch afgestemde gyro-eenheid die deel uitmaakt van de inrichting.Fig. 2 is a partially cutaway perspective view of a dynamically tuned gyro unit that is part of the device.

Fig. 3 geeft schematisch een transformatie weer tussen twee stellen referentieassen.Fig. 3 schematically depicts a transformation between two sets of reference axes.

Fig. 4-6 zijn schema's van verschillende stappen van de 25 transformatie volgens fig.3.Fig. 4-6 are diagrams of different steps of the transformation according to FIG. 3.

Fig. 7 toont het\erband tussen twee stellen referentieassen.Fig. 7 shows the relationship between two sets of reference axes.

De inrichting·volgens fig.l heeft binnen een huis 10, waarvan de langshartlijn samenvalt met de hartlijn van het 20 boorgat, een tweeassige dynamisch afgestemde gyroscoop 12, gemonteerd binnen een buitenste beugel 13 op een as 14 daar-voor, voorzien van een bovenste resp. onderste lager 16, resp. 18 voor deze beugel, gedragen door respektievelijke montageplaten 17 en 19. De afgestemde gyroscoop 12 heeft een 25 gyrowiel 46 met een draaiingsas loodrecht op de hartlijn van de buitenste beugel, een eerste zwenkas dwars op de draaiingsas en een tweede zwenkas loodrecht op de eerste zwenkas en dwars op de draaiingsas. De as 14 van de buitenste beugel heeft verder een torsiemotor 22 en een ontbinder 26, gedragen 8203007 - 5 - door een montageplaat 28 daarvoor. De ontbinder 26 heeft een stator met een paar spoelen waarvan de hartlijnen lood-recht op elkaar staan, en een rotor bestaande uit een overeenkomstig paar loodrecht op elkaar staande spoelen.Within the housing 10, the longitudinal axis of which coincides with the axis of the borehole, the device according to Fig. 1 has a biaxial dynamically tuned gyroscope 12 mounted within an outer bracket 13 on a shaft 14 before it, provided with an upper resp. lower bearing 16, resp. 18 for this bracket, carried by mounting plates 17 and 19 respectively. The tuned gyro 12 has a 25 gyro wheel 46 with a pivot axis perpendicular to the centerline of the outer bracket, a first pivot axis transverse to the pivot axis, and a second pivot axis perpendicular to the first pivot axis and transverse to the axis of rotation. The outer bracket shaft 14 further has a torque motor 22 and a de-binder 26 carried 8203007-5 by a mounting plate 28 therefor. The decomposer 26 has a stator with a pair of coils whose axes are perpendicular to each other, and a rotor consisting of a corresponding pair of perpendicular coils.

5 Wanneer een referentiesignaal wordt toegevoerd aan €en der spoelen van de rotor en de andere spoel van de rotor is geaard en de uitgangen van de beide spoelen van de stator a en b zijn dan is a/b gelijk aan de raaklijn van de hoek tussen een referentierichting ten opzichte van het huis 10 10 en een referentierichting ten opzichte van de as 14 van de buitenste beugel. De inrichting heeft verder een zwaartekrachtmeeteenheid 30 bestaande uit drie accelerometers, gemonteerd op de as 14 van de buitenste beugel.5 When a reference signal is applied to one of the coils of the rotor and the other coil of the rotor is grounded, and the outputs of both coils of the stator a and b are a / b equal to the tangent of the angle between a reference direction with respect to the housing 10 and a reference direction with respect to the shaft 14 of the outer bracket. The device further has a gravity measuring unit 30 consisting of three accelerometers mounted on the shaft 14 of the outer bracket.

Volgens fig.2 heeft de dynamisch afgestemde gyroscoop 15 12 een huis 32 dat is bevestigd aan de buitenste beugel 13, terwijl een as 34 roteerbaar is ten opzichte van het huis 32 en de buitenste beugel 13 om de draaiingsas 35 en is voorzien van legers 36 voor de draaiingsas, waarbij een aandrijfmotor 40 bestaat uit een rotor 42, bevestigd op de 20 as 34, en een stator 44, bevestigd aan het huis 32. Het gyrowiel 46 is gekoppeld met de as 34 door een kruiskoppeling bestaande uit een binnenste beugel 48, die zwenkbaar is om de eerste zwenkas door middel van torsieveren 50 verlopend tussen de as 34 en de binnenbeugel 48, terwijl het gyrowiel 25 46 zwenkbaar is om de tweede zwenkas, loodrecht op de eerste zwenkas door torsieveren 52, verlopend tussen de binnenbeugel 48 en het gyrowiel 46.According to Figure 2, the dynamically tuned gyro 15 12 has a housing 32 attached to the outer bracket 13, while an axis 34 is rotatable relative to the housing 32 and the outer bracket 13 rotates about the axis of rotation 35 and is provided with bearings 36 for the axis of rotation, a drive motor 40 consisting of a rotor 42 mounted on the shaft 34 and a stator 44 attached to the housing 32. The gyro wheel 46 is coupled to the shaft 34 by a universal joint consisting of an inner bracket 48 pivotable about the first pivot axis by torsion springs 50 extending between the shaft 34 and the inner bracket 48, while the gyro wheel 25 is pivotable about the second pivot axis perpendicular to the first pivot axis by torsion springs 52 extending between the inner bracket 48 and the Gyro wheel 46.

Het gyrowiel 46 heeft een permanent magnetische ring 54 en een ringvormige uitsparing 56-direkt grenzend aan 30 de permanent magnetische ring 54, waarbij in deze uitsparing vier torsiespoelen 57-60 zijn aangehracht, bevestigd aan het huis 32, waarbij de spoel 57 diametraal tegenover de spoel 59 is geplaatst, en de spoel 58 diametraal tegenover de spoel 60 is geplaatst. Een reeks opnemers 52, bevestigd 35 aan het huis 32, dienen voor het meten van de hoekverplaat--sing van het gyrowiel 46 om de beide onderling loodrechte assen. Bij de werking van de gyroeenheid wordt het koppel, uitgeoefend op het gyrowiel 46 door de torsieveren 50 en 52, tegengewerkt door het negatieve koppel, opgewekt door het 8203007 » · - 6 - dynamische effekt van de binnenste beugel 48, dat verandert volgens de vierkantswortel van de snelheid van het gyrowiel 46. Er is dus slechts een snelheid, dat wil zeggen de afstemsnelheid, waarbij de positieve veerkoppels worden 5 gecompenseerd door het dynamische effekt. Bij deze afstemsnelheid is het gyrowiel 46 ontkoppeld van de as 34 en werkt dan als een vrije gyro.The gyro wheel 46 has a permanent magnetic ring 54 and an annular recess 56 directly adjacent to the permanent magnetic ring 54, in which four torsion coils 57-60 are mounted in this recess, attached to the housing 32, the coil 57 being diametrically opposite the coil 59 is placed, and the coil 58 is positioned diametrically opposite the coil 60. A series of transducers 52 attached to housing 32 serve to measure the angular displacement of the gyro wheel 46 about the two mutually perpendicular axes. In the operation of the gyro unit, the torque applied to the gyro wheel 46 by the torsion springs 50 and 52 is counteracted by the negative torque generated by the dynamic effect of the inner stirrup 48, which changes according to the square root. of the speed of the gyro wheel 46. Thus, there is only one speed, ie the tuning speed, at which the positive spring torques are compensated by the dynamic effect. At this tuning speed, the gyro wheel 46 is disengaged from the shaft 34 and then acts as a free gyro.

Fig. 3 toont schematisch een boorgat 80 en verschillende 10 referentieassen ten opzichte waarvan de richting van het boorgat 80 kan worden bepaald, welke assen bestaan uit een stel ten opzichte van de aarde vaste assen ON, OE en OV, waarbij OV vertikaal naar omlaag is gericht, ON op het noorden en OE op het oosten is gericht, en uit een stel ten opzichte 15 van het huis vaste assen OX, OY en OZ, waarbij OZ is gericht volgens de plaatselijke richting van het boorgat in een meetpunt, en OX en OY in een vlak loodrecht op deze richting liggen. Het stel ten opzichte van de aarde vaste assen kan worden geroteerd naar het stel ten opzichte van 20 het huis vaste assen door de volgende drie rotaties volgens de klok : 1) een rotatie om de as OV over de azimuthhoek ψ , als weergegeven in fig.4, 2) een rotatie om de as OE^ over de inclinatiehoek £, volgens fig.5 en 3) een rotatie om de as OZ over de hoek 0 aan de hoge zijde, zoals weergegeven in fig.6.Fig. 3 schematically shows a borehole 80 and several reference axes with respect to which the direction of the borehole 80 can be determined, which axes consist of a set of fixed axes ON, OE and OV with respect to the earth, OV being directed vertically downwards, ON faces north and OE faces east, and consists of a set of fixed axes OX, OY and OZ with respect to the housing, where OZ is oriented according to the local direction of the borehole in a measuring point, and OX and OY in be a plane perpendicular to this direction. The set of axes fixed to the earth can be rotated to the set relative to the house fixed axes by the following three clockwise rotations: 1) a rotation about the axis OV through the azimuth angle ψ, as shown in FIG. 4, 2) a rotation about the axis OE ^ about the inclination angle £, according to fig. 5 and 3) a rotation about the axis OZ about the angle aan on the high side, as shown in fig. 6.

Fig. 7 toont schematisch het verband tussen de ten opzichte van het huis vaste assen OX, OY en OZ en een stel 30 ten opzichte van de buitenste beugel vaste assen OX', OY' en OZ', waarbij de assen OZ en OZ' samenvallen en in de figuur met OZZ' zijn aangegeven. peze figuur toont ook het verband tussen de hoek 0 aan de hoge zijde en de hoek 0^, gemeten door de ontbinder 26, waarbij 02 de hoek aan de hoge zijde is die 35 verkregen zou worden wanneer het toestel zou bewegen naar een meetpunt zonder rotatie om de ten opzichte van het huis vaste as OZ. Duidelijk hangt 02 af van de vorm van de door de inrichting te volgen baan. Het is duidelijk dat 0 = 0+0 wanneer de ten opzichte van het huis vaste as, de ten opzichte van de aarde vaste as en de ten opzichte van de buitenste 8203007 - 7 - <"* *·» · · beugel vaste as samenvallen in de mond van het boorgat.Fig. 7 schematically shows the relationship between the shafts OX, OY and OZ fixed with respect to the housing and a set 30 with respect to the outer bracket fixed shafts OX ', OY' and OZ ', the shafts OZ and OZ' coinciding and in the figure is indicated with OZZ '. The figure also shows the relationship between the angle 0 on the high side and the angle 0 ^, measured by the decomposer 26, where 02 is the angle on the high side that would be obtained if the device were to move to a measuring point without rotation about the axis OZ fixed relative to the housing. O2 clearly depends on the shape of the path to be followed by the device. It is clear that 0 = 0 + 0 when the axis fixed to the housing, the axis fixed to the earth and the axis fixed to the outer 8203007 - 7 - <"* * ·» · · bracket fixed. in the mouth of the borehole.

De drie versnellingsmeters van de meeteenheid zijn inge-richt voor het meten van componenten van de zwaartekracht gx,r gY, en gz , volgens de drie onderling loodrechte, ten 5 opzichte van de buitenste beugel vaste assen OX1, OY' en OZ1, waarbij OZ1 samenvalt met de boringhartlijn. Ook kunnen de drie accelerometers zijn gemonteerd aan het huis 10 en de inrichting voor het meten van zwaartekrachtcomponenten gχ, gy en gz volgens drie onderling loodrechte, aan het 10 huis vaste assen OX, OY en OZ.The three accelerometers of the measurement unit are arranged to measure components of gravity gx, r gY, and gz, according to the three axes OX1, OY 'and OZ1 fixed perpendicular to the outer bracket, with OZ1 coincides with the bore axis. The three accelerometers may also be mounted on the housing 10 and the device for measuring gravity components gχ, gy and gz along three mutually perpendicular axes OX, OY and OZ fixed to the housing.

Wanneer de accelerometers zijn gemonteerd aan het huis is de zxtfaartekrachtsvector g = g i ^χ+9γ* ^Y+^Z * ^Z' waar^-n ϋχ, ϋγ en ϋζ de eenheidsvectoren zijn in de richtingen van de assen OX, OY en OZ resp. Wanneer de accelerometers 15 zijn gemonteerd aan de buitenbeugel is de zwaartekrachts-vector g = gx, .Ux,+gY, .UY,+gz , .Uz, waarbij 0χΙ, ϋγι en tTz , de eenheidsvectoren zijn in de richtingen OX’, OY' en OZ' van de vaste assen van de buitenbeugel.When the accelerometers are mounted to the housing, the zxfoot force vector g = gi ^ χ + 9γ * ^ Y + ^ Z * ^ Z 'where ^ -n ϋχ, ϋγ and ϋζ are the unit vectors in the directions of the axes OX, OY and OZ resp. When the accelerometers 15 are mounted on the outer bracket, the gravity vector g = gx, .Ux, + gY, .UY, + gz, .Uz, where 0χΙ, ϋγι and tTz, are the unit vectors in the directions OX ', OY 'and OZ' of the fixed shafts of the outer bracket.

Dus is 20 gx' = gxcos 0χ - gysin 0χ ........... (A) gY' = gxsin 0χ + gYcos 0χ ........... (B) V = 9Z ........... (C)So 20 gx '= gxcos 0χ - gysin 0χ ........... (A) gY' = gxsin 0χ + gYcos 0χ ........... (B) V = 9Z ........... (C)

Wanneer ϋΝ, en Uv eenheidsvectoren zijn in de richtingen ON, OE en OV respektievelijk van de ten opzichte van de 25 aarde vaste assen geeft volgens de definitie van de hoeken 0, Θ en γ de vectorvergelijkingWhen ϋΝ, and Uv are unit vectors in the directions ON, OE and OV, respectively, of the axes fixed with respect to the earth, according to the definition of the angles 0, Θ and γ, the vector equation

Ujjev ϋχγΖ detransformatieverhouding weer tussen de stellen eenheidsvectoren van de beide frames waarbij 8203007 % - 8 - cos ψ -sin ψ 0 * sin ijr cos \jr 0 = (r3 OOl cos Θ 0 sin © 5 0 1 0 . = ^ en -sin Θ 0 cos Θ, cos 0 -sin 0 0 sin 0 cos 0 0 - w 0 0 1 mUjjev ϋχγΖ the transformation ratio between the sets of unit vectors of the two frames where 8203007% - 8 - cos ψ -sin ψ 0 * sin ijr cos \ jr 0 = (r3 OOl cos Θ 0 sin © 5 0 1 0. = ^ En -sin Cos 0 cos Θ, cos 0 -sin 0 0 sin 0 cos 0 0 - w 0 0 1 m

10 De vectorvergelijking ϋχγζ = ^NEV10 The vector equation ϋχγζ = ^ NEV

geeft de transformatieverhouding weer in de tegengestelde richting.represents the transformation ratio in the opposite direction.

De inrichting kan worden gebruikt in drie verschillende meetfasen voor het verkrijgen van drie afzonderlijke metingen. 15 Eerst kan met de inrichting vertikaal geplaatst aan de mond van het boorgat, dat wil zeggen met de 0Z -as op een lijn met de OV-as, een gyrokompastechniek worden toegepast voor het uitlijnen van een referentiehoekstand van de buitenbeugel 13 ten opzichte van de echte : noordpool. De 2^ rotatiesnelheid van het ayrowiel 46 om de OX'-as tengevolge van de rotatie van de aarde, gemeten door de geschikte opnemers 62 van de afgesterrde gyro 12, wordt teruggekoppeld naar de torsiemotor 22 door middel van een geschikt be-sturingscircuit en gebruikt voor het draaien van de buiten-25 beugel 13 totdat de rotatiesnelheid van de aarde, gemeten om de OX'-as door de afgestemde oyro 12, nul is, waarbij de draaiingshartlijn 35 (OY'-as) noord/zuid moet liggen en de OX-as oost/west moet liggen. Deze gyrokompasfase voor het zoeken van het noorden maakt de noodzaak overbodig voor het uitlijnen van het huis, zoals deze tot nu toe wordt toegepast bij bekende gvroscoopinstrumenten, hetgeen een hoofd-bron van de azimuthfouten kan zijn.The device can be used in three different measurement phases to obtain three separate measurements. First, with the device placed vertically at the mouth of the borehole, that is, with the 0Z axis aligned with the OV axis, a gyrocompa technique can be used to align a reference angular position of the outer bracket 13 with respect to the real: north pole. The rotational speed of the ayro wheel 46 about the OX 'axis due to the rotation of the earth, measured by the appropriate sensors 62 of the star gyro 12, is fed back to the torque motor 22 by means of a suitable control circuit and used for rotating the outer bracket 13 until the rotational speed of the earth, measured about the OX 'axis by the tuned oyro 12, is zero, the axis of rotation 35 (OY' axis) being north / south and the OX axis must be east / west. This gyrocompass phase for the north search obviates the need for housing alignment, as hitherto used in known groscope instruments, which may be a major source of azimuth errors.

In een tweede meetfase, toepasbaar op boorgathellingen van O tot 45° met de vertikaal, wordt de helling van het boorgat 8203007 - 9 - gemeten, hetzij continu of op een reeks punten over zijn lengte verdeeld, door de onderzoekmethode als beschreven in het bovengenoemde Britse octrooischrift 1.509.293, behalve dat de aanvankelijke uitlijnreferentie wordt ver-5 kregen zoals boven is beschreven in de eerste meetfase.In a second measurement phase, applicable to borehole slopes from 0 to 45 ° with the vertical, the slope of the borehole 8203007-9 is measured, either continuously or at a series of points along its length, by the survey method described in the above British No. 1,509,293, except that the initial alignment reference is obtained as described above in the first measurement phase.

De rotatiesnelheid van het gyrowiel 46 om de QZ'-as, gemeten door de geschikte opnemers 62 van de afgestemde gyro 12, wordt teruggevoerd door een geschikt besturingscircuit naar de torsiemotor 22 en gebruikt voor het stabiliseren van de 10 buitenbeugel 13 om de OZ’-as voor het handhaven van de uitlijning van de OY'-as in het vertikale vlak dat noord-zuid is gelegen. De buitenbeugel 13 gedraagt zich daardoor als een gestabiliseerd platform met een enkele as, om zijn as QZ' die samenvalt met de as OZ van het huis. De netto 15 rotatie van het huis 10 om de OZ-as, gemeten ten opzichte van een referentie van de buitenbeugel, is daardoor gelijk aan de som van alle rotaties van het huis 10 om de ogenblikkelijke richtingen van OZ wanneer de inrichting wordt bewogen langs het boorgat en is duidelijk onafhankelijk van 20 de gevolgde baan.The rotational speed of the gyro wheel 46 about the QZ 'axis, measured by the appropriate sensors 62 of the tuned gyro 12, is returned by a suitable control circuit to the torque motor 22 and used to stabilize the outer bracket 13 around the OZ'. axis for maintaining the alignment of the OY 'axis in the north-south vertical plane. The outer bracket 13 thereby behaves as a stabilized single axis platform about its axis QZ 'coinciding with the axis OZ of the housing. The net rotation of the housing 10 about the OZ axis, measured with respect to a reference of the outer bracket, is therefore equal to the sum of all rotations of the housing 10 about the instantaneous directions of OZ when the device is moved along the borehole and is clearly independent of the path followed.

Bij de inrichting als beschreven in het genoemde octrooischrift zijn de afwij.kingssnelheden van de buitenbeugel om de OZ-as van de grootteorde van 1 tot 10° per uur en worden controles van de afwijkingssnelheid gemaakt tijdens 25 het onderzoek. Op deze wijze kan een nauwkeurigheid van de snelheidsmeting worden verkregen van de grootteorde van 0,5° per uur. In tegenstelling hiermee kan met de bovenbe-schreven inrichting volgens de uitvinding een nauwkeurigheid van de snelheidsmeting worden verkregen van de grootteorde 30 van 0,1° per uur en is het niet nodig het onderzoek te stoppen voor controles op de afwijkingssnelheid. Bij geschikte programmering van het systeem voor het corrigeren van de accelerometeruitgangen voor de effekten van het feit dat de inrichting een niet-rechtlijnige baan doorloopt 35 tijdens het onderzoek, kan deze meetfase in een continue handeling worden uitgevoerd.In the apparatus as described in said patent, the deviation rates of the outer bracket about the OZ axis are of the order of 1 to 10 ° per hour and deviation rate controls are made during the study. In this way, an accuracy of the speed measurement can be obtained of the order of magnitude of 0.5 ° per hour. In contrast, with the above-described device according to the invention, a speed measurement accuracy of the order of magnitude of 0.1 ° per hour can be obtained and there is no need to stop the test for aberration speed checks. With appropriate programming of the system for correcting the accelerometer outputs for the effects of the device traversing a non-linear path during the survey, this measurement phase can be performed in a continuous operation.

- ***% U In een derde meetfase, toepasbaar'voor boorgathellingen t groter dan 45° met de vertikaal, wordt op de buitenbeugel I 13 een koppel uitgeoefend door de torsiemotor 22 voor het 8203007 - 10 - op nul houden van de hoek 0 aan de hoge zijde, als gemeten door de zwaartekrachtmeeteenheid 30. Wanneer de drie accelerometers zwaartekrachtcomponenten geven volgens de ten opzichte van het huis vaste assen OX, OY en OZ,namelijk 5 respektievelijk de componenten g , g en g , is de inclinatiehoek Q gegeven door : Θ = a tg (gx2 + gy2) / (gx2 + gy2 + en wordt de hoek 0 aan de hoge zijde gegeven door : 10 0 = a tg (gy / -gy) gXf gy en gz moeten worden gecorrigeerd voor de effekten die ontstaan doordat de inrichting een niet-rechtlijnige baan doorloopt.- ***% U In a third measuring phase, applicable for borehole slopes t greater than 45 ° with the vertical, torque is applied to the outer bracket I 13 by the torque motor 22 for keeping the angle 0 at zero 0203007-10. on the high side, as measured by the gravity measuring unit 30. When the three accelerometers give gravity components according to the axes fixed to the housing OX, OY and OZ, namely 5 and components g, g and g, respectively, the angle of inclination Q is given by : Θ = a tg (gx2 + gy2) / (gx2 + gy2 + and the angle 0 on the high side is given by: 10 0 = a tg (gy / -gy) gXf gy and gz must be corrected for the effects arise because the establishment follows a non-linear path.

De snelheidsmeting van het gyrowiel 46 om de OX'-as, 15 gemeten door de geschikte opnemers 62 van de afgestemde gyro-12, kan dan worden gebruikt voor het berekenen van de azimuth-hoek ψ wanneer de inrichting beweegt volgens de baan van het boorgat. De snelheid, gemeten om de OX'-as, namelijk rv =vj +Λ ’ waarbij'-O de rotatiesnelheid is 20 van de inrichting om de OX’-as en -h- de rotatiesnelheid van de aarde om de OX'-as. Daar 0=0 kan de azimuth-hoek ψ worden berekend door integratie van -\jr naar de tijd, a waarin "ψ = - ^χ / sin Θ = - (Γχ-Λχ)β1η Θ, waarin 25 = Rrp.cos ψ .cos β + RR.sin 0, RT = Rg.cosX enThe velocity measurement of the gyro wheel 46 about the OX 'axis, measured by the appropriate sensors 62 of the tuned gyro-12, can then be used to calculate the azimuth angle ψ as the device moves along the borehole path . The velocity, measured about the OX 'axis, namely rv = vj + Λ' where'-O is the rotational speed of the device about the OX 'axis and -h- the rotational speed of the earth about the OX' axis . Since 0 = 0, the azimuth angle ψ can be calculated by integrating - \ jr to time, a where "ψ = - ^ χ / sin Θ = - (Γχ-Λχ) β1η Θ, where 25 = Rrp.cos ψ .cos β + RR.sin 0, RT = Rg.cosX and

Rr = Rg.sinX , waarin R^, de snelheid van de rotatie van de aarde is om zijn as en X de geografische breedte.Rr = Rg.sinX, where R ^, the speed of the rotation of the Earth is about its axis and X is the latitude.

De tweede en de derde meetfase zijn onderling complemen-tair daar voor inclinaties groter dan 45° met de vertikaal de tweede meetfase steeds onnauwkeuriger resultaten geeft met toenemende inclinatie, terwijl voor inclinaties van 0 tot 45° met de vertikaal de derde meetfase toenemend onnauwkeurige resultaten geeft met afnemende inclinatie. Theoretische achtergrond.The second and third measuring phases are mutually complementary since for inclinations greater than 45 ° with the vertical the second measuring phase gives increasingly inaccurate results with increasing inclination, while for inclinations from 0 to 45 ° with the vertical the third measuring phase gives increasingly inaccurate results with decreasing inclination. Theoretical background.

35 Wanneer de inrichting zodanig wordt bewogen dat de langsas OZ' daarvan evenwijdig blijft aan de boorgatas tijdens de beweging worden de rotatiesnelheden van de inrichting om de ten opzichte van het huis vaste assen gedefinieerd als νΟχ,\Λ?γ en Wanneer de ogenblikkelijke rotatie- 8203007 0 - 11 - snelheden worden gedefinieerd als de snelheden Θ en "ψ , waar deze snelheden zijn gedefinieerd door veranderingen van de boorgatparameters © en ψ wanneer de inrichting langs het boorgat beweegt, kan de rotatiesnelheid van de 5 inrichting worden gedefinieerd in het frame of assenstelsel dat vast is ten opzichte van de aarde door φWhen the device is moved so that its longitudinal axis OZ 'remains parallel to the borehole axis during movement, the rotational speeds of the device about the axes fixed relative to the housing are defined as νΟχ, \ Λ? Γ and When the instantaneous rotational 8203007 0 - 11 - speeds are defined as speeds Θ and "ψ, where these speeds are defined by changes of the borehole parameters © and ψ as the device moves along the borehole, the rotational speed of the device can be defined in the frame or coordinate system fixed to Earth by φ

Bewerken van de vector R voor het transformeren daarvan in ten opzichte van het huis vaste componenten geeft : 10 «Rp = (-sin©.cos0. Ijr + Q.sin0 ) ,ϋχ + (sin©.Editing the vector R before transforming it into solid components relative to the housing gives: 10 Rp = (-sin © .cos0. Ijr + Q.sin0), ϋχ + (sin ©.

* φ ' » sin0. f + Θ,cos0 ).ϋγ + (cos©, ψ ).ϋζ dus VJV = “SinO.cos0. ψ + ©.sin0 ...........................(1) Λ Λ Λ \λ2γ = sin©.sin0.y + ©.cos0 ...........................(2) 15 = cosG.y (3) •c ‘* φ '»sin0. f + Θ, cos0) .ϋγ + (cos ©, ψ) .ϋζ so VJV = “SinO.cos0. ψ + © .sin0 ........................... (1) Λ Λ Λ \ λ2γ = sin © .sin0.y + ©. cos0 ........................... (2) 15 = cosG.y (3) • c '

Het oplossen van de vergelijkingen 1 en 2 voor y en © geeft: γ = -^ujx.cos0 - Ό Y<sin0^ / sin0..............(4) © = vox.sin0 +u>Y.cos0 ..............(59 20 Wanneer de grootte van de rotatiesnelheid van de aarde om zijn as RE bedraagt kan de rotatiesnelheid van de aarde in het assenstelsel vast ten opzichte van de aarde worden gedefinieerd door :Solving equations 1 and 2 for y and © gives: γ = - ^ ujx.cos0 - Ό Y <sin0 ^ / sin0 .............. (4) © = vox. sin0 + u> Y.cos0 .............. (59 20 When the magnitude of the rotational speed of the earth about its axis is RE, the rotational speed of the earth in the coordinate system can be fixed relative to of the Earth are defined by:

Re = Rg.cos λ .Ojj + RE.sinA «ϋν ofRe = Rg.cos λ .Ojj + RE.sinA «ϋν or

25 Re RT*^7N " RR*^V25 Re RT * ^ 7N "RR * ^ V

Het bewerken van de vector Rj. voor het transformeren daarvan in de ten opzichte van het huis vaste componenten geeft : 8203007 - 12 -Editing the vector Rj. for transforming it into the components fixed relative to the housing gives: 8203007 - 12 -

Si^r = Κ,ρ.σοβ .cosO.cos0 + RR.sin©.cos0 -R^. sin vjr . sin0 .. (6) Jly = -R^.cos \j/\cos©.sin0 - PR.sin©.sin0 -rR^,. sin ψ .cos0 .. (7) ΛΖ = Ρτρ·005"^ -sin© - RR.cos© .. (8), waarin .JL ^, en de rotatiesnelheden zijn van de 5 aarde om de ten opzichte van het huis vaste assen.Si ^ r = Κ, ρ.σοβ .cosO.cos0 + RR.sin © .cos0 -R ^. sin yr. sin0 .. (6) Jly = -R ^ .cos \ j / \ cos © .sin0 - PR.sin © .sin0 -rR ^ ,. sin ψ .cos0 .. (7) ΛΖ = Ρτρ · 005 "^ -sin © - RR.cos © .. (8), where .JL ^, and the rotational speeds are from the 5 earth every relative to the house fixed axles.

820 3 G07820 3 G07

Claims

1. Device for monitoring the direction of a borehole, consisting of an elongated housing whose longitudinal axis coincides with the axis of the borehole during use, with an outer bracket pivotally mounted in the housing with its pivot axis coinciding with the longitudinal axis thereof, a gyroscope unit mounted in the outer bracket, torsion members for applying torque to the outer bracket, and a gravity measuring unit for measuring two gravity components in two transverse directions, characterized in that the gyroscope unit (12) is adapted to give of scans indicative of the rotational speed about the axis (OZ1) of the outer bracket and an axis (OX *) transverse to this axis of the outer bracket, and the device further comprising first actuators for operating the torsion members (22 ) when the device is placed in the mouth of the borehole, to align the transverse axis (OC ') in the east / west direction depending on of the rotational speed about the transverse axis (OX '), measured by the gyroscope unit (12), and from second operating means for operating the torsion means (22) depending on the rotational speed about the axis (OZ') of the outer bracket, measured by the gyroscope unit (12) as the device is moved along the borehole, to stabilize the outer bracket (13) about its axis (OZ ').

Device according to claim 1, characterized in that further decomposing means (26) are provided for measuring the angle of rotation of the outer bracket (13) about its axis relative to the housing (10).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that further means are provided for determining the angle of the device on the hone side as it is moved along the borehole, from the measured gravity components, and third actuators for operating the torsion members (22) depending on the rotational speed about the transverse axis (OX *) / measured by the gyroscope unit (12), when the device is moved along the borehole at 8203007 <14 - high inclination angles. that the angle (0) on the high side is kept at zero.

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the gravity measuring unit (30) is mounted on the outer bracket (13).

Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the gravity measuring unit (30) is mounted on the housing (10).

Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the gravity measuring unit (30) is arranged for measuring three gravity components in three non-planar directions.

7. Device as claimed in any of the claims 1-5, characterized in that the gyroscope unit is a dynamically tuned two-axis gyroscope.

8. Method for monitoring a borehole using an examination device consisting of an elongated housing whose longitudinal axis coincides with the centerline of the borehole and with an outer bracket pivotally mounted in the housing with its pivot axis coinciding with the longitudinal axis of the housing, and wherein a gyroscope unit is mounted in the outer bracket, characterized in that the gyroscope unit (12) is arranged to provide outputs indicative of the rotational speeds about the axis (OZ1) of the outer bracket and an axis (OX ') transverse to this axis of the outer bracket; the method comprising placing the examining device in the mouth of the borehole, measuring the rotational speed about the transverse axis (OX1) by means of the gyroscope unit (12) and applying torque to the outer bracket (13) of the measured speed so that the transverse axis (OX ') is aligned in the east / west direction; moving the examining device along the borehole; continuously measuring the rotational speed about the axis (OZ1) of the outer bracket by means of the gyroscope unit (12) as the device moves along the borehole and applying torque to the outer bracket (13) depending on the measured speed, such that the outer bracket (13) is stabilized about its axis; continuously measuring 8203007-15 of two gravity components in two transverse directions relative to the outer bracket (13) or the housing (10); and determining at least the inclination angle (0) and the azimuth angle (ψ) of the borehole in a number of points along its length from the measured gravity components.

Method according to claim 8, characterized in that at high inclination angles of the borehole the rotational speed about the transverse axis (OX ') is continuously measured by the gyroscope unit (12) as the device moves along the borehole and a torque is applied to the outer bracket (13) depending on the measured speed such that the angle (0) on the high side, determined from the measured gravity components / zero, is kept. 8203007